河南科技大学本科毕业设计（论文）
基于FPGA的多道脉冲幅度分析器的设计
摘 要
本次设计将介绍一种采用二级线性放电法构成的可存储多道脉冲幅度分析器的设计系统，其控制与转换的核心采用Altera公司的FPGA：Cyclone的EP1C6Q240C8，并用超高速硬件描述语言VHDL进行程序设计。系统采用USB接口芯片实现与PC的高速数据传输。本次所设计的多道脉冲幅度分析器实现了对随机核辐射信号幅度及密度的测量，即实现了对能量谱的测量。
在本次设计中利用FPGA内部的锁相环（PLL）将100MHz的外频倍频到200MHz，并以此作为ADC的计数脉冲，提高了脉冲幅度的转换精度。同时利用芯片Cyclone自带的BLOCK RAM存储道地址数据，增大分析器的存储能力，减少了系统的体积；用FPGA构成USB控制器，实现与USB接口通信的功能；采用二级恒流源线性放电法，提高了系统的ADC的道宽均衡性，同时减少了系统的死时间。
最后通过QuartusII软件对设计的系统进行了功能仿真，并下载到试验箱上进行测试，结果由于自身的问题只做出了软件仿真部分。
关键词：多道脉冲幅度分析器， 二级线性放电法， 现场可编程门阵列（FPGA）， 超高速硬件描述语言（VHDL）， 通用串行总线（USB）
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Design of Multichannel Pulse Amplitude Analyzer
Based on FPGA
Abstract
This design will be designed to introduce a adopt two-stage method of linear discharge pulse width height analyzer design system, the core of the conversion and control unit is achieved in the Cyclone EP1C6Q240C8 of Altera corporation by programming with the VHDL .The transport of the data to PC adopts the port chip of USB. The design of multi-channel pulse amplitude analyzer realized with random signal amplitude and density of math-model of measurement, namely, realize the energy spectrum measurement.
In this design, using the FPGA internal phase lock loop (PLL) will 100MHz outside frequency harmonics to 200MHz and regard it as the ADC counting pulse and improve the precision of the pulse amplitude conversion. At the same time use to bring a Cyclone chip which ways address data, RAM storage increases analyzer, reducing the storage capability; the volume system using the FPGA constitute a USB controller with USB communication, realizing the function; Adopt two-stage constant-current source method of linear discharge and improves the system ADC word wide balance of the system, as well as reduce dead time.
Finally, through the system QuartusII software to design functions, and the download to simulation test box .however ,because of myself inadequate ,only the software block is successful .
Keywords: Multi-channel pulse amplitude analyzer, Two step linearity discharge, FPGA, VHDL, USB
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目 录
前 言 ................................................................................................................................ 1 第1章 绪论 ................................................................................................................... 3 §1.1 国内外发展现状 ............................................................................................ 3 §1.2 研究目的及意义 ............................................................................................ 4 §1.3 特色与创新 ..................................................................................................... 4 第2章 多道脉冲幅度分析器原理 ............................................................................ 5 §2.1 多道脉冲幅度分析器的组成 ....................................................................... 5 §2.2 多道脉冲幅度分析器的转换原理 .............................................................. 5 第3章 整体设计 .......................................................................................................... 7 §3.1 数据获取 ......................................................................................................... 7 §3.1.1 线性放电法模数变换原理 ................................................................... 7 §3.2 数据传输 ......................................................................................................... 9 §3.2.1 USB接口概述 ....................................................................................... 10 §3.2.2 RS-232概述........................................................................................... 13 §3.3 总体方案设计............................................................................................... 13 第4章 硬件电路设计 ................................................................................................ 16 §4.1 硬件电路组成............................................................................................... 16 §4.2 模拟电路设计............................................................................................... 16 §4.2.1 线性门电路 ........................................................................................... 16 §4.2.2 上/下阀电路.......................................................................................... 17 §4.2.3 脉冲幅度保持电路 .............................................................................. 19 §4.2.4 快/慢放判断电路 ................................................................................. 19 §4.2.5 自放电路 ............................................................................................... 20 §4.3 数字电路设计............................................................................................... 21 §4.3.1 FPGA控制电路 .................................................................................... 21 §4.3.2 数据显示模块....................................................................................... 22 §4.3.3 BCD转换模块 ...................................................................................... 23
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§4.3.4 RS232接口电路设计 ........................................................................... 23 第5章 软件设计 ........................................................................................................ 25 §5.1 VHDL语言简介 ........................................................................................... 25 §5.2 总体软件流程设计 ...................................................................................... 26 §5.3 功能模块设计............................................................................................... 28 §5.3.1 分频功能模块设计 .............................................................................. 28 §5.3.2 主控功能模块设计 .............................................................................. 29 §5.3.3 存储功能模块设计 .............................................................................. 31 §5.3.4 RS232通讯功能模块设计 .................................................................. 31 §5.3.5 PWM斩波调幅设计 ............................................................................ 33 §5.3.6 存储控制模块设计 .............................................................................. 35 §5.3.7 时间控制模块设计 .............................................................................. 36 第6章 实验与调试过程 ........................................................................................... 38 §6.1 设计过程 ....................................................................................................... 38 §6.2 调试与结果分析 .......................................................................................... 38 §6.3 设计过程中所遇到的问题 ......................................................................... 38 总 结 .............................................................................................................................. 39 参考文献 ....................................................................................................................... 40 致 谢 .............................................................................................................................. 42 附录一............................................................................................................................ 43 附录二............................................................................................................................ 44
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前 言
核能谱测量技术被广泛应用于定量分析被测物质的元素成分及其含量。核能谱测量技术是一种综合性很强的技术，是核探测技术、电子技术、计算机技术等多学科相互交叉渗透的产物，具有现场、多元素快速分析、非破坏性等特点，目前已成为物质成分分析必用的仪器。多道脉冲幅度分析器是能谱仪的关键部件，其性能好坏决定了能谱仪的测量精度，所以，多道脉冲幅度分析技术是核辐射测量技术中的一个重要研究课题[1]。
经过分析发现根据多道脉冲分析器的功能和结构，本课题主要的研究内容及所用到的技术有：
（1）二级线性放电法。多道脉冲幅度分析器以―脉冲幅度一时间‖变换原理为基础，电路采用两级线性放电将脉冲幅度转换为时间参数T（T=HC/I），再由FPGA对T进行脉冲计数，从而得到脉冲的道地址。为了使时间与幅度准确的成正比关系，需要保证充电电容以恒定的电流放电，在本课题中采用两级恒流源放电，同时为了提高分析器的转换时间，我们采取快慢放并用的方法进行放电；
（2）FPGA实现ADC。利用FPGA强大的逻辑控制功能，通过扫描过峰、过零判断电路，上下阈甄别电路等模拟电路，控制线性门、恒流源放电电路的动作，并对放电时间进行脉冲计数，同时将结果存储到内部ROM中，即，用FPGA构成ADC电路；
（3）用USB进行数据传输。为了使存储的数据快速的传给微机进行数据处理，选用USB进行数据传输。USB设备由于―即插即用‖的优点和灵活性，而被广泛应用于各种电子产品。USB（通用串行总线）是一种电缆总线，用于在主机和各式各样的即插即用的外设之间进行数据传输。由主机预定的标准的协议使各种设备分享USB带宽，当其它设备和主机在运行时，总线允许添加、设置、使用以及拆除外设。本模块使用USB1T11A接口芯片，可以通过跳线选择工作模式和传输速度（低速1.5Mbit/s和全速12Mbit/s）。USB1T11A是一片通用USB收发器芯片，遵循USB1.1协议，使用标准逻辑与USB的
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