Σχεδίαση ηλεκτρονικών για τον έλεγχο λειτουργίας VLSI κυκλώματος σε διάταξη κυψελίδων (pixel) για ανίχνευση ακτίνων χ

Abstract

Η παρούσα διπλωματική ασχολείται με την μελέτη και τον έλεγχο συστήματος λήψης δεδομένων από ανιχνευτές ακτίνων χ και γάμμα. Εκπονήθηκε στο εργαστήριο οργανολογίας ανιχνευτών του ινστιτούτου πυρηνικής φυσικής του ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος και σκοπός της ήταν η σχεδίαση ηλεκτρονικών για τον έλεγχο λειτουργίας ενός ολοκληρωμένου κυκλώματος υψηλής ολοκλήρωσης και η λήψη δεδομένων από αυτό. Η βασική λειτουργία του ολοκληρωμένου κυκλώματος είναι η λήψη σημάτων από ημιαγώγιμους ανιχνευτές τελουριούχου καδμίου σε τοπολογία κυψελίδας και η μετατροπή των σημάτων από αναλογικά σε ψηφιακά σε επίπεδο pixel. Τα ηλεκτρονικά που υλοποιήθηκαν απαρτίζονται από τρία διαφορετικά τυπωμένα κυκλώματα και συνδέουν το ολοκληρωμένο προς έλεγχο με ηλεκτρονικό υπολογιστή μέσω του Universal Serial Bus. Η υλοποίηση περιλαμβάνει αναλογικά και ψηφιακά ηλεκτρονικά. Τα αναλογικά που χρειάστηκαν αφορούν την παροχή κατάλληλων σημάτων στο ολοκληρωμένο, απαραίτητων για την διαδικασία της μετατροπής του αναλογικού σήματος σε ψηφιακό. Για τα ψηφιακά ηλεκτρονικά χρησιμοποιήθηκαν ενσωματωμένα προγραμματιζόμενα συστήματα, όπως FPGA και USB μικροελεγκτής. Η σχεδίαση στα δύο FPGA της διάταξης πραγματοποιήθηκε με την χρήση της γλώσσας περιγραφής υλικού VHDL και ο προγραμματισμός του USB μικροελεγκτή με χρήση της γλώσσας C. Για τον έλεγχο της διάταξης από ηλεκτρονικό υπολογιστή σχεδιάστηκε γραφικό περιβάλλον με την γλώσσα προγραμματισμού C# (C sharp). Ιδιαίτερη προσοχή δόθηκε στην επιλογή των ολοκληρωμένων του συστήματος ελέγχου, με σκοπό την ελαχιστοποίηση του θορύβου, την υλοποίηση του σε μορφή επεκτάσιμης πλατφόρμας μετρήσεων και λήψης δεδομένων και την όσο το δυνατόν ελαχιστοποίηση του κόστους.

Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφεται η φυσική ανιχνευτικών διατάξεων ημιαγωγών με σκοπό να περιγραφεί η διαδικασία μέσω της οποίας δημιουργείται το σήμα που θέλουμε να ενισχύσουμε, να μετρήσουμε και να μετατρέψουμε σε ψηφιακό.

Το τρίτο κεφάλαιο περιέχει την περιγραφή του ολοκληρωμένου κυκλώματος που διενεργεί την ενίσχυση του σήματος και την μετατροπή του σε ψηφιακό.

Στο τέταρτο κεφάλαιο ακολουθεί η περιγραφή του συστήματος και της διαδικασίας σχεδίασης του συστήματος ελέγχου και λήψη δεδομένων.

Τα κεφάλαια 5 και 6 περιέχουν συνοπτική περιγραφή των ενσωματωμένων κυκλωμάτων που χρησιμοποιήθηκαν, FPGA και USB αντίστοιχα καθώς και το γραφικό περιβάλλον που σχεδιάστηκε. Στο κεφάλαιο 7 σχολιάζεται ο κώδικας με τον οποίο προγραμματίστηκαν τα ενσωματωμένα συστήματα. Περιγράφεται η διαδικασία των μετρήσεων και γίνεται σχολιασμός των αποτελεσμάτων.

This thesis is part of the effort for the advance in the development of gamma ray imagers based on Cadmium Telluride (CdTe) solid state radiation detectors. The main focus of the thesis is the design of electronics in order to control, test and readout an Application Specific Integrated Circuit (ASIC). The ASIC under test constitutes a charge integrating, pixel level, Analog to Digital Converter (ADC), for use with two dimensional pixilated CdTe radiation sensors. After the integration of the charge originating in the detector, the ASIC performs A/D conversion to the acquired signal by utilizing the Wilkinson technique. The ASIC’s control logic, after the conversion, stores the 8bit output word, for each of the 16 pixels, inside a Dynamic RAM and proceeds with data readout using one 8bit bus for each of the two 8-pixel columns.

The testing platform which was implemented includes analog blocks for providing the ASIC with the necessary inputs, in order to emulate the behavior of the detector. Furthermore it feeds the circuit with proper power regulation and includes special circuit blocks for the optimal measurement of the ASIC’s circuits designed for testing purposes. In order to control the integrated circuit digital electronics and forward its output to a computer the testing platform utilizes two FPGA devices and an USBv2.0 microcontroller. After the successful implementation of the board level electronics and their own testing, the embedded devices were programmed with the aid of VHDL in the case of the FPGAs and C for the USB microcontroller. As a last step to finalize the testing system, a Graphical User Interface (GUI) was designed to allow the testing with the use of a computer and to store the received data.

By means of this system the testing procedure led to the discovery of both functional and non-functional blocks within the ASIC under test and the characterization of the functional blocks. With minimal redesign in the Hardware and/or Software the system can provide a testing platform for future designs of pixel level analog to digital converters for high energy radiation imaging.