《超高速數據採集技術的研究》是劉伍豐為項目負責人，河南工業大學為依託單位的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：超高速數據採集技術的研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：劉伍豐
- 依託單位：河南工業大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
在核與粒子物理實驗中，探測器出來的信號經前置放大器、主放大器、濾波成形或甄別器，都需要進行數據獲取部分。在有些核與粒子物理實驗中，信號的上升時間非常之短（如10ns左右），這時有超高速數據採集系統，就能將光電倍增管輸出的信號波形全部記錄下來，並可以提供更多和更精確的數據信息，包括幅度，上升和下降時間。這將非常有利於修正誤差，以及修正基線漂移，堆積等因素帶來了的誤差。超高速數據採集技術，還有利於電源、電子加速器等領域上的測量工作。超高速數據採集技術採用並行交替型ADC採樣模式（Time Interleaved ADC，TI-ADC）對信號進行採樣。由M個並行的ADC共同對同一個模擬輸入信號進行採樣，各ADC的採樣時鐘依次錯開一個固定的相位，最後，所有的ADC的數字輸出再按相同的規律匯總在一起，形成一個總的數字輸出。TI-ADC技術帶來的誤差，通過採用數位訊號處理來進行誤差補償，從而消除誤差。
結題摘要
在一些核物理研究中，信號的上升時間非常之短（如10ns左右），或為了減少前端電子學的要求，這時需要超高速數據採集系統，就能將探測器輸出信號波形全部記錄下來，並可以提供更多和更精確的數據信息，包括幅度，上升和下降時間。這將非常有利於修正誤差，以及修正基線漂移，堆積等因素帶來了誤差。超高速數據採集系統，還有利於電源、加速器技術等領域上的測量工作。項目採用TIADC並行交替性ADC對信號進行採樣。 400MHz，16bit的TIADC超高速數據採集平台設計時，全面考慮電磁兼容與信號完整性問題。在高速的PCB設計中在阻抗與疊層的設計進行嚴格設計，疊層阻抗設計、線寬/線間設計進行嚴格約束，實際設計阻抗與理論值之間誤差範圍最大為2%；LVDS設計按100ohm的傳輸阻抗進行約束，實際誤差範圍最大為2.7%。在高頻率傳輸線附近以及密集區進行小過孔的設計，減少電流的回流路徑。對於時鐘線、ADC傳輸線以及高速數據傳輸線（差分傳輸線）進行了更為嚴格的等長設計約束。在設計中，對上述布線嚴格按照誤差為2mil。設計平台進行了仿真與測試，能很好的滿足信號的傳輸要求。項目採用了頻寬2.5Gbps的PCI-E 1.0 x1實現與伺服器間的高速數據傳輸。同時採用PCI-E的技術也是用來滿足項目研究的長久性與可擴展性。項目設計採用了2個分別2GB的DDR2存儲單元，進行write和read的單獨操作，同時在讀寫傳輸時又採用了不同的時序控制。TIADC存在各採樣通道的增益失配誤差、時鐘相位誤差、偏置/零點失配誤差。偏置/零點失配誤差可以通過測試得出直接減去進行修正；增益失配誤差和時鐘相位誤差通過LMS算法進行修正。400MHz，16bit的數據採集就對後端的算法運行速度有高的要求，所以需要採用簡單有效的算法。通過多次測試，平台採用64階數的LMS算法對數據進行濾波修正。 在項目的資助下，完成了TIADC高速數據採樣平台的設計，同時也與重離子治癌控制系統的系統設計進行了實際的結合與研究，並取得了一些重要的研究結論，有些研究結果已經套用於加速器控制系統中的關鍵控制器的改善最佳化中。 本項目的研究結果對開展核物理實驗研究具有重要的意義；同時對於加速器技術套用產業化也具有重要的推進意義，也可為其提供技術參考；也可為加速器控制系統最佳化升級提供技術參考。對提升重離子治癌控制系統的智慧型化、可靠性方面有著積極意義。
