高速X射线SCD探测器数据获取系统设计
发布时间：2021-01-27 15:52
常温下FCD515探测器的读出时间在30μs以内,为其设计了一套数据获取系统。并且详细介绍了组成该系统的数采、驱动、控制三个板卡的具体功能与电路设计。通过一个模拟脉冲星的实验对400 kHz和100 kHz两种驱动频率下的数据获取系统作了分析比较,表明系统周期搜索的精度在10-2ns数量级,而且400 kHz比100 kHz能提高7%的精度。且具有良好的短期和长期稳定性。
【文章来源】：核电子学与探测技术. 2019,39(03)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
电子学读出系统示意图
2．2数采板卡设计数采板卡主要将探测器信号放大，消除复位噪声，调节信号的基线，最后通过ADC采样得到数字信号。它由一级放大电路和数采电路组成，在同一PCB上。2．2．1一级放大电路15keV的X光子经FCD产生的信号约为45mV。OS是CCD输出的信号，经过隔直电路、运放(AD847)放大11倍之后的信号记为SCD0。原理如图3所示。运放采用AD847是因为CCD236工作在100kHz时，选用的一级运放TLE2072的单位增益带宽是9．4MHz，而CCD515最高工作频率为400kHz，所以本文选取单位增益带宽50MHz的AD847。2．2．2数采电路SCD0经过运放AD847、相关双采样电路图3一级放大电路(CDS)、电压跟随器、基线控制电路、放大电路、电压保护电路进入ADC。相关双采样技术(CDS)是为了消除CCD的复位噪声［4］，通过一个开关芯片(P1:ADG441)控制电容对地的充放电来实现。基线控制电路是通过DAC(TLV5638)来调节模拟信号的基线。电压保护电路确保信号幅度在0～5V，防止烧坏ADC。原理如图4所示。图4数采电路2．2．3信号处理AD9220是一款12bit、5V单端供电、250mW功耗、有灵活的采样频率并且最高可配置10MSPS的流水线型ADC。AD9220的输出会延迟3个时钟。AD9220有多种配置方式，根据手册，在此选用单端输入，内部参考电压的配置。ADC的时钟周期与CCD的驱动周期一致，确保在上升沿采集到信号电平。关键信号时序图如图5所示。其中PHA、PHB和PHＲ为CCD两相转移时钟和复位信号。CK1是CDS开关信号:低?
髌德饰?400kHz，所以本文选取单位增益带宽50MHz的AD847。2．2．2数采电路SCD0经过运放AD847、相关双采样电路图3一级放大电路(CDS)、电压跟随器、基线控制电路、放大电路、电压保护电路进入ADC。相关双采样技术(CDS)是为了消除CCD的复位噪声［4］，通过一个开关芯片(P1:ADG441)控制电容对地的充放电来实现。基线控制电路是通过DAC(TLV5638)来调节模拟信号的基线。电压保护电路确保信号幅度在0～5V，防止烧坏ADC。原理如图4所示。图4数采电路2．2．3信号处理AD9220是一款12bit、5V单端供电、250mW功耗、有灵活的采样频率并且最高可配置10MSPS的流水线型ADC。AD9220的输出会延迟3个时钟。AD9220有多种配置方式，根据手册，在此选用单端输入，内部参考电压的配置。ADC的时钟周期与CCD的驱动周期一致，确保在上升沿采集到信号电平。关键信号时序图如图5所示。其中PHA、PHB和PHＲ为CCD两相转移时钟和复位信号。CK1是CDS开关信号:低电平时开关闭合，电容直接接地;高电平时开关断开，电容接后面运放。OS是FCD输出的信号，SIGNAL是最后进入ADC的模拟信号。2．3驱动板卡设计驱动板卡要实现PHA、PHB和PHＲ的电平转换。FCD工作需要的时序由FPGA产生，为5VTTL电平，FCD515的驱动电平要求(12V)见表1。本设计选择驱动芯片ISL7457。另外，驱动板卡还要向FCD515提供可调的基底电压Vss。并且为了保护FCD515，Vss上电时间要晚于Vod。因此先对DAC进行配置，产生的电压经过
【参考文献】：
期刊论文
[1]硬X射线调制望远镜卫星低能望远镜设计与验证[J]. 陈勇,崔苇苇,李炜,王娟,韩大炜,王于仨,陈田祥,张艺,杨彦佶,霍嘉. 航天器工程. 2018(05)
[2]HXMT卫星低能X射线望远镜[J]. 陈勇,崔苇苇. 现代物理知识. 2016(04)
[3]石英晶体振荡器频率特性的测量与分析[J]. 李二鹏,文开章,冯保红,王煜,汪为伟. 测控技术. 2010(01)
[4]空间硬X射线调制望远镜[J]. 李惕碚,吴枚. 物理. 2008(09)
[5]CCD噪声分析及处理技术[J]. 许秀贞,李自田,薛利军. 红外与激光工程. 2004(04)
本文编号：3003316
【文章来源】：核电子学与探测技术. 2019,39(03)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
电子学读出系统示意图
2．2数采板卡设计数采板卡主要将探测器信号放大，消除复位噪声，调节信号的基线，最后通过ADC采样得到数字信号。它由一级放大电路和数采电路组成，在同一PCB上。2．2．1一级放大电路15keV的X光子经FCD产生的信号约为45mV。OS是CCD输出的信号，经过隔直电路、运放(AD847)放大11倍之后的信号记为SCD0。原理如图3所示。运放采用AD847是因为CCD236工作在100kHz时，选用的一级运放TLE2072的单位增益带宽是9．4MHz，而CCD515最高工作频率为400kHz，所以本文选取单位增益带宽50MHz的AD847。2．2．2数采电路SCD0经过运放AD847、相关双采样电路图3一级放大电路(CDS)、电压跟随器、基线控制电路、放大电路、电压保护电路进入ADC。相关双采样技术(CDS)是为了消除CCD的复位噪声［4］，通过一个开关芯片(P1:ADG441)控制电容对地的充放电来实现。基线控制电路是通过DAC(TLV5638)来调节模拟信号的基线。电压保护电路确保信号幅度在0～5V，防止烧坏ADC。原理如图4所示。图4数采电路2．2．3信号处理AD9220是一款12bit、5V单端供电、250mW功耗、有灵活的采样频率并且最高可配置10MSPS的流水线型ADC。AD9220的输出会延迟3个时钟。AD9220有多种配置方式，根据手册，在此选用单端输入，内部参考电压的配置。ADC的时钟周期与CCD的驱动周期一致，确保在上升沿采集到信号电平。关键信号时序图如图5所示。其中PHA、PHB和PHＲ为CCD两相转移时钟和复位信号。CK1是CDS开关信号:低?
髌德饰?400kHz，所以本文选取单位增益带宽50MHz的AD847。2．2．2数采电路SCD0经过运放AD847、相关双采样电路图3一级放大电路(CDS)、电压跟随器、基线控制电路、放大电路、电压保护电路进入ADC。相关双采样技术(CDS)是为了消除CCD的复位噪声［4］，通过一个开关芯片(P1:ADG441)控制电容对地的充放电来实现。基线控制电路是通过DAC(TLV5638)来调节模拟信号的基线。电压保护电路确保信号幅度在0～5V，防止烧坏ADC。原理如图4所示。图4数采电路2．2．3信号处理AD9220是一款12bit、5V单端供电、250mW功耗、有灵活的采样频率并且最高可配置10MSPS的流水线型ADC。AD9220的输出会延迟3个时钟。AD9220有多种配置方式，根据手册，在此选用单端输入，内部参考电压的配置。ADC的时钟周期与CCD的驱动周期一致，确保在上升沿采集到信号电平。关键信号时序图如图5所示。其中PHA、PHB和PHＲ为CCD两相转移时钟和复位信号。CK1是CDS开关信号:低电平时开关闭合，电容直接接地;高电平时开关断开，电容接后面运放。OS是FCD输出的信号，SIGNAL是最后进入ADC的模拟信号。2．3驱动板卡设计驱动板卡要实现PHA、PHB和PHＲ的电平转换。FCD工作需要的时序由FPGA产生，为5VTTL电平，FCD515的驱动电平要求(12V)见表1。本设计选择驱动芯片ISL7457。另外，驱动板卡还要向FCD515提供可调的基底电压Vss。并且为了保护FCD515，Vss上电时间要晚于Vod。因此先对DAC进行配置，产生的电压经过
【参考文献】：
期刊论文
[1]硬X射线调制望远镜卫星低能望远镜设计与验证[J]. 陈勇,崔苇苇,李炜,王娟,韩大炜,王于仨,陈田祥,张艺,杨彦佶,霍嘉. 航天器工程. 2018(05)
[2]HXMT卫星低能X射线望远镜[J]. 陈勇,崔苇苇. 现代物理知识. 2016(04)
[3]石英晶体振荡器频率特性的测量与分析[J]. 李二鹏,文开章,冯保红,王煜,汪为伟. 测控技术. 2010(01)
[4]空间硬X射线调制望远镜[J]. 李惕碚,吴枚. 物理. 2008(09)
[5]CCD噪声分析及处理技术[J]. 许秀贞,李自田,薛利军. 红外与激光工程. 2004(04)
本文编号：3003316
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