Stato Elettronica G-2 Italia
M. Iacovacci, Napoli
Roma, 7 Maggio 2014
•Elettronica per Controllo Laser
•Elettronica di Monitoring
•Slow Control
Controllo Laser
La scheda dovrà pilotare il laser nelle tre modalità di
funzionamento previste:
DAQ
Control
board
n
Laser
1)
generazione di impulsi temporalmente equispaziati (10
kHz) nella finestra di 700 micros;
2)
generazione di impulsi di ampiezza variabile in un range
dinamico di 3-4, a scopo di calibrazione dei SiPM;
3)
generazione di impulsi temporalmente distribuiti
secondo un esponenziale (tau=64 micros) per
riprodurre le condizioni di presa dati, ma anche per
monitorare il guadagno dei singoli canali durante la
presa dati e quindi stimarne la stabilità a breve.etc…
Ethernet
CAL
Splitter
m
n’
Monitor
.. Due possibili approcci:
(1)ML507 VIRTEX5
(2)FPGA with a mcontroller (CUSTOM)
FPGA
CPU
Ethernet
Decouplers
IN/OUT
Control
Lo schema di massima della soluzione CUSTOM contempla :
1)una sezione di IN/OUT con adattamento dei segnali e sincronizzazione;
2)una FGPGA la quale fornisce segnali secondo programmazione;
3)una sezione che contiene una CPU/microcontrollore in grado di pilotare l’FPGA;
4)una sezione che permette il dialogo con il mondo esterno (porta Ethernet);
5)una sezione di disaccoppiamento con il laser, che eviti le pesanti interferenze
che altrimenti la generazione del segnale laser determina sulla stessa scheda di
controllo.
VIRTEX5…implementazione mod1
Dato un segnale di END_OF_ FILL viene generata una sequenza di impulsi
equispaziati (100 micros) nella finestra dei 700 micros. All’occorrenza di un
nuovo END_OF_ FILL, la sequenza degli impulsi trasla temporalmente di 5
micros rispetto al t0 rappresentato dal segnale di END_OF_ FILL, per modo che
dopo 20 ripetizioni tutta la finestra dei 700 micros sarà riempita con segnali
equidistanziati di 5 micros. Un Trigger Count (n-bit Reg) tiene memoria di
quanti sequenze sono state generate. Il riempimento della finestra dei 700
micros riparte quindi ciclicamente.
VIRTEX5: modalità 1
Blocchi Logici
La Generazione della sequenza richiede in entrata un ENABLE da parte della
DAQ_LOGIC, la lettura della Trigger Frequency da un registro di configurazione, la
definizione di una maschera di trigger dalla LASER_logic e la modalità di run
(Run_Mode) dalla Logic Control Unit.
Il blocco della DAQ_LOGIC accetta in entrata i segnali di Fill, End_Of_Fill dal DAQ in
Run_Mode; i segnali di Fill, End_Of_Fill da Simulation in DIAG_Mode; il DAQ_Status
e la Mask_trigger_ da LASER_LOGIC. In uscita fornisce un segnale di Ready al DAQ
e un segnale di ENABLE per la generazione della sequenza.
Il blocco di Laser Logic accetta in entrata un segnale di Warning/Emergency da Laser,
un segnale di Ackowledgement dello Start dal Laser, un segnale Trigger pulse da
Trigger Gen. Esso fornisce in uscita lo START al Laser, la Mask_trigger a Trigger_Gen
e il DAQ_Logic Status_Register alla Logic Control Unit.
La Logic Control Unit rappresenta il cuore del sistema. Essa decodifica l’Istruzione (da
uBlaze) , imposta la Trigger Freq. e memozizza il registro, imposta la modalita' di
RUN (RunMODE/DiagMODE) una volta configurati tutti i Reg. Legge a richiesta i
Registri e li mette sulla porta verso uBlaze, legge la Trigger Freq. , il Trigger Count
ed il Laser Status. A bilita/Disabilita Monitoring della scheda stessa, ne legge registri.
Sistema VIRTEX5
Sistema di controllo laser tramite VIRTEX5. La sequenza di trigger e’
visualizzata all’oscilloscopio.
VIRTEX5: Results(1)
Generazione dei segnali a 1 micros
Time jitter del segnale di trigger: traccia
in basso in persistenza Dt< 1 ns
Riempimento della finestra dei 700 micros
VIRTEX5: Results(2)
Lettura del registro di trigger
Nel riquadro in alto l’andamento della
temperatura della scheda nel tempo.
VIRTEX…lavori in corso…
simulazione di una configurazione che genera sei impulsi con fronti di salita equidistanti e di ampiezza crescente di 2
ns, partendo da un'ampiezza minima di 2 ns.
Naturalmente gli impulsi sono tra loro molto ravvicinati per l'applicazione, ma sono generati in questo modo solo a
scopo dimostrativo.
La scarsa qualità degli impulsi dipende dall'accoppiamento non appropriato dei segnali LVDS della kintex con
l'oscilloscopio.
Soluzione CUSTOM
SISTEMA Custom già sviluppato in una sua versione a Napoli ( prof N Spinelli) .
Questo sistema assume fondamentalmente:
un LASER complesso, che deve essere pilotato tramite impostazione e controllo dei parametri di funzionamento;
una temporizzazione al ns tra i segnali che entrano ed escono dal sistema LASER e che si possono riassumere in
a) inizio della acquisizione (Advance), b) impulsi di cntrollo (Low Jitter Pulse), c) impulsi di uscita (Out-Pulse)
Questo sistema andrebbe adattato alle esigenze dell’esperimento G-2.
L’utilizzo di questa soluzione dipende dalla scelta e dalla complessità del laser , nonché dalla effettiva necessità
di una temporizzazione spinta.
Conclusioni (ControlloLaser)
La soluzione VIRTEX è operativa nella sua versione
fondamentale (modalità 1), nel frattempo si lavorerà
alla implementazione delle altre modalità di
funzionamento.
La scelta di un laser complesso e la necessità di una
temporizzazione molto spinta potrebbero invece
implicare la soluzione CUSTOM come praticabile, al
costo di un qualche lavoro di adattamento.
.. Ad oggi VIRTEX ok, soluzione baseline.
Elettronica di Monitoring:
Scheda custom charge integrator
Rivelatore candidato, Diodo PIN
Accuratezza di misura dell'ordine del ‰
Risoluzione del campionatore 16Bit
Stabilità a lungo termine, meglio del ‰
Rate previsto del LASER 100Khz
Preamplificatore in carica, sensibilità >= 100mV/pC
Banda passante del preamplificatore, 200Mhz
Dinamica del campionatore +/- 2V
Campionatore ultraveloce a 16 Bit
Processore ARM-M3
Protocollo di comunicazione previsto con l'utente, ETHERNET
Trasferimento completo dei Dati su pagina Web e Slow Control
Compensazione automatica della temperatura accuratezza 0.10C
…
Cx
(C)
Rx
+
+
PIN
-
10xR
Rx
Rx
ADC_16Bit
SW2
10Ms/sec
DIODE
AD7626
-
SW1
+
Timing
CHARGE-AMPLIFIER
START
Internal Trigger
INTERRUPTED
+
Translator
LVDS To S_Level
(B)
Cx
CPU_ARM
1
2
External Trigger
(A)
Reference Pulse
CALIBRATOR
DAC
16Bit
Reverse Voltage
Control
I segnali di uscita del ADC , in LVDS,
dopo essere stati adattati in livello,
vengono inviati alla CPU ARM, che ne
ETHERNET
fa la lettura
La CPU-ARM esegue la sincronizzazione
con il segnale di trigger e controlla le
operazioni di test e calibrazione
tramite bus Ethernet.
SW3
High Stability
Il preamplificatore di carica, richiede
un circuito di temporizzazione, per la
scarica del condensatore di accumulo.
ETHERNET RING
-
il Pin Diode e’seguito da un
preamplificatore di carica, necessario
per lo storage della carica dell’evento e
da un sistema di feedback controllato
da due switch necessari per il reset
dell’integratore alla fine della lettura
dell’ADC.
I2C-Control
SPI- Control
PIN-DIODE
Temperature Control
SPI- Control
Il blocco di calibrazione, all'ingresso del
preamplificatore fornisce un impulso di
carica noto, programmato con un DAC
a 16 bit
Il blocco di controllo tensione, fornisce
una tensione di polarizzazione stabile
al Si-Pin. Il blocco di controllo della
temperatura mantiene stabile la
temperatura di funzionamento della
scheda di front-end. Tutti i registri di
controllo sono visibili sul nodo
Ethernet.
(A)-TRIGGER
(B)-GATE-Timing
(C)-EVENT
(D)-OUT-CHARGE
300ns
400ns
500ns
600ns 700ns
800ns
Preamplificatore di carica con Reset.
schema elettrico del Preamplificatore di carica con Reset.
scheda di front-end di TEST
schema generale della scheda di front-end che abbiamo in TEST
Layout 3D
Layout 3D tramite editore CADENCE
Soluzione di Backup
•
Sistema basato su due componenti
commerciali che svolgono la funzione
di preamplificazione (CR-11X, X=0-3)
e di shaping (CR-200).
•
Il primo è un “charge sensitive
preamplifier” a basso rumore, il cui
guadagno va da 1.3 mV/pC (CR-113)
fino ad un massimo di 1.4 volts/pC
(CR-110). La figura 7.2 riporta alcune
caratteristiche del modulo.
•
Il secondo è un modulo “Gaussian
shaping amplifier”, che accetta un
impulso di ingresso a gradino e fornisce
in uscita un impulso di forma gaussiana,
filtrando gran parte del rumore del
segnale di ingresso. Il modulo è
disponibile con 9 differenti tempi di
shaping, da 25 ns a 8 ms. La figura 7.3
riporta alcune caratteristiche del
modulo.
Scheda Alimentazione Fotodiodo e
modulo CR-110
scheda per il collegamento del
fotodiodo al modulo CR-110. Nel
caso fornisce la tensione di bias al
fotodiodo, di valore regolabile
tramite un partitore resistivo posto
all’uscita del regolatore di tensione.
Inoltre, è possibile collegare il
fotodiodo sia in configurazione DC
che in configurazione AC.
La figura riporta lo schema della
prima scheda, l’implementazione
CAD e la foto del primo prototipo.
Su suggerimento dei datasheet del
modulo CR-110 è stato scelto un
regolatore di tensione a basso
rumore (LT1761, 20 mVRMS),
150
Integral PD1 output (mVolt ns)
100
50
0
Integral PD1
Integral PD1
-20
1000
-40
2000
PD4
PD4
PD4
-80
4000
-100
5000
50
100
200
(b)
-1
-2
-3
-4
Integral PD3 output (mVolt ns)
PD2
PD2 smooth10
PD3
PD3 smooth10
(b)
0
0
PD4
5
-20
10
-40
15
-60
-80
20
Integral PD3
-100
25
-5
0
0
50
100
150
Time (ns)
(C)
-20
Fig 7.6: Confronto tra
integrali numerici dei segnali
ottenuti dal fotodiodo PD1
(a) o PD3 (b) con i segnali
ottenuti dal fotodiodo PD4
ed amplificati dalla scheda
elettronica equipaggiata con
il modulo CR-110.
-40
-60
-80
-100
0
20
40
60
Time (ns)
80
100
120
PD4 output (mVolt)
PD output (mVolt)
150
Time (ns)
0
PD4 output (mVolt)
-60
3000
0
Test preliminare scheda con
CR-110: tre impulsi laser
consecutivi. (a) PD1
fotodiodo sul fascio del
beam splitter; (b) PD2
fotodiodo all’uscita della
fibra ottica e PD3 fotodiodo
all’uscita della fibra ottica
con scheda di amplificazione
veloce Femto; (c) PD4 con
scheda preamplificatore di
carica CR-110.
0
(a)
Integral PD1
0
PD4 output (mVolt)
PD1 output (mVolt)
(b)
II scheda (in progress)
•
La seconda scheda è costituita da un filtro bassa banda passivo all’ingresso (1 kHz – 10 MHz), un primo stadio di
amplificazione basato su amplificatore operazionale retroazionato, a seguire il modulo CR-200 ed infine un buffer di uscita.
Anche in questo caso sono stati utilizzati regolatori di tensione a basso rumore (LT1761 e LT1964 per la tensione negativa).
Inoltre, per realizzare lo stadio di amplificazione è stato selezionato un amplificatore operazionale (LMH6624) con una grande
banda passante (1.5 GHz), bassissimo rumore di ingresso (0.92 nV/Hz1/2, 2.3 pA/Hz1/2) e bassissimi errori in dc (100μV di VOS,
derive termiche di ± 0.1 μV/°C).
Schema della seconda scheda elettronica con il CR-200 e la sua implementazione su CAD (attività in corso).
Conclusioni (FE)
•
Ad oggi il progetto del Front-End e’stato completato,
cosi’come il layout.
•
La scheda e’ in fase di montaggio nella sua versione
priva del blocco di gestione (ARM3) e di calibrazione
(DAC). Sara’ testata a meta’ Maggio e verosimilmente
pronta per il Test Beam di Luglio a SLAC.
•
La soluzione di backup vede la prima delle due
schede realizzata in prototipo e testata nelle
performance, sebbene in modo semplice, mentre della
seconda scheda non è ancora stata
completatal’implementazione su CAD.
Slow Control: MIDAS System
picture shows a running MSCB system with the
submaster at the left side and a couple of
nodes:
typical layout of the MSCB and a generic node layout
A first prototype
Work is going on to arrive to 1% stablity within next couple months
