[发明专利]一种基于FPGA的探测器读出电子学系统

说明书

本发明公开了一种基于FPGA的探测器读出电子学系统，包括多路QTC电路和多路数字部分，每一路QTC电路包括运算放大器、积分电容C_f、二极管和电阻R；数字部分包括电压比较器和FPGA，所述运算放大器负输入端分别连接电阻R、二极管、积分电容C_f和外部探测器，所述电阻R接电源V_dis，所述二极管和积分电容C_f并联，且均接入运算放大器的输出端，运算放大器的正向端连接电源V₊，其输出端与电压比较器的正向端连接，所述电压比较器的负向端与电源V_Th连接，所述电压比较器集成在FPGA上。其优点在于，本发明中的测量电路直接与粒子探测器的输出电流脉冲相连，实现了电荷时间的直接转换QTC。

技术领域

本申请属于核电子学领域，具体涉及一种基于FPGA的多通道、高密度读出电子学系统。

背景技术

目前，针对各种不同粒子探测器的信号读出，采用最广泛的是全波形数字化。在这种技术中，它首先将输入的核信号进行积分成形，把弱信号变成可观测的大幅度信号，随后进行快速波形采样，采样后的信号送入可编程器件进行实时处理。当通道数目少时，这种技术发挥了很大优势。随着粒子探测器的发展，为了获得高精度的定位性能，多通道粒子探测器应运而生。对于上百通道的高密度、多通道粒子探测器来说，全波形数字化技术将使探测器读出电子学系统变得十分庞大。另一个解决办法是采用专用集成电路ASIC芯片设计，它将所有复杂的功能都囊括在一款芯片里。ASIC芯片的功能非常强大，并且兼具通道多，功率低，抗辐照等优秀品质，但是导致其研发周期也是相当漫长，一般在5至10年的时间才能研发出一款具有针对性的、实用的ASIC芯片，并且造价很高，针对每一个应用场景都需要针对性的研究和开发。

发明内容

本发明针对现有多通道粒子探测器信号读出方案中的缺陷，提出了一种紧凑型、低噪声、兼备电荷和时间同时测量的粒子探测器信号读出方案。其技术方案为，

一种基于FPGA的探测器读出电子学系统，包括多路QTC电路和多路数字部分，每一路QTC电路包括运算放大器、积分电容C_f、二极管和电阻R；数字部分包括电压比较器和FPGA，所述运算放大器负输入端分别连接电阻R、二极管、积分电容C_f和外部探测器，所述电阻R接电源V_dis，所述二极管和积分电容C_f并联，且均接入运算放大器的输出端，运算放大器的正向端连接电源V₊，其输出端与电压比较器的正向端连接，所述电压比较器的负向端与电源V_Th连接，所述电压比较器集成在FPGA上。

优选的，所述FPGA上集成时间数字转换器TDC，使用时间数字转换器TDC对电压比较器输出的数字脉冲进行数字化。

优选的，FPGA内部采用SSTL接收器作为电压比较器，阈值电源V_Th连接到对应Bank的V_REF引脚，在此Bank中，所有的I/O引脚共用一个V_Th。

优选的，负电流脉冲测量过程为：