Difference between revisions of "MuonPi Board"

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The MuonPi board is designed as plug-on board for the Raspberry Pi B+ in a form factor conforming with the [https://github.com/raspberrypi/hats RPi HAT specifications].
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Das MuonPi-Board ist als Aufsteckplatine für den Raspberry Pi B+ in einem Formfaktor konzipiert, der den [https://github.com/raspberrypi/hats RPi HAT Spezifikationen] entspricht.
  
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== Functional Description ==
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== Funktionsbeschreibung ==
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The MuonPi board implements following functionalities:
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Die MuonPi-Karte implementiert folgende Funktionalitäten:
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* Two input channels
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* Zwei Eingangskanäle
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* Supply voltage for remote powering the [[preamplifier]] through the signal line: The voltage can be switched on/off through a GPIO signal (individually for the two channels). It includes overcurrent and overtemperature shutdown and a fault feedback signal.
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* Versorgungsspannung zur Fernspeisung des [[Vorverstärker]]s über die Signalleitung: Die Spannung kann über ein GPIO-Signal ein-/ausgeschaltet werden (individuell für die beiden Kanäle). Sie beinhaltet eine Überstrom- und Übertemperaturabschaltung sowie ein Fehlerrückmeldesignal.
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* Bias voltage supply for the SiPM sensor and bias voltage/current supervision. A DC/DC converter generates the required reverse biasing voltage from the RPi's 5V rail. The voltage can be switched on/off through a GPIO signal. Actual bias voltage and current are measured through the on-board ADC. The voltage can be controlled through the on-board DAC (not in HW version 2).
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* Bias-Spannungsversorgung für den SiPM-Sensor und Bias-Spannungs-/Stromüberwachung. Ein DC/DC-Wandler erzeugt die benötigte Vorspannung in Sperrrichtung aus der 5V-Schiene des RPi. Die Spannung kann über ein GPIO-Signal ein/ausgeschaltet werden. Die aktuelle Bias-Spannung und der Strom werden über den on-board ADC gemessen. Die Spannung kann über den on-board DAC gesteuert werden (nicht in HW Version 2).
  
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[[File:MuonPi-blockscheme.png|640px|thumb|right|MuonPi functional block schematic]]
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[[File:MuonPi-blockscheme.png|640px|thumb|right|MuonPi Funktionsblockschaltbild]]
  
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* Signal inverters for the two signal inputs in case negative signals are presented to the board
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* Signalinverter für die beiden Signaleingänge für den Fall, dass negative Signale an die Karte angelegt werden.
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* Threshold discriminators with adjustable thresholds (DAC channels 1 and 2) in the range from 0.5 mV to 3V. The discriminator outputs are LVCMOS signals with a length of ~100 ns.
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* Schwellwert-Diskriminatoren mit einstellbaren Schwellwerten (DAC-Kanäle 1 und 2) im Bereich von 0,5 mV bis 3V. Die Ausgänge der Diskriminatoren sind LVCMOS-Signale mit einer Länge von ~100 ns.
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* Both channels are logically connected by one AND gate and one XOR gate. In this way, a coincidence ("both at the same time") as well as an anti-coincidence ("only exactly one") within a 100 ns time window can be asserted.
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* Beide Kanäle sind logisch durch ein UND-Gatter und ein XOR-Gatter verbunden. Auf diese Weise kann sowohl eine Koinzidenz ("beide gleichzeitig") als auch eine Antikoinzidenz ("nur genau eine") innerhalb eines Zeitfensters von 100 ns festgestellt werden.
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* The two gate signals (AND/XOR) are time-shaped to 1 us length and provided to the GPIO interface of the RPi
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* Die beiden Gattersignale (AND/XOR) werden zeitlich auf 1 us Länge geformt und der GPIO-Schnittstelle des RPi zur Verfügung gestellt.
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* The two discriminator signals and the two logic gate signals are fed to a multiplexer. Its output is fed to the time stamping input of the u-blox GNSS receiver.
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* Die beiden Diskriminatorsignale und die beiden Logikgattersignale werden einem Multiplexer zugeführt. Dessen Ausgang wird dem Zeitstempelungseingang des u-blox GNSS-Empfängers zugeführt.
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* The u-blox GNSS receiver NEO-M8N is utilized to get the precise time and frequency reference in order to provide a sufficient precision of the time stamping on the nanosecond level. The time stamp of an event (leading and trailing edges of the signal present at the multiplexer output) is transmitted to the RPi via UART interface through the UBX-TIM-TM2 message.
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* Der u-blox GNSS-Empfänger NEO-M8N wird verwendet, um die genaue Zeit- und Frequenzreferenz zu erhalten, um eine ausreichende Genauigkeit der Zeitstempelung auf Nanosekunden-Ebene zu gewährleisten. Der Zeitstempel eines Ereignisses (Vorder- und Rückflanke des am Multiplexer-Ausgang anliegenden Signals) wird über die UART-Schnittstelle durch die Nachricht UBX-TIM-TM2 an den RPi übertragen.
  
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== Detailed Description ==
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== Detaillierte Beschreibung ==
  
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The MuonPi board design is open hardware. It is entirely defined in the free EDA cloud tool [https://easyeda.com EasyEDA]. The [https://easyeda.com/MuonPi/cosmic_shower_detector_v1-52b8a2536bb6468e9f48412a774951d0_copy_copy current working version of the design is HW Ver 3] which is explained in detail below.
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Das Design der MuonPi-Platine ist offene Hardware. Es ist vollständig in dem freien EDA-Cloud-Tool definiert [https://easyeda.com EasyEDA]. Die [https://easyeda.com/MuonPi/cosmic_shower_detector_v1-52b8a2536bb6468e9f48412a774951d0_copy_copy aktuelle Arbeitsversion des Designs ist HW Ver 3], die im Folgenden näher erläutert wird.
  
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The predecessor versions are available for reference: [https://easyeda.com/hgzaunick/cosmic_shower_detector_v1-52b8a2536bb6468e9f48412a774951d0_copy HW Ver 2] and [https://easyeda.com/hgzaunick/cosmic_shower_detector_v1-52b8a2536bb6468e9f48412a774951d0 HW Ver 1].
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Die Vorgängerversionen sind als Referenz verfügbar:[https://easyeda.com/hgzaunick/cosmic_shower_detector_v1-52b8a2536bb6468e9f48412a774951d0_copy HW Ver 2] and [https://easyeda.com/hgzaunick/cosmic_shower_detector_v1-52b8a2536bb6468e9f48412a774951d0 HW Ver 1].
  
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=== Input Stage ===
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=== Eingangsstufe ===
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[[File:Input stage v3.1.png|thumb|640px|Analog input stage (V3.1)]]
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[[File:Input stage v3.1.png|thumb|640px|Analoge Eingangsstufe (V3.1)]]
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The signal input comprises a 50 Ohms-terminated signal path with simultaneous provision of the bias voltage (VPRE1) for remote powering of the preamplifier. The AC component is decoupled and provided to the differential wide-band amplifier U100/U200 (LMH6550) with a voltage gain of ~3. In this way, the output is symmetrical around a mid-scale common mode voltage with a non-inverted and an inverted signal superimposed. The analog switch U102/U202 (SN74LVC1G3157) selects either one depending on the switch control input (POL1) and presents the capacitively coupled signal to a fast comparator U2 (TLV3502). The threshold THR1 is provided from the DAC U402 (see "RPi Interface").
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Der Signaleingang besteht aus einem mit 50 Ohm abgeschlossenen Signalweg mit gleichzeitiger Bereitstellung der Vorspannung (VPRE1) zur Fernspeisung des Vorverstärkers. Der AC-Anteil wird ausgekoppelt und dem differentiellen Breitbandverstärker U100/U200 (LMH6550) mit einer Spannungsverstärkung von ~3 zugeführt, so dass der Ausgang symmetrisch um eine mittlere Gleichtaktspannung mit einem nicht invertierten und einem invertierten Signal überlagert ist. Der analoge Schalter U102/U202 (SN74LVC1G3157) wählt in Abhängigkeit vom Schaltersteuereingang (POL1) eines der beiden Signale aus und gibt das kapazitiv gekoppelte Signal an einen schnellen Komparator U2 (TLV3502). Die Schwelle THR1 wird vom DAC U402 bereitgestellt (siehe "RPi-Schnittstelle").
  
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=== Digital Pulse Processor ===
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=== Digitaler Impulsprozessor ===
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The outputs of comparator U2 are time-shaped with monostable gate U300 to 100 ns wide pulses. These are indicated as discriminator outputs for both channels. They are logically connected with both, AND gate U304 (which is actually a NOR gate but with the inverted inputs acting as an AND) as well as XOR gate U303. These signals are shaped to 1 us pulse length and supplied to GPIO pins (EVT_XOR and EVT_AND). The discriminator signals are also time-shaped to ca. 100 ms length by U306 to drive the indicator LEDs for a discernible visual signal. With the multiplexer U305 (74AC151), one of the  signals (EVT_AND, EVT_XOR, DISCR1, DISCR2, TIMEPULSE) connected to its inputs can be selected and fed to the output TIME_MEAS. The selection word is supplied by the I2C-expander U404 (PCF9536). The selected output is routed to the interrupt pin of the u-Blox NEO GNSS chip where the rising edge is timestamped with nanosecond resolution and sent as UBX message TIM-TM2 over the UART interface to the host. The discriminator signals, time-shaped logic gates and the inverted multiplexer output are all series terminated in order to avoid false triggering or wrong timing due to reflections whereas the non-inverted multiplexer output driving only the u-Blox interrupt pin is terminated with a Thevenin matching network at the end (see GNSS receiver).
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Die Ausgänge des Komparators U2 werden mit dem monostabilen Tor U300 zu 100 ns breiten Impulsen zeitlich geformt. Diese sind als Diskriminatorausgänge für beide Kanäle angegeben. Sie sind logisch sowohl mit dem UND-Gatter U304 (das eigentlich ein NOR-Gatter ist, bei dem aber die invertierten Eingänge als UND wirken) als auch mit dem XOR-Gatter U303 verbunden. Diese Signale werden auf 1 us Pulslänge geformt und an GPIO-Pins (EVT_XOR und EVT_AND) geliefert. Die Diskriminatorsignale werden von U306 ebenfalls zeitlich auf ca. 100 ms Länge geformt, um die Anzeige-LEDs für ein erkennbares optisches Signal anzusteuern. Mit dem Multiplexer U305 (74AC151) kann eines der an seinen Eingängen angeschlossenen Signale (EVT_AND, EVT_XOR, DISCR1, DISCR2, TIMEPULSE) ausgewählt und dem Ausgang TIME_MEAS zugeführt werden. Das Auswahlwort wird durch den I2C-Expander U404 (PCF9536) geliefert. Der ausgewählte Ausgang wird auf den Interrupt-Pin des u-Blox NEO GNSS-Chips geleitet, wo die steigende Flanke mit Nanosekunden-Auflösung zeitgestempelt und als UBX-Nachricht TIM-TM2 über die UART-Schnittstelle an den Host gesendet wird. Die Diskriminatorsignale, die zeitgeformten Logikgatter und der invertierte Multiplexer-Ausgang sind alle seriell terminiert, um falsche Triggerung oder falsches Timing aufgrund von Reflexionen zu vermeiden, während der nicht-invertierte Multiplexer-Ausgang, der nur den u-Blox-Interrupt-Pin ansteuert, am Ende mit einem Thevenin-Anpassungsnetzwerk terminiert ist (siehe GNSS-Empfänger).
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[[File:Digital-pulse processor v3.1.png|thumb|640px|Digital pulse processor (V3.1)]]
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[[File:Digital-pulse processor v3.1.png|thumb|640px|Digitaler-Impuls-Prozessor (V3.1)]]
  
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=== GNSS Receiver ===
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=== GNSS-Empfänger ===
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The u-Blox NEO M7/M8N receiver chip U700 processes the timing information from the GNSS satellites (GPS, Galileo, Glonass, BeiDou, QZSS, SBAS) and synchronizes its local TCXO to this time grid. The GNSS antenna is connected to SMA jack X7. The u-Blox chip provides a supply voltage for the antenna's preamplifier through R700/L700. The digital pulses are fed into the interrupt pin EXTINT0 for timestamping of both, rising and falling edges. The line is terminated by the Thevenin matching network R702/R703 which is driven by the output of multiplexer U305 with sufficient current. Note, that only the AC-family type has sufficient drive strength. Don't replace with other logic families.
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Der u-Blox NEO M7/M8N Empfängerchip U700 verarbeitet die Zeitinformationen der GNSS-Satelliten (GPS, Galileo, Glonass, BeiDou, QZSS, SBAS) und synchronisiert seinen lokalen TCXO auf dieses Zeitraster. Die GNSS-Antenne wird an die SMA-Buchse X7 angeschlossen. Der u-Blox-Chip liefert über R700/L700 eine Versorgungsspannung für den Vorverstärker der Antenne. Die digitalen Impulse werden in den Interrupt-Pin EXTINT0 eingespeist, um sowohl die steigenden als auch die fallenden Flanken zeitlich zu erfassen. Die Leitung wird durch das Thevenin-Anpassungsnetzwerk R702/R703 abgeschlossen, das durch den Ausgang des Multiplexers U305 mit ausreichend Strom angesteuert wird. Beachten Sie, dass nur der Typ der AC-Familie eine ausreichende Ansteuerungsstärke hat. Ersetzen Sie diese nicht durch andere Logikfamilien.
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Communication with the chip is done via UART interface connecting directly to the RPi's TxD/RxD serial lines. Additionaly, the I2C interface is connected to the board's I2C bus. As it turned out, the communication via I2C requires a master capable of clock stretching. This feature is currently not available on the RPi hardware I2C interface, so the u-Blox I2C interface is currently not used.
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Die Kommunikation mit dem Chip erfolgt über die UART-Schnittstelle, die direkt mit den seriellen Leitungen TxD/RxD des RPi verbunden ist. Zusätzlich wird die I2C-Schnittstelle mit dem I2C-Bus des Boards verbunden. Wie sich herausstellte, erfordert die Kommunikation über I2C einen Master, der in der Lage ist, den Takt zu strecken. Dieses Feature ist auf der RPi-Hardware I2C-Schnittstelle derzeit nicht verfügbar, daher wird die u-Blox I2C-Schnittstelle derzeit nicht verwendet.
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The 1pps time pulse is, additional to its distribution to a GPIO pin and the indicator LED409, routed to a the 2-pin pinheader connector J700 (TP_OUT) where it is available for other purposes. The u-Blox pps output can be programmed to other frequencies which may be utilized e.g. for PLL synchronization or disciplining a local oscillator (GPSDO).
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Der 1pps-Zeitimpuls wird, zusätzlich zur Verteilung auf einen GPIO-Pin und die Anzeige-LED409, auf eine 2-polige Stiftleiste J700 (TP_OUT) geroutet, wo er für andere Zwecke zur Verfügung steht. Der u-Blox pps-Ausgang kann auf andere Frequenzen programmiert werden, die z. B. zur PLL-Synchronisation oder zur Disziplinierung eines lokalen Oszillators (GPSDO) verwendet werden können.
 
[[File:Gnss receiver v3.1.png|thumb|640px|GNSS receiver section (V3.1)]]
 
[[File:Gnss receiver v3.1.png|thumb|640px|GNSS receiver section (V3.1)]]
  
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=== RPi Interface ===
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=== RPi-Schnittstelle ===
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The interface of the MuonPi HAT connects to the 40-pin GPIO header of the Raspberry-Pi with several digital I/Os, the UART interface from the u-Blox chip and the interface to the on-board I2C bus. The four-channel ADC U401 (ADS1015/1115) acquires the voltages of the (optional) peak detector for the pulse amplitude measurement (ch1), the on-board supply voltage (nominal 3.3V, shifted into the ADC's input range by voltage divider R418/R419) on ch2 and the sense voltages (after the voltage dividers R505/506 and R507/508) at both ends of the sense resistor R504 (see "Power section") connected to channels 3 and 4, respectively. The 12-bit DAC U402 (MCP4728) provides a fine-grained adjustment of the two threshold voltages (THR1, THR2 on channels 1 and 2) and the control voltage on channel 3 for the DC/DC converter around U502. Channel 4 is not used, but routed to a through-hole pad "DAC4" where it may be used for any purpose. There are two I2C EEPROM chips on the board. U400 (24AA02UID) is for the MuonPi's specific storage of calibration parameters and the factory-programmed unique ID, while U405 (CAT24C32WI) which is actually connected to the RPi ID-I2C interface foreseen for exacly this purpose, provides the configuration parameters for HAT identification and automatic GPIO and boot overlay selection during the boot phase.
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Die Schnittstelle des MuonPi HAT verbindet sich mit dem 40-poligen GPIO-Header des Raspberry-Pi mit mehreren digitalen I/Os, der UART-Schnittstelle vom u-Blox-Chip und der Schnittstelle zum on-board I2C-Bus. Der vierkanalige ADC U401 (ADS1015/1115) erfasst die Spannungen des (optionalen) Peak-Detektors für die Pulsamplitudenmessung (ch1), die On-Board-Versorgungsspannung (nominal 3,3V, durch Spannungsteiler R418/R419 in den Eingangsbereich des ADCs verschoben) auf ch2 und die Sense-Spannungen (nach den Spannungsteilern R505/506 und R507/508) an den beiden Enden des Sense-Widerstands R504 (siehe Abschnitt "Power"), die an den Kanälen 3 bzw. 4 angeschlossen sind. Der 12-Bit-DAC U402 (MCP4728) sorgt für eine feinkörnige Einstellung der beiden Schwellenspannungen (THR1, THR2 an den Kanälen 1 und 2) und der Steuerspannung an Kanal 3 für den DC/DC-Wandler um U502. Kanal 4 wird nicht verwendet, sondern ist auf ein Durchgangsloch-Pad "DAC4" geführt, wo er für beliebige Zwecke verwendet werden kann. Auf der Platine befinden sich zwei I2C-EEPROM-Chips. U400 (24AA02UID) ist für die MuonPi-spezifische Speicherung von Kalibrierungsparametern und der werksseitig programmierten eindeutigen ID, während U405 (CAT24C32WI), der eigentlich an die für genau diesen Zweck vorgesehene RPi-ID-I2C-Schnittstelle angeschlossen ist, die Konfigurationsparameter für die HAT-Identifikation und die automatische GPIO- und Boot-Overlay-Auswahl während der Boot-Phase liefert.
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Furthermore, the temperature sensor U403 (LM75A/B) and the 4-bit I/O expander U404 (U404) are also controlled via the on-board I2C bus. The I/O expander chip U404 provides the selection bit pattern for the multiplexer U305.
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Darüber hinaus werden auch der Temperatursensor U403 (LM75A/B) und der 4-Bit-I/O-Expander U404 über den on-board I2C-Bus angesteuert. Der I/O-Expander-Chip U404 liefert das Auswahl-Bitmuster für den Multiplexer U305.
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[[File:Rpi interface v3.1.png|thumb|640px|RPi interface section with ADC, DAC, EEPROM, temp sensor, OLED interface and LEDs. (V3.1)]]
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[[File:Rpi interface v3.1.png|thumb|640px|RPi-Schnittstellenteil mit ADC, DAC, EEPROM, Temperatursensor, OLED-Schnittstelle und LEDs. (V3.1)]]
  
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=== Power/Bias Supply ===
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=== Stromversorgung/Bias-Versorgung ===
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The bias voltage generation for the SiPM photo detector is foreseen in two ways, each one selected depending on the mounting. By default, the bias voltage of <33V is generated by the DC/DC converter around U502 (LM2733Y). It's output voltage is controlled by the voltage provided by channel 3 of the DAC (U402) with an intercept point set by the resistive divider network R500 to R502. The filtered output is shunted to ground by R503 to avoid a varying load of the converter circuit. After RF-filtering by L501, the voltage is passed through the current limiting series resistor R516 and shunted by n-mosfet Q501 which short-cuts the voltage to ground, when the BIAS_EN_N control signal is low. Otherwise, the non-zero output voltage is passed through the current measurement shunt R504. The symmetrical resistive dividers R505/R506 and R507/R508 tap the voltages at either side of R504 which are low-pass filtered through C503/C504 and buffered by U501 before routed to ADC channels 3 and 4. This circuit realizes both, measurement of the actual bias voltage present at the outputs X5,X6 as well as the measurement of the bias current.
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Die Bias-Spannungserzeugung für den SiPM-Fotodetektor ist auf zwei Arten vorgesehen, die jeweils in Abhängigkeit von der Montage ausgewählt werden. Standardmäßig wird die Vorspannung von <33V durch den DC/DC-Wandler um U502 (LM2733Y) erzeugt. Seine Ausgangsspannung wird durch die von Kanal 3 des DAC (U402) gelieferte Spannung gesteuert, wobei der Schnittpunkt durch das ohmsche Teilernetzwerk R500 zu R502 eingestellt wird. Der gefilterte Ausgang wird durch R503 auf Masse geshuntet, um eine schwankende Belastung der Wandlerschaltung zu vermeiden. Nach der HF-Filterung durch L501 wird die Spannung durch den strombegrenzenden Serienwiderstand R516 geleitet und durch den n-Mosfet Q501 überbrückt, der die Spannung gegen Masse kurzschließt, wenn das Steuersignal BIAS_EN_N niedrig ist. Andernfalls wird die Ausgangsspannung, die nicht Null ist, durch den Strommess-Shunt R504 geleitet. Die symmetrischen Widerstandsteiler R505/R506 und R507/R508 zapfen die Spannungen auf beiden Seiten von R504 an, die durch C503/C504 tiefpassgefiltert und von U501 gepuffert werden, bevor sie an die ADC-Kanäle 3 und 4 weitergeleitet werden. Diese Schaltung realisiert sowohl die Messung der aktuellen Bias-Spannung an den Ausgängen X5,X6 als auch die Messung des Bias-Stroms.
  
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Alternativeley, the bias supply may be provided by an external, plug-on module U505. This could be useful when employing photodetectors with different bias voltage specification, e.g. Hamamatsu-type SiPMs with larger operating voltages of ~50..90V. When suplying the bias voltage from such an external DC/DC converter, make sure to not mount the on-board converter U502 and associated components.
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Alternativ kann die Bias-Versorgung auch durch ein externes, aufsteckbares Modul U505 erfolgen. Dies kann sinnvoll sein, wenn Photodetektoren mit anderen Bias-Spannungs-Spezifikationen verwendet werden, z.B. SiPMs vom Typ Hamamatsu mit größeren Betriebsspannungen von ~50..90V. Wenn die Bias-Spannung von einem solchen externen DC/DC-Wandler geliefert wird, ist darauf zu achten, dass der On-Board-Wandler U502 und die zugehörigen Komponenten nicht montiert werden.
  
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The supply voltage of +5V for the preamplifiers is controlled by the current-limited load switches U503/U504 (TPS22944). The switches are enabled independently with a high level on PREAMP1/2_EN signals from the GPIO. The fault outputs from the switches are diode-OR-ed with D501/D502 and provide an error input to the MuonPi in any of these cases: overcurrent (>100mA) and over-temperature. In all cases, the switch disconnects the output until the fault condition is removed.
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Die Versorgungsspannung von +5V für die Vorverstärker wird über die strombegrenzten Lastschalter U503/U504 (TPS22944) gesteuert. Die Schalter werden unabhängig voneinander mit einem High-Pegel an PREAMP1/2_EN-Signalen vom GPIO freigegeben. Die Fehlerausgänge der Schalter sind mit D501/D502 diode-OR-verknüpft und liefern einen Fehlereingang an den MuonPi in einem der folgenden Fälle: Überstrom (>100mA) und Übertemperatur. In allen Fällen schaltet der Schalter den Ausgang ab, bis die Fehlerbedingung beseitigt ist.
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[[File:Power section v3.1.png|thumb|640px|Power management and bias voltage generation (V3.1)]]
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[[File:Power section v3.1.png|thumb|640px|Power-Management und Bias-Spannungserzeugung (V3.1)]]

Latest revision as of 21:28, 5 January 2021

Das MuonPi-Board ist als Aufsteckplatine für den Raspberry Pi B+ in einem Formfaktor konzipiert, der den RPi HAT Spezifikationen entspricht.

Funktionsbeschreibung

Die MuonPi-Karte implementiert folgende Funktionalitäten:

  • Zwei Eingangskanäle
  • Versorgungsspannung zur Fernspeisung des Vorverstärkers über die Signalleitung: Die Spannung kann über ein GPIO-Signal ein-/ausgeschaltet werden (individuell für die beiden Kanäle). Sie beinhaltet eine Überstrom- und Übertemperaturabschaltung sowie ein Fehlerrückmeldesignal.
  • Bias-Spannungsversorgung für den SiPM-Sensor und Bias-Spannungs-/Stromüberwachung. Ein DC/DC-Wandler erzeugt die benötigte Vorspannung in Sperrrichtung aus der 5V-Schiene des RPi. Die Spannung kann über ein GPIO-Signal ein/ausgeschaltet werden. Die aktuelle Bias-Spannung und der Strom werden über den on-board ADC gemessen. Die Spannung kann über den on-board DAC gesteuert werden (nicht in HW Version 2).
MuonPi Funktionsblockschaltbild
  • Signalinverter für die beiden Signaleingänge für den Fall, dass negative Signale an die Karte angelegt werden.
  • Schwellwert-Diskriminatoren mit einstellbaren Schwellwerten (DAC-Kanäle 1 und 2) im Bereich von 0,5 mV bis 3V. Die Ausgänge der Diskriminatoren sind LVCMOS-Signale mit einer Länge von ~100 ns.
  • Beide Kanäle sind logisch durch ein UND-Gatter und ein XOR-Gatter verbunden. Auf diese Weise kann sowohl eine Koinzidenz ("beide gleichzeitig") als auch eine Antikoinzidenz ("nur genau eine") innerhalb eines Zeitfensters von 100 ns festgestellt werden.
  • Die beiden Gattersignale (AND/XOR) werden zeitlich auf 1 us Länge geformt und der GPIO-Schnittstelle des RPi zur Verfügung gestellt.
  • Die beiden Diskriminatorsignale und die beiden Logikgattersignale werden einem Multiplexer zugeführt. Dessen Ausgang wird dem Zeitstempelungseingang des u-blox GNSS-Empfängers zugeführt.
  • Der u-blox GNSS-Empfänger NEO-M8N wird verwendet, um die genaue Zeit- und Frequenzreferenz zu erhalten, um eine ausreichende Genauigkeit der Zeitstempelung auf Nanosekunden-Ebene zu gewährleisten. Der Zeitstempel eines Ereignisses (Vorder- und Rückflanke des am Multiplexer-Ausgang anliegenden Signals) wird über die UART-Schnittstelle durch die Nachricht UBX-TIM-TM2 an den RPi übertragen.

Detaillierte Beschreibung

Das Design der MuonPi-Platine ist offene Hardware. Es ist vollständig in dem freien EDA-Cloud-Tool definiert EasyEDA. Die aktuelle Arbeitsversion des Designs ist HW Ver 3, die im Folgenden näher erläutert wird.

Die Vorgängerversionen sind als Referenz verfügbar:HW Ver 2 and HW Ver 1.

Eingangsstufe

Analoge Eingangsstufe (V3.1)

Der Signaleingang besteht aus einem mit 50 Ohm abgeschlossenen Signalweg mit gleichzeitiger Bereitstellung der Vorspannung (VPRE1) zur Fernspeisung des Vorverstärkers. Der AC-Anteil wird ausgekoppelt und dem differentiellen Breitbandverstärker U100/U200 (LMH6550) mit einer Spannungsverstärkung von ~3 zugeführt, so dass der Ausgang symmetrisch um eine mittlere Gleichtaktspannung mit einem nicht invertierten und einem invertierten Signal überlagert ist. Der analoge Schalter U102/U202 (SN74LVC1G3157) wählt in Abhängigkeit vom Schaltersteuereingang (POL1) eines der beiden Signale aus und gibt das kapazitiv gekoppelte Signal an einen schnellen Komparator U2 (TLV3502). Die Schwelle THR1 wird vom DAC U402 bereitgestellt (siehe "RPi-Schnittstelle").

Digitaler Impulsprozessor

Die Ausgänge des Komparators U2 werden mit dem monostabilen Tor U300 zu 100 ns breiten Impulsen zeitlich geformt. Diese sind als Diskriminatorausgänge für beide Kanäle angegeben. Sie sind logisch sowohl mit dem UND-Gatter U304 (das eigentlich ein NOR-Gatter ist, bei dem aber die invertierten Eingänge als UND wirken) als auch mit dem XOR-Gatter U303 verbunden. Diese Signale werden auf 1 us Pulslänge geformt und an GPIO-Pins (EVT_XOR und EVT_AND) geliefert. Die Diskriminatorsignale werden von U306 ebenfalls zeitlich auf ca. 100 ms Länge geformt, um die Anzeige-LEDs für ein erkennbares optisches Signal anzusteuern. Mit dem Multiplexer U305 (74AC151) kann eines der an seinen Eingängen angeschlossenen Signale (EVT_AND, EVT_XOR, DISCR1, DISCR2, TIMEPULSE) ausgewählt und dem Ausgang TIME_MEAS zugeführt werden. Das Auswahlwort wird durch den I2C-Expander U404 (PCF9536) geliefert. Der ausgewählte Ausgang wird auf den Interrupt-Pin des u-Blox NEO GNSS-Chips geleitet, wo die steigende Flanke mit Nanosekunden-Auflösung zeitgestempelt und als UBX-Nachricht TIM-TM2 über die UART-Schnittstelle an den Host gesendet wird. Die Diskriminatorsignale, die zeitgeformten Logikgatter und der invertierte Multiplexer-Ausgang sind alle seriell terminiert, um falsche Triggerung oder falsches Timing aufgrund von Reflexionen zu vermeiden, während der nicht-invertierte Multiplexer-Ausgang, der nur den u-Blox-Interrupt-Pin ansteuert, am Ende mit einem Thevenin-Anpassungsnetzwerk terminiert ist (siehe GNSS-Empfänger).

Digitaler-Impuls-Prozessor (V3.1)

GNSS-Empfänger

Der u-Blox NEO M7/M8N Empfängerchip U700 verarbeitet die Zeitinformationen der GNSS-Satelliten (GPS, Galileo, Glonass, BeiDou, QZSS, SBAS) und synchronisiert seinen lokalen TCXO auf dieses Zeitraster. Die GNSS-Antenne wird an die SMA-Buchse X7 angeschlossen. Der u-Blox-Chip liefert über R700/L700 eine Versorgungsspannung für den Vorverstärker der Antenne. Die digitalen Impulse werden in den Interrupt-Pin EXTINT0 eingespeist, um sowohl die steigenden als auch die fallenden Flanken zeitlich zu erfassen. Die Leitung wird durch das Thevenin-Anpassungsnetzwerk R702/R703 abgeschlossen, das durch den Ausgang des Multiplexers U305 mit ausreichend Strom angesteuert wird. Beachten Sie, dass nur der Typ der AC-Familie eine ausreichende Ansteuerungsstärke hat. Ersetzen Sie diese nicht durch andere Logikfamilien. Die Kommunikation mit dem Chip erfolgt über die UART-Schnittstelle, die direkt mit den seriellen Leitungen TxD/RxD des RPi verbunden ist. Zusätzlich wird die I2C-Schnittstelle mit dem I2C-Bus des Boards verbunden. Wie sich herausstellte, erfordert die Kommunikation über I2C einen Master, der in der Lage ist, den Takt zu strecken. Dieses Feature ist auf der RPi-Hardware I2C-Schnittstelle derzeit nicht verfügbar, daher wird die u-Blox I2C-Schnittstelle derzeit nicht verwendet. Der 1pps-Zeitimpuls wird, zusätzlich zur Verteilung auf einen GPIO-Pin und die Anzeige-LED409, auf eine 2-polige Stiftleiste J700 (TP_OUT) geroutet, wo er für andere Zwecke zur Verfügung steht. Der u-Blox pps-Ausgang kann auf andere Frequenzen programmiert werden, die z. B. zur PLL-Synchronisation oder zur Disziplinierung eines lokalen Oszillators (GPSDO) verwendet werden können.

GNSS receiver section (V3.1)

RPi-Schnittstelle

Die Schnittstelle des MuonPi HAT verbindet sich mit dem 40-poligen GPIO-Header des Raspberry-Pi mit mehreren digitalen I/Os, der UART-Schnittstelle vom u-Blox-Chip und der Schnittstelle zum on-board I2C-Bus. Der vierkanalige ADC U401 (ADS1015/1115) erfasst die Spannungen des (optionalen) Peak-Detektors für die Pulsamplitudenmessung (ch1), die On-Board-Versorgungsspannung (nominal 3,3V, durch Spannungsteiler R418/R419 in den Eingangsbereich des ADCs verschoben) auf ch2 und die Sense-Spannungen (nach den Spannungsteilern R505/506 und R507/508) an den beiden Enden des Sense-Widerstands R504 (siehe Abschnitt "Power"), die an den Kanälen 3 bzw. 4 angeschlossen sind. Der 12-Bit-DAC U402 (MCP4728) sorgt für eine feinkörnige Einstellung der beiden Schwellenspannungen (THR1, THR2 an den Kanälen 1 und 2) und der Steuerspannung an Kanal 3 für den DC/DC-Wandler um U502. Kanal 4 wird nicht verwendet, sondern ist auf ein Durchgangsloch-Pad "DAC4" geführt, wo er für beliebige Zwecke verwendet werden kann. Auf der Platine befinden sich zwei I2C-EEPROM-Chips. U400 (24AA02UID) ist für die MuonPi-spezifische Speicherung von Kalibrierungsparametern und der werksseitig programmierten eindeutigen ID, während U405 (CAT24C32WI), der eigentlich an die für genau diesen Zweck vorgesehene RPi-ID-I2C-Schnittstelle angeschlossen ist, die Konfigurationsparameter für die HAT-Identifikation und die automatische GPIO- und Boot-Overlay-Auswahl während der Boot-Phase liefert. Darüber hinaus werden auch der Temperatursensor U403 (LM75A/B) und der 4-Bit-I/O-Expander U404 über den on-board I2C-Bus angesteuert. Der I/O-Expander-Chip U404 liefert das Auswahl-Bitmuster für den Multiplexer U305.

RPi-Schnittstellenteil mit ADC, DAC, EEPROM, Temperatursensor, OLED-Schnittstelle und LEDs. (V3.1)

Stromversorgung/Bias-Versorgung

Die Bias-Spannungserzeugung für den SiPM-Fotodetektor ist auf zwei Arten vorgesehen, die jeweils in Abhängigkeit von der Montage ausgewählt werden. Standardmäßig wird die Vorspannung von <33V durch den DC/DC-Wandler um U502 (LM2733Y) erzeugt. Seine Ausgangsspannung wird durch die von Kanal 3 des DAC (U402) gelieferte Spannung gesteuert, wobei der Schnittpunkt durch das ohmsche Teilernetzwerk R500 zu R502 eingestellt wird. Der gefilterte Ausgang wird durch R503 auf Masse geshuntet, um eine schwankende Belastung der Wandlerschaltung zu vermeiden. Nach der HF-Filterung durch L501 wird die Spannung durch den strombegrenzenden Serienwiderstand R516 geleitet und durch den n-Mosfet Q501 überbrückt, der die Spannung gegen Masse kurzschließt, wenn das Steuersignal BIAS_EN_N niedrig ist. Andernfalls wird die Ausgangsspannung, die nicht Null ist, durch den Strommess-Shunt R504 geleitet. Die symmetrischen Widerstandsteiler R505/R506 und R507/R508 zapfen die Spannungen auf beiden Seiten von R504 an, die durch C503/C504 tiefpassgefiltert und von U501 gepuffert werden, bevor sie an die ADC-Kanäle 3 und 4 weitergeleitet werden. Diese Schaltung realisiert sowohl die Messung der aktuellen Bias-Spannung an den Ausgängen X5,X6 als auch die Messung des Bias-Stroms.

Alternativ kann die Bias-Versorgung auch durch ein externes, aufsteckbares Modul U505 erfolgen. Dies kann sinnvoll sein, wenn Photodetektoren mit anderen Bias-Spannungs-Spezifikationen verwendet werden, z.B. SiPMs vom Typ Hamamatsu mit größeren Betriebsspannungen von ~50..90V. Wenn die Bias-Spannung von einem solchen externen DC/DC-Wandler geliefert wird, ist darauf zu achten, dass der On-Board-Wandler U502 und die zugehörigen Komponenten nicht montiert werden.

Die Versorgungsspannung von +5V für die Vorverstärker wird über die strombegrenzten Lastschalter U503/U504 (TPS22944) gesteuert. Die Schalter werden unabhängig voneinander mit einem High-Pegel an PREAMP1/2_EN-Signalen vom GPIO freigegeben. Die Fehlerausgänge der Schalter sind mit D501/D502 diode-OR-verknüpft und liefern einen Fehlereingang an den MuonPi in einem der folgenden Fälle: Überstrom (>100mA) und Übertemperatur. In allen Fällen schaltet der Schalter den Ausgang ab, bis die Fehlerbedingung beseitigt ist.

Power-Management und Bias-Spannungserzeugung (V3.1)
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