核辐射探测的过程一般都是通过探测器将需要探测的粒子信息转换为可以测量的电信号进行的,这些电信号经过前端模拟电路处理后被数字化,之后再将数据传给上位机记录和分析。对探测器输出进行处理的电子学称为探测器读出电子学。很多的高能物理实验和核成像设备需要并行读出的通道数很大,以基于大块连续晶体的高分辨率PET探测器为例：它的目标是读出Y光子作用在晶体中的光分布信息,利用某种位置定位算法(如神经网络定位算法、SBP算法、K邻近元算法和最大似然定位算法等)来完成对Y光子与晶体作用位置的估计。由于这类探测器对读出电子学的性能要求较高,加之一个PET扫描器由众多的探测器单元构成,留给读出电子学的空间非常有限,因而探测器的读出电子学系统需要被高度集成化。对于这类众多通道同时要求读出的应用,传统的电荷分配读出办法以及延迟线读出办法等因为分辨率较低而难以胜任。如果直接购买标准的核信号数字化仪器来构建一个满足大量通道探测器读出的核信号数字化系统,或者简单的用分立器件设计单通道读出电子学并根据通道数直接复制的话,其体积、成本、功耗都将超出可以接受的范围。因此目前有很多的研究团队都在从各个方面着手研究多通道探测器的读出方案,这些方案根据数字化对象的不同,可以分为对幅度数字化和对时间数字化两个方向。其中对幅度数字化的方案主要有：(1)模拟压缩,即利用模拟电路对需要读出的通道数进行压缩,之后再利用ADC对幅度数字化,这种方法减少了ADC的数量,但却需要专门的算法支持,而且由于模拟压缩会损失掉原始的信息,所以适用范围有限。(2)通过模拟开关的切换使得一个高速ADC负责多个通道输出波形的数字化,这种方法节省了ADC的数量,但是对ADC的速度要求提高了。考虑到ADC速度越高成本和功耗也越高,因此这种方式在成本和功耗上不占优势。(3)利用商用的CCD芯片或者CMOS芯片实现多通道读出。尽管CCD和CMOS的成本和体积能得到很好控制,但由于它们的像素是串行读出的,读出的速度相对较低,所以只适合事例率较低的应用。另外,这种方法需要应用到波长变换技术,会进一步增加系统设计的复杂度和成本。从对时间数字化为出发点的方案主要有：(1)传统的Wilkinson AD变换方案,即将被测信号转换为时间信息,通过测量过阈时间,间接完成对核信号的数字化。目前有研究团队利用这个思想将核信号通过模拟电路调理成线性放电形式,通过与固定阈值电压比较进行幅度时间转换,再通过基于FPGA的TDC对时间进行测量实现核信号数字化。但是这种技术需要较复杂的模拟调理电路,不适合大通道探测器读出。(2)TOT技术,这种方案结构简单,集成度和成本都能得到很好的控制。其直接利用固定阈值电压与成形滤波后的信号比较进行幅度时间转换,之后通过测量过阈时间来恢复幅度。但是,这样所得到的过阈时间与幅度间的关系为非线性。尽管提高阈值可以一定程度上减少非线性,但这样做也减少了测量系统的动态范围。此外TOT方案的读出性能受噪声的影响大,这也是此方法的一个严重的问题。(3)基于上述方案,我们提出使用动态阈值波形去与被测信号比较完成幅度时间转换。这个方法的最大特点是,不论什么形式的输入信号(不同的成形电路,比如RC成形、梯形成形、高斯成形等),经过特别设计的动态阈值可以使得幅度与过阈时间成严格的线性关系。我们称这种方案为TODT方案。本论文提出了TODT核信号数字化方案,并从理论上分析了TODT的工作原理,完成了相关的仿真以及测试。论文对TODT方案的关键技术：动态阈值波形的合成与基于FPGA的高性能TDC分别进行了研究。实现并对比了三种动态阈值波形合成方案(直接数字合成办法和两种模拟合成办法),同时设计并实现了基于FPGA的适合大量通道时间测量的高性能TDC,特点是资源占用量少,对温度敏感性小。在此基础上我们设计了基于TODT方案的64通道核信号读出电子学,和基于大块LYSO闪烁晶体加64通道位置灵敏光电倍增管结构的PET探测器,并结合PET探测器的性能测试结果,对TODT方案的读出性能做了进一步的分析。