Электроника Системы Сбора Данных КМД3 Институт ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН Новосибирск, Россия Козырев А.Н.

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 ~ 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

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 шкала16384 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 кан. (14бит) Цена канала 5000 e (тип) Погрешность Q 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 CRRC 4 с τ = RC = 1 мкс Суммирование по 15 каналам для триггерного сигнала, затем CRRC 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 10 6 e - Полная шкала4096 (12 бит) Интегральная нелинейность 2.2 канала Шумы А/Ц преобразования0.7 канала

Блок IFLT Число входных линий – 48 Формат передачи данных для ССД - 25 Мбит/с LVDS ("медленный" линк) формат передачи данных для триггера 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 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 БлокКоличествоСтатус T2Q90Произведены полностью TQ20Производство опытной партии UFO3280Производство опытной партии Q16132Подготовка к производству опытной партии IFLT10Произведены полностью ADIS15Производство опытной партии U2F2Тест прототипа MChS1Закончен тест прототипа, в проект вносятся поправки GIBDD1212Массовое производство