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《中国科学技术大学》 2012年
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基于开关电容矩阵的波形数字化技术研究

王进红  
【摘要】:波形数字化技术是未来粒子物理实验前端电子学非常重要的发展趋势之一,通过探测器波形,实验者可以获取其携带的所有物理信息。传统基于FADC (Flash ADC)的波形数字化技术路线不仅集成度低,成本高昂,而且随着采样率的提高,功耗越来越大,已经不能满足未来粒子物理实验发展的需求。新兴的基于开关电容矩阵(Switched-Capacitor Arrays:SCA)的波形数字化技术采用模拟采样+数字变换的路线,即:开关电容矩阵高速采样模拟信号,采样电荷再通过慢速高精度ADC数字化。该技术解决了高速采样和高精度A/D变换之间的矛盾,同时由于避免采用高速ADC,降低了系统的功耗。此外,基于开关电容矩阵的波形数字化技术在系统集成度和成本方面相对于FADC也具有明显优势。 随着电子科学技术的发展,基于SCA的专用集成电路(ASIC)技术已经趋于成熟。在国外已经出现了多款专为粒子物理实验前端电子学设计的SCA ASIC:比如瑞士PSI研究所MEG实验的DRS系列、位于地中海的ANTARES实验的ARS等。国内基于开关电容矩阵的波形数字化技术研究刚刚开始,目前还没有比较系统的报道。我们采用瑞士PSI研究所的SCA ASIC:DRS4,研究基于开关电容矩阵的波形数字化技术,以及其在粒子物理实验中的应用。论文的组织按章节如下: 第一章分析了当今粒子物理实验的特点,指出波形数字化技术是未来粒子物理实验前端电子学的重要发展方向之一。自上个世纪80年代开始,基于FADC的波形数字化技术已经在很多物理实验中成功应用。然而,随着粒子物理实验的发展,该技术在系统集成度、功耗以及成本等方面已经跟不上粒子物理实验发展的步伐,取而代之的是基于开关电容矩阵的波形数字化技术。进入本世纪,相继有多个粒子物理实验选择基于SCA的波形数字化技术,并取得成功应用。 第二章阐述了基于开关电容矩阵的波形数字化的几种技术实现路线。SCA技术的发展和粒子物理实验的发展息息相关,一方面,不同实验需求的差别,催生了SCA ASIC的多种技术实现路线;另一方面,SCA ASIC技术的进步也推动了粒子物理实验的发展。该章归纳总结当今主流的SCA技术路线,并选择具有代表性的SCA芯片分类介绍。 第三章介绍了基于DRS4的两版波形数字化系统的设计;第四章介绍两版波形数字化系统的性能,及相关的修正算法,包括采样单元直流偏置误差补偿,采样间隔不均匀性修正等。在此基础上,评估系统的波形定时精度。该章中还探讨了基于PCB走线延时实现DRS4模拟通道采样内插的方法。 第五章探讨了基于DRS4的波形数字化技术在粒子物理实验中的应用。该章通过具体的物理实验,研究基于探测器信号波形提取粒子时间和电荷的方法。 第六章总结全文,并展望未来工作。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:O572.2

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【引证文献】
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1 桑子儒;可重构核仪器的研究[D];中国科学技术大学;2013年
2 沈奇;量子通信中的精密时间测量技术研究[D];中国科学技术大学;2013年
3 杜中伟;中子探测的波形数字化技术的研究[D];中国科学技术大学;2014年
4 叶春逢;飞行时间质谱仪数据获取系统的研究与设计[D];中国科学技术大学;2014年
5 胡雪野;ATLAS液氩量能器一期升级前端触发电子学原型系统研究[D];中国科学技术大学;2014年
【参考文献】
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【共引文献】
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3 王进红;刘树彬;安琪;;HIRFL-CSRm高精度时间测量PXI模块设计[A];第十四届全国核电子学与核探测技术学术年会论文集(1)[C];2008年
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4 郭建华;北京谱仪(BESIII)飞行时间读出电子学系统设计与实现[D];中国科学技术大学;2007年
5 刘小桦;CSR强子探测器读出电子学方法研究[D];中国科学技术大学;2008年
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10 陈凯;基于TOT技术的电荷测量ASIC电路研究[D];中国科学技术大学;2012年
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2 王洪喆;脉冲激光测距时间间隔测量技术研究[D];长春理工大学;2011年
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5 程大林;透射式激光扫描轴径测量系统的设计[D];天津大学;2012年
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10 郑熠;超声热量测量ASIC的芯片级验证[D];山东大学;2010年
【同被引文献】
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2 刘鹏民,莫德举,洪峰;T型反馈电阻网络在微弱信号放大电路中的应用[J];电测与仪表;1999年12期
3 扈啸,张玘,张连超;USB2.0控制器CY7C68013特点与应用[J];单片机与嵌入式系统应用;2002年10期
4 刘国福,张玘,刘波;TDC-GP1高精度时间间隔测量芯片及其应用[J];单片机与嵌入式系统应用;2004年11期
5 郭恩全;苗胜;;测试总线发展的回顾与展望[J];电子测量与仪器学报;2009年08期
6 李素芬 ,李刚 ,孙景发;模数转换技术及其发展[J];电子技术应用;2002年04期
7 覃祥菊,朱明程,张太镒,魏忠义;FPGA动态可重构技术原理及实现方法分析[J];电子器件;2004年02期
8 尹洪涛;黄灿杰;付平;宋洪武;;LXI标准概述[J];国外电子测量技术;2007年05期
9 郭世泽;金鑫;孙圣和;;数字存储示波器响应特性及有效位数的测量[J];电子测量与仪器学报;1993年04期
10 陈端保,吕雨生,何景棠,朱国义,李祖豪,董晓黎;用APD和钨酸铅构造新型电磁量能器的实验进展[J];核电子学与探测技术;2000年01期
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1 封常青;空间暗物质探测卫星量能器读出电子学方法研究[D];中国科学技术大学;2011年
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3 宋健;基于FPGA的精密时间—数字转换电路研究[D];中国科学技术大学;2006年
4 张软玉;数字化核能谱获取系统的研究[D];四川大学;2006年
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4 魏刚;基于FPGA的可重构系统设计[D];北京化工大学;2006年
5 许文曜;基于新型FPGA的自可重构系统设计研究[D];浙江大学;2008年
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1 刘树彬;郭建华;张艳丽;赵龙;安琪;;高精度数据驱动型TDC在高能物理实验中应用的研究[J];核技术;2006年01期
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