Электроника Системы Сбора Данных КМД3

Институт ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАННовосибирск, Россия

Козырев А.Н.

ИТЭФ-07

Почему требуется разработка новой электроники для Системы Сбора Данных (ССД)

КМД3? Особенности существующей ССД “Клюква”

• Технология ЭСЛ, 180нс цикл• Параллельная шина передачи данных

Недостатки• Большое мертвое время (~300мкс)• Отсутствие встроенных средств для проверки

работоспособности• Высокая потребляемая мощность• Низкая плотность каналов , большие габариты

системы в целом• Высокая стоимость

Основные требования к Системе Сбора Данных КМД3

Число каналов• ДК – 1218 сигнальных проволочек • ZK – 1408 сигнальных проволочек, уложенных в 2 слоя, по

24 сектора в каждом слое.• Торцевой калориметр – 680 кристаллов BGO• Цилиндрический калориметр – 1152 кристалла CsI• LXe-калориметр – 264 башни

– 2112 сигнальных проволочек• Mu-система – 48 счетчиков• TOF – 16 счетчиков

Всего ~ 10000 каналов

Требования к Системе Сбора Данных КМД3

Пропускная способность• Ожидаемая величина загрузки – 1К событий в секунду• Мертвое время – менее 5%

Дополнительные• Удобство при наладке и тестировании, наличие встроенных

средств непрерывного мониторинга состояния электроники• Низкий уровень излучаемых электромагнитных помех• Низкая потребляемая мощность • Низкая стоимость

Путь который мы выбрали Для передачи данных использовать специализированную

последовательную шину вместо параллельной Минимизировать потребляемую мощность, снизить уровень

электромагнитных помех для увеличения плотности размещения каналов

Отказаться от использования промежуточной памяти в оцифровывающей электронике. Данные передаются во время цикла А/Ц преобразования

Работа всей электроники синхронизирована с частотой обращения пучка в накопителе – “Фазой” (~12.5МГц)

Унификация базового встроенного программного обеспечения для всех блоков электроники

Разрабатывать электронику в формате, совместимом с КАМАК Использовать современную элементную базу

Структура ССД КМД3

Трековая предварительная электроника

Предварительная электроника калориметров

Предварительная электроника TOF и Mu

ВЭПП2000

триггерная электроника

Digitizer

СНД

КМД3

Частота резонатора

Частота обращения пучков

калиьр. ген.

Digitizer

Digitizer

Сигнал блокировки

Реконструкция события

MChS

GIBDD

Сообщение

триггерная электроника

триггерная электроника

калиьр. ген.

калиьр. ген.

Триггерная электроника КМД3

Особенности• Данные передаются по “быстрым“ линкам

(360Мбит/с) LVDS• Работа электроники синхронизирована с

частотой обращения пучка в накопителе – “Фазой” (~12МГц)

• Блоки построены на базе ПЛИС фирмы Altera “Cyclon”

Блоки ССД КМД3

Оцифровывающая электроника T2Q – измерение времени и заряда для ДК TQ – измерение времени, амплитуды, схема совпадения для Mu-

системы и TOF UFO32 – формирование и обработка аналоговых сигналов

калориметров, А/Ц преобразование Q16 – измерение амплитуд калориметров

Триггерная электроника IFLT – сбор и передача аргументов ПТ от трековых систем ADIS – сбор и передача аргументов ПТ от калориметров,

формирование временных отметок и полного энерговыделения U2F – принятие решения о запуске измерений MChS - формирование синхронизирующих сигналов для ССД и

запуск измерений по сигналам триггера (U2F) GIBDD – разветвление сигналов синхронизации, прием данных от

оцифровывающей электроники и передача данных для записи на ленты

Блок T2Q• Технические характеристики • Временной тракт :  •   Полная шкала 16384 кан. (14бит) •   Цена канала  0.2 нс (тип)•   Погрешность t  0.3 нс (тип)•   Интегр. нелинейность    2 % (тип)•   Темп. нестабильность  0.01 %/C (тип)•   Неидентичность каналов     3% • Амплитудный тракт :  •   Полная шкала 16384 кан. (14бит) •   Цена канала     5000 e‑ (тип)•   Погрешность Q  45000 e‑ (тип) •   Интегр. нелинейность    0.8% (тип) •   Темп. нестаб-ть шкалы   0.04 %/C (тип) •   Неидентичность каналов     3% • Микротриггер :  •   Время до самосброса 1.2 мкс

(-0.2 нс/мВ_пит.) •   Длительность "ворот"  800 нс

(-0.1 нс/мВ_пит.) •   Разброс эфф. порогов   5 % (тип) •   Темп. нестаб-ть порога  0.2 %/C (тип)•   Коэфф-т связи по запускам •   между соседними каналами при мин.пороге   3 % • Потребление :  0.4A  +6V, 0.14A  -6V

Блок UFO32

• 32 канала

• Программное управление коэффициентом усиления каждого канала, глубина регулировки – 4 раза.

• В энергетическом канале фильтр CR―RC4 с τ = RC = 1 мкс

• Суммирование по 15 каналам для триггерного сигнала, затем CR―RC формирование с τ = 0.3 мкс

• АЦП 12 разрядов

• Цена деления 0.2 МэВ/канал

• Конструктивное исполнение 2М Большой КАМАК

Блок Q16 Полная обработка сигналов: усиление + формирование + А/Ц преобразование Стробируемый интегратор Расположены на детекторе – управление и передача данных только по

последовательному линку (“Медленному Линку КМД3”) Макс. входной заряд 106 e-

Полная шкала 4096 (12 бит) Интегральная нелинейность   2.2 канала Шумы А/Ц преобразования 0.7 канала

Блок IFLT• Число входных линий – 48

• Формат передачи данных для ССД - 25 Мбит/с LVDS ("медленный" линк)

• формат передачи данных для триггера - 2360 Мбит/с LVDS ("быстрый" линк)

• объем буфера ОЗУ -16 слов по 48бит

• визуальная индикация состояний светодиодами - "Статус линков ОК" (синий ), "Фаза ОК" (желтый), «Ошибка" (красный)

• Конструктивное исполнение 1М КАМАК

Блок ADIS Цифровая обработка сигналов:

дискретизация аналоговых групповых сигналов с разрешением 10 бит

Алгоритм: усредние, двухпороговая дискриминация, поиск базовой линии, поправка на амплитуду, определение временной отметки

Шумоподавление Сумматор полного энерговыделения схема формирования сигналов запуска и

самосброса формирователи выходных сигналов

триггера и временных отметок 16 входов для аналоговых сигналов  амплитуда входных сигналов – 0..2 В Формат передачи данных для ССД -

25 Мбит/с LVDS ("медленный" линк) Формат передачи данных для триггера

- 2360 Мбит/с LVDS ("быстрый" линк) Конструктивное исполнение 1М Большой

КАМАК

Блок U2F• число входных сигналов -14

"быстрых" линков • схема поиска кластеров. • сумматор полного

энерговыделения цифровые компараторы

• 3*12000 логических ячеек• схема формирования сигналов

запуска и самосброса • формат передачи данных для

ССД - 25 Мбит/с LVDS ("медленный" линк)

• Конструктивное исполнение 3М Большой КАМАК

Блок GIBDD• Коэффициент разветвления – 30*“медленных”

линков• Выход – Ethernet 100 Мбит• Конструктивное исполнение коробка 19” 1U

Статус работ

Блок Количество Статус

T2Q 90 Произведены полностью

TQ 20 Производство опытной партии

UFO32 80 Производство опытной партии

Q16 132 Подготовка к производству опытной партии

IFLT 10 Произведены полностью

ADIS 15 Производство опытной партии

U2F 2 Тест прототипа

MChS 1 Закончен тест прототипа, в проект вносятся поправки

GIBDD 12 Массовое производство