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Laboratorio di FisicaLaboratorio di FisicaNucleare e SubnucleareNucleare e Subnucleare

Sistemi di acquisizione standard, trasmissione

dei segnali, moduli NIM di uso comune

Dipartimento di Fisica

Anno Accademico 2009/2010

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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 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.

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DAQ: il DAQ: il busbus

Processore

Bus

RAM

I/OVideo USB

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DAQ: Schema di acquisizione VMEDAQ: Schema di acquisizione VME

Processore

Schede VME

Rivelatore (elettronica di front-end)Bus VME

Controllo, dati

Bus locale (PCI)

RAM I/O

Bridge

…

…Controller

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Segnali analogici e Segnali analogici e digitalidigitalisegnale 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

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Trasmissione dei segnaliApparentemente 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

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• 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 un’onda con velocità

Trasmissione dei segnali

€

V =1

LC

dove L e C sono induttanza e capacità per unità di lunghezza del cavo

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Cavo coassiale

guaina dielettricoconduttore

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

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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 e il RG-174/U. Entrambi hanno impedenza caratteristica 50 Ohm.

TipoRitardons/m

Diametro cm

Capacità pF/m

RG 58 5.14 0.307 93.5

RG 174 5.14 0.152 98.4

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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 Z0: lungo la linea V=Z0I

• 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

0

0

ZZ

ZZ

+−

= ρ

0ZI

V 0Z

I

V

r

r

RII

VV

r

r

definendoV

Vrρ si trova

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Riflessione del segnale sui cavi

Possiamo distinguere tre casi:

• R= 0 ρ = -1 il segnale originale viene riflesso completamente ma invertito in polarità

• R=Z0 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

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Divisione di un segnale

Semplice circuiteria passiva per dividere un segnale impulsivo in (due?) parti uguali. Qual’è il valore di R che garantisce assenza di riflessioni e la divisione del segnale per un fattore 2?

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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.

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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)

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Segnali logici NIM, TTL ed ECLState 0 State 1

NIM 0.0 -0.8

TTL 0-0.8 2-5

ECL -0.9 -1.75

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 d’ingresso, meno sensibile al rumore, possibile utilizzo di cavi meno costosi (twisted-pair) e ingombranti, cavi piatti.

2-5 V

0 V

1

0

TTL

-0.90 V

-1.75 V

ECL

0 V

-0.8 V

NIM0

1

Standard segnali digitali

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Crates NIMPrimo 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.

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Elettronica NIM Elettronica NIM

Controller HV

Moduli HV

Crate

alimentazione

modulo

Rivelatoresegnale alimentazione HV

Interfacce (seriale, internet, …)

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Schema “tipico” di una misuraSchema “tipico” di una misura

discriminatore

Segnale analogicoSegnale digitale

... ...

Piano 1

Piano N

ADC contatore CPU

....

VME

NIM

Gatedati su disco

splitter

OR

AND

soglia

…Piano 1 Piano N

...

ritardo

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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.

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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.

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FASTBUSIntrodotto 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”

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Schema acquisizione VME (Versabus Module Europa)Schema acquisizione VME (Versabus Module Europa)

Crate

CPU (+ RAM, bridge, I/O, …)

Rete (intranet, internet)

Schede

alimentazione + bus

Rivelatore

segnali

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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

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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 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.

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ShapersSemplici (!!) 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.

R1

C1 C2

R2

+1

Quando un Vin e’ un gradino di tensione e

1 = R1C1, 2 = R2C2

21

21

1

tt

inout ee

VV

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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.

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DiscriminatoriDanno 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.

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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.

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Discriminatori a doppia soglia.

-

+

-

Input

High-Thr

Low-Thr

Clk

DReset

Q

Delay

Dela

y

Output

-20

-15

-10

-5

0

5

0 5 10 15 20 25 30 35

Time

Inputs

Comparator Outputs

Thresholds

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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.

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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….

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ADC = convertitore analogico-ADC = convertitore analogico-digitaledigitale

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 all’integrale del segnale: es. ampiezza d’impulso o carica totale del segnale.

Il tipo più comune è realizzato con un metodo a rampa.

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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

1/210 = 0.9 mV (0.1%)

Range dinamico

• Intervallo di ampiezze che l’ADC riesce a misurare: per esempio un ADC che misure l’energia di particelle da 1 MeV a 5 GeV ha un range dinamico di 5000.

• Nel caso di sistemi lineari il range dinamico è correlato al numero di bit (e quindi alla risoluzione): nell’esempio precedente occorrono 13 bits!

• Per ottenere grandi intervalli di misura occorre introdurre artificialmente non linearità nel sistema di misura.

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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

-2

0

2

4

6

8

10

12

0 2 4 6 8 10 12

Vin

AD

C c

ou

nt

Non linearità: massima differenza tra il miglior fit lineare e la curva ideale.

0

20

40

60

80

100

120

0 20 40 60 80 100 120

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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 Z0, ai collisionatori adronici).

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Convertitore TDCTDC (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).

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Timing Units

Moduli di utilità con ampio spettro di utilizzo. Ogni modulo consiste in due unità di generatore di impulso (“triggerabile” dall’esterno): 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.

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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.

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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.

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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.

Attenzione alle coincidenze spurie

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Coincidenze spurie

• 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

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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.

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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 all’interno 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

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Soglia

T T1

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50%

T

Discriminatore a frazione costante

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