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1、第29卷 第1期 核 技 術(shù) Vol. 29, No.1 2006年1月 NUCLEAR TECHNIQUES January 2006高精度數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型TDC在高能物理實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用的研究劉樹(shù)彬 郭建華 張艷麗 趙 龍 安 琪(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系快電子學(xué)實(shí)驗(yàn)室 合肥 230026)摘要 目前國(guó)際國(guó)內(nèi)高能物理方面時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換的發(fā)展趨勢(shì)是使用集成的、高精度、多次擊中型TDC,數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型TDC(Data Driven TDC)是其中的熱點(diǎn)。研究高性能TDC的具體指標(biāo)以及改進(jìn)的方法對(duì)高能物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用具有指導(dǎo)作用。我們對(duì)北京譜儀(BES III)中考慮使用的一種新型高精度TDC進(jìn)行了測(cè)量研究。本
2、文介紹了我們?yōu)榇私⒌臏y(cè)量平臺(tái),和對(duì)該TDC進(jìn)行非線性、分辨率、雙脈沖分辨等測(cè)量的手段和結(jié)果,探討了對(duì)其進(jìn)行甚高精度(24.4ps)修正的方法,給出了修正的效果。 關(guān)鍵詞 HPTDC,時(shí)間分辨率,碼密度測(cè)量,非線性,線延遲測(cè)量,修正 中圖分類號(hào) TN0飛行時(shí)間(Time of Flight,TOF)測(cè)量是當(dāng)前高能物理實(shí)驗(yàn)中帶電粒子鑒別的一個(gè)基本測(cè)量手段,提高飛行時(shí)間測(cè)量的精度一直是國(guó)內(nèi)、外高能物理界研究人員不懈追求的目標(biāo)。隨著物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰康奶岣?,要求時(shí)間數(shù)字變換的分辨率大大提高。例如,目前正在升級(jí)中的北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)(BEPC II)和北京譜儀(BES III)設(shè)計(jì)在-粲能區(qū),物理目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)
3、弱電相互作用研究、強(qiáng)相互作用研究以及新物理的尋找等。為實(shí)現(xiàn)K/粒子的分辨,對(duì)桶部TOF探測(cè)系統(tǒng)的時(shí)間分辨率要求為均方根值(RMS)=90ps,考慮到TOF 本征時(shí)間分辨、束團(tuán)時(shí)間的不確定性、束團(tuán)長(zhǎng)度形成的對(duì)撞時(shí)刻的不確定性、粒子擊中閃爍體的Z向定位的不確定性、預(yù)期飛行時(shí)間不確定性以及電子學(xué)閾效應(yīng)的時(shí)間修正過(guò)程等誤差,要求TOF電子學(xué)時(shí)間測(cè)量的分辨率應(yīng)好于25ps1。而且隨著加速器束流亮度的提高,以及提高探測(cè)效率的需要,要求死時(shí)間也盡可能小,例如BES III的事例率在每通道4K/s左右。同時(shí),為減小體積與功耗,希望盡可能采用溫度穩(wěn)定和長(zhǎng)時(shí)間工作穩(wěn)定的集成電路。原有的時(shí)間測(cè)量方法已經(jīng)越來(lái)越不能滿
4、足高能物理研究的發(fā)展需要了:或者因?yàn)闀r(shí)間分辨率低(如普通計(jì)數(shù)式TDC);或者因死時(shí)間大(如游標(biāo)尺型TDC、時(shí)間擴(kuò)展內(nèi)插TDC);或者因穩(wěn)定性差(如時(shí)幅變換TDC)2;或者因集成度低(如時(shí)幅變換TDC)等。高能物理實(shí)驗(yàn)中,通常是一次對(duì)撞產(chǎn)生多個(gè)擊中事例,數(shù)據(jù)高速數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理研究收稿日期:2004-12-02,修回日期:2005-01-14采集時(shí)通常把對(duì)撞時(shí)刻作為起始信號(hào),而產(chǎn)生的次級(jí)粒子擊中在探測(cè)器上的時(shí)刻作為停止信號(hào)。也就是說(shuō),高能物理實(shí)驗(yàn)中的起始停止信號(hào)不是一一對(duì)應(yīng),因此,傳統(tǒng)的起始停止型TDC使用并不方便。目前集成TDC設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是時(shí)間標(biāo)志型(Time Stamp)TDC,由TD
5、C的各通道記錄擊中事例的時(shí)間,而對(duì)撞點(diǎn)時(shí)間則由其它物理途徑推導(dǎo)出來(lái)。時(shí)間標(biāo)志型TDC一般有兩種結(jié)構(gòu)形式:流水線型(Pipeline TDC)或數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型(Data Driven TDC)3。流水線型TDC結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但每個(gè)時(shí)鐘周期都存儲(chǔ)一個(gè)數(shù)據(jù),無(wú)論是否有事例擊中信號(hào)(hit)。因緩存大小限制,觸發(fā)延遲時(shí)間受到限制,而且不適用于無(wú)觸發(fā)判選信號(hào)的系統(tǒng)中。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型TDC只在有一個(gè)擊中事例時(shí)才會(huì)在緩存中有記錄,觸發(fā)延遲時(shí)間范圍大,無(wú)論有無(wú)觸發(fā)判選信號(hào)的系統(tǒng)都適用3,4。CERN微電子組最近研制的高性能時(shí)間測(cè)量芯片(High Performance TDC,簡(jiǎn)稱HPTDC)就是這種類型的TDC,為滿足
6、BES III的實(shí)驗(yàn)需求,TOF電子學(xué)中準(zhǔn)備采用HPTDC進(jìn)行時(shí)間測(cè)量。 1 HPTDC簡(jiǎn)介HPTDC是0.25µm的CMOS工藝制造的32通道數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型TDC芯片。其設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)具有多次擊中能力的高精度時(shí)間數(shù)字變換。它使用外部40MHz時(shí)鐘,利用芯片內(nèi)部的PLL(Phase Locked第一作者:劉樹(shù)彬,男,1975年出生,2002年6月于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲博士學(xué)位,現(xiàn)為中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)講師,物理電子學(xué)專業(yè),主要從事第1期劉樹(shù)彬等:高精度數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型TDC在高能物理實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用的研究 73Loop,鎖相環(huán))把時(shí)鐘倍頻對(duì)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù),同時(shí)利用DLL(Delay Locked Loop)時(shí)
7、間內(nèi)插(Interpolation)技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)低精度(781ps)、中精度(195ps)、高精度(97.7ps)的時(shí)間數(shù)字變換。再利用可調(diào)的RC延時(shí)內(nèi)插手段實(shí)現(xiàn)LSB為24.4ps的8通道甚高精度時(shí)間數(shù)字變換,其動(dòng)態(tài)范圍達(dá)21bit。而且RC延時(shí)受溫度變化影響小。由于采用了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型結(jié)構(gòu),其雙脈沖分辨(Double Pulse Resolution)非常小,能保證不大于10ns,因此最大擊中的事例率可達(dá)每通道2MHz8MHz的速率(根據(jù)使用通道數(shù)和內(nèi)核頻率不同)5。HPTDC輸入/輸出信號(hào)為L(zhǎng)VDS或LVTTL電平,可同時(shí)測(cè)量信號(hào)的上升/下降沿時(shí)刻,須利用JTAG方式配置。除了BES II
8、I考慮采用HPTDC以BNL的RICH(STAR)外,CERN的ALICE實(shí)驗(yàn)6、實(shí)驗(yàn)7等也準(zhǔn)備在其TOF電子學(xué)上使用HPTDC進(jìn)行時(shí)間測(cè)量。但是,由于高速數(shù)字部分對(duì)模擬部分的串?dāng)_,HPTDC實(shí)際測(cè)量精度不能直接滿足實(shí)驗(yàn)要求。尤其在甚高精度(24.4ps)模式下,實(shí)際分辨率為RMS=58ps5。為了確定HPTDC能否滿足BES III中的測(cè)量需要,我們需要對(duì)其進(jìn)行測(cè)試,并探索達(dá)到24.4ps分辨率的方法。 2 測(cè)試系統(tǒng)的建立為了能夠測(cè)試HPTDC在各種精度模式下的非線性和最高分辨率,我們建立了一套基于VME總線的測(cè)試系統(tǒng)。主要包括一個(gè)HPTDC試驗(yàn)測(cè)試板8、一個(gè)高精度信號(hào)發(fā)生器9、一個(gè)JTAG
9、控制器、軟件10以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件。HPTDC實(shí)驗(yàn)測(cè)試板如圖1所示。待測(cè)芯片是最新版本(Ver1.3)的HPTDC,它測(cè)量hit信號(hào)的前沿時(shí)刻;由一片Altera公司的FPGA控制,包括以令牌環(huán)方式從HPTDC讀出數(shù)據(jù)、緩存并與VME總線接口等功能;同時(shí)為了測(cè)試時(shí)間放大以獲得更高的時(shí)間分辨率,在試驗(yàn)板上留了時(shí)間放大電路板和集成時(shí)間放大電路芯片的位置;為能提供多樣的時(shí)鐘選擇測(cè)試,選擇了Micrel公司的SY89828LHI芯片,可以選擇LVDS/LVPECL/LVTTL的時(shí)鐘分別送給各部分。整個(gè)電路板的設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮了各信號(hào)尤其是時(shí)鐘信號(hào)和hit信號(hào)的信號(hào)完整性,而且利用電路仿真軟件進(jìn)行
10、了詳細(xì)的仿真和修改8,以盡量減少電路帶來(lái)的測(cè)量誤差。高精度信號(hào)發(fā)生器也是一個(gè)基于VME總線的電路板,它能夠提供高精度、低抖動(dòng)的時(shí)鐘信號(hào)和hit信號(hào)以及觸發(fā)、復(fù)位等輔助信號(hào)。為了測(cè)試HPTDC的分辨率,該電路板要求能夠提供可控延時(shí)的雙hit脈沖9。圖1 HPTDC試驗(yàn)板框圖Fig.1 Block diagram of HPTDC test boardHPTDC的初始化需要配置646個(gè)內(nèi)部寄存位,而且配置和狀態(tài)檢查只能通過(guò)JTAG方式實(shí)現(xiàn),因此我們專門(mén)設(shè)計(jì)了基于計(jì)算機(jī)并口的JTAG控制器和相應(yīng)軟件10。通過(guò)VME獲得測(cè)試數(shù)據(jù)后,用MATLAB軟件編程對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。 3 測(cè)試項(xiàng)目及結(jié)果HPTDC在
11、BES III的TOF電子學(xué)中的應(yīng)用是甚高精度(24.4ps)模式。因此,我們的測(cè)試重點(diǎn)是HPTDC在甚高精度模式下的非線性、時(shí)間分辨率以及它的雙脈沖分辨。 3.1非線性測(cè)試HPTDC的非線性指標(biāo),包括微分非線性(DNL)和積分非線性(INL)。傳統(tǒng)起始停止型TDC的非線性測(cè)量,是通過(guò)高精度信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于TDC測(cè)量精度的脈沖信號(hào),來(lái)觀察TDC測(cè)量值與實(shí)際時(shí)間的偏差。HPTDC動(dòng)態(tài)范圍非常大(52µs),如果直接測(cè)量工作量將非常龐大,是不現(xiàn)實(shí)的。我們利用ADC測(cè)試中標(biāo)準(zhǔn)的碼密度測(cè)試(Code Density Test,CDT)方法11,12進(jìn)行測(cè)量:產(chǎn)生足夠多的,在測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍
12、內(nèi)平均分布的隨機(jī)信號(hào)送給TDC作為hit信號(hào),并把讀出的數(shù)據(jù)做直方圖統(tǒng)計(jì),該直方圖的bin對(duì)應(yīng)于TDC的LSB,那么每個(gè)bin中統(tǒng)計(jì)的數(shù)目應(yīng)正比于TDC實(shí)際的bin寬度。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中我們可以得出DNL和INL。CDT需要的隨機(jī)hit信號(hào)不容易得到,我們以高精度信號(hào)發(fā)生器的時(shí)鐘為同步產(chǎn)生hit信號(hào),而74 核 技 術(shù) 第29卷HPTDC的時(shí)鐘則用板上的獨(dú)立晶振作為時(shí)鐘源,讓高精度信號(hào)發(fā)生器的時(shí)鐘與HPTDC板晶振不相關(guān),例如前者為41MHz,后者為40MHz,而且兩者不同步,這樣hit信號(hào)近似為CDT需要的隨機(jī)信號(hào)。由測(cè)試結(jié)果看來(lái),HPTDC的非線性(DNL和INL)呈現(xiàn)以25ns為周期循環(huán)的態(tài)
13、勢(shì),恰好對(duì)應(yīng)于其邏輯時(shí)鐘的周期:圖2是測(cè)試了2048個(gè)bin的非線性(DNL和INL),可見(jiàn)其以1024個(gè)bin為周期循環(huán)(每bin對(duì)應(yīng)24.4ps,25ns/24.4ps1024)。這種特點(diǎn)使得我們可以只測(cè)量HPTDC低10位的非線性,從而可以大大減少進(jìn)行碼密度測(cè)試時(shí)需要的獲取的樣本數(shù)。后面將介紹,這種特點(diǎn)同樣也給我們進(jìn)行非線性的修正帶來(lái)了方便。2.0 1.5 1.0 0.5 0 -0.5 -1.0本文第4部分對(duì)此做了研究。 3.2時(shí)間分辨率測(cè)試0 500 1000 1500 2000 2500Code 1: 2047(a) DNL對(duì)HPTDC這種時(shí)間標(biāo)志(Time stamp)型TDC與普
14、通起始停止型TDC的時(shí)間分辨率測(cè)試手段2略有不同,是通過(guò)線延遲測(cè)試(Cable Delay把隨機(jī)產(chǎn)生的hitMeasurement Test)方法測(cè)量的5:信號(hào)用功率分配器分開(kāi)后,一路直接送到一個(gè)HPTDC通道;而另外一路通過(guò)一個(gè)電纜延遲后送到另外一個(gè)通道。兩個(gè)通道測(cè)量差值的均方根值(RMS)可以代表該TDC的時(shí)間分辨率。當(dāng)然,因?yàn)檫@是對(duì)兩個(gè)通道hit測(cè)量值之差的統(tǒng)計(jì),因此,應(yīng)該是以這個(gè)RMS值的2表示這兩個(gè)通道時(shí)間分辨率的平均值。圖3(a)是我們用一條延時(shí)約為8ns的電纜對(duì)HPTDC測(cè)試板做的線延遲測(cè)試。由圖3可見(jiàn),HPTDC的分辨率約在81.7ps/1.414= 57.8ps。18 16
15、14 12 10 8 6 4 2 0×104Mean: 8407.4966 ps RMS: 81.6907 ps8422.85162 0 -2 -4 -6 -88150 8250 8350 8450 8550 8650ps(a) Before compensation×1056 54Mean: 8407.4966 ps RMS: 16.1403 ps8340 8380 8420 8460 8500ps(b) After compensation 圖3 HPTDC的線延遲測(cè)試8401.6297-10-120 500 1000 1500 2000 2500Code 0: 204
16、7 (b) INL圖2 HPTDC甚高精度模式下的DNL和INL Fig.2 DNL and INL in HPTDCs very high resolution mode3 2 1 0由圖2可見(jiàn):HPTDC在甚高精度模式下最差DNL高達(dá)2LSB,INL高達(dá)10LSB,非線性指標(biāo)比較差。尤其在圖中的后半部分,DNL和INL都有非常大的突起,經(jīng)過(guò)分析,這是由于TDC碼寬的不均勻性造成的,這種不均勻性的累計(jì)造成了比較大的INL,尤其是甚高精度下如此大的INL,必然會(huì)對(duì)HPTDC的分辨率造成壞的影響,因此如果我們能夠針對(duì)此進(jìn)行修正,必然會(huì)對(duì)其分辨率有所提高,8300Fig.3 The cable d
17、elay test for HPTDC第1期 劉樹(shù)彬等:高精度數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型TDC在高能物理實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用的研究 75當(dāng)電纜延遲為25ns或者它的倍數(shù)的情況下,線延遲測(cè)試會(huì)給出非常好的結(jié)果,不能完全表明(由表1也可以看出這點(diǎn)) 。HPTDC的實(shí)際分辨率5因此我們應(yīng)使用多條不同延遲的電纜來(lái)進(jìn)行這種測(cè)試。我們使用測(cè)試系統(tǒng)中的高精度信號(hào)發(fā)生器9產(chǎn)生兩個(gè)固定延時(shí)hit信號(hào)送給HPTDC,而且精確控制這兩個(gè)hit信號(hào)的延遲時(shí)間掃描一段時(shí)間范圍,把所有延遲情況下HPTDC測(cè)得的RMS值統(tǒng)計(jì)表1中第2、5列所示。 的兩個(gè)hit信號(hào)HPTDC都能夠區(qū)分。可見(jiàn)HPTDC能夠達(dá)到很好的雙脈沖分辨時(shí)間,有利于提高探測(cè)效率。
18、 4 甚高精度的結(jié)果修正(Compensation) 在3.2中我們看到,HPTDC在24.4ps的模式下,時(shí)間分辨率RMS高達(dá)62ps多,不能滿足TOF電子學(xué)的要求,這是由于3.1中所示的,碼寬不均勻造成的非線性的原因??紤]到ADC/TDC的積分表1 HPTDC時(shí)間分辨率測(cè)試結(jié)果表 非線性定義,INL=tTDC tACTUAL12,假如我們已知Table 1 The test result of HPTDCs resolution HPTDC在整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍上每個(gè)碼的積分非線性,那么由tACTUAL= tTDCINL就可以得到實(shí)際的擊中時(shí)修正前誤差 /ps 修正后誤差 /ps信號(hào)間隔 RMS
19、after RMS before 間,這是提高ADC精度的傳統(tǒng)手段13,在時(shí)間測(cè)Interval /ns compensation compensation 量方面可以借鑒這種方法。但相對(duì)于AD變換,時(shí)19.5067 61.6 12.720.5766 58.9 14.1 間測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍通常比較大,使得測(cè)量TDC的21.5269 54.0 14.8 INL非常困難(根據(jù)概率統(tǒng)計(jì)原理,用碼密度法測(cè)22.5685 44.4 13.1 量將需要大量隨機(jī)樣本數(shù);而如用傳統(tǒng)直接測(cè)量法23.5140 31.5 15.1 則需要非常高時(shí)間精度的脈沖發(fā)生器)。而且整個(gè)動(dòng)24.5921 16.0 14.9 (2
20、n個(gè),n為T(mén)DC25.3769 16.5 15.4 態(tài)范圍區(qū)間的INL值數(shù)據(jù)量龐大,很難實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)修正。HPTDC的積分非線26.3548 29.7 14.1 的位數(shù))27.3751 44.8 13.4 性測(cè)量方法和結(jié)果在3.1已經(jīng)給出,我們研究發(fā)現(xiàn):28.3436 53.3 15.6 HPTDC的非線性呈現(xiàn)以25ns為周期循環(huán)的態(tài)勢(shì)。29.4250 59.6 14.5 我們提出:只需要用碼密度方法測(cè)量HPTDC30.1865 62.1 15.7 因此,31.1827 60.8 14.2 低10位的INL值,列于1024行的查找表中,只對(duì)32.1940 60.6 14.6 數(shù)據(jù)的最低10位進(jìn)行修
21、正即可,這樣將大大節(jié)約程33.1586 60.2 15.8 序占用數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)的內(nèi)存和運(yùn)行時(shí)間,甚至可34.2258 55.8 14.435.0129 56.0 16.4 以直接在硬件電路中實(shí)現(xiàn)。我們用這種方法對(duì)線延36.0258 56.8 15.6 遲測(cè)試結(jié)果圖(a)的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,得到結(jié)果如圖38.1262 55.8 17.3 1.414=11.4ps。同樣,對(duì)表1中第2、5列的數(shù)據(jù)修39.1096 57.5 16.039.8768 57.5 18.3 正見(jiàn)第3、6列,從中可見(jiàn),修正后的RMS結(jié)果最已經(jīng)小于24.4ps的LSB,滿足了40.8481 60.0 16.4 大也只有18.3p
22、s,41.8512 62.5 17.7 甚高精度測(cè)量的需要??梢詰?yīng)用于BES III以及42.9394 64.7 18.1 ALICE、STAR等新高能物理實(shí)驗(yàn)的TOF電子學(xué)需 求。從該表1可見(jiàn),除了在延遲為25ns左右時(shí)的5 結(jié)論 情況比較好外,在甚高精度情況下,HPTDC的時(shí)通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型的TDCHPTDC的測(cè)量間分辨RMS值最大達(dá)到62ps左右,遠(yuǎn)大于其和研究,建立一套測(cè)量系統(tǒng),我們給出了其非線性、24.4ps的LSB。這不能滿足BES III等最新高能物時(shí)間分辨率、雙脈沖分辨等指標(biāo),在時(shí)間分辨率不理實(shí)驗(yàn)的TOF電子學(xué)需求,本文將在下面介紹通過(guò)能達(dá)到需求的情況下,我們探討了通過(guò)修正獲得
23、高非線性修正獲得好的分辨率。時(shí)間分辨率的方法,達(dá)到了BES III等高能物理實(shí)3.3 雙脈沖分辨(Double Pulse Resolution)測(cè)試 驗(yàn)需求。目前修正是在數(shù)據(jù)獲取到計(jì)算機(jī)后由程序完成的。鑒于HPTDC非線性的周期特征,我們也通過(guò)逐步減小高精度信號(hào)發(fā)生器輸出雙脈沖的已設(shè)計(jì)了用硬件實(shí)現(xiàn)查找表修正的系統(tǒng),可在線實(shí)時(shí)間間隔(單通道),測(cè)試結(jié)果標(biāo)明大于5.5648ns76 核 技 術(shù) 第29卷現(xiàn)獲取高分辨率時(shí)間測(cè)量,將極大減輕后處理的壓力。 參考文獻(xiàn)1 2Institute of High Energy Physics, the Chinese Academy of Sciences,
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