基于FPGA的时间数字转移电路的若干关键技术的研究

摘要

时间作为物理学中七个基本物理量之一，在物理学的发展中起着至关重要的作用。特别是在粒子物理实验中，时间信息能够间接反映实验过程中粒子的动量、质量等信息，对鉴别粒子种类、粒子反应种类等有很重要的作用。随着探索粒子越来越小，加速器能量越来越高，对时间测量精度的要求也越来越高，已经达到皮秒量级。在多年的发展中，时间测量技术多种多样，时间测量精度越来越高。按照开发平台不同，主要分为专用时间测量ASIC芯片，如CERN设计的HPTDC芯片，和基于FPGA的时间数字转换电路。相对于ASIC芯片，FPGA具有灵活性、可重配性、开发周期短等优点，促使基于FPGA的时间数字转换电路的时间测量技术路线蓬勃发展。但是，目前该技术大多处于研究层面，并未在实际的应用中使用。这是因为基于FPGA的时间数字转换电路在功能上不够全面，对于粒子物理实验中一些特殊的要求还不能都满足。比如，为了改善前沿定时带来的时间游走效应对时间测量精度的影响，需要测量信号的脉宽对该效应进行修正补偿;在具有触发判选系统的实验中，为了能够将数据与触发信号进行匹配读出，需要一种触发匹配机制完成事例数据与触发信号的匹配操作;粒子实验的环境具有很强的辐射，有时根据需求，时间数字化电子学需要放置在探测器附近，这就要求电子学器件具有辐射容错功能，保证系统工作的可靠性和稳定性。本文针对实际应用中对时间测量功能的扩展功能的需求，针对基于FPGA的时间数字转换电路，对某些关键技术进行研究和开展工作。
　　本研究分为八个部分：第一章主要介绍了基于FPGA的时间数字转换电路的历史与发展，将其实现方法进行分类并进行了简要的原理介绍。第二章先介绍了“粗”“细”时间相结合的时间测量方法。重点介绍实现脉宽测量的两种方法。第一种方法采用两个相同的TDC通道分别测量前后沿时间;第二种方法在一个TDC通道中同时测量前后沿时间。最后对两种方法的特点进行了总结和对比，并给出测试结果。第三章介绍基于CAM的触发匹配机制。通过调研分析粒子物理实验对于时间测量数据的触发匹配的功能要求，提出一种基于CAM的触发匹配机制，并详细介绍了该功能的原理及实现电路。第四章介绍了针对SRAM型FPGA的配置存储器的静态逻辑在辐射环境下发生单粒子效应时实现的容错功能。通过在线实时对配置存储器中由于辐射效应发生的单粒子翻转、多粒子翻转等软错误进行修复，使得SRAM型FPGA在高辐射环境下工作的可靠性和稳定性得以增强。第五章通过测量Xilinx FPGA底层延迟随温度变化的特性，介绍实现的一种对基于FPGA的TDC在线温度补偿方法。第六章则是将以上几章中实现的功能进行整合，设计基于VME接口的标准化时间数字转换模块，对该模块的设计和测试进行了详细介绍。第七章介绍了德国压缩重子物质实验(Compressed Baryonic Matter，CBM)及其中的飞行时间探测器(Time-of-Flight，TOF)系统，根据其对时间测量的要求，设计适用该实验的高精度高密度时间测量模块，并对其设计和测量结果进行详细介绍。第八章对本论文进行总结并对下一步工作进行展望。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 基于FPGA的TDC的实现方法

1．1．1 计数器法

1．1．2 精密时间测量法

1．2．1 锁存器和缓冲器构成差分延迟链

1．2．2 二维延时矩阵

1．2．3 二级延时链

1．2．4 游标卡尺法

1．2．5 时钟分相法

1．2．6 利用FPGA内部专用延迟链进行时间内插

1．2 高能物理实验对时间测量的需求

1．3 时间测量的关键技术

1．3．1 脉宽测量功能

1．3．2 触发匹配机制

1．3．3 辐射容错功能

1．3．4 在线温度补偿功能

1．4 本论文的研究内容、意义和结构安排

参考文献

第2章 脉宽测量电路及实现方法

2．1 基于FPGA的高精度时间数字转换电路的实现

2．1．1 “粗’’时间测量单元

2．1．2 “细”时间测量单元

2．1．3 译码单元

2．1．4 控制单元

2．1．5 测试结果

2．2 过阈时间测量的实现方法

2．2．1 双通道过阈时间测量的实现方法

2．2．2 单通道实现过阈时间测量的方法

2．3 本章总结

参考文献

第3章 基于CAM的触发匹配机制及电路实现

3．1 触发匹配机制基本原理

3．2 基于CAM的触发匹配机制的设计与实现

3．2．1 基本原理

3．2．2 基于CAM的触发匹配机制的电路设计及实现

3．3 测试结果

3．4 本章总结

参考文献

第4章 FPGA在辐照环境下的容错功能的设计与实现

4．1 硅器件的辐射效应

4．1．1 辐射环境

4．1．2 半导体器件的辐射效应

4．2 基于SRAM型FPGA的基本结构

4．3 Xilinx公司FPGA的配置数据结构

4．4 FPGA配置存储器在辐照环境下容错功能的实现方法

4．4．1 Open Loop(or Blind Loop)

4．4．2 Closed Loop

4．5 Xilinx FPGA配置存储器中容错功能的设计与实现

4．5．1 ICAP模块

4．5．2 Frame_ECC模块

4．5．3 SEM Controller模块

4．5．4 数据获取模块

4．5．5 错误插入模块

4．5．6 状态监测模块

4．5．7 状态信号模块

4．6 功能测试

4．6．1 生成外部设备的存储文件

4．6．2 测试结果

4．7 本章总结

参考文献

第5章 基于FPGA的TDC在线温度补偿电路的设计与实现

5．1 基于SRAM型FPGA的温度特性

5．1．1 Xilinx FPGA的温度特性

5．1．2 Altera FPGA的温度特性

5．2 Artix-7 FPGA底层温度特性测试

5．2．1 Xilinx FPGA内XADC模块介绍

5．2．2 测试方案

5．2．3 温度特性测试结果

5．3 FPGA TDC在线温度补偿设计电路实现

5．4 测试结果

5．5 测试结果分析

5．6 本章总结

参考文献

第6章 基于FPGA的时间数字转换标准化模块设计

6．1 基于FPGA的时间数字转换标准化模块的电路设计

6．1．1 时钟模块

6．1．2 信号输入模块

6．1．3 FPGA模块

6．1．4 CPLD模块

6．1．5 电源模块

6．2 测试结果

6．2．1 前沿时间测量

6．2．2 脉宽测量

6．3 本章总结

参考文献

第7章 基于FPGA的TDC在CBM实验中的应用

7．1 高精度高密度时间数字化模块的设计

7．1．1 时钟模块

7．1．2 信号输入模块

7．1．3 FPGA模块

7．1．4 FPGA配置模块

7．1．5 辐照环境下的容错功能

7．1．6 数据读出模块

7．1．7 电源模块

7．2 测试结果

7．3 本章总结

参考文献

第8章 总结与展望

8．1 工作总结

8．2 本人工作的创新点

8．3 展望

8．3．1 工作展望

8．3．2 应用展望

附录

致谢

攻读博士学位期间的论文成果