基于FPGA脉冲幅度分析器的数字化基线估计方法.PDF

第38 卷 第6 期 核 技 术 Vol.38, No.6 2015 年6 月 NUCLEAR TECHNIQUES June 2015 基于FPGA 脉冲幅度分析器的 数字化基线估计方法 李伟男 杨朝文 周 荣 （四川大学物理科学与技术学院 成都 610064 ） 摘要 从对数字化波形基线求取的准确性、实时性、灵敏度以及算法对硬件资源占有量等方面出发，分析直 方图统计法和平均值法的优劣，提出了一种动态实时提取随机信号数字化波形基线的方法，并利用基于现场 可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array, FPGA)的数字多道脉冲幅度分析器对几种方法进行了测试。直方 图统计法具有较高的准确性，将其结果与动态实时提取随机信号数字化波形基线方法的实验结果进行比较， 验证了该方法在占有较少硬件资源和计数率较高的条件下，同样具有较高的准确性、实时性和灵敏度，并且 对能谱分辨率有所改善。 关键词 数字化多道脉冲幅度分析器，基线估计，高计数率，灵敏度，能量分辨率 中图分类号 TL822+ .4 DOI: 10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.060403 20 世纪 90 年代以来，数字化核仪器得到了长 足的发展，在很大程度上取代了部分模拟仪器，具 1 常规方法及问题 有较高的稳定性及抗辐照能力。为让模拟数字转换 1.1 直方图统计法 器(Analog-to-digital Converter, ADC)工作在最佳状 态，一些芯片甚至使基线工作于某些不为零的值。 在有限计数率下，一段时间内 ADC 连续全采 受探测器的漏电流、工频电源纹波、电路系统的温 样，其幅值在数字多道脉冲幅度分析器(Digital 飘和放大系统不准确的极零相消等问题的影响[1] ， Multi-Channel Analyzer, DMCA)[7–9] 中可以得到如图 基线会发生不确定的漂移。这将使采集的有用波形 1 所示的统计结果。 信号叠加在一个不稳定的基线电压水平上[2] ，造成 幅度测量结果的波动，导致能量分辨率下降。因此， 准确获取并扣除当前条件下基线成为了提高数字系 [3] 统能量分辨率的重要因素 。 针对获取当前测量条件下的基线值，出现了很 多解决方案，有数字和模拟的方法[4] 。而数字的方 法中，使用数字示波器的方法较为主流，以Kalman 滤波器[5–6] 以及IIR 滤波器等为代表，此类算法较复 杂，不适合现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array, FPGA)编程，故本文对此不做详细讨论。 图1 DMCA 连续采样点统计图(a)和局部放大图(b) 其它常用的方法还有直方图统计法、平均值法等。 Fig.1 Figure of sampling point statistical (a) and partial 研究表明这些方法在准确性、硬件资源的耗费量以 detail (b). 及对基线漂移响应的灵敏度和高计数率下的稳定性 图1(a)为DMCA 能谱图，由于信号中处于基线 几方面不能做到“多全齐美”。本文提出的动态实时 的点较多，因此基线所在道址会形成一个远高于其 提取随机波形基线方法能很好地解决这些问题。 他道址的峰。将图 1(a)中峰所在位置放大，得到图 1(b)，虚线处即为基线所在道