河南科技大学本科毕业设计（论文）
物理层接口。
在这次的论文中主要分了六个章节进行介绍：第一章中主要介绍了国内外的研究状况及本次设计中的新颖之处；第二章主要介绍一下多道脉冲幅度分析器的原理，模数转换是这一节的重点；第三章主要介绍了设计中用的一些基本方法，线性放电及各种通讯方式的比较；第四章主要是通过硬件电路图的设计来了解各个模块的功能，更详细的了解本次设计的情况；第五章主要是通过软件仿真得到一些仿真波形图及RTL级电路图；第六章主要介绍了本次设计所做的程度及在设计中所遇到的问题，最后对本次设计的一个总结。
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第1章 绪论
§1.1 国内外发展现状
多道脉冲幅度分析器是多道能谱数据采集系统中的重要组成部分，它的性能很大程度上决定了核信息采集的正确性，是核数据处理的基础。完整的多道脉冲幅度分析器应具有两大部分的功能：1、对探测信号的模数转换和地址存储，即，数据转换及存储的控制功能；2、将结果直接显示或通过串口、并口等方式送给微机处理，即：数据传输功能。因此提高多道脉冲分析器的性能一般从这两个方面入手。
目前国内外研制生产的多道脉冲幅度分析器大致分为两类：一类是以ORTEC、CANBBER及北京核仪器厂为代表生产的多道脉冲幅度分析器。其设计原理采用逐次比较法，其特点是采用数字集成电路芯片来实现A/D（模数转换），采用数字均道器来调节道宽，其优点是能满足高计数率，缺点是积分非线性、微分非线性不太理想。一类是以上海核仪器厂为代表生产的多道脉冲幅度分析器，其设计原理采用线性放电法[6]，其特点是采用中小规模数字集成电路芯片来实现控制核心，其优点是积分非线性、微分非线性好，缺点是只能满足低计数率。此外，成都理工大学的袁启兵实现了以单片机AT89C55为控制核心，以高速低功耗的A/D芯片MAX191作为模数转换器件的多道脉冲幅度分析器。
多道脉冲幅度分析器测得的谱数据通过通信接口发给主机进行数据分析和处理，通信接口有串口（RS232）、并口（EPP）、USB口及总线方式（ISA、PCI）。重庆邮电学院的尚凤军，王海霞研制了以PC/104嵌入式微机为控制核心，采用总线方式实现系统通信和数据传输。成都理工大学的彭有花用FPGA 芯片EPF10K20作为逻辑控制的核心，结合EPP接口技术实现了多道脉冲幅度分析器的功能。在上述通信接口电路，以USB口性能最优，但现在国内也只做到12M，即只满足USB协议1.1,如成都理工大学应用核技术研究所的周伟，李涛等利用P89C51RD2单片机与A/D转换器和USB接口设计的便携式多道脉冲分析器。在本次设计的多道脉冲幅度分析器中采用USB接口
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实现数据传输。
§1.2 研究目的及意义
本课题是采用FPGA芯片作为多道脉冲分析器的数字逻辑控制核心，并利用片内内嵌ROM存储数据，充分地利用了FPGA的内部资源。FPGA是一种高性能的可编辑逻辑器件：它是作为专用集成电路（ASIC）领域中半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原来可编辑逻辑器件的逻辑门有限的缺点，大大提高了系统的精确度，提高整体的抗干扰能力和稳定性，而且可以使体积更小。在数据传输方面，系统采用USB进行传输，加快和提高了数据处理能力。因此，本设计中的多道脉冲幅度分析器体积小，功耗低，便于户外工作。
§1.3 特色与创新
本课题中的多道脉冲分析器与主要有以下几个特点和创新：（1）本系统是采用FPGA为核心的器件，以一片FPGA芯片代替了以往30多片中小型的数字芯片，提高整体的抗干扰能力和稳定性，而且可以使体积更小。FPGA能通过VHDL语言编写程序实现许多强大的功能；（2）采用二级线性放电法，但不是直接采用A/D变换转换芯片，而是将计数器、比较器、存储器等功能器件集成在FPGA上，相当于自制一个A/D变换转换器。
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第2章 多道脉冲幅度分析器原理
§2.1 多道脉冲幅度分析器的组成
为了能将输入信号分入各道，需要有一个能按信息参数分类的输入部分(物理量-数码变换器)和一个按类存储计数的存储器，这是多道脉冲分析器的两个重要部分。物理量—数码变换器可以是一个模数变换器(ADC)，具有模数变换器的多道脉冲分析器称为多道脉冲幅度分析器[2]。按信号时间信息分类的物理量—数码变换器，是一个时间-幅度变换器(TAC)再加上一个模数变换器，这种多道分析器称为多道时间分析器。目前大多数多道时间分析器的输入部分均采用TAC十ADC。由此可见，这种多道时间分析器除TAC外，就是一个多道脉冲幅度分析器。
输入信号按信号的幅度或时间参数将输入信号成比例地变换成数码，即地址码或道址码。存储器按道址码存储，也即在信号所属道增加一个计数。为了对所测数据进行一些简单处理，需要有一个运算器。显示器将收集到的数据或数据处理的某些结果显示出来。为了将所测数据输入到电子计算机，需要打印机或自动扫描仪等设备。上述各部分都需要由一个控制器来管理，控制器可以受按键控制，也可以受遥控信号控制。
在多道脉冲分析器中，作为输入部分的模数变换器、时间-数字变换器或时间-幅变换器决定了多道脉肿分析器的精度指标，目前多已做成NIM插件和CAMAC插件，便于选用。多道脉冲分析器的其余部分常称为多道脉冲分析器的主机。主机决定多道脉冲分析器数据获取和处理功能的多样性和灵活性。
§2.2 多道脉冲幅度分析器的转换原理
图2-1为模数变换和按地址寻址存储示意图[3]。图中对输入信号幅度分成l6类进行存储，每类幅度差为H，H称为道宽，每一 类 称为一道，共有l 6道，道号为0—15。和道号相应，存储器有16个存储单元。存储单元的地址为0-15。幅度为V的模拟信号经过模数变换得到和V成比例的地址码m，
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m=V/H。按地址码m寻找存储器中此信号应存入的第m存储单元，然后使该单元中的计数加1。这样就实现了按幅度分类存储。在图2-1中，第1个信号的幅度属于第4道，变换后的二进制地址码m1为0100，按此将第1个信号存入第4个存储单元，并依此类推。图中细箭头表示了模数变换和寻址的过程。各存储单元的计数在显示器上用高度不同的圆点表示。如果将各存储单元中的计数顺序显示出来，则计数N和道址m的关系就是所得的幅度谱。模数变换器的地址码大都以二进制码进行传输。图2-1的16道模数变换器，地址码有4位，8192道变换器，地址码有13位。在多道脉冲幅度分析器的模数变换器中，地址又称为道址。
A161514131211量化电子16141312111098765432115 道宽输入模拟量1098765432 10l1模数变换m010001011010010000111110寻址存储计数●●●●●012345●●●●●678●●●●●●9101112131415存储地址
图2-1 模数变换及按地址寻址存储示意图
由图2-1可知，模数变换是把连续的模拟量变换成离散的数字量，所以是一个―量化‖处理。幅度的分类由一系列等间隔的量化电平决定。相邻两量化电平之间的间隔构成一道。每一个量化电平都是一个道边界，量化电平的间距就是道宽。道宽越小，分类分得越细。
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