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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. 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. 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

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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

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  1. 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 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 2011.2.7 卒業論文発表会

  2. 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 2

  3. Introduction http://blogs.uslhc.us/tag/heavy-ion-physics 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 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 3

  4. 3次元飛跡検出器 TPC(Time Projection Chamber) 35cm 入射窓 35cm 20cm 35cm 4

  5. 課題①(高速信号読み出しの必要性) TPC (Time Projection Chamber)のしくみ TPC の波形 2μs ■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 粒子の多重度が高い！ 5

  6. 課題②（読み出しシステムの小型化） 信号読み出し部分 TPC PreAMP CAMAC PC Delay 既存のシステムは 複雑・大規模 読み出し回路 信号読み出し部分を 一つの基板に搭載！ 6

  7. 読み出し回路の概念図 FPGA ADC 検出器 PC ■高速な信号の制御・伝達 ■情報を持ったデータのみを選ぶ ■TPCの信号を高速にサンプリング FPGAの仕様 Flash ADCの仕様 http://www.altera.co.jp/ 7

  8. 読み出し回路の構成 機能 ●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 アナログ入力信号 Flash ADC 保護回路 FPGA USB I/F JTAG PC CLOCK 電源回路 8

  9. 設計から製作・実験まで 仕様決定・Parts select 手書き回路図 手書き回路図の作成 OrCADによる回路図 OrCAD Capture プリント基板設計図 OrCAD Layout 基板加工機で加工 ハンダ付け ハンダ付け 動作確認 実験 9

  10. 製作基板(プロトタイプ) 逐次比較型ADC搭載プロトタイプ ADCの入力を変化させる 可変抵抗 Analog入力0〜5V JTAG CLOCK Digital出力 8bit：0000_0000 8bit：1111_1111 〜 逐次比較型ADC データ用LED×8 CPLD RS232C シリアルデータ送信 電源回路 10

  11. 実験結果①（AD変換の表示） Analog入力0〜5V AD変換したデータをLEDに出力できているか LED配置 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 LSB 1bit 2bit 3bit 4bit 5bit 6bit MSB データ用LEDに 8bit：0000_0000 8bit：1111_1111 が表示できた 11

  12. 実験結果②（シリアル送信） ADC データLEDの表示 RS232C出力 10100100 10100100 CPLD 1111110101001001 データLED RS232C RS232Cに 出力できているか RS232C規格 HIGH：0 LOW ：1 LED：ON = 1 LED：OFF = 0 12

  13. 制作中のプリント基板 電源回路 電源回路 電源回路 Flash ADC Flash ADC Flash ADC Flash ADC Flash ADC Flash ADC Flash ADC Flash ADC FPGA 水晶振動子 JTAGポート JTAGポート USB I/F 13

  14. 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 14

  15. ご清聴 ありがとうございました 15

  16. BACK UP 17

  17. FPGA

  18. FPGA内部プログラム FPGA内部のメモリ構成 RESET ① ② ③ St = 1 粒子が入射 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 位置情報が入った データを保存 メモリ③に 移動終了 St = 2 転送 終了 転送 終了 St = 3 粒子が入射 St = 4 St = 1 St = 3 Repeat Repeat 9

  19. 実験結果③（AD変換の表示） アナログ入力電圧 20mV LEDの表示を十進数に変換したもの 19

  20. マイコンとFPGA ハードウェア処理 マイコン FPGA ソフトウェア処理 20 http://www.marutsu.co.jp/

  21. 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 21

  22. FPGA内部プログラム JTAGポート USB Blaster PC 開発ツール QuartusⅡ ハードウェア言語 Verilog-HDLで記述 Error, Warningなど メッセージの表示 22

  23. CLOCKの波形(分周CLOCK) 水晶振動子のパルス(48MHz) 搭載したCLOCK(水晶振動子) 約40ns ≒ 24MHz 20[ns] 分周CLOCK(500KHz) CPLD 500kHzのCLOCKを 作るようにプログラム 2μs ≒ 500kHz 400[ns] 23

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