基于开关电容阵列ASIC的多通道波形数字化电子学设计

发布时间：2017-12-23 02:12

本文关键词：基于开关电容阵列ASIC的多通道波形数字化电子学设计　出处：《中国科学技术大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：在核与粒子物理试验中,基于高速采样技术进行探测器信号的全波形数字化,可以得到更全面更详细的物理信息,是目前物理实验读出电子学领域的一个研究热点。在大规模物理实验中,其电子学通道往往数以万计,传统的基于高速ADC(Analog-to-Digital Converter)的波形数字化技术,因其功耗大、集成度低、成本高昂等因素已不能满足应用需求。而基于开关电容阵列(Switched Capacitor Arrays,SCAs)的波形数字化技术,采用高速模拟采样配合相对低速的量化电路,可实现以较低功耗达到高速采样的目的,目前得到了广泛的关注和研究。因此,国内外积极进行基于SCA的波形数字化技术的探索和研究,多个科研机构都在展开基于SCA的专用集成电路(Application Specific Integrated Circuits,ASIC)的设计,并已有若干款ASIC投入在大型物理实验中使用,例如地中海大型天体高能物理研究ANTARES实验、纳米比亚的地面切伦科夫望远镜系统H.E.S.S-Ⅱ实验等。目前国内相关研究所和高校也在积极展开基于SCA的波形数字化及ASIC设计的研究工作。本论文研究工作是在核探测与核电子学国家重点实验室科大部已设计完成的一款SCA芯片基础上,展开了多通道集成的波形数字化系统的设计,电子学模块上集成8个通道,采样率达2 Gsps,电路的配置和读出控制功能集成在单个FPGA中完成,该模块还包含SDRAM缓存及USB数据传输接口。此外,还在实验室环境中进行了一系列测试,以评估其性能指标。本论文的内容安排如下:第一章首先介绍了当今物理实验中的波形数字化技术研究背景,并分别调研讨论了基于高速ADC和SCA的两种波形数字化技术在物理实验中的实际应用。第二章介绍了波形数字化技术的具体实现技术,分别介绍了用于波形数字化的高速ADC和时间并行交替采样技术,以及基于SCA的设计技术。第三章介绍了此多通道波形数字化电子学的具体设计和实现。首先对使用的SCA芯片展开介绍,之后介绍了此波形数字化模块的总体结构以及各组成部分的具体硬件电路设计,最后对FPGA中的逻辑设计进行了介绍。第四章主要为此波形数字化系统的测试结果,主要包括静态性能测试、瞬态波形测试和系统带宽测试等。测试结果表明,此波形数字化模块采样率达2 Gsps,线性输入动态范围为100 mV～1V,INL好于1%,采样通道RMS噪声约为1.92 mV,带宽约为430 MHz,达到设计目标。第五章对本论文进行了总结,并展望了未来进一步工作。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O57;TN402

【参考文献】