利用FPGA与EDA技术实现核物理实验常用仪器定标器的设计.doc
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1、利用FPGA与EDA技术实现核物理实验常用仪器定标器的设计定标器在大学实验中有很广泛的应用,其中近代物理实验中的核物理实验里就有2个实验(G-M计数管和吸收)要用到高压电源和定标器,而目前现有的设备一般使用的是分立元器件,已严重老化,高压极不稳定,维护也较为困难;另一方面在许多常用功能上明显欠缺,使得学生的实验课难以维持。为此我们提出了一种新的设计方案:采用EDA进行结构设计,充分发挥FPGA(Field Programmable Gate Array)技术的集成特性,抛弃原电路中众多晶体管,成功地对系统中的大量处理电路进行了简化和集约,提高了仪器的可靠性和稳定性,有利于电路的测试和检修。改进
2、方案后的定标器不仅完善了原有的功能,还增加了数据存储、RS232接口等功能,可以方便地与PC机接口通信,进行数据处理、图像显示和打印等。1 G-M计数器原理G-M计数管是一种低压气体放电管,作用是将入射粒子(射线)转换成电压脉冲输出。原子核心物理实验中常用它作为计数装置的“探头”探测射线及射线强度。G-M计数管有2种:用于探测射线的钟罩型和主要用于探测射线的长圆柱型。其中钟罩型计数管的工作电压为千V(伏)左右,圆柱型工作电压接近千V(伏)。射线粒子在计数管中引起气体“雪崩”放电,使得计数管导通;电流通过负载电阻R形成一个负脉冲,此脉冲信号通过电容C,经前置放大器送至定标器计数,如图1所示。由于
3、计数管在放电终止后会形成连续放电现象,此现对计数管极其有害,故一发现计数突然增加时,就应立即降低高压。改进后的定标器会自动控制高压源,将其电压降低。这些改进。即可避免以前实验中出现的计数管损坏问题。2 定标系统原理及硬件实现定标器系统由电源部分、输入电路部分和脉冲计数显示部分3个模块组成,原理框图如图2所示。G-M计数管产生的负脉冲经过输入整形电路,进行整形、放大处理,产生标准TTL信号,再由计数测量电路进行计数。定时脉宽门控电路控制计数的脉宽,分6个档:10 -3、10 -2、10 -1、10 0、10 1、10 2。时间倍乘档有4种选择:1、2、4、8。这样进行的一组测量数据即可以用来描述
4、射线粒子产生的规律。图2中,显示部分采用的是动态显示的方法,利用单片机AT89C51来进行即时的控制和相应的显示数据。同时根据需要,选择部分测量数据(包括此次计数数据及对应的高压值)存储到RAM中,然后将所选取的RAM中的数据通过RS232串行端口发送到PC机上,经过相应的处理软件进行描图,以及相应的实验数据处理。为了使系统更加集成化,特定时脉宽门控、计数测量电路、地址译码及数据锁存、总线的驱动等电路集成到1片FLEX10K的FPGA中。图3为系统详细电路原理框图。3 FPGA芯片设计3.1 FPGA逻辑功能结构及其总体设计为了简化设计,实现系统大量逻辑电路的集成,在设计中使用了现场可编程逻辑
5、门阵列器件(FPGA)。FPGA主要实现以下逻辑功能:定时脉宽门控、计数测量、地址锁存、译码、总线的驱动和扩展以及数码显示的控制等功能。其逻辑功能顶层结构如图4所示。FPGA器件选择Altera公司FLEX10K10系列的EPF10K10LC84-4芯片。该芯片集成有1万个等效逻辑门,含有572个逻辑单元(LEs)、72个逻辑阵列块(LABs)、3个嵌入式阵列块(EAB s),并具有720个片内寄存器,可以在不占用内部资源的条件下实现6144 bit的片内存储器;内部模块间采用高速、延时可预测的快速通道连接;逻辑单元间具有高速、高扇出的级联链和快速进位链;片内还有三态网络和6个全局时钟、4个全
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