6.4 読み出し電子機器


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6.4.1 概要

CDCのフロントエンドの読み出しシステムはCDCエンドプレート上のフロントエンドデジタイザーボードと信号/電源配電器で構成されている.システムに必要な物は表6.4に列挙した.このシステムはアナログ信号と結合タイミング信号から電子機器小屋のDAQシステムにロケットIOリンクを経由してデジタル化され転送される.DAQシステムの同期信号(すなわち,トリガー,システムクロック,イベントタグ等)の配線は信号/電源配電器に広がり,ロケットIO経由でそれぞれのフロントエンドデジタイザーボードに転送される.フロントエンドデジタイザーボードはチャンネル同士のクロストークや他の補助検出器システムからのクロストークや電子機器小屋のケーブルを減らすためにCDCエンドプレート付近に嵌めこまれている.


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6.4.2 フロントエンドデジタイザーボード

デジタイザーボードのブロック図は図6.7に示した.ボードはフロントエンドASICs (DC-FEAT),ADC,DAC,FPGA,ロケットIOリンクで構成されている.6つのDC-FEAT(Drift Chamber FrontEnd for Analog and Timing measurements)ASICsはいくつかの必要な要求(信号対雑音比,ダイナミックレンジ,時間分解能,電力消費量)を最適化するためにドリフトチェンバーからの最新の信号を加工処理する.アナログ出力が10bit30MHzADCにデジタル化された後,デジタルデータはFPGAのリングバッファーに与えられる.同時に,DC-FEATからのタイミング信号がFPGAのTDCへ1nsの分解能で与えられた後デジタル化されたタイミングデータはリングバッファーに記憶される.DAQシステムアセットデータからのトリガーはリングバッファーからローカル読み出しバッファへと転送される.ローカルバッファーではロケットIOデータの電子機器小屋への転送におけるデッドタイムを最小限にするため,データ制限とフォーマットが行われる.代替データ収集モードでは,検出器キャリブレーションとデバッグ作業のためにリングバッファの全てのデータが直接電子機器小屋に転送される.どちらの場合においても,DAQシステムはデータを保存するためにトリガ判定とロケットIO経由のADCデータのためのデータ取得ウィンドウにおいてデータを保存するためにデプスバッファーを制御できる.

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6.4.3 ASIC設計

図6.8ではCDCのフロントエンド電子回路のブロック図が示されている.この(カレントモードで作動中の)前置増幅器の出力は二つの信号にわけられる.一方はシェーパーでdE/dxを測るためのもの,他方はコンパレーターでタイミングを測るためのもの.得られたアナログデータは2pCのダイナミックレンジを維持するために設計されている一方で,コンパレータのために得られたデータはオーバードライブの特徴に最適化し,電力消費を節約するよう設定されており,これは図6.9に示した.



シミュレーション上のコンパレーターオーバードライブの特徴は図6.10に示した.このシミュレーションによりタイムウォークが500psより短いことが示され,これは我々のアプリケーションに置いて十分な値である.DC-FEATの仕様は表6.5に簡単にまとめた.DC-FEATはNJR0.8µmBiCMOS製法を用いて開発された.NPN(PNP)の遷移振動数は8GHz(5.5GHz)である.チップ配置とそのパッケージは図6.11と6.12に示す.

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6.4.4 システムとFPGAデザイン

プロトタイプボードはCDCフロントエンド読み出しシステムの機能性の実験とCDCのプロトタイプチェンバーを用いたシステム全体の作動確認のために開発された.図6.13にプロトタイプボードを示す.ASB(Amplifier Shaper Buffer)チップがプロトタイプのDC-FEATsの代わりに用いられた.しかし,いくつかASBの仕様書とDC-FEATに必要なもの(1チップごとのチャンネル数,弁別器がないこと等)に違いがあり,我々は必要としていることを適えるために娘ボードを開発した.図6.14に娘ボードからのアナログ出力を示す.さらに我々はデータ転送にSiTCP(イーサネットのプロセッサ)をロケットIOの代わりに使ったので,我々のプロトタイプボードの生産時にはデータ転送インターフェースは仕様書がなかった.データ取得順序は図6.15に示した.すでに触れたように二つの取得モードはFPGAで実行されるもの,100Mbpsのイーサネットのインターフェースを用いて実験するものとがあった.





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6.4.5 スケジュール

初めてプロトタイプが作られるのは2010年中期のCDCプロトタイプを用いた実験の予定である.そのときに,我々はDC-FEAT仕様書(得られた時間と影響を得ている時間)の修正決定づけようとするが,これは不可欠である.DC-FEATの生産は2010年度終期までには終わっているだろう.それと同時に我々はトリガーデータ転送やリンク数の決定,2010年終期の詳細なDAQのインターフェイスの仕様書の決定が行われる予定である.2011年度初期には量産準備が整うだろう.



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