基于開關(guān)電容陣列ASIC的多通道波形數(shù)字化電子學(xué)設(shè)計.pdf

1、在核與粒子物理試驗中，基于高速采樣技術(shù)進(jìn)行探測器信號的全波形數(shù)字化，可以得到更全面更詳細(xì)的物理信息，是目前物理實驗讀出電子學(xué)領(lǐng)域的一個研究熱點。在大規(guī)模物理實驗中，其電子學(xué)通道往往數(shù)以萬計，傳統(tǒng)的基于高速ADC(Analog-to-Digital Converter)的波形數(shù)字化技術(shù)，因其功耗大、集成度低、成本高昂等因素已不能滿足應(yīng)用需求。而基于開關(guān)電容陣列(Switched CapacitorArrays，SCAs)的波形數(shù)字化技術(shù)，

2、采用高速模擬采樣配合相對低速的量化電路，可實現(xiàn)以較低功耗達(dá)到高速采樣的目的，目前得到了廣泛的關(guān)注和研究。
　　因此，國內(nèi)外積極進(jìn)行基于SCA的波形數(shù)字化技術(shù)的探索和研究，多個科研機(jī)構(gòu)都在展開基于SCA的專用集成電路(Application Specific Integrated Circuits，ASIC)的設(shè)計，并已有若干款A(yù)SIC投入在大型物理實驗中使用，例如地中海大型天體高能物理研究ANTARES實驗、納米比亞的地面切倫科夫

3、望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)H.E.S.S-Ⅱ?qū)嶒灥?。目前國?nèi)相關(guān)研究所和高校也在積極展開基于SCA的波形數(shù)字化及ASIC設(shè)計的研究工作。
　　本論文研究工作是在核探測與核電子學(xué)國家重點實驗室科大部已設(shè)計完成的一款SCA芯片基礎(chǔ)上，展開了多通道集成的波形數(shù)字化系統(tǒng)的設(shè)計，電子學(xué)模塊上集成8個通道，采樣率達(dá)2 Gsps，電路的配置和讀出控制功能集成在單個FPGA中完成，該模塊還包含SDRAM緩存及USB數(shù)據(jù)傳輸接口。此外，還在實驗室環(huán)境中進(jìn)行了一系列

4、測試，以評估其性能指標(biāo)。本論文的內(nèi)容安排如下:
　　第一章首先介紹了當(dāng)今物理實驗中的波形數(shù)字化技術(shù)研究背景，并分別調(diào)研討論了基于高速ADC和SCA的兩種波形數(shù)字化技術(shù)在物理實驗中的實際應(yīng)用。
　　第二章介紹了波形數(shù)字化技術(shù)的具體實現(xiàn)技術(shù)，分別介紹了用于波形數(shù)字化的高速ADC和時間并行交替采樣技術(shù)，以及基于SCA的設(shè)計技術(shù)。
　　第三章介紹了此多通道波形數(shù)字化電子學(xué)的具體設(shè)計和實現(xiàn)。首先對使用的SCA芯片展開介紹，之后介

5、紹了此波形數(shù)字化模塊的總體結(jié)構(gòu)以及各組成部分的具體硬件電路設(shè)計，最后對FPGA中的邏輯設(shè)計進(jìn)行了介紹。
　　第四章主要為此波形數(shù)字化系統(tǒng)的測試結(jié)果，主要包括靜態(tài)性能測試、瞬態(tài)波形測試和系統(tǒng)帶寬測試等。測試結(jié)果表明，此波形數(shù)字化模塊采樣率達(dá)2 Gsps，線性輸入動態(tài)范圍為100 mV～1 V，1NL好于1％，采樣通道RMS噪聲約為1.92mV，帶寬約為430 MHz，達(dá)到設(shè)計目標(biāo)。
　　第五章對本論文進(jìn)行了總結(jié)，并展望了未來進(jìn)