基于FPGA的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)移電路的若干關(guān)鍵技術(shù)的研究.pdf

1、時(shí)間作為物理學(xué)中七個(gè)基本物理量之一，在物理學(xué)的發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用。特別是在粒子物理實(shí)驗(yàn)中，時(shí)間信息能夠間接反映實(shí)驗(yàn)過(guò)程中粒子的動(dòng)量、質(zhì)量等信息，對(duì)鑒別粒子種類(lèi)、粒子反應(yīng)種類(lèi)等有很重要的作用。隨著探索粒子越來(lái)越小，加速器能量越來(lái)越高，對(duì)時(shí)間測(cè)量精度的要求也越來(lái)越高，已經(jīng)達(dá)到皮秒量級(jí)。在多年的發(fā)展中，時(shí)間測(cè)量技術(shù)多種多樣，時(shí)間測(cè)量精度越來(lái)越高。按照開(kāi)發(fā)平臺(tái)不同，主要分為專用時(shí)間測(cè)量ASIC芯片，如CERN設(shè)計(jì)的HPTDC芯片，和基于F

2、PGA的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路。相對(duì)于ASIC芯片，F(xiàn)PGA具有靈活性、可重配性、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，促使基于FPGA的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路的時(shí)間測(cè)量技術(shù)路線蓬勃發(fā)展。但是，目前該技術(shù)大多處于研究層面，并未在實(shí)際的應(yīng)用中使用。這是因?yàn)榛贔PGA的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路在功能上不夠全面，對(duì)于粒子物理實(shí)驗(yàn)中一些特殊的要求還不能都滿足。比如，為了改善前沿定時(shí)帶來(lái)的時(shí)間游走效應(yīng)對(duì)時(shí)間測(cè)量精度的影響，需要測(cè)量信號(hào)的脈寬對(duì)該效應(yīng)進(jìn)行修正補(bǔ)償;在具有觸發(fā)判選系統(tǒng)的實(shí)

3、驗(yàn)中，為了能夠?qū)?shù)據(jù)與觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行匹配讀出，需要一種觸發(fā)匹配機(jī)制完成事例數(shù)據(jù)與觸發(fā)信號(hào)的匹配操作;粒子實(shí)驗(yàn)的環(huán)境具有很強(qiáng)的輻射，有時(shí)根據(jù)需求，時(shí)間數(shù)字化電子學(xué)需要放置在探測(cè)器附近，這就要求電子學(xué)器件具有輻射容錯(cuò)功能，保證系統(tǒng)工作的可靠性和穩(wěn)定性。本文針對(duì)實(shí)際應(yīng)用中對(duì)時(shí)間測(cè)量功能的擴(kuò)展功能的需求，針對(duì)基于FPGA的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，對(duì)某些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究和開(kāi)展工作。
　　本研究分為八個(gè)部分：第一章主要介紹了基于FPGA的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換

4、電路的歷史與發(fā)展，將其實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行分類(lèi)并進(jìn)行了簡(jiǎn)要的原理介紹。第二章先介紹了“粗”“細(xì)”時(shí)間相結(jié)合的時(shí)間測(cè)量方法。重點(diǎn)介紹實(shí)現(xiàn)脈寬測(cè)量的兩種方法。第一種方法采用兩個(gè)相同的TDC通道分別測(cè)量前后沿時(shí)間;第二種方法在一個(gè)TDC通道中同時(shí)測(cè)量前后沿時(shí)間。最后對(duì)兩種方法的特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)和對(duì)比，并給出測(cè)試結(jié)果。第三章介紹基于CAM的觸發(fā)匹配機(jī)制。通過(guò)調(diào)研分析粒子物理實(shí)驗(yàn)對(duì)于時(shí)間測(cè)量數(shù)據(jù)的觸發(fā)匹配的功能要求，提出一種基于CAM的觸發(fā)匹配機(jī)制，并詳細(xì)

5、介紹了該功能的原理及實(shí)現(xiàn)電路。第四章介紹了針對(duì)SRAM型FPGA的配置存儲(chǔ)器的靜態(tài)邏輯在輻射環(huán)境下發(fā)生單粒子效應(yīng)時(shí)實(shí)現(xiàn)的容錯(cuò)功能。通過(guò)在線實(shí)時(shí)對(duì)配置存儲(chǔ)器中由于輻射效應(yīng)發(fā)生的單粒子翻轉(zhuǎn)、多粒子翻轉(zhuǎn)等軟錯(cuò)誤進(jìn)行修復(fù)，使得SRAM型FPGA在高輻射環(huán)境下工作的可靠性和穩(wěn)定性得以增強(qiáng)。第五章通過(guò)測(cè)量Xilinx FPGA底層延遲隨溫度變化的特性，介紹實(shí)現(xiàn)的一種對(duì)基于FPGA的TDC在線溫度補(bǔ)償方法。第六章則是將以上幾章中實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行整合，設(shè)