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Ad848笔记
明德扬科教01 | 2022-10-18 09:43:08    阅读:854   发布文章

第1节 mdyFmcAd8481.1 积分电荷放大器原理

核物理和粒子物理实验中,我们必须用电子学方法收集核辐射粒子通过探测器产生的电信号,然后对其进行处理和分析。由于探测器输出信号一般都比较小,通常在探测器与放大器之间加一预放大器,也就是前置放大器。由于输出的幅度反映了输入电荷的大小,且与输入电容无关,故称之为电荷灵敏前置放大器。
基本的电荷灵敏前置放大器原理图如下图所示。
a. A是放大器的开环增益
b. C为耦合电容
a) 探测器与放大器之间的C起到隔直作用,取值为几千个pF量级如(4700pF
c. Rd是探测器偏置电阻
d. Cf是反馈电容
a) AD8488芯片来讲,AD8488内部每个通道并联了4个反馈电容,分别是0.45pF0.9pF3.5pF7pF,通过命令配置选择联通相应的反馈电容,即可实现不太的增益的电荷灵敏前放。
e. Rf是反馈电阻
a) 为了保证Cf上电荷的积累,一般情况下,Rf量级。
b) Rf主要有两个作用,一是用于泄放Cf上的电荷,二是产生直流负反馈以稳定放大器直流工作点。
c) AD8488的通道内部的开关就相当于Rf。当该开关打开时,作用是:在Cf上电荷的积累,产生输出电压;当该开关关闭时,作用是:在Cf上电荷的积累进行泄放。


1.2 增益控制器原理

当探测器输出正比于入射线能量E的电荷量到电荷灵敏前置放大器时,电荷前放输出电压幅度
Vom=Q/Cf
式中Q为探测器产生的电荷量,Q=Ee/WE为入射能量,e为电子电荷,为1.6e库仑,W为平均电离能,对于硅半导体探测器,W=3.62*10MeV,而对于锗半导体探测器,W=2.96* 10MeV。不难推出,Vom∝Q∝E。对于电荷前放来说,其总的输入电容Cif=Ci+(1+A0)Cf。其中Ci=CD+CS+CACD为探测器体电容,CS为引线分布电容,CA是放大器输入电容,由于有(1+A0)Cf远远大于Ci,从而使得电荷前放的增益仅与反馈电容Cf有关,得出前放的电荷灵敏度为:AQ=1/Cf,反馈电容越小增益越大。


1.3 积分电荷参数计算

电荷灵敏放大器输出电压幅度V=Q/Cf,我们只要知道电荷量Q和反馈电容Cf,就可以知道其输出幅度。拿信号源测试举例,信号源输出频率为高阻输出幅度01V频率1KHz的方波,接1pF瓷片电容,则Q=C* U=1pF* 1V=1pC电荷量。由于电容精度不高,以实际输出电荷量为准。电荷灵敏放大器反馈电容为已知量,加入反馈电容1pF。则V=Q/Cf=C* U/Cf =1pC/1pF=1V。依此类推。


1.4 AD8488数据手册1.4.1 AD8488整体结构

上图取自AD8488的数据手册,是AD8488的功能架构图。由图中可以看到如下细节。
1) 整个功能可以分成积分变换器(CHARGE CONVERSION AMPLIFIER)、差分输出选择器(DIFFERENTIAL OUTPUT MULTIPLEXER)、输出缓冲器(OUTPUT BUFFER)、时序和控制组成(TIMING AND CONTROL)。控制 寄存器(CONTROL REGISTER)MUX选择器(MUX SELECTOR)
2) 积分变换器由积分器(INT)、低通滤波器(LPF)和增益放大器(GAIN AMPLIFIER)组成
a. 积分器
Ø 有一个电容。估计:存储电荷的。
Ø 有一个开关。估计:当打开时,对电荷进行积分;当关闭时,就是放电的过程。
Ø 开关受哪些信号控制?
Ø 通道输入IN0~127,接到INT的负极;VREF接到正级。
Ø INT的作用原理:XXXXX(要查一下资料)
b. 低通滤波器
Ø 说明太快的信号会滤掉。
Ø 多快才会滤掉?
Ø 注意有两个输入,一个是VREF,另一个是积分器输出,为何?
Ø 输出也有两个
c. 增益放大器
Ø 这里会放大信号
Ø 注意有三个输入,分别是VERF、低通滤波器的两个输出。
d. 每个通道一个,所以一共有128个。
3) 差分输出选择器:用于从128个通道中,选择1个通道进行输出。
4) 输出缓冲器:
a. 输出为OUTHIOUTLO
b. 里面三角标志作用是??而且还有一个反馈。


5) 时序和控制由控制 寄存器(CONTROL REGISTER)MUX选择器(MUX SELECTOR)组成



1.4.2 AD8488单通道的实现结构

   
1) SWIRST是指IRST,用于控制第一级积分器的开关
2) GNSEL0~3,用于控制中间部分的开关,0~3是并行的关系
3) SWHOLD是指HOLD信号,用于控制通路
4) SWGRST是指GRST信号,用于控制增益放大器的部分。

1.4.3 AD8488的控制时序


1.4.4 通道对齐测试

https://alidocs.dingtalk.com/document/edit?dentryKey=dvQlEGzDPs8J0DZV# 「肖笔记附录3」

1.4.5 fmc8488上板测试文档

https://alidocs.dingtalk.com/document/edit?dentryKey=pJ0n3MvNMI8wJzlE# 「mdyFmcAd8488上板测试说明」

1.4.6 幅度关系测试

https://alidocs.dingtalk.com/document/edit?dentryKey=ROqKjzGwNtjo4nz9# 「肖5_8488到9244通道数据幅度关系」

1.5 射线源测试反馈

2.5.1 输出的信号与射线源的强度之间不接近线性关系


描述:一定范围内,放大器输出的电压幅度应与放大器输入端沉积的电荷成正比,测试过程中,不断调整放射源的束流大小可以线性调整沉积在放大器前端的电荷量,但测试过程中,ADC输出的总幅度在拟合直线附近振荡较大(正常应该非常接近线性并且振荡很小)。
特征:


 
可能原因:采用单端输入时,基线可能受高压影响,采集时可能会飘,等收到新板子并调整至合适的增益范围之后会再次尝试。


2.5.2 电荷读取过程中,ADC的输出幅度没有发生衰减:


描述:核信号为脉冲信号,放大器在电荷读取阶段,放大器的输出应随时间衰减(下图为其它系统核脉冲信号示意图,当获取到完整的上升段和下降段,可以验证采集到了正确的核粒子信号):


AD8488采集到的信号:
可能原因:AD8488给单个通道分配的时间太短,幅度来不及衰减,进一步调整AD8488的时钟之后再次测试。


2.5.3  AD8488通道编号与传感器连接通道确认重要,会影响被测物体形状的识别,导致无法分辨结果是否可信
 



所有通道相同强度的放射源多次照射下的测试结果:


测试结果:不同次测试时,不同通道的响应差异较大,但同一通道多次测试结果差异较小(不超过3%)。


改变部分通道信号强度的测试结果:
说明:一共进行了两次测试,第一次各个通道接入信号强度相同,第二次挡住其中部分通道(大约挡住了1/4,由于通道对应关系怀疑有误,具体是哪部分通道编号被挡有待确认,展示的结果以响应明显变小的通道作为被挡的通道),但是可以明显看见,没有被挡的通道响应也发生了明显偏离。
2.5.4 采集过程中8488时序不正确,接入探测器的情况下:
部分扫描轮的8488时钟不正确:
 


上位机发送数据:
1:  f8 f8 10 02 00 36 00 18     #cs_h=54, cs_l=24
2:  f8 f8 10 03 00 00 00 06     #clk=6
3:  f8 f8 10 04 00 00 00 01     #rst_h=1
4:  f8 f8 10 05 00 01 00 c9     #hold_h=1, hold_l=201
5: f8 f8 10 06 00 ca 01 4c     #ck_en01=202, ck_en00=332
6:  f8 f8 10 07 01 09 01 0d    #ck_en11=265, ck_en10=269
7:  f8 f8 10 08 01 0d 00 c9    #cha1_start=269, cha0_start=201
8:  f8 f8 10 09 00 2c 00 22    #wr_h=44, wr_l=34
9:  f8 f8 10 0a 00 40 01 4e    #cfg=64, scanwidth=334
10:  f8 f8 10 0b 00 cb 01 4d  #irst_l=203,irst_l=333
11:  f8 f8 10 0c 00 00 00 04   #grst_l=4
12:  f8 f8 10 0d 00 00 00 59  #gnesl=5, fsel=2, cfsel=1
13:  f8 f8 10 01 00 00 00 01  #配置低64
14:  f8 f8 10 00 00 00 00 01  #64位使能
15:  f8 f8 10 01 00 00 00 00  #配置高64
16:  f8 f8 10 00 00 00 00 01  #64位使能
17:  f8 f8 00 05 00 00 ff 0a  #配置阈值参数
18:  f8 f8 00 02 00 00 00 32  #配置采样帧数
19:  f8 f8 00 01 00 00 00 a2  #一帧扫描轮数
20:  f8 f8 00 04 00 00 00 02  #复位
21:  f8 f8 00 04 00 00 00 01  #触发


1.5.1 时序错误定位

https://alidocs.dingtalk.com/document/edit?dentryKey=R1grVqnEnFM2DL4z# 「肖7_xray上板ad8488clk断开采集时序错误定位」
有兴趣可以联系陈老师了解:MDYfpga003


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