用于新型塑料闪烁体阵列探测器的多通道前端读出电子学设计

介绍一种用于新型塑料闪烁体阵列探测器系统的前端读出电子学(FEE)的设计与实现,该前端读出电子学主要基于电荷测量专用的集成电路(ASIC)芯片和现场可编程逻辑门阵列(FPGA)研制,可实现对多路探测器信号的采集、处理、筛选、打包,并通过LVDS差分接口上传到后端的数据获取系统(DAQ)。同时,该电路设有板载线性标定电路,可实现对各通道电子学性能刻度,设有电源电流、关键芯片及电路温度实时监控等电路,使电路具有较完善的功能和较强的自我保护能力。

基于CPLD和单片机的脉冲计数器设计与实现

脉冲计数器是数字电路中的一个典型应用,论文综合CPLD与单片机各自的优势,介绍了一种CPLD+STC89LE52脉冲计数器的设计方案并加以实现。该脉冲计数器具有CPLD高速、稳定的特性又具备单片机控制灵活方便,易于编程实现交互性等特点,克服了用纯硬件电路实现可靠性低、延时大以及CPLD+HDL编程实现交互性困难等缺陷,经过实际电路测试,该系统性能达到了设计要求。

瓦斯浓度的嵌入式红外检测系统设计

针对传统瓦斯气体浓度检测系统所存在的不足,给出了基于Lambert-Beer理论设计的红外气体浓度监测系统的新型方法。这种新型方法可以克服传统传感器的种种弊端,同时具有成本低廉、安装方便,受实际环境限制小等优点。

高密度塑料闪烁体探测器的数据获取系统设计

由中国科学院近代物理研究所承担的塑料闪烁体探测器研究项目,其目标是开展空间粒子探测、重构入射电子轨迹、区分电子和光子、鉴别重离子。为配合该探测器测试工作,设计了一套完备的数据获取电路(DAQ)与上位机软件。DAQ接收4块前端电子学(FEE)板的数据,可完成360路电子学通道的数据读出;接收上位机的控制命令并分发给各FEE;接收探测器的击中信息并产生触发信号;接收FEE的遥测数据并传给上位机。该DAQ与上位机通过USB总线和RS232总线实现实时通信。上位机软件基于LabWindows/CVI软件平台开发,实现对FEE电子学系统的控制、数据读取与保存,以及FEE系统运行状态参数信息的实时显示。该数据获取系统电路结构紧凑、功能完善,上位机软件具有良好的人机交互界面。经现场实际运行,DAQ与上位机软件满足设计要求,目前已成功应用于塑料闪烁体探测器读出电子学测试系统。

DAMPE-PSD读出电子学研制

暗物质粒子探测卫星(dark matter particle explorer,DAMPE)是我国空间科学卫星系列的首发星,用于找出可能的暗物质粒子信号。塑料闪烁体阵列探测器(plastic scintillator detector,PSD)分系统作为卫星有效载荷的主体部件之一,参与承担高能粒子电荷测量和电子/γ射线鉴别任务。PSD由82根塑料闪烁体条和164个光电倍增管(photomultiplier tube,PMT)组成,有328个输出通道,每根塑料闪烁体条的动态范围为2×10~3,需配备1套完备的读出电子学系统。该电子学系统由4块前端电子学(front-end electronics,FEE)板构成,共具有360个信号处理通道,总功耗6W。电路主要包括电荷测量电路、模拟调理电路、模数变换电路、刻度电路、环境监测电路、FPGA电路、电源管理电路以及接口电路等,其主要功能是基于32路模拟信号将PMT的电荷信号输入VA160ASIC芯片,考虑了抗辐照加固、温度设计等一系列关键问题,以确保在严酷的太空中具有长期的可靠性。测试结果表明,该FEE系统工作稳定、性能良好,具有较好的技术指标,每个电子学通道实现了0~12.5pC的动态范围,通道的随机噪声水平好于2fC,积分非线性好于0.6%。FEE能适应恶劣的空间环境,具有很高的可靠性。FEE配合PSD样机还分别于2014年和2015年在欧洲核子中心(CERN)的PS和SPS终端成功完成了2次束流试验,验证了PSD的探测能力完全满足任务书中提出的功能和指标要求,能很好实现实际科学任务需求。

一种抗单粒子翻转容错异步收发器电路设计

为了改善星载粒子探测装置异步收发器的抗单粒子翻转性能,提出了一种基于Actel Flash FPGA的解决异步收发器抗单粒子翻转和传输过程中检错和纠错问题的高可靠设计方案。基于Actel公司的Pro ASIC Plus系列APA600 FPGA,采用汉明码(Hamming Code)和三模冗余(Triple Modular Redundancy,TMR)法相结合的方式对异步收发器进行容错设计,实现了一种新型的抗单粒子翻转电路。对于发送器模块,首先数据处理单元把发送的数据送到编码器中完成汉明码编码,之后将编码完成的数据分别发送给多数表决器中来表决得到数据送入串行发送器中,最后将并串转换的数据发送出去。对于接收器模块,通过串行接收器对接收数据进行串并转换,并将转换后的并行数据送入解码器,解码器对接收到码字进行译码,得到最终的信息数据。对设计进行误差注入仿真测试,结果表明所设计的容错异步串行收发器能够有效地容错,可以非常方便地应用到航空航天等辐射环境中,实现高可靠的系统设计。

低速Xe^(q+)(4≤q≤20)离子与Ni表面碰撞中的光辐射

实验中测量了0.38V_(Bohr)(460 keV)高电荷态Xe^(q+)(4≤q≤20)离子轰击高纯Ni表面发射的400-510 nm光谱.实验结果包括NiⅠ原子谱线,NiⅡ离子谱线,以及入射离子中性化发射的XeⅠ,XeⅡ和XeⅢ谱线.研究了谱线XeⅡ410.419,XeⅢ430.444,XeⅡ434.200,XeⅡ486.254,NiⅠ498.245,NiⅠ501.697,NiⅠ503.502,NiⅠ505.061和NiⅠ508.293 nm的光子产额随着入射离子电荷态的变化.结果表明,入射离子中性化和溅射Ni原子发射谱线的光子产额随着入射离子电荷态的增加而增加,其趋势与入射离子势能一致.

分散自律调度集中系统

分散自律调度集中系统解决了传统调度集中存在的问题,自2004年在青藏线成功试用之后,逐渐开始推广应用。为此介绍了新一代分散自律调度集中系统的设计思想、系统的特点、结构原理、智能化功能、运输组织模式,以促其更好地应用。

基于FPGA的时间间隔测量设计与实现

本文主要介绍了一种基于FPGA的高精度时间-数字转换器(TDC)。该TDC在设计上采用了粗计数与细时间测量相结合的技术。粗计数通过高性能的二进制计数器实现,细时间测量利用FPGA的快速进位链实现时间内插。为了改善测量分辨,在设计中借助Wave-Union方法对超大码宽进行了分割。为检验TDC的性能,对其进行了多项测试,获得较好的测试结果。该TDC在大于200ms的动态范围内的时间分辨率小于50ps。微分非线性(DNL)的范围为-1~1.5LSB,积分非线性(INL)的范围为-1.5~1.5LSB。该TDC将应用于In-beam PET影像装置中的飞行时间测量。

基于小波变换的字符图像分割

为了消除明暗不均等低频干扰的影响,将字符成功地从车牌图像中提取出来,提出了基于小波分解的车牌图像分割方法,根据干扰信号与字符信号属于不同频域的特点,利用小波的时频局部化分析能力,在保留字符信息的同时滤除或抑制低频干扰成分。首先采用逐行逐列扫描的方法对图像预处理后的图像进行车牌定位,再利用基于小波变换的阈值分割法对车牌进行字符分割。

用于PET读出的多通道滤波成形ASIC芯片研制

为了实现重离子治癌in-beam PET系统中能量信号的高精度测量,该文设计并实现了一款多通道滤波成形专用集成电路(ASIC)芯片。该芯片包含4个通道,每通道由极零相消、低通滤波以及增益补偿缓冲输出电路组成,特点为:基于3.3 V供电;采用350 nm CMOS工艺设计;流片尺寸为2.6 mm×1.25 mm。实验室电子学性能测试表明:该芯片具有4挡可调达峰时间(50 ns、100 ns、1 us、2 us),动态范围可达-0.8^+1.0 V,每通道功耗为6.6 mW,线性度优于0.12%,能量分辨优于0.3%,长时间工作稳定,通道串扰低于0.32%,增益误差小于1.01%。经放射源^22Na与LaBr3探头和光电倍增管(PMT)联合测试表明,该芯片能量分辨优于商用ORTEC 572主放插件,能够实现高精度的in-beam PET能量信号测量。

重离子治癌装置中γ-γ符合时间测量系统设计

为实现重离子治癌装置中γ-γ符合时间的高精度和高分辨率测量,设计实现了符合时间的测量系统,该系统主要由高速比较器构成的定时甄别电路和基于现场可编程逻辑阵列(FPGA)的时间−数字转换(TDC)电路构成。FPGA-TDC通过“粗”时间和“细”时间结合的方法实现精确的时间测量:“粗”时间测量采用二进制计数器实现,“细”时间测量基于片内缓冲器和寄存器阵列构成的级联延迟链实现。实测结果表明,该符合时间测量系统的本征时间间隔测量分辨好于276 ps(FWHM)。构建了H8500耦合LYSO晶体阵列组成的测量系统,并对22Na 511 keVγ射线进行测试,结果表明时间测量精度优于1.12 ns(FWHM),且通过统计分析有效符合时间得到的晶体阵列位置映射散点图清晰。

分散自律系统在新一代调度集中系统中的应用研究

本文通过分析传统调度集中系统不能适应我国铁路运输的原因，说明了在我国发展新一代分散自律调度集中系统的必要性．并对新一代分散自律调度集中系统的设计思想、系统的特点、结构原理、智能化功能、运输组织模式进行了分析研究。

塑闪阵列探测器读出ASIC阈值产生与调节电路的设计

基于GF 0.18 um CMOS工艺,设计并实现了ASIC芯片中的重要组成部分−阈值产生与调节电路,包括DAC模块和基于SPI慢控接口模块的控制模块。为了有效减少ASIC芯片版图面积、降低功耗,同时提高调节精度,提出通过组合高、低两个4位的DAC实现一个8位DAC的阈值调节,其中多个通道复用一个高4位DAC进行阈值粗调,每通道各自包含一个低4位DAC进行阈值细调。SPI慢控接口模块不仅实现对8位DAC输入的控制来调节触发阈值,还能够控制前放的增益和成型时间的档位。测试结果表明:DAC模块的DNL<0.10 LSB;INL<0.18 LSB;阈值粗调范围约为900 mV;阈值细调范围约为60 mV,精度误差小于7%,可满足ASIC芯片中的甄别器对阈值调节的需求。

基于DRS4波形数字化的高速数据采集系统设计

针对一些粒子物理实验中高采样率、多参数测量以及长距离传输等要求,设计了一套基于DRS4波形数字化的高速数据采集系统。该系统由波形数字化前端板、高速数据传输板和上位机软件组成。测试结果表明,该数据采集系统具有较高的数据传输速率和较低的误码率,采集到的数据能很好地重建和还原输入信号波形。该数据采集系统具有一定的通用性,适用于对采样率和传输距离有较高要求的粒子物理实验。

塑闪阵列探测器地面标定触发电路设计

为测试暗物质卫星塑闪阵列探测器的功能和性能指标,构建了塑闪阵列探测器地面标定系统,并研制了地面标定触发电路。该触发电路采用标准NIM插件,采用控制开关和可编程逻辑器件设计,具有输入输出可控、输出脉冲宽度及间隔可调、输出延时小、逻辑功能易于更改等特点,适用于构建对输出脉冲信号有特殊要求的触发系统。经地面宇宙线和束流标定实验检验,研制的标定触发电路满足设计要求。

用于深空粒子探测系统的自动标定装置研制

该文研制了一种基于现场可编程逻辑阵列(FPGA)的自动标定装置,用于对深空粒子探测系统的自动校准和刻度。该标定装置主要包括标准脉冲产生单元、高速模数转换单元和控制与数据处理单元。其控制与数据处理单元基于FPGA实现,采用模块化的设计完成对外围电路控制及数据在线处理。通过各项实验验证,该装置可在复杂环境下实现对系统的基线稳定性、线性、能量分辨等特性的自动标定,具有高集成度、高可靠性、高自动化程度和灵活配置等特点,为深空探测器飞行中的在板标定和自动测试提供手段。

高计数率气体探测器读出电子学原型机研制

研制一套可用于高计数率气体探测器的读出电子学原型机系统,包括前端板、数据采集板和上位机。前端板采用一款先进的前端读出专用集成电路(ASIC)芯片实现对探测器信号的测量和模数转换;数据采集板利用现场可编程门阵列(FPGA)实现对数据的分析、处理和传输;上位机实现控制指令发送、PC端数据接收及存储等。在2.2~99 fC的输入范围内,原型机各通道积分非线性均好于0.24%;联合探测器使用55 Fe放射源测试,结果好于相同条件下的商用电子学。可满足20 kHz计数率下GEM-TPC探测器的读出需求。

低能Xe离子辐照在Al表面上的光辐射研究

本文测量了200~550 keV的Xe^(10+)离子轰击高纯度(99.99%)Al表面诱发的溅射Al原子的光发射,研究了AlⅠ308.10、309.14、394.52、396.28 nm光谱线强度比值和光子产额随入射离子能量的变化趋势。在本实验能量范围内,辐射光谱线强度比值随入射离子能量增加几乎不变,而发射谱线的光子产额随入射离子能量的增加呈现出不同趋势:入射离子能量为450 keV时,光子产额出现极大值,入射离子能量超过450 keV时,光子产额随能量的增加而减少,其变化趋势与核阻止本领随能量增加的变化没有出现类同的变化特征。结合核阻止和电子阻止效应对实验结果进行了讨论,结果表明:入射离子能量低于450 keV时,核阻止在碰撞中起主导作用,入射离子能量高于450 keV时,电子阻止在碰撞中起主导作用。

10 bit 20 MSPS流水线型ADC芯片测试

针对塑料闪烁体阵列探测器(Plastic Scintillation Detector,PSD)低功耗、数字化的读出需求,研制了一款多通道10 bit 20 MSPS流水线型模数变换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)芯片。为了评估该ADC芯片的性能参数,需要对其进行系统化的测试。首先研制了一套测试系统,包括电路的硬件设计、FPGA固件和分析程序的设计,然后依据IEEE标准对ADC芯片进行了系统化的测试与分析。测试结果表明,输入信号在基带范围内,ADC芯片测试参数达到了预期指标,有效位数(Effective Number of Bit,ENOB)接近于8.0 bit,积分非线性(INL)=0.75LSB,微分非线性(DNL)=1.09LSB,为后续ADC芯片的优化设计和参数提升提供了有力的支持。