筑波大学　第一学群自然学類　物理学専攻

200610370 　田中　直斗指導教官

三明　康郎

３次元飛跡検出器のための Flash ADC, FPGA を搭載した高速信号読み出しシステ

ムの試作と評価

2011.2.7 卒業論文発表会

INDEX

■Introduction ー Introduction

ー 3 次元飛跡検出器

■ 課題 ー高速信号読み出しの必要性　　　　　ー信号読み出しシステムの小型化

■ 回路設計ー読み出し回路の概念図 ー Flash ADC 　　ー FPGA 　　ー読み出し回路の構成 　　ー FPGA 内部のプログラム 　　ー設計から製作・実験まで

■ 製作基板ープロトタイプの製作 ー実験結果① ー実験結果② ー製作中のプリント基板

■ 今後の展望

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粒子密度が高い環境で、情報を失うことなく、検出器の信号を読み出す信号読み出し回路が重要である。

３次元飛跡検出器の信号を読み出し、 PC で解析できる信号読み出しシステムの開発を目的とする

高エネルギー原子核衝突実験Pb-Pb 衝突で生成された粒子の飛跡

Introduction

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http://blogs.uslhc.us/tag/heavy-ion-physics

3 次元飛跡検出器

35cm

35cm

35cm

入射窓

20cm

TPC(Time Projection Chamber)

4

課題① ( 高速信号読み出しの必要性 )

TPC (Time Projection Chamber) のしくみ

2μs

TPC の波形

粒子の多重度が高い！

■ 高速でサンプリングしデジタル変換■ システムの不感時間を短くする

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課題②（読み出しシステムの小型化）

PC

CAMAC

読み出し回路

PreAMPTPC

信号読み出し部分

既存のシステムは複雑・大規模

信号読み出し部分を一つの基板に搭載！

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Dela

y

検出器検出器 ADCADC FPGAFPGA PCPC

読み出し回路の概念図

名称 AD9283BRS-80

分解能 8bit

サンプリング 80MSPS

ADC 変換時間 [sec]

Flash 型 1p 〜 100n ■ 高速な信号の制御・伝達■ 情報を持ったデータのみを選ぶ

名称 EP1C6T144C6

LEs 5980

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Flash ADC の仕様FPGA の仕様

■TPC の信号を高速にサンプリング

http://www.altera.co.jp/

読み出し回路の構成

アナログ入力信号アナログ入力信号

PCPC

保護回路保護回路 Flash ADCFlash ADC

FPGAFPGA USB I/FUSB I/F

CLOCKCLOCK

JTAGJTAG

電源回路電源回路

● 保護回路：外部からの電圧から IC を守る● 電源回路：各 IC に電圧を供給する●JTAG ： FPGA にプログラムを書き込むポート●CLOCK ：動作のタイミングを作る●USB I/F ：信号を USB で読み取れる規格にする

機能

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設計から製作・実験まで

仕様決定・ Parts select

手書き回路図の作成

OrCAD Capture

OrCAD Layout

基板加工機で加工

ハンダ付け

動作確認

実験

手書き回路図

OrCAD による回路図

プリント基板設計図

ハンダ付け

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製作基板 ( プロトタイプ)

逐次比較型 ADC 搭載プロトタイプ

CLOCK

JTAG

データ用LED×8

電源回路

CPLD

逐次比較型ADC

RS232C

ADC の入力を変化させる

可変抵抗Analog 入力 0 〜 5V

Digital 出力8bit ： 0000_0000

8bit ： 1111_1111

〜

シリアルデータ送信

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実験結果①（ AD 変換の表示）

QuickTime˛ Ç∆Photo - JPEG êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ

ǙDZÇÃÉsÉNÉ`ÉÉÇ å©ÇÈÇΩÇflÇ…ÇÕïKóvÇ≈Ç∑ÅB

LSB1bit2bit3bit4bit5bit6bitMSB

LED 配置

Analog 入力 0 〜 5V

Analog 入力を連続で4 回 AD 変換し、平均をデータ LED に表示する

データ用 LED に8bit ： 0000_00008bit ： 1111_1111

が表示できた

AD 変換したデータを LED に出力できているか

11

実験結果②（シリアル送信）

1111110101001001

LED ： ON = 1LED ： OFF = 0

データ LED の表示

10100100 10100100RS232C 出力

RS232C 規格HIGH ： 0LOW ： 1

ADCADC

CPLDCPLD

データデータ LEDLED RS232CRS232C

RS232C に出力できている

か

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JTAG ポート

JTAG ポート

Flash ADCFlash ADCFlash ADCFlash ADCFlash ADCFlash ADCFlash ADCFlash ADC FPGA

電源回路電源回路電源回路

USB I/F

水晶振動子

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制作中のプリント基板

今後の展望

■ 現在製作途中である読み出し回路の完成 ー基板の製作・動作確認

■ 読み出し用のソフトウェアの開発 ー読み出した信号のグラフ化・データ保存

■ 製作した読み出し回路の性能評価 ー制作した読み出し回路・ソフトウェアを用いての解析

■TPC を用いての 3 次元飛跡検出

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ご清聴ありがとうございました

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BACK UP

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FPGA

St = 2

RESET

St = 1

StSt 状態状態

11 ・荷電粒子が入射していない

22・荷電粒子が入射・データをメモリ③に移動

33・データをメモリ③から PCへ転送・メモリ①には新しいデータを保存

44・ PCへ転送中に粒子が入射・メモリ②のみにデータを保存

粒子が入射

粒子が入射

Repeat

Repeat

転送終了転送終了

St = 4

FPGA 内部プログラム

St = 3

St = 3

①① ②② ③③

FPGA 内部のメモリ構成

AD 変換したデータを一時的に保存

AD 変換したデータを一時的に保存

メモリ③に移動終了

St = 1

位置情報が入ったデータを保存

9

実験結果③（ AD 変換の表示）

LED の表示を十進数に変換したもの

アナ

ログ

入力

電圧

19

20mV

マイコンと FPGA

FPGAハードウェアである回路を処理に合わせて構成するため、リアルタイム性が必要な機能は並列化して高速化、速度が遅くて良い機能は回路を兼用して小さくするなど独自の特徴を出すことができる

FPGA は、１サイクル内に複数の処理ができるのでスループットが高い

マイコン マイコンは、細分化された機能の処理順番をソフトウェアで制御する

『命令数が少ない＝専用回路数が少ない』ので、コンパイルすると１つの命令をマイコン用の小さな機能に分散させて処理します

http://www.marutsu.co.jp/

ハードウェア処理

ソフトウェア処理

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マイコンFPGA

波高弁別器による遅延時間

TPC を使った実験のセットアップ

波高弁別器ごとの遅延時間

module 遅延時間 [ns]

PMT 10~15

ディスクリミネータ 10

コインシデンス 10

同軸ケーブル 5[/m]

合計 35~70

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FPGA 内部プログラム

USB BlasterJTAG ポート

PC

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ハードウェア言語Verilog-HDL で記述

開発ツール QuartusⅡ

Error, Warning などメッセージの表示

CLOCK の波形 ( 分周 CLOCK)

水晶振動子のパルス (48MHz)

約 40ns ≒ 24MHz

20[ns]

搭載した CLOCK( 水晶振動子 )

分周 CLOCK(500KHz)

QuickTime˛ Ç∆ÉtÉHÉg - JPEG êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ

ǙDZÇÃÉsÉNÉ`ÉÉÇ å©ÇÈÇΩÇflÇ…ÇÕïKóvÇ≈Ç∑ÅB

400[ns]2μs ≒ 500kHz

CPLDCPLD

500kHz の CLOCK を作るようにプログラム 23