基于FPGA的時間數(shù)字轉(zhuǎn)移電路的若干關(guān)鍵技術(shù)的研究.pdf

1、時間作為物理學(xué)中七個基本物理量之一，在物理學(xué)的發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用。特別是在粒子物理實驗中，時間信息能夠間接反映實驗過程中粒子的動量、質(zhì)量等信息，對鑒別粒子種類、粒子反應(yīng)種類等有很重要的作用。隨著探索粒子越來越小，加速器能量越來越高，對時間測量精度的要求也越來越高，已經(jīng)達(dá)到皮秒量級。在多年的發(fā)展中，時間測量技術(shù)多種多樣，時間測量精度越來越高。按照開發(fā)平臺不同，主要分為專用時間測量ASIC芯片，如CERN設(shè)計的HPTDC芯片，和基于F

2、PGA的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路。相對于ASIC芯片，F(xiàn)PGA具有靈活性、可重配性、開發(fā)周期短等優(yōu)點，促使基于FPGA的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路的時間測量技術(shù)路線蓬勃發(fā)展。但是，目前該技術(shù)大多處于研究層面，并未在實際的應(yīng)用中使用。這是因為基于FPGA的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路在功能上不夠全面，對于粒子物理實驗中一些特殊的要求還不能都滿足。比如，為了改善前沿定時帶來的時間游走效應(yīng)對時間測量精度的影響，需要測量信號的脈寬對該效應(yīng)進(jìn)行修正補(bǔ)償;在具有觸發(fā)判選系統(tǒng)的實

3、驗中，為了能夠?qū)?shù)據(jù)與觸發(fā)信號進(jìn)行匹配讀出，需要一種觸發(fā)匹配機(jī)制完成事例數(shù)據(jù)與觸發(fā)信號的匹配操作;粒子實驗的環(huán)境具有很強(qiáng)的輻射，有時根據(jù)需求，時間數(shù)字化電子學(xué)需要放置在探測器附近，這就要求電子學(xué)器件具有輻射容錯功能，保證系統(tǒng)工作的可靠性和穩(wěn)定性。本文針對實際應(yīng)用中對時間測量功能的擴(kuò)展功能的需求，針對基于FPGA的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，對某些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究和開展工作。
　　本研究分為八個部分：第一章主要介紹了基于FPGA的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換

4、電路的歷史與發(fā)展，將其實現(xiàn)方法進(jìn)行分類并進(jìn)行了簡要的原理介紹。第二章先介紹了“粗”“細(xì)”時間相結(jié)合的時間測量方法。重點介紹實現(xiàn)脈寬測量的兩種方法。第一種方法采用兩個相同的TDC通道分別測量前后沿時間;第二種方法在一個TDC通道中同時測量前后沿時間。最后對兩種方法的特點進(jìn)行了總結(jié)和對比，并給出測試結(jié)果。第三章介紹基于CAM的觸發(fā)匹配機(jī)制。通過調(diào)研分析粒子物理實驗對于時間測量數(shù)據(jù)的觸發(fā)匹配的功能要求，提出一種基于CAM的觸發(fā)匹配機(jī)制，并詳細(xì)

5、介紹了該功能的原理及實現(xiàn)電路。第四章介紹了針對SRAM型FPGA的配置存儲器的靜態(tài)邏輯在輻射環(huán)境下發(fā)生單粒子效應(yīng)時實現(xiàn)的容錯功能。通過在線實時對配置存儲器中由于輻射效應(yīng)發(fā)生的單粒子翻轉(zhuǎn)、多粒子翻轉(zhuǎn)等軟錯誤進(jìn)行修復(fù)，使得SRAM型FPGA在高輻射環(huán)境下工作的可靠性和穩(wěn)定性得以增強(qiáng)。第五章通過測量Xilinx FPGA底層延遲隨溫度變化的特性，介紹實現(xiàn)的一種對基于FPGA的TDC在線溫度補(bǔ)償方法。第六章則是將以上幾章中實現(xiàn)的功能進(jìn)行整合，設(shè)