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《湖南大学》 2016年
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光电倍增管大动态范围电荷测量电路的研究

徐福珍  
【摘要】:宇宙线的探测和研究是人们揭开宇宙空间神秘面纱的重要手段,寻找宇宙线起源是当前宇宙线物理的核心问题。为此,我国物理学家提出了多种探测手段联合观测的高海拔宇宙线观测站(Large High Altitude Air Shower Observatory, LHAASO)计划,计划中的空气簇射芯探测器阵列(SCDA)的主要目的是精确测量宇宙线大气簇射轴芯区的高能电磁成份。在此背景下,本文开展了对SCDA读出电子学电荷测量方案的预研设计。SCDA读出电子学系统的主要任务是精确测量光电倍增管(PMT)输出的电荷量。为实现高精度、大动态范围电荷量的测量,本设计采用了基于电流积分法的电荷测量方案,并结合电子学设计指标对该方案进行优化设计研究,对其中的电流积分电路、滤波成形方案等部分进行理论分析、Pspice仿真验证。另外由于SCDA的分散式排布方式,读出电子学需通过同轴电缆与探测器连接。为防止信号的反射,本设计在电子学前端与电荷积分放大器的虚地点之间接入等效的50欧姆电阻以实现终端阻抗匹配,并提出了适用于大动态范围电荷测量电路的并联分流形式的阻抗匹配方案。基于电荷测量方案的研究,本文从模拟电路设计、电子学PCB版图设计以及FPGA固件设计这几方面详细介绍了读出电子学原理样机的研制。并在实验室搭建了模拟实际工程的测试系统对电荷测量电路进行电荷测量范围、测量精度、积分非线性等参数的测试,测试结果表明本电荷测量电路系统能实现在6.2pC~8118 pC电荷测量范围下电荷测量精度达到1.12%,其满量程积分非线性为0.234%,满足电子学设计指标要求。另外,由于采用并联分流的“虚地”阻抗匹配方案,读出电子学系统可以通过简单的调节并联电阻比值实现不同电荷量的测量。文中也对此进行了测试,测试结果表明本电路系统在不同的电荷量输入情况下具有很好的适用性。
【关键词】:高海拔宇宙线观测站 空气簇射芯探测器 大动态范围 阻抗匹配 电流积分法
【学位授予单位】:湖南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TH75
【目录】:
  • 摘要5-6
  • Abstract6-14
  • 第1章 绪论14-24
  • 1.1 课题背景14-16
  • 1.1.1 宇宙线14-15
  • 1.1.2 宇宙线研究15-16
  • 1.2 LHAASO项目简介16-19
  • 1.2.1 LHAASO总体方案17-18
  • 1.2.2 SCDA阵列简介18-19
  • 1.3 高能物理实验中电荷测量技术研究现状及发展趋势19-23
  • 1.3.1 电荷测量技术研究现状19-22
  • 1.3.2 电荷测量技术发展趋势22-23
  • 1.4 论文主要内容及结构安排23-24
  • 第2章 SCDA探测器及读出电子学指标要求24-31
  • 2.1 SCDA探测器单元设计24-28
  • 2.1.1 广延大气簇射24-26
  • 2.1.2 SCDA探测器单元构造26-28
  • 2.2 探测器信号特征28
  • 2.3 SCDA电子学系统28-30
  • 2.3.1 电子学设计指标要求28-29
  • 2.3.2 电子学设计方案概况29-30
  • 2.4 本章小结30-31
  • 第3章 基于电流积分法的电荷测量方案研究31-46
  • 3.1 电流积分电路31-34
  • 3.1.1 变换增益32-33
  • 3.1.2 信号堆积33-34
  • 3.2 阻抗匹配方案34-38
  • 3.2.1 传统终端阻抗匹配34
  • 3.2.2 基于放大器“虚地”点的阻抗匹配34-35
  • 3.2.3 电荷测量仿真及虚地阻抗匹配方案改进35-37
  • 3.2.4 阻抗匹配方案可行性仿真37-38
  • 3.3 滤波成形方案38-44
  • 3.3.1 信号成形要求38-39
  • 3.3.2 理想最佳滤波器设计39-40
  • 3.3.3 极-零相消电路40-42
  • 3.3.4 CR-RC~m滤波成形电路设计42-44
  • 3.4 电荷量的获取44-45
  • 3.5 本章小结45-46
  • 第4章 电荷测量电路设计46-71
  • 4.1 电路设计47-59
  • 4.1.1 前端模拟电路47-49
  • 4.1.2 ADC数模转换49-55
  • 4.1.3 FPGA选型及配置55-57
  • 4.1.4 CUTE-WR硬件电路简介57-58
  • 4.1.5 电源模块设计58-59
  • 4.2 PCB设计59-62
  • 4.2.1 PCB叠层结构59-60
  • 4.2.2 PCB布局60-61
  • 4.2.3 PCB布线61-62
  • 4.3 FPGA固件设计62-70
  • 4.3.1 命令控制模块63-64
  • 4.3.2 基线调节模块64-67
  • 4.3.3 全波形可控延迟模块67-68
  • 4.3.4 寻峰采基线模块68-69
  • 4.3.5 数据传输模块69-70
  • 4.4 本章小结70-71
  • 第5章 系统测试71-82
  • 5.1 测试平台搭建71-72
  • 5.2 系统调试72-77
  • 5.2.1 硬件调试72-74
  • 5.2.2 数据传输调试74-75
  • 5.2.3 固件功能调试75-77
  • 5.3 电荷测量电路性能测试77-81
  • 5.3.1 台基稳定性测试77-78
  • 5.3.2 最小信号精度测试78-79
  • 5.3.3 电荷测量动态范围测试79-81
  • 5.4 本章小结81-82
  • 结论82-83
  • 参考文献83-86
  • 致谢86-87
  • 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录87-88
  • 附录B 电路原理图88-94
  • 附录C PCB版图94-98
  • 附录D 读出电子学实物图98

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