采样单元、开关电容阵列及控制方法技术

本发明专利技术公开了一种采样单元、开关电容阵列及控制方法，采样单元内部并联设置两个采样电容，能通过采样开关控制切换以不同的采样电容进行采样，进而实现工作于长链模式或乒乓模式进行采样与量化。长链模式可实现采样单元数量两倍的采样深度，减小了芯片面积；乒乓模式允许短时间内两个脉冲波形输入，提高了峰值事例率，应用范围更广。两种模式在不改变外部电路的情况下实现切换，灵活方便。这种结构具有调整灵活、可配置、允许峰值事例率高等特点；可应用于基于开关电容阵列的波形数字化领域，包括粒子物理实验中的飞行时间探测系统、中微子测量、医疗成像领域的PET仪器等。医疗成像领域的PET仪器等。医疗成像领域的PET仪器等。

【技术实现步骤摘要】
采样单元、开关电容阵列及控制方法


[0001]本专利技术涉及波形数字化设备领域，尤其涉及一种采样单元、开关电容阵列及控制方法。

技术介绍

[0002]波形数字化广泛应用于时间飞行探测器系统、中微子测量实验、伽马射线测量等粒子物理实验当中。传统的波形数字化方法采用高速模拟数字变换器（Analogue
‑
to
‑
Digital convertor，ADC）。ADC的工作步骤是重复进行采样、量化，在一个周期内分步或同时进行以上步骤，因此采样速度会受到量化速度的限制。针对粒子物理实验的特点，一种基于开关电容阵列（SwitchedCapacitor Array，SCA）专用集成电路（Application Specific integrated Circuit，ASIC）的波形数字化技术作为ADC的替代方案被提出，此方案具有高采样速率、低功耗、高通道集成度、低成本等优点，在粒子物理实验领域受到广泛的关注和研究。
[0003]目前国际已有的SCA芯片广泛采用的结构如图1所示，输入信号由总线分发到各个采样单元，各采样单元循环对输入信号采样。当脉冲波形到来，所有采样单元停止循环采样，同步进行量化、读出。由于存储在电容阵列上的模拟信号量化、读出需要时间，此时间内无法进行新一轮采样，此时间被称作死时间。这种结构的SCA芯片对事例率较低的单个脉冲波形可以较好地完成数字化功能，但是死时间内如果有脉冲波形输入，SCA芯片无法进行采样，造成波形的丢失。
[0004]除此之外，不同应用场景下，对SCA有不同的需求：对于脉宽较宽的波形，需要大的采样深度；对于速度较快的波形，则希望能支持较高的事例率。而更高的采样深度需要更长时间进行读出，从而降低事例率，这两个指标互相矛盾。目前国际广泛使用的SCA结构需要针对不同的应用场景采取不同的硬件设计，无法在不改变电路结构情况下在同一SCA实现满足采样深度与较高事例率的双重需求。
[0005]有鉴于此，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供了一种采样单元、开关电容阵列及控制方法，能在不改变电路前提下，根据不同的控制方式工作于不同的采样模式，一种模式可在短时间内采集两组波形，减少波形丢失，提升峰值事例率，另一种模式可以进行采样深度的拓展，进而解决现有技术中存在的上述技术问题。
[0007]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种采样单元，用于开关电容阵列，包括：两个采样开关、两个采样电容、两个模拟缓冲器、一个比较器和一个寄存器组；其中，两个采样电容的采样端各通过一个采样开关与模拟输入端电性连接，能在两个采样开关的控制下切换由不同的采样电容对模拟输入端的输入信号进行采样；
两个采样电容的输出端各经一个模拟缓冲器与所述比较器的一个输入端电性连接，所述比较器的输出端与所述寄存器组的输入端电性连接，能控制所述寄存器组锁存计数值；所述比较器的一个输入端用于连接斜坡电压产生电路的斜坡电压信号输出端；两个采样开关的控制端用于连接采样与量化控制电路，能由所述采样与量化控制电路控制各采样开关的通断；两个模拟缓冲器的控制端用于连接所述采样与量化控制电路，能由所述采样与量化控制电路控制各模拟缓冲器输出端的通断；所述寄存器组的计数端用于连接ADC计数器；所述寄存器组的读出控制端用于连接读出控制电路，能在所述读出控制电路的控制下从该寄存器组的数据输出端读取数据。
[0008]一种开关电容阵列，包括：采样时钟产生电路和并列设置的多个采样单元，，各采样单元均采用本专利技术所述的采样单元；还包括：采样与量化控制电路、斜坡电压产生电路、ADC计数器、ADC时钟产生电路、并串转换电路和读出控制电路；其中，所述采样时钟产生电路的时钟信号输出端与所述采样与量化控制电路的输入端电性连接；各采样单元的两个采样开关的控制端分别与所述采样与量化控制电路的第一采样电容采样开关控制端和第二采样电容采样开关控制端电性连接；各采样单元的两个模拟缓冲器的控制端分别与所述采样与量化控制电路的第一采样电容驱动控制端和第二采样电容驱动控制端电性连接；所述斜坡电压产生电路的斜坡电压信号输出端分别与各采样单元的比较器的另一个输入端电性连接，所述斜坡电压产生电路的使能端与所述采样与量化控制电路的量化控制端电性连接；所述ADC计数器的计数信号端分别与各采样单元的寄存器组的计数端电性连接，所述ADC计数器的使能端与所述采样与量化控制电路的量化控制端电性连接；所述ADC时钟产生电路与ADC计数器的时钟信号输入端电性连接；所述并串转换电路输入端与各采样单元的寄存器组的输出总线连接，输出到芯片外部；所述读出控制电路的使能端与所述采样与量化控制电路的读出控制端电性连接，能控制各采样单元的寄存器组的数据读出，所述读出控制电路的采样单元控制端与各采样单元的寄存器组电性连接，能控制各采样单元的寄存器组的数据输出；所述采样与量化控制电路分别设有击中信号输入端、模式选择信号输入端和控制时钟输入端，所述击中信号输入端能接收击中信号，所述模式选择信号输入端能接收模式选择信号，所述控制时钟输入端能接收控制时钟信号；所述斜坡电压产生电路、ADC计数器、ADC时钟产生电路和每个采样单元的比较器和寄存器组组成每个采样单元的模数转换器。
[0009]一种开关电容阵列的控制方法，用于对本专利技术所述的开关电容阵列进行采样控制，其特征在于，包括：采样时由采样与量化控制电路按对应的工作模式控制各采样单元内部的两个采
样电容进行切换，由处于开通状态的采样电容对输入信号进行采样；量化时由采样与量化控制电路按对应的工作模式对各采样单元内部的两个采样电容上的电压值进行量化，以及配合读出控制电路控制各采样单元量化数据的读出；所述工作模式包括：长链模式和乒乓模式。
[0010]与现有技术相比，本专利技术所提供的采样单元、开关电容阵列及控制方法，其有益效果包括：由于在开关电容阵列的各采样单元内部设置两个采样电容，配合采样与量化控制电路控制以及模式切换量化控制电路量化，在不改变外部电路情况下，能实现切换不同的采样电容按不同采样模式进行采样，以及按不同量化模式进行量化，进而形成不同的采样工作模式，不仅可实现短时间内对两个脉冲波形输入进行采样，实现更高的峰值事例率，而且能实现采样单元两倍的采样深度。
附图说明
[0011]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
[0012]图1为现有技术广泛采用的SCA芯片的内部结构示意图。
[0013]图2为本专利技术实施例提供的采样单元结构示意图。
[0014]图3为本专利技术实施例提供的开关电容阵列的构成示意图。
[0015]图4为本专利技术实施例提供的开关电容阵列的采样与量化控制电路结构示意图。
[0016]图5为本专利技术实施例提供的脉冲展宽电路结构示意图。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种采样单元，用于开关电容阵列，其特征在于，包括：两个采样开关、两个采样电容、两个模拟缓冲器、一个比较器和一个寄存器组；其中，两个采样电容的采样端各通过一个采样开关与模拟输入端电性连接，能在两个采样开关的控制下切换由不同的采样电容对模拟输入端的输入信号进行采样；两个采样电容的输出端各经一个模拟缓冲器与所述比较器的一个输入端电性连接，所述比较器的输出端与所述寄存器组的输入端电性连接，能控制所述寄存器组锁存计数值；所述比较器的一个输入端用于连接斜坡电压产生电路的斜坡电压信号输出端；两个采样开关的控制端用于连接采样与量化控制电路，能由所述采样与量化控制电路控制各采样开关的通断；两个模拟缓冲器的控制端用于连接所述采样与量化控制电路，能由所述采样与量化控制电路控制各模拟缓冲器输出端的通断；所述寄存器组的计数端用于连接ADC计数器；所述寄存器组的读出控制端用于连接读出控制电路，能在所述读出控制电路的控制下从该寄存器组的数据输出端读取数据。2.根据权利要求1所述的采样单元，其特征在于，所述比较器为Wilkinson型模数转换器的比较器；所述寄存器组的寄存器为Wilkinson型模数转换器的寄存器。3.一种开关电容阵列，包括：采样时钟产生电路和并列设置的多个采样单元，其特征在于，各采样单元均采用权利要求1或2所述的采样单元；还包括：采样与量化控制电路、斜坡电压产生电路、ADC计数器、ADC时钟产生电路、并串转换电路和读出控制电路；其中，所述采样时钟产生电路的时钟信号输出端与所述采样与量化控制电路的输入端电性连接；各采样单元的两个采样开关的控制端分别与所述采样与量化控制电路的第一采样电容采样开关控制端和第二采样电容采样开关控制端电性连接；各采样单元的两个模拟缓冲器的控制端分别与所述采样与量化控制电路的第一采样电容驱动控制端和第二采样电容驱动控制端电性连接；所述斜坡电压产生电路的斜坡电压信号输出端分别与各采样单元的比较器的另一个输入端电性连接，所述斜坡电压产生电路的使能端与所述采样与量化控制电路的量化控制端电性连接；所述ADC计数器的计数信号端分别与各采样单元的寄存器组的计数端电性连接，所述ADC计数器的使能端与所述采样与量化控制电路的量化控制端电性连接；所述ADC时钟产生电路与ADC计数器的时钟信号输入端电性连接；所述并串转换电路输入端与各采样单元的寄存器组的输出总线连接，输出到芯片外部；所述读出控制电路的使能端与所述采样与量化控制电路的读出控制端电性连接，能控制各采样单元的寄存器组的数据读出，所述读出控制电路的采样单元控制端与各采样单元的寄存器组电性连接，能控制各采样单元的寄存器组的数据输出；所述采样与量化控制电路分别设有击中信号输入端、模式选择信号输入端和控制时钟输入端，所述击中信号输入端能接收击中信号，所述模式选择信号输入端能接收模式选择
信号，所述控制时钟输入端能接收控制时钟信号；所述斜坡电压产生电路、ADC计数器、ADC时钟产生电路和每个采样单元的比较器和寄存器组组成每个采样单元的模数转换器。4.根据权利要求3所述的开关电容阵列，其特征在于，所述采样与量化控制电路包括：脉冲展宽电路、模式切换采样开关控制电路和模式切换量化控制电路；其中，所述脉冲展宽电路分别设有击中信号输入端、第一控制时钟输入端和展宽后击中信号输出端，所述击中信号输入端接收片外击中信号，所述第一控制时钟输入端接收片外时钟信号，所述展宽后击中信号输出端分别与模式切换采样开关控制电路和模式切换量化控制电路电性连接；所述模式切换采样开关控制电路分别设有第一时钟输入端、第一击中信号输入端、第一模式选择信号输入端、第一采样电容采样开关控制端、第二采样电容采样开关控制端、电容选择信号输出端、长链模式量化信号输入端、乒乓模式第一采样电容量化信号输入端和乒乓模式第二采样电容量化信号输入端，所述第一时钟输入端与所述采样时钟产生电路的信号输出端电性连接，所述第一击中信号输入端与所述脉冲展宽电路的展宽后击中信号输出端电性连接，所述第一模式选择信号输入端接收片外模式选择信号，第一采样电容采样开关控制端和第二采样电容采样开关控制端分别与各采样单元的两个采样开关的控制端电性连接，所述电容选择信号输出端、长链模式量化信号输入端、乒乓模式第一采样电容量化信号输入端和乒乓模式第二采样电容量化信号输入端分别与模式切换量化控制电路电性连接；所述模式切换量化控制电路分别设有第二击中信号输入端、第二控制时钟输入端、第二模式选择信号输入端、第一采样电容驱动控制端、第二采样电容驱动控制端、量化控制端、读出控制端、量化时间输入端、读出时间输入端、电容选择信号输入端、长链模式量化信号输出端、乒乓模式第一采样电容量化信号输出端和乒乓模式第二采样电容量化信号输出端，所述第二击中信号输入端与所述脉冲展宽电路的展宽后击中信号输出端电性连接，所述第二控制时钟输入端接收片外控制时钟信号，所述第二模式选择信号输入端接收片外模式选择信号，所述第一采样电容驱动控制端和第二采样电容驱动控制端分别与各采样单元的两个模拟缓冲器的控制端电性连接，所述量化控制端与ADC计数器的使能端和斜坡电压产生电路的使能端电性连接，所述读出控制端与读出控制电路的使能端电性连接，所述量化时间输入端用于接收量化时间；所述读出时间输入端用于接收读出时间；所述电容选择信号输入端、长链模式量化信号输出端、乒乓模式第一采样电容量化信号输出端和乒乓模式第二采样电容量化信号输出端分别与模式切换采样开关控制电路电性连接。5.根据权利要求4所述的开关电容阵列，其特征在于，所述模式切换采样开关控制电路包括：长链模式采样开关控制电路、乒乓模式采样开关控制电路和多路选择器组；其中，所述长链模式采样开关控制电路与乒乓模式采样开关控制电路并列设置，所述长链模式采样开关控制电路与乒乓模式采样开关控制电路均与所述模式切换量化控制电路和所述采样时钟产生电路的信号输出端电性连接；所述长链模式采样开关控制电路与乒乓模式采样开关控制电路均设有击中信号输入端，并与脉冲展宽电路输出端电性连接，能根据各自击中信号输入端输入的击中信号进行
对应的处理；所述长链模式采样开关控制电路的输出端与乒乓模式采样开关控制电路的输出端通过所述多路选择器组分别与各采样单元的两个采样开关控制端电性连接；所述长链模式采样开关控制电路，能根据所述采样时钟产生电路的输出信号产生控制各采样单元的进行长链模式采样的长链模式采样开关信号；所述乒乓模式采样开关控制电路，能根据所述采样时钟产生电路的输出信号产生控制各采样单元的进行乒乓模式采样的乒乓模式采样开关信号；所述多路选择器组设有第三模式选择信号输入端，能根据该第三模式选择信号输入端输入的长链模式采样信号控制向各采样单元的两个采样开关输出所述长链模式采样开关控制电路产生的长链模式采样开关信号，或根据该模式选择信号输入端输入的乒乓模式采样信号控制向各采样单元的两个采样开关输出所述乒乓模式采样开关控制电路产生的乒乓模式采样开关信号。6.根据权利要求5所述的开关电容阵列，其特征在于，所述多路选择器组由第一采样控制多路选择器组和第二采样控制多路选择器组组成，所述第一采样控制多路选择器组连接控制各采样单元的第一采样电容，所述第二采样控制多路选择器组连接控制各采样单元的第二采样电容；所述采样时钟产生电路设有n个时钟信号输出端，n为开关电容阵列的采样单元数量，通常为2的指数；所述长链模式采样开关控制电路包括：第一D触发器、第二D触发器、二输入或非门和n个并列设置的长链模式采样开关控制信号输出使能电路，n为开关电容阵列的采样单元数量，通常为2的指数；其中，所述第一D触发器的时钟端与所述采样时钟产生电路的第3n/4个时钟信号输出端电性连接，输入端与反向输出端电性连接，输出端和反向输出端均与前n/2个长链模式采样开关控制信号输出使能电路的输入端电性连接；所述第二D触发器的时钟端与所述采样时钟产生电路的第n/4个时钟信号输出端电性连接，输入端与第一D触发器的输出端电性连接，输出端和反向输出端均与后n/2个长链模式采样开关控制信号输出使能电路输入端电性连接；所述二输入或非门的第一输入端与所述模式切换量化控制电路的长链模式量化信号输入端电性连接，第二输入端与所述脉冲展宽电路的展宽后击中信号输出端电性连接，输出端与n个长链模式采样开关控制信号输出使能电路电性连接，能输出采样使能信号；所述长链模式采样开关控制信号输出使能电路分为两组，其中，第一组包括n/2个长链模式采样开关控制信号输出使能电路，用于输出前n/2个采样单元的长链模式采样开关控制信号，在采样使能信号与所述第一D触发器的输出端与反向输出端的控制下对所述采样时钟产生电路的前n/2个时钟信号输出端进行选通；第二组包括n/2个长链模式采样开关控制信号输出使能电路，用于输出后n/2个采样单元的长链模式采样开关控制信号，在采样使能信号与第二D触发器的输出端与反向输出端的控制下对所述采样时钟产生电路的后n/2个时钟信号输出端进行选通；所述乒乓模式采样开关控制电路包括：第三D触发器、电容切换控制电路和n个并列设置的乒乓模式采样开关控制信号输出使
能电路，n为开关电容阵列的采样单元数量，通常为2的指数，其中，所述第三D触发器的时钟端与所述脉冲展宽电路的展宽后击中信号输出端电性连接，输入端与所述电容切换控制电路的输出端电性连接，输出端和反向输出端均与所述电容切换控制电路的输入端和n个并列设置的乒乓模式采样开关控制信号输出使能电路的输入端电性连接；所述输出端为乒乓模式采样开关控制电路的电容选择信...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵雷，王裕廷，秦家军，安琪，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：