3.3 Electronique de lecture du preshower
3.3.3 La carte Front-End
Dans cette section, nous pr´esentons l’architecture de la carte Front-End du point de vue du traitement des donn´ees. La figure 3.8 pr´esente le synopsis de cette carte sur laquelle le lecteur pourra se baser pour toute la suite de la discussion.
Delay Chip Clocks Tests JTAG LED VFE clk & rst I2C L0 yes/reset TTC channel B ECS clock (TTC channel A) *8 Backplanes PS data
Trigger bits Commands
Glue_PGA Seq_PGA L0 structures Data processing Fe_PGA ( AX1000 ) OP AMP Delatch ADC Power Validation SPD ECAL Neighbors CROC (1) (4) (10) (11) (12) (13) (14) (15) (16) (17) (18) Trig_PGA (2)
( Pro ASIC ACTEL )
(3)
(SPECS slave)
( Pro ASIC ACTEL )
( Pro ASIC ACTEL )
3.3. ELECTRONIQUE DE LECTURE DU PRESHOWER 67 3.3.3.1 Introduction
Chaque carte very Front-End est lue par une carte Front-End. Les cartes Front-End sont plac´ees dans 4 crates pour une moiti´e du d´etecteur et discutent entre elles et avec d’autres syst`emes que sont le CROC2, la carte de contrˆole du SPD (SPD Control Board), la carte de validation ainsi que les cartes Front-End du calorim`etre ´electromagn´etique. Cette disposition est montr´ee sur la figure 3.9
Fig. 3.9 – Dessin des quatre chˆassis (crates) de l’exp´erience LHCb. On distingue le CROC et les cartes de contrˆole SPD
3.3.3.2 Traitement du signal Digitisation
La carte FE re¸coit les signaux analogiques mis en forme par la carte VFE par l’in-term´ediaire de cˆables crois´es d’une longueur de 27 m`etres. La pr´esence de ces cˆables est loin d’ˆetre neutre pour le signal analogique qui y est transmis. Les effets sont de quatre ordres : att´enuation du signal, r´eflexion de l’onde constitu´ee par le signal dues aux rup-tures d’imp´edance, effet de peau et sensibilit´e aux parasites par d´efaut de compatibilit´e magn´etique. Pour une description d´etaill´ee des cˆables utilis´es le lecteur pourra consulter la r´eference [94]. Les signaux analogiques doivent ˆetre convertis en signaux num´eriques avant tout traitement de la part de la carte FE. Ceci est r´ealis´e au moyen d’un convertis-seur analogique num´erique (CAN). Cette conversion est r´ealis´ee `a la cadence de 40 MHz. Le CAN poss`ede une r´esolution de 10 bits pour qu’`a l’issue des calculs une pr´ecision suffisante soit conserv´ee sur les donn´ees destin´ees aux analyses physiques.
Mise en temps
Avant toute op´eration de traitement, il est tr`es important de synchroniser en temps l’horloge d’´echantillonnage qui commande le CAN avec le signal analogique. C’est donc la partie num´erique de la carte FE qui fournira l’horloge de la carte VFE.
2
Au niveau des circuits de traitement des donn´ees, il est tr`es important de connaˆıtre de quelle demi-voie provient la donn´ee en cours. Par cons´equent, un signal de remise `a z´ero est g´en´er´e sur la carte FE et transmis `a la carte analogique. Ce signal permet la synchro-nisation des deux cartes en positionnant la demi-voie active apr`es une mise `a z´ero dans un ´etat bien connu `a la fois sur les parties analogiques et num´eriques. Une campagne de tests a permis de s’assurer que la mise `a z´ero fonctionnait correctement sur le circuit analogique.
3.3.3.3 Front-End PGA
Apr`es la digitisation du signal par la carte FE, on trouve un ensemble de huit PGA identiques non reprogrammable. Il s’agit de produits ACTEL AX1000, r´esistant aux ra-diations. Chacun d’eux a en charge le traitement de huit voies du preshower. A ce stade, plusieurs corrections sont appliqu´ees au signal : la soustraction de l’offset de l’´electronique, soustraction du reste du pr´ec´edent cycle de 25 ns (correction α), dispersion du gain canal `a canal.
Corrections du d´ecalage
Dans la carte VFE du preshower, 16 chips mettent en forme le signal des 64 sorties des photomultiplicateurs. La mise en forme du signal est r´ealis´ee par deux int´egrateurs rapides intercal´es, chacun fonctionnant `a 20 MHz : tandis qu’un des deux int`egre le signal du photomultiplicateur durant 25 ns, le second est digitalement remis `a z´ero. Le d´ecalage des chips a ´et´e mesur´e pendant la production et a ´et´e ´evalu´e en moyenne `a 33 mV pour le bas gain et 54 mV pour le haut gain. Seuls les chips avec un offset inf´erieur `a 100 mV pour le haut gain et sup´erieur `a 85 mV pour le bas gain sont accept´es. Il s’agit alors pour corriger cette imperfection de soustraire une valeur fixe et ´egale au d´ecalage de la demi-voie consid´er´e. Si D repr´esente les donn´ees corrig´ees et Dr les donn´ees brutes, nous avons alors :
D = Dr− offset (3.1)
Ajustement du gain
Le gain total de la partie pr´ec´edente de la chaˆıne est ´egalement susceptible de va-rier. La correction consiste `a multiplier la donn´ee par un facteur de normalisation. De cette fa¸con, `a l’issue des deux ajustements, une mˆeme valeur d’´energie de la particule incidente donne en th´eorie la mˆeme valeur de donn´ee au sens de la moyenne statistique pour toutes les voies du d´etecteur.
Ainsi, le gain est cod´e de la fa¸con suivante :
G = 1 + ǫ, (3.2)
o`u 0 < ǫ < 1.
Si D repr´esente les donn´ees et Dr les donn´ees brutes, nous avons :
D = Dr+ ǫ .Dr, (3.3) o`u ǫ est un nombre cod´e sur huit bits.
3.3. ELECTRONIQUE DE LECTURE DU PRESHOWER 69 Correction de spill-over
Si on dcoupe un signal du PreShower en lots Sj successifs de 25 ns (temps d’int-gration maximum autoris´e par l’exp´erience), on dfinit alors α = Sj
Sj−1. De plus si la forme du signal est exponentiellle, on a ´egalement α = Sj−1
Sj−2. Ce param`etre a ´et´e mesur´e en faisceau test pour des signaux au MIP pour 15 cellules diff´erentes du preshower prises dans les trois r´egions composant le preshower (interne, milieu, externe). Dans LHCb, afin d’avoir une photostatistique raisonnable, tout en enregistrant les lots de donn´ees inter-essants, de grandes valeurs de β, compl´ement du param`etre α, et de petites valeurs de α sont n´ecessaires. La figure 3.10 donne une valeur moyenne de α ´egale `a 0.19 obtenue en faisceau test et pour les diff´erents types de cellules consid´er´ees. Ce qui signifie que le
0 2 4 6 8 10 12 14 16 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.22 0.24 0.26 0.28 0.3 alpha vs. cell id 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 0 0.5 1 1.5 2 2.5