远距离大动态范围电荷测量电路的设计

徐福珍 杨红官 常劲帆 刘 湘

1（湖南大学 物理与微电子科学学院 长沙 410082）2（中国科学院高能物理研究所 核探测与核电子学国家重点实验室 北京 100049）

远距离大动态范围电荷测量电路的设计

徐福珍1,2杨红官1常劲帆2刘 湘2

1（湖南大学 物理与微电子科学学院 长沙 410082）2（中国科学院高能物理研究所 核探测与核电子学国家重点实验室 北京 100049）

介绍了大型高海拔空气簇射观测站(Large High Altitude Air Shower Observatory, LHAASO)空气簇射芯探测器阵列(Shower core detector array, SCDA)读出电子学方案的预研设计。系统采用基于电荷积分法的电荷测量方案，读出电子学通过同轴电缆接收光电倍增管输出的电流信号；采用在输入端与电荷积分放大器的虚地点之间接入等效50 Ω电阻的终端阻抗匹配方案，并通过Pspice仿真验证该阻抗匹配的可行性。电路测试结果表明，该电路能满足远距离10bit大动态范围电荷测量的设计指标要求。

大型高海拔空气簇射观测站，簇射芯探测器阵列，电荷积分，阻抗匹配，动态范围

簇射芯探测器阵列(Shower core detector array, SCDA)是规划建于四川稻城的大型高海拔空气簇射观测站(Large High Altitude Air Shower Observatory, LHAASO)中的一个子探测器阵列，位于地面簇射粒子阵列(Kilometer-square Array, KM2A)的中心位置，由 452 台大气簇射轴芯探测器组成，中间是20×20阵列，呈格子状分布，总覆盖面积为 5000 m2左右。宇宙线次级粒子到达探测器后，在闪烁体中产生光子，这些光子通过闪烁体中的波长位移光纤进入光电倍增管而转换为电荷信号，再由电子学系统测量该信号的电荷量[1-2]。

1 系统需求

SCDA探测器由铅板和闪烁体组成，宇宙线高能光子或电子穿过一定厚度的铅板发生电磁级联簇射生成高能电磁粒子，SCDA探测器的物理目标是观测1014-1016eV宇宙线单成份能谱，因此需要SCDA探测器的动态范围是10-107个粒子。为达到这一目的，实验中使用了不同增益的两个光电倍增管来共同实现这一大动态范围测量。每个光电倍增管的动态范围约为103个粒子[3]。根据光电倍增管输出电荷量的动态范围，其读出电子学至少需要满足10bit的电荷测量范围，初定设计指标要求为：在满足10bit电荷测量范围的前提下，满量程电荷测量积分非线性小于2%，电荷测量精度小于5%。由于SCDA主要用于测量宇宙线成份能谱，并不用来重建宇宙线方向，所以SCDA读出电子学的主要功能是精确测量探测器输出电荷量，并不需要准确测量入射粒子的到达时间。

2 插件设计

本设计是针对SCDA探测器大动态电荷测量需求的原理样机设计。下面主要对电荷测量方案、阻抗匹配方案以及现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)固件设计部分进行详细的描述。

2.1电荷测量方案

SCDA所用光电倍增管输出的典型波形是上升沿约10ns、脉冲宽度约50ns的负向脉冲。为了精确测量信号的电荷量，读出电子学采用了具有高信噪比的电荷积分的测量方案。电荷积分法是核电子学中传统的电荷测量方法，其理论成熟、电路结构经典，广泛应用于各类型粒子物理实验中[4]。图1为插件详细的原理框图，模拟通道包括电荷积分放大器、极零相消电路、滤波成形电路。

电荷积分放大器将电子学通道接收光电倍增管(Photomultiplier tube, PMT)阳极输出的电流信号转换为电压信号。输出电压信号的峰值正比于PMT输出的电荷量的大小[5]，即可以通过测量输出信号的峰值来达到测量电荷量的目的。

由于电荷积分电路中的泄放电阻Rf是有限的，所以实际上积分器输出的信号是指数衰减的而不是阶跃的，该电压信号通过白化滤波器CR后输出的信号出现下冲，而下冲的存在会严重影响系统对正常信号的放大性能，甚至使放大器工作于非线性区。为了消除成形电路产生的输出信号的下冲，在微分电路CR4引入电阻R3，使R3C = RfCf，达到极-零相消的效果。调试时通过调节极零相消电路的零点，使输出脉冲后沿既没有下冲，又能迅速地返回基线。

信号经过极零相消电路后，为了提高电荷测量精度，加入滤波成形电路。从信噪比、峰堆积和基线涨落等方面考虑，本设计采用CR-RC4滤波成形网络，将信号成形为顶部较平坦的准高斯脉冲。同时为了得到较好的信噪比，将积分的时间常数保持与微分常数一致，CR、RC级间用放大器隔离以免相互影响[6]。电子学设计最后采用的成形时间常数τ=205ns，成形后的脉冲宽度2240ns，由于SCDA探测器单通道平均事例率小于100Hz，所以成形后的波形不会造成信号明显堆积，还能增加模数转换器(Analog-to-Digital Converter, ADC)在信号峰值部分采样点，提高测量精度。

成形后的信号峰值正比于电荷量的大小，考虑到10bit动态范围的电荷测量及测试精度需求，成形后的信号由14位的ADC进行数字化采样，ADC的采样频率为62.5MHz。再由FPGA进行寻峰处理。

图1 电荷测量原理框图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，每个探测器使用一个20m、50Ω特性阻抗的同轴电缆与电子学连接。为防止信号的反射，需考虑阻抗匹配的问题。

通常的终端阻抗匹配方案是在电缆末端即电子学输入端与地之间接入50Ω电阻[7]。但PMT输出信号为电流信号，通过50Ω匹配电阻，输入信号将变为电压信号，如果还使用电荷积分方法测量电荷量就需要通过电压-电流转换电路转换成电流信号再进行积分，增加了电路的复杂性，而且高直流增益的电荷积分电路放在电路中间，会明显放大前级运放的失调电压、温度系数、噪声等，恶化电荷测量精度和增加系统温度系数。

电荷积分电路通常放到电路的最前端直接处理PMT输出的电流信号，同时考虑到必须进行阻抗匹配的要求，在电路实际设计中，利用运算放大器输入端“虚地”的特点，在电荷积分电路输入端串联等效50Ω电阻来实现阻抗匹配。SCDA所用PMT输出电荷量较大，为了避免使用较大反馈电容Cf给系统稳定性带来的影响，本设计将50Ω的匹配电阻拆分为两个电阻并联分流的形式。这种形式可以有效增大电路的电荷测量范围，并且可以通过简单调整两个电阻的比值以及改变Cf，实现不同输入电荷量的测量。如图2中plan C电路所示，其中

R12=75Ω，R9=150Ω，R12//R9=50Ω；调节分流电阻

R12和R9的比值该电路能实现不同电荷量的测量。为了验证该方案的阻抗匹配效果，在设计PCB

前进行Pspice仿真实验，仿真时使用无损耗的同轴电缆模型，参数设置特性阻抗Z0为50Ω，传输线延迟tD=178.65ns。图2为两组阻抗匹配方案的仿真电路及对应的信号波形图。波形图左端为信号发生器的输出端波形，右端为传输线输出端波形。其中方案(a)为通常的50Ω接地匹配方案，方案(b)为本设计中的50Ω“虚地”匹配方案，仿真结果显示两种方案的同轴电缆输出端都没有信号反射，仿真结果一致。验证了本设计阻抗匹配方案是可行的。

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

图3为实际电路阻抗匹配方案的测试结果。将输入信号通过同轴电缆接入插件，用示波器查看插件输入端的信号反射情况。图3(a)为不接匹配电阻，即输入端空载时的波形；(b)为通常的终端匹配方案；(c)为本设计的虚地阻抗匹配方案。波形图中位于上方的波形是信号产生器的输出端波形，下方的波形是插件的输入端波形。实验结果显示与仿真结果一致，即采用虚地匹配与通常50Ω对地的匹配方案插件一样输入端无信号反射现象，进一步说明了虚地匹配方案的可行性。

图3 阻抗匹配方案测试 (a) 不接匹配电阻，(b) 终端匹配，(c) 虚地阻抗匹配Fig.3 Test of impedance match scheme. (a) Non matching resistance, (b) Terminal matching, (c) Virtual impedance matching

2.3 FPGA固件设计

本设计使用的FPGA型号为XC6SLX100T[8]，FPGA固件设计主要包括基于RAM的全波形可控延迟输出、数据寻峰、数据传输等。

FPGA捕获ADC输出的14位并行数据，经过IBUF输入缓冲器，将数据存入寄存器并进行一系列处理。其中全波形可控延迟输出部分通过调用ISE的简单双端口RAM内核，配置读使能总延后写使能N个时钟周期，其中N可以通过上位机输入，实现了延迟时间可控的波形延迟输出。

寻峰部分的设计采用过阈自触发模式。如果ADC的值超过预先设定的阈值，启动寻峰和求基线处理。图4为寻峰功能示意图，图4中1号波形为ADC实时采样的波形，2号为延迟输出的波形。滤波成形后脉冲宽度twd约为2240ns，达峰时间tMd约为656ns。调整波形延迟时间使延迟波形在过阈点处脉冲信号还没有到来，取过阈时刻延迟波形的前4个点作为脉冲基线。在过阈13个时钟周期后开始对实时波形进行数据比较寻峰。寻峰窗口设为592ns并使峰值大概处于寻峰窗口的中央。在寻峰窗口结束时，将该脉冲的基线和以及峰值按照一定数据格式组装成96位数据包，以用户数据报协议(User Datagram Protocol, UDP)包的形式发送给数据采集系统(Data Acquisition, DAQ)。

图4 寻峰功能示意图Fig.4 Schematic diagram of peak finding.

3 性能测试

由信号产生器、示波器、直流电源、同轴电缆以及衰减器等设备构建测试平台（如图5所示），对电子学系统最小信号的精度、电荷测量均方根、积分非线性(Integral Non-Linearity, INL)等性能指标进行了测试。

图5 测试系统框图Fig.5 Test system block diagram.

SCDA电子学目前处于预研阶段，在对电子学原理样机调试时，在插件的输入端串接一个隔直电容，信号产生器产生阶跃信号，利用电容在阶跃信号前沿充放电原理模拟PMT信号的等效电荷量。

由于探测器的最终参数还没有完全确定，所以不能确定具体输出的电荷量大小。根据10bit电荷测量范围的量级要求，为验证电荷积分方案的可行性，本实验测量了在6.2-8118pC和500-99000pC两个不同电荷范围下电路各项性能指标。信号产生器产生500Hz频率上升沿2.5ns、下降沿5ns、脉宽200μs的矩形脉冲作为输入信号，鉴于信号产生器最小电压输出为100mV，为获得最小电荷输出需要在电路输入端接入衰减器。在隔直电容为820pf时，产生器输出150mV，衰减器衰减26dB可获得6.2pC电荷量输入；在隔直电容为10nf时，产生器输出500mV，衰减器衰减20dB获得500 pC电荷量输入。其中电荷范围在6.2-8118pC时，主要电路参数设置为R1=76.8Ω，R2=143 Ω，Cf=820pf；电荷在500-99000pC时，主要电路参数设置为R1=53.6Ω，R2=750 Ω，Cf=2200pf。

图6为6.2-8118 pC和500-99000pC两种电荷测试范围情况下测量最小电荷量的高斯拟合结果。测量精度为测量电荷均方根值(Root mean square, RMS)与测量电荷均值(Mean)的百分比，因此得到电荷测量精度分别为1.12%和0.49%。测试结果表明电荷测量精度均好于5%的初定设计指标要求。

图6 最小信号精度 (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

图7为测量电荷量范围内的所有均方差的分布情况，从测试结果看出两种情况下的电荷测量均方差都小于两个最低有效位(Least significant bit, LSB)。

图7 电荷测量均方根 (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

图8为两种电荷测试范围情况下的线性拟合结果，其中K是拟合直线斜率，B为直线截距。积分非线性(Integral nonlinearity, INL)表示实测值和拟合值的差(ΔY)与ADC满量程(16383)的比值，一般用百分比表示。经计算6.2-8118pC的INL约为-0.234%，500-99000pC的INL约为-0.598%。测试结果表明，满量程电荷测量积分非线性均好于2%的初定设计指标要求。

图8 电荷测量积分非线性(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 结语

本文介绍了SCDA读出电子学系统的预研设计以及给出了实验室测试结果，设计要求单道事例率大于30Hz，本设计的单道事例率为500Hz。测试结果表明，通过调节R1和R2的比值以及Cf的大小，可以实现不同输入电荷的测量，本电路在

6.2 -8118pC和500-99000pC两个不同电荷测量范围时都能满足设计指标要求，该电荷测量方案是可行的。该原理样机研制阶段工程中影响粒子数大小的探测器铅板以及PMT等各项参数都还未最终确定，不过并不影响电路的设计。待各项参数确定后只需要通过联调微调读出电子学插件的分流电阻比值以及电路的增益使其满足工程的实际需求即可。

1 Cao Z. A future project at Tibet: the large high altitude air shower observatory (LHAASO)[J]. Chinese Physics C, 2010,34(2): 249-252

2 曹臻, 刘加丽, 白云翔. 物理学中的世纪难题: 高能宇宙线的起源之“迷”[J]. 自然杂志, 2009,31(6): 342-347

CAO Zhen, LIU Jiali, BAI Yunxiang. Century problems in physics: what is souse of high energy cosmic rays?[J]. Chinese Journal of Nature, 2009,31(6): 342-347

3 Amenomori M. Development of a front-end electronics for YAC-III detectors of Tibet as gamma experiment[C]. Proceedings of Science, Hague, Netherlands, 2015

4 常劲帆, 王佩良, 顾树棣, 等. BESIII 电磁量能器三量程电荷测量方案[J]. 核电子学及探测技术, 2009,29(4): 718-720

CHANG Jinfan, WANG Peiliang, GU Shudi, et al. The design of BESIII EMC charge measurement with three ranges[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology, 2009,29(4): 718-720

5 常劲帆, 王铮, 李秋菊, 等. LHAASO地面粒子探测器阵列前端电子学初步设计[J]. 核电子学及探测技术, 2011,31(3): 274-276

CHANG Jinfan, WANG Zheng, LI Qiuju, et al. Preliminary design of front electronics readout system for LHAASO KM2A[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology, 2011,31(3): 274-276

6 刘振安. 现代核电子学[R]. 北京: 中国科学院高能物理研究所, 2006

LIU Zhen’an. Modern nuclear electronics[R]. Beijing: Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, 2006

7 郝新军, 刘树彬, 赵雷, 等. 羊八井大型水契伦科夫探测器中双增益大动态范围前放的研制[J]. 核电子学及探测技术, 2012,32(3): 352-356

HAO Xinjun, LIU Shubin, ZHAO Lei, et al. A dual - gain preamplifier with large dynamic range for the large water Cherenkov detector in YBJ[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology, 2012,32(3): 352-356

8 Xilinx Inc. User guide for Spartan-6 FPGA configuration[ED/OL]. 2016-03-01. https://www.xilinx. com/support/documentation/user_guides/ug380.pdf

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-Ω 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年于湖南大学获硕士学位，从事FPGA硬件设计

常劲帆，E-mail: changjf@ihep.ac.cn

2016-03-01，

2016-04-02