检索结果-内蒙古大学图书馆

第十六届全国测控、计量、仪器仪表学术年会

作者：王文利王丹妮边玉敬国家授时中心陕西临潼710600 中国科学院研究生院北京100080 国家授时中心陕西临潼710600

内插法是实现高分辨率时间间隔测量的主要方法.时间-数字变换器(TDC)则是实现高分辨率时间间隔测量的关键部件.文章介绍了一种基于模拟内插技术的高分辨率时间数字变换器的设计实现.经测试,其测时误差小于250ps.

关键词：时间数字变换器时间间隔测量模拟内插技术分辨率测时误差

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0.18m CMOS中用于频率综合的时间数字转换器

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清华大学学报（自然科学版） 2009年第8期49卷 1209-1213页

作者：周郭飞苏厉金德鹏葛宁曾烈光清华大学电子工程系微波与数字通信国家重点实验室北京100084

该文提出一种应用于全数字锁相环高分辨率的时间数字转换器TDC。该TDC延时单元由两级特殊的反相器构成,其中第一个反相器只考虑上升沿,而第二个反相器只考虑下降沿,通过合理选择两级反相器的尺寸可使总延时小于传统延时单元的一半,从而... 详细信息

该文提出一种应用于全数字锁相环高分辨率的时间数字转换器TDC。该TDC延时单元由两级特殊的反相器构成,其中第一个反相器只考虑上升沿,而第二个反相器只考虑下降沿,通过合理选择两级反相器的尺寸可使总延时小于传统延时单元的一半,从而提高了TDC的分辨率。针对这种只考虑单沿的延时单元,该文还提出了相应的TDC系统。实验结果表明,在0.18μm CMOS工艺下,该文提出TDC的分辨率能达到28 ps。

关键词：时间数字变换器延时链延时估计

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基于互连线插值的时间数字转换器结构设计

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核技术 2020年第7期43卷 40-46页

作者：周郭飞杨宏公安部第一研究所北京100044

全数字锁相环(All-digital Phase Locked Loop,ADPLL)中时间数字转换器(Time-to-Digital Converter,TDC)用于测量数控振荡器(Digitally Controlled Oscillator,DCO)输出时钟和参考时钟之间分数相位差,其分辨率越高,环路的相位噪声特性越好。为了提升TDC的测量分辨率,提出了一种对工艺偏差不敏感的环形互连线插值的TDC结构。本文首先给出了基于互连线插值TDC的系统结构,然后提出了一种工艺偏差不敏感的互连线结构实现等延时方法,并给出了环形的版图布局方案,最后利用仿真对提出的等延时实现方法进行验证。实验结果表明:该方法即使是在0.18μm CMOS工艺下也能将TDC的分辨率提高至皮秒级。

关键词：时间数字变换器互连线延时链延时估计

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ATLAS MDT二期升级前端电子学中的TDC ASIC研究

ATLAS MDT二期升级前端电子学中的TDC ASIC研究

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作者：梁宇中国科学技术大学

学位级别：博士

大型强子对撞机(Large Hadron Collider,LHC)是世界上最大的,也是对撞能量最高的质子加速器。其在粒子质量起源、超对称物理、暗物质、高维物理等物理研究领域起到至关重要的作用。为了能使LHC发挥到最大作用,计划在未来十年中通过多次... 详细信息

大型强子对撞机(Large Hadron Collider,LHC)是世界上最大的,也是对撞能量最高的质子加速器。其在粒子质量起源、超对称物理、暗物质、高维物理等物理研究领域起到至关重要的作用。为了能使LHC发挥到最大作用,计划在未来十年中通过多次升级将其亮度提高十倍。超环面仪器(A Toroidal LHC ApparatuS,ATLAS)实验是LHC上最重要的通用目的探测器装置之一,可以对多种粒子进行精确测量,为精确测量和发现新的物理现象等物理学前沿课题提供强有力的工具。为了应对LHC升级后更高亮度的探测需求,ATLAS也需要进行一系列升级。监控漂移管室(Monitored Drift Tube chambers,MDT chambers)作为ATLAS中重要的子探测器系统可以提供精确的μ子动量测量。由于当LHC升级后现有的μ子探测系统的触发系统已经无法提供精度足够高的触发信号,因此计划在二期升级中将MDT chambers加入触发系统中以提高整个ATLAS探测器的触发精度及触发效率。为此MDT的前端电子学中核心的时间数字转换(Time-to-Digital Converter,TDC)专用集成电路(Application-specific integrated circuit,ASIC)需要进行重新设计以应对二期升级后MDT前端电子学的要求。重新设计后的TDC必须具有低读出延迟、低功耗、同时兼容无硬件触发和触发读出两种模式、高灵活度读出方式等特点。本论文针对MDT二期升级前端电子学的性能指标及应用需求,展开了多通道、低功耗、读出方式灵活的TDC ASIC研究,实际设计了一款基于CMOS 130 nm工艺的TDC芯片,并成功流片。测试结果显示此TDC成功达到本论文的研究目标。本论文的内容安排如下:第一章主要介绍了 ATLAS MDT探测器系统的现状以及其在升级过程遇到的挑战。现有的ATLAS探测器系统已经取得巨大成绩,然而现有的ATLAS MDT探测器系统无法应对LHC亮度升级后更高的数据率。为此需要对MDT探测系统的前端电子学进行重新设计,以获取精度更高、效率更好的触发和读出前端系统,其中的核心器件便是本文所研究的TDC ASIC。第二章主要介绍了目前主流的时间数字变换方法。时间是一个极为重要的物理量,在很多领域都有对其进行精确测量的需求。针对不同的应用需求,多种精确时间数字变换的方法被发展出来。本章中对多种变换方法进行了调研,分析其变换的原理,优缺点和适用的应用场景,以及其在FPGA或者ASIC上实现的案例。第三章介绍了本论文所研究芯片的具体指标,根据此指标和应用场景,选择了时钟分相技术作为本论文所研究TDC芯片进行细测量时间的技术路线,并确定了本论文所研究TDC芯片的整体架构。论文工作中针对时间量化电路核心模块时钟状态锁存器进行了研究,并提出了脉冲使能型的锁存器结构,实现了锁存器速度与功耗的优化设计。同时设计和实现了整个芯片的时间量化通道。第四章介绍了本论文针对MDT前端电子学需求所设计的TDC芯片读出逻辑。工作中对无硬件触发读出和触发读出两种模式进行了深入的研究。针对应用的场景设计了低延迟的无触发读出模式,以及基于通道内部CAM(Content Addressable Memory)的触发读出模式。本章还介绍了所研究的TDC芯片多种接口的设计和实现,包括配置接口、控制接口和数据接口。第五章主要介绍了本论文所研究TDC总体的实现情况以及其测试结果。基于CMOS 130 nm工艺,成功实现了集成24个前后沿测量通道、低功耗、读出方式灵活的TDC芯片。测试结果显示其Bin Size平均值为781.25 ps,不一致性小于±40 ps;时间测量精度在全量程范围内都好于276ps RMS(最好可达64 ps RMS);功耗小于250 mW;在丢包率小于0.1%的条件下读出延迟小于450 ns。上述性能满足了MDT二期升级前端电子学的需求。另外通过多通道进一步内插,可以得到Bin Size为195 ps,不一致性小于±10ps,时间测量精度在全量程范围内都好于69 ps RMS(最好可达43 ps RMS)的更高精度的TDC。最后一章对论文工作进行总结,并展望了下一步工作。

关键词：超环面仪器监控漂移管时间数字变换器专用集成电路无硬件触发读出

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ATLAS MDT二期升级前端验证电子学研究

ATLAS MDT二期升级前端验证电子学研究

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作者：郭宇翔中国科学技术大学

学位级别：博士

大型强子对撞机(Large Hadron Collider,LHC)是位于欧洲的质子-质子加速器,为了充分发挥其在粒子质量起源、暗物质、超对称物理等领域的应用,LHC计划提升亮度,升级为高亮度LHC(High Luminosity LHC,HL-LHC),升级后整体积分亮度预期为LH... 详细信息

大型强子对撞机(Large Hadron Collider,LHC)是位于欧洲的质子-质子加速器,为了充分发挥其在粒子质量起源、暗物质、超对称物理等领域的应用,LHC计划提升亮度,升级为高亮度LHC(High Luminosity LHC,HL-LHC),升级后整体积分亮度预期为LHC的十倍。超环面仪器(A Toroidal LHC ApparatuS,ATLAS)为LHC上重要的粒子探测谱仪之一。ATLAS二期升级计划根据HL-LHC的高事例率、高数据量以及强辐照的特点,将对探测器和电子学进行一系列升级。ATLAS谱仪中的μ子探测器主要用来触发和识别LHC碰撞中产生的μ子,并能够独立测量μ子的横动量。其中的监控漂移管室(Monitored Drift Tube cham-bers,MDT chambers)用于提供精确的μ子横动量测量。为了适应HL-LHC的特点,ATLAS二期升级计划对MDT前端电子学进行一系列升级,引入无触发读出模式,将MDT数据应用到μ子探测器的触发系统中以提高μ子触发效率。为了进行MDT二期升级前端电子学中关键技术路线的可行性与正确性的验证,为未来工程实施做好准备,本论文展开对MDT二期升级前端验证电子学的研究。其中的具体工作包括关键元件时间-数字转换器(Time-to-digital converter,TDC)芯片的抗辐照加固设计,数据读出模块的设计,以及前端验证电子学系统的构建与测试。用于精确时间测量的TDC专用集成电路(Application-Specific Integrated Cir-cuit,ASIC)是 MDT 二期升级前端电子学的关键元件之一,也是验证电子学的重要组成部分。LHC亮度升级为MDT前端电子学提出了更高的抗辐照要求。本论文工作针对MDT二期升级前端电子学的抗辐照指标要求以及功耗要求,使用三模冗余(Triple Modular Redundancy,TMR)方案,对TDC ASIC内部的关键模块进行了抗辐照加固。其中,在对配置寄存器的抗辐照加固中,本论文提出了基于外部配置时钟与内部运行时钟相结合进行数据自刷新的三模冗余方案,以实现TDC配置模块单粒子错误刷新和自校准。在该设计完成并成功流片后,通过400 MeV质子束流辐照测试,验证了加固后的TDC ASIC的抗单粒子效应(Single Event Effect,SEE)满足二期升级要求。为实现前端验证电子学的全数据链路,本论文工作设计了前端验证电子学读出模块,并结合其它电子学模块,实现了从探测器模拟信号使用放大成形甄别(Amplifier,Shaper,Discriminator,ASD)芯片的读出,到 TDC ASIC 数字化和无触发模式读出,再到漂移室服务模块(Chamber Service Module,CSM)数据打包传输的全链路读出。其中,针对TDC ASIC特定的数据流格式,本论文提出了使用空闲码对齐和数据片段切分相结合的解码方式,完成双路数据的相位对齐和恢复。本论文工作中所设计的前端验证电子学在sMDT(small-diameter MDT)探测器上进行了实验室宇宙线测试和高辐照环境下的μ子束流测试。测试结果表明二期升级前端电子学在高辐照背景下各项功能正常,完成了验证测试。前端验证电子学达到设计目标,为二期升级做好了技术准备。本论文的结构安排如下:第一章引言部分介绍了 ATLASμ子探测器的现状,以及其触发探测器和径迹探测器的工作原理。第二章介绍了 ATLAS MDT探测器的二期升级计划。从LHC到ATLAS的升级需求,引入μ子探测器和MDT探测器的升级计划,最后介绍MDT电子学的升级计划。第三章介绍了 MDT二期升级前端电子学的构架,然后对包括ASD,TDC,mezzanine板以及CSM在内的各模块展开介绍,并进一步提出了前端验证电子学的设计方案,并阐明本论文核心工作。第四章介绍了 MDTTDC ASIC,结合二期升级前端电子学抗辐射指标要求以及功耗需求,使用三模冗余方案对TDC关键模块进行抗辐照加固,并对配置寄存器提出了一种三模冗余加固方案。在抗辐照设计完成并流片后,对TDC ASIC进行了性能测试和抗辐照测试。抗辐照测试结果显示TDC配置模块具有较强的抗单粒子效应能力,满足二期升级要求。第五章介绍了前端验证电子学读出模块的方案设计、硬件实现和逻辑设计,并基于此实现了从探测器到ASD、TDC、CSM数据打包和传输的全链路读出。读出模块通过对CSM数据的多级解码,恢复TDC ASIC数据,并使用以TDC为单位的并行触发匹配逻辑实现对非感兴趣信号的过滤,以降低数据离线存储的带宽需求。第六章介绍了对前端验证电子学进行的测试与评估工作。使用验证电子学系统完成了实验室读出链路测试,并联合sMDT探测器进行了实验

关键词：超环面仪器缪子谱仪监控漂移管前端电子学时间数字变换器专用集成电路可编程逻辑器件

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