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2/3/20141 Laboratorio di Fisica Nucleare e Subnucleare Sistemi di acquisizione standard, trasmissione dei segnali, moduli NIM di uso comune Dipartimento.

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1 2/3/20141 Laboratorio di Fisica Nucleare e Subnucleare Sistemi di acquisizione standard, trasmissione dei segnali, moduli NIM di uso comune Dipartimento di Fisica Anno Accademico 2009/2010

2 2/3/20142 Sistemi di acquisizione dati controllati da calcolatori: necessità dettata dalla quantità e complessità dei dati prodotti nei moderni esperimenti. Molteplici vantaggi: monitoraggio dellapparato, calibrazione, ricostruzione on-line e analisi preliminare dei dati grezzi. Strumento interfaccia con calcolatore. Sviluppo di sistemi di interfacciamento standard nel campo della fisica: CAMAC, FASTBUS, VME. Tutti questi sistemi sfruttano un BUS per mettere in comunicazione gli strumenti con un sistema di calcolo: trasferimento di dati tra CPU, memorie e periferiche molto complesso e poco pratico se non attraverso un BUS comune.

3 2/3/20143 DAQ: il bus Processore Bus RAM I/O VideoUSB

4 2/3/20144 DAQ: Schema di acquisizione VME Processore Schede VME Rivelatore (elettronica di front-end) Bus VME Controllo, dati Bus locale (PCI) RAMI/O Bridge … … Controller

5 2/3/20145 Segnali analogici e digitali Segnali analogici e digitali segnale analogico segnale digitale (NIM/TTL/ECL) soglia discriminatore logica Segnali analogici: molte informazioni, soggetti a distorsione durante la trasmissione Segnali digitali: meno informazione, solo due stati possibili, scarsa sensibilità alla distorsione o attenuazione durante la trasmissione

6 2/3/20146 Trasmissione dei segnali Apparentemente banale. Trasferimento di uninformazione, analogica o digitale, da un punto ad un altro di un sistema, senza deteriorare la qualità dellinformazione stessa. Un segnale tipico contiene praticamente un intervallo di frequenze illimitato trasmissione di un intervallo illimitato di frequenze, distanze anche dellordine di decine di metri. Impossibile. In pratica un limite superiore di 1 GHz è ragionevole, anche se in alcun modo semplice. T ~ 1ns = sec = 1/T = 10 9 Hz Interesse pratico nel range 0-100MHz

7 2/3/20147 Attraverso fili conduttori (eventualmente twisted pairs) per distanze corte ( < qualche metro) Attraverso cavi coassiali per distanze (abbondantemente) superiori a qualche metro Il cavo coassiale trasporta il segnale come unonda con velocità Trasmissione dei segnali dove L e C sono induttanza e capacità per unità di lunghezza del cavo

8 2/3/20148 Cavo coassiale guaina dielettrico conduttore Conduttore (portante del segnale) Dielettrico di separazione tra segnale e massa Schermo di fili intrecciati ritorno a terra filtro da campi elettromagnetici esterni (gabbia di Faraday) Guaina di protezione in materiale plastico schermo

9 2/3/20149 La presenza del dielettrico (normalmente polietilene o teflon) comporta v

10 2/3/ Riflessione del segnale sui cavi Impedenza caratteristica è importante per le riflessioni del segnale lungo la linea coassiale Supponiamo di trasmettere un segnale lungo un cavo coasiale di impedenza Z 0 : lungo la linea V=Z 0 I Quando il segnale raggiunge un carico di impedenza diverso, la legge di Ohm deve tener conto anche del carico e del segnale che deve propagarsi in direzione opposta sul cavo: cioè Coefficiente di riflessione di segnale in un cavo definendosi trova

11 2/3/ Riflessione del segnale sui cavi Possiamo distinguere tre casi: R= 0 ρ = -1 il segnale originale viene riflesso completamente ma invertito in polarità R=Z 0 ρ = 0, il segnale non subisce distorsioni o alterazioni di alcun tipo e prosegue indisturbato il suo cammino R= ρ = 1, il segnale originale viene riflesso completamente

12 2/3/ Divisione di un segnale Semplice circuiteria passiva per dividere un segnale impulsivo in (due?) parti uguali. Qualè il valore di R che garantisce assenza di riflessioni e la divisione del segnale per un fattore 2?

13 2/3/ E necessario terminare un cavo coassiale con la sua resistenza caratteristica per evitare distorsioni nel segnale. Lo standard NIM parzialmente risolve questo problema, poichè la larga maggioranza dei moduli viene prodotta con impedenze di ingresso ed uscita pari a 50 Ohm. In alcuni casi ciò non è possibile (oscilloscopio, moduli NIM che necessitano per loro disegno di impedenze di ingresso/uscita particolari). In questi casi la terminazione può essere realizzata utilizzando una resistenza (verso massa) esterna.

14 2/3/ Caratteristiche segnale polarità ( negativi e positivi o bipolari) forma (oscilloscopio) livello di base (riferimento per lampiezza) ampiezza o altezza tempo di salita T R (velocità segnale) tempo di discesa T F velocità di propagazione larghezza (FWHM) sfasamento temporale (utilizzato per trigger)

15 2/3/ Segnali logici NIM, TTL ed ECL State 0State 1 NIM TTL ECL Convertitori logici NIM-TTL-ECL TTL (Transistor-Transistor Logic), logica positiva talvolta utilizzata in moduli di elettronica NIM. ECL (Emitter-Coupled Logic). Logica più moderna, molto veloce. Necessità di opportuna conversione per essere utilizzata in standard NIM e CAMAC. Logica ECL: impedenza dingresso, meno sensibile al rumore, possibile utilizzo di cavi meno costosi (twisted- pair) e ingombranti, cavi piatti. 2-5 V 0 V 1 0 TTL V V ECL 0 V -0.8 V NIM 0 1 Standard segnali digitali

16 2/3/ Crates NIM Primo vero e proprio standard introdotto in fisica delle alte energie. NIM (Nuclear Instrument Module). Crate di dimensioni meccaniche standard, alimentazioni standard (±6V,±12V,±24V). Moduli di dimensione standard, 12 stazioni singole per crate. Amplificatori, coincidenze, unità logiche, discriminatori, moduli di ritardo, tutti di dimensioni standard. Possibilità di controllo remoto, ma assenza di intelligenza di gestione del crate. Principalmente utilizzati nei sistemi di trigger veloci e in piccoli sistemi di acquisizione.

17 2/3/ Elettronica NIM Controller HV Moduli HV Crate alimentazione modulo Rivelatore segnalealimentazione HV Interfacce (seriale, internet, …)

18 2/3/ Schema tipico di una misura discriminatore Segnale analogico Segnale digitale... Piano 1 Piano N ADCcontatoreCPU.... VME NIM Gate dati su disco splitter OR AND soglia …Piano 1Piano N... ritardo

19 2/3/ CAMAC (Computer Automated Measurement And Control) Standard relativamente vecchio, introdotto in europa nel Sistema modulare. Meccanicamente consiste di uncrate con 25 stazioni (slots). Nella parte posteriore del crate è situato il DATAWAY al quale, tramite un connettore di 86 pin, si collegano i moduli. DATAWAY: tensioni di alimentazione per i moduli, linee addizionali consentono il trasferimento di dati e messaggi di controllo da e verso i moduli stessi. Comunicazioni gestite dal crate controller. Possibile configurare sistemi CAMAC in modo da collegare diversi crates ad uno stesso computer di acquisizione.

20 2/3/ Tre tipi di linee nel dataway: alimentazione (±6 V,±24 V), linee TTL per trasferimento dati e controllo, linee punto a punto che consentono lindirizzamento dei moduli da parte del crate controller. 24 bit di lettura, 24 bit di scrittura. Due tipi di operazioni: comuni a tutti i moduli o rivolte ad una particolare stazione. Nel primo caso si utilizza una linea di controllo: Initialize (Z), Clear (C), Inhibit (I). Le operazioni sui singoli moduli necessitano di un indirizzo (che indica il modulo interessato), un registro e di un codice di funzione per indicare il tipo di operazione da effettuare. Funzioni eseguite per mezzo di programmi di alto livello: Fortran, C, LabView. Limitazioni: velocità di trasferimento dei dati bassa per le esigenze moderne, limitazione nel numero di crates permessi in un branch, impossibilità di comunicazione tra i vari crates.

21 2/3/ FASTBUS Introdotto per risolvere alcuni dei problemi del CAMAC. Velocità: il flusso di informazioni al secondo è almeno dieci volte superiore rispetto allo standard CAMAC. Dimensioni maggiori: più canali per modulo, più moduli per crates (32 invece di 25). Intelligenza distribuita: ogni modulo può comunicare con qualsiasi altri modulo presente allinterno di un crate Costo: moduli/crate molto più costosi dello standard CAMAC. Ingombro meccanico maggiore Complessità: la maggiore flessibilità del sistema comporta una maggiore complessità e difficoltà di debugging

22 2/3/ Schema acquisizione VME (Versabus Module Europa) Crate CPU (+ RAM, bridge, I/O, …) Rete (intranet, internet) Schede alimentazione + bus Rivelatore segnali

23 2/3/ Principali moduli di elettronica Linee di ritardo Shapers Fan-in, fan-out Discriminatori ADC TDC Timing Units Scalers Coincidenze Unità logiche Moduli di alta tensione

24 2/3/ Linee di ritardo Moduli di utilizzo piuttosto comune, si trovano sia in formato NIM che in formato CAMAC o similare. In un crate intelligente possono essere programmabili: 16, 32 canali indipendenti con ritardi programmabili. Particolarmente utili nei sistemi di Trigger dove molti contatori devono essere messi in tempo. Semplici moduli per introdurre ritardo tra un segnale in ingresso e luscita. Per piccoli ritardi (~100 ns) si sfrutta la velocità di propagazione nei cavi coassiali (5 ns/m). Attenzione allattenuazione del segnale. Ritardi maggiori (micro o milli secondi) non possono essere ottenuti in questo modo.

25 2/3/ Shapers Semplici (!!) moduli di elettronica per dare al segnale analogico una forma particolare più conveniente, vengono utilizzati solitamente circuiti RC+CR (derivatori e integratori). Molto complicato per piccoli segnali e alte frequenze. R1R1 C1C1 C2C2 R2R2 +1 Quando un V in e un gradino di tensione e 1 = R 1 C 1, 2 = R 2 C 2

26 2/3/ Fan-in e Fan-out Fan-in : moduli attivi in cui luscita è la somma analogica dei segnali in ingresso. Possono essere sia lineari che logici. In questultimo caso la somma è lOR dei segnali dingresso. Possono accettare in ingresso segnali di una data polarità o bipolari. Fan-out : moduli attivi in cui un singolo segnale viene distribuito su varie uscite. Da non confondersi con gli splitters passivi. Possono essere sia lineari che logici.

27 2/3/ Discriminatori Danno un segnale in uscita se e solo se il segnale in ingresso è superiore ad un certo valore di soglia. Uscita: segnale logico standard NIM, larghezza modificabile mediante un potenziometro. La soglia elimina possibile rumore. Qualsiasi informazione sullampiezza dellimpulso iniziale è persa: normalmente utilizzati nei sistemi di trigger e per la misura dei tempi o dei conteggi. Soglie variabili da 20 a 1000 mV, larghezze da 5 a 1000 ns.

28 2/3/ La circuiteria (relativamente complessa) che genera il segnale allinterno di un discriminatore introduce un ritardo tra i 10 e 30 ns. Questo è un fenomeno comune a tutti i moduli di elettronica. Misure temporali tramite discriminatori: leading edge, effetti di time slewing, segnali di ampiezza diversa (ma stessa forma!) hanno un segnale in uscita diverso indeterminazione nella misura temporale, necessità di una correzione dipendente dallampiezza dimpulso del segnale (che deve essere quindi necessariamente misurata...) CFD (costant fraction discriminator), il discriminatore non scatta ad una data soglia (in mV) ma ad una determinata frazione dellampiezza del segnale, misura del tempo praticamente indipendente dallampiezza dimpulso.

29 2/3/ Discriminatori a doppia soglia Input High-Thr Low-Thr Clk D Reset Q Delay Output Inputs Comparator Outputs Thresholds

30 2/3/ Diversi tipi di discriminatori: Leading Edge: segnale in uscita di durata prefissata tramite potenziometro. Updating: se un secondo segnale (sopra soglia e fuori dalla risoluzione per doppi impulsi) appare mentre il segnale in uscita è ancora attivo, il discriminatore non updating lo ignora. Un discriminatore updating estende luscita. Burst guard: particolarmente utile nel caso di treni di impulsi o impulsi di lunga durata. Se gli impulsi del treno sono separati da meno della risoluzione per doppi impulsi il segnale in uscita si estende fino alla falling edge dellultimo impulso. Risoluzione per doppi impulsi: tempo minimo che intercorre tra i LE di due impulsi successivi. Normalmente dellordine di 5, 10 ns.

31 2/3/ Convertitore ADC Strumento fondamentale, non solo nel campo della fisica nucleare e subnucleare. ADC = Analog to Digital Converter. Un segnale viene acquisito in modo analogico e convertito in informazione digitale tramite un elaborazione con elettronica di tipo logico. Analisi dei dati on/off-line. Caratteristiche principali: Risoluzione Range dinamico Banda passante Tempo di conversione Linearità Conersione di tensione, corrente, carica….

32 2/3/ ADC = convertitore analogico-digitale Segnale analogico Gate - + ComparatoreEncoder Riferimento Output digitale Curva di Landau, tipica della perdita di energia per ionizzazione con coda ad alti valori di ΔE Piedistallo (integrale del rumore) ADC sensibili al picco o allintegrale del segnale: es. ampiezza dimpulso o carica totale del segnale. Il tipo più comune è realizzato con un metodo a rampa.

33 2/3/ Risoluzione di un ADC Numero di Bits, 8,10,12… Il bit meno significativo da la risoluzione della misura Per esempio: un ADC con 10 bits ed un massimo a fondo scala di misura di 1 Volt ha una risoluzione di 1/2 10 = 0.9 mV (0.1%) Range dinamico Intervallo di ampiezze che lADC riesce a misurare: per esempio un ADC che misure lenergia di particelle da 1 MeV a 5 GeV ha un range dinamico di Nel caso di sistemi lineari il range dinamico è correlato al numero di bit (e quindi alla risoluzione): nellesempio precedente occorrono 13 bits! Per ottenere grandi intervalli di misura occorre introdurre artificialmente non linearità nel sistema di misura.

34 2/3/ Tempo di conversione Da 10 ns a qualche ms a secondo del tipo di tecnologia utilizzata: fattore limitante per esperimenti con frequenze di conteggio molto elevate Linearità Non linearità: massima differenza tra il miglior fit lineare e la curva ideale.

35 2/3/ Calibrazione di un ADC A quanti conteggi di ADC corrisponde il rilascio di una data quantità di energia in uno scintillatore o in un calorimetro? Calibrazione in energia. Utilizzo di una sorgente di energia nota (sorgente radioattiva, Na22, Co60); utilizzo di una quantità di carica nota iniettata elettronicamente. Nei moderni esperimenti di fisica delle particelle elementari si utilizzano i prodotti di decadimento di processi noti (...esempio...decadimenti Bhabha radiativi spesso utilizzati per ottenere fasci di fotoni di energia nota, e + e - e + e - nei collisionatori e + e -....decadimenti di particelle note, W o Z 0, ai collisionatori adronici).

36 2/3/ Convertitore TDC TDC (Time to Digital Converter): un segnale in tempo, normalmente lintervallo di tempo tra uno START ed uno STOP, viene trasformato in un valore digitale. Moduli CAMAC o altri standard intelligenti simili. Segnali di START e STOP entrano nei connettori di ingresso posti sui pannelli frontali. Il segnale di START innesca la carica di un condensatore che al ricevimento del segnale di STOP viene scaricato in modo uniforme. Durante la scarica gli impulsi di un impulsatore sono contati da uno scaler. Risoluzioni tipiche 50ps/conteggio (1024 o 2048 conteggi, a seconda del modello di TDC).

37 2/3/ Timing Units Moduli di utilità con ampio spettro di utilizzo. Ogni modulo consiste in due unità di generatore di impulso (triggerabile dallesterno): larghezza dei segnali variabile tra 50 ns e 10 sec. Presenti altri segnali potenzialmente utili: end-marker (segnale veloce presente alla fine del ciclo di temporizzazione, trigger ritardato…). Può oscillare (end-marker) e quindi diventare un generatore di impulsi con diverse frequenze di conteggio.

38 2/3/ Scalers Semplici contatori di impulsi digitali. Moduli NIM, CAMAC o VME. Programmabili. Dotati di un display a LED oppure soltanto leggibili via computer. Possono lavorare a frequenze di conteggio continuo fino a 100 MHz. Segnali di CLEAR e INHIBIT. Normalmente doppia unità NIM. Può essere programmato per contare in un determinato intervallo di tempo.

39 2/3/ Coincidenze Caso particolare di una più vasta classe di moduli di unità logiche. Utilizzati spesso, sopratutto nei sistemi di Trigger veloci, dove è necessario imporre la coincidenza di uno o più rivelatori.

40 2/3/ Tempo minimo di presenza simultanea dei segnali in ingresso, normalmente 2 ns. Lintervallo di tempo in cui una coincidenza può produrre un segnale in uscita è detto tempo di risoluzione. Dipende dai segnali in ingresso... Normalmente viene misurato contando le coincidenze in funzione del ritardo di uno dei due segnali. Frequenza di coincidenza aumenta con la sovrapposizione dei segnali. Tempi di risoluzione piccoli segnali in ingresso corti. Attenzione alle coincidenze spurie

41 2/3/ Coincidenze spurie S 0, Frequenza di conteggio singolo di S0 S 1, Frequenza di conteggio singolo si S1 T larghezza dei segnali discriminati Frequenza di conteggi spuri R acc ~ 2S 0 S 1 ΔT Se T~50 ns, S 0 ~S 1 ~3KHz R acc ~1 Hz

42 2/3/ Unità logiche Unità logiche di vario tipo (AND, OR, NAND, NOR...). Normalmente moduli NIM per i nostri scopi moduli di tipo CAMAC o VME più frequentemente utilizzati in fisica delle particelle. Multi-ingresso (fino a 32 ingressi contemporanei), logiche programmabili, normalmente utilizzano lo standard ECL.

43 2/3/ Doppia unità NIM. 4 canali di alimentazione. Da 0 a 3 kV (3 mA), o 0 a 6 kV (1mA). La polarità può essere sia negativa che positiva: modificabile da un utente ESPERTO. Ogni canale è aggiustabile singolarmente: Vmax, Imax, Vset, Vmon, Imon. Può funzionare allinterno di un crate NIM o anche con una normale presa 220 V, ma in questo caso ha bisogno di essere opportunamente raffreddato. Enable via pannello con segnale TTL o connessione a massa. High Voltage Power Supplies

44 2/3/ Soglia T T1

45 2/3/ % T Discriminatore a frazione costante

46 2/3/201446


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