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基于先进ASIC芯片的多探测单元信号读出方法与电路设计

杨海波  
【摘要】:近年来,现代粒子物理实验技术的快速发展。粒子物理实验的能量越高,探测器的规模越大,前端电子学的通道数就越多。粒子物理实验对空间分辨的要求越高,探测器单元的密度也越高,电子学读出系统的密度也随之提高。加速器亮度越高,事例率越高,前端电子学的速度必须越快。因此,传统电子学读出系统的设计方法面临着巨大的挑战,未来的前端电子学读出系统必然向大规模、高密度、高速度的趋势发展。为了适应现代粒子物理实验的发展,本论文重点研究了基于先进ASIC(Application Specific Integrated Circuit)芯片的多探测单元信号读出方法,设计实现了两种不同技术路线的电子学读出系统,并对其进行了详细的性能测试。论文的组织按章节如下:第一章介绍了课题的背景和研究意义,以及国内外发展的现状,指出了未来电子学读出系统的发展方向。并举例介绍了几种多探测单元电子学读出系统的设计方案,最后简介了论文的研究内容。第二章主要对电荷测量、时间测量以及波形数字化的方法进行了讨论。电荷测量的方法主要有电荷幅度转换、电荷时间转换和波形采样。时间信息的测量主要包括定时甄别和时间-数字变换。波形数字化技术在核物理和粒子物理实验中有着许多优点,一些大的粒子物理实验中也已经幵始了对此方法进行相关电路设计与应用,文中分别对基于FADC(Flash Analog to Digital Converter)的波形数字化技术和基于开关电容阵列(Switched-Capacitor Arrays,SCA)的波形数字化技术进行介绍。第三章介绍基于电荷积分式ASIC芯片的电子学读出系统设计方案。本系统设计是选用一款IDEA公司的商用ASIC芯片VA32,并以该芯片为核心芯片,设计了一套完备的读出电子学系统。整个电子学系统由前端电子学板FEC(Front-End-Card),数据获取板DAQ(Data Acquisition)以及读出控制上位机软件组成。该电子学读出系统能够实现360路通道信号的读出、数据处理,最后上传到PC机保存;能够接收和发送指令、对指令包的解析和响应功能、遥测功能;同时电子学系统本身具有刻度和自检功能。第四章介绍基于开关电容阵列(SCA)式ASIC芯片的读出电子学系统设计方案,该系统设计是基于一款PSI公司的商用ASIC芯片DRS4(Domino Ring Sampler 4)为基础,可同时对8路探测器输出信号以最高采样率5GHz的速率进行波形数字化测量。波形取样技术有极其诱人的前景。一种硬件所获得的波形取样数据经过软件计算可以得到多种物理数据。大大减少了硬件种类,提高了线路的灵活性。整个电子学系统只由波形数字化电路板及读出控制上位机软件组成。第五章介绍两种电子学读出系统的性能指标。对电子学读出进行了电子学的测试,并给出了其性能测试结果,测试结果表明系统能够满足粒子物理实验的要求。基于VA32的电子学读出系统动态范围为0-12.5p C,随机噪声水平约为3.2f C,积分非线性好于0.6%,系统线性增益约1462倍。基于DRS4的电子学读出系统信号输入动态范围约1Vpp,随机噪声水平好于0.5m V,采样率700MHz~5GHz,信号输入带宽~800MHz,并能够实现电路板间级联第六章探讨了两种方案的电子学读出系统在粒子物理实验中的应用。通过和探测器具体的联调测试,验证了所设计的电子学读出系统方案的可行性。第七章总结全文,并展望未来工作。


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