遠(yuǎn)距離大動態(tài)范圍電荷測量電路的設(shè)計

徐福珍 楊紅官 常勁帆 劉 湘

1（湖南大學(xué) 物理與微電子科學(xué)學(xué)院 長沙 410082）2（中國科學(xué)院高能物理研究所 核探測與核電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100049）

遠(yuǎn)距離大動態(tài)范圍電荷測量電路的設(shè)計

徐福珍1,2楊紅官1常勁帆2劉 湘2

1（湖南大學(xué) 物理與微電子科學(xué)學(xué)院 長沙 410082）2（中國科學(xué)院高能物理研究所 核探測與核電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100049）

介紹了大型高海拔空氣簇射觀測站(Large High Altitude Air Shower Observatory, LHAASO)空氣簇射芯探測器陣列(Shower core detector array, SCDA)讀出電子學(xué)方案的預(yù)研設(shè)計。系統(tǒng)采用基于電荷積分法的電荷測量方案，讀出電子學(xué)通過同軸電纜接收光電倍增管輸出的電流信號；采用在輸入端與電荷積分放大器的虛地點(diǎn)之間接入等效50 ?電阻的終端阻抗匹配方案，并通過Pspice仿真驗(yàn)證該阻抗匹配的可行性。電路測試結(jié)果表明，該電路能滿足遠(yuǎn)距離10bit大動態(tài)范圍電荷測量的設(shè)計指標(biāo)要求。

大型高海拔空氣簇射觀測站，簇射芯探測器陣列，電荷積分，阻抗匹配，動態(tài)范圍

簇射芯探測器陣列(Shower core detector array, SCDA)是規(guī)劃建于四川稻城的大型高海拔空氣簇射觀測站(Large High Altitude Air Shower Observatory, LHAASO)中的一個子探測器陣列，位于地面簇射粒子陣列(Kilometer-square Array, KM2A)的中心位置，由 452 臺大氣簇射軸芯探測器組成，中間是20×20陣列，呈格子狀分布，總覆蓋面積為 5000 m2左右。宇宙線次級粒子到達(dá)探測器后，在閃爍體中產(chǎn)生光子，這些光子通過閃爍體中的波長位移光纖進(jìn)入光電倍增管而轉(zhuǎn)換為電荷信號，再由電子學(xué)系統(tǒng)測量該信號的電荷量[1-2]。

1 系統(tǒng)需求

SCDA探測器由鉛板和閃爍體組成，宇宙線高能光子或電子穿過一定厚度的鉛板發(fā)生電磁級聯(lián)簇射生成高能電磁粒子，SCDA探測器的物理目標(biāo)是觀測1014-1016eV宇宙線單成份能譜，因此需要SCDA探測器的動態(tài)范圍是10-107個粒子。為達(dá)到這一目的，實(shí)驗(yàn)中使用了不同增益的兩個光電倍增管來共同實(shí)現(xiàn)這一大動態(tài)范圍測量。每個光電倍增管的動態(tài)范圍約為103個粒子[3]。根據(jù)光電倍增管輸出電荷量的動態(tài)范圍，其讀出電子學(xué)至少需要滿足10bit的電荷測量范圍，初定設(shè)計指標(biāo)要求為：在滿足10bit電荷測量范圍的前提下，滿量程電荷測量積分非線性小于2%，電荷測量精度小于5%。由于SCDA主要用于測量宇宙線成份能譜，并不用來重建宇宙線方向，所以SCDA讀出電子學(xué)的主要功能是精確測量探測器輸出電荷量，并不需要準(zhǔn)確測量入射粒子的到達(dá)時間。

2 插件設(shè)計

本設(shè)計是針對SCDA探測器大動態(tài)電荷測量需求的原理樣機(jī)設(shè)計。下面主要對電荷測量方案、阻抗匹配方案以及現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)固件設(shè)計部分進(jìn)行詳細(xì)的描述。

2.1電荷測量方案

SCDA所用光電倍增管輸出的典型波形是上升沿約10ns、脈沖寬度約50ns的負(fù)向脈沖。為了精確測量信號的電荷量，讀出電子學(xué)采用了具有高信噪比的電荷積分的測量方案。電荷積分法是核電子學(xué)中傳統(tǒng)的電荷測量方法，其理論成熟、電路結(jié)構(gòu)經(jīng)典，廣泛應(yīng)用于各類型粒子物理實(shí)驗(yàn)中[4]。圖1為插件詳細(xì)的原理框圖，模擬通道包括電荷積分放大器、極零相消電路、濾波成形電路。

電荷積分放大器將電子學(xué)通道接收光電倍增管(Photomultiplier tube, PMT)陽極輸出的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。輸出電壓信號的峰值正比于PMT輸出的電荷量的大小[5]，即可以通過測量輸出信號的峰值來達(dá)到測量電荷量的目的。

由于電荷積分電路中的泄放電阻Rf是有限的，所以實(shí)際上積分器輸出的信號是指數(shù)衰減的而不是階躍的，該電壓信號通過白化濾波器CR后輸出的信號出現(xiàn)下沖，而下沖的存在會嚴(yán)重影響系統(tǒng)對正常信號的放大性能，甚至使放大器工作于非線性區(qū)。為了消除成形電路產(chǎn)生的輸出信號的下沖，在微分電路CR4引入電阻R3，使R3C = RfCf，達(dá)到極-零相消的效果。調(diào)試時通過調(diào)節(jié)極零相消電路的零點(diǎn)，使輸出脈沖后沿既沒有下沖，又能迅速地返回基線。

信號經(jīng)過極零相消電路后，為了提高電荷測量精度，加入濾波成形電路。從信噪比、峰堆積和基線漲落等方面考慮，本設(shè)計采用CR-RC4濾波成形網(wǎng)絡(luò)，將信號成形為頂部較平坦的準(zhǔn)高斯脈沖。同時為了得到較好的信噪比，將積分的時間常數(shù)保持與微分常數(shù)一致，CR、RC級間用放大器隔離以免相互影響[6]。電子學(xué)設(shè)計最后采用的成形時間常數(shù)τ=205ns，成形后的脈沖寬度2240ns，由于SCDA探測器單通道平均事例率小于100Hz，所以成形后的波形不會造成信號明顯堆積，還能增加模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-to-Digital Converter, ADC)在信號峰值部分采樣點(diǎn)，提高測量精度。

成形后的信號峰值正比于電荷量的大小，考慮到10bit動態(tài)范圍的電荷測量及測試精度需求，成形后的信號由14位的ADC進(jìn)行數(shù)字化采樣，ADC的采樣頻率為62.5MHz。再由FPGA進(jìn)行尋峰處理。

圖1 電荷測量原理框圖Fig.1 Functional block diagram of charge measurement.

2.2阻抗匹配方案

由于SCDA的分散式排布方式，每個探測器使用一個20m、50?特性阻抗的同軸電纜與電子學(xué)連接。為防止信號的反射，需考慮阻抗匹配的問題。

通常的終端阻抗匹配方案是在電纜末端即電子學(xué)輸入端與地之間接入50?電阻[7]。但PMT輸出信號為電流信號，通過50?匹配電阻，輸入信號將變?yōu)殡妷盒盘?，如果還使用電荷積分方法測量電荷量就需要通過電壓-電流轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電流信號再進(jìn)行積分，增加了電路的復(fù)雜性，而且高直流增益的電荷積分電路放在電路中間，會明顯放大前級運(yùn)放的失調(diào)電壓、溫度系數(shù)、噪聲等，惡化電荷測量精度和增加系統(tǒng)溫度系數(shù)。

電荷積分電路通常放到電路的最前端直接處理PMT輸出的電流信號，同時考慮到必須進(jìn)行阻抗匹配的要求，在電路實(shí)際設(shè)計中，利用運(yùn)算放大器輸入端“虛地”的特點(diǎn)，在電荷積分電路輸入端串聯(lián)等效50?電阻來實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。SCDA所用PMT輸出電荷量較大，為了避免使用較大反饋電容Cf給系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來的影響，本設(shè)計將50?的匹配電阻拆分為兩個電阻并聯(lián)分流的形式。這種形式可以有效增大電路的電荷測量范圍，并且可以通過簡單調(diào)整兩個電阻的比值以及改變Cf，實(shí)現(xiàn)不同輸入電荷量的測量。如圖2中plan C電路所示，其中

R12=75?，R9=150?，R12//R9=50?；調(diào)節(jié)分流電阻

R12和R9的比值該電路能實(shí)現(xiàn)不同電荷量的測量。為了驗(yàn)證該方案的阻抗匹配效果，在設(shè)計PCB

前進(jìn)行Pspice仿真實(shí)驗(yàn)，仿真時使用無損耗的同軸電纜模型，參數(shù)設(shè)置特性阻抗Z0為50?，傳輸線延遲tD=178.65ns。圖2為兩組阻抗匹配方案的仿真電路及對應(yīng)的信號波形圖。波形圖左端為信號發(fā)生器的輸出端波形，右端為傳輸線輸出端波形。其中方案(a)為通常的50?接地匹配方案，方案(b)為本設(shè)計中的50?“虛地”匹配方案，仿真結(jié)果顯示兩種方案的同軸電纜輸出端都沒有信號反射，仿真結(jié)果一致。驗(yàn)證了本設(shè)計阻抗匹配方案是可行的。

圖2 阻抗匹配方案及其仿真Fig.2 Impedance match scheme and its simulation.

圖3為實(shí)際電路阻抗匹配方案的測試結(jié)果。將輸入信號通過同軸電纜接入插件，用示波器查看插件輸入端的信號反射情況。圖3(a)為不接匹配電阻，即輸入端空載時的波形；(b)為通常的終端匹配方案；(c)為本設(shè)計的虛地阻抗匹配方案。波形圖中位于上方的波形是信號產(chǎn)生器的輸出端波形，下方的波形是插件的輸入端波形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示與仿真結(jié)果一致，即采用虛地匹配與通常50?對地的匹配方案插件一樣輸入端無信號反射現(xiàn)象，進(jìn)一步說明了虛地匹配方案的可行性。

圖3 阻抗匹配方案測試 (a) 不接匹配電阻，(b) 終端匹配，(c) 虛地阻抗匹配Fig.3 Test of impedance match scheme. (a) Non matching resistance, (b) Terminal matching, (c) Virtual impedance matching

2.3 FPGA固件設(shè)計

本設(shè)計使用的FPGA型號為XC6SLX100T[8]，F(xiàn)PGA固件設(shè)計主要包括基于RAM的全波形可控延遲輸出、數(shù)據(jù)尋峰、數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?/p>

FPGA捕獲ADC輸出的14位并行數(shù)據(jù)，經(jīng)過IBUF輸入緩沖器，將數(shù)據(jù)存入寄存器并進(jìn)行一系列處理。其中全波形可控延遲輸出部分通過調(diào)用ISE的簡單雙端口RAM內(nèi)核，配置讀使能總延后寫使能N個時鐘周期，其中N可以通過上位機(jī)輸入，實(shí)現(xiàn)了延遲時間可控的波形延遲輸出。

尋峰部分的設(shè)計采用過閾自觸發(fā)模式。如果ADC的值超過預(yù)先設(shè)定的閾值，啟動尋峰和求基線處理。圖4為尋峰功能示意圖，圖4中1號波形為ADC實(shí)時采樣的波形，2號為延遲輸出的波形。濾波成形后脈沖寬度twd約為2240ns，達(dá)峰時間tMd約為656ns。調(diào)整波形延遲時間使延遲波形在過閾點(diǎn)處脈沖信號還沒有到來，取過閾時刻延遲波形的前4個點(diǎn)作為脈沖基線。在過閾13個時鐘周期后開始對實(shí)時波形進(jìn)行數(shù)據(jù)比較尋峰。尋峰窗口設(shè)為592ns并使峰值大概處于尋峰窗口的中央。在尋峰窗口結(jié)束時，將該脈沖的基線和以及峰值按照一定數(shù)據(jù)格式組裝成96位數(shù)據(jù)包，以用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(User Datagram Protocol, UDP)包的形式發(fā)送給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(Data Acquisition, DAQ)。

圖4 尋峰功能示意圖Fig.4 Schematic diagram of peak finding.

3 性能測試

由信號產(chǎn)生器、示波器、直流電源、同軸電纜以及衰減器等設(shè)備構(gòu)建測試平臺（如圖5所示），對電子學(xué)系統(tǒng)最小信號的精度、電荷測量均方根、積分非線性(Integral Non-Linearity, INL)等性能指標(biāo)進(jìn)行了測試。

圖5 測試系統(tǒng)框圖Fig.5 Test system block diagram.

SCDA電子學(xué)目前處于預(yù)研階段，在對電子學(xué)原理樣機(jī)調(diào)試時，在插件的輸入端串接一個隔直電容，信號產(chǎn)生器產(chǎn)生階躍信號，利用電容在階躍信號前沿充放電原理模擬PMT信號的等效電荷量。

由于探測器的最終參數(shù)還沒有完全確定，所以不能確定具體輸出的電荷量大小。根據(jù)10bit電荷測量范圍的量級要求，為驗(yàn)證電荷積分方案的可行性，本實(shí)驗(yàn)測量了在6.2-8118pC和500-99000pC兩個不同電荷范圍下電路各項性能指標(biāo)。信號產(chǎn)生器產(chǎn)生500Hz頻率上升沿2.5ns、下降沿5ns、脈寬200μs的矩形脈沖作為輸入信號，鑒于信號產(chǎn)生器最小電壓輸出為100mV，為獲得最小電荷輸出需要在電路輸入端接入衰減器。在隔直電容為820pf時，產(chǎn)生器輸出150mV，衰減器衰減26dB可獲得6.2pC電荷量輸入；在隔直電容為10nf時，產(chǎn)生器輸出500mV，衰減器衰減20dB獲得500 pC電荷量輸入。其中電荷范圍在6.2-8118pC時，主要電路參數(shù)設(shè)置為R1=76.8?，R2=143 ?，Cf=820pf；電荷在500-99000pC時，主要電路參數(shù)設(shè)置為R1=53.6?，R2=750 ?，Cf=2200pf。

圖6為6.2-8118 pC和500-99000pC兩種電荷測試范圍情況下測量最小電荷量的高斯擬合結(jié)果。測量精度為測量電荷均方根值(Root mean square, RMS)與測量電荷均值(Mean)的百分比，因此得到電荷測量精度分別為1.12%和0.49%。測試結(jié)果表明電荷測量精度均好于5%的初定設(shè)計指標(biāo)要求。

圖6 最小信號精度 (a) 6.2-8 118 pC，(b) 500-99000 pCFig.6 Precision of the minimum signals. (a) 6.2-8 118 pC, (b) 500-99000 pC

圖7為測量電荷量范圍內(nèi)的所有均方差的分布情況，從測試結(jié)果看出兩種情況下的電荷測量均方差都小于兩個最低有效位(Least significant bit, LSB)。

圖7 電荷測量均方根 (a) 6.2-8 118 pC，(b) 500-99000 pCFig.7 RMS of the charge measurement. (a) 6.2-8 118 pC, (b) 500-99000 pC

圖8為兩種電荷測試范圍情況下的線性擬合結(jié)果，其中K是擬合直線斜率，B為直線截距。積分非線性(Integral nonlinearity, INL)表示實(shí)測值和擬合值的差(ΔY)與ADC滿量程(16383)的比值，一般用百分比表示。經(jīng)計算6.2-8118pC的INL約為-0.234%，500-99000pC的INL約為-0.598%。測試結(jié)果表明，滿量程電荷測量積分非線性均好于2%的初定設(shè)計指標(biāo)要求。

圖8 電荷測量積分非線性(a) 6.2-8 118 pC，(b) 500-99000 pCFig.8 INL of charge digitizing module. (a) 6.2-8 118 pC, (b) 500-99000 pC

4 結(jié)語

本文介紹了SCDA讀出電子學(xué)系統(tǒng)的預(yù)研設(shè)計以及給出了實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果，設(shè)計要求單道事例率大于30Hz，本設(shè)計的單道事例率為500Hz。測試結(jié)果表明，通過調(diào)節(jié)R1和R2的比值以及Cf的大小，可以實(shí)現(xiàn)不同輸入電荷的測量，本電路在

6.2 -8118pC和500-99000pC兩個不同電荷測量范圍時都能滿足設(shè)計指標(biāo)要求，該電荷測量方案是可行的。該原理樣機(jī)研制階段工程中影響粒子數(shù)大小的探測器鉛板以及PMT等各項參數(shù)都還未最終確定，不過并不影響電路的設(shè)計。待各項參數(shù)確定后只需要通過聯(lián)調(diào)微調(diào)讀出電子學(xué)插件的分流電阻比值以及電路的增益使其滿足工程的實(shí)際需求即可。

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Design of long-distance and large-dynamic-range of charge measurement circuit

XU Fuzhen1,2YANG Hongguan1CHANG Jinfan2LIU Xiang2
1(School of Physics and Electronics,Hu’nan University,Changsha 410082,China) 2(State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics,Institute of High Energy Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

Background:The air shower core detector array (SCDA) is one of the important detectors to be constructed at the heart of the KM2A (one kilometer square extensive air shower array) with the area of 5000 m2, in large high altitude air shower observatory (LHAASO).Purpose:This study aims to design the readout electronics of SCDA for accurate charge measurement of the input photomultiplier tube (PMT) signal for three orders of magnitude.Methods:A 50-? impedance match between the “virtual” grounding and input end is employed to measure the charge by the charge integration method. The feasibility of impedance match is verified by “Pspice” simulation tool. The output current signal from the PMT is collected and processed by the readout electronics of charge integration circuit via coaxial cable.Results:The performance testing in the laboratory shows that the designed circuit satisfies design requirements of the long-distance and large-dynamic-range charge measurement.Conclusion:The simulation and testing of “virtual” grounding impedance match validate the feasibility of this circuit. The readout electronics fulfills the application requirements of SCDA.

LHAASO, SCDA, Charge integrator, Impedance match, Dynamic range

XU Fuzhen, female, born in 1989, graduated from Hu’nan University with a master’s degree in 2016, engaged in the FPGA hardware design Corresponding author: CHANG Jinfan, E-mail: changjf@ihep.ac.cn

TL99

10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.110402

徐福珍，女，1989年出生，2016年于湖南大學(xué)獲碩士學(xué)位，從事FPGA硬件設(shè)計

常勁帆，E-mail: changjf@ihep.ac.cn

2016-03-01，

2016-04-02