Laser Control, Elettronica Monitoring, DAQ Roma, Maggio 2015 M. Iacovacci, S. Mastroianni, P. Di Meo

Laser Control System

Outlook Goals A schematic view The operation modes The architecture The implementation Checks and Test G-2 . Meeting, 17, April 2015 S. Mastroianni 1

Goals The Laser Control System: provides the calibration pulses in 700 μs time window according the two modes: Pulse train with fixed freq. “Flight” generation with an exponential function with τ= 64.4 μs manages the interface between DAQ and Laser System monitors and controls the calibration system G-2 . Meeting, 17, April 2015 S. Mastroianni 2

General view DAQ LASER MON Sys Fill/End_Of_Fill/eventually TriggerFlag/DAQ_Status/ Time Stamp for sync Laser_trigger/Laser_fault LASER The board reads Warning/LaserStatus And sends Laser_trigger MON Sys Signals from/to Monitor system G-2 . Meeting, 17, April 2015 S. Mastroianni 3

General view Laser Ctrl Mode Control Reg MON Sys Internal signals Fixed Freq. Flight Control Reg Setup & Status MON Sys Internal signals Test & debug Embedded Sys Management & control G-2 . Meeting, 17, April 2015 S. Mastroianni 4

Tested in Udine and Seattle Fixed pulse freq. Pulse generation in 700 μs Freq. range: 1 kHz  100 kHz 5 μs time shift every Fill cycle implemented in hardware Frequency and shift parameters can be configured Tested in Udine and Seattle G-2 . Meeting, 17, April 2015 S. Mastroianni 5

Flight generation - bin 100 ns Trigger counts according the exponential function A e-t/τ. - bin 100 ns Counts per 100 ns Time (μs) About 13 million of events have been considered G-2 . Meeting, 17, April 2015 S. Mastroianni 6

Average counts in 700μs Counts in 700μs for A: 0.2 0.05 0.02 The average counts go from about 13 to 1.3 <counts>≈3.2 <counts>≈1.3 G-2 . Meeting, 17, April 2015 S. Mastroianni 7

Implementation 1 (soft & hard) CPU FPGA Software FIFO # N Header Time#0 Time#1 … Time#N # N Header Time#0 Time#1 … Time#N TRG_gen TimeGen trigger TimeBase Software benefits: high level description within software side a different function can be implemented on the fly by changing only the formula (software) G-2 . Meeting, 17, April 2015 S. Mastroianni 8

CPU & FPGA Aria chip (acmesystem) Beaglebone Black (TI) 400 MHz with 256MB RAM 2 I2C 2 SPI 4 10-bit ADC Beaglebone Black (TI) 1 GHz with 500MB RAM 2 I2C 2 SPI 7 12-bit ADC Virtex5 (evaluation board ML507) GPIO …. G-2 . Meeting, 17, April 2015 S. Mastroianni 9

Distribution of counts measured on the oscilloscope New measurements Implementation on Virtex 5-FPGA & ARM9-μP G-2 . Meeting, 17, April 2015 S. Mastroianni 10

Status The two laser control operation modes have been implemented: Fixed freq. Flight in two versions Two Different FPGAs have been tested Filter wheels – SiPM Calibration 2 Pulse at Begin of Fill (DAQ) Interface (DAQ/Laser/etc..) Configuration & control scripts Software tested .. work in progress .. work in progress

Paper in progress

Signal Monitoring Monitoring Rack G. Venanzoni G-2It 13/01/2015 UD

Monitoring Rack AMeter MonCRATE – Local 1 DAQ TCP/IP AMeter 6 2 1 12 DAQ TCP/IP AMeter MonCRATE – Local 1 C O N T R L E 6 2 1 12 DAQ TCP/IP AMeter MonCRATE – Local 2 C O N T R L E 6 2 1 12 DAQ TCP/IP AMeter MonCRATE – Source

Sistema di lettura Segnali Monitoring L’unità modulare è il MonCRATE ogni MonCRATE serve 12 Calorimetri l’informazione di 1 Diffusore (2 (3) canali PD/PMT di cui 1 con Am ) è letta da 12 schede AMeter (3 canali/scheda) le quali ricevono le alimentazioni/segnali di controllo da bus sul backplane. Le AMeter board sono in grado di gestire i PD/ PMT e di autocalibrarsi. Sono in grado di accettare Trigger e di generare Trigger (Am) per il DAQ/WFD La lettura locale è a 14 bit, l’informazione digitizzata su ciscuna è raccolta/gestita da una scheda CONTROLLER che provvede a raccogliere tutta l’informazione digitizzata sul MonCRATE dalle singole AMeter e si interfaccia con il DAQ tramite protocollo TCP/IP C O N T R L E 6 2 1 12 DAQ TCP/IP AMeter

AMeter Board CONTROLLER Scheda Monitoring spedisce segnale a WFD, modo commune +/- 0.5 V su 1.9 V. Trigger: passa trigger del LASER/Monitoring al WFD/DAQ Trasferisce Trigger asincrono (Am) a uTCA /WFD Apre finestra digitizzazione al WFD. Digitizza segnali di Monitoring a 14 bit e spedisce al CONTROLLER il quale invia al DAQ tramite protocollo TCP/IP su fibra. Digitizzazione iniziata dal segnale del Laser Control (Start) opportunamente temporizzato (delay programmabile) Autocalibra ogni canale di elettronica Check stabilità di elettronica: dati a SLOW Control CONTROLLER

Test Elettronica FE per Monitoring

Formazione veloce impulsatore Agilent 33250 MCA Canberra multiportII Oscilloscopio Tek 3054 La scheda è dotata di due uscite, una è l’uscita del pulse shaper (connettore NIM); l’altra è un duplicato del pulse shaper inviato ad un amplificatore programmabile (connettore SMA). Scheda di test g-2PRE-v2+PS (montaggio segnale veloce) : Uscita preamplificatore 20ns rise time, sensibilità 800mV/pC, segnale uscita pulse shaper (PS) 600ns width sensibilità 475mV/pC, segnale uscita amplificatore guadagno variabile (PGA code 111 sensibilità 950mV/pC) La scheda è alimentata +12V (assorbe 37mA) e -12V (assorbe 28mA)

il segnale (mV) è stato fornito tramite capacita di 1pF sull’ingresso del preamplificatore (CSP), cui sarà poi collegato il Pin Diode. A sx: RMS (bit) del segnale in ingresso (Agilent 33250), all’uscita dello Shaper, all’uscita dell’Amplificatore a GV e rumore dell’elettronica verso Ampiezza Segnale d’ingresso; A dx: RMS (bit) del segnale all’uscita dell’Amplificatore a GV e rumore dell’elettronica verso Amplificazione per tre tensioni (250, 350 e 450 mV) Il rumore della scheda è stato stimato assumendo combinazione puramente casuale (quadratica) dei contributi. Sulla scala verticale (a dx del plot) è riportata la risoluzione intrinseca dell’elettronica assumendo di lavorare a circa 10000 conteggi.

Formazione lenta

Conclusioni Considerato che il rumore misurato in uscita dal CSP è praticamente lo stesso misurato in uscita dallo Shaper, ciò implica una forte dipendenza del rumore dal tempo di salita della formazione. Rumore dell’elettronica inferiore a 1 bit nel caso della formazione lenta (30 ns r.t.), mentre sale a meno di 2 bit con la formazione veloce (20 ns r.t). Poco dipendente dalla lunghezza della formazione. All’uscita dello stadio di Amplificazione, per amplificazioni inferiori a 5 il rumore è inferiore a 2 bit per la formazione a 20 ns, e a 1 bit per la formazione con rise time di 30 ns. I dati supportano una risoluzione intrinseca dell’elettronica di circa il 0.05 %.

Test Stand: Laser 375 nm, 1012 g/pulse, rate: 1 Hz -8 kHz

Laser and PIN signals Vmax T0 TPIN

Laser

PIN

Baseline Laser

TPIN-T0Laser sDT0 / DT0 < 1. 10-3 P1/<DT0>= 0.5 10-4 /h

Vmax-Vbaseline (PIN) sVmax /Vmax < 1. 10-3 P1/<Vmax>= 1. 10-4

VMaxFit-Vbaseline (PIN) sVmax /Vmax < 1. 10-3 P1/<Vmax>= 1.4 10-5

Conclusioni Fondamentale controllare Temperatura al meglio di 0.1 °C L’elettronica testata mostra una risoluzione migliore di 10-3 sul singolo impulso ed una stabilità migliore di 10-4/h sulla misura del segnale. Anche la temporizzazione dei segnali mostra stessi valori di risoluzione istantanea (< 10-3) e di stabilità nel tempo (< 10-4/h)