CN109581205A - 一种高速数模转换电路单粒子瞬态效应评估方法及系统 - Google Patents

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武永俊
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Abstract

一种高速数模转换电路单粒子瞬态效应评估方法及系统，(1)为待测高速数模电路配置码型，待测高速数模电路按照上述码型输出模拟信号；(2)采集上述模拟信号并转换成数字信号，通过上述数字信号判别测高速数模电路处于正常工作状态时，转步骤(3)；否则，从步骤(1)重新执行，直至工作状态正常；(3)对待测高速数模电路进行重离子试验，重新采集待测高速数模电路输出的模拟信号并进行模数转换，将转换得到的数字信号与步骤(1)中的码型进行比对，当二者的差值超出设定的阈值，则认为待测高速数模电路发生了单粒子瞬态效应；(4)在重离子试验期间，对待测高速数模电路的单粒子瞬态效应进行错误数统计；(5)计算待测高速数模电路在该重离子下的错误界面σT，利用σT完成电路单粒子瞬态效应的评估。

Description

一种高速数模转换电路单粒子瞬态效应评估方法及系统
技术领域
本发明涉及一种基于模数转换系统的高速数模转换电路单粒子瞬态效应评估方法。所述的高速一般速度高于1GHz。
背景技术
随着数字信号处理技术与航天事业的不断发展，高速数模换器广泛应用于空间电子系统中。高速数模转换器在太空中实际工作时不可避免地受到宇宙射线，高能粒子的辐射影响，容易导致电性能恶化，因此必须搭建抗辐射测试系统对宇航用高速数模转换器的单粒子瞬态效应进行检测，对其抗辐射性能的进行评估。
高速数模转换器电路由不同的单元模块组成，其单粒子敏感性不仅与各物理单元的敏感性相关，也与测试输入码型相关，使用不同的输入码型测得的单粒子敏感性差别很大。
目前，一般选用向数模转换器电路输入固定码型，再利用示波器采样的方法，对待测电路的单粒子瞬态效应进行检测，这种检测模式只适合对待测电路进行静态测试。在对待测电路输入高频动态信号时，由于触发窗口设置的局限性，示波器无法全面的检测到由于单粒子瞬态效应所导致的异常波形。
根据以上特点，利用模数转换器能在高频状态下将模拟信号转换为数字信号的优势，实现对待测高速数模转换电路输出信号的采集和转换，将模数转换得到的输出数字信号与原输入码值比对，以此实现对待测电路单粒子瞬态效应的检测与统计。这种方法可以实现对高频数模电路进行动态码型的测试，并可通过软硬件程序设计的方式，更为精确的实现对单粒子瞬态效应的甄别与检测，减少其重离子试验所耗费的机时。
发明内容
本发明解决的技术问题是：突破现有对高速数模转换电路单粒子瞬态效应的单一的静态测试模式，提出一种基于模数转换系统的高速数模转换电路单粒子瞬态效应评估方法及系统，本发明方法解决了动态测试模式下，现有的评估方式对数模器件单粒子瞬态效应评估不准确的问题，并且相较于现有的瞬态效应评估系统，操作方式便捷，节省了大量的机时和人力。
本发明的技术解决方案是：一种高速数模转换电路单粒子瞬态效应评估方法，包括如下步骤：
(1)为待测高速数模电路配置码型，待测高速数模电路按照上述码型输出模拟信号；
(2)采集上述模拟信号并转换成数字信号，通过上述数字信号判别测高速数模电路处于正常工作状态时，转步骤(3)；否则，从步骤(1)重新执行，直至工作状态正常；
(3)对待测高速数模电路进行重离子试验，重新采集待测高速数模电路输出的模拟信号并进行模数转换，将转换得到的数字信号与步骤(1)中的码型进行比对，当二者的差值超出设定的阈值，则认为待测高速数模电路发生了单粒子瞬态效应；
(4)在重离子试验期间，对待测高速数模电路的单粒子瞬态效应进行错误数统计；
(5)根据步骤(4)的结果，计算待测高速数模电路在该重离子下的错误界面σT，利用σT完成电路单粒子瞬态效应的评估，即σT越大，判定该待测高速数模电路对单粒子瞬态的敏感性越强。
优选的，所述的码型为静态码型，或者动态码型。
优选的，所述的设定的阈值不超过步骤(1)输入码型值的20％。
优选的，步骤(3)中当二者的差值超出设定的阈值后，增加判断，即判断在预设的时间段内二者的差值是否回复到阈值范围，若是，则认定发生一次单粒子瞬态效应。
一种高速数模转换电路单粒子瞬态效应评估系统，包括控制计算机、高频差分输入时钟模块、可编程逻辑阵列、待测数模电路试验系统、模数数据采集系统以及为上述各部分进行供电的直流电源模块；高频差分输入时钟模块为待测数模电路试验系统、模数数据采集系统提供工作时钟；
控制计算机：对系统中各部分进行配置，保证各部分正常工作；向可编程逻辑阵列发送控制命令；
可编程逻辑阵列根据控制指令的控制产生输入至待测数模电路试验系统中的配置码型，以及控制模数数据采集系统采集待测数模电路试验系统输出的模拟信号并进行模数转换；将模数数据采集系统转换后的数字信号与码型进行比对，当二者的差值超出设定的阈值，则认为待测高速数模电路发生了单粒子瞬态效应；统计重离子试验期间，发生的单粒子瞬态效应次数，将该次数发送至控制计算机，由控制计算机进行显示保存。
优选的，所述的可编程逻辑阵列包括可编程逻辑阵列一、可编程逻辑阵列二；
可编程逻辑阵列一产生输入至待测数模电路试验系统中的配置码型，该码型经由控制计算机发送至可编程逻辑阵列二；可编程逻辑阵列二控制模数数据采集系统采集待测数模电路试验系统输出的模拟信号并进行模数转换，转换后的数字信号输出至可编程逻辑阵列二；
可编程逻辑阵列二将接收数字信号及码型进行比对，当二者的差值超出设定的阈值，则认为待测高速数模电路发生了单粒子瞬态效应；统计重离子试验期间，发生的单粒子瞬态效应次数，将该次数发送至控制计算机，由控制计算机进行显示保存。
优选的，所述的待测数模电路试验系统包括待测高速数模电路、单端转差分模块、时钟同步模块，用于保证待测高速数模电路处于正常的工作模式；
单端转差分模块将可编程逻辑阵列一的输出的单端码型信号转换为差分信号，提供给待测高速数模电路进行数模转换；同步时钟模块保证待测高速数模电路与可编程逻辑阵列一之间的时钟同步。
优选的，模数转换数据采集系统包括模数转换器电路、固定端口配置模块、差分输出模块；
固定端口配置模块对模数转换器电路中的端口进行固定配置，保证模数转换器电路处于正常工作模式；
模数转换器电路对待测数模电路试验系统输出的模拟信号进行模数转换，得到数字信号发送至差分输出模块，由差分输出模块发送给可编程逻辑阵列二。
优选的，所述的模数转换器电路的位数与转换速率不低于待测高速数模电路的位数、转换速率。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明利用模数转换采集系统对待测高速数模电路的输出进行采集，将其输出的模拟信号转换为数字信号，转换后的结果直接与原输入数字码对比，根据两者之间是否产生较大差异来检测待测电路是否发生单粒子瞬态效应。由于是与原数字输入码型进行比较，因此这种方式对其没有特别限制，因此解决了现有检测方式中不便对高速数模器件进行动态测试的问题。本发明方法适用于对高速数模器件的动态测试与静态测试，结合硬件与软件设计的方式，将转换系统的数字输出与数字输入传输到计算机自动对比，以实现对待测电路单粒子瞬态效应的检测和后续的数据处理，提高了检测系统的准确性和可靠性，节省机时和人力。
在评估高速数模转换器件的单粒子瞬态效应敏感性时，本测试系统对被测高速数模转换电路的输入码型有很强的兼容性，输入动态码型和静态码型都可以通过上述系统实现对单粒子瞬态效应进行甄别和检测，统计错误数。
附图说明
图1是本发明的单粒子瞬态效应检测方法的工作原理图；
图2是本发明单粒子瞬态效应检测装置的硬件设计结构框图；
图3是本发明单粒子瞬态效应检测方法的软件设计的流程图
具体实施方式
本发明基于数模转换器件单粒子瞬态效应的特征，结合模数转换数据采集系统，利用可编程逻辑阵列对待测高速数模电路的输入码型进行灵活配置，并利用高速模数器件对输出数据进行采集和转换，对转换得到的数字信号进行分析，并通过与原数字输入码型进行比较的方法对待测电路的单粒子瞬态效应进行检测和统计，按照瞬态效应特征进行分类。该系统利用添加高速模数转换模块的方式，将待测电路输出转换为数字信号，与输入的数字码型进行比对，可对处于多种测试模式下的高速模数转换电路实现单粒子瞬态效应的检测与统计，提高了其单粒子瞬态评估结果的准确性和可靠性。本发明方法利用高速模数转换器件，对输入不同码型的高速数模转换电路的输出进行采集，将待测电路的模拟输出转化为数字输出。在进行辐照试验的过程中，利用可编程逻辑阵列将输出的数字信号与原始输入的数字信号进行实时比对，当输出信号与输入信号在一段时间内，出现较大差异时，认为待测电路发生了单粒子瞬态效应，累计单粒子瞬态效应错误数并保存实验数据。
由此可以看出，在评估高速数模转换器件的单粒子瞬态效应敏感性时，无论是对被测电路输入静态码型，还是输入动态码型，都可以通过上述系统实现对其单粒子瞬态效应的检测，对错误类型进行甄别并统计错误数。评估待测电路单粒子敏感性的工作原理图如图1所示，主要步骤如下：
(1)为待测高速数模电路配置码型，待测高速数模电路按照上述码型输出模拟信号；
(2)采集上述模拟信号并转换成数字信号，通过上述数字信号判别测高速数模电路处于正常工作状态时，转步骤(3)；否则，从步骤(1)重新执行，直至工作状态正常；
(3)对待测高速数模电路进行重离子试验，重新采集待测高速数模电路输出的模拟信号并进行模数转换，将转换得到的数字信号与步骤(1)中的码型进行比对，当二者的差值超出设定的阈值(一般设定不超过上述输入码型值的20％)，则认为待测高速数模电路发生了单粒子瞬态效应；
由于待测电路在受到重离子辐照期间有可能发生其他单粒子效应，为了甄别其中的单粒子瞬态效应，本方法认定将在一段时间内，如果检测到输入数据与输出数据的差异性超出所设定的阈值，并在一段时间(例如100ps-10ns)之后差异性回复到阈值范围内，则认为器件发生一次单粒子瞬态效应错误，对错误数进行累计。
(4)在重离子试验期间，对待测高速数模电路的单粒子瞬态效应进行错误数统计；
(5)根据步骤(4)的结果，计算待测高速数模电路在该重离子下的错误界面σT，利用σT完成电路单粒子瞬态效应的评估，即σT越大，判定该待测高速数模电路对单粒子瞬态的敏感性越强。
如图2所示，基于模数转换系统的高速数模转换电路的单粒子瞬态效应评估系统包括高性能计算机(亦称控制计算机)、直流电源模块、高频差分输入时钟模块、可编程逻辑阵列、待测数模电路试验系统、高速模数数据采集系统。
高性能计算机：用于向可编程逻辑阵列发送控制命令，设置各个器件的配置参数，接收可编程逻辑阵列上传的试验数据，显示系统检测到的待测电路的电流信息与电压信息，保存相关试验数据。
直流电源模块：为系统中各组成部分供电，根据试验中的具体要求进行电压配置。
高频差分输入时钟模块：为待测高速数模转换电路与模数转换电路提供差分时钟输入。由于检测装置系统中涉及的电路基本工作在高频状态下，所需要的差分时钟信号不能由可编程逻辑阵列直接提供，因此需要添加外部时钟模块来保证系统的正常运行。外部时钟模块可以根据检测装置中所涉及电路的实际情况进行独立配置。
可编程逻辑阵列：本例中拟选用两块可编程逻辑阵列为系统进行数据传输与数据处理。如检测装置硬件结构设计框图2所示，左侧可编程逻辑阵列，记为可编程逻辑阵列一拟用于为待测数模电路试验系统配置输入数字码型与控制信号。右侧可编程逻辑阵列记为可编程逻辑阵列二拟用于为模数转换数据采集系统配置控制信号，并接收数据采集系统的输出结果，将其输出数字信号与原输入数字码型比对，根据所设定的阈值，对待测电路在重离子辐照期间是否发生单粒子瞬态效应进行判断，并将判断的结果实时发送回计算机。
待测数模电路试验系统：主要用于保证高速模数转换能够处于正常的工作模式，其主要由高速模数转换、单端转差分模块、时钟同步模块三部分组成。单端转差分模块可用于将可编程逻辑阵列一的输出的单端信号转换为差分信号，提供给待测电路进行数模转换。同步时钟模块主要用于保证待测高速数模电路与可编程逻辑阵列一之间的时钟同步。
模数转换数据采集系统：主要用于保证模数转换器能够处于正常工作模式。模数转换数据采集系统主要包括模数转换器电路、固定端口配置模块、差分输出模块等三个部分。固定端口配置主要是对模数电路中与检测系统所需功能无关的端口进行固定配置，保证模数转换器电路处于正常工作模式。差分输出模块用于将模数转换器输出的差分信号发送给可编程逻辑阵列二进行后续的数据处理。
检测系统硬件设计的重点是模数转换器件的选型，作为检测系统的中间转换器件，模数器件的位数与转换速率应与待测电路的各项性能参数相匹配，以确保系统的检测精度与可靠性。
检测系统软件流程设计框图如图3所示，软件设计中对单粒子瞬态效应的甄别是设计的重点之一，本方法选用将输出结果与输入码型对比的方式来对待测电路的单粒子瞬态效应进行检测。将模数转换输出的数字信号与原输入给待测电路的数字信号一同发给可编程逻辑阵列中，通过程序设计的方式将两方数据做比对，并设置合理的阈值。具体实施步骤：
1、上电初始化配置；
2、可编程逻辑阵列一为待测高速模数转换配置输入数字码型；
3、检测待测高速模数转换是否处于正常工作模式，如果正常工作则开始辐照试验；
4、辐照试验开始后，控制模数数据采集系统开始采集待测电路的模拟输出；
5、可编程逻辑阵列二采集模数转换器转换得到的数字信号，并将其与原始输入码进行比对，检测其差异性是否超出所设定的阈值；
6、如果可编程逻辑阵列二检测到输出数字信号与输入数字信号之间的差异性，在一段时间内超出所设定的阈值，并在一段时间之后差异性回复到阈值范围内，则认为器件发生了单粒子瞬态效应，累计错误数，并将数据传输回计算机进行显示和保存。
7、累计足够的错误数或累计足够重离子注量后停止辐照实验，计算器件的错误界面，更换重离子，返回步骤1，直至获得待测高速数模转换器单粒子瞬态效应敏感性。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种高速数模转换电路单粒子瞬态效应评估方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)为待测高速数模电路配置码型，待测高速数模电路按照上述码型输出模拟信号；
(2)采集上述模拟信号并转换成数字信号，通过上述数字信号判别测高速数模电路处于正常工作状态时，转步骤(3)；否则，从步骤(1)重新执行，直至工作状态正常；
(3)对待测高速数模电路进行重离子试验，重新采集待测高速数模电路输出的模拟信号并进行模数转换，将转换得到的数字信号与步骤(1)中的码型进行比对，当二者的差值超出设定的阈值，则认为待测高速数模电路发生了单粒子瞬态效应；
(4)在重离子试验期间，对待测高速数模电路的单粒子瞬态效应进行错误数统计；
(5)根据步骤(4)的结果，计算待测高速数模电路在该重离子下的错误界面σT，利用σT完成电路单粒子瞬态效应的评估，即σT越大，判定该待测高速数模电路对单粒子瞬态的敏感性越强。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的码型为静态码型，或者动态码型。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的设定的阈值不超过步骤(1)输入码型值的20％。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(3)中当二者的差值超出设定的阈值后，增加判断，即判断在预设的时间段内二者的差值是否回复到阈值范围，若是，则认定发生一次单粒子瞬态效应。
5.一种高速数模转换电路单粒子瞬态效应评估系统，其特征在于：包括控制计算机、高频差分输入时钟模块、可编程逻辑阵列、待测数模电路试验系统、模数数据采集系统以及为上述各部分进行供电的直流电源模块；高频差分输入时钟模块为待测数模电路试验系统、模数数据采集系统提供工作时钟；
控制计算机：对系统中各部分进行配置，保证各部分正常工作；向可编程逻辑阵列发送控制命令；
可编程逻辑阵列根据控制指令的控制产生输入至待测数模电路试验系统中的配置码型，以及控制模数数据采集系统采集待测数模电路试验系统输出的模拟信号并进行模数转换；将模数数据采集系统转换后的数字信号与码型进行比对，当二者的差值超出设定的阈值，则认为待测高速数模电路发生了单粒子瞬态效应；统计重离子试验期间，发生的单粒子瞬态效应次数，将该次数发送至控制计算机，由控制计算机进行显示保存。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：所述的可编程逻辑阵列包括可编程逻辑阵列一、可编程逻辑阵列二；
可编程逻辑阵列一产生输入至待测数模电路试验系统中的配置码型，该码型经由控制计算机发送至可编程逻辑阵列二；可编程逻辑阵列二控制模数数据采集系统采集待测数模电路试验系统输出的模拟信号并进行模数转换，转换后的数字信号输出至可编程逻辑阵列二；
可编程逻辑阵列二将接收数字信号及码型进行比对，当二者的差值超出设定的阈值，则认为待测高速数模电路发生了单粒子瞬态效应；统计重离子试验期间，发生的单粒子瞬态效应次数，将该次数发送至控制计算机，由控制计算机进行显示保存。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于：所述的待测数模电路试验系统包括待测高速数模电路、单端转差分模块、时钟同步模块，用于保证待测高速数模电路处于正常的工作模式；
单端转差分模块将可编程逻辑阵列一的输出的单端码型信号转换为差分信号，提供给待测高速数模电路进行数模转换；同步时钟模块保证待测高速数模电路与可编程逻辑阵列一之间的时钟同步。
8.根据权利要求5或6所述的系统，其特征在于：模数转换数据采集系统包括模数转换器电路、固定端口配置模块、差分输出模块；
固定端口配置模块对模数转换器电路中的端口进行固定配置，保证模数转换器电路处于正常工作模式；
模数转换器电路对待测数模电路试验系统输出的模拟信号进行模数转换，得到数字信号发送至差分输出模块，由差分输出模块发送给可编程逻辑阵列二。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于：所述的模数转换器电路的位数与转换速率不低于待测高速数模电路的位数、转换速率。
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