《时间测量方法》PPT课件.ppt

近代信息处理（第十九讲） 时间测量方法（3） 刘树彬 2011.04.27 2011-04-27中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 2 HPTDCHigh Performance Time to Digital Converter n概述 n实现高精度时间测量的手段 n触发、读出及其他 n应用 n测试方法 2011-04-27中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 3 HPTDC的用户 UserParts CMS muon8000 ALICE TOF24000 NA4850 Phobos80 CAEN2500 BES1400 RICE (STAR)4500 Sky electronics800 Oku300 ATLAS CTP30 HYTEC Orsay200 Tata institute50 Upsala100 LHC machine1000 Imago100 Ionwerks1000 LHCb Frankfurt100 Alice V010 Struck Kopio3000 Total : 20 users40.000 2011-04-27中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 4 HPTDC概述 nNumber of channels:32 / 8 nClock frequency:40 MHz external 40MHz / 80MHz / 160 MHz / 320 MHz internal nResolution:781 ps ( 261ps RMS)low resolution mode 195 ps ( 64 ps RMS)medium resolution mode 98 ps ( 48 ps RMS)high resolution mode 24 ps( 40 ps RMS)very high resolution mode (8 channels) 24 ps( 17 ps RMS Corrected) nDynamic range:102 us nDouble pulse resolution:5 - 10 ns depending on mode nHit rate:Core logic at 40 MHz, Not R-C mode Max. 2 MHz per channel, all 32 channels used Max. 4 MHz per channel, 16 channels used. nEvent buffer size:4 x 256 nRead-out buffer size:256 nTrigger buffer size:16 nPower consumption:300mW - 1500 mW depending on modes. nHit inputs:LVDS or LVTTL nL1 buffer problem has been (is) a painful experience n(too) many different users 2011-04-27中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 5 HPTDC内部结构 2011-04-276 3.125ns 6.25ns (12.5ns) 25ns 97.65625ps 195.3125ps (390.625ps) 781.25ps 实现高精度时间测量的手段（1） PLL倍频和DLL内插 2011-04-27中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 7 PLL倍频后时间戳型直接计数（粗计数） 时钟可选择40MHz、160MHz、320MHz 粗计数可到达的分辨率：25ns、6.25ns 、3.125ns 2011-04-27中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 8 利用DLL实现时钟相位内插 DLL内插可到达的分辨率：97.7ps、195.3ps、781.3ps 2011-04-27中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 9 每个输出上有7个一样的电容 通过改变电容数目改变负载 改变延时 校准后+/-20可不变 实现高精度时间测量的手段（2） 无源RC延迟线内插 无源RC延迟线内插可到达的分辨率：24.4ps （仅基于97.7ps精度的基础上提高） 2011-04-27中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 10 无源RC延迟线内插 n击中信号达到的时候，DLL 的状态被以固定的时间间 隔连续采样几（M）次 n通过鉴别在哪一个采样值后面参考时钟还没有传到， 就可以找到在DLL 延时单元的时延中的内插点 2011-04-27中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 11 数据驱动与触发匹配 2011-04-27中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 12 HPTDC应用固定靶实验 2011-04-27中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 13 HPTDC应用同步的固定靶实验 2011-04-27中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 14 HPTDC应用对撞实验 2011-04-27中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 15 HPTDC的测试手段 nCode Density Test（码密度测试法） 类似ADC的直方图统计法 用于非线性的测试和RC延迟线、DLL分相的优化校准 nTime Sweep Test（时间扫描测试法） 由专用测试仪器发出一系列精密固定间隔的脉冲对 用于测试TDC的时间测量精度 受信号源的分辨率限制 nFixed Cable Delays Test（线延迟测试法） 两个通道送入固定延迟的脉冲对，统计其差值的分布 用于测试TDC的时间测量精度 2011-04-27中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 16 码密度测试法（1） n信号源提供“随机”信号 q在时间范围（T）内的概率密度： q其概率分布函数： n理想情况下，小于等于码“i”的概率： n设H(i) 为码“i”的计数，N为所有码的总计数，小于等 于码“i”的的所有码的计数为： n则 n 则由统计可得出： 2011-04-27中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 17 码密度测试法（2） n须提供随机信号 q可由噪声产生 q或由独立的信号源产生 n信号源的时钟基准与被测TDC的时钟基准相互不同步 qTDC的时钟源独立提供 n信号源的信号频率与被测TDC的时钟频率不相关 q使产生的信号能够均匀遍历被测TDC的各个码 2011-04-27中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 18 时间扫描测试 n精密信号源提供一组延迟 固定的脉冲对，输入TDC 的某通道 q改变延迟实现时间扫描 nTDC测量脉冲对的时间差 n统计时间差的分布 n要求：信号源精密、稳定 ，信号的分辨率、精度高 于被测TDC q分辨率与精度好于100ps的 信号源昂贵 2011-04-27中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 19 线延迟测试法 n独立信号源给出“随机”信号，经三通分配为两路 q一路直接送入TDC通道 q另一路经延迟后送入TDC的另外通道 n调节延迟线长度，产生不同延迟时间，以免出现特例情况 n两个通道所测时间差值的分布即为两通道测量的时间精度 q由于两个通道独立测试，且分辨率相同，可认为单通道的时间精度为上述 值的2-1/2 2011-04-27中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 20 HPTDC原型测试电路 2011-04-27中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 21 DLL分相位和RC延迟线校准 Before adjustingAfter adjusting 2011-04-27中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 22 高精度下的微分非线性和积分非线性 2011-04-27中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 23 甚高精度下的微分非线性和积分非线性 2011-04-27中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 24 微分非线性 积积分非线线性 甚高精度工作模式 解决途径：实时 或离线修 正 非线性的周期性 积分非线性 2011-04-27中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 25 INL定义及其修正 2011-04-27中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 26 甚高精度模式下的时间测量精度 83.2957/1.414=58.9ps 19.9236/1.414=14.1ps 非线性补偿前非线性补偿后 2011-04-27中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 27 HPTDC的精度测试结果 Interval (ns) RMS(ps) Before Compensation RMS(ps) After Compensation Interval (ns) RMS(ps) Before Compensation RMS(ps) After Compensation 19.506761.612.732.194060.614.6 20.576658.914.133.158660.215.8 21.526954.014.834.225855.814.4 22.568544.413.135.012956.016.4 23.514031.515.136.025856.815.6 24.592116.014.937.041654.516.8 25.376916.515.438.126255.817.3 26.354829.714.139.109657.516.0 27.375144.813.439.876857.518.3 28.343653.315.640.848160.016.4 29.425059.614.541.851262.517.7 30.186562.115.742.939464.718.1 31.182760.814.2 2011-04-27中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 28 修正前后结果比较 2011-04-27中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 29