[发明专利]一种硅微条探测器读出电路及读出方法

权利要求书

1.一种硅微条探测器读出电路，用于将硅微条阵列探测器输出的信号读出，转换成数字量后进行存储，其特征在于，所述电路包括前端电子学电路、后端数据获取电路和主控电路；所述硅微条阵列探测器由2片硅微条传感器组成，2片硅微条传感器垂直交叉布局；

所述前端电子学电路，用于将硅微条阵列探测器产生的电荷输出信号转化为电压信号，然后将电压值与门限值进行比较，若超过门限值则向主控电路输出数据采集的触发信号，同时将该电压信号转换为串行差分电流信号；

所述后端数据获取电路，用于将串行差分电流信号转化为数字量；

所述主控电路，用于当收到数据采集的触发信号后，为前端电子学电路和后端数据获取电路提供使能信号，读取后端数据获取电路输出的数据并进行存储；

所述前端电子学电路包括：前置放大电路、成形电路、采样保持电路和电压缓冲区；前置放大电路连接硅微条阵列探测器的2N路数据通道；一路数据通道输出探测器的一个探测单元的电荷输出信号；N为探测单元的个数；

所述前置放大电路，用于对有粒子入射的探测单元对应的两路数据通道的电流进行脉冲积分，将输入信号的电荷量转化成电压，将积分后的电压信号经过电容送入成形电路中；

所述成形电路，用于将前置放大电路输出的电压信号转换为成型脉冲，其中，信号在1.8～2μs到达成型脉冲最高值；将成形脉冲送到采样保持电路；

所述采样保持电路由一个模拟开关和一个电容组成，当保持信号Hold无效时，模拟开关一直处于导通状态，电容上的电压就是成形电路的输出电压，当保持信号Hold有效时，模拟开关未断开状态，电容上的电压保持不变；

所述电压缓冲区包括：比较电路、模拟多路复用器和差分模拟电流输出缓冲器；所述比较电路，用于将电压值与门限值进行比较，若超过门限值则向主控电路输出数据采集的触发信号；所述模拟多路复用器，用于在接收到主控电路的控制读数信号shift_in_b后，将电压切换到差分模拟电流输出缓冲器；所述差分模拟电流输出缓冲器，用于产生和输出差分后的电流值，该电流值大小正比于硅微条阵列探测器输入的电荷值。

2.根据权利要求1所述的硅微条探测器读出电路，其特征在于，所述后端数据获取电路包括：差分电流转模拟电压子电路和模拟电压转数字子电路；

差分电流转模拟电压子电路包括两个反馈电阻和一个减法器，两个反馈电阻将差分后的电流值转化成差分电压，经过减法器转化为单端电压，输出至模拟电压转数字子电路；

模拟电压转数字子电路包括：模数转换ADC，用于将模拟电压转换为数字量；模数转换ADC的功耗为100mW，采样率为220KHz，分辨率为16bit，在+5V单电源供电的情况下，输入动态范围为-10V～+10V；

模数转换ADC由两个输入信号控制：读数/转换输入信号和芯片选择输入信号其中，用于控制模数转换过程和输出数据的读取，当低，下降沿开始转换；当高，下降沿输出数据；当为低，下降沿开始采样转换；上升沿数据输出；当为高时，数据输出位为高阻状态；在将脉冲的下降沿施加到模数转换ADC之前，需要将信号拉低至少10ns；当在模数转换ADC施加了这两个输入信号后，模数转换ADC上的输出信号将变低并保持低电平，直到转换完成；4μs之后将再次返回高电平，此时并行数据在模数转换ADC输出上有效。

3.根据权利要求2所述的硅微条探测器读出电路，其特征在于，所述主控电路为FPGA芯片，具体控制过程包括：

在接收到前端电子学电路的触发信号后，激活保持信号hold并发送给前端电子学电路；随后激活控制读数信号shift_in_b和时钟信号ck_b，控制读数信号shift_in_b用于选择模拟多路复用器以切换到差分模拟电流输出缓冲器；当时钟信号ck_b处于下降沿时激活读数/转换输入信号和芯片选择输入信号

采集模数转换ADC输出的16bit数据，判断16bit数据是否为硅微条阵列探测器对应的数据通道输出的数据，若为是，则存储该16bit数据，否则，将该数据丢弃。

4.一种硅微条探测器读出方法，基于权利要求3所述的硅微条探测器读出电路实现，所述方法包括：

空间粒子入射硅微条阵列探测器后，在一个探测单元内部沉积能量，产生电荷；

所述前端电子学电路将两个数据通道的电荷输出信号转化为电压信号，然后将电压值与门限值进行比较，若超过门限值则向主控电路输出数据采集的触发信号，同时将该电压信号转换为串行差分电流信号；所述后端数据获取电路将串行差分电流信号转化为数字量；

当FPGA芯片接收到前端电子学电路的触发信号后，激活保持信号hold并发送给前端电子学电路；使hold信号到达时，前端电子学电路中的成形电路的输出刚好达到峰值，并将峰值电压保持在电容中；

随后FPGA芯片激活控制读数信号shift_in_b和时钟信号ck_b，

前端电子学电路在ck_b作用下，依次将各数据通道的峰值电压移位输出，在每一次的ck_b下降沿读数/转换输入信号和芯片选择输入信号此时模数转换ADC开始转换，变低，转换完毕后，变高，输出16bit数字量；

FPGA芯片采集16bit数据，判断16bit数据是否为硅微条阵列探测器对应的数据通道输出的数据，若为是，则存储该16bit数据，否则，将该数据丢弃。