基于開關電容陣列ASIC的多通道波形數(shù)字化電子學設計.pdf

1、在核與粒子物理試驗中，基于高速采樣技術進行探測器信號的全波形數(shù)字化，可以得到更全面更詳細的物理信息，是目前物理實驗讀出電子學領域的一個研究熱點。在大規(guī)模物理實驗中，其電子學通道往往數(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，因其功耗大、集成度低、成本高昂等因素已不能滿足應用需求。而基于開關電容陣列(Switched CapacitorArrays，SCAs)的波形數(shù)字化技術，

2、采用高速模擬采樣配合相對低速的量化電路，可實現(xiàn)以較低功耗達到高速采樣的目的，目前得到了廣泛的關注和研究。
　　因此，國內外積極進行基于SCA的波形數(shù)字化技術的探索和研究，多個科研機構都在展開基于SCA的專用集成電路(Application Specific Integrated Circuits，ASIC)的設計，并已有若干款ASIC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、望遠鏡系統(tǒng)H.E.S.S-Ⅱ實驗等。目前國內相關研究所和高校也在積極展開基于SCA的波形數(shù)字化及ASIC設計的研究工作。
　　本論文研究工作是在核探測與核電子學國家重點實驗室科大部已設計完成的一款SCA芯片基礎上，展開了多通道集成的波形數(shù)字化系統(tǒng)的設計，電子學模塊上集成8個通道，采樣率達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)境中進行了一系列

4、測試，以評估其性能指標。本論文的內容安排如下:
　　第一章首先介紹了當今物理實驗中的波形數(shù)字化技術研究背景，并分別調研討論了基于高速ADC和SCA的兩種波形數(shù)字化技術在物理實驗中的實際應用。
　　第二章介紹了波形數(shù)字化技術的具體實現(xiàn)技術，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，以及基于SCA的設計技術。
　　第三章介紹了此多通道波形數(shù)字化電子學的具體設計和實現(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)字化模塊的總體結構以及各組成部分的具體硬件電路設計，最后對FPGA中的邏輯設計進行了介紹。
　　第四章主要為此波形數(shù)字化系統(tǒng)的測試結果，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。測試結果表明，此波形數(shù)字化模塊采樣率達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，達到設計目標。
　　第五章對本論文進行了總結，并展望了未來進