신호처리와데이터수집장치 Signal Processing & Data Acquisition System 부산대학교물리학과교수유인권 제 7 회핵물리학교, APCTP 06/28/2009 핵물리학교

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국진 마
5 years ago
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1 신호처리와데이터수집장치 Signal Processing & Data Acquisition System 부산대학교물리학과교수유인권 제 7 회핵물리학교, APCTP 1

2 Contents Leo, W.R., Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments, Springer Verlag, 1994 NOTICE ( 주 ) 김상열박사세미나 HIPEx DAQ System by IKYoo, JHKim, KEChoi, CWSon 1. Introduction 2. NIM Standard 3. Signal Transmission 4. Electronics for Signal Processing 5. Pulse Selection 6. Electronic Logic 7. Timing Methods and Systems 8. Data Acquisition System - CAMAC 9. Data Acquisition System - VME 2

3 Introduction Detector System Electric Signals Signal Processing Digital Data Data Acquisition Off-line Data Analysis Physics Analysis Ev / Track Selection Data Reconstruction Central Acquisition Event Builder TDC / QDC Amplifying / Discrimination Time-Of-Flight Tracking Beam On/Off HV / LV system Trigger System 3

4 보편적인핵물리실험 electronics setup 신호의크기를조절하는것이아니라 Charge 를 Vlotage 로변환하는기능을담당한다. ( 우리의 AMP 와는다른것 ) Detestor 에반드시 Voltage Supply 를걸어주어야함 여기서 Logic 은 NIM, TTL, ECL 을통칭함 06/28/2009 핵물리학교 2009

5 Introduction Signal Processing Converter Logic Units Cables Modules BUS System POWER Control RACK Pulse Signal Analog vs. Digital Fast vs. Slow 5

6 2. The NIM Standard NIM bin : Power Supply to each module : -24, -12, -6, -3, 0, +3, +6, +12, +24V 6

7 Logic Signals NIM, TTL, ECL Logic Signals Slow / Fast Logic Signals Positive / Negative Signals Noise immunity / no loss of bandwidth / minimize ground loop Twisted pair cable / flat ribbon cable Converter needed slow pos. NIM fast neg. NIM TTL ECL Yes, 1 +3 ~ +12V -0.7 ~ -0.9V 2 ~ 5V -1.75V No, 0 +1 ~ - 2V ~ V 0 ~ 0.8V -0.9V 7

8 3. Signal Transmission Commonly used Coaxial cables and Characteristics NAME RG-58/U RG-58C/U RG-174/U RG-62/U RG-59/U Z (impedance) 50 Ohm 50 Ohm 93 Ohm Ohm Delay (ns/m) 5.14 / Diameter (cm) / Capacitance (pf/m) Max.op. Voltage (kv) Use Fast Signal Trans. Fast Signal Trans. Slow Signal Trans. HV power BNC Lemo BNC HV Single and double braided, high temperature use etc. 8

9 Coaxial Cable : 3. Signal Transmission two concentric cylindrical conductors signal / ground electromagnetic shielding self-capacitance and inductance ideal lossless cable 9

10 3. Signal Transmission Coaxial Cable : self-capacitance and inductance 10

11 3. Signal Transmission Ideal lossless cable : 11

12 3. Signal Transmission Ideal lossless cable : for an input signal of solution : with signal propagation : delay ~ 5ns/m characteristic impedance : 12

13 3. Signal Transmission Impedance Matching - Z1 < Z2 1/Z1 = 1/R + 1/Z2 R = Z1Z2/(Z2-Z1) - Z1 > Z2 Z1 = Z2 + R R = Z1 - Z2 13

4. Electronics for Pulse Signal Processing Preamplifier (PA) Scaler Amplifier (AMP) Coincidence Units Pulse Shaping Biased Amplifier (BA) Pulse Stretcher (PS) Linear Gate

14 4. Electronics for Pulse Signal Processing Preamplifier (PA) Scaler Amplifier (AMP) Coincidence Units Pulse Shaping Biased Amplifier (BA) Pulse Stretcher (PS) Linear Gate (LG) Delay (DELAY) Discriminator (DISCR.) Single Channel Analyzer (SCA) Analog-to-Digital Converter (ADC) Multichannel Analyzer (MCA) Time-to-Amplitude Converters (TAC) 14

15 4. Electronics for Pulse Signal Processing Preamplifier 15

16 흔히쓰이는두종류의프리엠프 out out 축전지에 Charge가 Full로차고나면, current가저항 Rf로흘러간다. Detector 06/28/2009 에는전압을걸어주기때문에항상축전지가걸려있는것과같다. 핵물리학교 2009

17 4. Electronics for Pulse Signal Processing BA SCA Pulse Stretcher TAC Discriminator COIN 17

18 5. Pulse Height Selection and Coincidence Techniques A Simple Counting System DET PA AMP DISC. SCALER HV A Simple Counting System for pulse height selection DET PA AMP SCA SCALER HV 18

19 5. Pulse Height Selection and Coincidence Techniques Basic Coincidence Technique HV DET PA AMP DISC. DELAY COIN SCAL ER DET PA AMP DISC. DELAY HV IN1 IN2 OUT 19

20 5. Pulse Height Selection and Coincidence Techniques Pulse Shape Discrimination (PSD) 20

21 5. Pulse Height Selection and Coincidence Techniques Pulse Shape Discrimination (PSD) 21

22 6. Electronic Logic for Experiments One-Body Scattering Two-Body Scattering 22

23 Measurement of the Muon Lifetime 6. Electronic Logic for Experiments 23

24 7. Timing Methods and Systems WALK JITTER Zero-crossing Constant fraction Discriminator 24

25 7. Timing Methods and Systems Calibration the Timing System 25

26 흔히쓰이는세종류의 ADC Signal 의최고점에이르는순간 a 부터는신호가끝날때까지일정하게유지함 Siganl 의면적을적분함 ground 와 gate 와의차이값을적분하여나옴 06/28/2009 핵물리학교 2009

27 Data AcQuisition System 데이터수집장치 27

28 Data Acquisition(DAQ) 란? ADC나 TDC등에의해 digitize된신호를버스를통해읽고, 기록여부를판단하여기록장치에기록하는일련의과정을지칭한다. Bus 란? 정확하게 DAQ 가무엇이라고규정하지는않지만, DAQ 라고하면대개이렇게얘기함 Address, Data 와 Strobe 들로구성된신호의다발 흔히사용되는버스 PCI, USB, IDE (PC 에서 ), VME, CAMAC ( 핵물리 ) 06/28/2009 ( 주 ) 노티스에서 VME 를자체제작가능함 핵물리학교 2009

29 암흑물질탐색연구단의 flash ADC DAQ VME USB2-VME controller 의 신호모습 (~24MB/s 전송 ) 06/28/2009 핵물리학교 2009

30 8. Compute Automated Measurement And Control System Computer Controlled Electronics 30

31 CAMAC DAQ System ( 장점 ) 모듈이엄청퍼져있다. ( 장점 ) 버스구조가간단하다 ( 안정적이다 ). ( 장점 ) 배우기쉽다. ( 단점 ) 전송속도가다소느리다 ( 최대 3MB/s). ( 단점 ) 핵. 입자물리이외사람들이사용안한다 ( 비싸다 ). ( 단점 ) 메이저생산업체가망했다. 06/28/2009 핵물리학교 2009

32 8. CAMAC System N L N L 32

33 Read 를주관하는부분 signal 이들어왔으므로받으라는명령을내림 Writer 를주관하는부분 CAMAC bus 특징 controller 를기준으로 Read 와 Writer 로나눔 - Read 와 Write 데이터선이따로있다. - Acknowledge 가없는동기 (synchronous) 버스이다. - N 과 L 신호가슬롯각각에 1 대 1 연결된다. 06/28/2009 핵물리학교

34 Controller -> Module - W1-24 : 24bit의데이터쓰기신호 - N1-24 : 각슬롯의모듈을 access하기위한 address - B : Busy = 현재 CAMAC cycle중이다. - F1,2,4,8,16 : 모듈이수행할 function을설정한다. - A1,2,4,8 : 모듈안에서채널을구분한다. - S1,2 : CAMAC cycle의시간관계신호 - I : Inhibit = CAMAC 명령수행을금지한다. - C : Clear = 일부 register를클리어한다.( 모듈마다다름 ) - Z : initialize = 모든 register를클리어한다. 06/28/2009 핵물리학교

35 Module -> Controller - R1-24 : 24bit 의데이터읽기신호 - L1-24 : LAM(Look At Me) 신호로각각의모듈에서 controller 로연결된다. 특정한상황발생시설정된다.( 조건은모듈마다다르다.) - X : accepted = CAMAC 명령이유효할때발생 - Q : response = 특정 CAMAC 명령에대해특정한상황일때발생된다. ( 모듈마다다르다.) ( 예, test LAM 시 ADC 변환완료됐다 LeCroy2249A) 06/28/2009 핵물리학교

36 이만큼의시간간격을줘서이안에신호가오면인식을함 - CAMAC 의모든신호는 TTL active low이다. (0.8V이하 = 1, 2.0V이상 = 0) - S1 : N신호후이신호 ( 약 500ns) 이전까지 R, X, Q신호가설정되어야한다. -S2 : N이후 ( 약 1us) 이신호에서 cycle이종료된다. 06/28/2009 핵물리학교

37 자주쓰이는 CAMAC 명령어 ( 모듈마다다를수도있음 ) - F(0) = 데이터레지스터읽기 - F(8) = LAM상태읽기 - F(9) = 모듈클리어 - F(16) = 레지스터쓰기 - F(24) = disable LAM - F(26) = enable LAM 06/28/2009 핵물리학교

38 CAMAC controller란? - DAQ를구성하기위해서는 PC와의연결이필요하다. - PC에서는 CAMAC bus를지원하지않는다 - PC의 PCI 또는 USB, 기타등등과의 link가필요하다. - 일반적인 PC bus의신호를 CAMAC신호로바꾸는회로를 CAMAC controller라한다. CAMAC 을프로그래밍한다는것은? - 결국 PC 의 PCI 나 USB 를프로그래밍하는것이다. - controller 마다주어진 protocol 이존재한다. 06/28/2009 핵물리학교

39 int main(void) { unsigned long data; 데이터레지스터를읽어라는명령어 data = CAMAC(5, 0, 0); // read latch register data = CAMAC(5, 0, 9); 클리어하라는명령 // clear latch register return 0; } unsigned long CAMAC(int N, int A, int F) { unsigned long addr, data; addr = (N << 11) (A << 7) (F <<2); data = VMEread(A32D32, 10, addr); // VME 명령어이다. 06/28/2009return data; } 핵물리학교

40 HIPEx CAMAC DAQ System TOYO / CAEN Controller setup -> Station, Channel number call run_daq.c -> save to ASCII call d2root.c macro -> convert to a root file online monitoring of DAQ -> current entry 06/28/2009 핵물리학교

41 9. Versa Module Eurocard DAQ System 44

42 HIPEx VME DAQ System Notice ( 주 ) Controller 8 channel x 8 mod. Amp - Shaper - FADC 100 MHz 일체형 Setup -> Station, Channel number call run_daq.c -> save to ASCII / Pulse shape call a macro to convert to QDC value 45

43 100ns 10ns VME Oscilloscope

44 9.2us 9.2us VME Oscilloscope

KAERI/AR-636/2002 : 技術現況分析報告書 : 방사선 계측기술 및 중성자 계측기 기술 개발 현황

KAERI/AR-636/2002 : 技術現況分析報告書 : 방사선 계측기술 및 중성자 계측기 기술 개발 현황 KAERI Radiation Gas ions - electrons + Gas-filled Detector Power Supply V Voltmeter Log(Pulse Height) Ionisation Chamber Proportional Counter Geiger-Müller Counter High initial Ionisation Low