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 中国科学技术大 快电子学实验室 University of Sci& Tech of China Fast Electronics lab
快电子学实验室 Fast Electronics Lab 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 粒子物理实验中的波形数字化技术 2010年 8月15日 中国科学技术大学 近代物理系 安 琪 中国科学院“核探测技术与核电子学”重点实验室
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 中国科学技术大 快电子学实验室 University of Sci& Tech of China Fast Electronics lab
快电子学实验室 Fast Electronics Lab 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 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 FaSn ADCiv terleayec dc 开关电客阵列(sCA+C 中国科学技术大 快电子学实验室 University of Sci& Tech of China Fast Electronics lab
快电子学实验室 Fast Electronics Lab 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 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 与粒子物理实验探测器输出脉冲信号的波形蕴含着所 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 中国科学技术大 快电子学实验室 University of Sci& Tech of China Fast Electronics lab
快电子学实验室 Fast Electronics Lab 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 粒子物理实验对波形数字化技术的需求 • 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；
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 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,只要采样速率足够 高,可以无失真地恢复原脉冲波形; ■优点 52025乃 ◆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,2∠ 死 时间小,适应于高亮度、高事例率的物理实验;2 此外,波形数字化还可以使物理学家采用任何可 30325353754042.54547.55052.555 能的数字处理方法来处理波形数字化的信号数据。 中国科学技术大 快电子学实验室 University of Sci& Tech of China Fast Electronics lab
快电子学实验室 Fast Electronics Lab 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 波形数字化（Waveform Digitization）技术 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。 传统技术路线：能量： CSA + Shaping + ADC； 时间：快放大 + Disc. + TDC
波形数字化的最初应用 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; 987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 Lecroy226进行漂移室读出。 Lecroy2261的样率为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 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Nevs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+→πv衰变中达到2×1040的精度; 中国科学技术大 快电子学实验室 University of Sci& Tech of China Fast Electronics Lab
快电子学实验室 Fast Electronics Lab 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 波形数字化的最初应用 • 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210-10的精度；
波形数字化技术的基本要求 ■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 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。 中国科学技术大 快电子学实验室 University of Sci& Tech of China Fast Electronics lab
快电子学实验室 Fast Electronics Lab 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 波形数字化技术的基本要求 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； 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
子物理实验对波形数字化节米的需 ■ Flash ADc技术 Trme lrereayec Ado (SCA-FADC 中国科学技术大 快电子学实验室 University of Sci& Tech of China Fast Electronics lab
快电子学实验室 Fast Electronics Lab 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 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
Flash adc技术 STROBE ANALOG INPUT 最高采样速度的ADc R R ■2n-1个高速比较器 PRIORITY ENCODER DIGITAL AND LATCH OUTPUT ■功耗大 R 位数一般不超过8位 R R 05R 波形数字化的早期应用基本都是采用FADc 中国科学技术大 快电子学实验室 University of Sci& Tech of China Fast Electronics lab
快电子学实验室 Fast Electronics Lab 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 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
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 ANALOG INPUTSHA SHA SHA ■多级并行比较ADC电路 2 少9少 ■取样-保持电路 ■并行比较ADC 5-BIT5-BIT 4-BIT 3-BIT 3-BIT 3-B|T 高速DAC ADC DAC 怎m DAc ADC DAC ADC ■高速相减和放大电路 缓冲寄存器和误差修正电路 BUFFER REGISTERS AND ERROR CORRECTION LOGIC 输出寄存器 OUTPUT REGISTERS 特点 变换速度快 低功耗,低成本 Pipelined ADC原理方框图 ■10~16位分辨。 中国科学技术大 快电子学实验室 University of Sci& Tech of China Fast Electronics lab
快电子学实验室 Fast Electronics Lab 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 流水线型ADC 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 特点： 变换速度快； 低功耗，低成本； 1016位分辨。 Pipelined ADC原理方框图 FADC的变型：FADC与逐次比较型ADC的结合