LHAASO-WFCTA读出电子学系统架构设计
发布时间：2020-12-31 10:36
广角切伦科夫望远镜阵列(Wide Field of View Cherenkov Telescope Array,WFCTA)是大型高海拔空气簇射观测站(Large High Altitude Air Shower Observatory,LHAASO)的主要探测器阵列之一,其物理目标是完成30TeV到几EeV的宇宙线能谱测量.望远镜读出电子学系统包括1 024个通道,需要处理的信号既有脉宽为几十ns的切伦科夫信号,又有脉宽为μs的荧光信号.本文详细介绍了望远镜读出电子学系统的架构设计,为了减少数据量,设计了在线触发的事例筛选架构:在子模块电子学上先进行第一级硬件触发,再在触发电路上实现事例触发.同时该电子学系统采用了4点压缩的方式获取波形数据,覆盖波形宽度为2.24μs.实验室测试结果表明:读出电子学系统可以正确获取信号波形,电荷测量的动态范围可以覆盖10P.E.(Photon Electron)到32 143P.E.,高增益通道和低增益通道的重叠区从857P.E.到1 714P.E.,高低增益比值与设计相符,电荷分辨率在10P.E.时优于20%,在32 000P.E.时优于5%,相...
【文章来源】：四川大学学报(自然科学版). 2020年06期 北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
WFCTA子模块读出电子学框架
RIGOL(DG4102）信号发生器产生半高宽为42ns的波形代替前置放大电路的输出信号，该信号经过模拟电路放大后进入数字电路，进行波形获取．我们可以从获得的波形中计算出信号的电荷量，信号的电荷量与SiPM产生的光电子数目成正比．实验室中自行研制的扇出电路用来将该信号扇出到每一个子模块，子模块的数据将会被触发电路接收并由WR交换机发送到上位机，使用Matlab对数据进行处理．子模块一个通道的高低增益波形如图5和图6所示．为了在线压缩数据量，波形的每一个点都代表了4个ADC采样点的和，每个ADC采样点是12bit，不做压缩时，4个采样点总共48bit，进行压缩后仅占14bit，并且波形的电荷量和压缩前是一样的．图中波形由28个波形点组成，总共代表112个ADC采样点，合计2.24μs.图6 低增益通道波形
图2 WFCTA子模块读出电子学框架每个子模块的单道触发模块将会把16bit的单道触发信息串行发送给触发电路，如图3．触发电路上使用8个FPGA(FPGA1-8）对单道触发信号进行汇总，每个FPGA分别汇总8个子模块传来的单道触发信息．由于进行事例触发判选的FP-GA9plus与FPGA1-8之间的管脚有限，所以在FPGA1-8上对单道信息进行汇总，把两个子模块的单道信息合并为32 bit，再串行发送到FP-GA9plus上，这样FPGA1-8与FPGA9plus将分别有4对差分线用来传输单道信息．单道信息的传输是流水线式的，子模块每1.6μs会向触发电路的FPGA1-8发送一次单道触发信息，代表当前1.6μs的窗口内单道是否触发，FPGA1-8每1.6μs向FPGA9plus发送一次汇总后的单道触发信息，FPGA9plus每1.6μs会判断收到的1 024bit单道信息是否满足事例触发条件并产生事例触发信号返回给64个子模块，当子模块收到事例触发信号后会耗时1.6μs对触发标志进行解析．因此，子模块从发出单道触发信号再到接收事例触发信号耗时4个1.6μs，合计6.4μs．由于触发信号传递产生的延迟，子模块上的先进先出队列（First in First Out,FIFO）至少需要可以容纳4个事例，而子模块上FPGA的资源足够容纳16个事例，可以满足需求．如图2所示，如果事例触发，则子模块中的事例获取模块将从数据缓存中取出事例数据存入FIFO中，在子模块上同一个事例的各通道数据都是固定长度的，读取固定长度数据即可将同一个事例打包在一起，然后通过数据发送模块发送给触发电路．子模块的温度偏压补偿电路用来获取SiPM的温度数据并为其设置高压，SiPM的温度和高压等状态数据将被发送到数字电路上，数字电路上使用FIFO对状态数据进行缓存，然后经过数据发送模块传输给触发电路．
【参考文献】：
期刊论文
[1]LHAASO-WFCTA多通道数据高速传输方案设计[J]. 黄九余,申丰兆,周荣,杨朝文. 核电子学与探测技术. 2016(12)
[2]LHAASO-WFCTA数字电路电源模块设计[J]. 张进文,周荣,张京隆,杨朝文. 核电子学与探测技术. 2015(09)
[3]A future project at tibet:the large high altitude air shower observatory(LHAASO)[J]. 曹臻. 中国物理C. 2010(02)
本文编号：2949462
【文章来源】：四川大学学报(自然科学版). 2020年06期 北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
WFCTA子模块读出电子学框架
RIGOL(DG4102）信号发生器产生半高宽为42ns的波形代替前置放大电路的输出信号，该信号经过模拟电路放大后进入数字电路，进行波形获取．我们可以从获得的波形中计算出信号的电荷量，信号的电荷量与SiPM产生的光电子数目成正比．实验室中自行研制的扇出电路用来将该信号扇出到每一个子模块，子模块的数据将会被触发电路接收并由WR交换机发送到上位机，使用Matlab对数据进行处理．子模块一个通道的高低增益波形如图5和图6所示．为了在线压缩数据量，波形的每一个点都代表了4个ADC采样点的和，每个ADC采样点是12bit，不做压缩时，4个采样点总共48bit，进行压缩后仅占14bit，并且波形的电荷量和压缩前是一样的．图中波形由28个波形点组成，总共代表112个ADC采样点，合计2.24μs.图6 低增益通道波形
图2 WFCTA子模块读出电子学框架每个子模块的单道触发模块将会把16bit的单道触发信息串行发送给触发电路，如图3．触发电路上使用8个FPGA(FPGA1-8）对单道触发信号进行汇总，每个FPGA分别汇总8个子模块传来的单道触发信息．由于进行事例触发判选的FP-GA9plus与FPGA1-8之间的管脚有限，所以在FPGA1-8上对单道信息进行汇总，把两个子模块的单道信息合并为32 bit，再串行发送到FP-GA9plus上，这样FPGA1-8与FPGA9plus将分别有4对差分线用来传输单道信息．单道信息的传输是流水线式的，子模块每1.6μs会向触发电路的FPGA1-8发送一次单道触发信息，代表当前1.6μs的窗口内单道是否触发，FPGA1-8每1.6μs向FPGA9plus发送一次汇总后的单道触发信息，FPGA9plus每1.6μs会判断收到的1 024bit单道信息是否满足事例触发条件并产生事例触发信号返回给64个子模块，当子模块收到事例触发信号后会耗时1.6μs对触发标志进行解析．因此，子模块从发出单道触发信号再到接收事例触发信号耗时4个1.6μs，合计6.4μs．由于触发信号传递产生的延迟，子模块上的先进先出队列（First in First Out,FIFO）至少需要可以容纳4个事例，而子模块上FPGA的资源足够容纳16个事例，可以满足需求．如图2所示，如果事例触发，则子模块中的事例获取模块将从数据缓存中取出事例数据存入FIFO中，在子模块上同一个事例的各通道数据都是固定长度的，读取固定长度数据即可将同一个事例打包在一起，然后通过数据发送模块发送给触发电路．子模块的温度偏压补偿电路用来获取SiPM的温度数据并为其设置高压，SiPM的温度和高压等状态数据将被发送到数字电路上，数字电路上使用FIFO对状态数据进行缓存，然后经过数据发送模块传输给触发电路．
【参考文献】：
期刊论文
[1]LHAASO-WFCTA多通道数据高速传输方案设计[J]. 黄九余,申丰兆,周荣,杨朝文. 核电子学与探测技术. 2016(12)
[2]LHAASO-WFCTA数字电路电源模块设计[J]. 张进文,周荣,张京隆,杨朝文. 核电子学与探测技术. 2015(09)
[3]A future project at tibet:the large high altitude air shower observatory(LHAASO)[J]. 曹臻. 中国物理C. 2010(02)
本文编号：2949462
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