[实用新型]一种SCA多通道高速采集系统

说明书

技术领域：

本专利涉及一种多通道高速采集系统，具体涉及一种SCA（Switch Capacitor Arrays，开关电容阵列）多通道高速采集系统。

背景技术：

在全波形分析技术领域，与以往的单通道扫描体制相比，多通道阵列主动探测体制能够快速形成高密度的三维点云，首先其数据获取效率大大提高，其次可以满足高速实时成像的特殊需求，同时成像分辨率也可以相应提高。无论对于激光主动遥感探测还是包括医疗影像及高能物理探测等其他领域应用中，这都意味着整机性能和经济效益的提升。因为相应的集成阵列探测器APD、PMT阵列等在国外虽已开展研究多年但至今器件仍不成熟，而国内这方面更是没有明显进展。同时由于集成阵列探测器都是基于能量积分或基于飞行时间进行探测，获取回波信息量有限，不能进行全波形探测和分析，所以基于多元集成的多通道探测方式是主要的发展趋势。出于提高图像分辨率、数据获取效率、提高系统实时性等考虑，根据不同应用其对通道数有数十通道甚至数百通道的需求，多通道的全波形采集和分析系统成为其未来发展的决定因素。

而在多通道测量系统中，一致性问题是必须要解决的难题之一。传统的多通道校准分为幅度校准、时间校准和同步性校准，传统的方法为定标实验法来解决，即多通道中各通道输入相同幅度、相同周期以及相同延时关系的校准信号，在获取多通道测量数据后经统计分析确定各通道的标定值，需要高精度的标定系统配合完成。但也存在以下问题：

（1）标定结果适用性差，在某条件下完成系统标定后，如果信号特征发生变化、工作温度变化以及其他工作条件发生变化，标定效果都会变差甚至失效。

（2）标定过程复杂，为解决上述问题需要进行复杂的全工作条件（不同温度、供电、信号特征情况下）标定，最终通过软件查表插值修正来解决。从设计实现和实现过程角度出发复杂度均较高。测量仪器需要开机校准后才能使用，也需要经常性标定。

（3）基于软件查表插值的系统标定误差大，首先标定过程存在系统标定误差，其次软件拟合与实际工作条件也存在一定误差。

多通道系统差的来源主要分为：1.测量器件差异（幅频差异）；2.不同测量通道的差异（幅频差异）；3.多时钟相位误差；4.印制板布线延时差异。前三者误差项主要与系统设计和器件差异有关，随工作条件不同会发生变化，无法通过单次标定解决，第四项误差基本与工作条件不相关可以通过单次标定消除。

基于以上问题，本专利提出了一种基于SCA阵列的多通道时频同步校准系统，该系统只需单次系统标定消除第四项误差，其他误差项通过在线实时校准完成对工作条件变化不敏感，也就意味着无需其他标定过程。同时，采用全同步设计，进一步降低系统误差。

发明内容：

本专利的目的在于提出一种SCA多通道高速采集系统，解决多通道测量系统中，各通道输入幅度、周期及延迟关系的信号不一致问题。

本专利的SCA多通道高速采集系统结构如图1所示，包括：波形采集和测时模块组件1和综合处理器模块2，其中：

所述的波形采集和测时模块组件1由4个结构相同的波形采集和测时模块组成，分别是1～4通道波形采集和测时模块1-1、5～8通道波形采集和测时模块1-2、9～12通道波形采集和测时模块1-3以及13～16通道波形采集和测时模块1-4；所述的波形采集和测时模块如图2所示，包括继电器衰减网络101、高速运放102、SCA芯片103、AD器件104、采集控制FPGA105以及专用测时芯片106；其中：

所述的继电器衰减网络101由继电器和阻容衰减电路组合结构；

所述的高速运放102是宽带全差动放大器和比较器组合结构；

所述的SCA芯片103是8通道、位数12bit、采样率0.5～5Gsps的SCA芯片；

所述的AD器件104是8通道、位数14bit、采样率50Msps的模数转换器；

所述的采集控制FPGA105对SCA芯片103工作模式进行控制，选用型号为XC3S1000；

所述的专用测时芯片106是8通道，测量分辨率81ps，无测量范围限制，200MHz峰值，40MHz持续测量频率的时间测量芯片；

所述的综合处理器模块包括主处理器FPGA芯片201和DSP202，其中：

所述的主处理器FPGA芯片201是双极型导电、半导体集成的FPGA芯片；

所述的DSP202是高性能、定点数字信号处理器，最高工作频率为1.2GHz；

系统的工作原理如下：