4102電磁量能器讀出電子學

1、第四章 BESIII探測器.北京正負電子對撞機艱苦改造工程初步設計：.；電磁量能器讀出電子學 概述 電磁量能器讀出電子學的主要功能是丈量電荷量，從而確定粒子在CsI晶體中的能量損失，同時給出粗略的粒子擊中晶體的時間信息。讀出電子學采用傳統(tǒng)的電荷丈量方法。首先對電荷信號進展積分，積分后的信號經(jīng)過放大、CR-(RC)2成形后，信號波形的峰值電壓與電荷量成正比。經(jīng)過對峰值電壓的丈量得到待測的電荷量，根據(jù)峰位出現(xiàn)的時辰，可以得到粒子擊中晶體的時間。電磁量能器讀出電子學的任務條件是：加速器的對撞周期為8ns，一級觸發(fā)判選的延遲時間為6.4s。為了實如今一級觸發(fā)判選完成前不喪失好事例，電磁量能器電子學采用

2、數(shù)字流水線的任務方式。系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)讀出等部分采用VME總線規(guī)范。電磁量能器電子學讀出系統(tǒng)的設計除了保證按要求精度完成電荷量丈量外，還思索了探測器性能測試及觸發(fā)等部分的任務需求，盡能夠為其提供方便。本系統(tǒng)設計了三種任務方式，根據(jù)VME主設備的指令可以方便的切換：對撞任務方式，校準任務方式和增益調(diào)理任務方式。1) 對撞任務方式 這是在對撞機對撞時譜儀系統(tǒng)取數(shù)的任務方式，20MHz時鐘、L1均由觸發(fā)系統(tǒng)提供且與對撞的周期同步。2) 校準任務方式 檢測系統(tǒng)各個通道的好壞及非線性采用這種任務方式。這時由測試控制器提供20MHz時鐘、L1信號，并提供一系列線性良好的電荷量，對各個通道的線性進展測試，而非

3、線性修正在VME的主設備中進展。3) 增益調(diào)理任務方式為了減少電磁量能器與觸發(fā)之間的電纜，簡化譜儀系統(tǒng)，擬將8路信號的模擬“和送給觸發(fā)。為了保證各個通道增益的一致性，需求在模擬相加前對各個通道增益進展調(diào)整。在增益調(diào)理任務方式時，測試控制器根據(jù)VME主設備的指令產(chǎn)生調(diào)理增益所須的串行時鐘及串行數(shù)據(jù)，主放大器中的串行解碼電路自動完成解碼和增益值的調(diào)整。 任務原理及電子學讀出系統(tǒng)的構(gòu)造1. 系統(tǒng)任務條件及目的根據(jù)譜儀系統(tǒng)整體需求及物理丈量目的的要求，電磁量能器讀出電子學系統(tǒng)參數(shù)總結(jié)如下所示： 系統(tǒng)時鐘 20MHz 觸發(fā)判選L1延遲 6.4s 單通道事例率 不大于1KHz 電荷丈量范圍 0.5fc 1

4、500fc 輸入端等效噪聲電荷(Q) 0.16 fc (200keV) 通道數(shù) 6272 積分非線性 1 修正前 通道之間串擾 0.3 電子學數(shù)字化動態(tài)范圍 15bit 給觸發(fā)信息 8路模擬和 通道增益可在線調(diào)整 增益不一致性不大于202. 系統(tǒng)框圖圖4.10-12為電磁量能器讀出電子學框圖。主要分為四部分，即：前置放大器Preamplifier、主放大器Post amplifier、電荷丈量系統(tǒng)Q module及測試控制系統(tǒng)TEST control。在晶體上在探測器旁邊 2電荷量時間量提 取 1GlobalBufferLocalBuffer10 bitADC主放大器 16 VM ECLK前放

5、Analog SumL1ResetL1SCLK，DINTest, DACBuffer fullTEST ControlL1CLKTriggerFan out Baffer fullL1 Reset圖4.10-12電磁量能器讀出電子學框圖(1) 前置放大器電磁量能器總計運用6272塊CsI晶體，每塊晶體上安裝兩個型號為S274408的光二極管。兩個電荷靈敏前置放大器安裝在光二極管的背后，經(jīng)過一個屏蔽鋁盒固定在晶體上。前放的低壓及光二極管的偏壓均由主放大器提供。前放與主放經(jīng)過一根14芯屏蔽雙紐線相銜接。(2) 主放大器主放大器除了提供適當?shù)脑鲆嫱?，還對前放信號進展準高斯成形，以降低噪聲。主放大器的

6、輸出信號經(jīng)過一根34芯雙紐電纜送到電荷丈量插件。主放大器給觸發(fā)的是快成形信號，經(jīng)過VME主設備可以調(diào)理每個通道的增益。 8個通道“快信號模擬相加后，以差分方式送給觸發(fā)。(3) 電荷丈量及測試控制系統(tǒng)數(shù)字化由10bit 、20MHz 的FADC來完成。為了實現(xiàn)15 bit的數(shù)字化動態(tài)范圍，采用了分量程的數(shù)字化方法：被測的電壓信號被同時送到A、B、C三個放大器，這三個放大器的增益比為：KAKBKC1832。A、B、C三路同時被數(shù)字化，取其中之一為待測的電荷值，選取順序為QC、QB、QA。當QC不飽和時，F(xiàn)ADC值小于FF，選QC為丈量值。當QC飽和時FADC值為FF，選QB為丈量值，當QC、QB飽

7、和時，選QA為丈量值，數(shù)字化、尋峰及選擇峰值等均由硬件完成，不會添加額外的死時間。Q插件為9U VME插件。每個插件為32 個通道，除具有數(shù)字化功能外，還具有數(shù)據(jù)處置及傳送的功能。VME主設備經(jīng)過TEST Control 可以選擇三種不同的任務方式。系統(tǒng)任務所須的時鐘及控制信號由TEST Control提供或經(jīng)過TEST Control提供。TEST Control為VME插件，每個VME機箱上有一個。3 任務原理(1) 前置放大器電磁量能器總計運用6272塊CsI晶體。每塊晶體上安裝兩個PIN光敏二極管及兩個前放。前放為低噪聲電荷靈敏放大器。電原理圖4.10-13如下所示。 圖4.10-13

8、 前置放大器原理圖輸入級Q1，Q4為共源共基組合。Q1為JFET。輸出級由Q2，Q10組成。為了減小電源紋波對噪聲的奉獻，濾波部分由Q5，Q9組成的晶體管電容倍增器來完成，從而大大降低濾波器的低端截止頻率。前放設置了校準輸入端，由校準電容C1、模擬開關K構(gòu)成。模擬開關K開路時，C1上的穩(wěn)定電荷量Q由DAC輸出電壓V來決議：，當模擬開關K閉合時，電荷Q被送到電荷前放。校準電路可用來檢測電子學系統(tǒng)的好壞，標定通道增益，也可以對每個電子學通道的非線性進展測試。前置放大器的主要目的為：增益 1mV/fc等效輸入端噪聲Q 0.16fc (輸入端電容為80pf)動態(tài)范圍 0.5fc 1500fc 輸出衰減

9、時間 50s最大線性輸出 2V電荷靈敏放大器輸出信號后沿衰減較慢，在一定的計數(shù)率下，信號會產(chǎn)生“堆積。假設“堆積電平過高，將使前放的動態(tài)范圍減小。設輸入信號的計數(shù)率為，電流脈沖的電荷量為Q，“堆積信號平均的輸出電壓為，那么，這里，Cf1012，f =5010-6，Qmax = 1500fc (思索最嚴重的堆積情況)。因此得到 。 的“堆積電壓平均值對放大器動態(tài)范圍的影響是可以忽略的。 由于CsI晶體的光衰減時間常數(shù)為1s，探測器的電流信號寬度根本上沒有變化，所以，彈道虧損本身就很小為常數(shù)，不會影響能量分辨。前放的輸出采用差分信號。兩個前放A、B的輸出、低壓、PIN二極管的偏壓及校準信號等均經(jīng)過

10、一根14芯帶屏蔽的雙紐線與主放大器相連。(2) 主放大器 主放大器原理圖框如下：A+BABCR(RC)2from Test ControlTo Q丈量To TriggerABFrom PreamplifierBLR圖4.10-14主放大器原理框圖為了提高信噪比，消除“堆積，主放大器中采用了具有極零相消功能的CR-(RC)2成形電路。為了保證光搜集效率及對成形后脈沖峰部的取樣精度，成形電路的時間常數(shù)不可過小與1s相比，但也不能太大，否那么將引起較大的死時間。參考BELLE的閱歷和我們初步實驗的結(jié)果闡明： CR-(RC)2 成形電路的時間常數(shù)為1s較適宜。 由于電荷量與信號的峰值電壓成正比，而AD

11、C是以20MHz的頻率不斷地對信號采樣、AD變換。為了保證ADC的取樣點可以落在“峰部，即要求信號“峰部的寬度應大于ADC的取樣間隔。假設“峰部定義為在“峰部內(nèi)各點與峰值的偏向不超越 0.1時，那么經(jīng)過 1s的CR-(RC)2成形電路后，“峰部寬度為ns。對于20MHz的取樣頻率來說，ADC在信號“峰部可以取2個或3個點。主放大器的主要功能為：A：接受前放的差分信號，為減小干擾，運用了高共模遏止比的差分接納器接納前放A、前放B的信號。主放經(jīng)過跳線可以對兩個前放的信號做如下的選擇：A、B或?？梢蕴岣咝旁氡?，而A、B可用于當某一通道損壞后，選擇另一通道繼續(xù)任務，而通道增益根本不變。B：對前放信號放

12、大、CR-(RC)2成形，以提高信噪比及保證對峰值的取樣精度。C：為前放提供低壓、PIN二極管偏壓及在線校準刻度信號。D：為保證提供應觸發(fā)的各路增益的一致性包括CsI、PIN二極管，每路的增益經(jīng)過三線串聯(lián)總線可在線調(diào)整。串行數(shù)據(jù)總計17bit，前5 個bit為插件地址，中間4 bit為通道地址，后8 bit為通道增益的設定值。首先對串行插件地址解碼。當?shù)刂放c本插件地址一樣時，根據(jù)4 bit的通道地址產(chǎn)生相應的片選信號，從而完成一次通道增益數(shù)值的寫入，增益調(diào)理是靠數(shù)字電位器MAX5400來實現(xiàn)的。由于MAX5400沒有存儲功能，所以每次斷電后重新開機，在系統(tǒng)初始化時，VME主設備應將各通道的增益

13、數(shù)值逐一寫入，并對寫入的增益值進展檢查。經(jīng)過CR微分的“快信號經(jīng)過可變增益放大器后，8路信號模擬相加，最后以查差分方式送給觸發(fā)。E：經(jīng)過CR-(RC)2成形、放大的信號經(jīng)過基線恢復電路后，經(jīng)過單端差分變換器送Q丈量插件。(3) 電荷丈量A：分量程數(shù)字化BESIII電磁量能器要求丈量單個晶體的能量上限大于2GeV，下限為1MeV。為了保證足夠的動態(tài)范圍和丈量精度，數(shù)字化的量程必需不小于15bit。由于15bit、20MHz的ADC價錢很高，我們采用3個10bit的FADC將主放大器輸出的電荷信號分成3個量程進展數(shù)字化，選擇3個丈量值中不飽和的最小量程的值作為最后的丈量結(jié)果。量 程增 益滿 量 程

14、最小丈量值數(shù)字化分辨CsI分辨總分辨退化高22.5GeV0.625GeV1.410-32.110-20.2%中20.625GeV0.078GeV2.310-32.910-20.3%低160.078GeV 20 MeV1.110-33.710-20.04%0.6MeV3.510-27.310-211%上表中數(shù)字化分辨和碘化銫晶體CsI分辨是相對于每一個量程最小丈量值的計算結(jié)果，也是每一個量程的最壞情況。從上表的結(jié)果可以看出，分成3個量程以后不但可以覆蓋物理上要求的動態(tài)范圍，并且當丈量值大于20MeV時數(shù)字化分辨大大小于碘化銫晶體的固有分辨，對物理實驗總分辨的影響可以忽略不計。當最小丈量值降到0.

15、6MeV時數(shù)字化分辨只使得總分辨比碘化銫晶體的固有分辨添加了11。B：電荷量的獲取2流水線216尋 峰緩 存主放輸出FADCFADCFADC閾值編碼器及選擇TH圖4.10-15電荷丈量框圖探測器輸出的信號經(jīng)前置放大器和主放大器后成形為一個準高斯波形，其峰值正比于在探測器中堆積的能量。主放的輸出信號經(jīng)過3個不同倍數(shù)的放大器分成3個不同的量程，分別由3個10Bit的FADC以20MHz的時鐘頻率采樣。經(jīng)過數(shù)字流水線獲得適宜的延遲時間，假設探測器輸出的電流信號的衰減時間常數(shù)是1s，對于時間常數(shù)為1s的成形電路主放大器輸出波形的達峰時間為3s。為了保證在L1信號到達以后的3s的尋峰時間窗口內(nèi)可以找到峰

16、值，必需適當設置數(shù)字流水線的延遲時間，使得L1信號到達時主放大器輸出波形曾經(jīng)出現(xiàn)了1.5s。因此，實際上的主放大器輸出波形的達峰時辰和L1到達時辰的時間差正益處于3s尋峰時間窗口的中間點上，即使系統(tǒng)參數(shù)有些變化，也能找到峰值。三個FADC的輸出經(jīng)過編碼器及選擇邏輯后，根據(jù)三個FADC的飽和情況來確定“有效量程并把“有效量程FADC的輸出連同量程編碼一同接到流水線?！坝行Я砍潭x為：假設低量程FADC值小于1023FADC的飽和值，那么低量程為“有效量程，量程編碼為零。假設低量程FADC值等于1023FADC的飽和值，而中量程FADC小于1023，那么中量程為“有效量程，量程編碼為1。假設低量程

17、、中量程FADC的值均等于1023，那么高量程為“有效量程，量程編碼為2。尋峰后將峰值與閾值相比較，假設大于閾值，那么將數(shù)據(jù)緊縮標志位存放器置1，并將峰值及數(shù)據(jù)緊縮標志位存放器當前值一同存入數(shù)據(jù)緩存器，等待數(shù)據(jù)讀出。C：VME接口每個通道的數(shù)據(jù)由Power PC經(jīng)過VME機箱讀出。采用9U的VME插件，每個插件有32個通道，構(gòu)成A24:D32的VME從設備。采用令牌方式讀出各通道數(shù)據(jù)緩存器中的數(shù)據(jù)。每個通道收到令牌后，假設其數(shù)據(jù)超越閾值，那么將數(shù)據(jù)讀出。假設其數(shù)據(jù)沒有過閾，那么將令牌傳給下一個通道，用此方法經(jīng)過令牌的傳送來緊縮數(shù)據(jù)。相當於有了一個虛擬的全局緩存器。各個插件之間采用CBLT方式讀

18、出。 (4) 測試控制器測試控制器的主要功能為：A： 在對撞任務方式時，轉(zhuǎn)發(fā)并扇出由Trigger送來的20MHz時鐘、L1及L1 reset信號。B：在校準任務方式時，產(chǎn)生電荷丈量所必需20MHz時鐘及L1信號。根據(jù)VME指令設置刻度所需求的電荷量經(jīng)過16 bit DAC及檢測脈沖。C：在增益調(diào)理的任務方式時，根據(jù)VME指令產(chǎn)生調(diào)理增益所需求的信號：串行時鐘及串行數(shù)據(jù)。串行數(shù)據(jù)為17bit。前9 bit為地址碼，后8 bit為通道增益的設定值。每次調(diào)理增益，測試控制器發(fā)出串行時鐘的個數(shù)為17，波特率為0.5K。在非增益調(diào)理任務方式時，測試控制器不產(chǎn)生串行時鐘及串行數(shù)據(jù)，從而消除了增益調(diào)理電路

19、對主放的干擾。D：從各個電荷讀出插件可以得到未讀事例大于某一設定值的標志信號，將這些標志信號“線或以后，送給測試控制器。只需這個總的標志信號有效，測試控制器便發(fā)出中斷，懇求Power PC讀出數(shù)據(jù)。圖 4.10-16 測試控制框圖DIN121Trigger16bit DACSCLKDACTestL1插件地址20MHz晶 振分 頻延遲成形可編程邏 輯VME1.校準及調(diào)理增益2.對撞任務方式2TriggerCLK(5) 扇出由于觸發(fā)只能給電磁量能器電子學提供一個20MHz時鐘、L1及L1 reset信號，讀出電子學每個通道在任務時，均需求時鐘、L1和L1 reset信號。為此，必需對時鐘、L1及L

20、1 reset信號扇出。讀出電子學設計了三級扇出：一級為系統(tǒng)扇出。讀出電子學總計有6272個數(shù)據(jù)通道，每個電荷量插件有32個通道，總計有16個VME機箱，每個VME機箱有16個插件。由Trigger來的信號經(jīng)一級扇出產(chǎn)生16個L1、L1 reset和20MHz時鐘信號，分別送到每個VME機箱的測試控制器上。一級扇出由一個VME插件完成。二級扇出即機箱級扇出，由本機箱的測試控制器完成。二級扇出經(jīng)過VME自定義總線將L1、L1 reset及時鐘送到各個插件。插件內(nèi)32個數(shù)據(jù)通道的扇出為三級扇出，由電荷丈量插件本人完成。4. 系統(tǒng)構(gòu)造電荷靈敏前放將探測器的電荷信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，?jīng)主放大器放大、準高斯成形后，送到電荷丈量插件數(shù)字化。數(shù)字化部分采用VME總線規(guī)范，每個VME機箱有一個VME主設備Power PC，16個電荷丈量插件總計512個數(shù)據(jù)通道和一個測試控制器。數(shù)字化的結(jié)果經(jīng)過VME主設備將數(shù)據(jù)送出。VME主設備除進展常規(guī)的數(shù)據(jù)讀取外，還可經(jīng)過測試控制器實現(xiàn)通道增益修正、電子學刻度等任務。電磁量能器電子學總計有6272個數(shù)據(jù)通道。主要分為三大部分：前放、主放及電荷丈量。前放安裝在CsI晶體上，經(jīng)過一根20芯屏蔽雙紐線與主放大器銜接。主放大器為NIM單寬插件，每個插件中有16路主放。插有主放大器插件的NIM機箱和插有電荷丈量