Ultra low power analog-to-information conversion by short-time compressed sensing

Il compressed sensing è un’innovativa tecnica per l’acquisizione dei dati, che mira all'estrazione del solo contenuto informativo intrinseco di un segnale. Ciò si traduce nella possibilità di acquisire informazione direttamente in forma compressa, riducendo la quantità di risorse richieste per tale operazione. In questa tesi è sviluppata un'architettura hardware per l'acquisizione di segnali analogici basata sul compressed sensing, specializzata al campionamento con consumo di potenza ridotto di segnali biomedicali a basse frequenze. Lo studio è svolto a livello di sistema mediante l'integrazione della modulazione richiesta dal compressed sensing in un convertitore analogico-digitale ad approssimazioni successive, modificandone la logica di controllo. Le prestazioni risultanti sono misurate tramite simulazioni numeriche e circuitali. Queste confermano la possibilità di ridurre la complessità hardware del sistema di acquisizione rispetto allo stato dell'arte, senza alterarne le prestazioni.

Scheda di controllo JTAG per l'elettronica di readout del pixel detector dell'esperimento ATLAS

Il sistema di acquisizione dati del nuovo layer IBL di ATLAS conta attualmente 15 schede ROD attive sull’esperimento. In ognuna di queste schede sono presenti due catene JTAG per la programmazione e il test. La prima catena è facilmente accessibile da remoto tramite uno standard VME o Ethernet, mentre la seconda è accessibile solo tramite un programmatore JTAG. Accedere alla catena secondaria di tutte 15 le ROD è in primo luogo sconveniente poiché sarebbero necessari 15 programmatori diversi; in secondo luogo potrebbe risultare difficoltoso doverli gestire tutti da un unico computer. Nasce così l’esigenza di sviluppare un’elettronica aggiuntiva con funzione di controllo che riesca, tramite un unico programmatore, a distribuire un segnale JTAG in ingresso a 15 uscite selezionabili in maniera esclusiva. In questa tesi vengono illustrati i vari passaggi che hanno portato alla realizzazione del progetto ponendo attenzione alla scelta, al funzionamento e all’eventuale programmazione dei componenti elettronici che lo costituiscono. Per ogni parte è stato realizzato un ambiente hardware di prototipazione che ne ha garantito il test delle funzionalità. La scheda, basata su un microcontrollore ATmega 328-P, è attualmente in fase di completamento nel laboratorio di progettazione elettronica dell’INFN di Bologna. Il prototipo studiato e realizzato tramite il lavoro di questa tesi verrà anche utilizzato in ambiente CERN una volta che ne sarà convalidata l’affidabilità e potrà anche essere facilmente adattato a tutti gli esperimenti che usano un protocollo JTAG per la programmazione di dispositivi remoti.

Cryogenic optical readout for a liquid argon neutrino imaging detector

The GRAIN detector is part of the SAND Near Detector of the DUNE neutrino experiment. A new imaging technique involving the collection of the scintillation light will be used in order to reconstruct images of particle tracks in the GRAIN detector. Silicon photomultiplier (SiPM) matrices will be used as photosensors for collecting the scintillation light emitted at 127 nm by liquid argon. The readout of SiPM matrices inside the liquid argon requires the use of a multi-channel mixed-signal ASIC, while the back-end electronics will be implemented in FPGAs outside the cryogenic environment. The ALCOR (A Low-power Circuit for Optical sensor Readout) ASIC, developed by Torino division of INFN, is under study, since it is optimized to readout SiPMs at cryogenic temperatures. I took part in the realization of a demonstrator of the imaging system, which consists of a SiPM matrix connected to a custom circuit board, on which an ALCOR ASIC is mounted. The board communicates with an FPGA. The first step of the present project that I have accomplished was the development of an emulator for the ALCOR ASIC. This emulator allowed me to verify the correct functioning of the initial firmware before the real ASIC itself was available. I programmed the emulator using VHDL and I also developed test benches in order to test its correct working. Furthermore, I developed portions of the DAQ software, which I used for the acquisition of data and the slow control of the ASICs. In addition, I made some parts of the DAQ firmware for the FPGAs. Finally, I tested the complete SiPMs readout system at both room and cryogenic temperature in order to ensure its full functionality.

Study of the performance of the prototype EIC dRICH readout based on SiPM with thermoelectric cooling

L'Electron-Ion Collider è un futuro acceleratore di particelle che approfondirà la nostra conoscenza riguardo l'interazione forte tramite la collisione di elettroni con nuclei e protoni. Uno dei progetti attualmente considerati per la costruzione del rivelatore, il dual-radiator RICH, prevede l'impiego di due radiatori Cherenkov, sui quali verranno montati dei fotorivelatori per rilevare l'emissione della luce Cherenkov e risalire alla massa delle particelle. L'opzione di base per questi rivelatori sono i sensori al silicio SiPM. Questo lavoro di tesi si basa sullo studio delle prestazioni di un prototipo per l'acquisizione dei dati rilevati dai SiPM che sfrutta l'effetto termoelettrico per raffreddare la zona in cui sono situati i sensori. L'analisi dei dati acquisiti ha portato alla conclusione che le prestazioni del prototipo sono confrontabili con quelle misurate all'interno di una camera climatica quando si trovano alla stessa temperatura.

Development and testing of the atlas ibl rod pre production boards

Il lavoro di questa tesi riguarda principalmente la progettazione, simulazione e test di laboratorio di tre versioni successive di schede VME, chiamate Read Out Driver (ROD), che sono state fabbricate per l'upgrade del 2014 dell'esperimento ATLAS Insertable B-Layer (IBL) al CERN. IBL è un nuovo layer che diverrà parte del Pixel Detector di ATLAS. Questa tesi si compone di una panoramica descrittiva dell'esperimento ATLAS in generale per poi concentrarsi sulla descrizione del layer specifico IBL. Inoltre tratta in dettaglio aspetti fisici e tecnici: specifiche di progetto, percorso realizzativo delle schede e test conseguenti. Le schede sono state dapprima prodotte in due prototipi per testare le prestazioni del sistema. Queste sono state fabbricate al fine di valutare le caratteristiche e prestazioni complessive del sistema di readout. Un secondo lotto di produzione, composto di cinque schede, è stato orientato alla correzione fine delle criticità emerse dai test del primo lotto. Un'indagine fine e approfondita del sistema ha messo a punto le schede per la fabbricazione di un terzo lotto di altre cinque schede. Attualmente la produzione è finita e complessivamente sono state realizzate 20 schede definitive che sono in fase di test. La produzione sarà validata prossimamente e le 20 schede verranno consegnate al CERN per essere inserite nel sistema di acquisizione dati del rivelatore. Al momento, il Dipartimento di Fisica ed Astronomia dell'Università di Bologna è coinvolto in un esperimento a pixel solamente attravers IBL descritto in questa tesi. In conclusione, il lavoro di tesi è stato prevalentemente focalizzato sui test delle schede e sul progetto del firmware necessario per la calibrazione e per la presa dati del rivelatore.