粒子物理实验中的精确时间测量中科院核探测技术与核电.ppt
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▪ 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
粒子物理实验对时间测量系统的要求
① 测量精度指标
25ps左右
+
号符合 +
• 只有高于高阈的信号，符合电 路才有输出
VLL
–
Delay
▪ 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
tLL tHL
LL HL
D
Q
CLK RST
Out
Delay
基本的“时间-数字转换”技术
▪ 按实现手段分类
• 模拟式（TAC+ADC……） • 数字式（计数器型……）
▪ 容易得到大的动态范围
• 增加一个触发器即扩大一倍动态范围
▪ 精度不易提高
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
关
起始信号v1 时钟T1
计数
停止信号v2 时钟T2 关
符合 计数
T n1T1 n2T2 (n1 n2)T1 (n2T1 n2T2)
▪ 按测量对象分类
• 起停型（Start-Stop Type）TDC • 时间戳型（Time Stamp Type）TDC
- 流水线型（Pipeline）TDC
起停型和时间戳型TDC
Start
Stop
Clock
Counter Start-stop type
Clock
Reset Counter
Hit
粒子物理实验中的精确时间测量
中科院核探测技术与核电子学重点实验室
2010.08.15
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
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
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
带电粒子的飞行时间测量
物理实验 实验室
BES-III BELLE ALICE STAR
Beijing IHEP KEK
CERN BNL
探测器 类型
塑料 闪烁体
塑料 闪烁体
时钟相位延迟内插技术
Tclk
CLK0
CLK0
CLK1
CLK1
CLK2 CLK3
CLK8 CLK9
HIT
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
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
Beijing IHEP
DC
BELLE
KEK
DC
6860 10200
130μm 130μm
3-5mm 0.2-1.4mm
500 ps 500ps
ATLAS CERN MDT 370000 80μm
60μm
780 ps
非加速器物理实验
Register
Time Stamp type
流水线型和数据驱动型TDC
TAC时间测量（起停型）
起始信号V1(t) 停止信号V2(t)
起 时幅 停 变换器
Vo(t)
▪ 较小的死时间
• 取决于ADC转换时间
Wilkinson型TDC（双斜率型TDC）
直接时间数字变换（计数器型）
▪ 易于实现
• 异步计数器同步计数器格雷码计数器
• 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
td
v1(t)
Vi(t) V0(t)
t
t
Zero Cross
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
• 低阈甄别器输出信号经过适当
VHL
–
延迟后与高阈甄别器的输出信 In
▪ 作用
• 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
▪ 常见形式
• 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）
➢ 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
② 动态范围
➢ 0~数百ns，甚至μs量级
③ 死时间
➢ 双事例分辨目前大约10ns，处理事例率能力约几十MHz
④ 读出能力
➢ 快速读出，与VME、PCI等主流总线平台匹配
(n1 n2)T1 n2 T1 T2
“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
MRPC
MRPC
电子学 单通道 总时间 电子学 通道数 事例率 分辨 时间分辨
448
4K/Ch.
100ps
384
10K/Ch.
160000 23040
~10KHz/C h.
0.2K/Ch.
100ps 100ps 100ps
25 ps 25 ps 25 ps 25 ps
电离电子的漂移时间测量
物理实验 实验室
⑤ 集成度
➢ 大型实验通常需要几百甚至几十万通道……
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
时间测量的组成
▪ 定时甄别与时间数字转换（TDC）
Vi1
+
DISC
-
Vth
Vi2
+
DISC
-
Start
TDC
Data
Stop
定时甄别电路
• “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
时钟相位延迟内插技术
EnSatabrtle
8bit Counter
8bit D_FF
EN
Q
8
8
源自文库
DQ
CLK0
Event0
CLK0
DQ
EN EN
CLK8
DQ EN
“粗 ”计 数 “细 ”计 数
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
粒子物理实验对时间测量系统的要求
① 测量精度指标
25ps左右
+
号符合 +
• 只有高于高阈的信号，符合电 路才有输出
VLL
–
Delay
▪ 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
tLL tHL
LL HL
D
Q
CLK RST
Out
Delay
基本的“时间-数字转换”技术
▪ 按实现手段分类
• 模拟式（TAC+ADC……） • 数字式（计数器型……）
▪ 容易得到大的动态范围
• 增加一个触发器即扩大一倍动态范围
▪ 精度不易提高
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
关
起始信号v1 时钟T1
计数
停止信号v2 时钟T2 关
符合 计数
T n1T1 n2T2 (n1 n2)T1 (n2T1 n2T2)
▪ 按测量对象分类
• 起停型（Start-Stop Type）TDC • 时间戳型（Time Stamp Type）TDC
- 流水线型（Pipeline）TDC
起停型和时间戳型TDC
Start
Stop
Clock
Counter Start-stop type
Clock
Reset Counter
Hit
粒子物理实验中的精确时间测量
中科院核探测技术与核电子学重点实验室
2010.08.15
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
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
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
带电粒子的飞行时间测量
物理实验 实验室
BES-III BELLE ALICE STAR
Beijing IHEP KEK
CERN BNL
探测器 类型
塑料 闪烁体
塑料 闪烁体
时钟相位延迟内插技术
Tclk
CLK0
CLK0
CLK1
CLK1
CLK2 CLK3
CLK8 CLK9
HIT
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
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
Beijing IHEP
DC
BELLE
KEK
DC
6860 10200
130μm 130μm
3-5mm 0.2-1.4mm
500 ps 500ps
ATLAS CERN MDT 370000 80μm
60μm
780 ps
非加速器物理实验
Register
Time Stamp type
流水线型和数据驱动型TDC
TAC时间测量（起停型）
起始信号V1(t) 停止信号V2(t)
起 时幅 停 变换器
Vo(t)
▪ 较小的死时间
• 取决于ADC转换时间
Wilkinson型TDC（双斜率型TDC）
直接时间数字变换（计数器型）
▪ 易于实现
• 异步计数器同步计数器格雷码计数器
• 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
td
v1(t)
Vi(t) V0(t)
t
t
Zero Cross
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
• 低阈甄别器输出信号经过适当
VHL
–
延迟后与高阈甄别器的输出信 In
▪ 作用
• 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
▪ 常见形式
• 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）
➢ 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
② 动态范围
➢ 0~数百ns，甚至μs量级
③ 死时间
➢ 双事例分辨目前大约10ns，处理事例率能力约几十MHz
④ 读出能力
➢ 快速读出，与VME、PCI等主流总线平台匹配
(n1 n2)T1 n2 T1 T2
“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
MRPC
MRPC
电子学 单通道 总时间 电子学 通道数 事例率 分辨 时间分辨
448
4K/Ch.
100ps
384
10K/Ch.
160000 23040
~10KHz/C h.
0.2K/Ch.
100ps 100ps 100ps
25 ps 25 ps 25 ps 25 ps
电离电子的漂移时间测量
物理实验 实验室
⑤ 集成度
➢ 大型实验通常需要几百甚至几十万通道……
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
时间测量的组成
▪ 定时甄别与时间数字转换（TDC）
Vi1
+
DISC
-
Vth
Vi2
+
DISC
-
Start
TDC
Data
Stop
定时甄别电路
• “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
时钟相位延迟内插技术
EnSatabrtle
8bit Counter
8bit D_FF
EN
Q
8
8
源自文库
DQ
CLK0
Event0
CLK0
DQ
EN EN
CLK8
DQ EN
“粗 ”计 数 “细 ”计 数