快电子学实验室 Fast Electronics Lab 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 安琪核探测与核电子学国家重点实验室 高精度 FPGAed TDC 研究进展 （ 2011-2014 ）

Presentation on theme: "快电子学实验室 Fast Electronics Lab 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 安琪核探测与核电子学国家重点实验室 高精度 FPGAed TDC 研究进展 （ 2011-2014 ）"— Presentation transcript:

1 快电子学实验室 Fast Electronics Lab 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 安琪核探测与核电子学国家重点实验室 高精度 FPGAed TDC 研究进展 （ 2011-2014 ）

2 快电子学实验室 Fast Electronics Lab 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 汇报内容  FPGAed TDC 的研究进展  FPGAed TDC 的应用  人才培养情况  论文与专利

3 快电子学实验室 Fast Electronics Lab 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 汇报内容  FPGAed TDC 的研究进展  FPGAed TDC 的应用  人才培养情况  论文与专利

4 快电子学实验室 Fast Electronics Lab 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 利用 FPGA 的进位链实现时间内插 基于 FPGA 的时间 - 数字变换（ Time-Digital Conversion ，简称： TDC ）电路设 计是核探测与核电子学国家实验室目前处于国际一流水平的一个研究领域。 自 2006 在 IEEE 期刊上首次提出利用 FPGA 的进位链（ Carry In Lines ）实现时 间内插（ Time Interpolation ）的方法以来，大幅度提高了 TDC 的时间分辨能力。 这一时间内插的设计方法已成为当前国内外基于 FPGA 的高精度时间 - 数字变 换电路设计的主流技术路线, ，在 · 各国粒子物理实验室中得到广泛使用。

5 快电子学实验室 Fast Electronics Lab 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 多领域、多方面的研究  高精度 TDC 电路的实现方法上深入探索  基于时钟分相技术的高集成度 TDC 研究  抗辐照 TDC 的新领域  标准化、模块化的精密时间测量仪器设计

6 快电子学实验室 Fast Electronics Lab 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 方法探索：时间平均技术  Wave Union (J.Wu)  环形振荡器  边沿多次沿延迟线传播  时间测量求平均  误差  延迟单元：  cell  环形振荡器：  osc   delay   (1/N)  cell,  cell   osc   delay  [  (N-1) /2]  osc,  cell   osc

7 快电子学实验室 Fast Electronics Lab 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 方法探索：多延迟链内插  进位链 + 时间平均  多条进位链：击中信号分相内插  进位链数目： M ，时间平均： N M=8,N=4  ： 7.4ps 普通单链 TDC (M=N=1)  ： 18.7ps M=8,N=13  ： 6.0ps 时间分辨 Bin Size ： 测量精度（ RMS ）：

8 快电子学实验室 Fast Electronics Lab 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 方法探索：数字游标卡尺（ Vernier ）  时间内插：游标卡尺  两种器件的延时微小不同 与门  MUX  “ 粗 ” 、 “ 细 ” 时间测量  “ 粗 ” 时间测量：计数器  “ 细 ” 时间测量： Vernier  温度漂移修正

9 快电子学实验室 Fast Electronics Lab 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 方法探索：快速胖树形编码 Wave Union 结构的延迟链 TDC ，连续多次测量，需要在 单周期内完成超宽位的非温度码到二进制码的快速编码。  2002 ，美国宾州州立大学 D. Lee 等 人在 ASIC 设计中提出了胖树形的编 码电路 (Fat Tree Encoder) 。  改进其方法，在 FPGA 中成功实现。 “A fast improved fat tree encoder for wave union TDC in an FPGA”, Chinese Physics C, Vol. 37, No. 10, Oct. 2013, pp. 106102-1 - 106102-7. “A Stepped-Up Tree Encoder for the 10-ps Wave Union TDC”, IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. 60, No. 5, Oct. 2013, pp. 3544-3549.

10 快电子学实验室 Fast Electronics Lab 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 方法探索：单通道 TDC 实现脉宽测量  利用 Xilinx FPGA 进位线资源（ CARRY4 ） ;  在同一条进位链上同时测量前沿和后沿时间（单通道）。 前沿测量：每个 CARRY4 构成两个延迟 链单元。 后沿测量：每个 CARRY4 构成一个延迟链单元。 图 1 、单通道 TDC 实现脉宽测量的功能框图 图 2 、（ a ）前沿时间测量结果 ; （ b ）后沿时间测量结果 ; （ c ） TOT 测量结果 a b c 前后沿数据交 替存入 FIFO ； 离线数据处理 ，前后沿作差 得到脉宽。

11 快电子学实验室 Fast Electronics Lab 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 基于 CAM 的触发匹配机制 CAM （内容可寻址存储器）： 将输入数据与存储在 CAM 中的所有数据进行比较，判断是 否有与该数据匹配的项，并给出匹配项在 CAM 中的地址 基于 CAM 的触发匹配机制原理结构框图 基本原理：  将 Hit 的时间数据同时存 储在 CAM 和 RAM 的相同地 址中；  从 Trigger FIFO 中读取触 发信号的时间信息，与 Latency 相减后得到需要匹 配的数据  将匹配的数据送给 CAM ，查找其在 CAM 中的存储 地址；  根据 CAM 得到的地址读 出 RAM 中的相应数据。 HPTDC 触发匹配机制原理图

12 快电子学实验室 Fast Electronics Lab 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 多领域、多方面的研究  高精度 TDC 电路的实现方法上深入探索  基于时钟分相技术的高集成度 TDC 研究  抗辐照 TDC 设计的新领域  标准化、模块化的精密时间测量仪器设计

13 快电子学实验室 Fast Electronics Lab 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 时钟分相技术测量 ‘ 细 ’ 时间  时钟 4 分相，可以获得 1/4 时钟周期的 Bin Size 利用 4 个分相时钟驱动锁存器，对 Hit 进行测量获得 “ 细 ” 时间  Hit 落入不同的 Bin ，所对应不同的 “ 细 ” 时间编码

14 快电子学实验室 Fast Electronics Lab 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China  利用流水线结构降低时钟频率 A 部分输出为 4bit*330MHz ，变为 C 部分输出为 32bit*41.25MHz 降低时钟频率可以提高粗计数器位数，扩展动态范围 时钟分相技术测量 ‘ 细 ’ 时间

15 快电子学实验室 Fast Electronics Lab 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 多领域、多方面的研究  高精度 TDC 电路的实现方法上深入探索  基于时钟分相技术的高集成度 TDC 研究  抗辐照 TDC 设计的新领域  标准化、模块化的精密时间测量仪器设计

16 快电子学实验室 Fast Electronics Lab 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China ACTEL: 两种类型 FPGA  ” 粗 ”+” 细 ” 时间测量  时间内插： Buffer 组成延迟链  “ 粗 ” 时间测量：计数器  Flash 类型 FPGA  IGLOO 系列  PROASIC 系列  PROAISC3(E) 系列  测试  时间分辨（码宽） ： 440ps  测量精度：  80ps  DNL ： -0.11/+0.15 LSB  INL ： -0.25/+0.24 LSB

17 快电子学实验室 Fast Electronics Lab 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China ACTEL: Flash 型, 反熔丝型  ” 粗 ” + ” 细 ” 时间测量  时间内插：进位链组成延迟线  “ 粗 ” 时间测量：计数器  反熔丝类型 FPGA  AXCELERATOR 系列  SX_A 系列  RTAX_SSL 系列  测试  时间分辨（码宽）： 74ps  测量精度： 37ps  INL ： -0.8/+1.7 码宽

18 快电子学实验室 Fast Electronics Lab 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China SRAMed FPGA 在辐照环境下的容错设计 用以解决单粒子翻转 ” 效应 用以解决： FPGA 的配置存储器发生 “ 单粒子翻转 ” 效应 ICAP ：  通信接口，对配置存储器进行读写操作 。 FRAME ECC:  对配置存储器中的数据进行错误检查, 利用错误 纠错码（类似奇偶校验的一种校验码）给出配置 存储器中出现的单 bit 或双 bit 错误的具体位置, 对于 多 bit 错误给出所在的帧的位置 SEM Controller ：  控制完成对配置存储器的错误修复。  获取 FRAME ECC 返回信息, 从 Flash 读取待修 复的配置数据, 通过 ICAP 写入配置寄存器。 Flash （抗辐照）：  存储 FPGA 的配置数据。 目前，可以对数据帧中发生单 bit, 双 bit 和多 bit 错误进行修复。 FPGA 容错功能结构框图 不需要断电或重新配置 FPGA ，在不影响 FPGA 正常工作的情况下，实现对配置存 储器中发生的错误进行修复。

19 快电子学实验室 Fast Electronics Lab 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 多领域、多方面的研究  高精度 TDC 电路的实现方法上深入探索  基于时钟分相技术的高集成度 TDC 研究  抗辐照 TDC 设计的新领域  标准化、模块化的精密时间测量仪器设计

20 快电子学实验室 Fast Electronics Lab 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China NIM 标准的 TDC 插件  ~50 ps RMS,  100 ps Bin Size  USB 读出  16 Channels,  ~170 ms Dynamic range  single-ended input,  Range from -5V~5V, with on-board fast discriminator

21 快电子学实验室 Fast Electronics Lab 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 基于 VME 、 PXI 总线的 TDC 模块  16 通道，高精度时间测量的标准 VME 模块（ 6U ）  16 通道，差分 LVDS ，前、后沿，脉宽测量  时间分辨（ Bin Size ）： 30ps ；  测量精度（ RMS ）： 15 ps  Trigger Match  温度修正。  16 通道，高精度时间测量的标准 PXI 模块（ 6U ）  16 通道，差分 LVDS ，前、后沿，脉宽测量  时间分辨（ Bin Size ）： 30ps ；  测量精度（ RMS ）： 15 ps  Trigger Match  温度修正。

22 快电子学实验室 Fast Electronics Lab 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 基于 PCI 总线的 TDC 模块  5 通道基于 FPGA TDC 的时间测量通道  恒比定时消除 “Time Walk” 效应  测量精度：  400ps  应用：飞行时间质谱仪（ TOF-MS ）数据采集模块（合肥同步辐 射国家实验室） TDC

23 快电子学实验室 Fast Electronics Lab 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China  FPGAed TDC 的研究进展  FPGAed TDC 的应用  人才培养情况  论文与专利

24 快电子学实验室 Fast Electronics Lab 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 24 1.4 核电子学 ASIC 研究  基于 TOT 技术同时实现时间和电荷的数字化 LHAASO WCDA 读出电子学的时间测量  3600Ch. FPGAed TDC 国家发改委十二五 ” 规划 -- 大型高海拔空气簇射观测站（ LHAASO ） 4300 m 高海拔，四个 150 m × 150 m WCDA 共计 9 万 m 2 3600 个读出通道， 1~4000 倍动态范围内的高精度时间及电荷测量  时间分辨： 1ns  测量精度： 500ps

25 快电子学实验室 Fast Electronics Lab 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 64 通道高密度 FPGA TDC  9 院 1 所某项目  较高的集成度 单 FPGA 实现 64 个 TDC 通道  粗 - 细结合的时间测量 计数器实现 “ 粗 ” 时间测量 大动态范围时间测量精度 时间测量精度  时钟分相技术实现 “ 细 ” 时间 测量  时间分辨： 750ps 测量精度：  600ps(RMS) 动态范围：  1s 。

26 快电子学实验室 Fast Electronics Lab 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 德国 CBM-TOF 的精密时间测量  德国 GSI 重离子国家实验室 CBM 物理实验 TOF 探测器  10 万 Ch.  测量精度（ RMS ）： 20 ps  TOT + TDC  “ 粗 ”+“ 细 ” 时间测量  时间内插：进位链  科技部国际合作 “973”

27 快电子学实验室 Fast Electronics Lab 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 其它应用举例 1. 兰州重离子加速器国家实验室的 CSR 外靶 T0 探测器升级改造的 MRPC 探测器读出 电子学（基金委 - 中科院联合基金的重点基金， U1232206 ），测量精度达到 25ps 。 2. 参与国家基金委重大仪器专项： “ 半空间宽能谱太阳风离子探测分析器的研制 ” 课 题（ 2014-2018 ），其读出电子学需要设计 18 个通道的抗辐照 TDC ，测量精度为： 200ps （ RMS ）。目前正在用 ACTEL 的 Flash 型 FPGA 进行设计。 3.9 院中子物理重点实验室重点基金项目（ 2014-2016 ）：二维位置灵敏热中子气体 探测器研究，延迟线时间测量系统，时间分辨为 500ps 。 4. 自由空间量子通信中的应用 针对基于地面平台的自由空间量子通信需求，设计实现了基于 FPGA 的高精度时 间测量电路（ TDC ），时间分辨为： 50ps ，精度小于 50ps （ RMS ），并在此基础 上发展了一套高精度的时间同步系统。基于 FPGAed TDC 技术研制了一套量子通 信电子学系统，整套系统时间精度达 828ps 。 该套电子学系统成功应用于多项近地面的自由空间量子通信实验，包括 40km 的 运动平台实验、 20km 的浮空平台实验以及 96km 高信道损耗（ 50dB ）实验，均获 得良好的实验结果，从多角度全面验证了星地量子通信的可行性。

28 快电子学实验室 Fast Electronics Lab 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China  FPGAed TDC 的研究进展  FPGAed TDC 的应用  人才培养情况  论文与专利

29 快电子学实验室 Fast Electronics Lab 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China  郝新军： LHAASO 水切伦科夫探测器原型阵列读出电子学 研究（ 2011 ）  叶春逢：飞行时间质谱数据获取系统研究与设计（ 2013 ）  秦熙： 空间等离子探测中粒子谱仪的读出电子学方法的研 究（ 2013 ）  沈奇： 量子通信中的精密时间测量技术研究（ 2013 ）  范欢欢：基于 FPGA 的时间数字转换电路的若干关键技术研 究（ 2015 ） 毕业博士

30 快电子学实验室 Fast Electronics Lab 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China  FPGAed TDC 的研究进展  FPGAed TDC 的应用  人才培养情况  论文与专利

31 快电子学实验室 Fast Electronics Lab 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 已发表论文 1.Jinhong Wang, Shubin Liu, Qi Shen, Hao Li, Qi An, “A Fully Fledged TDC Implemented in Field-Programmable-Gate-Arrays”, IEEE Trans. On Nuclear Science, Vol.57, No.2, P446-450, Part 1 ， APR 2010. 2.Chen Kai, Liu Shunbin, An Qi, A High Precision Time-to-Digital Converter Based on Multi-Phase Clock Implemented Within Field-Programmable-Gate-Array, Nuclear Science and techniques, Vol. 21 No.2, Apr. 2010, p123-128 3.Jinhong Wang, Shubin Liu, Lei Zhao, Xueye Hu, Qi An, “The 10-ps Multitime Measurements Averaging TDC Implemented in an FPGA”, IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. 58, No.4, August, 2011, pp. 2011-2018. 4.Lei Zhao, Xueye Hu, Shubin Liu, Jinhong Wang, Qi Shen, Huanhuan Fan, Qi An, “The Design of a 16-Channel 15 ps TDC Implemented in a 65 nm FPGA”, IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. 60, No. 5, Oct. 2013, pp. 3532-3536. 5.Xueye Hu, Lei Zhao, Shubin Liu, Jinhong Wang, Qi An, “A Stepped-Up Tree Encoder for the 10-ps Wave Union TDC”, IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. 60, No. 5, Oct. 2013, pp. 3544-3549. 6.Chunfeng Ye, Lei Zhao, Zhongyue Zhou, Shubin Liu, Qi An, “A field- programmable-gate-array based time digitizer for the Time-of-Flight Mass Spectrometer”, Review of Scientific Instruments, Vol. 85, Apr. 2014, pp. 045115-1 – 045115-7.

32 快电子学实验室 Fast Electronics Lab 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 发表论文 7. Qi Shen, Lei Zhao, Shubin Liu, Shengkai Liao, Binxiang Qi, Xueye Hu, Chengzhi Peng, Qi An, “A fast improved fat tree encoder for wave union TDC in an FPGA”, Chinese Physics C, Vol. 37, No. 10, Oct. 2013, pp. 106102-1 - 106102-7. 8.Xi Qin, Changqing Feng, Deliang Zhang, Bin Miao, Lei Zhao, Xinjun Hao, Shubin Liu, Qi An, “Development of a High Resolution TDC for Implementation in Flash-Based and Anti-Fuse FPGAs for Aerospace Application”, IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. 60, No. 5, Oct. 2013, pp. 3550-3556. 9.Xi Qin, Changqing Feng, Deliang Zhang, Lei Zhao, Shubin Liu, Qi An, “Multi- time averaging TDCs implemented in an Actel flash-based FPGA”, Applied Mechanics and Materials, Vols. 336-338, Apr. 2013, pp. 9-18. 10. Xi Qin, Changqing Feng, Deliang Zhang, Lei Zhao, Shubin Liu, Qi An, “A low dead time vernier delay line TDC implemented in an actel flash-based FPGA”, Nuclear Science and Techniques, Vol. 24, No. 4, Aug. 2013, pp. 040403-1 – 404003-7. 11. Q, Shen, S. Liao, S.Liu, J. Wang, W. Liu, C. Peng, and Q. An, “An FPGA- Based TDC for Free Space Quantum Key Distribution”, IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. 60, No. 5, OCT. 2013

33 快电子学实验室 Fast Electronics Lab 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 发表论文 12. Qi Shen, Shengkai Liao, Shubin Liu, Jinhong Wang, Weiyue Liu, Chengzhi Peng, Qi An, “Time Interval Analyzer with FPGA-Based TDC for Free Space Quantum Key Distribution: Principle and Validation with Prototype Setup”, presented in 18th IEEE Real Time Conference, June 2012, Berkeley, USA. 13. T. Xiang, L. Zhao*, X. Jin, T. Wang, S. Chu, C. Ma, S. Liu, Q. An, “A 56-Ps Multi-Phase Clock Time-to-Digital Convertor Based on Artix-7 FPGA”, presented in 19th IEEE Real Time Conference, May 2014, Nara, Japan. 14. Tian XIANG, Lei ZHAO, Xi JIN, Tianqi WANG, Shaoping CHU, Cong Ma, Shubin LIU, QiAN, Xue BEN,”A Multi-phase Clock Time-to-Digital Convertor based on ISERDES Architecture”, 2014 IEEE 22nd Annual International Symposium on Field-Programmable Custom Computing Machines 15. Qi Shen, Shubin Liu, Binxiang Qi, Qi An, Shengkai Liao, Chengzhi Peng, Weiyue Liu,” A Multichain Measurements Averaging TDC Implemented in a 40 nm FPGA”, presented in 19th IEEE Real Time Conference, May 2014, Nara, Japan. 16. Xi Qin, Changqing Feng, Lei Zhao, Deliang Zhang, Xinjun Hao, Shubin Liu, Qi An, “Development of High Resolution TDC Implemented in Radiation Tolerant FPGAs for Aerospace Application”, presented in 18th IEEE Real Time Conference, June 2012, Berkeley, USA.

34 快电子学实验室 Fast Electronics Lab 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 国家发明专利  “ 基于反熔丝 FPGA 的时间数字转换器及其温度漂移修正方法 ” ， 授权号： CN103092059A ，授权通知： 2015.04.07 。  “ 一种基于 FPGA 的高精度高集成度时间数字转换器及实现方法 ” ， 公示（公告）号： CN103472712A ，公示（公告）日： 2013.12.25 。

35 快电子学实验室 Fast Electronics Lab 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China Thanks!