本文關(guān)鍵詞：基于FPGA的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路的若干關(guān)鍵技術(shù)的研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：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(zhuān)用時(shí)間測(cè)量ASIC芯片,如CERN設(shè)計(jì)的HPTDC芯片,和基于FPGA的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路。相對(duì)于ASIC芯片,FPGA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)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。本論文針對(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。本論文的內(nèi)容安排如下： 第一章主要介紹了基于FPGA的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路的歷史與發(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)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)計(jì)基于VME接口的標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊,對(duì)該模塊的設(shè)計(jì)和測(cè)試進(jìn)行了詳細(xì)介紹。 第七章介紹了德國(guó)壓縮重子物質(zhì)實(shí)驗(yàn)(Compressed Baryonic Matter,CBM)及其中的飛行時(shí)間探測(cè)器(Time-of-Flight,TOF)系統(tǒng),根據(jù)其對(duì)時(shí)間測(cè)量的要求,設(shè)計(jì)適用該實(shí)驗(yàn)的高精度高密度時(shí)間測(cè)量模塊,并對(duì)其設(shè)計(jì)和測(cè)量結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)介紹。 第八章對(duì)本論文進(jìn)行總結(jié)并對(duì)下一步工作進(jìn)行展望。
【關(guān)鍵詞】：現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列 時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換 脈寬測(cè)量 觸發(fā)匹配 溫度補(bǔ)償 擦除刷新
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TN791
【目錄】：

• 摘要9-11
• Abstract11-14
• 第1章 緒論14-40
• 1.1 基于FPGA的‘TDC的實(shí)現(xiàn)方法14-27
• 1.1.1 計(jì)數(shù)器法14-16
• 1.1.2 精密時(shí)間測(cè)量法16
• 1.1.3 鎖存器和緩沖器構(gòu)成差分延遲鏈16-18
• 1.1.4 二維延時(shí)矩陣18-20
• 1.1.5 二級(jí)延時(shí)鏈20-21
• 1.1.6 游標(biāo)卡尺法21-27
• 1.2 高能物理實(shí)驗(yàn)對(duì)時(shí)間測(cè)量的需求27-30
• 1.3 時(shí)間測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)30-34
• 1.3.1 脈寬測(cè)量功能30-32
• 1.3.2 觸發(fā)匹配機(jī)制32
• 1.3.3 輻射容錯(cuò)功能32-33
• 1.3.4 在線溫度補(bǔ)償功能33-34
• 1.4 本論文的研究?jī)?nèi)容、意義和結(jié)構(gòu)安排34-36
• 參考文獻(xiàn)36-40
• 第2章 脈寬測(cè)量電路及實(shí)現(xiàn)方法40-61
• 2.1 基于FPGA的高精度時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路的實(shí)現(xiàn)40-47
• 2.1.1 “粗”時(shí)間測(cè)量單元41-42
• 2.1.2 “細(xì)”時(shí)間測(cè)量單元42-44
• 2.1.3 譯碼單元44
• 2.1.4 控制單元44
• 2.1.5 測(cè)試結(jié)果44-47
• 2.2 過(guò)閾時(shí)間測(cè)量的實(shí)現(xiàn)方法47-58
• 2.2.1 雙通道過(guò)閾時(shí)間測(cè)量的實(shí)現(xiàn)方法47-51
• 2.2.2 單通道實(shí)現(xiàn)過(guò)閾時(shí)間測(cè)量的方法51-58
• 2.3 本章總結(jié)58-59
• 參考文獻(xiàn)59-61
• 第3章 基于CAM的觸發(fā)匹配機(jī)制及電路實(shí)現(xiàn)61-75
• 3.1 觸發(fā)匹配機(jī)制基本原理61-62
• 3.2 基于CAM的觸發(fā)匹配機(jī)制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)62-68
• 3.2.1 基本原理62-63
• 3.2.2 基于CAM的觸發(fā)匹配機(jī)制的電路設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)63-68
• 3.3 測(cè)試結(jié)果68-72
• 3.4 本章總結(jié)72-73
• 參考文獻(xiàn)73-75
• 第4章 FPGA在輻照環(huán)境下的容錯(cuò)功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)75-110
• 4.1 硅器件的輻射效應(yīng)75-79
• 4.1.1 輻射環(huán)境75-77
• 4.1.2 半導(dǎo)體器件的輻射效應(yīng)77-79
• 4.2 基于SRAM型FPGA的基本結(jié)構(gòu)79-80
• 4.3 Xilinx公司FPGA的配置數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)80-82
• 4.4 FPGA配置存儲(chǔ)器在輻照環(huán)境下容錯(cuò)功能的實(shí)現(xiàn)方法82-84
• 4.4.1 Open Loop(or Blind Loop)83
• 4.4.2 Closed Loop83-84
• 4.5 Xilinx FPGA配置存儲(chǔ)器中容錯(cuò)功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)84-100
• 4.5.1 ICAP模塊85
• 4.5.2 Frame_ECC模塊85-86
• 4.5.3 SEM Controller模塊86-92
• 4.5.4 數(shù)據(jù)獲取模塊92-97
• 4.5.5 錯(cuò)誤插入模塊97-99
• 4.5.6 狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊99-100
• 4.5.7 狀態(tài)信號(hào)模塊100
• 4.6 功能測(cè)試100-105
• 4.6.1 生成外部設(shè)備的存儲(chǔ)文件100-101
• 4.6.2 測(cè)試結(jié)果101-105
• 4.7 本章總結(jié)105-106
• 參考文獻(xiàn)106-110
• 第5章 基于FPGA的TDC在線溫度補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)110-124
• 5.1 基于SRAM型FPGA的溫度特性110-113
• 5.1.1 Xilinx FPGA的溫度特性110-111
• 5.1.2 Altera FPGA的溫度特性111-113
• 5.2 Artix-7 FPGA底層溫度特性測(cè)試113-118
• 5.2.1 Xilinx FPGA內(nèi)XADC模塊介紹113-115
• 5.2.2 測(cè)試方案115-116
• 5.2.3 溫度特性測(cè)試結(jié)果116-118
• 5.3 FPGA TDC在線溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)電路實(shí)現(xiàn)118-120
• 5.4 測(cè)試結(jié)果120-121
• 5.5 測(cè)試結(jié)果分析121
• 5.6 本章總結(jié)121-122
• 參考文獻(xiàn)122-124
• 第6章 基于FPGA的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)化模塊設(shè)計(jì)124-134
• 6.1 基于FPGA的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)化模塊的電路設(shè)計(jì)124-130
• 6.1.1 時(shí)鐘模塊124-125
• 6.1.2 信號(hào)輸入模塊125-126
• 6.1.3 FPGA模塊126-127
• 6.1.4 CPLD模塊127-130
• 6.1.5 電源模塊130
• 6.2 測(cè)試結(jié)果130-131
• 6.2.1 前沿時(shí)間測(cè)量130-131
• 6.2.2 脈寬測(cè)量131
• 6.3 本章總結(jié)131-132
• 參考文獻(xiàn)132-134
• 第7章 基于FPGA的TDC在CBM實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用134-142
• 7.1 高精度高密度時(shí)間數(shù)字化模塊的設(shè)計(jì)134-138
• 7.1.1 時(shí)鐘模塊135
• 7.1.2 信號(hào)輸入模塊135
• 7.1.3 FPGA模塊135-136
• 7.1.4 FPGA配置模塊136-137
• 7.1.5 輻照環(huán)境下的容錯(cuò)功能137-138
• 7.1.6 數(shù)據(jù)讀出模塊138
• 7.1.7 電源模塊138
• 7.2 測(cè)試結(jié)果138-139
• 7.3 本章總結(jié)139-140
• 參考文獻(xiàn)140-142
• 第8章 總結(jié)與展望142-145
• 8.1 工作總結(jié)142-143
• 8.2 本人工作的創(chuàng)新點(diǎn)143
• 8.3 展望143-145
• 8.3.1 工作展望143-144
• 8.3.2 應(yīng)用展望144-145
• 附錄145-146
• 致謝146-148
• 攻讀博士學(xué)位期間的論文成果148-153

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前5條

1 廖娟娟,安琪,廖維平;時(shí)鐘分相技術(shù)應(yīng)用[J];核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù);2000年06期

2 安琪;;粒子物理實(shí)驗(yàn)中的精密時(shí)間間隔測(cè)量[J];核技術(shù);2006年06期

3 馬寅;安軍社;王連國(guó);孫偉;;基于Scrubbing的空間SRAM型FPGA抗單粒子翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J];空間科學(xué)學(xué)報(bào);2012年02期

4 趙云富;華更新;;一種存儲(chǔ)器容錯(cuò)設(shè)計(jì)方法[J];空間控制技術(shù)與應(yīng)用;2009年03期

5 黃影;張春元;劉東;;SRAM型FPGA的抗SEU方法研究[J];中國(guó)空間科學(xué)技術(shù);2007年04期

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 向常洲;基于CBM-TOF探測(cè)器的數(shù)據(jù)預(yù)處理[D];華中師范大學(xué);2013年

  本文關(guān)鍵詞：基于FPGA的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路的若干關(guān)鍵技術(shù)的研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：337524