阈值电压标定电路
S-Curve 法
开关控制产生10000 类PMT信号（45%~55%） 4.5 mV x 85% x 0.333 x 16 标定16/3 PE信号阈值，逻辑内部反推1/3 PE
DAC阈值输出加电阻衰减
标定电路产生信号 ~10 mV
甄别器输入信号 假信号
8
Artix-7 GMII
R2
﹢ ﹣ V﹣ ﹢ V+
R2
16
阳极基线位置 打拿级基线位置
板2基线离散型小一些，在合理区间
17
时间精度曲线
修正前的time walk
低阈：~1/3 PE 高阈：~5 PE 整个动态范围时间分辨率好于
0.5 ns RMS
离线修正后的time walk
18
时间精度曲线
低阈：~1/3 PE 高阈：~5 PE 整个动态范围时间分辨率好于
USB
DDR3 EEPROM
Channel 1
30 m Dynode Buffer
RC2
Cable
30 m Calibration Cable
Anode Buffer PMT1
RC2 Amp
DAC
PMT 2 PMT 9
Channel 2 Channel 9
……
ADC
ADC Disc. Disc.
FPGA Command & State
30 PE
Overlap
133 PE
4000 PE 8th Dynode Scale
电荷测量：分段测量，模拟成形+数字积分
12 bit 12 bit
2 bit
时间测量：前沿定时+FPGA-TDC
Anode Charge DY8 Charge Over range flag
MSB
LSB
自动时钟相位补偿技术，基于WR方法
start TDC
TDC
Time Discrimination Circuit
DISC. DAC
Vth_H
电荷测量电路
电路结构：passive RC2 Shaper 时间常数：40 ns ， 权衡SNR，Peaking error， Ballistic Deficit， Dead Time…… ADC钳位保护电路+基线稳定电路，实时基线测量
15
20
25
30
Number
Peak-peak 好于 100 ps
测试条件
RMS : 19.3 ps
（1）两块FEE 连接到三层交换机
（2）使用TDC 测量两块FEE 的相位差
（3）测试时，两块FEE 重新上下电，交换机不变
23
Fiber ～400m
GrandMaster
CTRL
Charge Measurment Circuit
9 DACs
Time Discriminator
……
Threshold CHANNEL1 CHANNEL2
CHANNEL9
DAC
>50%:+1bit <50%:-1bit
±
Pulse Generator CTD
Hit Rate Analysis
主要任务
指标需求
时间测量Bin size 时间测量分辨率
（RMS）
电荷测量动态范围
< 1 ns < 0.5 ns S.P.E. - 4000 P.E.
S.PE电荷量
450 fC
电荷测量分辨率（%） 30%@S.P.E.; 3%@4000P.E.
通道数
3600(->3120)
4
30 PMTs, 150 m 15 m
TX CLOCK PLL
System Clock
WRPC
GTP
System Clock
PLL
RX CLOCK
FEE
Optical Transceiver
WR 交换机
GTP
EEPROM
Sitcp_clk(125 MHz)
snk
wrpc
62.5 MHz
src
Tx convert
125 MHz
Rx convert
baseline [1 2R2(Vstep Vcom )] 4096
2R1 R2
2
Vstep from DAC R1
R2为 1.6k(Anode) 1.5k(DY8), 5%
R1为 560,1%
R1
OPA：Vos最大离散5.2 mV
基线理论最大离散差：~100道。实测最大：~100道。
4 bit
12 bit
26 bit 44 bit
6 bit
4 bit
Header Chn NO. Charge Inf. Time Inf. Reserve Tail
TCP/IP数据传输方式
30 bit
6 bit
6 bit
2 bit
Corse Time Fine time(Low) Fine time(High) Corse Diff. ID
模拟前端模块的设计 时钟与数据传输模块的设计
◇ 机械、器件布局考虑
系统测试
◇ 电子学测试
常温下的性能测试 时钟相位自动调整测试 数据率测试 温漂测试
◇ PMT 联合调试
滨松R5912和CR365测试系统 电荷和时间分辨率测试
3
Extensive Air Shower
WR Switch1
Fiber ～400m
WR Switch2
WR Switch4
Fiber ～400m
Fiber
WR Switch3
Fiber
WR Switch5
Fiber ～400m
FEE1
FEE2
Signal Source
skew (ps)
-250
-300
-350
-400
-450
-500
5
10
12
RF Attenuator
PC
LMR240 （30 m）
Power Splitter Arbitrary Waveform Generator
Network Cable
…… …… FEE V1.0
WR Switch Optical Fiber
PMT测试波形：AFG3252，ArbExpress 产生 电缆：LMR240, 30米 WR Switch时钟相位补偿和数据传输 两块FEE V1.0 (#1、#2)
Peak
Data
Data
Detector Package Buffer
Start
TDC
Recovery Clock
Clock Adjust
TCP/IP Protocol
Stack
Clock Adjust
GTX
Anode Scale
Optical
Fiber
WR
SFP
Switch
FEE主要技术路线
1 PE
WR Switch1
Fiber ～400m
WR Switch2
WR Switch4
Fiber ～400m
Fiber
WR Switch3
Fiber
WR Switch5
Fiber ～400m
FEE1
FEE2
Signal Source
skew (ps)
100 50 0 -50
-100 -150 -200
5
30 PMTs, 150 m
30 PMTs, 150 m 15 m
主要任务
全广角探测百GeV以上的EAS 探测粒子前锋面到达时间 探测粒子电荷，判断粒子种类 测量范围：1~4000 P.E. 四(三)个水池，~400 FEE
FEE
15 m :PMT
900 PMTs for one water pool One FEE for 9 PMTs
系统测试
◇ 电子学测试
常温下的性能测试 时钟相位自动调整测试 数据率测试 温漂测试
◇ PMT 联合调试
滨松R5912和CR365测试系统 电荷和时间分辨率测试
2
LHAASO WCDA FEE 简介
◇ LHAASO WCDA FEE 主要任务 ◇ 前端读出电子学的设计
10
15
20
25
30
Number
Peak-peak 好于 100 ps
测试条件
RMS : 19.2 ps
（1）两块FEE 连接到三层交换机
（2）使用TDC 测量两块FEE 的相位差
（3）测试时，两块FEE 重新上下电，交换机不变
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Fiber ～400m
GrandMaster
模拟前端模块的设计 时钟与数据传输模块的设计
◇ 机械、器件布局考虑
系统测试
◇ 电子学测试
常温下的性能测试 时钟相位自动调整测试 数据率测试 温漂测试
◇ PMT 联合调试
滨松R5912和CR365测试系统 电荷和时间分辨率测试
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LHAASO WCDA FEE 简介
◇ LHAASO WCDA FEE 主要任务 ◇ 前端读出电子学的设计
模拟前端模块的设计 时钟与数据传输模块的设计
◇ 机械、器件布局考虑
系统测试
◇ 电子学测试
常温下的性能测试 时钟相位自动调整测试 数据率测试 温漂测试
◇ PMT 联合调试