《粒子物理实验中的波形数字化》 安琪(中国科学技术大.ppt
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1、粒子物理实验中的波形数字化技术,2010年 8月15日,中国科学技术大学 近代物理系,安 琪,中国科学院“核探测技术与核电子学”重点实验室,报告内容, 粒子物理实验对波形数字化技术的需求, Flash ADC技术, Time Interleaved ADC技术, 开关电容阵列(SCAADC)技术, 结束语, 粒子物理实验对波形数字化技术的需求, Flash ADC技术, Time Interleaved ADC技术, 开关电容阵列(SCAADC)技术, 结束语,粒子物理实验对波形数字化技术的需求,核与粒子物理实验探测器输出脉冲信号的波形蕴含着所探测粒子的最全面、详细的物理信息准确信息; 能量信
2、息: 信号的波形面积代表着粒子在探测器中沉积的能量,精确测量波形面积可以获取粒子的能量信息; 时间信息: 信号波形的前沿则携带着粒子击中探测器的时间信息,获取波形的前沿形状,可以很方便地外推出出粒子击中探测器的精确时刻;,波形数字化(Waveform Digitization)技术,波形数字化: 直接对探测器输出信号波形进行高速采样并数字化;不再进行传统的电荷积分、成形,对其幅度数字化获取其电荷(能量)信息。, 根据香农采样定律,只要采样速率足够 高,可以无失真地 恢复原脉冲波形; 优点: 很方便同时获取时间与能量信息; 消除了传统电荷积分放大带来的“堆积” 效应,死 时间小,适应于高亮度、高
3、事例率的物理实验; 此外,波形数字化还可以使物理学家采用任何可 能的数字处理方法来处理波形数字化的信号数据。,传统技术路线:能量: CSA + Shaping + ADC; 时间:快放大 + Disc. + TDC.,波形数字化的最初应用,一直以来,获取粒子脉冲信号的波形信息都是国内外实验物理学家的追求目标,只是技术方面有很大的障碍:采样率不够。 1985年,欧洲的科学家在CERN的UA2实验中采用了100MSPS的FADC系统,用以顶点探测器的信号读出。 据说,这是第一次在粒子物理实验中大规模采用FADC进行波形数字化读出; 1987年,美国Northwestern大学和纽约州立大学石溪分校
4、的科学家们为费米实验室的D0实验采用了LeCroy设计的波形数字化仪LeCroy2261进行漂移室读出。LeCroy2261的采样率为100MSPS分辨率为11位。该系统通过测量漂移室感应丝上的信号波形,进一步推出波形前沿的一阶导数,从而精确确定出其空间位置; 1989年,美国BNL和纽约Columbia大学Nevis实验室的科学家则在E787实验中采用了8bit,500MSPS的ADC进行塑料闪烁体的PMT信号读出,以便在研究K+ +-衰变中达到210-10的精度;,波形数字化技术的基本要求, 高变换速率(采样率); 足够的变换精度(ADC位数); 低功耗; 低成本; 高集成度(高密度);
5、高可靠性;,因此,对于许多实验物理学家来说,波形数字化是一个非常好的思路,但依然是一个非主流的、不够实用的技术路线。, 粒子物理实验对波形数字化技术的需求, Flash ADC技术, Time Interleaved ADC技术, 开关电容阵列(SCAADC)技术, 结束语,Flash ADC技术, 最高采样速度的ADC 2n-1个高速比较器 功耗大 位数一般不超过8位,波形数字化的早期应用基本都是采用FADC,流水线型ADC,电路组成: 输入取样-保持放大器 多级并行比较ADC电路 取样-保持电路 并行比较ADC 高速DAC 高速相减和放大电路 缓冲寄存器和误差修正电路 输出寄存器,Pipe
6、lined ADC原理方框图,FADC的变型:FADC与逐次比较型ADC的结合,FADC芯片现状,位ADC EV8AQ160 5GSPS/1.25GSPS 4 (E2V) RAD008 3GSPS (Rockwell) AT84AD001B 2GSPS/1GSPS 2 (E2V) ADC08D1500 1.5GSPS 2 (NS) MAX108 1.5GSPS (MAXIM) MAX104 1GSPS (MAXIM) TS83888 1GSPS (E2V) MAX106 600MSPS (MAXIM) TS8308500 500MSPS (E2V),中国科学院“核探测技术与核电子学”重点实验室
7、的实践,FADC例1, 8通道波形数字化VME模块 8位FADC,1GSPS采样率 检测FEE16路PMT能量和信号 检测Triger总能量信号,(中国科学院高能所实验物理中心),大亚湾中微子物理实验PMT读出电子学系统,科技部、基金委、中科院重大国际合作项目,FADC芯片: AT84AD001B,E2V公司产品: 采样率:2GSPS/1GSPS2 -3dB带宽:1.5GHz DNL:0.25LSB, INL: 0.5LSB FADC核:ADC I和ADC Q DMUX可以保持或者降低输出数据变化率 数据输出:LVDS电平,信号重建:正弦波,图a 测试信号是频率为50MHz的正弦波,信号周期为
8、20ns,每个信号周期有20个采样点,图b 测试信号: 频率为62.5MHz的正弦波,信号周期为16ns. 每个信号周期有16个采样点,信号重建:脉冲信号,FEE板接收信号发生器的信号,输出ESUM信号 a: FADC输入端的波形,下降时间为12.26ns,上升时间约为34.98ns b: 采样数据的重建波形,下降沿采样了12个点,上升沿采样了35个点,(a),(b),中国科学院“核探测技术与核电子学”重点实验室的实践,FADC例2, 波形数字化PCI模块 采样率: 2GSPS / 1GSPS 2 8位FADC; 模拟输入带宽:500MHz; 应用: 中国计量科学院TOF质谱仪 高能所天体中心
9、羊八井宇宙线观测,(中国科学技术大学快电子学实验室),中国科学院“核探测技术与核电子学”重点实验室的实践,FADC例3, 波形数字化VME模块 采样率: 500MSPS 12位Pipelined ADC; 模拟输入带宽:150M; 应用: 西藏羊八井大型高海拔空气簇射观测站LAHHSO地面探测器阵列(ED),(中国科学院高能所实验物理中心),中科院知识创新工程重要方向项目, Flash ADC技术, Time Interleaved ADC技术, 开关电容阵列(SCAADC)技术, 结束语, 粒子物理实验对波形数字化技术的需求,Time Interleaved ADC(TIADC),并行、交替
10、采样ADC 1980年,由美国加州大学的Black和Hodges提出 采样率提高 M 倍 采样时钟: 1/M, 并行、交替采样模拟-数字转换系统采用M个并行的 ADC共同对同一个模拟输入信号进行变换。 各ADC的变换时钟依次错开一个固定的相位,因 而,使各ADC以一个固定的时间间隔依次对输入信 号进行变换。 最后,所有的ADC的数字输出再按相同的规律汇总 在一起,形成一个总的数字输出。很显然,这样的 系统等效于将ADC的采样速率提高了M倍。,最大问题:通道失配, 增益失配(Gain Mismatch) 时钟相位失配(Clock Phase/Skew Mismatch) 偏置/零点失配(Offs
11、et Mismatch) 以上的误差可以看作静态或变化缓慢的误差,增益失配(Gain Mismatch),增益失配的示意图,增益失配的时域和频域分析,时域分析,频域分析, 误差信号周期等于单个ADC采样周期(fs/M) 误差信号的幅度被输入正弦信号的幅度所调制 最大误差发生在输入正弦波的峰值处 误差信号的包络线频率等于输入正弦波频率, 频域中的噪声峰: f noise = fin + k x fs/M 噪声频率与输入信号频率相关 信噪比的下降为一常数 与输入信号频率无关 与输入信号幅度相关,时钟相位失配(Phase Mismatch),时钟相位失配的示意图,时钟相位失配的时域和频域分析,时域分
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