Syllabus del corso
Obiettivi
Alla base di ogni esperimento di fisica c'è un processo fondamentale: la conversione degli eventi fisici in segnali elettrici, che vengono poi trasformati in sequenze di numeri analizzabili. Questo stesso principio si applica a molti dei sistemi con cui si interagisce quotidianamente, spesso senza rendercene conto. Basti pensare alla diagnostica di un'automobile o ai telefoni cellulari, capaci di elaborare onde radio, suoni, temperature e accelerazioni.
In questo corso ci immergeremo nella costruzione completa di un moderno sistema di acquisizione dati per un rivelatore.
Studieremo e costruiremo ogni elemento di questa catena.
Partiremo dal microprocessore e dal suo convertitore analogico-digitale (ADC), che ha il compito di generare stringhe numeriche dai segnali analogici e trasferirle ad un PC.
I segnali analogici arriveranno dall'uscita di un amplificatore, che realizzeremo per gestire al meglio i segnali prodotti da un rivelatore.
Acquisiremo e metteremo in pratica tutte le nozioni di base necessarie per raggiungere questo scopo, dotandoci degli strumenti per comprendere e implementare ogni fase del processo.
DD1: conoscenza e comprensione. Comprendere i principi fondamentali dei circuiti elettronici analogici e digitali, nel contesto dell'acquisizione di segnali da sensori e rivelatori.
DD2: capacità di applicare. Sviluppare programmi (firmware) per microcontrollori. Progettare e caratterizzare circuiti elettronici analogici basati su amplificatori operazionali (opamp). Utilizzare correttamente la strumentazione di laboratorio (generatore di segnale, oscilloscopio, alimentatori) per la misura e la caratterizzazione dei circuiti.
DD3: autonomia di giudizio. Valutare criticamente i risultati sperimentali e diagnosticare malfunzionamenti nei circuiti e programmi realizzati.
DD4: abilità comunicative. Comunicare in modo chiaro e strutturato i risultati dell’attività sperimentale attraverso una relazione scritta ed un colloquio orale.
DD5: apprendimento autonomo. Sviluppare la capacità di orientarsi autonomamente nella documentazione tecnica (datasheet, reference manual, note applicative).
Una descrizione più dettagliata degli scopi e modalità del corso la si trova descritta nella seguente pubblicazione (cui si può accedere con le credenziali campus):
A laboratory course on detector readout for undergraduate students of experimental physics
Contenuti sintetici
Il corso affronta gli elementi chiave di una catena di misura da un generico sensore o rivelatore:
- Amplificatori e sagomatori (shaper) di segnale, basati su amplificatori operazionali (opamp), fondamentali per preparare il segnale analogico "grezzo" alla conversione in digitale;
- Convertitori analogico-digitali (ADC), per trasformare i segnali analogici in dati numerici;
- Microcontrollori, per gestire via firmware il sistema di trigger (ovvero, il meccanismo che decide quando acquisire un dato) e la trasmissione dei dati;
- PC con Python o MATLAB, per l'analisi e la visualizzazione dei dati acquisiti.
L'applicazione pratica del corso sarà la costruzione di una catena di misura completa, dal sensore al PC, per uno dei rivelatori più moderni e diffusi nell'ambito degli esperimenti in fisica delle particelle: il SiPM (Silicon Photomultiplier), o Fotomoltiplicatore al Silicio, un sensore di luce capace di generare un segnale elettrico misurabile anche in risposta a un singolo fotone incidente.
Programma esteso
Microcontrollore e firmware:
- Architettura ARM Cortex: GPIO, timer, interrupt
- Comunicazione seriale con PC (UART): dati ASCII e binari
- Acquisizione con ADC integrato
- Gestione avanzata della memoria: DMA e buffer circolare
Elaborazione e analisi dei dati:
- Acquisizione di segnali e trigger
- Analisi e visualizzazione dati con Python/MATLAB
Elettronica analogica:
- Amplificatori operazionali: configurazioni invertente e non invertente
- Diodi e fotodiodi al silicio; LED e SiPM (Silicon Photomultiplier)
- Circuiti sagomatori (shaper) e rivelatori di picco
Integrazione del sistema:
- Osservazione di segnali di singolo fotone con SiPM
- Costruzione e operazione della catena di acquisizione completa
Prerequisiti
Nozioni di base di elettricità e magnetismo e loro applicazioni in circuiti elementari.
Familiarità con l'ambiente di laboratorio acquisita nei corsi precedenti.
Modalità didattica
Ci sono due sessioni di laboratorio a settimana, di 3.5 o 4 ore ciascuna, secondo il calendario didattico.
Il numero di ore totali è 96.
Modalità erogativa: quando necessario introdurre nuovi argomenti, la prima parte della sessione (circa 1 ora) è dedicata a una lezione frontale tenuta in laboratorio. Su richiesta degli studenti, la lezione può essere tenuta in inglese.
Modalità interattiva: le restanti ore di ciascuna sessione si svolgono in modalità interattiva attraverso attività pratiche di laboratorio in presenza.
Nella prima metà del corso, ogni studente lavora individualmente con il microcontrollore per realizzare il sistema di conversione dei segnali e della loro trasmissione al PC.
Nella seconda metà del corso, si formano gruppi di 2-3 studenti per lavorare su amplificatori e SiPM.
Materiale didattico
Dispense e manuali:
- Dispense, che saranno rese disponibili sulla pagina del corso in sincronia con le lezioni
- Manuale e datasheet del microcontrollore di famiglia ARM Cortex-M
- Datasheet di amplificatori operazionali (opamp) e fotorivelatore (SiPM)
Software:
- Ambiente di sviluppo (IDE) per microcontrollori STM32
- Ambiente di sviluppo per Python (Thonny o altro editor a piacere)
- In alternativa: MATLAB (disponibile con licenza campus)
Attrezzatura da laboratorio:
- Scheda di sviluppo per microcontrollori STM32 Nucleo
- Scheda per SiPM e amplificatori, realizzata apposta per il corso
- Strumentazione di laboratorio: oscilloscopi, generatori di segnale, alimentatori, cavi
Si raccomanda agli studenti di portare un PC portatile personale su cui installare il software indicato.
Un numero limitato di postazioni PC è disponibile in laboratorio per chi ne fosse sprovvisto.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Il corso si svolge al primo semestre.
Modalità di verifica del profitto e valutazione
L'esame è composto da due parti:
- Una relazione scritta, che descriva gli aspetti tecnici delle esperienze affrontate in laboratorio, i dettagli notevoli dei programmi sviluppati, e i risultati delle misure di caratterizzazione;
- Un esame orale, dove si verificherà la comprensione degli argomenti teorici del programma del corso, e si discuteranno eventuali osservazioni sul contenuto della relazione.
La relazione può essere scritta individualmente o in gruppo fino a 3 persone, e va consegnata via email almeno 4 giorni lavorativi prima della data dell'esame orale.
L'esame orale è obbligatorio e individuale, della durata indicativa di 45-60 minuti.
Il voto finale terrà conto di:
- Frequenza e impegno dimostrati durante l'attività di laboratorio;
- Qualità delle soluzioni tecniche sviluppate e dei risultati ottenuti, come descritti nella relazione;
- Padronanza degli argomenti teorici dimostrata nel corso del colloquio finale.
L'esame può essere sostenuto in italiano o in inglese.
Orario di ricevimento
Non sono previsti orari di ricevimento fissi.
Gli studenti possono contattare i docenti via email per concordare un appuntamento.
Sustainable Development Goals
Aims
At the heart of every physics experiment lies a fundamental process: the conversion of physical events into electrical signals, which are then transformed into analyzable sequences of numbers. This same principle applies to many of the systems we interact with on a daily basis, often without even realizing it. Just think of car diagnostics or cell phones, which are capable of processing radio waves, sounds, temperatures, and accelerations.
In this course, we will delve into the complete construction of a modern data acquisition system for a detector.
We will study and build every element of this chain.
We will start with the microprocessor and its analog-to-digital converter (ADC), which is responsible for generating numerical strings from analog signals and transferring them to a PC.
The analog signals will come from the output of an amplifier, which we will build to best handle the signals produced by a detector.
We will acquire and put into practice all the basic concepts necessary to achieve this goal, equipping ourselves with the tools to understand and implement every phase of the process.
DD1: Knowledge and understanding. Understand the fundamental principles of analog and digital electronic circuits in the context of signal acquisition from sensors and detectors.
DD2: Ability to apply. Develop programs (firmware) for microcontrollers. Design and characterize analog electronic circuits based on operational amplifiers (op-amps). Correctly use laboratory equipment (signal generator, oscilloscope, power supplies) for the measurement and characterization of circuits.
DD3: Making judgements. Critically evaluate experimental results and diagnose malfunctions in the circuits and programs developed.
DD4: Communication skills. Communicate the results of the experimental activity clearly and in a structured manner through a written report and an oral presentation.
DD5: Independent learning. Develop the ability to independently navigate technical documentation (datasheets, reference manuals, application notes).
A more detailed description of the course objectives and methods can be found in the following publication (accessible with campus credentials):
A laboratory course on detector readout for undergraduate students of experimental physics
Contents
The course covers the key components of a measurement chain starting from a generic sensor or detector:
- Signal amplifiers and shapers, based on operational amplifiers (op-amps), which are essential for preparing the “raw” analog signal for digital conversion;
- Analog-to-digital converters (ADCs), for converting analog signals into digital data;
- Microcontrollers, for managing via firmware the trigger system (i.e., the mechanism that determines when to acquire data) and data transmission;
- PCs running Python or MATLAB, for analyzing and visualizing the acquired data.
The practical application of the course will be the construction of a complete measurement chain, from the sensor to the PC, for one of the most modern and widely used detectors in particle physics experiments: the SiPM (Silicon Photomultiplier), a light sensor capable of generating a measurable electrical signal even in response to a single incident photon.
Detailed program
Microcontroller and firmware:
- ARM Cortex architecture: GPIO, timers, interrupts
- Serial communication with PC (UART): ASCII and binary data
- Data acquisition with integrated ADC
- Advanced memory management: DMA and circular buffer
Data processing and analysis:
- Signal acquisition and triggering
- Data analysis and visualization with Python/MATLAB
Analog electronics:
- Operational amplifiers: inverting and non-inverting configurations
- Silicon diodes and photodiodes; LED and SiPM (Silicon Photomultiplier)
- Shaper circuits and peak detectors
System integration:
- Observation of single-photon signals with SiPM
- Construction and operation of the complete acquisition chain
Prerequisites
Basic concepts of electricity and magnetism and their applications in simple circuits.
Familiarity with the laboratory environment gained in previous courses.
Teaching form
There are two lab sessions per week, each lasting 3.5 or 4 hours, depending on the academic calendar.
The total number of hours is 96.
Teaching format: when necessary to introduce new topics, the first part of the session (approximately 1 hour) is dedicated to a lecture held in the lab. At the students’ request, the lecture may be conducted in English.
Interactive format: the remaining hours of each session are conducted interactively through in-person practical lab activities.
In the first half of the course, each student works individually with the microcontroller to build the signal conversion system and its transmission to the PC.
In the second half of the course, groups of 2–3 students are formed to work on amplifiers and SiPMs.
Textbook and teaching resource
Handouts and manuals:
- Handouts, which will be made available on the course page as the lectures are held
- Manual and datasheet for the ARM Cortex-M family microcontroller
- Datasheets for operational amplifiers (op-amps) and photodetectors (SiPMs)
Software:
- Integrated Development Environment (IDE) for STM32 microcontrollers
- Development environment for Python (Thonny or another editor of your choice)
- Alternatively: MATLAB (available with a campus license)
Lab equipment:
- Development board for STM32 Nucleo microcontrollers
- Board for SiPMs and amplifiers, custom-built for the course
- Lab instruments: oscilloscopes, signal generators, power supplies, cables
Students are advised to bring their own laptop on which to install the specified software.
A limited number of computer stations are available in the lab for those who do not have their own.
Semester
The course is offered in the first semester.
Assessment method
The exam consists of two parts:
- A written report describing the technical aspects of the laboratory experiments, key details of the programs developed, and the results of the characterization measurements;
- An oral exam, during which students’ understanding of the theoretical topics covered in the course syllabus will be assessed, and any comments on the content of the report will be discussed.
The report may be written individually or in groups of up to 3 people and must be submitted via email at least 4 business days before the date of the oral exam.
The oral exam is mandatory and individual, with an approximate duration of 45–60 minutes.
The final grade will take into account:
- Attendance and commitment demonstrated during the laboratory activities;
- Quality of the technical solutions developed and the results obtained, as described in the report;
- Mastery of the theoretical topics demonstrated during the final interview.
The exam may be taken in Italian or English.
Office hours
There are no set office hours.
Students may contact the teachers via email to schedule an appointment.
