Lezione 3 - Data Acquisition, segnali e moduli di elettronica

Dipartimento di Fisica
Anno Accademico 2009/2010
Laboratorio di Fisica
Nucleare e Subnucleare
Sistemi di acquisizione
standard, trasmissione
dei segnali, moduli NIM di
uso comune
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Sistemi di acquisizione dati
controllati da calcolatori:
necessità dettata dalla quantità e
complessità dei dati prodotti nei
moderni esperimenti. Molteplici
vantaggi: monitoraggio
dell’apparato, calibrazione,
ricostruzione on-line e analisi
preliminare dei dati grezzi.
Strumento  interfaccia con
calcolatore. Sviluppo di sistemi di
interfacciamento standard nel
campo della fisica: CAMAC,
FASTBUS, VME.
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Tutti questi sistemi sfruttano
un “BUS” per mettere in
comunicazione gli strumenti con
un sistema di calcolo:
trasferimento di dati tra CPU,
memorie e periferiche molto
complesso e poco pratico se non
attraverso un “BUS” comune.
2
DAQ: il bus
RAM
Bus
Processore
Video
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USB
I/O
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DAQ: Schema di acquisizione VME
RAM
I/O
…
Processore
Bus locale (PCI)
Bridge
Controller
Bus VME
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Controllo, dati
Schede VME
…
Rivelatore
(elettronica di front-end)
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Segnali analogici e digitali
segnale
analogico
segnale digitale (NIM/TTL/ECL)
discriminatore
logica
soglia
Segnali analogici: molte informazioni, soggetti a
distorsione durante la trasmissione
Segnali digitali: meno informazione, solo due stati possibili,
scarsa sensibilità alla distorsione o attenuazione durante la
trasmissione
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Trasmissione dei segnali
Apparentemente banale. Trasferimento di un’informazione,
analogica o digitale, da un punto ad un altro di un sistema,
senza deteriorare la qualità dell’informazione stessa.
Un segnale “tipico” contiene praticamente un intervallo di
frequenze illimitato  trasmissione di un intervallo
illimitato di frequenze, distanze anche dell’ordine di decine
di metri. Impossibile.
In pratica un limite superiore di 1 GHz è “ragionevole”,
anche se in alcun modo “semplice”.
T ~ 1ns = 10-9 sec
= 1/T = 109 Hz
Interesse pratico nel
range 0-100MHz
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Trasmissione dei segnali
• Attraverso fili conduttori (eventualmente twisted pairs) per
distanze corte ( < qualche metro)
• Attraverso cavi coassiali per distanze (abbondantemente)
superiori a qualche metro
• Il cavo coassiale trasporta il segnale come un’onda con
velocità
V
1
LC
dove L e C sono induttanza e
capacità per unità di
lunghezza del cavo

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Cavo coassiale
guaina
schermo
dielettrico
conduttore
 Conduttore (portante del segnale)
 Dielettrico di separazione tra segnale e massa
 Schermo di fili intrecciati
 ritorno a terra
 filtro da campi elettromagnetici esterni (gabbia di Faraday)
 Guaina di protezione in materiale plastico
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La presenza del dielettrico (normalmente polietilene o teflon)
comporta v<c: il cavo induce ritardo. Per i cavi coassiali
normalmente utilizzati in laboratorio il ritardo è di circa 5
ns/m.
Larga varietà di cavi sono disponibili sul mercato, con
diverse impedenze caratteristiche, coassiali o triassiali. I
più utilizzati sono comunque l’RG-58C/U e il RG-174/U.
Entrambi hanno impedenza caratteristica 50 Ohm.
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Tipo
Ritardo
ns/m
Diametro
cm
Capacità
pF/m
RG 58
5.14
0.307
93.5
RG 174
5.14
0.152
98.4
9
Riflessione del segnale sui cavi
• Impedenza caratteristica è importante per le riflessioni
del segnale lungo la linea coassiale
• Supponiamo di trasmettere un segnale lungo un cavo
coasiale di impedenza Z0: lungo la linea V=Z0I
• Quando il segnale raggiunge un carico di impedenza
diverso, la legge di Ohm deve tener conto anche del
carico e del segnale che deve propagarsi in direzione
opposta sul cavo: cioè
Vr
 Z0
 Ir
V
 Z0
I
V  Vr
R
I  Ir
definendo  
Vr
V
si trova
Coefficiente di riflessione di segnale in un cavo
Z  Z0
 
Z  Z0
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Riflessione del segnale sui cavi
Possiamo distinguere tre casi:
• R= 0  ρ = -1 il segnale originale viene riflesso
completamente ma invertito in polarità
• R=Z0  ρ = 0, il segnale non subisce distorsioni o
alterazioni di alcun tipo e prosegue indisturbato il suo
cammino
• R=∞  ρ = 1, il segnale originale viene riflesso
completamente
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Divisione di un segnale
Semplice circuiteria passiva per dividere un segnale
impulsivo in (due?) parti uguali. Qual’è il valore di R
che garantisce assenza di riflessioni e la divisione
del segnale per un fattore 2?
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E’ necessario “terminare” un cavo coassiale con la sua
resistenza caratteristica per evitare distorsioni nel
segnale. Lo standard NIM parzialmente risolve questo
problema, poichè la larga maggioranza dei moduli viene
prodotta con impedenze di ingresso ed uscita pari a 50
Ohm.
In alcuni casi ciò non è possibile (oscilloscopio, moduli
NIM che necessitano per loro disegno di impedenze di
ingresso/uscita particolari). In questi casi la
terminazione può essere realizzata utilizzando una
resistenza (verso massa) esterna.
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Caratteristiche segnale
 polarità ( negativi e positivi o bipolari)
 forma (oscilloscopio)
 livello di base (riferimento per l’ampiezza)
 ampiezza o altezza
 tempo di salita TR (velocità segnale)
 tempo di discesa TF
 velocità di propagazione
 larghezza (FWHM)
 sfasamento temporale (utilizzato per trigger)
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Segnali logici NIM, TTL ed ECL
TTL (Transistor-Transistor
Logic), logica positiva talvolta
utilizzata in moduli di
elettronica NIM.
ECL (Emitter-Coupled Logic).
Logica più moderna, molto
veloce. Necessità di
opportuna conversione per
essere utilizzata in standard
NIM e CAMAC.
State 0
State 1
NIM
0.0
-0.8
TTL
0-0.8
2-5
ECL
-0.9
-1.75
Logica ECL: impedenza
d’ingresso, meno sensibile al
rumore, possibile utilizzo di
cavi meno costosi (twistedpair) e ingombranti, cavi
piatti.
Standard segnali digitali
TTL
1
2-5 V
0
0
0V
1
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ECL
NIM
-0.90 V 0 V
-1.75 V -0.8 V
Convertitori logici NIM-TTL-ECL
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Crates NIM
Primo vero e proprio standard introdotto in fisica delle
alte energie. NIM (Nuclear Instrument Module).
Crate di dimensioni meccaniche
standard, alimentazioni
standard (±6V,±12V,±24V).
Moduli di dimensione standard,
12 stazioni singole per crate.
Amplificatori, coincidenze,
unità logiche, discriminatori,
moduli di ritardo, tutti di
dimensioni standard.
Possibilità di controllo remoto,
ma assenza di “intelligenza” di
gestione del crate.
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Principalmente utilizzati
nei sistemi di trigger
veloci e in piccoli
sistemi di acquisizione.
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Elettronica NIM
modulo
Crate
Moduli HV
alimentazione
segnale
alimentazione HV
Rivelatore
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Controller HV
Interfacce (seriale, internet, …)
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Segnale analogico
Segnale digitale
Schema “tipico” di una misura
Piano 1 … Piano N
VME
ritardo
ADC contatore
CPU
...
splitter
NIM
discriminatore
...
...
OR
AND
Piano N
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....
Piano 1
dati su
disco
Gate
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soglia
CAMAC (Computer Automated Measurement And Control)
Standard relativamente
“vecchio”, introdotto in europa
nel 1969. Sistema modulare.
Meccanicamente consiste di un
“crate” con 25 stazioni (slots).
Nella parte posteriore del crate
è situato il DATAWAY al quale,
tramite un connettore di 86 pin,
si collegano i moduli.
DATAWAY: tensioni di alimentazione per i moduli, “linee”
addizionali consentono il trasferimento di dati e messaggi di
controllo da e verso i moduli stessi. Comunicazioni gestite
dal “crate controller”. Possibile configurare sistemi CAMAC
in modo da collegare diversi “crates” ad uno stesso
computer di acquisizione.
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Tre tipi di linee nel dataway: alimentazione (±6 V,±24 V), linee
TTL per trasferimento dati e controllo, linee punto a punto che
consentono l’indirizzamento dei moduli da parte del crate
controller. 24 bit di lettura, 24 bit di scrittura.
Due tipi di operazioni: comuni a tutti i moduli o rivolte ad una
particolare stazione. Nel primo caso si utilizza una linea di
controllo: Initialize (Z), Clear (C), Inhibit (I).
Le operazioni sui singoli moduli necessitano di un indirizzo (che
indica il modulo interessato), un registro e di un codice di
funzione per indicare il tipo di operazione da effettuare. Funzioni
eseguite per mezzo di programmi di “alto livello”: Fortran, C,
LabView.
Limitazioni: velocità di trasferimento dei dati bassa per le
esigenze moderne, limitazione nel numero di crates permessi in un
branch, impossibilità di comunicazione tra i vari crates.
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FASTBUS
Introdotto per risolvere alcuni dei problemi del CAMAC.
 Velocità: il flusso di informazioni al secondo è almeno
dieci volte superiore rispetto allo standard CAMAC.
 Dimensioni maggiori: più canali per modulo, più moduli per
crates (32 invece di 25).
 Intelligenza distribuita: ogni modulo può comunicare con
qualsiasi altri modulo presente all’interno di un crate
 Costo: moduli/crate molto più costosi dello standard
CAMAC.
 Ingombro meccanico maggiore
 Complessità: la maggiore flessibilità del sistema
comporta una maggiore complessità e difficoltà di
“debugging”
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Schema acquisizione VME (Versabus Module Europa)
alimentazione + bus
Schede
CPU
segnali
(+ RAM, bridge, I/O, …)
Rivelatore
Crate
Rete (intranet, internet)
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Principali moduli di elettronica
 Linee di ritardo
 Shapers
 Fan-in, fan-out
 Discriminatori
 ADC
 TDC
 Timing Units
 Scalers
 Coincidenze
 Unità logiche
 Moduli di alta tensione
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Linee di ritardo
Semplici moduli per introdurre ritardo tra un segnale
in ingresso e l’uscita. Per “piccoli” ritardi (~100 ns)
si sfrutta la velocità di propagazione nei cavi
coassiali (5 ns/m). Attenzione all’attenuazione del
segnale. Ritardi maggiori (micro o milli secondi) non
possono essere ottenuti in questo modo.
Moduli di utilizzo piuttosto comune, si trovano sia in
formato NIM che in formato CAMAC o similare. In
un crate “intelligente” possono essere programmabili:
16, 32 canali indipendenti con ritardi programmabili.
Particolarmente utili nei sistemi di Trigger dove molti
contatori devono essere “messi in tempo”.
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Shapers
Semplici (!!) moduli di elettronica per dare al segnale
analogico una forma particolare più conveniente,
vengono utilizzati solitamente circuiti RC+CR
(derivatori e integratori). Molto complicato per
piccoli segnali e alte frequenze.
+1
C1
Vout
R2
R1

t 1Vin  t

e e t
t 1  t 2  
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t
t
1
2




C2
Quando un Vin e’ un gradino di tensione e
t1 = R1C1, t2 = R2C2
25
Fan-in e Fan-out
• Fan-in : moduli attivi in cui l’uscita è la somma
analogica dei segnali in ingresso. Possono essere
sia lineari che logici. In quest’ultimo caso la
somma è l’OR dei segnali d’ingresso. Possono
accettare in ingresso segnali di una data polarità
o bipolari.
• Fan-out : moduli attivi in cui un singolo segnale
viene distribuito su varie uscite. Da non
confondersi con gli “splitters” passivi. Possono
essere sia lineari che logici.
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Discriminatori
Danno un segnale in uscita se e
solo se il segnale in ingresso è
superiore ad un certo valore di
soglia. Uscita: segnale logico
standard NIM, larghezza
modificabile mediante un
potenziometro.
La soglia elimina possibile
rumore. Qualsiasi informazione
sull’ampiezza dell’impulso
iniziale è persa: normalmente
utilizzati nei sistemi di trigger
e per la misura dei tempi o dei
conteggi.
Soglie variabili da 20 a 1000
mV, larghezze da 5 a 1000 ns.
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La circuiteria (relativamente complessa) che genera il segnale
all’interno di un discriminatore introduce un ritardo tra i 10
e 30 ns. Questo è un fenomeno comune a tutti i moduli di
elettronica.
Misure temporali tramite discriminatori:
 “leading edge”, effetti di “time slewing”, segnali di
ampiezza diversa (ma stessa forma!) hanno un segnale in
uscita diverso  indeterminazione nella misura temporale,
necessità di una correzione dipendente dall’ampiezza
d’impulso del segnale (che deve essere quindi
necessariamente misurata...)
 CFD (costant fraction discriminator), il discriminatore non
“scatta” ad una data soglia (in mV) ma ad una determinata
frazione dell’ampiezza del segnale, misura del tempo
praticamente indipendente dall’ampiezza d’impulso.
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Discriminatori a doppia soglia.
Low-Thr
Delay
High-Thr
+
Clk
-
D
Output
Q
Delay
Input
Reset
5
Comparator Outputs
0
0
5
10
15
20
25
30
-5
35
Thresholds
Inputs
-10
-15
-20
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Time
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Diversi tipi di discriminatori:
 Leading Edge: segnale in uscita di durata prefissata tramite
potenziometro.
 Updating: se un secondo segnale (sopra soglia e fuori dalla
risoluzione per doppi impulsi) appare mentre il segnale in uscita è
ancora attivo, il discriminatore non updating lo ignora. Un
discriminatore updating estende l’uscita.
 Burst guard: particolarmente utile nel caso di “treni” di impulsi
o impulsi di lunga durata. Se gli impulsi del “treno” sono separati
da meno della risoluzione per doppi impulsi il segnale in uscita si
estende fino alla “falling edge” dell’ultimo impulso.
Risoluzione per doppi impulsi: tempo minimo che intercorre
tra i LE di due impulsi successivi. Normalmente dell’ordine
di 5, 10 ns.
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Convertitore ADC
Strumento fondamentale, non solo nel campo della fisica nucleare
e subnucleare. ADC = Analog to Digital Converter.
Un segnale viene acquisito in modo analogico e convertito in
informazione digitale tramite un elaborazione con elettronica di
tipo logico. Analisi dei dati on/off-line.
Caratteristiche principali:
• Risoluzione
• Range dinamico
• Banda passante
• Tempo di conversione
• Linearità
Conersione di tensione, corrente, carica….
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ADC = convertitore analogico-digitale
Segnale analogico
ComparatoreEncoder
+
-
Piedistallo
(integrale del
rumore)
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Output digitale
Riferimento
Gate
Curva di Landau, tipica
della perdita di energia
per
ionizzazione
con
coda ad alti valori di
ΔE
ADC sensibili al picco o
all’integrale del segnale: es.
ampiezza d’impulso o carica
totale del segnale.
Il tipo più comune è
realizzato con un metodo a
rampa.
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Risoluzione di un ADC
• Numero di Bits, 8,10,12…
• Il bit meno significativo da la risoluzione della misura
• Per esempio: un ADC con 10 bits ed un massimo a fondo
scala di misura di 1 Volt ha una risoluzione di
1/210 = 0.9 mV (0.1%)
Range dinamico
• Intervallo di ampiezze che l’ADC riesce a misurare: per
esempio un ADC che misure l’energia di particelle da 1 MeV a 5
GeV ha un range dinamico di 5000.
• Nel caso di sistemi lineari il range dinamico è correlato al
numero di bit (e quindi alla risoluzione): nell’esempio precedente
occorrono 13 bits!
• Per ottenere grandi intervalli di misura occorre introdurre
artificialmente non linearità nel sistema di misura.
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Tempo di conversione
• Da 10 ns a qualche ms a secondo del tipo di tecnologia
utilizzata: fattore limitante per esperimenti con frequenze di
conteggio molto elevate
Linearità
Non linearità: massima differenza
tra il miglior fit lineare e la curva
ideale.
12
10
ADC count
8
6
4
2
120
0
-2
0
2
4
6
Vin
8
10
12
100
80
60
40
20
0
0
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20
40
60
80
100
120
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Calibrazione di un ADC
A quanti conteggi di ADC corrisponde il rilascio di una data
quantità di energia in uno scintillatore o in un calorimetro?
Calibrazione in energia. Utilizzo di una sorgente di energia nota
(sorgente radioattiva, Na22, Co60); utilizzo di una quantità di
carica nota iniettata elettronicamente. Nei moderni esperimenti di
fisica delle particelle elementari si utilizzano i prodotti di
decadimento di processi “noti” (...esempio...decadimenti Bhabha
radiativi spesso utilizzati per ottenere “fasci” di fotoni di energia
nota, e+e- e+e- nei collisionatori e+e-....decadimenti di particelle
note, W o Z0, ai collisionatori adronici).
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Convertitore TDC
TDC (Time to Digital Converter): un segnale in tempo,
normalmente l’intervallo di tempo tra uno START ed
uno STOP, viene trasformato in un valore digitale.
Moduli CAMAC o altri standard intelligenti simili.
Segnali di START e STOP entrano nei connettori di
ingresso posti sui pannelli frontali. Il segnale di
START innesca la carica di un condensatore che al
ricevimento del segnale di STOP viene scaricato in
modo uniforme. Durante la scarica gli impulsi di un
impulsatore sono “contati” da uno scaler.
Risoluzioni tipiche 50ps/conteggio (1024 o 2048
conteggi, a seconda del modello di TDC).
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Timing Units
Moduli di utilità con ampio spettro di utilizzo. Ogni
modulo consiste in due unità di generatore di impulso
(“triggerabile” dall’esterno): larghezza dei segnali
variabile tra 50 ns e 10 sec.
Presenti altri segnali potenzialmente utili: end-marker
(segnale veloce presente alla fine del ciclo di
temporizzazione, trigger ritardato…).
Può oscillare (end-marker) e quindi diventare un
generatore di impulsi con diverse frequenze di
conteggio.
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Scalers
Semplici contatori di impulsi digitali.
Moduli NIM, CAMAC o VME.
Programmabili. Dotati di un display a
LED oppure soltanto “leggibili” via
computer. Possono “lavorare” a
frequenze di conteggio continuo fino a
100 MHz. Segnali di CLEAR e
INHIBIT.
Normalmente doppia unità NIM.
Può essere programmato per
“contare” in un determinato intervallo
di tempo.
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Coincidenze
Caso particolare di una più vasta classe di moduli di unità
logiche. Utilizzati spesso, sopratutto nei sistemi di
Trigger veloci, dove è necessario imporre la coincidenza
di uno o più rivelatori.
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Tempo minimo di presenza
simultanea dei segnali in
ingresso, normalmente 2 ns.
L’intervallo di tempo in cui
una coincidenza può produrre
un segnale in uscita è detto
tempo di risoluzione. Dipende
dai segnali in ingresso...
Normalmente viene misurato
contando le coincidenze in
funzione del ritardo di uno dei
due segnali. Frequenza di
coincidenza aumenta con la
sovrapposizione dei segnali.
Tempi di risoluzione “piccoli”
segnali in ingresso corti.
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Attenzione alle coincidenze spurie
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Coincidenze spurie
• S0, Frequenza di conteggio singolo di S0
• S1, Frequenza di conteggio singolo si S1
• T larghezza dei segnali “discriminati”
• Frequenza di conteggi spuri Racc~ 2S0S1ΔT
Se T~50 ns, S0~S1~3KHz  Racc~1 Hz
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Unità logiche
Unità logiche di vario tipo (AND, OR, NAND, NOR...).
Normalmente moduli NIM per i nostri scopi........ moduli di
tipo CAMAC o VME più frequentemente utilizzati in fisica delle
particelle. Multi-ingresso (fino a 32 ingressi contemporanei),
logiche programmabili, normalmente utilizzano lo standard ECL.
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High Voltage Power Supplies
Doppia unità NIM. 4 canali di alimentazione.
Da 0 a 3 kV (3 mA), o 0 a 6 kV (1mA). La
polarità può essere sia negativa che positiva:
modificabile da un utente ESPERTO.
Ogni canale è aggiustabile singolarmente:
Vmax, Imax, Vset, Vmon, Imon.
Può funzionare all’interno di un crate NIM o
anche con una normale presa 220 V, ma in
questo caso ha bisogno di essere
opportunamente raffreddato.
Enable via pannello con segnale TTL o
connessione a massa.
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Soglia
T T1
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50%
T
Discriminatore a frazione costante
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