摘要：介紹一種針對瞬變光輻射信號探測的數據采集系統。該方案以FPGA為控制處理核心，實現了高性能的數據采集。針對特定目標信號，采用變頻采樣技術，在電路上以變頻存儲的方式實現，降低了設計難度。采用Altera公司的EPF10K20為設計載體，使用VHDL語言對該采集系統的控制邏輯和時序進行了硬件語言描述。該設計方案占用的FPGA資源少，具有實時性好、可靠性高、集成度高和易于移植等特點。
關鍵詞：瞬變光；變頻采樣；數據采集；FPGA；先進先出存儲器

0 引言
在瞬變光輻射探測系統中，目標信號波形的實時采集至關重要。根據采集到的數據，可以對目標信號的光能量以及頻譜分布等各種特征參數進行估計。在傳統數據采集系統中，通常采用單片機或DSP作為控制器來控制ADC、存儲器和其他外圍電路工作。而單片機和DSP的各種功能要靠軟件的運行來實現，其執行的效率受到很大限制，軟件的運行時間在整個采樣時間中占很大的比重。近年來，隨著FPGA性能的不斷提升，以FPGA為控制核心進行數據采集和存儲的應用系統方案得到廣泛采納。FPGA具有單片機和DSP無法比擬優勢：FPGA時鐘頻率高，全部控制邏輯由硬件完成，速度快，效率高；形式靈活，易于移植，可以集成外圍控制、譯碼和接口電路。
本文根據瞬變光輻射探測中強背景、弱目標的特點，設計出以FPGA為控制和處理的核心的數據采集方案。該方案采用背景與信號雙重濾波通道，二級程控放大，有效地保證了信號采集質量；同時對目標信號采用變頻存儲，大大降低了對數據存儲與傳輸的要求，保證了采集過程中有較一致的測量精度。

1 系統組成及工作原理
數據采集系統大致可分為三個部分：前級預處理模塊，采樣存儲模塊，FPGA控制模塊，其中前級預處理模塊包括光電轉換器件，有源濾波器組，程控放大電路等。整個系統框圖如圖1所示，光電轉換電路將進入系統的光信號通過探測器轉化為電流信號，然后經跨阻運算放大器轉換為電壓信號。系統設計兩個濾波通道：背景采用低通濾波，信號采用高通濾波。在起始狀態，模擬開關默認選通背景通道，程控放大器設置為背景模式。背景信號經A／D采樣后送入FPGA，進行閾值比較。當檢測到大于閾值的情況時，FPGA對模擬開關進行通道切換，高通濾波器通道選通，同時程控放大器工作模式選擇為信號模式。根據信號前陡后緩的特點，FPGA通過對A／D與FIFO的協同控制，實現數據先密后疏地采集存儲。

2 數據采集系統硬件設計
2．1 前級預處理電路
光電檢測電路中，光電探測器直接關系著系統性能的優劣。為了減小由環境電磁輻射所引起的感生電流的影響，器件適宜選擇陶瓷封裝。另外，探測器的感光面積不能過大，否則會導致暗電流、節電容、上升時間等參數增大，影響探測效果。設計中采用日本濱松公司的S2387硅光二極管，該探測器具有靈敏度高，時間響應快，動態范圍大等特點。電路設計采用零偏置模式，無暗電流，二極管噪聲主要是分流電阻產生的熱噪聲，同時具有最佳的精密度和線性度。高低通濾波器采用有源濾波器，反應速度快，濾除諧波效果好，可以動態的補償無功功率。程控放大器由集成運放與模擬開關組成，通過FPGA控制模擬開關，在運放的輸入端接入不同的電阻實現增益的調整。