科技创新团队负责人信息-安琪教授 粒子物理实验中的电子学 （二） 安 琪 2013-10-31

 粒子物理实验中电子学的特点  粒子物理实验电子学系统的基本构成  电子学系统实例介绍  发展趋势  在其它领域中的应用 2017/3/4 粒子物理实验中的电子学

BESIII的飞行时间探测器（TOF） 四个主要子探测器  主漂移室（MDC）  对撞周期8ns，L1事例  飞行时间探测器（TOF）  电磁量能器（EMC）  子鉴别器（MUON）  对撞周期8ns，L1事例 判选延迟6.4μs 采用流水线技术  L1事例率：4KHz 实时数据处理和传输 MDC TOF MUC EMC 2017/3/4 物理电子学的最新进展

TOF探测器构成 读出电子学通道数 ： 352 ＋ 96 ＝ 448  桶部 TOF探测器  双层TOF  塑料闪烁体: BC404：88  2  PMT: R4295 Ch. ：88  2  2 ＝ 352  端盖TOF探测器  单层TOF  塑料闪烁体 单端：48；双端：96  PMT：Ch. ： 48  2 = 96 读出电子学通道数 ： 352 ＋ 96 ＝ 448 2017/3/4 中国科技大学 快电子学实验室

BESIII TOF读出电子学的任务  电荷测量；  提供快时间响应信号。 TOF电子学系统的基本功能是进行粒子的飞行时间测量，即所谓的“时间测量”。为了校正由于幅度－游动（Time-Walk）效应带来的时间测量误差, 系统还必须对光电倍增管输出信号的幅度（电荷）进行测量，即所谓的“电荷测量”。飞行时间计数器系统的另一个主要功能是提供一个快时间响应信号给触发系统。所以，TOF电子学系统需完成以下的三项基本功能：  时间测量；  电荷测量；  提供快时间响应信号。 TOF读出电子学系统是整个BES-III电子学系统难度较大的一个子系统，要求所有448通道的读出电子学系统的电子学时间分辨为25ps，这是目前世界上TOF读出电子学系统最高的时间分辨指标。 2017/3/4 中国科技大学 快电子学实验室

BESIII TOF读出电子学的基本指标  时间测量：动态范围： 0 ～ 60 ns ； 电子学分辨：t  25ps ；  电荷测量：动态范围： 200mV ～ 4V ； 电子学分辨：q  10mV ； 串扰：  1％ 积分非线性： 2％ 读出： 满足VME总线CBLT读出数据 2017/3/4 中国科技大学 快电子学实验室

粒子物理实验的主流总线。9U模块板面积大，高密度集成，电磁兼容性，可靠性好。总线带宽也满足。 TOF读出电子学的设计考虑  硬件平台：VME64x总线（9U） 粒子物理实验的主流总线。9U模块板面积大，高密度集成，电磁兼容性，可靠性好。总线带宽也满足。  信号链的全差分处理  前置放大；  长距离传输（18m差分电缆）；  FEE输入缓冲放大；  定时甑别；  PECL-LVDS电平转换；  TDC输入。  全差分信号处理和传输技术的突出优点为：  最大限度地提高信噪比和信号的动态范围；  最大限度地减少模拟电路系统的非线性失真（基本消除电路的偶次谐波失真）；  最大限度地提高电路的抗干扰能力；  节省功耗。 2017/3/4 中国科技大学 快电子学实验室

TOF读出电子学的设计考虑  时间、电荷量的统一数字化处理  逻辑电路： FPGA （ALTERA） 借鉴BELLE物理实验的成功经验，将时间和电荷量的数字化统一为“时间－数字转换（TDC）”一种电路。采用为粒子物理实验设计的专用集成电路芯片（HPTDC），具有时间测量精度高，通道数多，功能齐全，功耗小等优点。 ALICE TOF和STAR TOF读出电子学也是采用类似的设计方案。  逻辑电路： FPGA （ALTERA） 所有逻辑电路功能基本上都在FPGA芯片中实现。 当时ALTERA公司的主流FPGA芯片有两大系列：Cyclone系列和Stratix系列。虽然ALTERA公司的Stratix系列的FPGA性能最优，但其中许多功能是我们的设计不需要的，而且价格比较昂贵。 Cyclone系列FPGA是目前ALTERA公司性能价格比最高的FPGA芯片，该系列实际上是Stratix系列的简化版本，集中了ALTERA公司FPGA的最新技术，集成度高，功能强，并且其配置FLASH芯片也比较便宜。 2017/3/4 中国科技大学 快电子学实验室

BES III Time of Flight（TOF） 读出电子学系统概念框图 时间测量 电荷测量 FEE （VME9U) Split 18m 差分屏蔽电缆 前放 16ch. VMEBus DAQ PMT 40MHz时钟 Trigg. 状态与控制信号 2017/3/4 粒子物理实验中的电子学

BESIII TOF快前放（电压放大） - RF RS A1 + A2 PMT信号 输入放大级 输出级 输出差分信号 2017/3/4 粒子物理实验中的电子学

前沿定时的双阈甑别技术  双阈甑别技术。 利用高阈来剔除噪声和干扰信号，同时又保持低阈甑别的时间信息。 + – VLL VHL Delay D CLK Q RST In Out 在双阈方法中，高阈（HL）和低阈（LL）甑别器对同一信号进行甑别，低阈甑别器 输出信号经过适当延迟后与高阈甑别器的输出信号符合，因此，只有高于高阈的信号， 符合电路才有输出。 HL LL t 2017/3/4 中国科技大学 快电子学实验室

双阈甑别电路 2017/3/4 中国科技大学 快电子学实验室

HPTDC方框原理图  PLL技术提供多种系统时钟  DLL技术提供32个精确延迟  RC延迟线内插，进一步提高分辨  “粗”计数器  输入时钟：40 MHz  输出时钟：40 ~ 320 MHz  DLL技术提供32个精确延迟  相当于时钟分相技术  780 ps, 390 ps, 195 ps, 100 ps 取决于使用的时钟  RC延迟线内插，进一步提高分辨  4 RC延迟线内插  25 ps  “粗”计数器  触发匹配  工作模式设定: JTAG技术  BGA封装 2017/3/4 中国科技大学 快电子学实验室

新型的“时间标记”TDC 时钟系统 环行计数器 数据FIFO阵列 读出寄存器 触发逻辑 触发FIFO阵列 待测信号 事例寄存器阵列 时间内插 外触发信号 待测信号 数据选择 N位计数器输出 N位时间数据 clock 事例寄存器阵列 时间内插  时间标记（Tine Stamp）  “粗” + “细”计数  多种测量精度模式  多次击中能力(无死时间)  高精度时钟  触发事例匹配 2017/3/4 中国科技大学 快电子学实验室

HPTDC芯片 实物大小 2017/3/4 中国科技大学 快电子学实验室

电荷测量部分 电荷－时间转换（QTC） 时间－数字变换 2017/3/4 中国科技大学 快电子学实验室

电荷－时间转换（QTC）  电压－电流转换  有源积分器  过阈甑别 D1和D2是封装在一起的两个二极管，温漂系数相同。因此，由于温度影响造成的输出基线漂移可以很好地抵消。 电压－电流转换 有源积分器 过阈甑别 2017/3/4 中国科技大学 快电子学实验室

桶部TOF读出电子学框图 2017/3/4 中国科技大学 快电子学实验室

端盖TOF读出电子学框图 2017/3/4 中国科技大学 快电子学实验室

TOF读出电子学VME系统 2017/3/4 中国科技大学 快电子学实验室

VME机箱系统的各插件之间数据流向 2017/3/4 中国科技大学 快电子学实验室

FEE模块在实验室调试 2017/3/4 粒子物理实验中的电子学

TOF读出电子学VME系统 读出电子学机柜前部 读出电子学VME机箱后部 两个TOF电子学机柜(VME机箱，低压电源，……) 28块FEE(448个读出电子学通道) 快控制 时钟系统 2017/3/4 粒子物理实验中的电子学 23

触发判选系统的构成 ¾ TOF触发子系统 “击中” 击中数：N1；N 2  击中信息 击中位置信息  背对背信息 科技创新团队负责人信息-安琪教授 触发判选系统的构成 6.4 s ¾ TOF触发子系统  击中信息 “击中” 击中数：N1；N 2 击中位置信息  背对背信息 BES III 触发判选系统 2017/3/4 粒子物理实验中的电子学

正在调试中的TOF触发系统 2017/3/4 粒子物理实验中的电子学

BESIII触发系统现场安装 2017/3/4 粒子物理实验中的电子学

发展趋势 前端读出电子学 数据传输 触发判选与DAQ 2017/3/4 粒子物理实验中的电子学

前端读出电子学的发展趋势  密度更大  通道数更多  速度更快  前端电路与探测器的一体化设计  专用集成电路（ASIC）的设计  密度更大  通道数更多  速度更快  前端电路与探测器的一体化设计  数字化尽可能地前移  专用集成电路（ASIC）的设计  波形数字化：SCA技术  单一数字化技术：TOT技术 + FPGA TDC 2017/3/4 粒子物理实验中的电子学

下一代直线对撞机电磁量能器前端读出电子学  与ECAL探测器直接安装在一起  电子学通道数：34 Millions  每个芯片：36Ch. （0.35m CMOS）  Pre_Amp.， Shaper & ADC  LAL Orsay， France 2017/3/4 粒子物理实验中的电子学

Beetle：硅条探测器读出芯片  Pre_Amp + Shaper  流水线工作模式  德国汉堡大学等  通道数：128  输出：模拟/数字信号 2017/3/4 粒子物理实验中的电子学

APV25：硅微条径迹探测器读出芯片  通道数：128  可程控增益  电荷灵敏Pre_Amp  128：1多路器（MUX）  CR－RC成形电路  差分输出  流水线工作模式 2017/3/4 粒子物理实验中的电子学

Alice-LHCb pixel detector 8192 ch 2017/3/4 粒子物理实验中的电子学

ALICE实验（CERN）的PASCAL芯片 2017/3/4 粒子物理实验中的电子学

波形数字化（Waveform Digitization） 传统技术路线：能量：CSA+Shaping +ADC；时间：Disc. + TDC 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，只要采集速率足够高， 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。

开关电容阵列（SCA＋ADC）技术 ADC FADC、Interleaved ADC技术都需要高速的A/D变换芯片和外围电路，功耗、集成度和成本等因素制约了实际的应用  基于开关电容阵列的新途径 超高速模拟采样、模拟存储 ＋ ADC （SCA + ADC） 高速 低速 Switched Capacitor Array ADC t Dt Input Domino Ring Sampling Cap. SCA

SCA＋ADC 关键点  高速模拟采样、模拟存储: SCA  慢速模拟数字变换：ADC 国际上已有一些专用ASIC芯片设计 t Dt Input Domino Ring Sampling Cap. SCA 关键点 国际上已有一些专用ASIC芯片设计  DRS@PSI  最高采样率：5GSPS  8通道SCA  1024/Ch.

SCA+ADC举例 SCA-FastLab测试系统 SCA-FastLab实物照片

输入正弦波波形：20MHz, 200MHz SCA-FastLab LeCory示波器： WavePro715 20MHz 带宽： 1.5GHz 最高采样率：20GSPS 本实验采样率：5GSPS 20MHz 带宽： 600MHz 采样率：4.7GSPS SCA-FastLab 200MHz 红色：SCA-FastLab测试波形 蓝色： LeCory示波器测试波形

输入信号：PMT脉冲波形 SCA-FastLab LeCory示波器： WavePro715 带宽： 1.5GHz 最高采样率：20GSPS 带宽： 600MHz 采样率：4.7GSPS SCA-FastLab

输入信号：超快脉冲 fS ：1.7GSPS SCA-FastLab fS ：4.7GSPS

信号时间差测试 SCA-FastLab 带宽： 600MHz 采样率：4.7GSPS 测试原理图 SCA+ADC举例 时间差中心值：5ns 时间差直方图

（TOT: Time Over Threshod） 传统技术路线：能量：CSA+Shaping +ADC；时间：Disc. + TDC 过阈时间测量 （TOT: Time Over Threshod） 传统技术路线：能量：CSA+Shaping +ADC；时间：Disc. + TDC  TOT：单信号通道同时获取时间和电荷信息 脉宽代表粒子电荷信息 前沿代表粒子击中信息  单一数字化技术路线 TOT + TDC：

数据传输 2017/3/4 粒子物理实验中的电子学

时钟、数据及命令的融合传输  基于高速串行通讯技术，将时钟嵌入到串行数据流中，并通过接收端同时恢复出时钟及数据。  基于双模光纤实现单芯双向信号传输，实现数据、命令和时钟的融合传输。  基于以太网标准的PTP协议和细时间测量，可进一步实现时钟相位的自动检测及补偿。 光纤传输

LHAASO的WCDA读出电子学 4300 m高海拔  WCDA共包含四个150 m × 150 m 的水池，共计9万多平方米  3600个读出通道，1 ~ 4000倍动态范围内的高精度时间（0.5 ns RMS）及电荷测量（ 30% @ S.P.E.; 3% @ 4000 P.E. ）  大尺度空间下的时钟分发及自动补偿、时钟数据及命令的融合传输、新型触发判选技术

基于“Triggerless”理念的 触发判选与DAQ的融合 2017/3/4 粒子物理实验中的电子学

传统触发与“无触发”的对比 传统触发 “无触发”  基于专用硬件电路实现触发判选，模式固定； 触发信号需要送至前端电子学进行数据读取 只能在有限触发间歇内实现判选，无法进行事例关联判选 “无触发”  前端电子学所有数据送至后端进行“触发判选”  不需要触发信号的前馈  更灵活的触发判选算法

“无触发”技术  全局高精度时钟产生时间戳  海量、高速数据缓存技术  基于网络交换机实现全网（full mesh）高速数据传输 Detector FEE Buffer Readout Buffer Switch Processor Farm Storage Triggerless  全局高精度时钟产生时间戳  海量、高速数据缓存技术  基于网络交换机实现全网（full mesh）高速数据传输 高性能并行数据处理（Computer Farm）实现灵活的软件触发判选

（基于全局高速数据交换网络和并行CPU Farm实现L1触发判选） 基于大型计算机集群实现高层次（High Level）触发判选 基于“无触发”理念的DAQ架构 CMB （基于全局高速数据交换网络和并行CPU Farm实现L1触发判选） PANDA （基于FPGA嵌入式CPU实现L1触发判选） 基于大型计算机集群实现高层次（High Level）触发判选

LHAASO WCDA读出电子学的触发 两种“Triggerless”的方案：  前端FEE无需接收触发信号，将所有数据汇总到触发模块  基于FPGA进行实时触发判选后传输至DAQ。 (1)  完全的Triggerless，将所有数据直接传输至DAQ。  前端FEE实现基于千兆位以太网的TCP/IP的数据传输 (2)

在其它领域中的应用 2017/3/4 粒子物理实验中的电子学

 基础科学研究  国防领域  工业领域 …… 2017/3/4 粒子物理实验中的电子学

LAMOST观测控制系统 大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜(LAMOST)，同时跟踪观测4000天体目标的光谱，在LAMOST建成之后数年内，对北天区的2万平方度的107个目标进行巡天观测。 根据科学目标的要求，产生适合观测条件的观测计划和观察流程，使望远镜按照观测流程自动地完成观测任务 北京天文台兴隆观测站 2017/3/4 粒子物理实验中的电子学

数字声纳系统  VME系统平台  24通道模拟信号处理  24通道A/D变换  多DSP矩阵处理器  VxWork实时操作系统 本项目是海军新一代声纳系统研制项目中的一个重要部分。项目的研制重点是建立一个先进的，灵活的声纳信号处理平台并完成声纳信号的处理工作，即完成模拟信号处理、模数转换及声纳信号的实时处理，  VME系统平台  24通道模拟信号处理  24通道A/D变换  多DSP矩阵处理器  VxWork实时操作系统 数字声纳系统示意图 2017/3/4 粒子物理实验中的电子学

数字声纳- DSP 板（VME） 基于VME的4浮点DSP矩阵处理器 2017/3/4 粒子物理实验中的电子学

机载海洋地貌激光探测系统 简介：系统分为两大部分，A/D转换部分和数据传输控制部分。其中数据传输部分作成PC机 的插卡插在计算机的PCI扩展插槽内，将A/D采样得到的数据传递给计算机，并产生 相关的控制信号进行系统的操作控制。A/D转换部分作成一个模块置于计算机外部， 通过电缆和计算机进行通信。 8位，500 Msps 数据采集系统 2017/3/4 粒子物理实验中的电子学

相控阵雷达多通道同步数据采集系统 系统由8个独立的数据采集通道和一个时钟分配器组成，强调各通道之间的同步一致性，各通道之间的信号非一致性晃动3σ<100ps。 8通道同步数据采集系统 2017/3/4 粒子物理实验中的电子学

2.5G ATM IP 宽带网络测试仪 该测试仪针对目前的主流网络技术，支持ATM、MAC和IP的线速、实时产生和分析测试，具有2.5G的峰值处理能力，兼容多种网络协议，如IP、TCP、UDP等。该测试仪的设计采用了许多先进的技术和方法。例如：QOS测试项中的时延测试（平均时延、最大时延、时延分布直方图）均采用硬件实现， 该测试仪为国内首例全面实现2.5G ATM/POS\GE\FE的宽带测试仪，填补了国内高端宽带测试仪领域的空白。 2017/3/4 粒子物理实验中的电子学

路由器底层核心技术－交换开关系统的测试 2017/3/4 粒子物理实验中的电子学

无线通信测试平台的研制 2017/3/4 粒子物理实验中的电子学

“龙芯”计算机系统中的北桥设计 与中科院北京计算所合作项目，为“龙芯”2号计算机系统设计“北桥”芯片。 全部逻辑在一片FPGA芯片中完成。 速度满足PCI 66M 时钟频率要求。 北桥芯片 2017/3/4 粒子物理实验中的电子学

Time Interleaved ADC  1980年，由美国的Black 和Hodges提出 采样率提高 M 倍 如左图所示，并行、交替工作模拟-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。 2017/3/4 粒子物理实验中的电子学

例：1.6GSPS，14位TIADC系统  4片400M采样率，14位 ADC芯片  等效 1.6G采样率，14 位TIADC系统  实时修正通道失配误差

1.6Gsps（四片ADC）采样修正前频谱图（ENOB=7.27） 1.6Gsps（四片ADC）采样修正后频谱图(ENOB=10.92) 1.6Gsps TIADC系统的频谱图 1.6Gsps（四片ADC）采样修正前频谱图（ENOB=7.27） 1.6Gsps（四片ADC）采样修正后频谱图(ENOB=10.92)

国家“863”高技术攻关： “海上时移地震采集关键设备研制” 2005年取得了重要的成果，各项指标已达到要求，完成了试验样机的系统集成，进行了两次海试。 2005年3月和11月，11月海试在中国南海的莺歌海域，试验非常成功。 主要指标如下：  位置分辩率：3.125米；（进口：12.5米）  动态范围： 不小于115dB；  谐波畸变： 小于106dB；  实时数据率：26MB/s； 2006年1月4日通过了科技部组织的国家863课题结题验收。 2017/3/4 粒子物理实验中的电子学

“基于LRE-PHY技术的地震数据传输采集系统”（中石油合作） 关键技术： 大范围内高精度数据采集：整体拓扑结构直线距离为500km，数据采样精度为24位。 多通道同步采集：采样通道多达10000道。 低功耗：电池供电。 长距离双绞线的高速数据传输：在超过200m的双绞线长距离传输20Mbps的数据。 2017/3/4 粒子物理实验中的电子学

物理学照亮世界，改变世界 技术支撑并促进物理学的发展 2017/3/4 粒子物理实验中的电子学

谢谢！ 2017/3/4 粒子物理实验中的电子学