【摘要】：在核輻射測(cè)量中,粒子通過探測(cè)器時(shí)產(chǎn)生激發(fā)、電離、光電倍增等過程,探測(cè)器輸出信號(hào)中包含粒子的許多物理信息。前端電子學(xué)與觸發(fā)探測(cè)器和數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)相連接,然而,隨著現(xiàn)代粒子物理和核物理實(shí)驗(yàn)的發(fā)展,傳統(tǒng)的前端電子學(xué)由于集成度低、成本高、采樣速率低已經(jīng)不能滿足未來粒子物理與核物理實(shí)驗(yàn)發(fā)展的要求。國(guó)外已經(jīng)出現(xiàn)了多款專為前端電子學(xué)設(shè)計(jì)的基于開關(guān)電容陣列(Switched Capacitor Array,SCA)的ASIC芯片,而國(guó)內(nèi)基于SCA ASIC芯片的應(yīng)用研究處于初期階段。所以研究基于開關(guān)電容陣列ASIC芯片的采樣原理和其在當(dāng)代物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用很有必要。本文針對(duì)目前國(guó)際上比較成熟的SCA芯片DRS4的采樣技術(shù),研究基于FPGA的SCA芯片讀出方法和邏輯設(shè)計(jì),并開發(fā)了一套專門用于陣列探測(cè)器的上位機(jī)數(shù)據(jù)采集控制與獲取軟件。擬開展以下幾方面的工作:開展了針對(duì)SCA芯片DRS4的高速采樣技術(shù),在可編程邏輯器件FPGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)與DRS4接口模塊、校準(zhǔn)模塊、ADC接口模塊和時(shí)序邏輯模塊的邏輯設(shè)計(jì),以及實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。設(shè)計(jì)了一套數(shù)據(jù)采集與控制上位機(jī)軟件,軟件在wx Widgets平臺(tái)上進(jìn)行開發(fā),采用模塊化設(shè)計(jì)思路和多線程技術(shù),軟件通過USB總線與前端電子學(xué)硬件部分通信。從軟件架構(gòu)、命令行接口模塊、數(shù)據(jù)采集與獲取模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和圖形用戶界面幾方面重點(diǎn)討論了上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法。研究了實(shí)時(shí)采樣中所用到的線性插值算法、非線性插值算法和正弦插值算法,并采用正弦波過零算法和直流偏置誤差補(bǔ)償算法分別實(shí)現(xiàn)了對(duì)時(shí)間的修正和幅度的校準(zhǔn)。最后對(duì)DRS4原型樣機(jī)進(jìn)行了性能測(cè)試和相關(guān)修正算法驗(yàn)證測(cè)試,并和閃爍晶體陣列探測(cè)器進(jìn)行了聯(lián)調(diào)測(cè)試。經(jīng)測(cè)試表明,本設(shè)計(jì)可以成功配合硬件滿足系統(tǒng)的調(diào)試和測(cè)試工作。
[Abstract]:In nuclear radiation measurement, particles generate excitation, ionization, photomultiplier and other processes when they pass through the detector. The detector output signal contains a lot of physical information of the particle. Front-end electronics is connected to trigger detectors and data acquisition systems. However, with the development of modern particle physics and nuclear physics experiments, traditional front-end electronics have low integration and high costs. The low sampling rate can not meet the requirements of the future development of particle physics and nuclear physics experiments. There have been a number of ASIC chips designed for front-end electronics based on switched capacitor array (Switched Capacitor Array,SCA) in foreign countries, while the application research based on SCA ASIC chips in China is in the initial stage. So it is necessary to study the sampling principle based on switched capacitor array (ASIC) chip and its application in contemporary physics experiments. Aiming at the sampling technology of SCA chip DRS4, this paper studies the readout method and logic design of SCA chip based on FPGA, and develops a set of data acquisition control and acquisition software for upper computer specially used in array detector. The main work is as follows: the high-speed sampling technology for SCA chip DRS4 is carried out, and the logic design of DRS4 interface module, calibration module, ADC interface module and time sequence logic module is realized in programmable logic device (FPGA). And realize the data transmission with the upper computer. A set of software for data acquisition and control is designed. The software is developed on the platform of wx Widgets. The software communicates with the front-end electronics hardware through USB bus with modularization design idea and multi-thread technology. From the software architecture, command-line interface module, data acquisition and acquisition module, data processing module and graphical user interface, the design ideas and methods of upper computer software are discussed in detail. The linear interpolation algorithm, nonlinear interpolation algorithm and sine interpolation algorithm used in real-time sampling are studied. The time correction and amplitude calibration are realized by using sine wave zero-crossing algorithm and DC bias error compensation algorithm, respectively. Finally, the performance test and related correction algorithm verification of the DRS4 prototype are carried out, and the joint test with the scintillation crystal array detector is carried out. The test results show that this design can successfully cooperate with the debugging and testing work of the hardware satisfaction system.
【學(xué)位授予單位】：西北師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN791;TN402

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本文編號(hào)：2439372