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粒子物理实验中的波形数字化技术

粒子物理实验中的波形数字化技术. 安 琪. 中国科学院“核探测技术与核电子学”重点实验室. 中国科学技术大学 近代物理系. 2010 年 8 月 15 日. 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（ SCA ＋ ADC ）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（ SCA ＋ ADC ）技术.  结束语.

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粒子物理实验中的波形数字化技术

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  1. 粒子物理实验中的波形数字化技术 安 琪 中国科学院“核探测技术与核电子学”重点实验室 中国科学技术大学 近代物理系 2010年 8月15日

  2. 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 TimeInterleaved ADC技术 开关电容阵列（SCA＋ADC）技术 结束语

  3.  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（SCA＋ADC）技术  结束语

  4. 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；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； 粒子物理实验对波形数字化技术的需求

  5. 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。 波形数字化（Waveform Digitization）技术 传统技术路线：能量： CSA + Shaping + ADC； 时间：快放大 + Disc. + TDC.  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。

  6. 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。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210-10的精度； 波形数字化的最初应用

  7.  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）；  高可靠性； 波形数字化技术的基本要求 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。

  8.  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（SCA＋ADC）技术  结束语

  9. 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

  10. 特点：  变换速度快；  低功耗，低成本； 1016位分辨。 流水线型ADC FADC的变型：FADC与逐次比较型ADC的结合 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 Pipelined ADC原理方框图

  11. FADC芯片现状 ８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)

  12. 高速波形数字化模块 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1 （中国科学院高能所实验物理中心） 科技部、基金委、中科院重大国际合作项目  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 大亚湾中微子物理实验PMT读出电子学系统

  13. E2V公司产品： 采样率：2GSPS/1GSPS2 -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 FADC芯片： AT84AD001B

  14. 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

  15. 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 信号重建：脉冲信号 (a) (b)

  16. 中国科学院“核探测技术与核电子学”重点实验室的实践中国科学院“核探测技术与核电子学”重点实验室的实践 FADC例2 （中国科学技术大学快电子学实验室）  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 高能所天体中心羊八井宇宙线观测

  17. 中国科学院“核探测技术与核电子学”重点实验室的实践中国科学院“核探测技术与核电子学”重点实验室的实践 FADC例3 （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  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）

  18.  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（SCA＋ADC）技术  结束语

  19. Time Interleaved ADC（TIADC） • 并行、交替采样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。

  20. 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（Offset Mismatch） 以上的误差可以看作静态或变化缓慢的误差

  21. 增益失配（Gain Mismatch) 增益失配的示意图

  22. 增益失配的时域和频域分析 时域分析 频域分析  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 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

  23. 时钟相位失配（Phase Mismatch) 时钟相位失配的示意图

  24. 时钟相位失配的时域和频域分析 时域分析 频域分析  频域中的噪声峰：fnoise=  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  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导数所调制  最大误差发生在输入正弦波的过零处  误差信号的包络线频率等于输入正弦波频率，但 相位与增益误差信号相差90度

  25. 偏置失配（Offset Mismatch) 偏置失配的示意图

  26. Offset失配的时域和频域分析 时域分析 频域分析  频域中的噪声峰：f noise = k x fs/m  信噪比的下降为一常数  误差与输入信号在时域和频域均无关 误差信号周期等于单个ADC采样周期

  27. 新的途径：数字后处理技术  数字后处理技术（Digital Post Processing Techniques）  数字信号处理算法的进步  廉价，高速，可配置的数字硬件平台（DSPs, FPGAs, ASICs等）  优点  采样性能大大提高（提高速度：6-8倍，V-Corp 技术）  大大减少硬件电路的设计难度（模拟和数字两方面）  系统成本减少  灵活：实时或离线处理  技术生命力强，可持续应用到每一代新的ADC芯片上

  28. 数字后处理系统原理框图 数字后处理算法研究 • 误差估计算法 • 误差修正算法

  29. 误差估算研究 误差估计部分用以估计并行各ADC中上述三种误差的实际大小。方法可以有两种：  预先刻度 用一个已知的输入信号对系统进行测量，得到误差数据。  采用专门的算法 直接对待测信号的测量数据进行误差估计，得到相应的误差数 据，这种方法被称为盲适应（Blind Adaptive）算法估计。 前者系统简单，但必须事先进行系统刻度；后者可以实时进行误差估计，但系统复杂。两种方法中，我们都必须了解通道间误差的特性，建立描述它们的数学模型，研究并发展进行误差估计的算法。

  30. 误差修正算法研究 误差修正部分是采用专门的数字滤波器，根据误差估计的信息，对测量到的数据进行数字滤波，滤除数据中通道间误差的频谱。误差修正的方法分为离线和实时两种途径。  离线方法 一种纯软件的方法，当各ADC通道采集到的数据被送入计算机后，用基于误 差估计算法和误差修正算法编写的软件对数据进行处理，最后得到消除通道间误 差的数据。 根据实际的需要，处理使用的计算机可以是专用的微处理器（MPU）和数字 信号处理器（DSP），也可以是通用的个人电脑和其他计算机。这种方法不增加 系统的硬件开销，但不具备实时性。  实时方法 将误差估计和误差修正的算法固化到硬件电路中，如大容量、快速的FPGA芯 片。这种方法可以实时地得到修正后的数据，应用更为广泛，但硬件开销大，算 法到硬件的转换方法也需要研究，系统的成本会大大增加。

  31. 320MSPS采样率、14位ADC模块 修正效果（FFT谱） TIADC：中国科学院“核探测技术与核电子学”重点实验室的实践 TIADC例1 修正前： SINAD = 40.1dB SFDR = 41.0dB 修正后： SINAD = 66.4dB SFDR = 92.1dB （中国科学技术大学快电子学实验室, 国家自然科学基金）  四片80MSPS采样率，14位ADC芯片  等效320MSPS采样率，14位TIADC系统  实时修正通道失配误差（FPGA）  VME6U模块

  32. TEX TDS7104（ 10GSPS、8位） TIADC（4GSPS、8位） 4GSPS采样、8位TIADC系统 TIADC：中国科学院“核探测技术与核电子学”重点实验室的实践 TIADC例2： （中国科学技术大学快电子学实验室，国家自然科学基金）  四片1 GSPS采样率，8位ADC芯片  等效 4 GSPS采样率，8位TIADC系统  离线修正通道失配误差

  33. 200MHz正弦波 803MHz正弦波 修正前 4通道修正 8通道修正 FFT谱结果与结论

  34. 中国科学院“核探测技术与核电子学”重点实验室的实践中国科学院“核探测技术与核电子学”重点实验室的实践 TIADC例3 （中国科学技术大学快电子学实验室） 中科院知识创新工程重要方向项目  波形数字化VME模块  两通道500MSPS，12位ADC  等效采样率: 1GSPS，12位TIADC  Pipelined ADC；  设计难点: 实时修正通道失配误差  应用: 西藏羊八井大型高海拔空气簇射观测站LAHHSO－水契伦科夫探测器阵列（WCD）

  35.  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（SCA＋ADC）技术  结束语

  36. 高速 低速 Switched Capacitor Array Domino Ring Dt Dt Dt t Dt ADC Input Sampling Cap. SCA 开关电容阵列（SCA＋ADC）技术 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）

  37. Domino Ring Dt Dt Dt t Dt ADC Input 关键点 Sampling Cap. SCA 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  高速模拟采样、模拟存储: SCA  慢速模拟数字变换：ADC

  38. BPM for XFEL@PSI 1000 channels DRS4 (planned) MACE (India) 400 channels DRS4 (planned) MEG Experiment searching for me g down to 10-13 MAGIC-II 1200 channels DRS2 3000 Channels with GHz sampling DRS@PSI DRS1 2001 DRS2 2004 DRS3 2006 2008 DRS4

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

  40. DRS4 Packaging DRS4 flip-chip DRS4 DRS3 4.2 mm 9 mm 18 mm

  41. SCA-FELab测试系统 SCA-FELLab实物照片 中国科学院“核探测技术与核电子学”重点实验室的实践 SCA+ADC举例： SCA-FELab （中国科学技术大学快电子学实验室）

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

  43. 输入信号：纳秒窄脉冲 SCA-FELab fS ：1.7GSPS fS ：4.7GSPS

  44. 信号时间差测试 时间差中心值：5ns SCA-FELab 带宽： 600MHz 采样率：4.7GSPS 时间差方差：39.4ps 单通道时间晃动方差：28ps 时间差直方图 测试原理图

  45. 非均匀采样修正 Domino Ring Dt Dt Dt t Dt Input 修正后：单通道时间晃动方差：21ps 修正前：单通道时间晃动方差：28ps Sampling Cap. SCA 时间差直方图 Domino 环延迟单元的不均匀性带来采样时钟的不均匀性

  46. 下一步研究考虑 进一步的电路改进和详细的性能测量 前端电路模拟带宽的提高 非均匀采样时钟修正 对能量测量（系统有效位）的改善 对时间测量性能的改善 与实际探测器输出信号连接，进行能量与时间性能测试  BESIII TOF的PMT信号研究 西藏羊八井水契伦科夫PMT信号的读出

  47. Interleaved Sampling SCA Domino Wave Generation Channel 0 – 1024 cells Channel 1 – 1024 cells Channel 2 – 1024 cells Channel 3 – 1024 cells Channel 4 – 1024 cells Channel 5 – 1024 cells (delays (200ps/8 = 25ps) Channel 6 – 1024 cells Channel 7 – 1024 cells 深入研究计划：  2通道Interleaved Sampling 等效采样率：10 GSPS  4通道Interleaved Sampling 等效采样率：20 GSPS  8通道Interleaved Sampling 等效采样率：40 GSPS  修正通道失配误差

  48.  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（SCA＋ADC）技术  结束语

  49. 结束语  核与粒子物理实验探测器输出脉冲信号的波形携带有粒 子最全面、详细的物理信息。 因而，直接波形数字化一直是实验物理学家的追求目标。  高采样率FADC带来了功耗、集成度、复杂度和成本等问 题，成为使用该技术的基本障碍。  Interleaved ADC技术解决了采样率问题，但功耗、集成 度、复杂度和成本等问题依然存在；  开关电容阵列（SCA＋ADC）技术可以基本解决以上这 些问题，应用前景诱人。目前，该技术还有待完善。

  50. 中国科学院“核探测技术与核电子学”重点实验室简 介

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