本文關鍵詞：基于FPGA的時間數(shù)字轉換電路的若干關鍵技術的研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：時間作為物理學中七個基本物理量之一,在物理學的發(fā)展中起著至關重要的作用。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、質量等信息,對鑒別粒子種類、粒子反應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)達到皮秒量級。 在多年的發(fā)展中,時間測量技術多種多樣,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設計的HPTDC芯片,和基于FPGA的時間數(shù)字轉換電路。相對于ASIC芯片,FPGA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)字轉換電路的時間測量技術路線蓬勃發(fā)展。但是,目前該技術大多處于研究層面,并未在實際的應用中使用。這是因為基于FPGA的時間數(shù)字轉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對時間測量精度的影響,需要測量信號的脈寬對該效應進行修正補償；在具有觸發(fā)判選系統(tǒng)的實驗中,為了能夠將數(shù)據(jù)與觸發(fā)信號進行匹配讀出,需要一種觸發(fā)匹配機制完成事例數(shù)據(jù)與觸發(fā)信號的匹配操作；粒子實驗的環(huán)境具有很強的輻射,有時根據(jù)需求,時間數(shù)字化電子學需要放置在探測器附近,這就要求電子學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。本論文針對實際應用中對時間測量功能的擴展功能的需求,針對基于FPGA的時間數(shù)字轉換電路,對某些關鍵技術進行研究和開展工作。本論文的內(nèi)容安排如下： 第一章主要介紹了基于FPGA的時間數(shù)字轉換電路的歷史與發(fā)展,將其實現(xiàn)方法進行分類并進行了簡要的原理介紹。 第二章先介紹了“粗”“細”時間相結合的時間測量方法。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行了總結和對比,并給出測試結果。 第三章介紹基于CAM的觸發(fā)匹配機制。通過調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)匹配機制,并詳細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發(fā)生的單粒子翻轉、多粒子翻轉等軟錯誤進行修復,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。 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在線溫度補償方法。第六章則是將以上幾章中實現(xiàn)的功能進行整合,設計基于VME接口的標準化時間數(shù)字轉換模塊,對該模塊的設計和測試進行了詳細介紹。 第七章介紹了德國壓縮重子物質實驗(Compressed Baryonic Matter,CBM)及其中的飛行時間探測器(Time-of-Flight,TOF)系統(tǒng),根據(jù)其對時間測量的要求,設計適用該實驗的高精度高密度時間測量模塊,并對其設計和測量結果進行詳細介紹。 第八章對本論文進行總結并對下一步工作進行展望。
【關鍵詞】：現(xiàn)場可編程門陣列 時間數(shù)字轉換 脈寬測量 觸發(fā)匹配 溫度補償 擦除刷新
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN791
【目錄】：

• 摘要9-11
• Abstract11-14
• 第1章 緒論14-40
• 1.1 基于FPGA的‘TDC的實現(xiàn)方法14-27
• 1.1.1 計數(shù)器法14-16
• 1.1.2 精密時間測量法16
• 1.1.3 鎖存器和緩沖器構成差分延遲鏈16-18
• 1.1.4 二維延時矩陣18-20
• 1.1.5 二級延時鏈20-21
• 1.1.6 游標卡尺法21-27
• 1.2 高能物理實驗對時間測量的需求27-30
• 1.3 時間測量的關鍵技術30-34
• 1.3.1 脈寬測量功能30-32
• 1.3.2 觸發(fā)匹配機制32
• 1.3.3 輻射容錯功能32-33
• 1.3.4 在線溫度補償功能33-34
• 1.4 本論文的研究內(nèi)容、意義和結構安排34-36
• 參考文獻36-40
• 第2章 脈寬測量電路及實現(xiàn)方法40-61
• 2.1 基于FPGA的高精度時間數(shù)字轉換電路的實現(xiàn)40-47
• 2.1.1 “粗”時間測量單元41-42
• 2.1.2 “細”時間測量單元42-44
• 2.1.3 譯碼單元44
• 2.1.4 控制單元44
• 2.1.5 測試結果44-47
• 2.2 過閾時間測量的實現(xiàn)方法47-58
• 2.2.1 雙通道過閾時間測量的實現(xiàn)方法47-51
• 2.2.2 單通道實現(xiàn)過閾時間測量的方法51-58
• 2.3 本章總結58-59
• 參考文獻59-61
• 第3章 基于CAM的觸發(fā)匹配機制及電路實現(xiàn)61-75
• 3.1 觸發(fā)匹配機制基本原理61-62
• 3.2 基于CAM的觸發(fā)匹配機制的設計與實現(xiàn)62-68
• 3.2.1 基本原理62-63
• 3.2.2 基于CAM的觸發(fā)匹配機制的電路設計及實現(xiàn)63-68
• 3.3 測試結果68-72
• 3.4 本章總結72-73
• 參考文獻73-75
• 第4章 FPGA在輻照環(huán)境下的容錯功能的設計與實現(xiàn)75-110
• 4.1 硅器件的輻射效應75-79
• 4.1.1 輻射環(huán)境75-77
• 4.1.2 半導體器件的輻射效應77-79
• 4.2 基于SRAM型FPGA的基本結構79-80
• 4.3 Xilinx公司FPGA的配置數(shù)據(jù)結構80-82
• 4.4 FPGA配置存儲器在輻照環(huán)境下容錯功能的實現(xiàn)方法82-84
• 4.4.1 Open Loop(or Blind Loop)83
• 4.4.2 Closed Loop83-84
• 4.5 Xilinx FPGA配置存儲器中容錯功能的設計與實現(xiàn)84-100
• 4.5.1 ICAP模塊85
• 4.5.2 Frame_ECC模塊85-86
• 4.5.3 SEM Controller模塊86-92
• 4.5.4 數(shù)據(jù)獲取模塊92-97
• 4.5.5 錯誤插入模塊97-99
• 4.5.6 狀態(tài)監(jiān)測模塊99-100
• 4.5.7 狀態(tài)信號模塊100
• 4.6 功能測試100-105
• 4.6.1 生成外部設備的存儲文件100-101
• 4.6.2 測試結果101-105
• 4.7 本章總結105-106
• 參考文獻106-110
• 第5章 基于FPGA的TDC在線溫度補償電路的設計與實現(xiàn)110-124
• 5.1 基于SRAM型FPGA的溫度特性110-113
• 5.1.1 Xilinx FPGA的溫度特性110-111
• 5.1.2 Altera FPGA的溫度特性111-113
• 5.2 Artix-7 FPGA底層溫度特性測試113-118
• 5.2.1 Xilinx FPGA內(nèi)XADC模塊介紹113-115
• 5.2.2 測試方案115-116
• 5.2.3 溫度特性測試結果116-118
• 5.3 FPGA TDC在線溫度補償設計電路實現(xiàn)118-120
• 5.4 測試結果120-121
• 5.5 測試結果分析121
• 5.6 本章總結121-122
• 參考文獻122-124
• 第6章 基于FPGA的時間數(shù)字轉換標準化模塊設計124-134
• 6.1 基于FPGA的時間數(shù)字轉換標準化模塊的電路設計124-130
• 6.1.1 時鐘模塊124-125
• 6.1.2 信號輸入模塊125-126
• 6.1.3 FPGA模塊126-127
• 6.1.4 CPLD模塊127-130
• 6.1.5 電源模塊130
• 6.2 測試結果130-131
• 6.2.1 前沿時間測量130-131
• 6.2.2 脈寬測量131
• 6.3 本章總結131-132
• 參考文獻132-134
• 第7章 基于FPGA的TDC在CBM實驗中的應用134-142
• 7.1 高精度高密度時間數(shù)字化模塊的設計134-138
• 7.1.1 時鐘模塊135
• 7.1.2 信號輸入模塊135
• 7.1.3 FPGA模塊135-136
• 7.1.4 FPGA配置模塊136-137
• 7.1.5 輻照環(huán)境下的容錯功能137-138
• 7.1.6 數(shù)據(jù)讀出模塊138
• 7.1.7 電源模塊138
• 7.2 測試結果138-139
• 7.3 本章總結139-140
• 參考文獻140-142
• 第8章 總結與展望142-145
• 8.1 工作總結142-143
• 8.2 本人工作的創(chuàng)新點143
• 8.3 展望143-145
• 8.3.1 工作展望143-144
• 8.3.2 應用展望144-145
• 附錄145-146
• 致謝146-148
• 攻讀博士學位期間的論文成果148-153

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前5條

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3 馬寅;安軍社;王連國;孫偉;;基于Scrubbing的空間SRAM型FPGA抗單粒子翻轉系統(tǒng)設計[J];空間科學學報;2012年02期

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中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

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  本文關鍵詞：基于FPGA的時間數(shù)字轉換電路的若干關鍵技術的研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：337524