Elettronica/1

Segnali dai rivelatori ed elettronica
associata
1 Rivelatori visuali ed elettronici
2 I segnali dai rivelatori: caratteristiche
3 Come trasportarli
4 Come visualizzarli
I primi rivelatori di particelle erano
basati sulla visualizzazione delle
tracce delle particelle, ad esempio in
pellicole fotografiche.
Traccia lasciata da un nucleo
di Uranio in una emulsione
nucleare
Oppure in rivelatori
(camere a nebbia) capaci
di visualizzare il percorso
della particella
Un altro dispositivo per
visualizzare le tracce delle
particelle: la camera a bolle
Camera a
bolle
Gargamelle,
CERN, 1970
L’analisi di queste
tracce richiedeva in
genere un lungo
lavoro manuale…
I rivelatori più recenti producono un segnale
elettrico di varia natura, che fornisce informazioni
sul tipo di particella, sull’energia, sul tempo di
arrivo,…
Esso necessita di una opportuna elettronica
Un esempio di rivelatore a gas
multifili: il segnale presente sul filo
o sui fili interessati permette di
ricavare la posizione
In un tipico esperimento di fisica questi
segnali sono trasportati da cavi elettrici di
varia natura…
Più il rivelatore è complesso, più cavi ci
sono!
Un singolo
contatore Geiger
e il suo cavo
Un intrico di cavi
in uno dei
sottorivelatori
dell’esperimento
ATLAS al CERN
Il passaggio di
questi cavi (cabling)
richiede spesso doti
di acrobazia…
In un grande
esperimento a LHC la
lunghezza totale dei
cavi richiesti può
anche essere di 3000
km!
Ma cosa viene trasportato in questi
cavi?
Alte e basse tensioni (cavi alimentazione)
Segnali di varia natura dai rivelatori
Segnali di controllo per le apparecchiature
Ma cosa viene trasportato in questi cavi?
Ci concentreremo su
Segnali di varia natura dai rivelatori
Segnali impulsivi
Per estrarre l’informazione dai rivelatori è necessario che il segnale
sia processato da un sistema elettronico, allo scopo di:
Distinguere segnali di tipo differente
Estrarre l’informazione sull’energia
Estrarre l’informazione temporale
In fisica nucleare l’informazione è tipicamente sotto forma di segnali
impulsivi, in corrente o tensione, e l’informazione è legata ad una o
più caratteristiche del segnale, ad esempio l’ampiezza, la polarità, la
forma del segnale, il tempo al quale si osserva un dato segnale,…
Terminologia
Baseline
Livello al quale il segnale tende
asintoticamente
Ampiezza ( o pulse height)
Dalla baseline al suo massimo
Larghezza (Width)
Larghezza a metà altezza (FWHM)
Leading edge
Fronte iniziale del segnale
Falling (trailing) edge
Fronte finale del segnale
Rise time
Tempo per passare dal 10% al 90% della
sua ampiezza
Fall time
Tempo per decadere dal 90% al 10% della
sua ampiezza
Possibili distorsioni di
un segnale
Terminologia/2
I segnali possono essere unipolari o bipolari
Unipolari: un solo lobo
Bipolari: attraversano la baseline
Analogici: l’informazione è codificata in modo continuo in una
caratteristica del segnale (ampiezza, forma), proporzionale al valore
dell’informazione (ad esempio l’energia)
Digitali: i segnali hanno solo un numero discreto di stati (tipicamente 0 e
1), codificati in qualche modo. Anche se trasportano meno informazione
rispetto ad un segnale analogico, sono più affidabili in quanto è più
difficile che l’informazione sia deteriorata
Segnali lenti e veloci
Distinzione tra segnali veloci e lenti:
Veloci: tempi di salita di alcuni nanosecondi o meno
Lenti: tempi di salita di ~100 ns o più (microsecondi)
I segnali veloci si usano nelle applicazione di timing e ad alte
frequenze di conteggio
I segnali lenti si usano in spettroscopia essendo più immuni al
rumore
I segnali veloci sono più facilmente distorti da piccole componenti
capacitive, induttive e resistive parassite presenti nei circuiti e
nelle loro interconnessioni
Inoltre i segnali veloci possono essere distorti dalle riflessioni
nelle interconnessioni, perché questi segnali hanno durate
paragonabili ai tempi di transito
Banda passante
Finora abbiamo guardato i segnali nel tempo. E’ importante però, in
elettronica nucleare, considerare i segnali in termini di componenti
spettrali
La trasformata di Fourier ci dice che ogni segnale f(t) puo’ essere
decomposto in una sovrapposizione di segnali sinusoidali puri
1
f (t ) =
2π
+∞
∫ g (ω ) exp( iωt )dω
−∞
dove g(ω) e’ la trasformata di Fourier di f(t). Invertendo si ha
1
g (ω ) =
2π
+∞
∫ f (t ) exp( −iωt )dt
−∞
Banda passante/2
Curva di risposta tipica di un sistema:
l’intervallo di frequenze delimitato dai punti in
cui la risposta scende a -3 dB è chiamata banda
passante del sistema
dB = decimo di Bel
1 dB = 10 log10 V1/V2
3 dB equivale a dire
10 log10 V1/V2 = 3
log10 V1/V2 = 0.3
V1/V2 = 10 0.3 = 1.995 (circa 2)
Effetto della banda passante
Trasformata di Fourier g(ω) di un impulso rettangolare f(t)
trasformazione inversa limitando il range di integrazione fino ad
una certa frequenza di taglio ∆f
Effetto della banda passante/2
Una minima banda passante ∆f
approssimazione dell’impulso
≥ 1/T è necessaria per fornire una ragionevole
Esempio: per trattare impulsi da 5 ns -> bande passanti almeno di 200 MHz
La tipica elettronica nucleare ha bande passanti dell’ordine di 500 MHz
Non è facile avere sistemi con bande passanti di 500 MHz!
Un esempio di segnale veloce
Un esempio di segnale lento
Come passare da
segnali analogici a
segnali logici
Segnali analogici e
digitali
segnale analogico
segnale digitale (NIM o ECL)
discriminatore
logica
soglia
Standard segnali digitali
TTL
08/03/15
1
2-5 V
0
0
0V
1
ECL
NIM
-0.90 V 0 V
-1.75 V -0.8 V
28
Segnali logici NIM, TTL ed 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.
Convertitori logici NIM-TTL-ECL
08/03/15
State 0 State 1
NIM
0.0
-0.8
TTL
0-0.8
2-5
ECL
-0.9
-1.75
Logica ECL: impedenza
d’ingresso, meno
sensibile al rumore,
possibile utilizzo di cavi
meno costosi
(twisted-pair) e
ingombranti, cavi piatti.
29
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”.
T ~ 1ns = 10-9 sec ν= 1/T = 109 Hz
Interesse pratico nel range 0-100MHz
08/03/15
30
Cavi coassiali
guaina
schermo
dielettrico
conduttore
 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
08/03/15
materiale
plastico
31
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 (per confronto: velocità luce= 30 cm/ns, circa
3.3 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 (50
Ohm)
08/03/15
Tipo
Ritardo
ns/m
Diametro
cm
Capacità
pF/m
RG 58
5.14
0.307
93.5
RG 174
5.14
0.152
98.4
32
Riflessione
Coefficiente di riflessione di segnale in un
cavo
Z − Z0
ρ=
Z + Z0
Z0 impedenza del cavo, Z impedenza del carico esterno
Impedenza esterna zero (corto circuito): ρ=-1, cioè
riflessione uguale ed opposta al segnale.
Impedenze uguali (Z=Z0): ρ=0, caso ottimale, nessuna
riflessione
08/03/15
33
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.
08/03/15
34
Come fare dei semplici calcoli relativi all’utilizzo di
cavi coassiali:
Esempio: Uso di nomogrammi per valutare la
relazione tra lunghezza-attenuazione-frequenza
In alternativa, siti Web on-line per eseguire il calcolo
http://www.ocarc.ca/coax.htm
(da verificare…)
Esempio di
nomogramma
per valutare
l’attenuazione
di onde e.m.
Attenuazione cavi
dB / 100 m
Tipo cavo
RG 58A/U
RG 58/U
RG 8/U
RG 8/X
RG 213/U
50 MHz
11.1
10.8
4.1
8.7
5.6
100 MHz
15.6
15.6
6.3
12.8
7.6
200 MHz
22.3
23.6
9.4
18.8
11.1
400 MHz
31.3
35
14.6
27.8
16.3
700 MHz
41.7
48.7
20.2
38.6
24
900 MHz
48
55.7
23.3
44.5
27.8
Formula di calcolo attenuazione:
RL=R*L/100
ALL=RL*SQRT(FA/FR)
R: valore conosciuto della perdita ad una data frequenza (dB/100 m o dB/100 ft)
L: lunghezza del cavo (m o ft)
FR: frequenza alla quale è data la perdita (MHz)
FA: frequenza di lavoro alla quale si vuole calcolare la perdita (MHz)
ALL: perdita totale del cavo a lunghezza L e frequenza FA
Alle estremità dei cavi:… i connettori
Standard per l’elettronica nucleare: BNC, LEMO,… (segnali, cavi a 50
Ohm)
Alta tensione: SHV, MHV,…
Tipologia di connettori: maschio, femmina, T, I, adattatori a 50 Ohm,
adattatori BNC/LEMO e viceversa,…
Che cosa è un connettore
BNC?
Più propriamente conosciuto come connettore Bayonet
Neill-Concelman, il BNC è uno dei più diffusi connettori
presenti oggi sul mercato.
Eventuali disadattamenti di impedenza
producono distorsioni nei segnali
Distorsione di un
impulso rettangolare
Come visualizzare i segnali: l’oscilloscopio
Possiamo considerare l’oscilloscopio semplicemente come un
voltmetro in grado di mostrare il grafico della tensione in
funzione del tempo
Oggi gli oscilloscopi sono in realtà degli strumenti avanzatissimi,
in grado di fare moltissimi tipi di misure diverse
Esistono vari tipi di oscilloscopi, sia analogici che digitali
Oscilloscopio Analogico
Banda Passante / Tempo di salita
E’ di fondamentale importanza la banda passante
dell’amplificatore di ingresso per fare in modo che l’oscilloscopio
rappresenti il segnale in modo corretto, in particolare per quel
che riguarda il tempo di salita dei segnali
Una formula approssimata è la seguente:
350
tosc =
f3dB [MHz ]
Se ho un segnale con un fronte di salita trise, questo verrà visto
sull’oscilloscopio con un tempo di salita tmeas pari a
2
2
tmeas = trise
+ tosc
Stadio di Input
Come ogni buon voltmetro, l’oscilloscopio ha una alta impedenza di
ingresso, tipicamente 1MΩ, in parallelo con una capacità di qualche
decina di pF
E’ possibile cambiare l’impedenza di ingresso a 50 Ω direttamente
sull’oscilloscopio, per terminare correttamente il cavo che trasporta
il segnale
Lo stadio di ingresso puo’ essere:
DC: accoppiato in continua, modalità normale di funzionamento
AC: viene filtrata la componente in continua
GND: l’ingresso è messo a ground
Un oscilloscopio ha tipicamente tra 2 e 4 ingressi indipendenti
Scala Orizzontale e Verticale
Verticale: permette di regolare a
quanti mV corrisponde una
divisione
Orizzontale: permette la scelta
della base dei tempi
Ritardo: permette di scegliere con
quanto ritardo rispetto al segnale
viene fatta partire la “sweep” – nei
moderni oscilloscopi digitali si può
anche scegliere un ritardo negativo
Trigger
Il trigger definisce la condizione per fare partire la “sweep” (osc.
analogico) o l’acquisizione (osc. digitale)
Sorgente del trigger:
Internal: il riferimento usato è uno dei segnali
External: un canale aggiuntivo usato solo per un segnale di trigger
Condizioni
Slope: trigger su fronte discesa o salita
Level: valore della soglia alla quale scatta il trigger
Modi
Normal: trigger solo se sono verificate le condizioni
Auto: autotrigger (analog) o anche autolevel
Single: un solo campionamento o una sola sweep alla volta
Un esempio di oscilloscopio analogico
Un esempio di oscilloscopio digitale
Analogico vs. Digitale
Accuratezza
A: dipende dalla BW del sistema
D: dipende dalla BW analogica e dalla frequenza di campionamento
Repetition rate
A: idealmente 1/sweep_time; l’intensita’ e’ proporzionale alla freq. di
trigger; grazie alla “memoria” del fosforo molte forme d’onda possono
essere visualizzate assieme!
D: dipende! Nei primi modelli poche forme d’onda/s; nei nuovi (DPO,
digital phosphor) anche 3600/s, e simulazione digitale della memoria
dei fosfori
Singoli eventi
A: praticamente invisibili o quasi
D: se ci sono si vedono (se si riescono a triggerare), ma se sono rari
occorrono alte frequenze di acquisizione (5 GS/s nel TDS3054B)
Analogico vs. Digitale/2
Trigger
A: tradizionalmente solo sul livello
D: trigger avanzato su livelli, combinazioni logiche di segnali, …
…e ancora
A: poco altro
D: storage dei segnali, analisi dei segnali in tempo reali, interfaccia
strumento al computer, …