基于高速采样ADC的多通道数据采集系统

摘要

大型高海拔空气簇射观测站(LHAASO)是在中国西藏自治区羊八井地区宇宙线观测站基础上计划建设，位于高海拔地区的宇宙线研究中心。LHAASO具有国际领先水平的高灵敏度、宽能谱、超强γ巡天能力，其核心科学目标是通过开展全天区的γ源扫描从而达到精确测量γ能谱，积累各种类型γ源的统计学样本，探索高能宇宙线起源以及进行相关宇宙演化、高能天体演化和暗物质的研究的目标。
　　LHAASO计划的主体探测器阵列-一平方公里探测器阵列(KM2A)是由5137个电子单元探测器(间隔15米)和1209个μ单元探测器(间隔30米)组成，两种探测器单元均呈三角形排布，探测信号均采用同一型号光电倍增管(PMT)进行读出，读出电子学的主要任务是测量每一通道的时间量信息和电荷量信息。
　　本文主要研究LHAASO地面粒子探测器读出电子学中基于高速FADC波形的数字化。根据奈奎斯特定律，为保证采样精度，首先对光电倍增管的输出信号进行滤波成形，使经过成形电路以后的输出信号幅度和输入信号幅度保持线性关系，且波形被适当展宽。采用500MHz采样频率的高速ADC芯片(AT84AS001)对滤波成形后的波形进行实时采样，经过模拟/数字变换得到的数字化波形信息送入FPGA中完成实时多通道数据预处理，再交由上位计算机进行进一步处理。
　　本文对系统总体硬件电路方案进行设计与实现，整个系统包括模拟部分、ADC部分、FPGA部分、时钟部分、电源部分及VME总线接口电路，采用VME6U规范完成PCB设计，使用Verilog HDL语言完成可编程逻辑器件的逻辑功能设计，并对多通道数据采集系统进行调试和测试。
　　测试结果表明，基于高速采样ADC的数据采集插件性能良好，波形采样率精度为500Msps，微分非线性DNL为±1LSB，信号与噪声+失真比SINAD=56.69dB，有效位ENOB为9.1bit。

目录

文摘

英文文摘

插图索引

附表目录

第1章 绪论

1.1 选题背景

1.2 LHAASO主要探测器阵列

1.2.11km2地面簇射粒子阵列(KM2A)

1.2.2 水切伦科夫探测器阵列(WCDA)

1.2.3 广角切伦科夫望远镜阵列(WFCA)

1.3 高能物理实验中读出电子学的近况

1.4 高速数据采集系统的近况

1.5 论文的研究意义和创新点

1.6 论文的内容安排

第2章 基于高速采样ADC的多通道数据采集系统方案选择与设计

2.1 地面粒子探测器读出电子学

2.1.1 多量程电荷测量方案和时控延迟线法时间测量方案

2.1.2 基于高速模数转换器的波形数字化方案

2.2 系统总体原理设计方案

2.3 系统设计前期考虑的问题

2.4 ADC和FPGA原理介绍

2.4.1 ADC原理介绍

2.4.2 FPGA原理介绍

2.5 系统各部分介绍及主要芯片选型

2.5.1 ADC芯片

2.5.2 FPGA芯片

2.5.3 时钟管理芯片

2.5.4 时钟扇出芯片

2.5.5 VME总线

2.6 本章小结

第3章 多通道数据采集系统硬/软件的设计与实现

3.1 硬件平台设计

3.1.1 模数转换电路

3.1.2 FPGA及其配置电路

3.1.3 系统时钟部分

3.1.4 VME总线接口电路和驱动器

3.1.5 电源管理系统

3.2 PCB设计

3.2.1 PCB的叠层结构

3.2.2 PCB的元器件布局

3.2.3 PCB布线设计

3.2.4 参考平面分割

3.3 FPGA内部逻辑设计

3.4 小结

第4章 系统调试结果分析与讨论

4.1 调试前期准备工作

4.2 500Msps波形采样功能测试

4.3 时钟测试

4.4 FPGA与VME总线接口电路的调试

4.5 ADC性能的初步测试

4.5.1 DNL测试

4.5.2 SINAD与ENOB测试

4.6 小结

结论

参考文献

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

附录B 多通道数据采集系统电路原理图

致谢