SCD驅(qū)動(dòng)及數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)【精品論文】 .pdf

s c d 驅(qū)動(dòng)及數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì) 楊一帆、崔葦葦、張子良、徐玉朋、汪錦州、高曼、陳勇、趙京偉 ( 中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所北京1 0 0 0 4 9 ) 摘要：本文主要介紹了基于v s p 3 1 0 0 和f p g a 的s c d 驅(qū)動(dòng)及數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)，具 體包括設(shè)計(jì)方案、電路工作原理，電路圖設(shè)計(jì)及f p g a 程序設(shè)計(jì)，并在最后給 出了實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 關(guān)鍵詞：s c dv s p 3 | 0 0f p o a 0 、引言 軟x 射線探測(cè)器( s o f tx _ r a yd e t e c t o r ：s x d ) 是h x m t ( h a r dx - r a ym o d u l a t i o nt e l e s c o p e ， 硬x 射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡) 上的一個(gè)重要科學(xué)載荷，s 】( d 工作能段在( 1 0 - 2 5 k e y ) ，其主要科 學(xué)目標(biāo)為： 。 l 、研究x 射線脈沖星的物理性質(zhì)。 2 、完成高能譜分辨( 4 0 0 e v ) 、高靈敏度的軟x 射線巡天，并與硬x 射線望遠(yuǎn)鏡巡天 結(jié)果相互證認(rèn)。在2 - - 2 5 k e v 還沒(méi)有進(jìn)行過(guò)深度巡天，s x d 巡天靈敏度將比以前 h e a 0 1 - - a 2 巡天提高5 倍。 3 、研究宇宙軟x 射線背景。 4 、研究大尺度擴(kuò)展源。如臨近暖氣體、臨近超新星遺跡及銀河系硅線分布。 s x d 在定點(diǎn)觀測(cè)模式下，可配合主載荷h x t 進(jìn)行高時(shí)間分辨( 1 m s ) 觀測(cè)，研究x 射線雙 星、活動(dòng)星系核等能譜與時(shí)變。 s x d 將包括4 個(gè)全同探測(cè)器單體及一個(gè)電控箱組成探測(cè)器采用高阻d d s c d ( d e e p d e p l e t i o ns w e p tc h a r g ed e v i c e ) ，每單體探測(cè)器面積1 0 0c l l l 2 。探測(cè)器的準(zhǔn)直器視場(chǎng)采 用兩種視場(chǎng)準(zhǔn)直器( o 5 。x3 。：0 5 0x1 5 0 ) ，視場(chǎng)比主探測(cè)器小，主要是由于在軟x 射 線波段，宇宙x 射線成分相對(duì)比較大，適當(dāng)減小視場(chǎng)，可減小孔徑入射，從而增加定點(diǎn)觀 測(cè)靈敏度，同時(shí)有利于分析弱源的軟x 射線能譜。兩種準(zhǔn)直器配合可確定粒子背景。4 個(gè)單 體的大視場(chǎng)長(zhǎng)邊朝向不同，按4 5 。遞增且與相應(yīng)的硬x 探測(cè)器視場(chǎng)一致，在衛(wèi)星上可分散擺 放，比較靈活。電控箱提供探測(cè)器的二次電源，并有1 5 5 3 b 和l v d s 數(shù)據(jù)通訊接口。s x d 結(jié) 構(gòu)框圖如下； 圖1 、s x d 結(jié)構(gòu)框圖 驅(qū)動(dòng)及數(shù)據(jù)采集電路負(fù)責(zé)產(chǎn)生s c d 陣列的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘信號(hào)，還負(fù)責(zé)將s c d 探測(cè)器的輸出 信號(hào)的幅度及時(shí)間信息記錄下來(lái)通過(guò)后端的數(shù)據(jù)通訊與管理電路與衛(wèi)星接口傳遞給衛(wèi)星。 本文重點(diǎn)詳細(xì)敘述驅(qū)動(dòng)及數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)及測(cè)試。 1 、設(shè)計(jì)方案 s c d 驅(qū)動(dòng)電路及數(shù)據(jù)采集電路參照s m a r t - i 上d c i x s 的結(jié)構(gòu)( 圖2 ) 。此電路由英國(guó) r a l ( r u t h e r f o r da p p l e t o nl a b o r a t o r y ) 及1 3 r u n e l 大學(xué)合作研制。由圖可以看出電路通過(guò) 一片a s i c 芯片產(chǎn)生s c d 陣列的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。通過(guò)另一片a s i c 芯片對(duì)1 2 8 路s c d 輸出作相 關(guān)雙采樣并通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)順次傳遞給1 2 位a d c ，變換后的數(shù)字信號(hào)送入一片a c t e l 的 f p g a 處理，同時(shí)這片f p g a 還用于全局芯片控制以及后端通信電路的接口。 參考d - c i x s 的結(jié)構(gòu)，同時(shí)根據(jù)實(shí)際情況，給出了所采用的電路結(jié)構(gòu)。如圖3 所示，與 參考結(jié)構(gòu)相比，s c d 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)改由f p g a 產(chǎn)生，采用專用c c d 圖象信號(hào)處理芯片v s p 3 1 0 0 取代輸出采樣芯片及1 2 位a d c 。 相比d c i x s ，本方案電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是集成度不及，這是由預(yù)研階段特點(diǎn)所決定的。 圖2 參考結(jié)構(gòu) 圖3 實(shí)際結(jié)構(gòu) 2 、驅(qū)動(dòng)及數(shù)據(jù)采集電路 驅(qū)動(dòng)及數(shù)據(jù)采集電路產(chǎn)生s c d 陣列所需的4 路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，接收$ c d 輸出的2 路模擬 信號(hào)和與衛(wèi)星時(shí)鐘同步的i h z 慢時(shí)鐘信號(hào)，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，并將幅度過(guò)閾的 時(shí)間及幅度信息記錄下來(lái)，保存在f i f o 中。通過(guò)背板將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)其中v s p 3 1 0 0 負(fù)責(zé)對(duì)2 路模擬信號(hào)進(jìn)行相關(guān)雙采樣，并依次完成1 4 位a d 變換。 電路設(shè)計(jì)包括硬件與軟件兩部分，其中硬件部分主要包括電路硬件構(gòu)成及p c b 設(shè)計(jì)， 軟件部分主要包括f p g a 程序設(shè)計(jì)。 2 1 、硬件構(gòu)成 圖4 硬件構(gòu)成 如圖4 所示，數(shù)據(jù)采集電路主要由五塊芯片組成：v s p 3 1 0 0 、f p g a 、l v t h l 6 2 4 5 、 l t l 7 6 4 3 3 ，l t l 7 6 4 一i 8 。v s p 3 1 0 0 是專門的圖象處理芯片，能同時(shí)對(duì)c c d 輸出的紅白藍(lán)三 通道信號(hào)進(jìn)行采樣并將采集到的三通道模擬信號(hào)按時(shí)鐘依次轉(zhuǎn)變?yōu)? 4 位數(shù)字信號(hào)，s c d 是 一種特殊的c c d ，一片s c d 只產(chǎn)生一路信號(hào)，因此一片v s p 3 1 0 0 可以處理三路s c d 信號(hào)，在 本電路中用兩片s c d 產(chǎn)生兩路模擬信號(hào)作為v s p 3 1 0 0 的兩通道輸入；f p g a 是采集電路的控 制核心，工作于4 0 兆晶振產(chǎn)生的時(shí)鐘，負(fù)責(zé)將v s p 3 1 0 0 輸出的1 4 位數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)幅度甄 別后存到內(nèi)部f i f 0 中，8 位1 k 的異步f i f 0 由f p g a 的i p c o r e 生成，用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)以備上 位機(jī)讀??；l v t h l 6 2 4 5 是3 3 v 5 v 緩沖芯片，負(fù)責(zé)連接f p g a 與9 6 芯插頭，因?yàn)閒 p g a 輸入 信號(hào)高電平為3 3 v 而8 0 c 1 8 6 總線上輸出信號(hào)高電平為5 y ：l t l 7 6 4 3 3 和l t l 7 6 4 一i 8 是 電源芯片。負(fù)責(zé)產(chǎn)生f p g a 所需的3 3 v1 0 電壓及i 8 v 核心電壓。 2 2 、p o b 設(shè)計(jì) v s p 3 1 0 0 工作于5 v 電源，其上信號(hào)分?jǐn)?shù)字與模擬兩種，其中模擬輸入是兩通道的s c d 輸出信號(hào)模擬輸出通過(guò)0 1 “電容接地，由于其數(shù)字輸出信號(hào)可與3 3 v 電平兼容，因此 能直接與f p g a 相連，數(shù)字輸入是控制信號(hào)，也與f p g a 連接：f p g a 有1 0 個(gè)i o 信號(hào)通過(guò)一 片1 6 2 4 5 與9 6 芯插頭信號(hào)相連，作為f i f 0 的8 位輸出信號(hào)及片選和讀f i f o 信號(hào)；f c b 設(shè) 計(jì)為4 層板，第一層與第四層是信號(hào)層，用于放置元件及走線，第二層是地層，第三層是 電源層，由于采集電路上同時(shí)有數(shù)字芯片與模擬芯片，因此電源與地都做了模擬與數(shù)字的 分隔：為了降低噪聲干擾。對(duì)所有芯片的電源管腳都用0 i i i 與4 7 b 電容并聯(lián)做濾波處理， 同時(shí)由于模擬輸入端對(duì)噪聲特別敏感，對(duì)v s p 3 1 0 0 芯片附近區(qū)域作了敷銅處理：電路板5 v 電源來(lái)自9 6 芯插頭，通過(guò)不同的電源模塊對(duì)電路板的模擬及數(shù)字部分分別供電。 2 3 、f l e a 程序設(shè)計(jì) 分模塊完成各個(gè)功能。c l o c k 模塊用來(lái)產(chǎn)生s c d 的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘以及v s p 3 1 0 0 的采樣及轉(zhuǎn)換 時(shí)鐘：d r i v e 模塊用于v s p 3 1 0 0 的跳出復(fù)位及產(chǎn)生穩(wěn)定的開(kāi)關(guān)信號(hào)；p r o c e s s 模塊用于數(shù)據(jù) 處理，負(fù)責(zé)做幅度的過(guò)閾判斷以及慢時(shí)鐘檢測(cè)，并將滿足條件的數(shù)據(jù)保存在f i f o 中；f i f o 模塊，用i p c o r e 產(chǎn)生，各信號(hào)分別被p r o c e s s 模塊和9 6 芯插頭信號(hào)控制。 c l o c k ：此模塊需要產(chǎn)生七個(gè)時(shí)鐘，其中s c d 四個(gè)，分別是三相驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘和復(fù)位時(shí)鐘， v s p 3 1 0 0 三個(gè)，相關(guān)雙采樣時(shí)鐘兩個(gè)和a d 變換時(shí)鐘一個(gè)。由于所需時(shí)鐘頻率都在2 0 0 k 左右， 相對(duì)太低，所以無(wú)法用時(shí)鐘管理單元或是鎖相環(huán)的來(lái)產(chǎn)生。只能自行生成。 以s c d 驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘為例，可將三相時(shí)鐘看成一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)的3 位輸出，每個(gè)時(shí)鐘代表 i 位，輸出的變化與各時(shí)鐘脈寬同步，在每三分之一周期內(nèi)輸出分別為1 0 0 、0 1 0 、0 0 1 ，經(jīng) 過(guò)一個(gè)周期后還原。只要是同頻不同相的時(shí)鐘都可以在同一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)中產(chǎn)生，只是當(dāng) 脈沖寬度不一致時(shí)，所需要經(jīng)過(guò)的狀態(tài)會(huì)更多罷了。 需要注意的是，v s p 3 1 0 0 的相關(guān)雙采樣時(shí)鐘與s c d 的輸出同步，而s c d 的輸出又和s c d 的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘同步。因此v s p 3 1 0 0 的采樣時(shí)鐘也與s c d 的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘和復(fù)位時(shí)鐘同步。至于a d 轉(zhuǎn)換時(shí)鐘，由于v s p 3 1 0 0 同時(shí)對(duì)三通道采樣，因此轉(zhuǎn)換時(shí)鐘頻率應(yīng)該是采樣時(shí)鐘的三倍。 由于s c d 工作于2 0 0 k 左右的時(shí)鐘，因此設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)周期均為4 8 0 0 n s ，三相時(shí)鐘 脈寬為1 6 0 0 n s ，復(fù)位信號(hào)時(shí)鐘脈寬為4 0 0 n s ；v s p 3 1 0 0 的采樣時(shí)鐘周期也為4 8 0 0 n s 。脈寬 也為4 0 0 n s ，a d 變換時(shí)鐘周期為1 6 0 0 n s ，脈寬為8 0 0 n s 。程序運(yùn)行后用c h i p s c o p e 觀察波 形如圖5 ： 圖5 三相驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘與復(fù)位信號(hào) d r i v e r ：主要控制v s p 3 1 0 0 跳出復(fù)位以及產(chǎn)生穩(wěn)定的開(kāi)關(guān)信號(hào)。所謂開(kāi)關(guān)信號(hào)是指一 個(gè)階躍電平，在芯片的復(fù)位狀態(tài)為低，復(fù)位之后為高，這個(gè)信號(hào)本是由電路板上的按鍵開(kāi) 關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)但是機(jī)械開(kāi)關(guān)抖動(dòng)太大，開(kāi)與關(guān)之間產(chǎn)生相當(dāng)多的毛刺，持續(xù)時(shí)間達(dá)到i n s 級(jí)， 因此并不能作為穩(wěn)定的開(kāi)關(guān)信號(hào)使用。具體做法是用狀態(tài)機(jī)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號(hào)，在按鍵為低時(shí)。 開(kāi)關(guān)信號(hào)也為低，在按鍵為高時(shí)，開(kāi)關(guān)信號(hào)延時(shí)0 5 秒判斷按鍵是否仍為高，如果仍為高， 那么開(kāi)關(guān)信號(hào)才置高，否則開(kāi)關(guān)信號(hào)不變，這樣就排除了機(jī)械開(kāi)關(guān)的m s 級(jí)抖動(dòng)干擾產(chǎn)生 了嚴(yán)格的階躍電平。v s p 3 1 0 0 其實(shí)并沒(méi)有所謂的復(fù)位狀態(tài)在此只是改變其p s 與o e 的電平， 在復(fù)位狀態(tài)，也就是階躍電平為低時(shí)；p s 與0 e 同為高，對(duì)應(yīng)于芯片處于配置寄存器狀態(tài)， 在階躍電平為高時(shí)，認(rèn)為此芯片跳出復(fù)位，置p s 與o e 為低對(duì)應(yīng)于芯片的輸出狀態(tài)。 5 3 7 p r o c e s s ：主要負(fù)責(zé)信號(hào)處理及記錄數(shù)據(jù)。需要記錄的數(shù)據(jù)有三個(gè)，通道號(hào)、幅度與時(shí) 間。當(dāng)檢測(cè)到幅度過(guò)閾信號(hào)時(shí)，記錄信號(hào)所在的通道及信號(hào)幅度及到來(lái)的時(shí)間，當(dāng)檢測(cè)到 與衛(wèi)星時(shí)鐘同步的l s 慢時(shí)鐘信號(hào)后只記錄此時(shí)的時(shí)間。 除了信號(hào)幅度直接反應(yīng)于v s p 3 1 0 0 的1 4 位輸出外，通道號(hào)及時(shí)間都需要對(duì)相關(guān)信號(hào)進(jìn) 行處理才能得到。 v s p 3 1 0 0 對(duì)三通道模擬信號(hào)用相同的時(shí)鐘進(jìn)行相關(guān)雙采樣，一個(gè)時(shí)鐘采集s c d 輸出信 號(hào)的復(fù)位電平，另一個(gè)時(shí)鐘采集s c d 輸出信號(hào)的幅度電平，然后將兩次采集到的電平相減， 結(jié)果通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)送入芯片內(nèi)部的1 4 位a d c ，模擬開(kāi)關(guān)在數(shù)模轉(zhuǎn)換時(shí)鐘的作用下順次打開(kāi)， 每當(dāng)復(fù)位電平采集時(shí)鐘有效時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)也復(fù)位到第一通道，因此可以以轉(zhuǎn)換時(shí)鐘作一個(gè) 計(jì)數(shù)器，在復(fù)位電平采集時(shí)鐘有效時(shí)復(fù)位，在轉(zhuǎn)換時(shí)鐘的邊沿改變輸出值，以輸出作為通 道號(hào)。 時(shí)間由一個(gè)1 6 位的3 2 p s 計(jì)數(shù)器產(chǎn)生，每當(dāng)有幅度過(guò)閾信號(hào)和慢時(shí)鐘到來(lái)時(shí)，都取此 計(jì)數(shù)器的值作為事件時(shí)間，由于慢時(shí)鐘信號(hào)與衛(wèi)星時(shí)鐘同步，因此通過(guò)慢時(shí)鐘到來(lái)時(shí)刻的 計(jì)數(shù)器值就可以確定各幅度過(guò)閾信號(hào)到來(lái)的具體時(shí)間了。 此模塊具體工作流程是檢測(cè)到慢時(shí)鐘時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)4 0 0 n s 寬的觸發(fā)信號(hào)，檢測(cè)到過(guò)閾 信號(hào)時(shí)，也產(chǎn)生一個(gè)4 0 0 n s 寬的觸發(fā)信號(hào)，兩個(gè)觸發(fā)信號(hào)做“或”操作，得到真正的觸發(fā) 信號(hào)，當(dāng)真正的觸發(fā)信號(hào)有效時(shí)，觸發(fā)寫f i f o 操作，分六步寫入4 8 位數(shù)據(jù)，第一步是寫8 個(gè)0 ；第二步首先判斷觸發(fā)源，如果是慢時(shí)鐘，繼續(xù)寫全0 ，如果是幅度過(guò)閾信號(hào)則低兩 位寫通道號(hào)，后六位寫幅度信號(hào)的低六位；第三步寫幅度信號(hào)的高八位，此時(shí)不判斷觸發(fā) 源，因?yàn)槿绻锹龝r(shí)鐘觸發(fā)，通過(guò)f i f 0 第二個(gè)值就可以判斷。不需要管第三個(gè)值；第四步 寫1 6 位計(jì)數(shù)時(shí)鐘的低八位：第五步寫高八位；第六步寫全i 代表本次寫操作結(jié)束。 數(shù)據(jù)處理流程如圖6 ： 圖6 數(shù)據(jù)處理流程 3 、實(shí)驗(yàn)及結(jié)果 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由示波器、信號(hào)發(fā)生器、驅(qū)動(dòng)及數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)據(jù)通信電路組成，由驅(qū)動(dòng) 53 8 及數(shù)據(jù)采集電路產(chǎn)生一個(gè)周期性方波模擬s c d 輸出，此方波與v s p 3 1 0 0 的相關(guān)雙采樣時(shí)鐘 同步并能保證在同一周期內(nèi)落在相關(guān)雙采樣時(shí)鐘有效沿的電平不一樣，將此信號(hào)輸入信 號(hào)發(fā)生器，作為外部觸發(fā)源，在上升沿觸發(fā)，產(chǎn)生一個(gè)與之同步、幅度與頻率均可調(diào)的周 期性方波信號(hào)，以此信號(hào)作為s c d 的輸出連接到v s p 3 1 0 0 的輸入端通過(guò)修改此信號(hào)的幅 度及頻率就能測(cè)出驅(qū)動(dòng)及數(shù)據(jù)采集電路的性能。 測(cè)試結(jié)果如下： ， 0 0 0 2 5 0 0 嘗2 0 0 0 差1 5 0 0 ) - l o 圖7 直線擬合 圖8 時(shí)間分辨 圖7 顯示的是對(duì)應(yīng)不同輸入電壓時(shí)的不同輸出，并將結(jié)果做直線擬臺(tái)。 圖8 顯示的是輸入模擬信號(hào)周期為i k h z 時(shí)檢測(cè)到輸出信號(hào)到來(lái)時(shí)間的間隔。 當(dāng)?shù)谝坏烙行盘?hào)時(shí)，第二道被誤觸發(fā)的幾率為2 8 1 0 ，第三道被誤觸發(fā)的幾率為 5 3 9 6 4 xi o