基于开关电容阵列ASIC芯片的多通道波形数字化系统设计

基于开关电容阵列（SCA）技术可以实现超高速的波形数字化。本研究是基于实验室设计完成的FEL_SCA芯片进行8通道2 Gsps的波形数字化模块的设计,电路的配置和读出控制功能集成在单个FPGA中完成,此外该模块还包含SDRAM缓存及USB接口。目前已在实验室环境下对其进行了直流电压测试、瞬态波形测试和带宽测试,测试结果表明,在FEL_SCA芯片的输入动态范围100 mV~1 V之间,本波形数字化模块的INL好于1%,通道的RMS噪声约为1.76 mV,带宽约为450 MHz,达到设计目标。Switched Capacitor Arrays (SCAs) can be employed to achieve high speed waveform digitization. In this paper, we designed an 8-channel 2 Gsps waveform digitization module using four SCA chips named FEL_SCA which was designed in our laboratory. In this module, we used a FPGA device for data readout and circuit configuration. Besides, a 128 Mb SDRAM and USB interface were integrated in this module. We have also conducted DC voltage tests, transient tests and bandwidth tests on this module. The results indicate that in the signal voltage range 100 mV~1 V, the INL is better than 1%, the RMS noise is about 1.76 mV and the -3 dB input bandwidth is 450 MHz.     

用于SCA ASIC测试的数字读出模块设计

高速开关电容阵列(SCA)具有高速采样、低功耗的特点,基于SCA的高速波形数字化是目前高精度时间测量的一个重要研究方向。为此,我们开展SCA芯片的研究,目前已设计完成原型ASIC设计,并正在进行后续版本的改进设计。为便于未来多版本ASIC的测试和评估,需设计具有一定通用性的数字读出模块,本论文工作主要介绍此模块的设计工作以及相应的数据读出软件。数字读出模块基于FPGA实现对待测ASIC的控制、配置及数据读出,采用DDR3片外存储芯片,使用USB3.0等接口进行数据传输;上位机软件基于Python3.7设计,实现了数据采集与波形绘制等功能。目前已使用设计完成的数字读出模块对第2版SCA ASIC进行了初步的测试,测试结果表明,此读出模块工作正常,且SCA芯片输出结果符合预期。     

基于时间融合的波形方式高精度超声测厚

在超声测厚过程中使用波形方式利用闸门进行测量,可以方便自由地选取测量对象,有利于 避开盲区测量;同时还可以设置闸门和峰值或边沿的测量方式,有利于减小测量误差。在测量中,特 征计算采用基于采样序列较基于显示序列精度要高,采样率越高,精度越好;在此基础上,加入多时 间序列的融合算法可以将有效采样率成倍提高,精度也得到相应的改善。     

基于ASIC芯片的硅微条阵列探测器多通道前端电子学模块设计

描述了为兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)外靶实验系统硅微条阵列探测器而设计的前端电子学模块。该模块采用专用ASIC芯片,可以处理96路能量信号。对前端电子学模块的性能进行了测试,结果表明,该模块在0.1～0.7 V范围内的积分非线性好于0.3%;其电子学分辨好于0.45%,最大串扰小于10%;通道一致性测试结果好于1.3%;在室温下连续工作24 h后,零点峰位最大漂移为1.48 m V。     

利用高精度时间间隔测量技术实现光速测定方法的研究

为了实现实验室环境下测定光速，采用已知长度及折射率的单模零色散光纤作为传输介质，利用高精度时间间隔测量技术测量了光在该光纤中的传输延时。经过理论推导，求出光速c与作为传输介质的光纤长度L、折射率n及光纤延时τ之间的关系式，从而通过测量得到L，n及τ的值即可计算得到真空中的光速值。与传统的利用天文法及精密仪器测量光速的方法相比，采用比较先进的高精度时间间隔测量技术可使时间分辨率达到125ps，从而在实验室环境下，利用简单仪器得到了高精度的测量结果。最终测量所得光速为299928077m/s，误差为30860m/s。     

高重频束流采集处理器原型样机的设计

为了实现对高重频硬X射线自由电子激光装置(SHINE)条带型BPM(Beam Position Monitor)系统信号的数字化采样和处理,研制了高重频束流采集处理器原型样机.处理器拥有四通道输入,最高达1 GSps的采样率,16 bit采样位数,采用XILINX公司带有嵌入式CPU(Central Processin...     

一种改进式TAC的高精度时间间隔测量系统的实现

设计了一种基于改进式时间-幅度转换器(Time-Amplitude Converter, TAC)的高精度时间间隔测量系统。该系统采用集成运放设计TAC中的电流可控的恒流源,并对TAC内部的积分控制部分加入宽带直流放大电路,来提高时间间隔测量的精确度;采用高精度的模数转换器采样TAC的输出,实现高精度时间间隔测量中的模拟到数字的转换;采用现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)完成系统软件设计,实现对TAC的控制。通过变换TAC的采样电阻的阻值,使恒流源输出不同的电流对电容进行充电,从而使TAC的输出电压满足高精度模数转换器(Analog-Digital Converter,ADC)采集电压的要求。实验表明,在测量时间范围为1us,800ns,400ns,200ns时,该系统的时间间隔测量的最小时间精度为400皮秒。     

HIRFL-CSR外靶实验T0探测器前端电子学原型模块设计

介绍了兰州重离子加速器冷却储存环（HIRFL-CSR）外靶实验中时间起点探测器（T0）的前端电子学原型模块的设计与测试。探索了基于过阈时间法和专用集成电路NINO芯片进行多气隙电阻板室探测器信号读出的模拟前端电路的设计技术,并实际完成了原型电子学模块的设计。此模块共集成6个测量通道,可以进行前沿甄别及电荷时间变换。目前已经在实验室条件下完成了各项电子学性能测试,包括不同甄别阈值下的时间精度测试以及不同输入信号幅度下的输出脉宽测试。测试结果表明,在100 fC至2 pC的动态范围内,此模块时间精度好于20 ps,满足应用需求,这也为进一步的电子学系统设计做好了准备。A prototype front end electronics (FEE) module is designed for the T0 detector in the External Experiment in CSR (Cooling Storage Ring) of HIRFL (Heavy Ion Research Facility in Lanzhou). Based on the Time-Over-Threshold method and NINO ASIC, a total of 6 channels are integrated in the module, and both high precision leading edge discrimination and Charge-to-Time Conversion can be achieved, which satisfies the readout requirement of MRPC (Multi-gap Resistive Plate Chamber). A series of tests were also conducted in the laboratory, including time precision tests with different thresholds and output pulse width tests with different input signal amplitudes. Test results indicate that this prototype module functions well, and the time precision is better than 20 ps in the dynamic range from 100 fC to 2 pC, which is beyond application requirement. Through this work, preparation is made for the future readout system design.     

用于像素探测器的高事例率高精度TDC ASIC原型电路的设计与仿真

像素探测器因其优异的位置分辨能力在高能粒子物理实验的内径探测器中有着广泛应用,随着应用场景的发展,许多物理实验要求探测器及其读出电子学也具备高精度时间测量的能力。针对像素探测器时间测量的需求,设计完成了一款具备高事例率处理能力、高精度特点的TDC(Time-to-Digital Conversion)ASIC(Application Specific Integrated Circuit)原型电路,将来可以作为核心组成部分集成到像素探测器前端读出ASIC中。采用粗细结合的方案完成TDC的设计,其中粗时间测量基于计数器实现,细时间测量采用TAC(Time-to-Amplitude Converter)结合ADC(Time-to-Amplitude Converter)的结构实现,基于130 nm工艺完成了原型电路的设计。对TDC进行仿真,仿真结果表明,该电路可以最多处理连续11个事例,相邻事例的最短时间间隔为500 ps,bin size达到了2 ps,DNL(Differential Non-Linearity)小于2.8 ps,时间测量精度好于5 ps RMS。     

BESⅢ TOF前端读出电子学系统原型设计和实验结果

作为北京谱仪(Beijing Spectrometer, 简称BES)的改造, BESⅢ将把TOF(time-of-flight)测量精度提高到一个新的水平, 总时间分辨不大于90ps. 其中要求前端电子学(Front End Electronics, FEE)对时间测量的不确定性贡献小于25ps. 本文介绍了TOF前端读出电子学系统原型电路的设计和初步的测试结果.     

基于调制相移法的高准确度光纤长度测量技术

为了克服传统调制相移法测量频率范围窄、测量准确度低的缺点,提出一种基于调制相移法的单模光纤长度精确测量技术.利用一体化矢量网络分析仪的高速调制信号同步技术及高频信号相位差测量技术,设计并研制了单模光纤长度测量装置.基于矢量网络分析仪自带的VBA插件编写了自动控制及数据处理软件,给出了相位变化量自动处理方法.利用研制的装置分别测量了长度为2km、40km和150km的单模光纤在不同工作波长点的长度值,实验结果表明,2km的光纤长度测量值实验标准偏差优于0.2mm,150km的光纤长度测量值实验标准偏差接近0.01m.该装置可对1 310nm、1 490nm以及1 550nm波长的光纤距离进行精确测量,为光纤长度的高准确度测量提供了一种新的技术途径.     

一个高时间分辨的多间隙电阻板室原型

研制了一种多气隙电阻板室原型并建立了相关的测试系统.利用宇宙线测试系统和欧洲核子中心的试验束装置T1?0对其性能进行了测试,给出了初步结果.时间分辨达到70ps,对最小电离粒子的探测效率大于95%.     

基于TDC-GP2的时间间隔测量系统设计

精确的时间间隔测量在时间同步系统有着至关重要的作用,为了满足大量程和高精度的需求,介绍了一种直接计数法和时间-数字装换法相结合的时间间隔测量系统;设计中采用两片TDC-GP2时间-数字转换芯片,结合FPGA和上位机,可以实现精度为1 ns时差测量;经过大量的实际测量,系统的分辨率为70 ps,精度为1 ns,最大可以测量1 s的时间间隔;该设计的系统具有可靠性高、功耗低、精度高、使用灵活等优点。     

用于温差发生器的高精度温度测量与控制系统设计

讨论了用于温差发生器的高精度温度测量与控制的设计与实现。采用PT100铂电阻作为温度传感器,详细推导了非平衡电桥测量非线性的校正公式,采用24位的Σ-Δ型的模数转换器AD7714保证了0.005℃的温度测量分辨率。控温电路采用线性化电流方式,算法上对积分分离PID算法做出改良,并与不完全微分PID算法结合形成一种优化PID算法,能快速、精确的把温差稳定到目标值,控温精度达到0.01℃。     

各高速摄影仪跟踪测量数据时间一致性检验方法及准确分析

提出了各高速摄影测量仪跟踪测量数据时间一致性检验方法,并经实战任务数据处理分析,证明该方法行之有效.它不仅解决了跟踪设备时间一致性问题,同时也提高了卫星运载工具在起飞段的漂移量数据处理准确.     

7Be半衰期的精确测量

用两套γ谱仪精确测量了注入到天然铍和天然金中的7Be发生电子俘获的半衰期.测得7Be在天然铍中半衰期为53.275(25)d,在天然Au中为53.270(19)d.该结果还表明,在这两种材料中7Be半衰期的相对变化小于0.12%. The half-life of 7Be implanted in natural beryllium and in natural gold has been measured with high precision using two high-purity germanium detectors. T_(1/2)=53.275(25) d in natural beryllium and T_(1/2)=53.270(19) d in natural gold is obtained. Within our experimental precision, the difference in the effect of host media beryllium and gold on the half-life of 7Be isn t observed and an upper limit 0.12% of this effect can be set.     

TDOA高精度短波定位系统研究与设计

为了解决现有短波无线电监测定位系统中存在接收机系统复杂、定位精度不高的问题,设计了一种基于TDOA高精度短波定位系统;该系统采用软件无线电设计架构,射频前端采用直接带通采样,通过FPGA和CPU进行基带IQ数据提取和传输,采用TDOA和粒子算法对位置干扰源进行估计和定位;并且采用了GPS和PLL相结合时钟方案,以及VPN的数据传输通道;给出了短波定位系统的框图,分析了系统子模块和工作原理;采用该系统对已知的短波信号进行定位,实验结果证明优于传统的定位手段;说明该系统具有使用方便、布站灵活和定位精度高的特点。