时间：2025-03-16 来源：FPGA_UCY 关于我们 0
本发明专利技术公开了一种基于FPGA的光电倍增管信号检测方法，属于信号检测方法技术领域；本发明专利技术所述方法应用于微弱光信号的采集与检测系统中，其基于光电倍增管FPGA电路实现，所述光电倍增管FPGA电路包括反向运放电路、减法运算电路、差分放大电路、ADC周边电路、FPGA配置电路；利用直流电源为电路供电，并采用若干个贴片电容和陶瓷电容进行电源滤波，以保证供电电压稳定；相较于市面上现有光电倍增管信号检测方法，本发明专利技术具有很强的抗干扰能力，同时也有效提高了采样精度。
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【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及信号检测方法，具体涉及一种基于fpga的光电倍增管信号检测方法。
技术介绍
1、光电倍增管是微弱光测量，特别是极限微弱光探测技术的重要探测器。当入射光撞击光电倍增管的光电阴极时，根据光电效应，光电阴极会射出多个光电子。这些电子进入电场进行加速，聚焦电极将电子指向倍增电极进行二次发射。经过多级倍增，入射光的光电流可以在光电倍增管的阳极处提供一个很大的输出电流。光电倍增管因其响应速度快、灵敏度高的特性，在生命科学、核物理技术、精密分析、光机电一体化等高科技领域中都有极其重要的作用。
2、由于光电倍增管的灵敏度很高并且响应速度很快，同时考虑到本专利技术的实验环境，信号持续时间在微秒级。因此如何准确且快速的捕获光电倍增管的输出信号是一大难点。目前市面上大多数采集系统采用stm32平台。stm32平台以成熟的生态和高性价比被广为因公用。但此平台由于性能有限，无法提供高带宽和理想的电平翻转速度，因此难以满足实验需求。
3、同时，由于光电倍增管易受外界环境干扰的特性，目前大多数的采集系统通过使用厚重的金属外壳及磁屏蔽外罩将整个采集系统封闭起来；并尽可能地压缩装配体积，以求更好的抵抗外界环境变化的影响。但这会增加维护难度与成本。
4、此外，光电倍增管不仅会受外界如温度、磁场、气压的外部干扰，其自身的工作原理注定了它的工作参数会随使用时间而变化。这会导致系统长时间工作后出现性能漂移，从而导致装置稳定性下降。为了解决上述问题，本专利技术提出了一种基于fpga的光电倍增管信号检测方法。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种基于fpga的光电倍增管信号检测方法以解决
技术介绍
中所提出的问题，本专利技术具有很强的抗干扰能力，同时也有效提高了采样精度。
2、为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：
3、一种基于fpga的光电倍增管信号检测方法，所述方法应用于微弱光信号的采集与检测系统中，其基于光电倍增管fpga电路实现，所述光电倍增管fpga电路包括反向运放电路、减法运算电路、差分放大电路、adc周边电路、fpga配置电路；利用直流电源为电路供电，并采用若干个贴片电容和陶瓷电容进行电源滤波，以保证供电电压稳定；
4、所述方法具体包括以下步骤：
5、s1、将光电倍增管的信号线负极接入采集系统的gnd端，与检测系统共地，将光电倍增管的信号线正极接入采集系统的信号输入端；
6、s2、光电倍增管输出的信号正极由电阻进入反向运放电路组成的运算放大器，其脉冲信号经过反向运放电路之后变为信号大小翻倍的正向信号，进入减法运算电路组成的运算放大器，作为减法运算电路的输入信号；
7、s3、s2中所述输入信号中有效信号占比低，首先减去一个直流偏置，然后再将信号经过减法运算电路处理后，信号大小放大数倍，方向不变，信号持续时间减少，然后再输入差分放大电路组成的运算放大器，通过上述操作以提高有效信号占比，进而提高检测分辨率；
8、s4、经过差分放大电路处理后，信号由一条变为两条，大小变为原来的数倍，方向反向，无相位偏移的信号；将所得的两个信号的差值作为模拟信号输入adc周边电路，相同的直流偏执可以减小共模噪声的干扰；
9、s5、根据adc的数据手册，对芯片引脚进行配置，并做出如下adc周边电路配置：使用稳压芯片为adc提供多种供电需求并做好相应直流供电和接地处理；
10、s6、根据fpga的数据手册，再次对芯片引脚进行配置，并做出如下fpga配置电路：使用稳压芯片为fpga提供多种供电需求并做好直流供电和相应接地处理，具体包括配置jtag下载与调试电路、配置led工作状态指示电路和配置rs485通讯电路。
11、优选地，所述反向运放电路、减法运算电路及差分放大电路均用以放大信号，其中，所述反向运放电路和减法运算电路对信号的增益倍率由电路中两个电阻的比值决定；所述差分放大电路视作由一个同向运放电路和一个反向运放电路组成，其中，同向运放电路对信号的增益倍率为两个电阻阻值的比值加一。
12、优选地，所述电阻两端并联有贴片电容，所述贴片电容用以稳定增益倍率。
13、优选地，所述反向运放电路及减法运算电路的支路上设置有探针，利用示波器采集抓取探针处的信号波形，判断信号峰值是否超出运算放大器带宽阈值。
14、优选地，s5中所述使用稳压芯片为adc提供多种供电需求并做好相应直流供电和接地处理具体指：使用稳压芯片为adc的ref引脚提供直流供电，供电后，产生的vcm进入运算放大器及其周边电路组成的电压跟随器，然后再进入反向运算电路作为反向输入信号。
15、优选地，所述jtag下载与调试电路负责fpga主控芯片与计算机进行通讯，以实现在外界环境发生变化时，随时通过调试和代码改写来保证测试系统正常工作；
16、所述led工作状态指示电路通过在关键部分添加贴片led灯珠，以实现直观的通过led点亮或者闪烁与否来判断所在支路是否正常工作；
17、所述rs485通讯电路通过fpga主控芯片将adc采集到的数据实时传递回计算机，借助上位机软件，将数据收集起来并制作成图表。。
18、与现有技术相比，本专利技术提供了一种基于fpga的光电倍增管信号检测方法，具备以下有益效果：
19、1)本专利技术基于性能强大的fpga平台实现，保证了本专利技术提出的检测方法具有很高的检测精度。
20、2)本专利技术使用抗干扰能力更强的差分adc，使得本专利技术提出的检测方法具有很高的稳定性。
21、3)本专利技术添加了jtag下载与调试电路、led工作状态指示电路和rs485通讯电路，使得本专利技术提出的检测方法可方便的定位与排查问题，并随时将数据导出分析和进行代码的修改，来应对外界使用环境的变化。
【技术保护点】
1.一种基于FPGA的光电倍增管信号检测方法，其特征在于，所述方法应用于微弱光信号的采集与检测系统中，其基于光电倍增管FPGA电路实现，所述光电倍增管FPGA电路包括反向运放电路、减法运算电路、差分放大电路、ADC周边电路、FPGA配置电路；利用直流电源为电路供电，并采用若干个贴片电容和陶瓷电容进行电源滤波，以保证供电电压稳定；
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的光电倍增管信号检测方法，其特征在于，所述反向运放电路、减法运算电路及差分放大电路均用以放大信号，其中，所述反向运放电路和减法运算电路对信号的增益倍率由电路中两个电阻的比值决定；所述差分放大电路视作由一个同向运放电路和一个反向运放电路组成，其中，同向运放电路对信号的增益倍率为两个电阻阻值的比值加一。
3.根据权利要求2所述的一种基于FPGA的光电倍增管信号检测方法，其特征在于，所述电阻两端并联有贴片电容，所述贴片电容用以稳定增益倍率。
4.根据权利要求3所述的一种基于FPGA的光电倍增管信号检测方法，其特征在于，所述反向运放电路及减法运算电路的支路上设置有探针，利用示波器采集抓取探针处的信号波形，判断信号峰值是否超出运算放大器带宽阈值。
5.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的光电倍增管信号检测方法，其特征在于，S5中所述使用稳压芯片为ADC提供多种供电需求并做好相应直流供电和接地处理具体指：使用稳压芯片为ADC的REF引脚提供直流供电，供电后，产生的VCM进入运算放大器及其周边电路组成的电压跟随器，然后再进入反向运算电路作为反向输入信号。
6.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的光电倍增管信号检测方法，其特征在于，所述JTAG下载与调试电路负责FPGA主控芯片与计算机进行通讯，以实现在外界环境发生变化时，随时通过调试和代码改写来保证测试系统正常工作；
【技术特征摘要】
1.一种基于fpga的光电倍增管信号检测方法，其特征在于，所述方法应用于微弱光信号的采集与检测系统中，其基于光电倍增管fpga电路实现，所述光电倍增管fpga电路包括反向运放电路、减法运算电路、差分放大电路、adc周边电路、fpga配置电路；利用直流电源为电路供电，并采用若干个贴片电容和陶瓷电容进行电源滤波，以保证供电电压稳定；
2.根据权利要求1所述的一种基于fpga的光电倍增管信号检测方法，其特征在于，所述反向运放电路、减法运算电路及差分放大电路均用以放大信号，其中，所述反向运放电路和减法运算电路对信号的增益倍率由电路中两个电阻的比值决定；所述差分放大电路视作由一个同向运放电路和一个反向运放电路组成，其中，同向运放电路对信号的增益倍率为两个电阻阻值的比值加一。
3.根据权利要求2所述的一种基于fpga的光电倍增管信号检测方法，其特征在于，所述电阻两端并联有贴片电容，...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘杰辉，张云瀚，李建申，杨立洁，晋纪岩，
申请(专利权)人：河北工程大学，
类型：发明
国别省市：
全部详细技术资料下载 我是这个专利的主人
