Ad848筆記
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第1節(jié) mdyFmcAd8481.1 積分電荷放大器原理
在核物理和粒子物理實(shí)驗(yàn)中，我們必須用電子學(xué)方法收集核輻射粒子通過探測器產(chǎn)生的電信號，然后對其進(jìn)行處理和分析。由于探測器輸出信號一般都比較小，通常在探測器與放大器之間加一預(yù)放大器，也就是前置放大器。由于輸出的幅度反映了輸入電荷的大小，且與輸入電容無關(guān)，故稱之為電荷靈敏前置放大器。
基本的電荷靈敏前置放大器原理圖如下圖所示。
a. A是放大器的開環(huán)增益
b. C為耦合電容
a) 探測器與放大器之間的C起到隔直作用，取值為幾千個pF量級如（4700pF）。
c. Rd是探測器偏置電阻
d. Cf是反饋電容
a) 拿AD8488芯片來講，AD8488內(nèi)部每個通道并聯(lián)了4個反饋電容，分別是0.45pF、0.9pF、3.5pF、7pF，通過命令配置選擇聯(lián)通相應(yīng)的反饋電容，即可實(shí)現(xiàn)不太的增益的電荷靈敏前放。
e. Rf是反饋電阻
a) 為了保證Cf上電荷的積累，一般情況下，Rf為MΩ到GΩ量級。
b) Rf主要有兩個作用，一是用于泄放Cf上的電荷，二是產(chǎn)生直流負(fù)反饋以穩(wěn)定放大器直流工作點(diǎn)。
c) AD8488的通道內(nèi)部的開關(guān)就相當(dāng)于Rf。當(dāng)該開關(guān)打開時，作用是：在Cf上電荷的積累，產(chǎn)生輸出電壓；當(dāng)該開關(guān)關(guān)閉時，作用是：在Cf上電荷的積累進(jìn)行泄放。
1.2 增益控制器原理
當(dāng)探測器輸出正比于入射線能量E的電荷量到電荷靈敏前置放大器時，電荷前放輸出電壓幅度
Vom=Q/Cf
式中Q為探測器產(chǎn)生的電荷量，Q=Ee/W。E為入射能量，e為電子電荷，為1.6e庫侖，W為平均電離能，對于硅半導(dǎo)體探測器，W=3.62*10MeV，而對于鍺半導(dǎo)體探測器，W=2.96* 10MeV。不難推出，Vom∝Q∝E。對于電荷前放來說，其總的輸入電容Cif=Ci+(1+A0)Cf。其中Ci=CD+CS+CA，CD為探測器體電容，CS為引線分布電容，CA是放大器輸入電容，由于有(1+A0)Cf遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Ci，從而使得電荷前放的增益僅與反饋電容Cf有關(guān)，得出前放的電荷靈敏度為:AQ=1/Cf，反饋電容越小增益越大。
1.3 積分電荷參數(shù)計算
電荷靈敏放大器輸出電壓幅度V=Q/Cf，我們只要知道電荷量Q和反饋電容Cf，就可以知道其輸出幅度。拿信號源測試舉例，信號源輸出頻率為高阻輸出幅度0到1V頻率1KHz的方波，接1pF瓷片電容，則Q=C* U=1pF* 1V=1pC電荷量。由于電容精度不高，以實(shí)際輸出電荷量為準(zhǔn)。電荷靈敏放大器反饋電容為已知量，加入反饋電容1pF。則V=Q/Cf=C* U/Cf =1pC/1pF=1V。依此類推。
1.4 AD8488數(shù)據(jù)手冊1.4.1 AD8488整體結(jié)構(gòu)
上圖取自AD8488的數(shù)據(jù)手冊，是AD8488的功能架構(gòu)圖。由圖中可以看到如下細(xì)節(jié)。
1) 整個功能可以分成積分變換器(CHARGE CONVERSION AMPLIFIER)、差分輸出選擇器(DIFFERENTIAL OUTPUT MULTIPLEXER)、輸出緩沖器(OUTPUT BUFFER)、時序和控制組成(TIMING AND CONTROL)?？刂?寄存器(CONTROL REGISTER)和MUX選擇器(MUX SELECTOR)。
2) 積分變換器由積分器(INT)、低通濾波器(LPF)和增益放大器(GAIN AMPLIFIER)組成
a. 積分器
? 有一個電容。估計：存儲電荷的。
? 有一個開關(guān)。估計：當(dāng)打開時，對電荷進(jìn)行積分；當(dāng)關(guān)閉時，就是放電的過程。
? 開關(guān)受哪些信號控制？
? 通道輸入IN0~127，接到INT的負(fù)極；VREF接到正級。
? INT的作用原理：XXXXX（要查一下資料）
b. 低通濾波器
? 說明太快的信號會濾掉。
? 多快才會濾掉？
? 注意有兩個輸入，一個是VREF，另一個是積分器輸出，為何？
? 輸出也有兩個
c. 增益放大器
? 這里會放大信號
? 注意有三個輸入，分別是VERF、低通濾波器的兩個輸出。
d. 每個通道一個，所以一共有128個。
3) 差分輸出選擇器：用于從128個通道中，選擇1個通道進(jìn)行輸出。
4) 輸出緩沖器：
a. 輸出為OUTHI和OUTLO
b. 里面三角標(biāo)志作用是？？而且還有一個反饋。
5) 時序和控制由控制 寄存器(CONTROL REGISTER)和MUX選擇器(MUX SELECTOR)組成
1.4.2 AD8488單通道的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)
1) SWIRST是指IRST，用于控制第一級積分器的開關(guān)
2) GNSEL0~3，用于控制中間部分的開關(guān)，0~3是并行的關(guān)系
3) SWHOLD是指HOLD信號，用于控制通路
4) SWGRST是指GRST信號，用于控制增益放大器的部分。
1.4.3 AD8488的控制時序
1.4.4 通道對齊測試
https://alidocs.dingtalk.com/document/edit?dentryKey=dvQlEGzDPs8J0DZV# 「肖筆記附錄3」
1.4.5 fmc8488上板測試文檔
https://alidocs.dingtalk.com/document/edit?dentryKey=pJ0n3MvNMI8wJzlE# 「mdyFmcAd8488上板測試說明」
1.4.6 幅度關(guān)系測試
https://alidocs.dingtalk.com/document/edit?dentryKey=ROqKjzGwNtjo4nz9# 「肖5_8488到9244通道數(shù)據(jù)幅度關(guān)系」
1.5 射線源測試反饋
2.5.1 輸出的信號與射線源的強(qiáng)度之間不接近線性關(guān)系
描述：一定范圍內(nèi)，放大器輸出的電壓幅度應(yīng)與放大器輸入端沉積的電荷成正比，測試過程中，不斷調(diào)整放射源的束流大小可以線性調(diào)整沉積在放大器前端的電荷量，但測試過程中，ADC輸出的總幅度在擬合直線附近振蕩較大（正常應(yīng)該非常接近線性并且振蕩很小）。
特征：
可能原因：采用單端輸入時，基線可能受高壓影響，采集時可能會飄，等收到新板子并調(diào)整至合適的增益范圍之后會再次嘗試。
2.5.2 電荷讀取過程中，ADC的輸出幅度沒有發(fā)生衰減：
描述：核信號為脈沖信號，放大器在電荷讀取階段，放大器的輸出應(yīng)隨時間衰減（下圖為其它系統(tǒng)核脈沖信號示意圖，當(dāng)獲取到完整的上升段和下降段，可以驗(yàn)證采集到了正確的核粒子信號）：
AD8488采集到的信號：
可能原因：AD8488給單個通道分配的時間太短，幅度來不及衰減，進(jìn)一步調(diào)整AD8488的時鐘之后再次測試。
2.5.3 AD8488通道編號與傳感器連接通道確認(rèn)（重要，會影響被測物體形狀的識別，導(dǎo)致無法分辨結(jié)果是否可信）：
所有通道相同強(qiáng)度的放射源多次照射下的測試結(jié)果：
測試結(jié)果：不同次測試時，不同通道的響應(yīng)差異較大，但同一通道多次測試結(jié)果差異較小（不超過3%）。
改變部分通道信號強(qiáng)度的測試結(jié)果：
說明：一共進(jìn)行了兩次測試，第一次各個通道接入信號強(qiáng)度相同，第二次擋住其中部分通道（大約擋住了1/4，由于通道對應(yīng)關(guān)系懷疑有誤，具體是哪部分通道編號被擋有待確認(rèn)，展示的結(jié)果以響應(yīng)明顯變小的通道作為被擋的通道），但是可以明顯看見，沒有被擋的通道響應(yīng)也發(fā)生了明顯偏離。
2.5.4 采集過程中8488時序不正確，接入探測器的情況下：
部分掃描輪的8488時鐘不正確：
上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)：
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位
14: f8 f8 10 00 00 00 00 01 #低64位使能
15: f8 f8 10 01 00 00 00 00 #配置高64位
16: f8 f8 10 00 00 00 00 01 #高64位使能
17: f8 f8 00 05 00 00 ff 0a #配置閾值參數(shù)
18: f8 f8 00 02 00 00 00 32 #配置采樣幀數(shù)
19: f8 f8 00 01 00 00 00 a2 #一幀掃描輪數(shù)
20: f8 f8 00 04 00 00 00 02 #復(fù)位
21: f8 f8 00 04 00 00 00 01 #觸發(fā)
1.5.1 時序錯誤定位
https://alidocs.dingtalk.com/document/edit?dentryKey=R1grVqnEnFM2DL4z# 「肖7_xray上板ad8488clk斷開采集時序錯誤定位」
有興趣可以聯(lián)系陳老師了解：MDYfpga003
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