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

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低频射电探测与TREND的简介

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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).

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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

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TREND的数据获取系统--当前的

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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

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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

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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

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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

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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)

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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)

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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)

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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)

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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

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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

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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 ….

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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—实验室

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自触发前端系统的测试—现场(室内)

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自触发前端系统的测试—现场(天线)

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自触发前端系统的测试—现场(天线+光纤)

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自触发前端系统的测试—现场(天线+光纤)

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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

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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。

谢谢！

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