Laboratorio di Fisica Nucleare e Subnucleare Dipartimento di Fisica Anno Accademico 2002/2003 Laboratorio di Fisica Nucleare e Subnucleare Sistemi di acquisizione standard, trasmissione dei segnali, moduli NIM di uso comune 2/18/2019

Sistemi di acquisizione dati controllati da calcolatori: necessità dettata dalla quantità e complessità dei dati prodotti nei moderni esperimenti. Molteplici vantaggi: monitoraggio dell’apparato, calibrazione, ricostruzione on-line e analisi preliminare dei dati grezzi. Strumento  interfacciamento 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. 2/18/2019

DAQ: il bus RAM Bus Processore Video USB I/O 2/18/2019

DAQ: Schema di acquisizione VME RAM I/O … Processore Bus locale (PCI) Bridge Schede VME … Controller Rivelatore (elettronica di front-end) Bus VME Controllo, dati 2/18/2019

Elettronica NIM, alta tensione (HV), … modulo Crate Moduli HV alimentazione segnale alimentazione HV Rivelatore Controller HV 2/18/2019 Interfacce (seriale, internet, …)

Schema generale del DAQ Segnale analogico Schema generale del DAQ Segnale digitale Piano 1 … Piano N VME ritardo ADC contatore CPU ... splitter NIM discriminatore OR .... Piano 1 Gate soglia AND ... ... Piano N dati su disco 2/18/2019

CAMAC (Computer Automated Measurement And Control) Standard relativamente “vecchio”, introdotto in europa nel 1969. Sistema modulare. Meccanicamente consiste di un “crate” 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. 2/18/2019

Tre tipi di linee nel dataway: alimentazione (±6 V,±24 V), linee TTL per trasferimento dati e controllo, linee punto a punto che consentono l’indirizzamento 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. 2/18/2019

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 all’interno 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” 2/18/2019

Schema acquisizione VME alimentazione + bus CPU (+ RAM, bridge, I/O, …) Crate Schede segnali Rivelatore Rete (intranet, internet) 2/18/2019

Moduli e Crate 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. 2/18/2019

Segnali logici NIM, TTL ed ECL State 0 State 1 NIM 0.0 -0.8 TTL 0-0.8 2-5 ECL -0.9 -1.75 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 d’ingresso, meno sensibile al rumore, possibile utilizzo di cavi meno costosi (twisted-pair) e ingombranti, cavi piatti. Convertitori logici NIM-TTL-ECL 2/18/2019

Segnali analogici e digitali segnale analogico segnale digitale (NIM o ECL) soglia discriminatore logica Standard segnali digitali TTL ECL NIM 1 2-5 V -0.90 V 0 V 0 V 1 -1.75 V -0.8 V 2/18/2019

Trasmissione dei segnali Apparentemente banale. Trasferimento di un’informazione, analogica o digitale, da un punto ad un altro di un sistema, senza deteriorare la qualità dell’informazione stessa. Un segnale “tipico” contiene praticamente un intervallo di frequenze illimitato  trasmissione di un intervallo illimitato di frequenze, distanze anche dell’ordine di decine di metri. Impossibile. In pratica un limite superiore di 1 GHz è “ragionevole”, anche se in alcun modo “semplice”. T ~ 1ns = 10-9 sec = 1/T = 109 Hz Interesse pratico nel range 0-100MHz 2/18/2019

Cavo coassiale conduttore guaina schermo dielettrico 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 2/18/2019

La presenza del dielettrico (normalmente polietilene o teflon) comporta v<c: il cavo induce ritardo. Per i cavi coassiali normalmente utilizzati in laboratorio il ritardo è di circa 5 ns/m. Larga varietà di cavi sono disponibili sul mercato, con diverse impedenze caratteristiche, coassiali o triassiali. I più utilizzati sono comunque l’RG-58C/U (50 Ohm) e il RG-174/U Tipo Ritardo ns/m Diametro cm Capacità pF/m RG 58 5.14 0.307 93.5 RG 174 0.152 98.4 2/18/2019

Riflessione Coefficiente di riflessione di segnale in un cavo Z0 impedenza del cavo, Z impedenza del carico esterno Impedenza esterna zero (corto circuito): =-1, cioè riflessione uguale ed opposta al segnale. Impedenze uguali (Z=Z0): =0, caso ottimale, nessuna riflessione 2/18/2019

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). In questi casi la terminazione può essere realizzata utilizzando una resistenza (verso massa) esterna. 2/18/2019

Caratteristiche segnale polarità ( negativi e positivi o bipolari) forma (oscilloscopio) livello di base (riferimento per l’ampiezza) ampiezza o altezza tempo di salita TR (velocità segnale) tempo di discesa TF velocità di propagazione larghezza (FWHM) sfasamento temporale (utilizzato per trigger) 2/18/2019

Principali moduli di elettronica Linee di ritardo Fan-in, fan-out Discriminatori ADC TDC TAC Scale Coincidenze Unità logiche Moduli di alta tensione 2/18/2019

Linee di ritardo Semplici moduli per introdurre ritardo tra un segnale in ingresso e l’uscita. Per “piccoli” ritardi (~100 ns) si sfrutta la velocità di propagazione nei cavi coassiali (5 ns/m). Attenzione all’attenuazione del segnale. Ritardi maggiori (micro o milli secondi) non possono essere ottenuti in questo modo. 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”. 2/18/2019

Fan-in e Fan-out Fan-in : moduli attivi in cui l’uscita è la somma analogica dei segnali in ingresso. Possono essere sia lineari che logici. In quest’ultimo caso la somma è l’OR dei segnali d’ingresso. 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. 2/18/2019

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 sull’ampiezza dell’impulso 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. 2/18/2019

Misure temporali tramite discriminatori: La circuiteria (relativamente complessa) che genera il segnale all’interno 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 dall’ampiezza d’impulso 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 dell’ampiezza del segnale, misura del tempo praticamente indipendente dall’ampiezza d’impulso. 2/18/2019

Soglia T T1 2/18/2019

Discriminatore a frazione costante 50% T Discriminatore a frazione costante 2/18/2019

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 l’uscita. 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” dell’ultimo impulso. Risoluzione per doppi impulsi: tempo minimo che intercorre tra i LE di due impulsi successivi. Normalmente dell’ordine di 5, 10 ns. 2/18/2019

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. ADC sensibili al picco o all’integrale del segnale: es. ampiezza d’impulso o carica totale del segnale. Il tipo più comune è realizzato con un metodo a rampa. Curva di Landau, tipica della perdita di energia per ionizzazione con coda ad alti valori di E Piedistallo (integrale del rumore) 2/18/2019

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ADC = convertitore analogico-digitale Segnale analogico Comparatore Encoder + Output digitale - Riferimento Gate Curva di Landau, tipica della perdita di energia per ionizzazione con coda ad alti valori di ΔE Piedistallo (integrale del rumore) 2/18/2019

Calibrazione di un ADC A quanti conteggi di ADC corrisponde il rilascio di una data quantità di energia in uno scintillatore? 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 Z0, ai collisionatori adronici). 2/18/2019

Sensibilità, linearità, FADC............. 2/18/2019

Convertitore TAC Scale TAC : Time to Amplitude Converter. Converte una differenza di tempi in un segnale in ampiezza, questo può essere poi mandato in ingresso ad un ADC per ottenere un valore digitale. Spesso utilizzato (in tempi non molto recenti..!) per misurare in modo semplice differenze di tempo superiori al microsecondo. Modulo NIM Scale 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. 2/18/2019

Convertitore TDC TDC (Time to Digital Converter): un segnale in tempo, normalmente l’intervallo 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). 2/18/2019

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. 2/18/2019

Attenzione alle coincidenze spurie Tempo minimo di presenza simultanea dei segnali in ingresso, normalmente 2 ns. L’intervallo 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. 2/18/2019 Attenzione alle coincidenze spurie

Coincidenze spurie Se T~50 ns, S0~S1~3KHz  Racc~1 Hz S0, Frequenza di conteggio singolo di S0 S1, Frequenza di conteggio singolo si S1 T larghezza dei segnali “discriminati” Frequenza di conteggi spuri Racc~ 2S0S1ΔT Se T~50 ns, S0~S1~3KHz  Racc~1 Hz 2/18/2019

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. 2/18/2019