LHAASO WCDA读出电子学原型系统的验证和测试

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1 LHAASO WCDA读出电子学原型系统的验证和测试
报告人：马聪 中国科学技术大学 近代物理系 核探测与核电子学国家重点实验室 2016年8月23日 第十二届全国粒子物理学术会议 合肥

2 主要内容 LHAASO WCDA FEE 简介 系统测试 LHAASO WCDA FEE 主要任务 前端读出电子学的设计 机械、器件布局考虑
模拟前端模块的设计 时钟与数据传输模块的设计 机械、器件布局考虑 系统测试 电子学测试 常温下的性能测试 时钟相位自动调整测试 数据率测试 温漂测试 PMT 联合调试 滨松R5912和CR365测试系统 电荷和时间分辨率测试

3 主要内容 LHAASO WCDA FEE 简介 系统测试 LHAASO WCDA FEE 主要任务 前端读出电子学的设计 机械、器件布局考虑
模拟前端模块的设计 时钟与数据传输模块的设计 机械、器件布局考虑 系统测试 电子学测试 常温下的性能测试 时钟相位自动调整测试 数据率测试 温漂测试 PMT 联合调试 滨松R5912和CR365测试系统 电荷和时间分辨率测试 下面我简单介绍一下FEE的设计要点

4 LHAASO WCDA FEE 主要任务 主要任务 全广角探测百GeV以上的EAS 探测粒子前锋面到达时间 探测粒子电荷，判断粒子种类
900 PMTs for one water pool One FEE for 9 PMTs Extensive Air Shower 主要任务 主要任务 指标需求 时间测量Bin size < 1 ns 时间测量分辨率（RMS） < 0.5 ns 电荷测量动态范围 S.P.E P.E. S.PE电荷量 450 fC 电荷测量分辨率（%） 通道数 3600(->3120) 全广角探测百GeV以上的EAS 探测粒子前锋面到达时间 探测粒子电荷，判断粒子种类 测量范围：1~4000 P.E. 四(三)个水池，~400 FEE

5 整体结构与技术路线 主要技术要点 分布式电子学构架 大动态范围电荷和时间高精度测量 大范围内是高精度高质量系统时钟分发系统
900 PMTs for one water pool One FEE for 9 PMTs 主要技术要点 分布式电子学构架 大动态范围电荷和时间高精度测量 大范围内是高精度高质量系统时钟分发系统 数据、时钟和命令的融合传输 完全无硬件触发的数据获取系统

6 整体结构与技术路线 FEE主要技术路线 电荷测量：分段测量，模拟成形+数字积分 时间测量：前沿定时+FPGA-TDC
通道数目可能有所变化 FEE主要技术路线 电荷测量：分段测量，模拟成形+数字积分 时间测量：前沿定时+FPGA-TDC 自动时钟相位补偿技术，基于WR方法 TCP/IP数据传输方式

7 模拟前端电子学设计 电荷测量电路 时间测量电路 电路结构：passive RC2 Shaper
时间常数：40 ns ， 权衡SNR，Peaking error， Ballistic Deficit， Dead Time…… ADC钳位保护电路+基线稳定电路，实时基线测量 时间测量电路 前沿定时+FPGA-TDC测量 高低阈值甄别方案, Low Vth: 1/3 P.E. High Vth:~5 P.E. TDC：Binsize ~0.333 ns， 动态范围~16 s 运放是3.3V供电 基本继承之前的设计

8 全局自动阈值标定电路的设计 阈值电压标定电路 S-Curve 法 DAC阈值输出加电阻衰减
开关控制产生10000 类PMT信号（45%~55%） 4.5 mV x 85% x x 16 标定16/3 PE信号阈值，逻辑内部反推1/3 PE DAC阈值输出加电阻衰减

9 自动时钟相位补偿技术与数据传输 对称FPGA PLL 调相 SiTCP IP Core实现TCP/IP打包
结构简单，无需片外模拟电路，稳定性高 减小电子学温漂，调相最小步长：~15 ps 兼容WR交换机 SiTCP IP Core实现TCP/IP打包 结构简单、稳定、易用

10 FEE 机械、器件布局考虑 工程样机的设计 四角定位孔 加强金 信号地与机壳地 BNC座、磁珠、SFP等高器件放于背面 正面紧贴机箱内壁
1.四角、边缘、较重器件（SFP、BNC头等）附件都有定位孔。图中没有画全 2.主要散热器件：ADC、LDO、FPGA、DDR等，旁边有散热片定位孔。另外运放整体有一大块散热片。 3.加强金设计：氧化铝合金，每隔约20mm一个定位孔，保证板子整体的强度。 4.板子尺寸：45*32厘米，机箱60*60厘米，保证光纤弯折余量。 5.备份两种电源插头，一个较贵，专用；一个是实验室调试使用的插头。 6.上下分别两个机壳地和信号地接头，按照接地点位置不同可选择使用，避免出现接地线交叉。 工程样机的设计 四角定位孔 加强金 信号地与机壳地 BNC座、磁珠、SFP等高器件放于背面 正面紧贴机箱内壁

11 主要内容 LHAASO WCDA FEE 简介 系统测试 LHAASO WCDA FEE 主要任务 前端读出电子学的设计 机械、器件布局考虑
模拟前端模块的设计 时钟与数据传输模块的设计 机械、器件布局考虑 系统测试 电子学测试 常温下的性能测试 时钟相位自动调整测试 数据率测试 温漂测试 PMT 联合调试 滨松R5912和CR365测试系统 电荷和时间分辨率测试

12 主要内容 LHAASO WCDA FEE 简介 系统测试 LHAASO WCDA FEE 主要任务 前端读出电子学的设计 机械、器件布局考虑
模拟前端模块的设计 时钟与数据传输模块的设计 机械、器件布局考虑 系统测试 电子学测试 常温下的性能测试 时钟相位自动调整测试 数据率测试 温漂测试 PMT 联合调试 滨松R5912和CR365测试系统 电荷和时间分辨率测试

13 FEE常温下的性能测试 测试平台 PMT测试波形：AFG3252，ArbExpress 产生 电缆：LMR240, 30米
WR Switch时钟相位补偿和数据传输 两块FEE V1.0 (#1、#2)

14 FEE #1的电子学测试 常温下电荷性能 Anode：1~133 PE DY8: 30~4000 PE 性能如图所示，均满足应用需求
电荷-ADC转换曲线 电荷精度曲线 Anode：1~133 PE DY8: 30~4000 PE 性能如图所示，均满足应用需求

15 FEE #2的电子学测试 常温下电荷性能 Anode：1~133 PE DY8: 30~4000 PE 性能如图所示，均满足应用需求
电荷-ADC转换曲线 电荷精度曲线 Anode：1~133 PE DY8: 30~4000 PE 性能如图所示，均满足应用需求

16 FEE #1电子学测试 常温电荷基线离散性 R2为 1.6k(Anode) 1.5k(DY8), 5% R1为 560,1%
阳极基线位置 打拿级基线位置 只要不超出ADC量程即可，0~4095 若采用高精度电阻，会减小离散差 R2为 1.6k(Anode) 1.5k(DY8), 5% R1为 560,1% OPA：Vos最大离散5.2 mV 基线理论最大离散差：~100道。实测最大：~100道。

17 FEE #2电子学测试：常温电荷基线离散性 阳极基线位置 打拿级基线位置 板2基线离散型小一些，在合理区间

18 FEE #1的电子学测试 常温下时间性能 低阈：~1/3 PE 高阈：~5 PE 整个动态范围时间分辨率好于 0.5 ns RMS
时间精度曲线 修正前的time walk 低阈：~1/3 PE 高阈：~5 PE 整个动态范围时间分辨率好于 0.5 ns RMS 离线修正后的time walk

19 FEE #2的电子学测试 常温下时间性能 低阈：~1/3 PE 高阈：~5 PE 整个动态范围时间分辨率好于 0.5 ns RMS
时间精度曲线 修正前的time walk 离线修正后的time walk 低阈：~1/3 PE 高阈：~5 PE 整个动态范围时间分辨率好于 0.5 ns RMS

20 阈值标定电路的初步测试 自动阈值标定与手动标定进行对比 标定精度好于5% 标定电路工作稳定
系统复位自动标定一次，通过命令随时进行标定，~几s

21 主要内容 LHAASO WCDA FEE 简介 系统测试 LHAASO WCDA FEE 主要任务 前端读出电子学的设计 机械、器件布局考虑
模拟前端模块的设计 时钟与数据传输模块的设计 机械、器件布局考虑 系统测试 电子学测试 常温下的性能测试 时钟相位自动调整测试 数据率测试 温漂测试 PMT 联合调试 滨松R5912和CR365测试系统 电荷和时间分辨率测试

22 FEE #1 时钟调相测试1 测试条件 Peak-peak 好于 100 ps RMS : 19.2 ps
三层交换机，只给FEE上下电，测量次数与两块板的skew 时钟晃动：11ps RMS Peak-peak 好于 100 ps RMS : 19.2 ps 测试条件 （1）两块FEE 连接到三层交换机 （2）使用TDC 测量两块FEE 的相位差 （3）测试时，两块FEE 重新上下电，交换机不变

23 FEE #2 时钟调相测试1 测试条件 Peak-peak 好于 100 ps RMS : 19.3 ps
（2）使用TDC 测量两块FEE 的相位差 （3）测试时，两块FEE 重新上下电，交换机不变

24 FEE #1 时钟调相测试2 测试条件 Peak-peak 好于 100 ps RMS : 18.2 ps
三层交换机，同时给WR SWITCH和FEE上下电 测试条件 （1）两块FEE 连接到三层交换机 （2）使用TDC 测量两块FEE 的相位差 （3）测试时，FEE和交换机同时上下电 Peak-peak 好于 100 ps RMS : 18.2 ps

25 FEE #2 时钟调相测试2 测试条件 Peak-peak 好于100 ps RMS : 23.8 ps
（2）使用TDC 测量两块FEE 相位差 （3）测试时，FEE 和交换机同时上下电

26 FEE #1 时钟调相温漂测试1 测试条件 Peak-peak 好于 100 ps RMS : 24.8 ps
实测：短 测试条件 （1） 两块FEE 连接到三层交换机，其中一 块FEE与相应光纤放入温箱中 （2）使用TDC 测量两块FEE 的相位差 （3）测试时，FEE和交换机均不变 Peak-peak 好于 100 ps RMS : 24.8 ps

27 FEE #2 时钟调相温漂测试1 测试条件 Peak-peak 好于 100ps RMS : 16.3 ps
（1） 两块FEE 连接到三层交换机，其中一 块FEE与相应光纤放入温箱中 （2）使用TDC 测量两块FEE 的相位差 （3）测试时，FEE和交换机均不变 Peak-peak 好于 100ps RMS : 16.3 ps

28 FEE #1 时钟调相温漂测试2 测试条件： Peak-peak好于 200ps RMS : 37.1 ps
（1） 两块FEE 连接到三层交换机，其中一 块FEE与相应光纤放入温箱中 （2）使用TDC 测量两块FEE 的相位差 （3）测试时，每个温度点两块FEE 重新上 下电十次，交换机不变 Peak-peak好于 200ps RMS : 37.1 ps

29 FEE #2 时钟调相温漂测试2 测试条件 Peak-peak好于 200ps RMS : 29.5 ps
（1） 两块FEE 连接到三层交换机，其中一 块FEE与相应光纤放入温箱中 （2）使用TDC 测量两块FEE 的相位差 （3）测试时，每个温度点两块FEE 重新上 下电十次，交换机不变 Peak-peak好于 200ps RMS : 29.5 ps

30 主要内容 LHAASO WCDA FEE 简介 系统测试 LHAASO WCDA FEE 主要任务 前端读出电子学的设计 机械、器件布局考虑
模拟前端模块的设计 时钟与数据传输模块的设计 机械、器件布局考虑 系统测试 电子学测试 常温下的性能测试 时钟相位自动调整测试 数据率测试 温漂测试 PMT 联合调试 滨松R5912和CR365测试系统 电荷和时间分辨率测试

31 FEE #1 TCP/IP数据率测试 TCP/IP 数据传输速率测试结果： ~360Mbps

32 FEE #2 TCP/IP数据率测试 TCP/IP 数据传输速率测试结果： ~360Mbps

33 主要内容 LHAASO WCDA FEE 简介 系统测试 LHAASO WCDA FEE 主要任务 前端读出电子学的设计 机械、器件布局考虑
模拟前端模块的设计 时钟与数据传输模块的设计 机械、器件布局考虑 系统测试 电子学测试 常温下的性能测试 时钟相位自动调整测试 数据率测试 温漂测试 PMT 联合调试 滨松R5912和CR365测试系统 电荷和时间分辨率测试

34 FEE V1.0温漂测试 测试平台 一块FEE放在温箱里面，另一块放在外面 主要的测试项目 电荷基线温漂、阈值温漂
电荷幅度温漂

35 FEE #1电子学测试 电荷基线和低阈阈值温漂
打拿级基线温漂 阳极基线温漂 温度范围-10度~+60度 以30度为基准 电荷基线温漂<100 道 满足要求 阈值温漂较小<10% 阈值温漂

36 FEE #2电子学测试 电荷幅度和时间精度温漂
打拿级基线温漂 阳极基线温漂 温度范围-10度~+60度 以30度为基准 电荷基线温漂<100 道 满足要求 阈值温漂较小<10% 阈值温漂

37 FEE #1 温度对模拟部分时间延迟影响（修正后）
CH1 CH2 CH3 CH4 CH5 CH6 修正之后，模拟部分时间延迟温漂在±50 ps之内 CH7 CH8 CH9

38 FEE #1 温度对模拟部分+时钟相位温漂影响（修正后）
CH1 CH2 CH3 CH4 CH5 CH6 修正之后，时间延迟温漂小于±100ps CH7 CH8 CH9

39 FEE #2 温度对模拟部分时间延迟影响（修正后）
CH1 CH2 CH3 CH4 CH5 CH6 CH7 CH8 CH9

40 FEE #2 温度对模拟部分+时钟相位温漂影响（修正后）
CH1 CH2 CH3 CH4 CH5 CH6 CH7 CH8 CH9

41 FEE #1阳极电荷幅度温漂，相对于30℃（-10~60 ℃ ）
CH1 CH2 CH3 CH4 CH5 CH6 如果要修正，二维查找表，复杂。且需要幅度点很密，测试工作量大； 没有一定规律 在30~60度之内，基本上可以满足电荷平均值±3%温漂。下同 CH7 CH8 CH9

42 FEE #1打拿极电荷幅度温漂，相对于30℃（-10~60 ℃ ）
CH1 CH2 CH3 CH4 CH5 CH6 CH7 CH8 CH9

43 FEE #2阳极电荷幅度温漂，相对于30℃（-10~60 ℃ ）
CH1 CH2 CH3 CH4 CH5 CH6 CH7 CH8 CH9

44 FEE #2打拿极电荷幅度温漂，相对于30℃（-10~60 ℃ ）
CH1 CH2 CH3 CH4 CH5 CH6 CH7 CH8 CH9

45 电子学测试结果总结 两块工程样机的性能基本一致 指标 FEE #1 FEE #2 输入信号动态范围 Anode: 1-133 PE
DY8: PE S.PE（~450 fC）分辨率（%） <30% 4000 PE 分辨率（%） <3% 时间测量精度（RMS） <0.5 ns 时间甄别阈值 低阈：0.333PE 高阈：~5PE 数据率测试 达到300Mbps

46 主要内容 FEE V1.0简介 系统测试 整体结构与技术路线 前端读出电子学的设计 机械、器件布局考虑 电子学测试 PMT 联合调试
模拟前端模块的设计 时钟与数据传输模块的设计 机械、器件布局考虑 系统测试 电子学测试 常温下的性能测试 时钟相位自动调整测试 数据率测试 温漂测试 PMT 联合调试 滨松R5912和CR365测试系统 电荷和时间分辨率测试

47 PMT联合测试平台 PMT型号：滨松R5912(4个)、CR365(6个) 意大利CAEN公司的商用QDC对信号大小进行标定
LED窄脉冲激发，通过光纤进入PMT 同步信号屏蔽暗噪声

48 FEE #1与滨淞CR365 联调结果 电荷性能 baseline S.PE分辨率：<50% 4000 PE分辨率：<5%
无阈值

49 FEE #1与滨淞CR365 PMT联调结果 时间性能
0.5 PE处时间分辨率好于：0.5 ns RMS 在0.5 PE~133 PE范围内均可使用低阈结果 在133 PE~接近4000 PE范围内可以使用高阈结果

50 FEE #2与滨淞CR365 PMT联调结果 电荷性能
S.PE分辨率：<50% 4000 PE分辨率：<5%

51 FEE #2与滨淞CR365 PMT联调结果 时间性能
0.5 PE处时间分辨率好于：0.5 ns RMS 在0.5 PE~133 PE范围内均可使用低阈结果 在133 PE~接近4000 PE范围内可以使用高阈结果

52 FEE #1与滨淞R5912联调结果 电荷性能 S.PE分辨率：<50% 4000 PE分辨率：<5%

53 FEE #1与滨淞R5912联调结果 时间性能 0.5 PE处时间分辨率好于：0.5 ns RMS
在0.5 PE~133 PE范围内均可使用低阈结果 在133 PE~接近4000 PE范围内可以使用高阈结果

54 FEE #2与滨淞R5912联调结果 电荷性能 S.PE分辨率：<50% 4000 PE分辨率：<5%

55 FEE #2与滨淞R5912联调结果 时间性能 0.5 PE处时间分辨率好于：0.5 ns RMS
在0.5 PE~133 PE范围内均可使用低阈结果 在133 PE~接近4000 PE范围内可以使用高阈结果

56 总结 LHAASO WCDA FEE 第一版原理验证 电子学主要性能指标 PMT联合测试 电路应用背景、设计、测试 工程进展顺利
P.E. 时间精度<500 ps RMS 时钟同步精度<100 ps 传输数据率>300 Mbps PMT联合测试 R5912和CR365 P.E.

57 Thanks

58 功耗估算与测试具体值 数字部分功耗来源 估算 FPGA 1.3W SFP 1W DDR 1.35W other 2.93W 功耗来源
运放等 7.2 4.7 甄别器 1.5 1.47 ADC 3 2.93 数字部分加逻辑 6.58 6.4 +3.3V LDO 3.7 2.42 -3.3V LDO 1.70 1.50 +2.5V LDO 0.9 0.88 +1.8AVCC LDO 1 0.97 -1.8DVCC LDO 0.16 0.17 其他 0.85 总功耗 25.74 22.3 数字部分功耗来源 估算 FPGA 1.3W SFP 1W DDR 1.35W other 2.93W

59 单板功耗测试 加信号后随着频率提高最高会有约 5W左右的升高 温度升高后功耗会略有升高 功耗应该在22.3~30W/板之间
估算 total：25.74W 加信号后随着频率提高最高会有约 5W左右的升高 温度升高后功耗会略有升高 功耗应该在22.3~30W/板之间 在个别LDO前加散热电阻协助散热 无发热严重的器件 测试 total：22.3W