Implementação de técnicas de correção de erros em FPGA para digitalizadores de HPGe com time interleaving

Abstract

A técnica de conversores analógico-digitais intercalados no tempo (TIADC) foi utilizada para dobrar a taxa de amostragem de 50 MSa/s (mega samples per second) para 100 MSa/s, empregando dois ADCs modelo AD9226 em conjunto com um FPGA Zynq-7010 para controle e processamento dos dados adquiridos. Focando em aplicações em digitalizadores para detectores de germânio hiperpuro (HPGe), que exigem alta resolução temporal e exatidão na aquisição de sinais para análises espectroscópicas, foram realizados testes variando a frequência do sinal de entrada entre 1 kHz e 50 MHz. Análises estatísticas, como o coeficiente de correlação de Pearson, o Erro Quadrático Médio (MSE) e a Raiz do Erro Quadrático Médio (RMSE), confirmaram a eficácia do TIADC em melhorar a resolução temporal dos dados adquiridos. Entretanto, a implementação do TIADC revelou a introdução de pulsos indesejados (spikes) nos sinais processados, decorrentes de erros de offset e ganho entre os canais dos ADCs, o que pode comprometer a integridade dos dados em aplicações com detectores HPGe. Para mitigar esses problemas, foi implementado um método de correção diretamente no hardware do FPGA, consistindo na calibração e compensação dos erros de offset e ganho, alinhando os canais e atenuando os pulsos indesejados sem necessidade de manipulações no software do processador ARM. Testes comparativos entre os sinais corrigidos e não corrigidos demonstraram a eficácia do método, com redução significativa das distorções e melhoria na qualidade dos dados. A implementação desse método de correção diretamente no FPGA permite aumentar a taxa de amostragem efetiva dos ADCs, melhorar a resolução temporal e garantir a integridade dos sinais adquiridos, atendendo às exigências de precisão em aplicações científicas e industriais que utilizam detectores HPGe.