Course Syllabus
Obiettivi
ATTENZIONE: IL CORSO VERRA' TENUTO NEL PRIMO SEMESTRE
Nozioni di base all'uso dei microcontrollori per la gestione del legame tra mondo analogico e mondo digitale. Introduzione alla manipolazione analogica dei segnali generati da rivelatori di particelle: amplificazione e sagomatura del segnale. Costruzione di una catena di acquisizione completa: il segnale del rivelatore è amplificato, sagomato in modo opportuno, quindi trasformato in una sequenza di numeri dal microcontrollore, ed infine trasmesso al PC per essere analizzato e memorizzato.
Contenuti sintetici
Il corso si prefigge lo scopo di avviare lo studente al mondo degli esperimenti di fisica introducendo gli ingredienti principali di una catena di misurazione con un rivelatore di particelle: amplificatori e sagomatori analogici del segnale, uso dei convertitori dal mondo analogico al mondo digitale, ed uso dei microcontrollori per il gestire il trigger e la trasmissione dei dati. Il software MATLAB verrà utilizzato sul PC per ricevere e analizzare i dati acquisiti. Una applicazione pratica sarà la costruzione di una catena di misura per uno dei più attuali rivelatori, il cosiddetto SiPM, ovvero Fotomoltiplicatore al Silicio. Un rivelatore capace di produrre un segnale elettrico misurabile in risposta anche ad un singolo fotone incidente. Verrà studiato il segnale elettrico generato nel rivelatore per essere convertito in una sequenza di numeri che saranno analizzati matematicamente con una catena tutta costruita in laboratorio.
Programma esteso
l corso è per tutti e si prefigge lo scopo di essere propedeutico a qualsiasi indirizzo lo studente voglia intraprendere successivamente.
Questa è la lista dettagliata degli argomenti trattati:
- Primi passi con microcontrollore di famiglia ARM Cortex: GPIO, timer, interrupt.
- Comunicazione tra microcontrollore e PC via protocollo seriale (UART): ASCII o dati binari.
- Uso del software MATLAB su PC.
- Acquisizione con convertitore analogico-digitale (ADC).
- Gestione avanzata della memoria: DMA, buffer circolare.
- Acquisizione di segnali e trigger.
- Amplificatori operazionali, configurazione invertente e non invertente.
- Diodi, LED, rivelatori al Silicio e SiPM
- Rivelatori di picco
- Osservazione di segnali di singolo fotone con SiPM
- Costruzione e operazione della catena di acquisizione completa, dal SiPM al microcontrollore e quindi al PC.
Prerequisiti
Principali Nozioni di Fisica di base classica: Elettricità e Magnetismo.
Modalità didattica
Sessioni di laboratorio di 4 ore ciascuna, due volte alla settimana (da confermare con l'orario del semestre).
Sessioni di lezione frontale in laboratorio, della durata di circa 1 ora, quando necessario introdurre l'argomento successivo.
Materiale didattico
Dispense (disponibili alla pagina web http://pessina.mib.infn.it), software di sviluppo dei progetti, altre informazioni.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Primo semestre (da confermare)
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Discussione di una relazione relazione scritta delle esperienze di laboratorio, e domande teoriche sugli argomenti delle lezioni frontali.
Orario di ricevimento
Sempre, previo appuntamento: claudio.gotti@mib.infn.it, pessina@mib.infn.it
Aims
Basic knowledge of the use of microcontrollers to the manage the link between the analog world and the digital world. Introduction to the analog manipulation of signals generated by particle detectors: amplification and signal shaping. Construction of a complete acquisition chain: the detector signal is amplified, suitably shaped, then transformed into a sequence of numbers by the microcontroller system, and finally transmitted to the PC for analysis and storage.
Contents
The course aims to introduce the student to the world of physics experiments by introducing the main ingredients of a measurement chain with a particle detector: analog signal amplifiers and shapers, use of converters from the analog to the digital world, and use of microcontrollers to manage trigger and data trasmission. The MATLAB software will be used on the PC to receive and analyze the acquired data. A practical application will be the construction of a measurement chain for one of the most current detectors, the so called SiPM, or Silicon Photomultiplier. A detector capable of producing a measurable electrical signal in response even to a single incident photon. It will be studied the electrical signal generated in the detector to be converted into a sequence of numbers that will be analyzed mathematically with a chain completely built in the laboratory.
Detailed program
The course is for everyone and aims to be preparatory to any address the student wants to undertake later.
- First steps with ARM Cortex family microcontroller: GPIO, timers, interrupts.
- Communication between microcontroller and PC via serial protocol (UART): ASCII or binary data.
- Use of MATLAB software on PC.
- Acquisition with analog-to-digital converter (ADC).
- Advanced memory management: DMA, circular buffer.
- Signal acquisition and triggering.
- Operational amplifiers, inverting and non-inverting configuration.
- Diodes, LEDs, Silicon and SiPM detectors
- Peak detectors
- Observation of single photon signals with SiPM
- Construction and operation of the complete acquisition chain, from SiPM to microcontroller and then to PC.
More information will be available at the following web page: http://pessina.mib.infn.it
Prerequisites
Notions of classical Physics: Electricity and Magnetism.
Teaching form
Lecture sessions in the lab, approximately 1 hour in length, when necessary to introduce the next topic.
Textbook and teaching resource
Slides (available on the web page http://pessina.mib.infn.it), development software, other information.
Semester
First semester (to be confirmed)
Assessment method
Office hours
Anytime, upon notice: claudio.gotti@mib.infn.it, pessina@mib.infn.it
Key information
Staff
-
Gianluigi Ezio Pessina