Система збору даних для детектування перехідного сигналу оптичного випромінювання
Відповідно до характеристик сильного фону та слабкої цілі при детектуванні перехідного оптичного випромінювання, у цій статті розроблено схему збору даних із FPGA як ядром контролю та обробки. У схемі використовуються канали подвійного фільтра фону та сигналу, дворівневе програмно-кероване посилення, що ефективно гарантує якість отримання сигналу; в той же час, він приймає пам'ять перетворення частоти для цільових сигналів, що значно знижує вимоги до зберігання та передачі даних і забезпечує більш послідовний процес збору даних. точність вимірювання.
1 Склад системи та принцип роботи
Систему збору даних можна умовно розділити на три частини: модуль попередньої обробки, модуль зберігання вибірки та модуль керування FPGA. Модуль попередньої обробки включає пристрої фотоелектричного перетворення, активні блоки фільтрів і програмно керовані схеми підсилювача. Блок-схема всієї системи показана на малюнку 1. Схема фотоелектричного перетворення перетворює оптичний сигнал, що надходить в систему, в сигнал струму через детектор, а потім перетворює його в сигнал напруги через трансімпедансний операційний підсилювач. Система розробляє два канали фільтрації: фон використовує фільтрацію низьких частот, а сигнал приймає фільтрацію високих частот. У початковому стані аналоговий перемикач за замовчуванням вибирає фоновий канал, а програмований підсилювач встановлюється у фоновий режим. Після дискретизації фонового сигналу A/D він надсилається до FPGA для порівняння порогів. При виявленні ситуації, що перевищує порогове значення, FPGA перемикає канал аналогового перемикача, вибирається канал фільтра високих частот, а режим роботи програмно-керованого підсилювача вибирається як режим сигналу. Відповідно до характеристик сигналу, який є крутим на початку та повільним у кінці, FPGA реалізує збір і зберігання даних щільно, а потім розріджено за допомогою координованого керування A/D і FIFO.
2. Апаратне забезпечення системи збору даних
2.1 Схема попередньої обробки переднього каскаду
У схемі фотоелектричного детектування фотодетектор безпосередньо пов’язаний з якістю роботи системи. Щоб зменшити вплив індукційного струму, викликаного електромагнітним випромінюванням навколишнього середовища, пристрій підходить для керамічної упаковки. Крім того, світлочутлива площа детектора не повинна бути занадто великою, інакше такі параметри, як темновий струм, ємність переходу та час наростання, збільшаться, що вплине на ефект виявлення. У конструкції використовується кремнієвий фотодіод S2387 японської компанії Hamamatsu. Детектор має такі характеристики, як висока чутливість, швидкий відгук і великий динамічний діапазон. Конструкція схеми приймає режим нульового зміщення, відсутність темнового струму, шум діода - це в основному тепловий шум, створюваний шунтуючим резистором, і він має найкращу точність і лінійність. Фільтр високих і низьких частот використовує активний фільтр, який має швидку швидкість відгуку, хороший ефект фільтрації гармонік і може динамічно компенсувати реактивну потужність. Підсилювач з програмним керуванням складається з інтегрованого операційного підсилювача та аналогового перемикача. Аналоговий перемикач керується ПЛІС, а різні резистори підключаються до вхідної клеми операційного підсилювача для регулювання посилення.
2.2 Схема зберігання проб
Оскільки динамічний діапазон цільового сигналу дуже великий (близько 80 дБ), необхідно вибрати АЦП із широким динамічним діапазоном, щоб реалізувати отримання сигналу. Використання АЦП 14 b для дискретизації сигналів із динамічним діапазоном, амплітуда якого змінюється до 4 порядків, може задовольнити вимоги високої чутливості виявлення, необхідні системі. Однак, оскільки всі пристрої аналого-цифрового перетворення мають похибки точності, використання високоточних компонентів аналого-цифрового перетворення як компонентів низької точності може зменшити похибки точності. Ця конструкція використовує 16 bAD976A компанії ADI. Низьке енергоспоживання AD976A 16 b АЦП послідовного наближення, швидкість перетворення 200 KSPS, можна вибрати внутрішній або зовнішній опорний джерело живлення 2,5 В. AD976 дозволяє виводити 16 b паралельно за один раз і може виводити у вигляді двох 8 b. Щоб заощадити контакти в конструкції, використовуються подвійні виходи 8 b.
Щоб забезпечити точну передачу даних між різними доменами синхронізації, кеш даних використовує асинхронний FIFO. Асинхронний FIFO має характеристики високої швидкості та гарної надійності та може уникнути неправильної вибірки даних через різницю фаз між різними тактовими сигналами. IDT7204, використаний у дизайні, є мікросхемою кеш-пам’яті з подвійним портом CMOS із 4 096 × 9 б серії IDT72XX. Внутрішні покажчики читання та запису зчитуються та записуються на основі принципу «перший увійшов – перший вийшов», а тактовий сигнал W запису та тактовий сигнал R читання надаються ззовні; повний прапор () і пустий прапор () контролюють переповнення даних і порожнє читання, а також записують, коли пам’ять симуляції заповнена. Він може легко розширити будь-яку глибину слова та довжину слова.
