一种基于类锯齿波比较型ADC的多通道采样装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于核辐射探测领域，提供了一种基于类锯齿波比较型ADC的多通道采样装置及方法，它解决了ASIC造价昂贵，研发周期长的问题，此方案设计周期短，造价低，灵活性强，适合应用在各种新型核辐射探测器的信号处理电子学系统里，其技术方案为：将待测电压波形连接至电压比较器的正向输入端，锯齿波输入至电压比较器的负向输入端；将待测电压波形经过与类锯齿波比较后，得到采样后的脉冲信号；对脉冲信号的脉冲宽度进行时间内插，将脉冲进行细分；将时间内插后的脉冲信号进行锁存得到脉宽量化值；将脉宽量化值进行编码和修正得到编码二进制数并经过数据缓存进行同步和输出。制数并经过数据缓存进行同步和输出。制数并经过数据缓存进行同步和输出。

【技术实现步骤摘要】
一种基于类锯齿波比较型ADC的多通道采样装置及方法


[0001]本专利技术属于核辐射探测领域，尤其涉及一种基于类锯齿波比较型ADC的多通道采样装置及方法。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
[0003]目前，在核辐射探测领域，辐射探测器和相应的核电子学将粒子沉积的能量转化为数字信号，可以测量粒子的动量、能量、电荷量等物理量信息。随着探测技术的发展，传统探测器(例如电阻板室、正比室、光电倍增管PMT等)逐渐向微结构探测器发展，出现了如窄条薄气隙室(small
‑
strip Thin Gap Chamber,sTGC)、微型网状结构气体探测器(Micromegas)等新型高密度通道的粒子探测器。随着半导体技术的发展，最近十年间发展起来的硅光电倍增管(Silicon Photomultiplier，SiPM)，由于体积小、增益高、偏压低、受温度影响低等特点，也同样成为了核辐射探测技术研究的对象。
[0004]针对这些新型多通道探测器，为了获得高精度的信号提取，通常将探测器信号进行全波形数字化，再采用各种幅度和时间提取算法对信号进行高质量的还原，除此之外，一个探测通道，对应着一个电子学读出通道。
[0005]对于成百上千通道的探测器来说，采用商用器件设计的读出电子学系统将是相当庞大，目前解决此问题的一个途径是采用专用集成电路ASIC技术来设计小型化的核电子学系统，但是，ASIC造价昂贵，研发周期长。
专利技术内容
[0006]为了解决上述
技术介绍
中存在的至少一项技术问题，本专利技术的第一个方面提供一种基于类锯齿波比较型ADC的多通道采样装置，其为小型化、全波形采样、多通道核电子学系统提供了一种全新的设计方案，此方案设计周期短，造价低，灵活性强，适合应用在各种新型核辐射探测器的信号处理电子学系统里。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]一种基于类锯齿波比较型ADC的多通道采样装置，包括模拟电路和数字电路；
[0009]所述模拟电路包括类锯齿波产生器，所述数字部分包括FPGA，所述FPGA内部包括电压比较器和脉宽计算模块；所述电压比较器的正向输入端连接待测电压波形，负向输入端连接类锯齿波产生器，输出端和脉宽计算模块连接；
[0010]所述电压比较器用于将待测电压波形与类锯齿波比较后，得到采样后的脉冲信号，所述脉宽计算模块包括时间内插模块、D触发器阵列、编码及实时修正模块以及数据缓存模块，所述时间内插模块用于将采样后的脉冲信号的脉冲宽度进行时间内插，所述D触发器阵列用于将时间内插后的脉冲信号进行锁存得到脉宽量化值，所述编码及实时修正模块用于将脉宽量化值进行编码和修正得到编码二进制数，经过数据缓存模块进行时钟同步和
输出。
[0011]作为一种实施方式，所述类锯齿波产生器包括放大器、电容、电阻、第一晶体管和第二晶体管、正电压源和负电压源；
[0012]所述放大器采用负反馈的方式连接至第二晶体管的发射极，发射极通过电阻连接至负电压源，第二晶体管的集电极和第一晶体管的发射极连接，第一晶体管的发射极连接至电容，第一晶体管的集电极连接至正电压源。
[0013]作为一种实施方式，所述装置还包括时钟芯片、低压电源、大容量存储器和万兆网接口；
[0014]所述时钟芯片用于为FPGA提供输入时钟；
[0015]所述低压电源用于为FPGA提供正常工作所需的各类电源；
[0016]所述大容量存储器用于暂存多通道比较型ADC采样后的数据；
[0017]所述万兆网用于读取外部存储器所暂存的数据。
[0018]作为一种实施方式，所述FPGA还包括锁相环PLL，类锯齿波产生器由锁相环PLL输出时钟进行驱动；所述FPGA内部锁相环PLL输出连接类锯齿波产生器中第二晶体管的基极，第二晶体管的发射极连接电压比较器的负向端。
[0019]作为一种实施方式，所述FPGA还包括环形振荡器和控制逻辑模块，所述控制逻辑模块用于根据实时修正是否完成来控制环形振荡器的使能和关闭，如果修正未完成，则控制环形振荡器使能，输送随机的上升沿给实时修正模块，直到修正完成，在修正完成后，实时修正模块会发送修正完成信号，使得振荡器关闭，振荡器不再震荡。
[0020]作为一种实施方式，所述控制环形振荡器使能，输送随机的上升沿给实时修正模块，直到修正完成包括由奇数个反相器构成的环形振荡器产生随机的振荡时钟，振荡时钟的上升沿，随机地落到各个内插单元上，利用FPGA内部的随机存储器建立微分查找表，采用bin
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by
‑
bin的方法利用已建立的微分查找表建立积分查找表，完成非线性修正过程。
[0021]作为一种实施方式，所述电压比较器采用电压比较型的SSTL接收器。
[0022]作为一种实施方式，所述时间内插模块，由FPGA内部的延迟单元或者全加器的进位单元构成。
[0023]为了解决上述问题，本专利技术的第二个方面提供一种基于类锯齿波比较型ADC的多通道采样方法，其在FPGA内部采用电压参考型接收器作为电压比较器，只需要一个锯齿波产生器模块，可以实现上百通道的全波形采样通道。
[0024]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0025]将待测电压波形连接至电压比较器的正向输入端，锯齿波输入至电压比较器的负向输入端；
[0026]将待测电压波形经过与类锯齿波比较后，得到采样后的脉冲信号；
[0027]对脉冲信号的脉冲宽度进行时间内插，将脉冲进行细分；
[0028]将时间内插后的脉冲信号进行锁存得到脉宽量化值；
[0029]将脉宽量化值进行编码和修正得到编码二进制数并经过数据缓存进行同步和输出。
[0030]本专利技术的有益效果是：
[0031]本专利技术通过在FPGA内部采用电压参考型接收器作为电压比较器，只需要一个锯齿
波产生器模块，可以实现上百通道的全波形采样通道，基于低廉的可编程逻辑器件FPGA和简单的若干分立元件实现了低成本、低功耗、全波形采样、多通道数据采集系统。
[0032]本专利技术在辐射探测领域，此方案设计周期短，造价低，灵活性强，适合应用在各种新型核辐射探测器的信号处理电子学系统里，为小型化、高集成度的核电子学系统提供了一种全新的设计方案。
[0033]本专利技术附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。
附图说明
[0034]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0035]图1是本专利技术基于快速比较器的比较型ADC波形图；
[0036]图2是本专利技术基于类锯齿波产生器的比较型ADC原理框图；
[0037]图3是本专利技术基于类锯齿波的比较型A本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于类锯齿波比较型ADC的多通道采样装置，其特征在于，包括模拟电路和数字电路；所述模拟电路包括类锯齿波产生器，所述数字部分包括FPGA，所述FPGA内部包括电压比较器和脉宽计算模块；所述电压比较器的正向输入端连接待测电压波形，负向输入端连接类锯齿波产生器，输出端和脉宽计算模块连接；所述电压比较器用于将待测电压波形与类锯齿波比较后，得到采样后的脉冲信号，所述脉宽计算模块包括时间内插模块、D触发器阵列、编码及实时修正模块以及数据缓存模块，所述时间内插模块用于将采样后的脉冲信号的脉冲宽度进行时间内插，所述D触发器阵列用于将时间内插后的脉冲信号进行锁存得到脉宽量化值，所述编码及实时修正模块用于将脉宽量化值进行编码和修正得到编码二进制数，经过数据缓存模块进行时钟同步和输出。2.如权利要求1所述的一种基于类锯齿波比较型ADC的多通道采样装置，其特征在于，所述类锯齿波产生器包括放大器、电容、电阻、第一晶体管和第二晶体管、正电压源和负电压源；所述放大器采用负反馈的方式连接至第二晶体管的发射极，发射极通过电阻连接至负电压源，第二晶体管的集电极和第一晶体管的发射极连接，第一晶体管的发射极连接至电容，第一晶体管的集电极连接至正电压源。3.如权利要求1所述的一种基于类锯齿波比较型ADC的多通道采样装置，其特征在于，所述装置还包括时钟芯片、低压电源、大容量存储器和万兆网接口；所述时钟芯片用于为FPGA提供输入时钟；所述低压电源用于为FPGA提供正常工作所需的各类电源；所述大容量存储器用于暂存多通道比较型ADC采样后的数据；所述万兆网用于读取外部存储器所暂存的数据。4.如权利要求2所述的一种基于类锯齿波比较型ADC的多通道采样装置，其特征在于，所述FPGA还包括锁相环PLL，类锯齿波产生器由锁相环PLL输出时钟进行驱动；所述FPGA内部锁相环PLL输出连接类锯齿波产生器中第二晶体管的基极，第二晶体管的发射极连接电压比较器的负向端。5.如权利要求1所述的一种基于类锯齿波比较型ADC的多通道采样装置，其特征在于，所述F...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡坤，李玉英，李长裕，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：