高性能数据采集系统核心器件国产化水平研究

高性能数据采集系统在高能物理、粒子物理实验、辐射探测等科学研究中具有广泛的应用,是许多大科学装置的关键设备。高性能数据采集系统核心器件主要包括ADC和FPGA,国外一些发达国家在这方面的研究长期处于垄断地位,高性能的ADC和FPGA是严格对我国实施技术管控的产品,因此研究基于国产化核心器件的高性能数据采集系统显得尤为重要。基于高性能数据采集系统的原理,根据《瓦森纳协议》,梳理了西方国家对我国关键电子元器件以及测试仪器设备的技术封锁情况,调研了国产高性能ADC芯片以及FPGA芯片的设计生产现状并做了性能比对,同时分析了国内外示波器以及数据采集仪的现状并做了性能指标方面的对比,最后讨论了关键电子元器件国产化替代思路。     

高速分幅相机图像采集的硬件设计与软件开发

高速门控4分幅相机可实现纳秒时间分辨的连续4帧图像采集。设计了分幅相机4通道图像采集的硬件系统,主要由4个CCD摄像头、多通道图像采集卡和主控计算机组成,在门控单次曝光工作模式下,外触发信号同时触发前端的电子学快门系统和后端的图像采集卡,实现对各路有效图像数据的同步采集。针对4分幅相机系统组成和工作原理,开发了专用的主控软件,功能主要包括各种工作模式下的采集控制和必要的图像处理。测试表明采集方案设计合理,所实现的软硬件系统工作稳定可靠,确保了分幅相机系统的整体性能。     

利用普通CCD实现百万帧/秒超高速成像的时序驱动技术

提出了基于普通CCD的掩模式成像技术来大幅提高CCD的图像获取速度,实现百万帧/秒的CCD时序驱动方法。介绍了加掩模后CCD的工作过程,利用掩模把普通CCD的光敏区划分为带有存储区的像素阵列,实现了普通CCD的片上存储功能。分析了利用普通CCD实现百万帧/秒超高帧频的时序驱动方法,掩模形状决定了帧速,帧数和图像的分辨率。对系统的时序结构、电荷转移方式和驱动电路进行了说明,通过特殊驱动电路和图像处理软件设计实现了百万帧/秒的超高帧频。最后,对驱动时序进行了仿真和实验验证。采用条状孔阵列掩模,基于普通CCD图像传感器进行了百万帧/秒工作速度的验证,获得了14幅79pixel×79pixel的图像,其帧频达到200×104 frame/s。文章所述技术具有一定的通用性。     

脉冲辐射探测信号模拟光纤传输系统

为实现极端实验环境下脉冲辐射探测信号的远距离 传输,采用电光转换和光电转换的方法设计了 一套模拟光纤传输系统。该系统基于DFB激光器的强度直接调制特性实现了电光转换;以运 算放大器为主 体构建了激光器驱动电路;利用专用集成芯片MAX1968实现了激光器 半导体PN结的无死区温度控制。为 提高系统测试精度,光接收端采用带有暗电流校正的平衡PIN 前置放大器将光信号还原为电 信号,以提高 系统动态范围。最后,实验测试了系统性能指标。结果表明,系统的－3dB带宽为DC~155 MHz,线性动态 范围> 40 dB(100倍),输出噪声峰-峰值<3mV。该系 统适用于对传输带宽、安全性等要求高的科学研究中。     

异步Binning高帧频CCD相机的拖尾校正

一种基于异步时序驱动和Binning技术的高帧频成像技术在帧转移CCD相机上得到成功应用。为了抑制该CCD相机成像时产生的拖尾效应,基于该相机的高帧频连续成像原理,理论上分析了图像获取过程中拖尾产生的原因,给出了一套完整的消除拖尾的数值解析算法。该算法充分考虑了图像亮度变化对拖尾形成产生的影响,并对此进行了修正,已在异步Binning CCD相机上进行了实验验证。利用相机以40 000帧每秒的帧频获取4幅连续图像进行实验,实验结果表明,该算法可有效去除每幅图像的拖尾噪声,而且消除拖尾噪声后的图像区域的灰度方差得到明显降低,异步Binning CCD相机的成像质量得以提高。上述结果表明算法适用于高帧频相机的连续成像。     

2kV高稳定度高压脉冲电源设计

在一些光学精密仪器的应用场合中,不仅需要脉冲电源在时间上能够提供精确的控制,而且需要具有高稳定度的输出,以提高光电系统的探测性能;运用基于高压开关的两级式方法,采用单级高功率MOSFET开关结合具有高稳定输出的直流电源的结构,设计了输出辐度可达2kV的高稳定负脉冲电源;测试结果表明,在输出脉冲宽度为8 μs时,脉冲前沿约为48 ns,系统延迟时间约为140 ns,负脉冲超调参数约为1%。该系统具有结构简单、可靠性高、高稳定性输出等优点,可以为特定的光电器件提供优质的控制方式。     

单次快脉冲大动态数字化采集系统设计

本文介绍了一种单次快脉冲大动态信号的采集方案。介绍了采集系统的构成,主要组件的原理和实现方法,最后对系统进行了测试。该系统能够实现动态范围100 dB,单通道采样率为1 Gs/s,模拟带宽为250 MHz,记录长度为64μs,具备计算机网络程控和数据处理存储。已经过长期考核,设备运行稳定可靠,设计符合GJB 3947A—2009三级设备要求。     

远程控制高时间分辨多通道脉冲发生器设计

基于FPGA为四分幅相机研制了高时间分辨的多通道脉冲发生器;该系统具有4个独立的输出信号,配合高压快门电路实现对分幅相机4个通道曝光时间和延迟的控制;采用FPGA内部计数方法实现各个通道输出脉冲的宽度和延时的精确调节,同时采用光纤通信的方式实现远程控制,并利用高速高压输出驱动接口提高了系统的输出能力;研制的同步脉冲发生器最小时间分辨可达4 ns、输出幅度可达7.5 V、传输距离大于10 km。     

高速实时一维阵列光电探测系统

设计实现了基于PIN光电二极管一维阵列的紧凑型实时光电探测系统。系统在16 cm的宽度内实现了32路PIN光电二极管信号的处理与采样;探测器弱电流信号的高带宽调制电路在实现104倍信号增益的同时,信号带宽约35 MHz;多通道ADC电路采样频率75 MHz,采样周期约13.3 ns,采样精度12 bits;基于高性能FPGA的信号处理电路实现了对32路高速ADC采样信号的实时处理,数据处理速度达到28.8 Gbps,每通道采样深度8 000。     

科学级CCD远程图像采集系统设计

介绍了一种基于高分辨率超感光度（EXview）CCD的光纤远程传输采集系统的设计方法。该系统利用专用集成芯片实现其时序驱动;双复杂可编程逻辑器件(CPLD)完成系统的逻辑控制;采用带相关双采样的16位高精度模数变换器(ADC)对模拟视频进行数字化,从而提高系统动态范围。为满足其极端实验环境的应用,基于TLK1501进行大容量视频数据的远程传输;利用USB接口实现了计算机终端采集。最后,实验测试了系统的两个重要的评价参数：动态范围和系统灵敏度。该系统具有140万像素、16位高精度数字化位数、30 km以上的远程传输能力,其动态范围为1000~1500倍、灵敏度为2.34 ADU/e-左右,暗电流约为6 e-/pixel·s-1[>32 ℃]。实验显示该系统适用于对分辨率、灵敏度、安全性等要求高的科学研究中。