刘树彬 中科院核探测技术与核电子学重点实验室 近代物理系，中国科学技术大学

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1 刘树彬 中科院核探测技术与核电子学重点实验室 近代物理系，中国科学技术大学 2010.08.15
粒子物理实验中的精确时间测量 刘树彬 中科院核探测技术与核电子学重点实验室 近代物理系，中国科学技术大学

2 内 容 概 要 粒子物理实验中精密时间测量的作用 时间测量的基本概念 当前的时间-数字变换技术 基于FPGA的时间-数字变换电路

3 内 容 概 要 粒子物理实验中精密时间测量的作用 时间测量的基本概念 当前的时间-数字变换技术 基于FPGA的时间-数字变换电路

4 加速器物理实验 带电粒子鉴别的粒子飞行时间（Time of Flight，简称：TOF）测量 粒子径迹测量的电离电子漂移时间测量
2010/08/15 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

5 带电粒子的飞行时间测量 物理实验 实验室 探测器 类型 电子学通道数 单通道 事例率 总时间分辨 电子学 时间分辨 BES-III
Beijing IHEP 塑料 闪烁体 448 4K/Ch. 100ps 25 ps BELLE KEK 384 10K/Ch. ALICE CERN MRPC 160000 ~10KHz/Ch. STAR BNL 23040 0.2K/Ch. CDF-II FermiLab 432 2010/08/15 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

6 电离电子的漂移时间测量 物理实验 实验室 探测器 类型 通道数 单丝位置 分辨 单丝 Z方向分辨 电子学 时间分辨 BESIII
单丝位置 分辨 单丝 Z方向分辨 电子学 时间分辨 BESIII Beijing IHEP DC 6860 130μm 3-5mm 500 ps BELLE KEK 10200 mm 500ps ATLAS CERN MDT 370000 80μm 60μm 780 ps CMS DT 172200 250μm 150μm 2010/08/15 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

7 非加速器物理实验 根据探测器阵列所探测粒子的相对到达时间重建宇宙线大气簇射前锋面和入射角度
LHAASO: WCDA读出电子学时间测量精度500ps，KM2A读出电子学时间测量精度1ns Daya Bay: WCD读出电子学时间测量精度500ps 2010/08/15

8 粒子物理实验对时间测量系统的要求 测量精度指标 动态范围 死时间 读出能力 集成度 灵活度 成本
25ps左右 测量精度指标 时间分辨（Resolution），或者说量化值（LSB）要尽可能小 测量精度（Precision），或者说测量不确定性（Uncertainty）要尽可能小 动态范围 0~数百ns，甚至μs量级 死时间 双事例分辨目前大约10ns，处理事例率能力约几十MHz 读出能力 快速读出，与VME、PCI等主流总线平台匹配 集成度 大型实验通常需要几百甚至几十万通道…… 灵活度 时间分辨率模式可选择配置、触发工作模式可选择 成本 低成本、单片集成度高 2010/08/15 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

9 内 容 概 要 粒子物理实验中精密时间测量的作用 时间测量的基本概念 当前的时间-数字变换技术 基于FPGA的时间-数字变换电路

10 TDC 时间测量的组成 定时甄别与时间数字转换（TDC） - 定时甄别 时间-数字变换 Vi1 + Vi2 Start Data Stop
Vth + - Vi1 Vi2 CLK Data TDC DISC 定时甄别 时间-数字变换 2010/08/15 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

11 定时甄别电路 作用 常见形式 确定代表某事例发生的信号出现的精确时刻，或者说将一个物理事例的模拟信号转换为一个具有时间信息的数字逻辑信号
前沿定时 采用高速比较器，将输入信号与一个预置的阈值进行比较，以比较器输出信号的前沿作为信号出现的时刻 电路简单，定时精确，但存在着“幅度-时间游动”效应（Time Walk） 过零定时和恒比定时 电路比较复杂，不利于大规模的粒子物理实验应用，一般多用于较小规模的核物理实验 在现代的粒子物理实验中，人们通常使用简单的前沿定时方法，并且利用同一信号的幅度（电荷）测量对幅度-时间游动带来的定时误差进行修正，这已基本上成为一种标准方法。 2010/08/15 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

12 双阈甄别的前沿定时 高阈（HL）和低阈（LL）甄别器对同一信号进行甄别 目的： 低阈甄别器输出信号经过适当延迟后与高阈甄别器的输出信号符合
只有高于高阈的信号，符合电路才有输出 目的： 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 VHL – Out D Q In + Delay CLK + RST Delay VLL – 2010/08/15 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

13 基本的“时间-数字转换”技术 按实现手段分类 按测量对象分类 模拟式（TAC+ADC……） 数字式（计数器型……）
起停型（Start-Stop Type）TDC 时间戳型（Time Stamp Type）TDC 流水线型（Pipeline）TDC 事例驱动型（Data Driven）TDC 2010/08/15 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

14 起停型和时间戳型TDC Counter Clock Start Stop Start-stop type Counter Clock Register Hit Reset Time Stamp type 2010/08/15 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

15 流水线型和数据驱动型TDC 2010/08/15 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

16 TAC时间测量（起停型） 较小的死时间 可达到较高分辨率 容易受环境温度和外界干扰影响 取决于ADC转换时间 目前LSB：1ps~20ps
顾名思义，TAC+ADC型TDC是典型的通过时-幅变换和模拟-数字变换两步来完成时间-数字变换的。时幅变换是通过用代表时间起始和终止的Start、Stop信号控制一个恒流源I对电容C充电（积分电路）来实现。然后用一个ADC对正比于时间间隔的电容电压VC完成数字化。图给出了其原理方框图。影响时间测量精度的主要因素有：恒流源的稳定性、充电电容的线性、电路噪声，特别是积分环节上的噪声，以及后续ADC电路的特性。 同Wilkinson型TDC类似，这种类型的TDC在目前的大型粒子物理实验中已不多用。 2010/08/15 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

17 Wilkinson型TDC（双斜率型TDC）
Wilkinson型TDC是上世纪50年代提出的，其基本思想是基于所谓的时间放大（Time Stretch）原理，人们也常称其为双斜率型TDC。事实上，Wilkinson型TDC是通过时/幅变换和模/数变换两步来完成的。电路中采用两个不同的恒流源I1和I2。在时-幅变换时，采用大电流I1对电容快速充电，充电时间T1正比于输入信号Start和Stop的时间差。而在数字化时，采用小电流I2放电，同时用一个高速计数器对放电时间T2进行计数。很显然，计数器中的计数N正比于输入的Start和Stop信号的时间差。而时间放大因子K则由两个恒流源电流的比值K=T2/T1=I1/I2确定。 Wilkinson型TDC在早期的核物理实验中发挥了重要的作用，但由于其较大的死时间，约等于（K+1）T1，并且模拟处理电路较易受到干扰，难于集成化等原因在目前的粒子物理实验中已不多用。 1. 变换时间长 2. 需要高频, 高精度时钟 3. 时间分辨不高 2010/08/15 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

18 直接时间数字变换（计数器型） 易于实现 容易得到大的动态范围 精度不易提高 异步计数器同步计数器格雷码计数器
增加一个触发器即扩大一倍动态范围 精度不易提高 1GHz时钟频率LSB=1ns 与信号异步，最大误差±LSB 提高精度方法： 多次测量求平均提高精度（precision） 时钟分相提高分辨（resolution）——时间内插 2010/08/15 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

19 游标尺型时间内插TDC 第一种数字式提高时间测量精度的方法 可算做数字的时间放大
两个门控振荡器产生频率略微不同的两个时钟信号，T1略大于T2 T1－T2＝τ 特点：时间分辨高、动态范围较小 技术关键 频率稳定，且周期相差很小的两个时钟信号 2010/08/15

20 “粗”、“细”结合的时间测量——时间内插
单纯使用以上几种方法的某一种，都难以满足当前粒子物理实验所需要的高精度时间分辨、大尺度测量范围，大尺度通道数，低成本等综合性能要求 主流的解决方案是所谓的“粗”计数（Coarse Counting）+“细”时间测量（Fine Measurement）组合 “粗”计数一般由高性能的Gray码计数器实现 即数字计数器型TDC 时钟频率一般在数百兆赫兹，实现几个ns的时间分辨 “细”时间测量的实现则依靠时间内插技术（Time Interpolation） 在一个时钟周期内进行时间内插，达到亚纳秒（100 ps ~ 10ps）的时间分辨 2010/08/15 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

21 时钟相位延迟内插技术 Enable 2010/08/15 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

22 时钟相位延迟内插技术 记录下当hit信号到来时，时钟信号在延迟线上传输的位置，即时间延时信息，这就相当于将“粗”时间计数的时钟周期细分了2n个等分 该信息经译码电路译码后输出，作为时间数据最低的n位数据，实现了细时间分辨的内插测量 2010/08/15 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

23 各种时间内插技术（1）  CMOS门电路延迟线  锁相环（Phase Locked Loop，PLL）技术
 两个反向器构成一个延迟单元  电路简单，占用较少的资源  功耗小  延迟时间易受电压和温度变化 影响  利用PLL反馈机制来稳定门电路延迟时间  电路简单，占用较少的资源  功耗小  延迟时间精度高, 取决于门电路的延迟时 间tpd 2010/08/15 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

24 各种时间内插技术（2）  DLL阵列技术  延迟锁定环（Delay Locked Loop，DLL）
TM 略大于t N  类似于PLL，利用反馈机制来稳定门电路延迟时间  电路简单，占用较少的资源  功耗小  与PLL不同，无频率变化  延迟时间精度高, 取决于门电路的延迟时间tpd  M+1个DLL电路  右边M个组成一个DLL阵列: tM  左边竖排相位偏移DLL: tN  时间分辨高 2010/08/15 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

25 各种时间内插技术（3）  数字游标卡尺法  无源RC延迟线  两个延迟链 上方的单元延迟时间为1 下方的单元延迟时间为2
(hit) (clk)  两个延迟链 上方的单元延迟时间为1 下方的单元延迟时间为2 1略大于2  时间分辨高 tR = 1- 2  延迟链可由DLL构成  时间分辨高 TR = TRef / MN  电路简单，容易集成，没有功耗  一致性较差，需要修正 2010/08/15 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

26 内 容 概 要 粒子物理实验中精密时间测量的作用 时间测量的基本概念 当前的时间-数字变换技术 基于FPGA的时间-数字变换电路

27 特点 单片集成 典型芯片 时间戳型（Time Stamp） “粗” + “细”计数（时间内插）结合 数据驱动（触发事例匹配）
多种测量精度模式 多次击中能力 几乎无死时间 典型芯片 HPTDC（CERN） TDC-GP系列（ACAM） …… 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 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 2010/08/15

28 HTPDC简介 User Parts CMS muon 8000 ALICE TOF 24000 NA48 50 Phobos 80
CAEN 2500 BES 1400 RICE (STAR) 4500 Sky electronics 800 Oku 300 ATLAS CTP 30 HYTEC Orsay 200 Tata institute Upsala 100 LHC machine 1000 Imago Ionwerks LHCb Frankfurt Alice V0 10 Struck Kopio 3000 Total : ~20 users ~40.000 Number of channels: 32 / 8 Clock frequency: 40 MHz (external) 40MHz / 80MHz / 160 MHz / 320 MHz (internal) Resolution: 781 ps ( 261ps RMS) low resolution mode ps ( 64 ps RMS) medium resolution mode 98 ps ( 48 ps RMS) high resolution mode 24 ps( 40 ps RMS) very high resolution mode (8 channels) 24 ps( 17 ps RMS Corrected) Dynamic range: 102 us Double pulse resolution: ns depending on mode Hit rate: Core logic at 40 MHz, Not R-C mode Max. 2 MHz per channel, all 32 channels used Max. 4 MHz per channel, 16 channels used. Event buffer size: 4 x 256 Read-out buffer size: 256 Trigger buffer size: 16 Power consumption: 300mW mW depending on modes. Hit inputs: LVDS or LVTTL 2010/08/15 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

29 HPTDC内部结构 2010/08/15 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

30 TOF读出电子学系统和Monitor控制/读出
HPTDC在粒子物理实验中的应用 BES III TOF读出电子学系统和Monitor控制/读出 2010/08/15 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

31 TOF前端电子学 VME 9U 插件 双阈甄别的前沿定时 16 通道/插件 非门控积分的QTC 使用1片HPTDC进行16通道的电荷测量

32 时间“精度”的测量 线延迟测量法 传统起-停型TDC 时间戳型TDC 2010/08/15
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33 TOF前端电子学的时间测量精度 Res. of single chn: 17ps
LIU Shubin, FENG Changqing, YAN Han, etc. Nuclear Science and Techniques 21 (2010) 49–53 Shubin Liu, Changqing Feng, Qi An, etc. IEEE TNS, VOL.57, NO.2(2010), Changqing Feng, Shubin Liu, Qi An, etc. IEEE TNS, VOL.57, NO.2(2010), 2010/08/15 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

34 TOT (Time Over Threshold)
输出信号同时包含了时间和电荷信息 脉冲前沿直接高速甄别，代表粒子到达信息 经积分成型或放大等处理后的后沿代表电荷信息 优点 无须ADC等，节省功耗 前端电子学输出即为数字信号，节省昂贵的模拟电缆 2010/08/15 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

35 TOT应用（1） 应用范例： ALICE@LHC STAR@RHIC TOF upgrade of BES III ……
2010/08/15 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

36 TOT应用（2） QTC for Super-K 可能的应用——LHAASO之WCDA读出电子学？ 2010/08/15
Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

37 TOT应用（3） 其他 SFE16 Milagro实验WCDA读出电子学中的TOT 将应用于兰州重离子加速器改造冷储存环外靶实验
2010/08/15 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

38 S.B. Liu, C.Q. Feng, L.F. Kang, etc. NIM A 621 (2010) 513–518
BES III TOF读出电子学的电荷测量 非门控积分的QTC 没有门控积分的开关噪声 不需要门控积分的模拟延迟，降低系统复杂度 性能 动态范围30-927pC 相当于180mV~ >5V的PMT（R5942）信号 有效位~10bit 相当于10mV (R5924) S.B. Liu, C.Q. Feng, L.F. Kang, etc. NIM A 621 (2010) 513–518 2010/08/15 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

39 内 容 概 要 粒子物理实验中精密时间测量的作用 时间测量的基本概念 当前的时间-数字变换技术 基于FPGA的时间-数字变换电路

40 为什么要TDC@FPGA？ 目前国际上的TDC芯片：ASIC设计 国内状况
HPTDC等性能、性价比都很好，但不允许用于基础物理研究之外 国内状况 ASIC TDC设计技术上还不够成熟 研制TDC ASIC芯片的费用比较高 FPGA在数字电子学设计中运用越来越广泛，性能越来越高，价格越来越低 事实上，国外对基于FPGA的TDC研究也很广泛 2010/08/15 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

41 利用游标尺时间内插中实现的200ps TDC QuickLogic FPGA
Jozef Kalisz, Ryszard Szplet, Jerzy Pasierbinski, etc. IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT, VOL.46, NO.1(1997), 51-55 2010/08/15 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

42 如何在FPGA中实现TDC？ 利用游标尺型时间内插 利用延迟线抽头时间内插 双延迟链游标尺（起停型） 双刻度游标尺（时间戳型）
时钟相位延迟内插 输入信号延迟内插 2010/08/15 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

43 关键的技术难题： 如何实现时间内插？

44 专用进位连线资源——Altera 2010/08/15 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

45 专用进位连线资源——Xilinx 2010/08/15 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

46 2010/08/15 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

47 基于VME的FPGA TDC验证插件 Xilinx Altera 2010/08/15
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48 TDC@FPGA的精度 2006年，我们在FPGA中实现好于100ps的测量精度 2009年，通过校准、非线性修正等手段，
RMS<10ps! Wu Jinyuan, th IEEE-NPSS Real Time Conference 2006年，我们在FPGA中实现好于100ps的测量精度 Jian Song, Qi An, Shubin Liu, IEEE TNS, VOL.53, NO.1(2006), 2009年，通过校准、非线性修正等手段， 实现LSB<50ps, RMS<25ps的测量精度 Jinhong Wang, Shubin Liu, Qi An, IEEE TNS, VOL.57, NO.2(2010), 2010/08/15 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

49 TDC@FPGA的特点 灵活 高精度、低成本和高性价比 拥有完全的自主知识产权 功能灵活 通道数灵活 精度灵活 测量范围灵活 接口灵活
2010/08/15 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

50 FPGA内延迟链长度不够？ 双相/多相时钟采样内插
Liu Shubin, WANG Jinhong, CHEN Kai, etc. Proceedings of ICEMI 2009, pp 1/585-9 2010/08/15 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

51 灵活的结构设计 ELSC: Event Latch Shifted Clocks
CHEN Kai, LIU Shubin, AN Qi, etc, Nuclear Science and Techniques 21 (2010), 2010/08/15 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

52 NIM通用时间测量插件实物 用ALTERA EP1C20实现 用XILINX XC3S1600实现 2010/08/15
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53 应用举例 探月二期（嫦娥3号）激光三维成像敏感器高精度TDC攻关 量子通讯领域 大型物理实验
探月二期工程（嫦娥3号）中软着陆、激光三维成像中的关键电子学技术 单通道时间测量精度好于要求指标，达到LSB～50ps、RMS<30ps，胜任探月二期工程中距离测量的精度（RMS< 2cm）的要求 量子通讯领域 自由空间量子密钥分发等实验的关键电子学技术 单通道电子学时间测量精度好于200ps，胜任单光子鉴别能力的要求 大型物理实验 羊八井大型高海拔宇宙线空气簇射实验观测站水契伦科夫探测器读出电子学预研 单通道电子学时间测量精度要求好于500ps 2010/08/15 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

54 Thanks! 2010/08/15 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS