lhaaso分布式電子學(xué)系統(tǒng)調(diào)試進(jìn)展-indico@ihep

1、基于精簡(jiǎn)White Rabbit原理的LHAASO WCDA時(shí)鐘系統(tǒng)原型設(shè)計(jì),商林峰核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系2012.3.8,主要內(nèi)容,LHAASO WCDA簡(jiǎn)介L(zhǎng)HAASO WCDA電子學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)White Rabbit原理簡(jiǎn)介時(shí)鐘原型系統(tǒng)設(shè)計(jì)測(cè)試小結(jié)與下一步工作安排,2024/2/28,核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,2,LHAASO 簡(jiǎn)介,3,Large High Altitude

2、Air Shower Observatory 大型高海拔空氣簇射觀測(cè)站KM2A (1km2 array ): -- ED(electron detectors,電子探測(cè)器) -- MD(muon detectors, 繆子探測(cè)器)SCDA (shower core detector array)簇射中芯探測(cè)器陣列WFCA (wide field Cherenkov array)廣角契倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列WCDA

3、 (water Cherenkov detector array)水契倫科夫探測(cè)器陣列,2024/2/28,核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,LHAASO WCDA簡(jiǎn)介,4,9萬(wàn)平方米，2×2陣列的4個(gè)子探測(cè)器? 150米×150米×4.5米? 5米×5米格子? 3600路PMT(Photo MultiplierTube),電子學(xué)系統(tǒng)指標(biāo)需求,2024/2/28,核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)

4、實(shí)驗(yàn)室,WCDA讀出電子學(xué)結(jié)構(gòu)布局,傳統(tǒng)方式：后端數(shù)字化數(shù)字化集中后端 探測(cè)器信號(hào)通過(guò)電纜傳輸?shù)綑C(jī)房 需前放，提高信噪比 限制：模擬信號(hào)傳輸距離不能很長(zhǎng)長(zhǎng)距離模擬信號(hào)傳輸衰減 幅度衰減，前沿變緩 高帶寬電纜：成本高 數(shù)字化精度降低LHAASO特點(diǎn)： 長(zhǎng)距離（>100米） 大動(dòng)態(tài)范圍 高時(shí)間精度

5、,5,長(zhǎng)基線中微子實(shí)驗(yàn)100米高寬帶電纜RG58傳輸PMT模擬信號(hào)衰減影響,2024/2/28,核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,WCDA讀出電子學(xué)結(jié)構(gòu)布局,WCDA采用方式：前端數(shù)字化 數(shù)字化分布前端 數(shù)字結(jié)果通過(guò)電纜/光纖匯總到機(jī)房 不需要前放優(yōu)點(diǎn)： 擺脫對(duì)模擬信號(hào)傳輸?shù)目量桃?，這種方案從前端到后方傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)難點(diǎn)： 保證各前端電子學(xué)通道時(shí)鐘的同步

6、和高精度,6,2024/2/28,核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,時(shí)鐘同步設(shè)計(jì)指標(biāo),1.對(duì)單個(gè)時(shí)鐘通道：時(shí)鐘抖動(dòng)?100ps 2.對(duì)多個(gè)時(shí)鐘通道：時(shí)鐘偏差?100ps,7,2024/2/28,核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,常用時(shí)鐘協(xié)議的時(shí)間精度,現(xiàn)有的主要時(shí)間頻率同步技術(shù)：（1）基于廣播技術(shù)的衛(wèi)星導(dǎo)

7、航技術(shù) GPS，伽利略，GLONASS（2）基于物理層的傳輸 同步光纖系統(tǒng)/同步數(shù)字系統(tǒng) （SONET/SDH）， 同步以太網(wǎng)（SyncE）（3）基于數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層的分配系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（NTP）， 基于IEEE-1588 的高精度時(shí)間協(xié)議（PTP）,2024/2/28,核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,8,參考原理： White

8、Rabbit,White Rabbit project SyncE + PTPv2 Physical layer sync (clock recovery) Sub-ns accuracy up to 1000 nodes 10km fiber transmission,2024/2/28,核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,9,參考

9、White Rabbit Specification：Draft for Comments,White Rabbit原理,DMTD:Dual Mixer Time Difference,2024/2/28,10,核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,White Rabbit的精簡(jiǎn),White Rabbit,采用同步以太網(wǎng)，協(xié)議復(fù)雜多級(jí)開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)，引入透明時(shí)鐘概念，操作復(fù)雜DMTD輸出采用counter計(jì)數(shù),White Rabbit的精

10、簡(jiǎn),采用普通串并轉(zhuǎn)換芯片，協(xié)議簡(jiǎn)單星形網(wǎng)絡(luò)，光纖傳輸采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)形式DMTD輸出采用FPGA-based TDC測(cè)量，精確度高,2024/2/28,核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,11,LHAASO WCDA時(shí)鐘原型系統(tǒng)示意圖,2024/2/28,核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,12,時(shí)鐘源板設(shè)計(jì),提供精確時(shí)鐘給整個(gè)電子學(xué)系統(tǒng)時(shí)鐘必須與全球時(shí)間同步,2024/2/28,核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,13,,時(shí)鐘發(fā)送與接收模塊,

11、接收模塊使用SerDes恢復(fù)時(shí)鐘作為本級(jí)的系統(tǒng)時(shí)鐘發(fā)送模塊: 相位測(cè)量（DMTD， FPGA TDC）接收模塊：基于FPGA DCM的動(dòng)態(tài)移相,14,,2024/2/28,核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,時(shí)鐘發(fā)送板與時(shí)鐘接收板設(shè)計(jì),時(shí)鐘發(fā)送板與時(shí)鐘接收板結(jié)合起來(lái)設(shè)計(jì) 兩者區(qū)別： 發(fā)送板SerDes發(fā)送時(shí)鐘使用系統(tǒng)時(shí)鐘 接收板SerDes發(fā)送時(shí)鐘使用恢復(fù)時(shí)鐘 8

12、個(gè)光傳輸通道 4個(gè)通道采用外接SerDes DS92LV16 4個(gè)通道采用FPGA內(nèi)部GTX,2024/2/28,核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,15,,時(shí)鐘源板及時(shí)鐘發(fā)送模塊時(shí)鐘性能測(cè)試,測(cè)試方案：1. 測(cè)試銣時(shí)鐘源的輸出信號(hào)質(zhì)量2. 測(cè)試時(shí)鐘源板，時(shí)鐘發(fā)送板的系統(tǒng)時(shí)鐘性能,2024/2/28,核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,16,測(cè)試實(shí)物照片圖,2024/2/28,核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,17,,,,時(shí)鐘

13、源板,時(shí)鐘發(fā)送板,時(shí)鐘接收板,,銣時(shí)鐘源,銣時(shí)鐘源輸出時(shí)鐘信號(hào),周期：99.99945nsJitter: 112.44ps,2024/2/28,核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,18,時(shí)鐘源板，時(shí)鐘發(fā)送板時(shí)鐘性能測(cè)試,Channel1（黃）：時(shí)鐘源板系統(tǒng)時(shí)鐘 周期：24.99971ns jitter: 11.27psChannel2 （紅）：時(shí)鐘發(fā)送板1系統(tǒng)時(shí)鐘 周期：24.99965ns jitte

14、r: 18.95psChannel3 （藍(lán)）：時(shí)鐘發(fā)送板2系統(tǒng)時(shí)鐘 周期：24.99954ns jitter: 11.29ps,2024/2/28,核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,19,時(shí)鐘接收模塊時(shí)鐘性能測(cè)試,測(cè)試方案： 1. 兩通道分別接100，200米光纖，測(cè)試時(shí)鐘相位調(diào)節(jié)前后的接收模塊恢復(fù)系統(tǒng)時(shí)鐘FEE_CLK的相位差 2. 保持測(cè)試條件不變，多次測(cè)量，觀測(cè)相位差的穩(wěn)定性 3. 保持測(cè)試條件不變，觀測(cè)F

15、EE_CLK相位差隨溫度變化的影響,2024/2/28,核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,20,時(shí)鐘接收模塊時(shí)鐘性能測(cè)試,未調(diào)節(jié)時(shí)相位差,2024/2/28,核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,21,Channel2 （紅）：時(shí)鐘發(fā)送板系統(tǒng)時(shí)鐘Channel3 （藍(lán)）：時(shí)鐘接收模塊1系統(tǒng)時(shí)鐘FEE_CLK1Channel4 （綠）：時(shí)鐘接收模塊2系統(tǒng)時(shí)鐘FEE_CLK2FEE_CLK1與FEE_CLK2相位差為8.334ns,時(shí)鐘接收模

16、塊時(shí)鐘性能測(cè)試,調(diào)節(jié)后相位差,2024/2/28,核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,22,Channel2 （紅）：時(shí)鐘發(fā)送板系統(tǒng)時(shí)鐘Channel3 （藍(lán)）：時(shí)鐘接收模塊1系統(tǒng)時(shí)鐘FEE_CLK1Channel4 （綠）：時(shí)鐘接收模塊2系統(tǒng)時(shí)鐘FEE_CLK2FEE_CLK1與FEE_CLK2相位差為244.53ps （未調(diào)節(jié)為8.334ns),時(shí)鐘接收模塊時(shí)鐘相位差穩(wěn)定性測(cè)試,平均值：271.16ps最大相位漂移 50.52

17、ps,2024/2/28,核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,23,測(cè)試方法： 重復(fù)加載發(fā)送接收板的邏輯，測(cè)試性能穩(wěn)定性,溫度調(diào)節(jié)裝置,2024/2/28,核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,24,,,200米光纖,100米光纖,溫度對(duì)測(cè)試的影響,2024/2/28,核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,25,光纖溫度系數(shù)35ps/(km·℃)， 對(duì)于測(cè)試所用200米光纖最大溫漂應(yīng)在262.5ps動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)后相位漂移：54.32ps,測(cè)試方

18、法：200米光纖放入高溫試驗(yàn)箱，改變溫度，100米光纖室內(nèi)常溫條件下,示波器測(cè)量得到的時(shí)鐘偏差超過(guò)100ps的解釋,將兩個(gè)SMA TP測(cè)試點(diǎn)輸入同一時(shí)鐘信號(hào)通過(guò)示波器觀察，發(fā)現(xiàn)測(cè)試結(jié)果存在237.86ps的相位差考慮之前測(cè)試的200多ps的相位差是不是因?yàn)門(mén)P路徑以及示波器通道連接同軸電纜的差異造成,2024/2/28,核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,26,示波器測(cè)量得到的時(shí)鐘偏差超過(guò)100ps的解釋,,Channel3 （藍(lán)）：時(shí)鐘

19、接收模塊1系統(tǒng)時(shí)鐘FEE_CLK1經(jīng)過(guò)DMTD放大后的波形Channel4 （綠）：時(shí)鐘接收模塊2系統(tǒng)時(shí)鐘FEE_CLK2經(jīng)過(guò)DMTD放大后的波形這幅圖中對(duì)應(yīng)未放大前的使用示波器直接測(cè)量FEE_CLK1和FEE_CLK2的時(shí)鐘歪斜為268.19ps已知DMTD放大系數(shù)為：279由DMTD原理可以反推得到FEE_CLK1和FEE_CLK2之間的實(shí)際的clock skew為：9.975ns/279 = 35.75ps測(cè)量值與實(shí)際值

20、之間存在268.19ps-35.75ps = 232.44ps的誤差,小結(jié)與下一步工作安排,小結(jié)：基于精簡(jiǎn)的White Rabbit方案設(shè)計(jì)的時(shí)鐘原型系統(tǒng)，很好的實(shí)現(xiàn)了LHAASO WCDA系統(tǒng)時(shí)鐘需求，驗(yàn)證了原理的可行性通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了溫漂自動(dòng)補(bǔ)償功能下一步工作：完善時(shí)鐘原型系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成所有通道調(diào)試?yán)^續(xù)完備時(shí)鐘原型系統(tǒng)電子學(xué)系統(tǒng)性能測(cè)試,2024/2/28,核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,28,謝謝！,2024/2/