Abstract. Test environments for two SPAD matrix ICs are designed and implemented in this work. The matrixes are designed as a receiver of a Raman spectrometer. The aim of the work is a computer driven system that can perform SPAD matrix measurements according to the requirements.
The background of the test environments describes the function of the SPAD and the quenching circuit. Besides, the structures and functionalities of the related ICs are presented.
The work is about building two separate systems including computer software, a USB data converter on a PCB, an FPGA development board and a PCB for the IC. The user controls the measurements setting measurement parameters, monitors the measurements and reads the measurement results via the software. The results can be saved in an appropriate format that can be post-processed in Matlab. The communication between the computer and the measurement tools runs over USB. The USB data converter is an interface between the USB and FPGA. The FPGA is a controller that reads the measurement results from the IC, stores them temporarily and sends them to the computer. Besides, the FPGA holds the measurement settings. The PCB around the IC is a platform that offers connectivity to voltages, control and data.
Measurements were performed in order to find out how suitable the SPAD matrixes are acting as a receiver of a Raman spectrometer. It was found that a timing signal of the time gated IC reaches all the elements within 60 ps. The timing homogeneity of the other IC was estimated based on the distributions of the TDC generated time window related code words. The mean parameters from the distributions showed the delay difference between the fastest and the slowest element was 180 ps.FPGA:n ohjaama SPAD-matriisin testausympäristö. Tiivistelmä. Tässä työssä suunnitellaan ja toteutetaan testausympäristö kahdelle IC-piirille rakennetulle SPAD-matriisille. Matriisit on suunniteltu Raman-spektrometrin vastaanottimeksi. Tavoitteena on tietokoneella ohjattava järjestelmä, joka kykenee suorittamaan mittauksia SPAD-matriiseilla niille asetettujen vaatimusten mukaisesti.
Testausympäristön taustaosiossa kuvataan SPADin ja sammutuspiirin toiminta. Lisäksi molempien testausympäristöön liittyvien IC-piirien rakenteet ja toiminnallisuudet esitellään.
Varsinainessa työosiossa rakennetaan kaksi erillistä järjestelmää, joihin kuuluvat tietokoneen mittausohjelma, piirilevylle toteutettu USB-datamuunnin, FPGA-kehitysalusta sekä IC:n ympärille rakennettu testikortti. Käyttäjä ohjaa mittauksia mittausohjelmalla syöttäen mittausparametreja, kontrolloimalla mittauksia ja lukemalla mittaustulokset. Tulokset voidaan tarvittaessa tallentaa muotoon, jota voidaan jatkokäsitellä esimerkiksi matlabilla. Kommunikaatio mittausjärjestelmän kanssa tapahtuu USB-protokollan yli. USB-datamuunnin toimii rajapintana USB-protokollan ja FPGA:n välillä. FPGA toimii kontrollerina, jonka tehtävinä ovat mittaustulosten lukeminen IC-piiriltä, välivarastointi ja lähettäminen tietokoneelle sekä mittausasetusten asettaminen. IC:n ympärille rakennettu testikortti toimii fyysisenä alustana, joka tarjoaa IC:lle jännite-, ohjaus- ja dataliittimet.
Testausympäristössä suoritettiin mittauksia, joilla selvitettiin SPAD-matriisien soveltuvuutta Raman-spektrometrin vastaanottimeksi. Mittauksissa havaittiin, että aikaportitetussa piirissä ajoitusmerkki saapui kaikkiin SPAD elementteihin 60 ps sisällä. Toisen piirin mittauksissa ajoituksen homogeenisyyttä arvioitiin TDC:n generoimien koodisanojen jakauman perusteella. Jakaumista poimittujen keskiarvoparametrin perusteella nopeimman ja hitaimman elementin välinen erotus oli 180 ps
