用于TREND实验的自触发前端系统...
Transcript of 用于TREND实验的自触发前端系统...
用于TREND实验的自触发前端系统的设计研究
林海川,郭芳,刘振安
中国科学院高能物理研究所
2013-5-3 1State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics
主要内容
低频射电探测与TREND的简介
TREND的数据获取系统
自触发前端系统的简介
自触发前端系统的测试
2013-5-3State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics 2
低频射电探测与TREND的简介
2013-5-3State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics 3
Bgeo
e+e-
F = qvBgeo
基本原理: 高能宇宙线或中微子与大气(山体)物质相互作用,
发生簇射 产生正负电子对等带电粒子 带电粒子在地球磁场中偏转,产生电磁辐射 通过探测电磁辐射,可以得到粒子的位置和能量等
信息
优点: 探测能量高( 1016eV以上) 造价相对低廉 易于维护
低频射电探测与TREND的简介(续) TREND(Tianshan Radio Experiment for Neutrino Detection)是位于新疆天山
的高能宇宙射线(1016eV以上)和宇宙中微子低频射电探测望远镜,是中法合作实验。TREND已经取得了初步的物理成果(Astroparticle Physics, 2011, 34: 717-731).
2013-5-3State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics 4
TREND布局图
One pod Distribution of TREND 50 Pods
主要内容
低频射电探测与TREND的简介
TREND的数据获取系统
自触发前端系统的简介
自触发前端系统的测试
2013-5-3State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics 5
TREND的数据获取系统--当前的
2013-5-3State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics 6
LNA Filter Amp 当前的数据获取系统: 50—100MHz的天线 LNA和AMP放大器 50—100MHz的Filter 模拟光纤传输 8bit 200MHz的ADC
TREND的数据获取系统—升级需求
2013-5-3State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics 7
主要把触发、高速数字化、较高时间戳标记等功能放到前端,从而提高测量的精度
改进后端数据获取系统,以提高数据吞吐率等
前端设计需求 指标
模拟前端
通道数 2个/节点幅度 10uV—10mV
带宽 20--100MHz
脉宽 200--500ns
触发信息 自触发率(含噪声) ~ 1KHz
触发窗口 2—4 us
信号获取 基于GPS时间标记 RMS < 10 ns
幅度数字化 12bits, 1GHz
传输方式 光纤传输 ~1.25Gbps,4Km
工作环境 温度 -30—40oC
TREND的数据获取系统--新的 新的数据获取系统:
2个极化天线和1个GPS天线 自触发前端系统(时间、幅度与传输等) 数据获取系统(第二级触发) 数据分析与重建(第三级触发) 大容量的硬盘储存系统
2013-5-3State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics 8
ATCA(MicroTCA)
主要内容
射电探测与TREND的简介
TREND的数据获取系统
自触发前端系统的简介
自触发前端系统的现场测试
2013-5-3State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics 9
自触发前端系统的简介 自触发前端系统:
两个模拟放大滤波通道,一个GPS天线通道 两个FTRIG触发板—产生自触发信号 一个GPSTIM时间戳标记板 一个DFADC高速数字化与传输板
2013-5-3State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics 10
自触发前端系统(不含模拟通道)
自触发前端系统的简介(续)
模拟前端: 极化天线、放大器、滤波器 信号带宽: 20—100MHz 放大倍数: 45-60dB (2Vpp for ADC
inputs)
2013-5-3State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics 11
灰色:包含噪声的仿真信号绿色:没有噪声的仿真信号
极化的蝶形天线
当前的模拟通道
自触发前端系统的简介(续)
2013-5-3State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics 12
FTRIG快速触发板: 功率分离器(-3dB loss) 比较器(>100MHz)
DAC & MCU ….
输入: 20ns 100KHz Pulse Signal输出:1500ns 100KHz Trigger Signal
FTRIG板的逻辑框图
FTRIG板的PCB图
自触发前端系统的简介(续)
2013-5-3State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics 13
GPSTIM时间戳标记板: Spartan 6 FPGA GPS Module High Stability Clock 1Gb DDR2 RAM USB peripheral Interf …
相对时间精度RMS=5.34ns
(10 Hz pulse signal input in 800 seconds)
自触发前端系统的简介(续)
2013-5-3State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics 14
DFADC高速数据采集与光纤传输板: Spartan 6 FPGA 12bit 1Gbps ADC(2 chns) 1Gb DDR2 RAM(2 Chips) 2 optical Link(3.125Gbps) USB host/peripheral Interf …
ADC2
-1.3dBFS 60MHz 正弦信号输入
-1.3dBFS 60MHz 正弦信号输入
ADC1
主要内容
射电探测与TREND的简介
TREND的数据获取系统
自触发前端系统的简介
自触发前端系统的测试
2013-5-3State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics 15
自触发前端系统的测试—AMC-XTCA数据获取板
AMC-XTCA数据获取板: Xilinx Virtex-5 FPGA 4 SFP interface
(4x3.125Gbps) 2 SODIMM memory
(2x2GBytes) 2 Flash (2x256Mbit) 1 Gigabit Ethernet AMC interface ….
2013-5-3State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics 16
用于数据获取的基于PowerPC的嵌入式系统
自触发前端系统的测试—现场(天线+光纤)
2013-5-3State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics 21
左图: 上:EW东西极化天线的信号(有点超量程了)
下:NS南北极化天线的信号
局部放大图(800:1800)
总结
2013-5-3State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics 22
下一版的自触发前端系统将注重在可靠性的设计与速度的优化上: 触发率(~1KHz) 远程慢控(触发阈值,采样窗口大小等) 集成到MicroTCA机箱中 ……
现场测试验证了自触发前端系统工作正常,功能正确。
现场测试得到了初步的原始信号,这为下一步系统的优化改进提供了参考。