论文摘要
电子学尤其是高速信号处理技术促进了核探测技术的迅速发展。信号定时甄别是核电子学信号处理系统的基本组成环节之一,电平适配器是大规模核探测信号处理环节必备的辅助插件。本文论述了中国科学院近代物理研究所(IMPCAS)实验系统所需电平适配插件、差分双阈定时甄别电路的结构,提出了电路的设计要求,在此基础上进行了高速电路的设计、研制及实验测试,并对研制过程中EMC及高速PCB板EMC设计措施进行了研究。在NIM/ECL/TTL电平适配插件的研制中,对NIM标准、相关电平标准进行了介绍,以降低器件成本、增加转换方式、提高电磁兼容(EMC)能力为基本出发点,在电路性能、I/O接口、逻辑结构设计的基础上,采用单元电路复用的思想进行总体结构设计,从器件选型、层设计等方面采取措施,在面积有限的PCB板、I/O接口面板上实现了8通道/6方式NIM/ECL/TTL电平适配插件的设计和研制,通过实验测试,该插件各项测试结果达到了预期的设计要求。本文对各种定时方法进行了介绍,分析了普通定时甄别的原理及电路存在的定时误差。采用了全差分结构的动态差分阈值定时甄别电路,甄别结果经成形电路输出宽度可调的ECL信号,由于差分信号能有效的消除共模干扰,该电路具有结构简单、定时误差小、低阈值易实现的特点,通过ORCAD10.5仿真软件瞬态分析证明了该理论的正确性。由于远程控制的需要,设计了以数字电位器MAX5494为核心的阈值调节电路,替代了传统的数模转换结构。控制电路采用上位机、下位机、数字电位器三级控制结构。上位机使用Visual Basic6.0控件MScomm进行串行通信,下位机为MCS51系列单片机AT89C51,和上位机之间使用RS485接口进行通信,AT89C51使用软件模拟的SPI接口对MAX5494进行控制,由于数字电位器不能接低阻负载,且动态阈值的静态偏置电压要求为大小可调的双极性信号,为了兼顾数字电位器的输出特性、甄别电路的要求,设计了双极性电压产生电路。该电路制作了单通道甄别实验PCB板,对控制电路经过测试,测试结果分辨率(10bit)和调节精度满足实验系统阈值调节的需要。
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摘要Abstract第1章 绪论1.1 核电子学及该课题在信号处理系统中所处的位置1.2 研究的必要性及可行性1.2.1 研究的必要性1.2.2 研究的可行性1.3 本文的贡献及论文组织安排1.3.1 本文的贡献1.3.2 论文组织安排第2章 EMC及高速 PCB板的 EMC设计2.1 EMC 研究的目的和意义2.2 EMC 的研究内容、三要素及其对策2.3 EMC 的成因分析2.4 高速PCB 板的EMC 设计2.4.1 电源网络、接地系统EMC 设计2.4.2 层设计2.4.3 元件布局2.4.4 走线规则2.4.5 ESD 防护2.5 信号完整性设计2.5.1 反射抑制措施2.5.2 串扰抑制措施第3章 NIM/ECL/TTL电平适配插件的研制3.1 NIM 标准、相关电平标准3.1.1 NIM 标准3.1.2 电平标准3.2 插件性能要求及I/O 接口设计3.3 电路结构及方案描述3.4 逻辑结构3.5 单元电路实现3.5.1 电源电路设计3.5.2 NIM-ECL 适配电路3.5.3 NIM-TTL 适配电路3.5.4 ECL-TTL 适配电路3.5.5 TTL-ECL 适配电路3.5.6 TTL-NIM 适配电路3.5.7 ECL-NIM 适配电路3.5.8 电路复用总体结构3.6 PCB 设计3.7 性能测试及分析3.7.1 测试平台3.7.2 测试结果3.7.3 结果分析第4章 可控差分双阈超高速定时甄别电路研究4.1 定时方法比较4.1.1 前沿定时4.1.2 过零定时4.1.3 恒比定时4.1.4 幅度和上升时间补偿定时4.2 差分双阈定时甄别结构4.3 甄别电路ORCAD 仿真4.3.1 EDA 软件ORCAD10.54.3.2 甄别电路仿真4.4 电路整体结构4.5 电源及接地设计4.6 下位机AT89C514.6.1 AT89C51 简介4.6.2 时钟及复位电路4.7 上位机与下位机通信接口4.7.1 RS485 接口4.7.2 RS232-RS485 转换4.7.3 下位机RS485 接口电路4.7.4 AT89C51 串行口4.8 AT89C51 与数字电位器接口4.8.1 数字电位器MAX54944.8.2 MAX5494 的SPI 接口协议4.8.3 AT89C51 与MAX5494 接口电路4.8.4 双极性电压产生电路4.9 成形电路4.10 PCB 设计4.11 性能测试4.11.1 测试平台4.11.2 测试方法及结果第5章 软件设计5.1 上位机程序设计5.1.1 VB6.0 MSComm 控件5.1.2 程序设计5.2 下位机程序设计5.2.1 数据接收程序5.2.2 阈值控制程序第6章 总结与展望参考文献致谢攻读硕士学位期间发表论文攻读硕士学位期间参与项目附录1 电平适配器试制插件附录2 差分动态阈值定时甄别实验PC附录3 下位机程序
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