在粒子物理實(shí)驗(yàn)中,探測器輸出的原始脈沖波形蘊(yùn)含了豐富的物理信息,而波形數(shù)字化技術(shù)為提取全面的波形信息提供了最直接、最有效的途徑。傳統(tǒng)的波形數(shù)字化技術(shù)是基于高速ADC實(shí)現(xiàn)的,但隨著大規(guī)模粒子物理實(shí)驗(yàn)中通道數(shù)的急劇增加,高速ADC受其功耗大、集成度低和成本高等因素限制逐漸不能滿足粒子物理實(shí)驗(yàn)的需求。而基于開關(guān)電容陣列技術(shù)（Switched-CapacitorArray,SCA）的波形數(shù)字化方案采用高速采樣配合相對低速量化的方法解決了高速采樣和低功耗之間的矛盾,其核心是進(jìn)行SCA專用集成電路（ASIC）的設(shè)計。此方向是目前國際上該領(lǐng)域電子學(xué)的一個研究熱點(diǎn),特別是在高精度時間測量方面,SCA ASIC因其優(yōu)異的表現(xiàn)受到越來越多的關(guān)注。到目前為止,國際上已經(jīng)有多款SCAASIC被研制和使用,國內(nèi)在這一領(lǐng)域也已經(jīng)開始進(jìn)行探索。本論文在調(diào)研典型SCAASIC的基礎(chǔ)上,瞄準(zhǔn)高精度時間測量的需求,進(jìn)行了基于SCA架構(gòu)的原型芯片的研究和設(shè)計。并針對SCA采樣間隔不均勻的特性提出了相關(guān)時間修正算法。本論文的結(jié)構(gòu)組織如下:第一章首先分析了粒子物理實(shí)驗(yàn)中前端電子學(xué)的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢,闡明了波形數(shù)字化技術(shù)是前端電子... 

【文章頁數(shù)】：141 頁

【學(xué)位級別】：博士

【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第一章 引言
    1.1 粒子物理實(shí)驗(yàn)中的電子學(xué)及其發(fā)展
        1.1.1 粒子物理實(shí)驗(yàn)簡介
        1.1.2 粒子物理實(shí)驗(yàn)中電子學(xué)的特點(diǎn)
        1.1.3 粒子物理實(shí)驗(yàn)中電子學(xué)的發(fā)展趨勢
    1.2 粒子物理實(shí)驗(yàn)中波形數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展
        1.2.1 基于高速ADC的波形數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展
        1.2.2 基于SCA的波形數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展
    1.3 論文研究內(nèi)容
    參考文獻(xiàn)
第二章 基于SCA的波形數(shù)字化技術(shù)調(diào)研
    2.1 SCA ASIC工作原理
    2.2 典型SCA ASIC芯片介紹
        2.2.1 ATWD
        2.2.2 SAM
        2.2.3 DRS4
        2.2.4 PSEC4
        2.2.5 SAMPIC
        2.2.6 幾種典型SCA芯片的性能比較
        2.2.7 SCA芯片的發(fā)展趨勢
    2.3 SCA芯片在高精度時間測量領(lǐng)域的應(yīng)用探索
    2.4 本章小結(jié)
    參考文獻(xiàn)
第三章 基于SCA的波形數(shù)字化ASIC方案設(shè)計
    3.1 設(shè)計需求分析
        3.1.1 指標(biāo)參數(shù)分析
        3.1.2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)
    3.2 芯片方案設(shè)計
        3.2.1 高模擬帶寬的實(shí)現(xiàn)方案
        3.2.2 高精度實(shí)現(xiàn)方案
            3.2.2.1 采樣電路精度的提升
            3.2.2.2 采樣窗口的優(yōu)化
            3.2.2.3 單元讀出耦合電路考慮
            3.2.2.4 量化電路精度考慮
        3.2.3 高速采樣實(shí)現(xiàn)方案
        3.2.4 片內(nèi)量化和讀出實(shí)現(xiàn)方案
        3.2.5 ASIC整體結(jié)構(gòu)
    3.3 本章小結(jié)
    參考文獻(xiàn)
第四章 基于SCA的波形數(shù)字化原型ASIC電路設(shè)計
    4.1 采樣保持模塊設(shè)計
        4.1.1 采樣電路的速度
        4.1.2 采樣電路的精度
            4.1.2.1 KT/C噪聲
            4.1.2.2 電荷注入效應(yīng)
            4.1.2.3 時鐘饋通效應(yīng)
            4.1.2.4 諧波失真
        4.1.3 帶寬分析
        4.1.4 開關(guān)電容電路設(shè)計
            4.1.4.1 單端輸入結(jié)構(gòu)
            4.1.4.2 差分輸入結(jié)構(gòu)
    4.2 單元讀出耦合模塊設(shè)計
        4.2.1 采用buffer的設(shè)計
        4.2.2 去除buffer的設(shè)計
    4.3 量化模塊設(shè)計
        4.3.1 比較器
        4.3.2 ramp產(chǎn)生電路
        4.3.3 格雷碼計數(shù)器
        4.3.4 ADC時鐘產(chǎn)生電路
    4.4 采樣時鐘產(chǎn)生模塊設(shè)計
        4.4.1 DLL電路實(shí)現(xiàn)
            4.4.1.1 延時單元
            4.4.1.2 鑒相器
            4.4.1.3 電荷泵
            4.4.1.4 環(huán)路濾波器
            4.4.1.5 啟動電路
        4.4.2 采樣時鐘整形電路
    4.5 數(shù)據(jù)讀出模塊設(shè)計
        4.5.1 采樣停止位置編碼
        4.5.2 讀出控制電路
    4.6 芯片整體電路設(shè)計
    4.7 芯片版圖設(shè)計和封裝
        4.7.1 芯片版圖設(shè)計
        4.7.2 芯片封裝
    4.8 本章小結(jié)
    參考文獻(xiàn)
第五章 波形數(shù)字化ASIC性能評估與分析
    5.1 測試系統(tǒng)設(shè)計
    5.2 測試結(jié)果及分析
        5.2.1 芯片工作情況
        5.2.2 靜態(tài)性能測試
        5.2.3 動態(tài)性能測試
            5.2.3.1 正弦波和PMT信號測試
            5.2.3.2 交流頻率響應(yīng)
        5.2.4 快脈沖測試
    5.3 基于波形采樣的高精度時間測量
        5.3.1 采樣間隔修正算法研究
            5.3.1.1 “正弦波過零”法
            5.3.1.2 全局時間修正法
            5.3.1.3 基于超定線性方程組的修正算法
            5.3.1.4 正弦波周期測試
        5.3.2 基于波形采樣的定時研究
            5.3.2.1 幾種定時方法的比較
            5.3.2.2 脈沖間隔測試
    5.4 本章小結(jié)
    參考文獻(xiàn)
第六章 總結(jié)與展望
    6.1 總結(jié)
    6.2 展望
附錄 超定方程組的最小二乘解
致謝
在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與取得的其他研究成果


【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]基于GTAF裝置的FlashADC數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)[J]. 張奇瑋,賀國珠,黃興,阮錫超,周祖英,朱興華.  中國原子能科學(xué)研究院年報. 2013(00)
[2]大型強(qiáng)子對撞機(jī)時代的宇宙線實(shí)驗(yàn)[J]. 劉加麗,曹臻.  物理. 2011(10)
[3]雙通道1Gsps波形取樣電路研制[J]. 向海生,趙豫斌,江曉山,盛華義,趙京偉.  核電子學(xué)與探測技術(shù). 2009(01)
[4]粒子物理實(shí)驗(yàn)中的精密時間間隔測量[J]. 安琪.  核技術(shù). 2006(06)

博士論文
[1]基于FPGA的TIADC寬帶信號硬件實(shí)時修正方法研究[D]. 高興順.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2017
[2]數(shù)字化波形采樣技術(shù)在粒子探測中的應(yīng)用與研究[D]. 杜成名.中國科學(xué)院研究生院(近代物理研究所) 2016
[3]基于開關(guān)電容矩陣的波形數(shù)字化技術(shù)研究[D]. 王進(jìn)紅.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2012
[4]基于時間并行交替技術(shù)的超高速高精度波形數(shù)字化研究[D]. 唐邵春.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2012
[5]鎖相環(huán)頻率合成器建模、設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[D]. 張濤.華中科技大學(xué) 2006



本文編號：3706787