基于CASCA芯片的TPC探测器读出系统研制

发布时间：2020-04-17 11:42

【摘要】：TPC探测器作为高分辨率的粒子径迹探测器,在高能物理和天文物理领域具有广泛的应用前景,而开发出合适的读出系统是这些应用能够实现的关键一步。针对GEM读出的TPC探测器,清华大学核电子学实验室研制出了前端读出专用ASIC芯片CASCA,该芯片集成了前放成形、基线恢复器和开关电容阵列等电路,提供了 32路电子学通道。基于CASCA芯片,本论文提出了一种模块化、点对点设计的TPC探测器读出系统方案,并研制读出系统硬件电路,设计FPGA固件程序,开发上位机GUI监控软件。读出系统硬件电路分为三大模块:前端调理板、适配板和FMC主控板。在充分研究CASCA芯片电子学原理基础上,设计了与之相匹配的采样读出逻辑控制系统和数字转换系统,选用了 8通道输出的高性能时钟芯片、低功耗低成本FPGA芯片和1OMsps采样率、12bits精度的模数转换芯片。并针对今后更高的数据吞吐需求,提出采用SRIO协议实现板间高速传输的方案。针对读出系统中触发模式选择、时钟输出和软触发等控制需求,设计了一套实用的指令控制方案,实现了上位机指令对读出系统电子学的控制。同时,开发了与之匹配的上位机GUI监控软件,实现了采样数据的波形显示和对读出系统电子学的友好控制。读出系统方案基于多对一连接的设计思想,多个适配板使用HDMI线缆与主控板连接。对于同类型前端读出芯片,修改前端调理板即可达到兼容目的,对于更多电子学通道的TPC探测器,调整主控板的数量即可满足需求。经测试,读出系统稳定工作,板间SRIO协议传输实测速度高达2.014Gbps,单通道采样的积分非线性INL 小于 0.55%。
【图文】：

框图,读出系统,框图,适配卡

则作为ＦＥＣ的即插即用卡。在实际设计中，多个ＳＲＳ前端ＡＳＩＣ卡通过ＨＤＭＩ连逡逑接线与适配卡连接，适配卡则采用成熟的ＰＣＩＥ接口插入ＦＥＣ卡，并一起安装在标逡逑准机箱中。ＳＲＳ设计框架图和ＳＲＳ的ＤＡＱ前端读出单元实物图如下图１．１和图１．２逡逑所示：逡逑逦ｎ邋ＪＪ＜－？？？－＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊￣￣｜￣Ｔ＂＂＊＊＂＊＊＊＊＊＊＊￣＇￣￣Ｅｕｒｏｃｒａｉｅ逡逑ＱＱＱＱｙ逡逑ＭｉＷＭｉＷ逡逑ＳｔｆｉＵａＥＳＳ邋ｍｘｔｍＷＭｍ逡逑ｌＥＢＩＢＢ逡逑ＩｌＤＥＴＥＣＴＯＲ邋１］邋Ｉ邋ｌ｜逦ＤＥＴＥＣＴＯＲ邋２逦丨逡逑图１．１邋ＳＲＳ读出系统设计框图逡逑２逡逑

框图,读出单元,读出系统,适配卡

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