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基于DRS4芯片设计了高速波形数字化数据采集电路,电路设计框图如图1所示,主要由模拟信号调理电路、DRS4、ADC、比较器、FPGA及接口电路组成。为了能够提取探测器输出的微弱电荷脉冲信号,并且能够有效驱动下一级,我们将模拟信号调理电路第一级设计为反相比例运算电路来提取16路PSD的输出信号,然后经过全差分放大器将单端信号转换成差分信号作为DRS4的输入。DRS4以700 MHz至5 GHz可调的采样频率对全差分放大器输出的信号进行全波形采样,直到有效事例到来时,全差分放大器的正向输出通过电压比较器产生触发信号。当FPGA收到信号自触发信号或者外部触发信号时,控制DRS4以较低的频率(如33 MHz)输出电容阵列存储的电压,然后ADC将此时的模拟信号转换成数字信号,ADC选用的型号是AD9249,具有16个输入通道,输出为16路串行输出。在FPGA中对ADC输出的数字信号进行数字滤波,然后保存到16个FIFO中。最后FPGA轮回读取出数据,并对其获取峰值、能量等信息。最后FPGA通过USB和上位机交互信息,上位机不仅可以获取PSD波形的重要信息,还可以用来灵活地配置DRS4的采样频率、采样深度等工作模式。需要处理多路(超过16路)PSD信号时,可以使用多块电路板并联,通过共用同一个外部时钟作为系统时钟,从而实现各个电路板之间的时钟同步。
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本系统的主要参数总结:
1) 16通道,每个通道1 024个采样深度;
2) 采样率在700 MHz~5 GHz可调;
3) 模拟宽带实测在0~200 MHz失真度误差小于0.7 dB,在0~100 MHz失真度误差小于0.2 dB;
4) 在0 V直流输入时的系统电子学噪声小于0.5 mV。
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由于PSD输出的信号是频率为兆赫兹的电荷脉冲信号,为了很好地提取该信号,并且满足DRS4的差分输入要求,设计了信号提取电路和单端转差分信号电路,如图2示。为了满足输入信号较宽的带宽,第一级采用AD8001AR[12]电流反馈型运算放大器构成
${A_{{\text{V1}}}} = - {R_{{\text{f}}1}}/{R_1} = - 1$ 的反相比例运算电路来提取PSD输出信号。通过PSpice仿真得到其频带宽度如图3红色“X”标记曲线所示。输入信号提取后,通过THS4508全差分放大器将单端信号转差分信号,其中${A_{{\text{V2}}}}$ 为差模放大倍数,${A_{{\text{V2}}}} = {R_{{\text{f}}2}}/{R_2} = 1$ ,${V_{{\text{com}}}}$ 为共模输入电平。输入信号经过反相比例运算电路和全差分放大器的频带宽度如图3蓝色“□”标记曲线所示,系统的−3 dB带宽为596 MHz。 -
DRS4读取储存在开关电容阵列波形的触发由板上信号自触发和外部触发两种。可以通过上位机来选择使用哪种触发模式。自触发信号由电压比较器实现,当探测器输入信号大于设置的阈值时,比较器输出高电平脉冲作为自触发信号。如图4所示,外部触发信号或者自触发信号有效时,等待一定的时间后,DRS4开始读出存储在SCA中的波形数据。
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DRS4的样频率由外部输入的参考时钟(REFCLK)的频率决定,当REFCLK的频率为
$f$ 时,DRS4根据自身PLL产生频率为2 048 ×f的时钟对8个输入(Input)进行采样,如图5所示。Domino wave采样频率根据REFCLK的频率从700 MHz~5 GHz可调。DRS4芯片采样部分主要由Domino 环和开关采样电容阵列两部分组成,波形存储(Waveform stored)和读出(Readout)如图6所示,Domino环移位由内部PLL产生一个700 MHz~5 GHz的时钟来控制开关电容阵列对输入波形各个电压进行存储。其中开关电容阵列个数即采样深度可配置成1 024~8 192个。当DRS4收到读出信号时,立即停止采样,此时以读出移位时钟 (Readout Shift Clock)的频率输出已经存储在开关电容阵列中的电压。整个过程完成了由输入信号的700 MHz~5 GHz采样到输出信号的33 MHz读出。
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DRS4将采集到的输入信号的电压值保存在开关电容阵列中,并且其采样频率可以通过上位机从700 MHz到5 GHz灵活配置,很方便对不同频率的输入信号进行采样,然后通过较低速时钟(如33 MHz)将这些开关电容阵列存储的电压值读出。如图7所示,实现了从时间为
$t$ 的输入信号展宽成时间为$kt$ 的输出信号,系数$k$ 由采样频率${f_{\text{s}}}$ 和输出时钟频率${f_{\text{o}}}$ 共同决定,可从几十到几百倍,如式(1)所示。如图8所示,DRS4在采样频率为4.096 GHz且读出频率为 33 MHz时,某一个通道的实际测量值,红色形曲线输入信号,其周期为100 ns,幅值为0.5 V的正弦波。黑色曲线是实测输出信号,其周期为12.4${\text{μ}}{\rm s}$ ,幅值为0.506 V的正弦波。$$ k = {f_{\text{s}}}/{f_{\text{o}}} $$ (1) -
信号发生器产生幅值为500 mV,频率从0~200 MHz的正弦波信号作为输入信号。测得AD8001AR和THS4508输出频谱图,如图10所示。模拟输入电路在输入正弦信号0~200 MHz时失真度误差小于0.7 dB,在输入正弦信号0~100 MHz时失真度误差小于0.2 dB。
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在DRS4校准完成后,使用0 V直流作为输入时得到的对应的输出值,结果如图11所示。将采集到的输出值求高斯分布,其所得到的μ作为平均值Mean,Mean为0.160 8 mV;其所得到的σ作为RMS,得到的RMS为0.480 7 mV。在校准完成后,用0 V直流作为激励得到的系统电子学噪声小于0.5 mV。
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DRS4数据采集电路的输入信号由脉冲发生器产生频率为10 MHz,幅值从100 mV到1 V,步进为100 mV的正弦波,每个幅值采集5 000个波形。该测试中,根据统计记录的数据,推导出不同幅值的正弦输入信号对应的读出电子学输出的幅度的线性拟合函数。由式(2)计算电子学系统的非线性:
$$ {V_{{\text{nonlinearity}}}} = \mathop {{\text{Max}}}\limits_{100 < n < 1000} \big\{ {O_{{\text{tes}}{{\text{t}}_n}}} - {O_{{\text{fi}}{{\text{t}}_n}}}\big\} \text{,} $$ (2) 其中:
${V_{{\text{nonlinearity}}}}$ 为非线性电压值;${O_{{\text{tes}}{{\text{t}}_n}}}$ 是在n毫伏幅值的正弦输入对应的实际输出值;${O_{{\text{fi}}{{\text{t}}_n}}}$ 是对n毫伏幅值的正弦输入对应的输出信号的线性拟合的拟合值。如图12所示,不同幅值的输入得到的非线性,最大不超过1.9 mV。由式(3):$$ {I_{{\text{INL}}}} = \frac{{|{V_{{\text{out\_fit}}}} - {V_{{\text{out}}}}{|_{{\text{MAX}}}}}}{{{V_{{{{\rm{o}} - {\rm{MAX}}}}}}}} \text{,} $$ (3) 求得积分非线性 (Integral Non-Linearity, INL)为0.95%,其中
$ {I_{{\text{INL}}}} $ 为积分非线性,$ {V_{{\text{out\_fit}}}} $ 为拟合输出值,$ {V_{{\text{out}}}} $ 为与其对应的实际输出值,如图13所示。 -
使用DRS4数据采集电路与PSD进行了联合测试。测试方案框图如图14所示,PMT的供电电压为–950 V。宇宙射线击中塑料闪烁体后发出荧光,荧光被PMT探测器转化为电荷信号[13-14],DRS4数据采集电路将电荷脉冲信号波形数字化,最后将处理完的数据发送给上位机。DRS4的采样频率
$ {f_{\text{s}}} $ 、采样深度${S_{\text{N}}}$ 、对输入信号的采样时长${T_{\text{s}}}$ 这三个的关系如式(4)所示。在测量PMT输出波形时,将DRS4芯片的采样深度${S_{\text{N}}}$ 设置成1 024个,在采样频率$ {f_{\text{s}}} $ 分别设置为2.048,3.072 ,4.920 GHz时,得到的数据所绘制的三条PMT输出信号波形,如图15所示。在DRS4的读出频率和ADC的转换速率一致时,DRS4的采样频率越高,相等时间长度输入信号对应的采样点数越多,即${S_{\rm{ N}(4.920~{\rm{GHz}})}} > {S_{\rm{ N}(3.125~{\rm{GHz}})}} > {S_{\rm{ N}(1.024~{\rm{GHz}})}}$ 。$$ {T_{\rm{s}}} = {S _{\rm{N}}}/{f_{\rm{s}}} $$ (4)
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摘要: 基于开关电容矩阵(Switched Capacitor Array, SCA)的波形数字化技术是未来物理实验装置前端读出电子学的重要发展方向之一。本工作设计了一种基于SCA芯片DRS4(Domino Ring Sampler 4)的超高速波形数字化数据采集电路。DRS4单通道可以最高以5 GHz的采样率对探测器输出信号进行全波形采样。该电路主要由模拟调理电路、DRS4电路、ADC(Analog-to-Digital Converter)电路、FPGA(Field-Programmable Gate Array)、DAC(Digital-to-Analog Converter)电路、触发电路和接口电路等组成。性能测试表明,该电路通道的噪声小于0.5 mV,积分非线性 (Integral Non-Linearity, INL) 优于1%。本电路模拟输入带宽高,采样率700 MHz~5 GHz可调,具有良好的非线性。该数据采集电路具有一定的通用性,适用于多种类型的物理实验装置中的探测器读出。Abstract: Waveform digitization technology based on Switched Capacitor Array(SCA) is one of the important development fields of front-end readout electronics for future physical experiment facilities. In this paper, an ultra-high-speed waveform digital data acquisition circuit based on SCA chip DRS4(Domino Ring Sampler 4) is designed. A single channel of the DRS4 can sample the full waveform of the detector output signal at a sampling rate of up to 5 GHz. The circuit is mainly composed of analog conditioning circuit, a DRS4 circuit, ADC(Analog-to-Digital Converter) circuit, FPGA(Field-Programmable Gate Array), DAC (Digital-to-Analog Converter) circuit, a trigger circuit, an interface circuit, etc. Performance tests show that the circuit's noise is less than 0.5 mV, and the Integral Non-Linearity (INL) is better than 1%. In addition, the analog input bandwidth of this circuit is very high, the sampling rate is adjustable from 700 MHz to 5 GHz, and it has good nonlinearity. Therefore, the data acquisition circuit is versatile and suitable for detector readout in various physical experiment facilities.
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Key words:
- Switched Capacitor Array /
- DRS4 /
- waveform sampling /
- performance testing
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