基于FPGA的SCA芯片读出方法与电路研究

摘要

在核辐射测量中，粒子通过探测器时产生激发、电离、光电倍增等过程，探测器输出信号中包含粒子的许多物理信息。前端电子学与触发探测器和数据获取系统相连接，然而，随着现代粒子物理和核物理实验的发展，传统的前端电子学由于集成度低、成本高、采样速率低已经不能满足未来粒子物理与核物理实验发展的要求。国外已经出现了多款专为前端电子学设计的基于开关电容阵列(Switched Capacitor Array,SCA)的ASIC芯片，而国内基于SCA ASIC芯片的应用研究处于初期阶段。所以研究基于开关电容阵列ASIC芯片的采样原理和其在当代物理实验中的应用很有必要。
　　本文针对目前国际上比较成熟的SCA芯片DRS4的采样技术，研究基于FPGA的SCA芯片读出方法和逻辑设计，并开发了一套专门用于阵列探测器的上位机数据采集控制与获取软件。拟开展以下几方面的工作：
　　开展了针对SCA芯片DRS4的高速采样技术，在可编程逻辑器件FP GA内实现与DRS4接口模块、校准模块、ADC接口模块和时序逻辑模块的逻辑设计，以及实现与上位机的数据传输。
　　设计了一套数据采集与控制上位机软件，软件在wxWidgets平台上进行开发，采用模块化设计思路和多线程技术，软件通过US B总线与前端电子学硬件部分通信。从软件架构、命令行接口模块、数据采集与获取模块、数据处理模块和图形用户界面几方面重点讨论了上位机软件的设计思路和设计方法。
　　研究了实时采样中所用到的线性插值算法、非线性插值算法和正弦插值算法，并采用正弦波过零算法和直流偏置误差补偿算法分别实现了对时间的修正和幅度的校准。
　　最后对DRS4原型样机进行了性能测试和相关修正算法验证测试，并和闪烁晶体阵列探测器进行了联调测试。经测试表明，本设计可以成功配合硬件满足系统的调试和测试工作。

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第1章 绪论

1 .1 粒子物理实验电子学系统的基本构成

1 .2 前端电子学中SCA AS IC发展趋势

1 .3 本论文研究的主要内容

1 .4 论文章节安排

第2章 系统总体方案设计

2 .1系统整体架构

2 .2 系统硬件平台

2 .3 系统总体软件设计

2 .4 本章小结

第3章 FPGA固件设计

3 .1 可编程逻辑设计基础

3 .2 FPGA芯片的选型

3 .3 基于ISE的FPGA开发流程

3 .4 F PGA与ADC和SCA接口设计

3 .5 FPGA的控制逻辑

3 .6 系统可靠性设计

3 .7 本章小结

第4章 数据获取软件设计

4 .1 软件架构

4 .2 命令行接口模块

4 .3 数据采集与获取

4 .4 数据处理

4 .5 图形用户界面

4 .6 本章小结

第5章 电子学实验测试及应用

5 .1 DRS4原型机测试

5 .2 系统非线性和噪声测试

5 .3 幅度校准测试

5 .4 电子学时间分辨测试

5 .5 闪烁晶体阵列探测器试验测试

5 .6 联调时的波形重建和能量分辨

5 .7 本章小结

第6章 总结与展望

6 .1 工作总结

6 .2 工作展望

参考文献

攻读学位期间的研究成果

致谢