CN113917966B - 一种开关电容阵列芯片直流偏置实时校正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种开关电容阵列芯片直流偏置实时校正方法，其步骤包括：1)利用FPGA对SCA芯片进行实时在线在直流偏置校正之前，计算SCA芯片内部每个通道中每个采样单元的直流偏置值并将其存储到计算机中；2)每次利用FPGA对SCA芯片进行实时在线在直流偏置校正过程中，在FPGA每次上电开始工作时将所述直流偏置值传输到FPGA的随机存取存储器RAM；3)将SCA芯片的采样信号读入FPGA时，从采样信号中减去RAM中该采样信号对应采样电容的直流偏置，完成实时的直流偏置校正。本发明大大提高了波形数字化的效率，且减少了对计算机计算能力和存储空间要求，节省系统成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种开关电容阵列芯片直流偏置实时校正方法，利用现场可编程门阵列(Field Programmable Gata Array，FPGA)对开关电容阵列芯片的直流偏置进行校正，真正实现了校正过程的实时性，可以有效简化开关电容阵列芯片直流偏置校正过程，广泛适用于利用开关电容阵列芯片进行高速波形采样数字化的领域。
背景技术
高速波形数字化技术广泛应用于粒子物理实验、核探测、核辐射成像等领域。这些实验中使用的探测器输出信号中包含了被探测粒子与核辐射的能量、时间和入射位置等物理信息。如果要获取到这些物理信息就需要首先将探测器信号进行数字化变成电子学设备和计算机能够处理的数字信号。传统的波形数字化方法是利用高速模拟数字转换器(Analogue-to-Digital convertor，ADC)，但是高功耗、高成本、低集成度(单芯片通道数少)，采样频率低等不利因素限制了ADC芯片在大通道数实验中的应用。开关电容阵列(Switched Capacitor Array，SCA)芯片由于其相对ADC芯片功耗更低、单芯片的通道数更高、价格也相对低廉同时可以提供非常高的采样频率等特点，可以作为高速波形数字化的有效替代方案，近些年来得到了越来越多的研究和应用。
SCA芯片的内部结构如示意图1所示，每个信号采样通道是由一系列的电容构成，输入信号会在开关信号的控制下依次在芯片内部电容阵列中进行电荷累积保持。但是在芯片的生产制作过程中每个电容的电容值无法做到完全一致，不同电容之间会存在偏差。这也就导致了经过电容阵列采样得到信号会出现相对于信号真实电平值的直流偏置，使得采样信号出现非线性失真。因此，为了保证采样信号的真实性必须进行直流偏置校正。对于一个芯片内部的电容来说，它本身的电容值是不会随时间变化的，也就是说它所产生的直流偏置大小也是确定的。基于这个原理可以将每个电容的直流偏置进行测量标定，然后再从采样波形中减去每个电容的直流偏置，这样就得到了真实的采样信号，校正结果如图2所示。图2展示了直流偏置校正前后噪声的大小对比。
常用的直流偏置校正都是利用计算机离线计算完成的，即将采样波形传输到计算机进行计算得到直流偏置，然后存储在计算机中。后续利用计算机进行波形处理时，一般需要电子学系统将SCA芯片采样并数字化的完整波形传输到计算机，然后再利用计算机将直流偏置从波形中减去完成波形校正过程。这种方法受限于计算机数据处理的能力以及计算机和电子学系统之间的数据传输带宽，无法进行实时在线的大量的多通道的波形校正过程，限制了在波形数字化电子学设备中进行信号实时处理的可能性。而且需要将完整的数字化波形信息传输到计算机，当通道数非常多时会大大增加电子学设备和计算机之间的数据传输压力。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于FPGA的开关电容阵列芯片直流偏置实时校正方法。本发明所提出的校正校正方法首先将计算得到的SCA芯片内部每个通道中每个采样单元的直流偏置的值存储到计算机中，然后在FPGA每次上电开始工作时将直流偏置数值传输到FPGA，FPGA内部的随机存取存储器(RAM)资源用来存储每个采样单元的直流偏置值。最后在采样信号读入FPGA时从RAM中读出对应采样电容的直流偏置从采样信号中减去，完成实时的直流偏置校正过程。本发明通过直接在FPGA实现开关电容阵列芯片直流偏置的实时校正，直接在电子学中得到校正后真实的采样波形，为利用电子学进行波形处理提供了基础，有效解决了上述问题。
本发明的技术方案为：
一种开关电容阵列芯片直流偏置实时校正方法，其步骤包括：
1)利用FPGA对SCA芯片进行实时在线在直流偏置校正之前，计算SCA芯片内部每个通道中每个采样单元的直流偏置值并将其存储到计算机中；
2)每次利用FPGA对SCA芯片进行实时在线在直流偏置校正过程中，在FPGA每次上电开始工作时将所述直流偏置值传输到FPGA的随机存取存储器RAM；
3)将SCA芯片的采样信号读入FPGA时，从采样信号中减去RAM中该采样信号对应采样电容的直流偏置，完成实时的直流偏置校正。
进一步的，当FPGA上电开始工作后，将SCA芯片全部N个采样单元的直流偏置值依次写入到FPGA内部RAM；其中第i个采样单元的直流偏置值Di写入RAM的地址i中；直流偏置值写入完成后SCA开始进行信号采样，当采样过程完成后，将SCA芯片的采样信号读入FPGA。
进一步的，将SCA芯片所有采样单元的采样信号依次读入至FPGA，当第i采样单元信号Si进入FPGA后，读出RAM内部对应地址i存储的直流偏置值Di，然用Si减去Di得到第i采样单元直流偏置校正后的数据。
进一步的，当所有采样单元读入FPGA并完成校正后即可开始下一次SCA芯片的采样过程。
本发明的优点如下：
1.利用FPGA芯片在数据获取电子学系统中直接对SCA芯片进行实时在线直流偏置校正，使得无需将完整的采样波形传输到计算机再利用计算机进行校正，在不影响校正结果的情况下简化了校正过程，大大提高了波形数字化的效率。
2.在FPGA为核心的电子学系统完成直流偏置校正得到校正后真实波形后，就可以在电子学系统直接进行数字化信号处理，不需要再将完整的波形信息传输到计算机再进行处理(数据量大)，而仅仅传输信号处理后得到的需要信息即可(数据量小)。有效解决了大量数据传输带来的带宽限制和功耗限制，同时减少了对计算机计算能力和存储空间要求，节省系统成本。
3.本发明利用计算机来存储直流偏置(对于一个确定是采样单元直流偏置值是永远不会变的，所有只需要计算一次存在计算机内即可)，在FPGA每次上电开始工作时将计算机中存储的直流偏置传输到FPGA的RAM中，这样就不需要FPGA每次上电工作后重新计算所有单元的直流偏置值，省去了直流偏置计算时间和FPGA内部计算逻辑资源的占用，效率更高，校正结果与之前效果一致。
附图说明
图1为SCA芯片内部采样单元电容阵列结构图。
图2为在线直流偏置校正结果图，其中(a)校正前RMS噪声,(b)校正后RMS噪声。
图3为利用FPGA进行SCA芯片的直流偏置校正流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步详细描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
利用FPGA进行SCA芯片在线直流偏置校正的步骤(如图3)如下：
1.首先在利用FPGA进行实时在线在直流偏置校正之前，对SCA进行内部每个采样单元i的直流偏置值Di进行计算，然后将Di存储在计算机中。
2.当FPGA上电开始工作后将SCA芯片全部N个采样单元的直流偏置数据(Di)依次写入到FPGA内部RAM对应地址i中。
3.直流偏置写入完成后SCA开始进行信号采样过程，当采样过程完成后，SCA采样过程停止并开始进行采样信号的读出。
4.SCA芯片所有采样单元的采样信号是依次读出至FPGA，当第i采样单元信号Si进入FPGA后，读出RAM内部对应地址i存储的直流偏置Di，然用Si减去Di得到直流偏置校正后的数据。随后第i+1采样单元信号进行同样的处理流程，直到完成所有N个采样单元的直流偏置校正。
5.当所有采样单元读入FPGA并完成校正后即可开始下一次SCA芯片的采样过程。
尽管为说明目的公开了本发明的具体实施例，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (2)
1.一种开关电容阵列芯片直流偏置实时校正方法，其步骤包括：
1)利用FPGA对SCA芯片进行实时在线在直流偏置校正之前，计算SCA芯片内部每个通道中每个采样单元的直流偏置值并将其存储到计算机中；
2)每次利用FPGA对SCA芯片进行实时在线在直流偏置校正过程中，在FPGA每次上电开始工作时将所述直流偏置值传输到FPGA的随机存取存储器RAM；当FPGA上电开始工作后，将SCA芯片全部N个采样单元的直流偏置值依次写入到FPGA内部RAM；其中第i个采样单元的直流偏置值Di写入RAM的地址i中；直流偏置值写入完成后SCA开始进行信号采样，当采样过程完成后，将SCA芯片的采样信号读入FPGA；
3)将SCA芯片的采样信号读入FPGA时，从采样信号中减去RAM中该采样信号对应采样电容的直流偏置，完成实时的直流偏置校正；其中，将SCA芯片所有采样单元的采样信号依次读入至FPGA，当第i采样单元信号Si进入FPGA后，读出RAM内部对应地址i存储的直流偏置值Di，然用Si减去Di得到第i采样单元直流偏置校正后的数据。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当所有采样单元读入FPGA并完成校正后即可开始下一次SCA芯片的采样过程。
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