Разработка быстродействующего канала АЦП, АЦП выходного тока ФЭУ в счетном режиме Опции

[NNikolaev]

Итак - система для снятия информации с ФЭУ работающего в паре с сцинтилляционным кристаллом NaI(Tl) или например бромидлантана.
Речь идет о оцифровке самого импульса с выхода ФЭУ.
Информация необходима для определения амплитуды импульса (задача спектрального разрешения элементов залегающих в горной породе), подсчета импульса (обычное ГК гамма каротаж естественной активности горных пород), разделение отклика кристалла от гамма - кванта и медленного нейтрона.
Система предполагается использовать в скваженном приборе совместно с импульсным генератором быстрых нейтронов. Поэтому загрузка предполагается большая + необходим мат аппарат по разделению наложившихся импульсов.
Итак железо:
АЦП: 14 разрядов 250 Mps TI ADS4149
АЦП работающая на LVDS 1.8 нагружена на ПЛИС M1A3P250 (бывший Actel) - тут же внутри ПЛИС процессор Cortex M1 - разворачивает спектр и считает импульсы далее все идет на CY7C68014A - для связки по USB c большим процессором (пока ПС) для отображения, записи, анализа и т.д.
Сейчас сделал корпуса и рисую схему. К концу недели выложу.
Вопросов несколько - кто знаком с алгоритмом обработки амплитуды импульса и разделения наложенных импульсов для их восстановления- я хочу попробывать в матлабе сделать и потом конвертнуть в жесткую логику. Но можно пока и на проце.
Синхронизироваться все будет от одного кварца и работать синхронно.
Кто в данной теме работает - пишите!
Начало работы было в теме:
http://electronix.ru/forum/index.php?showt...p;#entry1077354
Продолжать разработку и обсуждать давайте здесь.

[NNikolaev]

По энергиям вот как получается:
В природе основной характеристический спектр сосредоточен до уровня 2..3 Мэв.
у кислорода есть сильные пики на 7 Мэв - и их надо тоже различать. В классической ГК спектрометрии формируют так называемые три группы :Ka U Th у тория самая большая энергия 2.3 Мэв у калия 1.4 Мэв у урана около 1 Мэв.
Думаю динамический диапазон надо брать с 200 кЭв до 7..10 Мэв
В любом случае 10..12 разрядов точности я думаю можно будет вытянуть.

А при таких временах 10 Мгц цифровать и в DSP не попроще будет ?

Пока не могу ответить на Ваш вопрос.

[rudy_b]

...Сигнал с ФЭУ - это экспонента, если все нормально сделано, не сбивайте человека с толку. Сцинциллятор накачивается энергией, потом излучение спадает по экспоненте. Откуда там пичкам взяться ? Кучки всплесков, это когда эффективность счета ничтожная, отдельные кванты не сливаются. Тогда да, будут 5 - 10 нс импульсы. Но какую амплитуду в таком режиме намерить можно ?

Кроме высвечивания, еще и количество электронов случайно от каждого фотона. Но, чтобы обсуждать серьезно то, что в этой теме написано, нужно, чтобы кривая была гладкая, с шумом sqrt(n). Если до этого не хватает - представьте результат случайных выборок от пичков при оцифровке через 4 нс. Тогда задача однозначно должна решаться аналоговым интегрированием, да еще проблемы будут с отбраковкой ложных/порченных ипульсов. Результат будет, скорее всего весьма посредственный. Короче, в таких случаях надо уже сам детектор дорабатывать.

DS, вы, вероятно, никогда не работали с быстрыми ФЭУ и сцинтилляторами, потому так и говорите. Нам как-то пришлось решать подобную задачку для нейтронного томографа. Там тот же импульсный нейтронный генератор и те же проблемы, но посложнее - нужно было сделать именно томограф, т.е. не только определять вещество, но и обеспечивать пространственное разрешение порядка 10 см, а для этого нужно было еще и определять время поступления импульса с точностью порядка 2 нс. Вот тогда мы и посмотрели, что реально имеется на выходе ФЭУ от BGO сцинтиллятора. Небольшое и точно дозированное интегрирование сигнала заметно помогло и временное разрешение только улучшило. Амплитудное от этого почти не зависит, поскольку все равно идет суммирование по пику.

Нет конечно APA не потянет 250 Мгц - я буду на A3P делать. У APA мы разгоняли до 150 и то входной буфер и в паралель сразу данные А та у меня она работает на 2 и 14 Мгц.

По поводу скорости - описанная задачка решалась на циклон-2 (400 МГц). Нормально получается обработка двух каналов (10 бит) с частотой оцифровки 100 МГц. Обработка - это выделение импульса, определение момента его прихода (лучше 2 нс), интеграл сигнала (точнее - определение максимума и суммирование в заданном интервале), защита от наложений (блокировка с учетом мертвого времени), спектры (амплитудный и временной) ну и еще всякие мелочи. По оценкам можно было-бы работать и с оцифровкой до 200 Мгц, но не потребовалось.

Да, там и разделение гамма-нейтроны тоже получалось, но обошлись без этого.

...рекомендуются входные трансформаторы:

А вот с транформаторами связываться не стоит - сразу возникнет задача восстановления нулевой линии, а это противно.

[NNikolaev]

DS, вы, вероятно, никогда не работали с быстрыми ФЭУ и сцинтилляторами, потому так и говорите. Нам как-то пришлось решать подобную задачку для нейтронного томографа. Там тот же импульсный нейтронный генератор и те же проблемы, но посложнее - нужно было сделать именно томограф, т.е. не только определять вещество, но и обеспечивать пространственное разрешение порядка 10 см, а для этого нужно было еще и определять время поступления импульса с точностью порядка 2 нс. Вот тогда мы и посмотрели, что реально имеется на выходе ФЭУ от BGO сцинтиллятора. Небольшое и точно дозированное интегрирование сигнала заметно помогло и временное разрешение только улучшило. Амплитудное от этого почти не зависит, поскольку все равно идет суммирование по пику.


По поводу скорости - описанная задачка решалась на циклон-2 (400 МГц). Нормально получается обработка двух каналов (10 бит) с частотой оцифровки 100 МГц. Обработка - это выделение импульса, определение момента его прихода (лучше 2 нс), интеграл сигнала (точнее - определение максимума и суммирование в заданном интервале), защита от наложений (блокировка с учетом мертвого времени), спектры (амплитудный и временной) ну и еще всякие мелочи. По оценкам можно было-бы работать и с оцифровкой до 200 Мгц, но не потребовалось.

Да, там и разделение гамма-нейтроны тоже получалось, но обошлись без этого.


А вот с транформаторами связываться не стоит - сразу возникнет задача восстановления нулевой линии, а это противно.

Расскажите больше о Вашем проекте - очень интересно - самое главное - для чего нужен такой тамограф?!
У вас входная цепь была на полностью дифференциальном усилителе или сначала вы ставили преобразователь ток -напряжение потом ПДУ на работу АЦП?! Сколько каналов у вас было ФЭУ - если 2 то у вас скан система еще была?! Если не военная тайна то как в кратце выделяли пик и блокировку на мертвое время ?!
Заранее спасибо!
Насчет трансформатора - так с ОУ тоже нулевая линия уходит - может ее как то оценивать между импульсами и компенсировать потом?! Я видел в аналоговой схеме компенсация нуля полюсом - ну это что бы средняя линия была более менее постоянна - но эта вещь как я понял зависит от загрузки. Как у Вас было?!

Да как бы ФЭУ все быстрые - фотоэффек-то мгновенное дело. Они различаются, конечно, по скорости, но уже в нс/пс области.
У меня весь диапазон 3 нс обычно. 30 пс разрешения уже результат так себе ...

У NaI на гамма квант 1 МэВ вылетит более 40 000 фотонов. т.е. более 1000 фотонов в интервал 10 нс в начале экспоненты. Если, конечно, у Вас эффективность фотодетектора 0.1 -0.5%, то Вы увидите отдельные пички. В остальных случаях (при большей эффективности) будет зашумленная экспонента.

NNikolaev:

Подумайте о следующей конструкции - оцифровка 10 Мгц, фильтр первого порядка с тау 35 нс. Отдельно после ФЭУ диф. цепочка и компаратор - детектор фронта импульса - на прерывание DSP и таймер с разрешением 10 нс (в DSP или отдельно), считает интервал от фронта до строба АЦП (результат 0 - 10).

Скажите а ДСП само по себе будет эффективнее ПЛИС в данном случае - какие у него преимущества в логике кода - или скорости - что даст ДСП?! Будет ли это в дальнейшем сдерживать развитие проекта?!

[rudy_b]

Расскажите больше о Вашем проекте - очень интересно - самое главное - для чего нужен такой тамограф?!

Это делалось для обнаружения взрывчатки по хим. составу в багаже, под землей и т.п. Самое интересное, что реально работала .

Описание железа (несколько устаревшее) и последней программы есть тут, базовой программы - тут.

У вас входная цепь была на полностью дифференциальном усилителе или сначала вы ставили преобразователь ток -напряжение потом ПДУ на работу АЦП?! Сколько каналов у вас было ФЭУ - если 2 то у вас скан система еще была?! Если не военная тайна то как в кратце выделяли пик и блокировку на мертвое время ?!

Входная цепь на полном диф. усилителе. Постоянное смещение оперов не плывет, поэтому достаточно измерить среднее значение до начала работы и скорректировать нулевую линию программно. Но даже это, как правило, не требуется - все стоит мертво.

В стандартном варианте - от 8 до 12 каналов.

В описании программы показано как определяются импульсы. На самом деле все несколько сложнее, есть несколько вариантов обработки (в частности учет уровня и наклона непосредственно перед импульсом), но реально этого не потребовалось.

Насчет трансформатора - так с ОУ тоже нулевая линия уходит - может ее как то оценивать между импульсами и компенсировать потом?! Я видел в аналоговой схеме компенсация нуля полюсом - ну это что бы средняя линия была более менее постоянна - но эта вещь как я понял зависит от загрузки. Как у Вас было?!

Насчет компенсации нуля полюсом - это, в некотором роде, сказки для начинающих, полной компенсации, практически, не добиться. Лучше делать весь тракт по постоянке.

Стандартная загрузка - 200-300 кГц, реально смещения пиков нет до 500 кГц. Максимальная - до 3-5 Мгц, но уже начинается уширение и сдвиг пиков, приемлемое, но мешает при разборке спектров.

Да, забыл уточнить для DS. Аналоговое интегрирование до АЦП нужно еще и для того, чтобы убрать алиас. И еще, хоть они и дают полосу АЦП более 200 МГц, но, судя по всему, его УВХ не справляется при наличии быстрых перепадов. Небольшое интегрирование + цифровая фильтрация (сглаживание по 2-5 точкам) заметно улучшает временные параметры.

[NNikolaev]

Это делалось для обнаружения взрывчатки по хим. составу в багаже, под землей и т.п. Самое интересное, что реально работала .

Да ВНИИА значит добили трубку с меченными нейтронами. спасибо rudy_b за информацию. Очень полезно. мы тоже управляемые генераторы делаем. но у нас специфика геофизика промысловая.

Причина редактирования: Избыточное цитирование

[rudy_b]

Этой разработке уже лет 7, примерно.

Да, не сразу сообразил про компенсацию полюса нулем. Если вы имели ввиду технологию укорачивания импульса компенсацией экспоненциального спада - то она не работает на ФЭУ, это только для ППД - там спад действительно экспоненциальный. Но и для ППД лучше не использовать, гораздо правильнее хорошо сформировать импульс.