X射线探测器数字电路及测试系统设计

论文摘要

X射线探测系统作为同步辐射装置应用的一种,广泛应用于医疗、工业CT、关键零件的无损检测等领域。纵观X射线探测系统的发展,其关键技术基本被国外所掌握甚至是垄断,DECTRIS公司开发的整套面阵型探测系统售价甚至高达1000万美元以上。X射线探测器读出芯片作为该系统的核心部件之一,在整个系统中占据了至关重要的地位,高性能读出芯片亦是X射线探测领域热门的研究方向之一。X射线探测器读出芯片是一种数模混合类型的芯片,内部包含数字电路和模拟电路。模拟电路具有电荷积分、模数转换的功能,代表X射线粒子能量的信息最终以数字信号的形式输出,后级的数字电路则完成噪声抑制、数据写入、读出以及模式配置等工作。在全局时序的控制下,芯片各个子电路进行有序的配合,最终完成信息的读出。本文从实际工程应用的角度出发,着重叙述了X射线探测器读出芯片中数字电路的设计。读出芯片集成了修调电路、移位写入读出电路以及全局时序控制电路、SPI接口等数字电路。修调电路能够抑制前级模拟电路的噪声。移位写入和读出电路为芯片提供了数据输入输出的接口,芯片数据在输出的同时,外部输入的数据也被写入到芯片内部。外部写入的数据能周期性的刷新芯片像素单元的内部参数,使得芯片拥有了一定的抗辐射能力。在全局时序电路的控制下,芯片内部的数字电路与模拟电路以流水线的方式进行工作,流水线级数为两级。芯片的探测模式、以及与探测模式相关的参数则单独采用SPI从机接口进行配置。最终,芯片使用国内130nm工艺流片。为了便于芯片测试,设计了配套的高速数据采集传输系统和专用的测试板卡。高速数据采集与实时传输系统由FPGA、DDR2和USB3.0接口芯片组成。该系统能够同时采集24通道、速率为100Mbps的芯片输出数据,并通过USB3.0接口将数据实时上传至计算机,接口带宽最多可支持3颗X射线探测器读出芯片的级联测试。测试板卡则提供了一个低纹波、最大电流可达1A的双通道电源和用于高速信号传输的LVDS接口。在64MHz主时钟频率下,芯片的数模通信、读写功能、时序控制功能、修调功能均正常,校正后的各个像素单元响应的最大偏差为5、均匀性良好,单个像素单元数字电路功耗为40.6μW,各项功能均达到设计指标。

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文章来源

类型: 硕士论文

作者: 陈宇

导师: 谢亮

关键词: 射线探测器读出芯片,高速数据采集,实时传输,芯片测试

来源: 湘潭大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 湘潭大学

分类号: O434.12;TN79

DOI: 10.27426/d.cnki.gxtdu.2019.000274

总页数: 77

文件大小: 3383K

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