筑波大学 第一学群 自然学類 物理学専攻 200610370 田中 直斗 指導教官...
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3次元飛跡検出器のためのFlash ADC, FPGAを搭載した高速信号読み出しシステムの試作と評価. 筑波大学 第一学群 自然学類 物理学専攻 200610370 田中 直斗 指導教官 三明 康郎. 2011.2.7 卒業論文発表会. INDEX. ■ Introduction ーIntroduction ー3次元飛跡検出器 ■ 課題 ー高速信号読み出しの必要性 ー信号読み出しシステムの小型化 ■ 回路設計 ー読み出し回路の概念図 ーFlash ADC - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
筑波大学 第一学群自然学類 物理学専攻
200610370 田中 直斗指導教官
三明 康郎
3次元飛跡検出器のための Flash ADC, FPGA を搭載した高速信号読み出しシステ
ムの試作と評価
2011.2.7 卒業論文発表会
INDEX
■Introduction ー Introduction
ー 3 次元飛跡検出器
■ 課題 ー高速信号読み出しの必要性 ー信号読み出しシステムの小型化
■ 回路設計ー読み出し回路の概念図 ー Flash ADC ー FPGA ー読み出し回路の構成 ー FPGA 内部のプログラム ー設計から製作・実験まで
■ 製作基板ープロトタイプの製作 ー実験結果① ー実験結果② ー製作中のプリント基板
■ 今後の展望
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粒子密度が高い環境で、情報を失うことなく、検出器の信号を読み出す信号読み出し回路が重要である。
3次元飛跡検出器の信号を読み出し、 PC で解析できる信号読み出しシステムの開発を目的とする
高エネルギー原子核衝突実験Pb-Pb 衝突で生成された粒子の飛跡
Introduction
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http://blogs.uslhc.us/tag/heavy-ion-physics
3 次元飛跡検出器
35cm
35cm
35cm
入射窓
20cm
TPC(Time Projection Chamber)
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課題① ( 高速信号読み出しの必要性 )
TPC (Time Projection Chamber) のしくみ
2μs
TPC の波形
粒子の多重度が高い!
■ 高速でサンプリングしデジタル変換■ システムの不感時間を短くする
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課題②(読み出しシステムの小型化)
PC
CAMAC
読み出し回路
PreAMPTPC
信号読み出し部分
既存のシステムは複雑・大規模
信号読み出し部分を一つの基板に搭載!
6
Dela
y
検出器検出器 ADCADC FPGAFPGA PCPC
読み出し回路の概念図
名称 AD9283BRS-80
分解能 8bit
サンプリング 80MSPS
ADC 変換時間 [sec]
Flash 型 1p 〜 100n ■ 高速な信号の制御・伝達■ 情報を持ったデータのみを選ぶ
名称 EP1C6T144C6
LEs 5980
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Flash ADC の仕様FPGA の仕様
■TPC の信号を高速にサンプリング
http://www.altera.co.jp/
読み出し回路の構成
アナログ入力信号アナログ入力信号
PCPC
保護回路保護回路 Flash ADCFlash ADC
FPGAFPGA USB I/FUSB I/F
CLOCKCLOCK
JTAGJTAG
電源回路電源回路
● 保護回路:外部からの電圧から IC を守る● 電源回路:各 IC に電圧を供給する●JTAG : FPGA にプログラムを書き込むポート●CLOCK :動作のタイミングを作る●USB I/F :信号を USB で読み取れる規格にする
機能
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設計から製作・実験まで
仕様決定・ Parts select
手書き回路図の作成
OrCAD Capture
OrCAD Layout
基板加工機で加工
ハンダ付け
動作確認
実験
手書き回路図
OrCAD による回路図
プリント基板設計図
ハンダ付け
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製作基板 ( プロトタイプ)
逐次比較型 ADC 搭載プロトタイプ
CLOCK
JTAG
データ用LED×8
電源回路
CPLD
逐次比較型ADC
RS232C
ADC の入力を変化させる
可変抵抗Analog 入力 0 〜 5V
Digital 出力8bit : 0000_0000
8bit : 1111_1111
〜
シリアルデータ送信
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実験結果①( AD 変換の表示)
QuickTime˛ Ç∆Photo - JPEG êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ
ǙDZÇÃÉsÉNÉ`ÉÉÇ å©ÇÈÇΩÇflÇ…ÇÕïKóvÇ≈Ç∑ÅB
LSB1bit2bit3bit4bit5bit6bitMSB
LED 配置
Analog 入力 0 〜 5V
Analog 入力を連続で4 回 AD 変換し、平均をデータ LED に表示する
データ用 LED に8bit : 0000_00008bit : 1111_1111
が表示できた
AD 変換したデータを LED に出力できているか
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実験結果②(シリアル送信)
1111110101001001
LED : ON = 1LED : OFF = 0
データ LED の表示
10100100 10100100RS232C 出力
RS232C 規格HIGH : 0LOW : 1
ADCADC
CPLDCPLD
データデータ LEDLED RS232CRS232C
RS232C に出力できている
か
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JTAG ポート
JTAG ポート
Flash ADCFlash ADCFlash ADCFlash ADCFlash ADCFlash ADCFlash ADCFlash ADC FPGA
電源回路電源回路電源回路
USB I/F
水晶振動子
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制作中のプリント基板
今後の展望
■ 現在製作途中である読み出し回路の完成 ー基板の製作・動作確認
■ 読み出し用のソフトウェアの開発 ー読み出した信号のグラフ化・データ保存
■ 製作した読み出し回路の性能評価 ー制作した読み出し回路・ソフトウェアを用いての解析
■TPC を用いての 3 次元飛跡検出
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ご清聴ありがとうございました
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BACK UP
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FPGA
St = 2
RESET
St = 1
StSt 状態状態
11 ・荷電粒子が入射していない
22・荷電粒子が入射・データをメモリ③に移動
33・データをメモリ③から PCへ転送・メモリ①には新しいデータを保存
44・ PCへ転送中に粒子が入射・メモリ②のみにデータを保存
粒子が入射
粒子が入射
Repeat
Repeat
転送終了転送終了
St = 4
FPGA 内部プログラム
St = 3
St = 3
①① ②② ③③
FPGA 内部のメモリ構成
AD 変換したデータを一時的に保存
AD 変換したデータを一時的に保存
メモリ③に移動終了
St = 1
位置情報が入ったデータを保存
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実験結果③( AD 変換の表示)
LED の表示を十進数に変換したもの
アナ
ログ
入力
電圧
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20mV
マイコンと FPGA
FPGAハードウェアである回路を処理に合わせて構成するため、リアルタイム性が必要な機能は並列化して高速化、速度が遅くて良い機能は回路を兼用して小さくするなど独自の特徴を出すことができる
FPGA は、1サイクル内に複数の処理ができるのでスループットが高い
マイコン マイコンは、細分化された機能の処理順番をソフトウェアで制御する
『命令数が少ない=専用回路数が少ない』ので、コンパイルすると1つの命令をマイコン用の小さな機能に分散させて処理します
http://www.marutsu.co.jp/
ハードウェア処理
ソフトウェア処理
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マイコンFPGA
波高弁別器による遅延時間
TPC を使った実験のセットアップ
波高弁別器ごとの遅延時間
module 遅延時間 [ns]
PMT 10~15
ディスクリミネータ 10
コインシデンス 10
同軸ケーブル 5[/m]
合計 35~70
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FPGA 内部プログラム
USB BlasterJTAG ポート
PC
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ハードウェア言語Verilog-HDL で記述
開発ツール QuartusⅡ
Error, Warning などメッセージの表示
CLOCK の波形 ( 分周 CLOCK)
水晶振動子のパルス (48MHz)
約 40ns ≒ 24MHz
20[ns]
搭載した CLOCK( 水晶振動子 )
分周 CLOCK(500KHz)
QuickTime˛ Ç∆ÉtÉHÉg - JPEG êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ
ǙDZÇÃÉsÉNÉ`ÉÉÇ å©ÇÈÇΩÇflÇ…ÇÕïKóvÇ≈Ç∑ÅB
400[ns]2μs ≒ 500kHz
CPLDCPLD
500kHz の CLOCK を作るようにプログラム 23