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1. 12 5 bit 3 11 Tutte le specifiche di progetto sono rispettate Per poter acquisire ed elaborare il dato digitale bisogna conoscere il funzionamento dell ADC E un convertitore ad approssimazioni successive la cui struttura mostrata in figura Fig 3 11 6 EXTCLKIN 7 scik T 8 cikouT 9 pour 14 BUSY seri 2 5V TIMING AND 12 RD REFERENCE LOGIC 2 cast 5 AGND 15 Vss 10 DGND Figura 3 11 Circuito Interno dell LTC1417A 3 3 3 Circuito di conversione Dal momento che nell istante della conversione la tensione sicuramente positi va si sceglie di usare l alimentazione singola In tal modo il segnale massimo in ingresso pu arrivare fino a 4 V coprendo il range richiesto Tuttavia essendo il segnale sinusoidale in ingresso all ADC arrivano anche tensioni negative Seppur 36 CAPITOLO 3 SPADCAPMETER esse non vengono convertite introducono il rischio di danneggiare l integrato Per protezione si introduce il diodo Dz E praticamente impossibile che il converti tore fornisca in uscita un dato a 14 bit in quanto inevitabilmente presente del rumore che peggiora tale risoluzione difatti gi a 50kHz il datasheet segnala un ENOB di 13 5 bit Per minimizzare tale rumore oltre a mettere il filtro anti alias in ingresso si deve stabilizzare la tensione di alimentazione Infatti essendo un segnale che deve raggiungere ogni parte del circuito raccoglie inevitabilmente
2. Rilevatore di picco con rete diritardo Rilevatore di picco sfasatore di90 Schema a blocchi del circuito di ingresso SPADCAPMETER Filtro passa banda passivo Comparatore e tape ae gst o ase be ea gina the Sea eek Sekt e Monostabile con 555 Generatore di impulsi per trigger Circuito per stasatore digitale Circuito Interno delP LTCI417A Generatore di impulsi per SOC Circuito del convertitore Analogico Digitale Blocco USB del PICI8F4550 Moduli clock e PWM Schema modulo SPI Risposta in frequenza di un filtro passa banda e punti salienti Filtro a reazione multipla generico Filtro Passa Banda a reazione multipla generico Schemaattenuatore Schema completo generatore 50kHz Schema pompa di carica Filtro alimentazione operazionale Schermate dell Oscilloscopio Schema Orcad con PIC USB alimentatore e filtro 50kHz Schema Orcad catena di acquisizione Loprlel Layout rato a a a au Assembly Top del Layout 3 30 Scheda realizzata vista da sopra 59 3 31 Scheda realizzata vista da davanti 59 4 1 Colleg
3. Operatore Alimentatore Figura 1 Evoluzione del capacimetro Capitolo 1 Il fotodiodo SPAD Prima di iniziare a descrivere il progetto e lo sviluppo dello strumento di misura indispensabile focalizzare l attenzione sui dispositivi a semiconduttore atti a convertire un segnale luminoso in uno elettrico 1 1 Fotorivelatori 1 1 1 Principi di funzionamento dei fotodiodi Quando un fotone incide su un semiconduttore se ha un energia E gt Egap allora genera una coppia elettrone lacuna libera 4 Se tali portatori si trovano in una regione di svuotamento il campo elettrico presente tende a far derivare le cari che ci si traduce in una corrente esterna al dispositivo proporzionale al numero di fotoni incidenti Questa situazione si ottiene in un comune fotorivelatore p n L efficienza quantica del dispositivo cio il rapporto tra il numero di fotoni in cidenti e il numero di impulsi ottenuti in uscita proporzionale alla lunghezza della zona svuotata per aumentarla possibile applicare un campo elettrico molto elevato oppure drogare pesantemente le due regioni Una soluzione migliore consiste nell introdurre una regione intrinseca tra le regioni P ed N in questo modo possibile estendere la regione svuotata indi pendentemente dai drogaggi e dal campo elettrico applicato Questo dispositivo prende il nome di fotodiodo PIN Un ulteriore modifica consiste nell introdurre una regione pi sottile delle al tre
4. ph del Figura 1 3 Confronto tra i principi di funzionamento degli APD e degli SPAD e caratteristica l V Il singolo fotone assorbito attiva una corrente nel dispositivo che viene limitata esternamente a qualche milliamp re essendo il guadagno teoricamente infinito A causa di ci si perde la linearit in quanto una valanga prodotta da un solo fotone o da pi fotoni sono a livello macroscopico assolutamente identiche Occorre pertanto assicurarsi che il tasso di assorbimento di fotoni sia basso per evitare l assorimento di pi fotoni contemporaneamente Gli SPAD in silicio possono essere suddivisi principalmente in due tipologie a seconda della zona svuotata della giunzione p n Esistono dispositivi sottili thin in cui essa non oltrepassa 1 pm o spessi thick con zone di carica spaziale da 20 pm fino a 150 pm Le caratteristiche pi importanti di uno SPAD di tipo thin sono e tensione di breakdown da 10 V a 50 V e area attiva piccola da 5pm a 100 pm di diametro e buona efficienza quantica nel visibile 45 circa a 500nm 32 a 630nm 15 a 730nm e sufficiente nel vicino infrarosso 10 circa a 830nm 0 1 a 1064nm CAPITOLO 1 IL FOTODIODO SPAD Per quanto riguarda lo SPAD thick invece si tratta di dispositivi con e tensione di breakdown da 200 V a 500 V e area attiva grande da 100 pm a 500 pm di diametro e ottima efficienza quantica nel visibile pressoch costante al 50
5. ji Si passa quindi a cercare un filtro atti vo con amplificatori operazionali che ab G 3dB bia una selettivit sufficiente da attenua re le armoniche diverse dalla fondamen tale affich il segnale ottenuto sia sinusoidale 7 Tra tutte le tipologie di filtri attivi la fo f Figura 3 18 Risposta in frequenza di un filtro configurazione che presenta il miglior com passe banda e punt Salient promesso tra elevata selettivit e sempli cit quella dei filtri a reazione multipla del secondo ordine illustrata in Fig 3 19 Figura 3 19 Filtro a reazione multipla generico La funzione di trasferimento di tale schema si ottiene facilmente osservando che e il nodo B a massa virtuale e la corrente assorbita dall operazione nulla e le correnti del nodo A devono bilanciarsi Ci si traduce nelle seguenti relazioni 47 CAPITOLO 3 SPADCAPMETER h h h h Vi Va _ Va Va Va Vo RE 3 12 Zi Za 3 Z3 Va Vo Iz 3 13 senile 3 13 Z3 Va V 3 14 A Z 3 14 Da queste equazioni si riesce a ricavare la funzione di trasferimento T S ge nerale di tutti i filtri a reazione multipla del secondo ordine ricordando che le Z sono le impedenze EA Zizi UA II Eat Zeta Eats YA La configurazione del filtro passa banda si ottiene usando come Z1 3 e Zs delle resistenze mentre al posto di Z3 e Z4 dei condesatori come mostrato in figura Fig 3 20 Fi
6. CAPITOLO 4 SOFTWARE InizializeSystem La funzione InitializeSystem richiama al suo interno USBDeviceInit e UserInit la prima una funzione inclusa nel pacchetto Microchip per la gestione dell USB e permette come anticipato di configurare il blocco hardware USB per la corretta ricezione trasmissione dei dati La seconda invece riportata in 4 2 Codice 4 2 Userlnit void UserInit void stato NOP M Val 0 Mcompleted TRUE ALS 22H SPD ia SSS SSS SS SS A E SSPSTAT 0b01000000 SSPCON1 0b00100000 Enabling SPI I 0 DIR_SCLK OUTPUT_PIN DIR_SDATAout OUTPUT_PIN DIR_LTC1417_nBUSY INPUT_PIN DIR_LTC1417_nRD OUTPUT_PIN 5V GENERATOR DIR_CLKxM5V OUTPUT_PIN TIMER2 PWM FOR 50kHz GENERATOR PR2 59 SetDCPWM1 120 DIR_SIN50kHz OUTPUT_PIN OpenTimer2 T2_POST_1_1 amp T2_PS_1_4 CCP1CON 0b00001100 CCP1 PWM1 stato la variabile che controlla la macchina a stati che gestisce l acquisizione dei dati essa impostata inizalmente a NOP ovvero NoOPeration M val la variabile in cui si salvano i risultati delle misure e Mcompletea un flag che segnala il termine della misura Si passa quindi alla configurazione dei moduli 8 Per quanto riguarda la con figurazione del modulo SPI si devono impostare due registri SSPSTAT e SSPCON1 Per quanto riguarda il primo si focalizza l attenzione sui bit 7 e 6 che permettono
7. break default Nop break end switch if counter 0 if USBHandleBusy USBGenericInHandle USBGenericInHandle USBGenWrite USBGEN_EP_NUM BYTE amp INPacket counter a end if Re arm the OUT endpoint for the next packet USBGenericOutHandle USBGenRead USBGEN_EP_NUM __ BYTE amp OUTPacket USBGEN_EP_SIZE end if end ServiceRequests Si commenta in particolare il caso READ_SINGLE riga 40 se il precedente ciclo di misura stato completato Mcompleted 1 allora si imposta il secondo byte del pacchetto da spedire al PC INPacket con la costante oxAA scelta arbitrariamente per indicare l avvenuta conversione Se questa non ancora terminata si imposta 72 CAPITOLO 4 SOFTWARE a OxBB Il valore corrsipondente alla misura viene poi spezzato in due parti e messo nel terzo e nel quarto byte del pacchetto La variabile counter viene impostata a 5 lunghezza del pacchetto 1 e questa utile al software per l invio dei pacchetti A questo punto si pu resettare il flag di avvenuta conversione e impostare la macchina a stati per effettuare una nuova conversione stato ADC_START_MEASURE Tutto quello appena detto per READ_SINGLE si pu estendere a READ_IMP visto che i due casi sono praticamente identici tra loro tranne per il dato trasmesso e lo stato caricato In questo caso infatti viene trasmesso M_res MAX_MEAN in quanto M_res la somma di pi valori misurati e si imp
8. effettuato in Chap 4 1 1 A fianco del SIE ci sono alcune sotto periferiche di supporto che semplificano notevolmente l utilizzo di quest ultimo Per primo il transceiver interno il quale si occupa di convertire il livello di trasporto del SIE in livello fisico da mandare sul cavo Questo supportato da un regolatore di tensione che fornisce l alimentazione di 3 3 V richiesti dal livello fisico Un altro sotto blocco molto importante per aumentare la velocit di trasferi mento punto di forza della comunicazione USB rispetto agli altri standard diffusi in campo embedded la RAM dual port Questa mappata nella memoria del mi crocontrollore e permette la condivisione di dati tra il Core e il SIE La CPU pu quindi caricare dei dati in memoria e successivamente mentre il SIE li trasferisce essere libera di fare altre operazioni Il blocco USB anche fonte di molti segnali di Interrupt i quali sono gestiti da un modulo specifico che va poi a generare un unico interrupt alla CPU questi 40 CAPITOLO 3 SPADCAPMETER sono generati all arrivo di nuovi pacchetti e o a seguito di eventi speciali quali errori o condizioni trappola Essi vengono poi processati nel software in modo opportuno Un altra opzione fornita dal PIC18f4550 lo Streaming Parallel Port SPP il quale consente di trasferire molti dati ad una memoria esterna in modalit parallela Queste ed altre funzionalit sono illustrate in Fig 3 14 C
9. immediata quella di realizzare un rilevatore di picco sfruttando tali blocchi a disposizione La configurazione circuitale ottimale per fare ci illustrata in Fig 3 1 PSoC Peak Holder CT IN Buffer SC Buffer Holder Vout n Modulator A D Converter C t omparator 9 SC Comparator Figura 3 1 Schema di principio del rilevatore di picco con PSoC La tensione sinusoidale in ingresso viene memorizzata nel blocco SC buffer L uscita di tale holder deve essere convertita in digitale per una successiva elabo razione numerica Perci bisogna realizzare un campionatore affinch la tensione da acquisire sia esattamente il massimo della sinusoide in ingresso Un semplice sampler si ottiene usando un blocco comparatore che confronti la sinusoide in in gresso con la tensione memorizzata nel blocco SC buffer Ci funziona in quanto grazie ad un ritardo introdotto dall holder si compara il valore della sinusiode 24 CAPITOLO 3 SPADCAPMETER con lo stesso segnale nell istante immediatamente precedente Conseguentemente quando la differenza di queste due tensioni positiva l ingresso sta aumentando mentre negativa quando l ingresso sta diminuendo Questo si traduce in un fron te del comparatore in corrispondenza del massimo e del minimo della sinusoide Si pu quindi utilizzare questo segnale per abilitare o disabilitare il comando di clock del blocco a capacit commutate che quindi trasf
10. un comparatore che rilevi il passaggio per lo zero e una rete digitale che sfasi il segnale logico in uscita dal comparatore Tutto ci rappresentato schematicamente in Fig 3 5 Segnale Ingresso SPAD ADC MONO SOC STABILE ADC Figura 3 5 Schema a blocchi del circuito di ingresso SPADCAPMETER Nel dettaglio si studiano le singole parti del progetto 3 2 1 Filtro d ingresso Come anticipato serve un filtro passa alto per eliminare la componente continua del segnale Inoltre necessario un filtro anti alias cio passa basso con frequenza di taglio uguale alla banda del segnale nel caso ideale in ingresso all ADC Quindi il segnale prima di essere convertito subisce un filtraggio passa banda Tuttavia il filtraggio anti alias serve solo per la conversione analogica digitale quindi da tale rete bisogna ottenere un segnale filtrato in banda e uno senza componenti a basse 28 CAPITOLO 3 SPADCAPMETER frequenze I filtri pi semplici sono quelli passivi del primo ordine Mettendo in cascata un passa alto e un passa basso di questo tipo si riesce ad avere una funzione di trasferimento tipica del filtro passa banda e ad estrarre facilmente il segnale a valle del solo filtro passa alto Di conseguenza la rete scelta mostrata in Fig 3 6 gt COMP I due filtri passivi si possono studiare indipenden Chp ae temente tenendo conto che le frequeze di taglio non Ri PR siano vicine Infatti se esse hanno valori s
11. La ALU provvista di un solo registro di accumulazione WREG mappato in memoria e di un registro di stato STATUS Lo STATUS Register prevede 5 flag 1 N Negative bit indica se il risultato in W negativo 2 OF OverFlow bit indica se il 7 bit ha fatto un overflow 3 Z Zero bit indica se W 0 4 DC Digit Carry Borrow bit indica un eventuale riporto nel 1 nibble di W 5 C Carry Borrow bit indica un eventuale riporto in W Per quanto riguarda le memorie il PIC18F4550 dotato di 2 kbyte di memoria RAM per i dati di 32 kbyte di memoria FLASH per il programma e di 256 byte di EEPROM per la memorizzazione di dati non volatili La memoria RAM mappata in 16 banchi da 256 byte cadauno I primi 8 sono dedicati alla memo ria per l utente mentre i restanti sono occupati dai registri interni al sistema La memoria FLASH a differenza della RAM sfrutta celle da 16 bit e pu quindi conte nere 16 k istruzioni questo possibile grazie all architettura Harvard come citato prima Essa puntata dal registro TBLPTR Infine la EEPROM che capace di sostenere fino a 1milione di cicli di scrittura e mantenere i dati memorizzati per un periodo non inferiore ai 40anni accessibile mediante alcuni registri mappati in memoria Clock e PLL Un altra importante sezione del microcontrollore quella che si occupa della ge nerazione e della successiva distribuzione del clock all interno del dispositivo E noto infat
12. Output TMR2 E Es c di PRE Clear Timer TRIS bit ni YAN CCPx pin and PR2 latch D C a Schema semplificato generatore di clock e b Schema modulo PWM PLL Figura 3 16 Moduli clock e PWM Timer Il PIC18F4550 dispone di ben 4 moduli di Timer ognuno con particolari carat teristiche Tutti e quattro sono a 16 bit possono funzionare con un ampia scelta di segnali di clock e possono generare una serie di segnali di interrupt Inoltre alcuni di essi sono in grado di lavorare come contatori di eventi esterni al PIC o di generare delle forme d onda In particolare questa una funzione molto utile per il progetto presentato in questo elaborato Per svolgere ci i timer si devono appoggiare al modulo denominato Capture Compare PWM CCP Analizziamo qui di seguito la struttura del Timer 2 e del modulo PWM ripor tata in Fig 3 16 b che sono quelli utilizzati nel progetto Il clock di sistema o 5 Je a meno di utilizzare quarzi overtone Phase Looked Loop 43 CAPITOLO 3 SPADCAPMETER un suo sottomultiplo va ad incrementare il registro TRM2 il quale viene confron tato con il contenuto di PR2 che il registro di periodo per generare un segnale Questo viene poi utilizzato dal modulo PWM per settare un latch SR Il reset di tale latch viene invece generato dalla comparazione tra TRM2 e CCPPR nel quale memorizzato un valo
13. USB hardware in quanto la maggior parte dei microcontrollori non possiedono questo blocco La parte fondamentale di questa periferica il Serial Interface Engine SIE che si occupa di tutta la gestione del protocollo USB il quale non una semplice comunicazione asincrona come una normale RS232 ma molto pi articolata questo giustifica l importanza della presenza del blocco hardware dedicato che 39 CAPITOLO 3 SPADCAPMETER PIC18FX455 X550 Family GSi Sei a i a i i ii li Ci i ci a 3 3V Regulator I i External 3 3V AX Vuss Supply VREGEN EN l I Optional q Jo P I External l Pull ups 2 FSEN p 4 3 UPUEN bs I Internal Pull ups I Full Low UTRDIS I Speed Speed Transceiver i EA A A USB B us USB Clock from the FS lt J 4 X D 4 Oscillator Module TTT I SG uoe gt TS D Y SA aci External Tx UOE Transceiver USB Control and gt I X vm ra 3 USB Bus Configuration X ve lt a I le di lez RCV 1 au gt H e USB MJI I I gt X VMO A 4 SIE Y RX veo X SPP7 SPPO 1 Kbyte nl PRI CK1SPP USB RAM X CK2SPP I csspp CIX OESPP Figura 3 14 Blocco USB del PIC18F4550 gestisce la comunicazione in quanto altrimenti sarebbe impensabile realizzare il tutto via software Un accenno al protocollo USB sar
14. a partire da 540nm fino a 850nm e buona nell infrarosso circa 3 a 1064nm Tali dispositivi in silicio divengono praticamente inutilizzabili a lunghezze d on da superiori a 1 1 pm escludendo l importante terza finestra di trasmissione in fibra ottica Sempre per quanto concerne questi tipi di SPAD l innesco della valanga do vuto al campo elettrico di svuotamento superiore al limite di 300kV cm grazie alla polarizzazione ad una generica V gt Vg tensione di breakdown un proce dimento molto rapido con un tempo di salita del fronte di corrente dell ordine dei nanosecondi o anche solo di qualche centinaio di picosecondi Tale fronte fornisce informazione sull istante d arrivo del fotone con pochi picosecondi di jitter La corrente tuttavia continua a fluire nel dispositivo a meno di non ridurre la pola rizzazione V a valori inferiori a Vg laddove il funzionamento dello SPAD diventa il medesimo di un normale APD al fine di consentirne lo spegnimento spontaneo in preparazione di un fotone successivo Negli SPAD non solo i fotoni assorbiti innescano la valanga ma anche i porta tori generati termicamente per cui il fotodiodo produce impulsi di corrente anche in assenza di illuminazione tali impulsi sono chiamati conteggi di buio Questo fenomeno visibile anche nella caratteristica in Fig 1 3 dove si notano dei re pentini salti tra le due curve La loro fluttuazione statistica legge Poissoniana rappresenta la s
15. componente contiuna realizzando la rete consigliata in 6 Per evitare collegamenti sbagliati o cortocircuiti si preferisce usare un fusibile autorigenerante di 350 mA che protegge sia il circuito sia la porta USB utilizzata Inoltre indispensabile filtrare tutte le alimentazioni in prossimit di ogni integrato per eliminare i disturbi che si accoppiano alle tensioni di alimentazione Solitamente tale filtraggio si effettua con una coppia di condensatori in parallelo uno dell ordine dei uF e uno nell ordine del centinaio di nF in particolare con quest ultimo praticamente attaccato al piedino di alimentazione del device In particolar modo ADC e l operazionale at Re torno al quale progettato il filtro passa banda ri ai chiedono un alimentazione estremamente pulita da T or rumori nel primo caso per non sbagliare la con versione e nel secondo caso per evitare che disturbi Figura 3 24 Filtro alimentazione operazionale perturbino la stabilit del sistema Per quanto ri guarda il convertitore tale filtraggio viene discusso nel capitolo 3 2 1 mentre 53 CAPITOLO 3 SPADCAPMETER per l operazionale si sceglie un filtro passa basso passivo del primo ordine come mostrato in Fig 3 24 Precisamente ci indispensabile per l alimentazione negativa in quanto generata partendo da un onda quadra Per ridurre la banda passante in bassa frequeza si scelgono Ryp 47 Qe Crp 10 pF In tal modo si ottiene una
16. dati in una sola direzione Quando un dispositivo connesso ad un host parte una procedura di enumerazione questa consiste nell assegnazione da parte del master di un indirizzo per la periferica Se il dispositivo supportato dall host allora avviene un installazione dei driver e infine esso abilitato a trasmettere Un vantaggio consiste nel fatto di essere plug and play ovvero possibile connettere nuove periferiche mentre il PC in funzione Inoltre sul cavo sono presenti fili che permettono di alimentare periferiche a bassa potenza 5 volt con al massimo 500 mA In questo modo si possono evitare gli alimentatori esterni Esistono attualmente tre tipi di connessione USB e connessione low speed USB 1 0 con velocit di 1 5 Mbit s e connessione full speed USB 1 1 con velocit di 12 Mbit s e connessione high speed USB 2 0 con velocit di 480 Mbit s 61 CAPITOLO 4 SOFTWARE ovviamente tutti questi standard sono retrocompatibili Il microcontrollore scelto in grado di lavorare in modalit full speed Il segnale trasmesso sul canale trasmissivo di tipo differenziale e con livelli logici di 3 3 V La scelta della velocit di trasmissione selezionata variando l impedenza di terminazione della linea La comunicazione sul bus avviene mediante pacchetti di dati Inizialmente i pacchetti sono inviati dall host a tutti i dispositivi ma solo il dispositivo interes sato alla comunicazione risponde Do
17. della curva caratteristica dello SPAD Per far ci bisogna impostare dei controlli In particolare bisogna definire tutti i valori di tensione in corrispondenza dei quali si vuole conoscere la capacit dello SPAD Una volta settati tutte queste impostazioni prima di iniziare l acquisizione viene visualizzato un messaggio per consentire all operatore di verificare che il 76 CAPITOLO 4 SOFTWARE fotodiodo sia polarizzato alla stessa tensione indicata dal programma La prima parte di acquisizione ed elaborazione del singolo dato uguale a quella usata nella sezione Misura Singola ma si differenzia dal fatto che come misura si ottiene la media su un numero prestabilito dall utente di dati acquisiti Tale valore si ottiene a seguito di altre impostazioni Alla fine di ogni misura si salva in un array il valore acquisito e la corrispondente tensione impostata Questi dati vengono mandati al successivo blocco con la funzione di visualizzarli su un grafico Infine tali dati possono essere salvati in file di testo oppure come file immagine Taratura ue bestfitGraph Improved Y Tar rr prosa 4 Global vars vi getMeasure vi Le Figura 4 4 Diagramma LabVIEW taratura E la sezione dedicata alla taratura dello strumento Essa realizzata inseren do il valore noto della capacit che si sta misurando Avviando l acquisizione cio premendo il tasto Tara il VI attribuisce al codice le
18. dialogo con il VI stesso 4 2 2 Programma LabVIEW Per gestire al meglio lo strumento di misura vengono indivudate cinque sezioni principali Misura Singola E la sezione dedicata all acquisizione continua del valore della capacit ottenuta mediante il diagramma illustrato in Fig 4 2 A seguito di un comando di START scegliendo su quanti valori acquisiti si vuole effettuare una media il blocco Get 74 CAPITOLO 4 SOFTWARE Figura 4 2 Diagramma LabVIEW acquisizione singola misura Measure vi acquisisce il dato dal PIC che attraverso i coefficienti ottenuti nella sezione TARATURA converte in capacit Si pu abilitare un comando che sot trae al valore acquisito la capacit di correzione dovute ai parassitismi Tale valore viene mandato ad un blocco che calcola la media e la varianza su un numero di dati impostati da un ulteriore controllo ed entrambi poi visualizzati in un grafico blocco Chart Contemporaneamente il blocco Array Max amp Min PtByPt memo rizza il massimo e il minimo dei valore acquisiti Questi valori insieme alla media e alla deviazione standard vengono visualizzati su label Cparassite Figura 4 3 Diagramma LabVIEW misura capacit parassite E la sezione dedicata alla misurazione delle capacit parassite Si possono misurare le tre capacit Cag Cga e Cex tenendo fissa la tensione di polarizza zione seguendo il diagramma di flusso illustrato in Fig 4 3 Qui vengono ric
19. due puntatori k_mean e k_mode vengono azzerati Si passa quindi allo stato ADC_IMP2 Codice 4 5 Stato ADC IMP case ADC_IMP clear temp array for k_mean 0 k_mean lt MAX_MEAN k_mean 4 M_mean k_mean 0 for k_mode 0 k_mode lt MAX_MODE k_mode 4 M_mode k_mode 0 k_mean 0 k_mode 0 stato ADC_IMP2 break Lo stato del codice 4 6 fa in modo di produrre un valore da salvare nella varia bile M_res che calcolato come la somma di MAX_MEAN valori ottenuti a loro volta come la moda di MAX_MEAN acquisizioni dall ADC Questo permette di eliminare eventuali campioni inesatti filtro mediano e di fare un filtraggio passa basso media Se il contatore del numero di mode effettuate minore di MAX_MODE allora si passer allo stato ADC_IMP_M analogo a ADC_START_MEASURE il quale legge una sin gola misura dall ADC la salva in M_mode k_mode e poi ritorna allo stato attuale avendo incrementato il contatore k_mode Una volta raggunto il massimo il vettore M_mode viene ordinato mediante l algoritmo Insertion Sort e viene salvato il valore di mezzo nel array M_mean alla posizione k_mean che viene successivamente incre mentata Una volta che anche k_mean raggiunge il suo valore massimo MAX_MEAN allora si possono sommare tutti gli elementi del vettore M_mean e salvare il risultato in M_res Viene settato il flag Mcompleted e lo stato passa a NOP 69 10 12 14 16 18 20 10 12 14 16 CAPITO
20. e catodo del dispositivo non si ot tiene la misura desiderata cio Cag Questo dovuto alla presenza di due capacit parassite tra i contatti anodo substrato e catodo substrato come precedentemente illustrato in Fig 1 4 14 CAPITOLO 1 IL FOTODIODO SPAD La capacit misurata tra anodo e catodo Car dunque Cha hi Chk Cies O pp SIE 1 10 a AN io Analogamente si possono ricavare le formule di ci che si ottiene misurando Cpa e Cex Unendo queste informazioni si arriva alla scrittura del seguente sistema Coa Cak Car oat Cak C CBA Cha GEE 1 11 Cha Ca CBK Coe Chak Cnn la cui risoluzione fornsce Cox Cok e Cha ovvero gli effettivi valori della capacit di svuotamento e delle due capacit parassite all interno dello SPAD E importante notare che solo la capacit Cj cambia al variare della tensione di polarizzazione mentre le capacit parassite sono indipendenti da essa 15 Capitolo 2 Capacimetro per diodi polarizzati 2 1 Requisiti dello strumento di misura Da quanto illustrato nel capitolo precedente si ricava che un capacimetro adatto per SPAD deve e essere in grado di misurare con un alta precisione le capacit tipiche che assume il dispositivo per essere sicuri si prende un intervallo da 0 1pF a qualche decina di pF e rispettare dei criteri progettuali rivolti a minimizzare i parassitismi capacitivi interni e consentire la corretta p
21. fortemente drogata come in Fig 1 1 Nonostante la tensione applicata sia CAPITOLO 1 IL FOTODIODO SPAD e Regione di gt Assorbimento Regione di Valanga Figura 1 1 Rappresentazione schematica di un APD e campo elettrico al suo interno inferiore a quella di breakdown nei pressi della giunzione n p il campo elettrico cos elevato da accelerare gli elettroni fotogenerati sino al raggiungimento di un energia tale da liberare nuovi portatori e quindi innescare un processo di mol tiplicazione a valanga vedi Fig 1 2 Da ci il nome di Avalanche Photo Diode APD In questo modo la corrente generata molto maggiore rispetto a quella di un PIN E o O po gt a AE 0 o a O O p n Regione di valanga Figura 1 2 Processo di ionizzazione ad impatto e conseguente innesco della valanga 1 1 2 Il Single Photon Avalanche Diode Uno SPAD un tipo di fotodiodo a valanga progettato per essere polarizzato al di sopra della tensione di breakdown anzich al di sotto come nei classici APD CAPITOLO 1 IL FOTODIODO SPAD Il superamento di questo limite fa s che il fotone incidente sull area attiva anzi ch dare origine ad una valanga che spontaneamente si esaurisce all esaurimento del flusso fotonico d origine ad una valanga di tipo rigenerativo ovvero con la propriet di autosostenersi per un tempo indeterminato in mancanza di uno spegnimento esterno del rivelatore Fig 1 3 n p
22. ideale finch non interviene il guadagno d andata ovvero si ha un polo che attenua il guadagno reale Tale polo si ha alla frequenza f tale che Gy G4 Anche per il guadagno d andata i poli non subiscono variazioni dovute a modifiche del valore di C4x Tuttavia sia G che Gu hanno un guadagno in banda piatta strettamente dipendente dalla capacit dello SPAD Pi precisamente all aumentare di tale capacit il guadagno ideale in banda piatta aumenta molto pi velocemente di quello di andata Questo porta a spostare il punto d incontro tra i due guadagni causando una diminuzione di fr e quindi il restingimento della banda dove il guadagno vale effettivamente Cak Cy Si pu quindi chiarire il discorso illustrando come in Fig 2 3 gli andamenti di questi guadagni disegnando la f in un punto arbitrario ma sensato Dall analisi sperimentale si pu succesivamente capire nel caso specifico come varia la banda piatta in funzione della capacit dello SPAD 2 4 Osservazioni Bisogna notare che l operazionale presenta una capacit d ingresso e nel circuito sono presenti dei parassitismi che rendono impreciso lo studio precedentemente svolto Pur quanto si cerca di minimizzare tali effetti non si possono eliminare completamente Di conseguenza risulta scomodo svolgere calcoli sapendo gi che i risultati ottenuti non sono coerenti con la realt L approccio pi sensato effettuare un analisi sperimentale facendo uno swe
23. inserito nel circuito Premendo il pulsante 3 si acquisisce il valore lo si salva in tabella e lo si visualizza in un grafico Durante tale operazione una barra di stato ne visualizza il progresso Nel caso un valore sia stato acquisito in modo scorretto si pu cancellare la riga nel quale contenuto attraverso il pulsante 4 Oppure si possono cancellare tutti i valori per fare una nuova taratura con il controller 5 Una volta acquisiti i valori vengono calcolati i coefficienti della retta che interpola i dati Essi vengono visualizzati nelle label slope e intercept Per finire i pulsanti 6 e 7 permettono rispettivamente di caricare i dati salvati in precedenti misure e salvare i dati ottenuti con la taratura appena effettuata 5 2 2 Cparassite In questo pannello mostrato in Fig 5 2 si effettua la misura delle due capacit parassite Cek e Cha La prima operazione quella di fissare un valore della tensione 80 CAPITOLO 5 ISTRUZIONI PER L USO SpadCapMeter v0 5 Misura Singola Cparassite Misura Caratteristica Taratura opzioni td slope Capacit di Test 0 000 3 pF 1 409 7850E 18 Carica Taratura 6 intercept Numero Medie 100 3 2 363 9763E 15 Salva Taratura 7 mse 3 4 5 0 0000 0 Tara Cancella Tutto Cancella Riga Data Ba Best Fit 2 8E 11 Capacit Raw StdDev ne cap La 2 6E 11 2 4E 11 2 2E 11 2E 11 1 8E 11 v 2 1 6E 11 2 T 1 4E 11
24. le capacit Can Cex e Cea tutte con Va 0 e il programma ha calcolato il valore delle due capacit tra i contatti di anodo e catodo ed il substrato A tal punto nel pannello delle opzioni stata abilitata la correzione delle 85 CAPITOLO 6 MISURE SPERIMENTALI 10772 4 3 5 3 F 2 5 J 2L i i i i i i Ly 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Figura 6 1 Grafico della caratteristica dello SPAD al Silicio capacit parassite Per evitare di superare la tensione di breakdown dello SPAD e stato impostato un set di valori di polarizzazione con distribuzione lineare da 0 V a 15 V suddivisa in 16 valori La curva ottenuta visualizzata in Fig 6 1 Durante questa ed altre misure effettuate si notato che tenedo lo SPAD al buio i risultati ottenuti sono stati pi accurati La curva caratteristica ottenuta mostra come la capacit anodo catodo diminuisca all aumentare della tensione di polarizzazione dello SPAD Questo andamento prevedibile poich all aumentare di V aumenta l ampiezza della regione svuotata e quindi la capacit di giunzione diminuisce 86 CAPITOLO 6 MISURE SPERIMENTALI slope 667 6888E 18 Carica Taratura intercept 89 7925E 15 Salva Taratura mse 583 3033E 30 Data Best Fit Capacitance 1 1 1 1 2000 4000 6000 8000 raw a Schermata taratura Acquired Yalues Mean Chart StdDev 2 2155E 12 py 520E 18 2 215E 12 x x
25. non viene mantenuta costante e non ottimale in quanto i segnali sinusoidali in gioco hanno ampiezze basse centinaia di mV Alternativamente si pu realizzare una linea di ritardo per avere una sinusiode opportunamente sfasata da comparare con l originale ottenedo quindi un segnale logico in particolare lo Start of Conversion dell ADC Esso ha le stesse funzioni e caratteristiche di quello ottenuto nel caso del PSoC con la differenza che non viene mantenuto il valore di picco della sinusoide Quindi il ritardo deve essere tale da far commutare il comparatore in corrispondenza del massimo della sinusoide sfasata Tale rete si pu ottere con un filtro passa tutto realizzato ad amplificatori operazionali dove lo sfasamento dipende dalla costante di tempo RC Tuttavia questo uno stadio invertente quindi per confrontare il segnale in uscita con quello originale si deve aggiungere un ulteriore amplificatore in configurazione invertente Ci si traduce nel circuito in Fig 3 3 Figura 3 3 Rilevatore di picco con rete di ritardo Come si pu notare tale schema ha degli svantaggi poich complesso in quanto presenta un numero elevato di componenti e richiede una taratura della costante di tempo precisa e dipendente dal tempo di risposta del comparatore Inoltre il segnale da inviare all ADC non la sinusoide in uscita del Capacimetro per diodi polarizzati bens quella in uscita dal secondo operazionale Il passo consecu
26. pF ecco cosa si ottiene R 103k0 R2 6300 R5 118 KQ In particolar modo si nota che R ottenura come parallelo tra R e Ro praticamente uguale a quest ultima Di conseguenza dalla 3 19 si evince che variando R si modifica la frequenza ma di conseguenza dalla 3 18 anche la selettivit Si sceglie usare al posto della resistenza commerciale pi prossima al valore ottenuto una resistenza di 5609 in serie ad un trimmer di 200 che consentono una taratura Infine per le altre due resistenze si scelgono i valori commericiali che pi si avvicinano a quello teorico Per la precisione R 100k0 e R5 120k0 Tuttavia si deve prestare attenzione al fatto che un carico resistivo in uscita pu alterare il funzionamento del filtro fino a renderlo instabile e facendolo oscilla re Per ovviare a tale problema si aggiunge un buffer che fornisce in uscita ci che 49 CAPITOLO 3 SPADCAPMETER legge in ingresso indipendentemente dal carico Questo viene garantito in quan to l operazionale in tale configurazione non assorbe corrente e ha una resistenza d ingresso infinita e quindi come se fosse un circuito aperto Inoltre bisogna fare in modo che l ampiezza della sinusoide in uscita sia esat tamente 0 1 V La modifica di R Ra ed Rs sconsigliata in quanto si variano le altre caratteristiche essenziali del filtro In pi come appena illustrato preferi bile evitare di modificare l uscita del passa banda Da c
27. sinusoidale da usare nel primo circuito analizzato cio il Capacimetro per diodi polarizzati sempre con l obiettivo di ridurre al minimo la strumentazione esterna richiesta Tale se gnale deve avere una frequenza di 50 kHz Il PIC tuttavia in grado di fornire in uscita segnali logici con livello basso corrispondente a 0 V e livello alto V di fre quenza impostabile Si ricorda che l onda quadra si pu vedere grazie all analisi e alla trasformata di Fourier come somma di componenti armoniche sinusoidali con la caratteristica fondamentale di aver frequenza multipla di quella del segnale pi una componente continua Dal momento che si conosce precisamente la frequenza del segnale che si vuole ottenere si pu generare un onda quadra e mandarla in un filtro passa banda Ovvero con il PIC semplice generare un segnale logi co periodico con DC del 50 a 50kHz per poi si deve realizzare un circuito analogico in grado di eliminare tutte le componenti del segnale tranne l armonica 46 CAPITOLO 3 SPADCAPMETER fondamentale ed in pi di attenuarla o amplificarla Un filtro passa banda come quello illustrato in Chap 3 2 1 non rappresenta minimamente la soluzione richie sta in quanto ha una selettivit Q fo Af molto bassa Con selettivit si intende semplicemente il rapporto tra la frequenza centrale del filtro passa banda e la differenza delle due frequenze corrispondenti a 3 dB del guadagno vedi Fig 3 18
28. sul fronte di discesa dell onda in uscita dal comparatore Anche questa configurazione presenta un difetto che non pu essere trascurato all aumentare dell ampiezza del segnale sinusoidale l amplificatore operazionale della rete ritardante introduce offset non controllabile Di conseguenza il fronte di discesa del SOC non si verifica nell istante in cui la sinusoide raggiunge il valore massimo acquisendo una tensione sbagliata Per ovviare a questo problema si pu pensare di realizzare una rete tale da rilevare il passaggio per lo zero della sinusoide in ingresso e successivamente ri 27 CAPITOLO 3 SPADCAPMETER tardare dello stesso tempo un quarto di periodo il segnale logico in uscita dal comparatore Realizzando il circuito si ottiene un onda quadra con le stesse carat teristiche della rete precedente ed inoltre con i fronti che non risentono l influenza dell ampiezza dell ingresso 3 2 Front end analogico Riprendendo i risultati ottenuti nel paragrafo precedente si raggiunge la soluzione circuitale ottimale per la rilevazione del massimo del segnale d ingresso Non bisogna dimenticare che tale tensione potrebbe avere un offset indesiderato Il metodo migliore per evitare errori introdotti da questa componente del segnale d ingresso introdurre un filtro A questo punto ci sono tutti gli elementi per progettare il circuito definitivo del front end analogico Ricapitolando occorre un filtro in ingresso
29. usa per lo shift del registro SSPSR mentre se slave riceve il clock dall esterno e lo utilizza solamente per lo shift 44 CAPITOLO 3 SPADCAPMETER Programmazione mediante bootloader Un altra interessante caratteristica di questo microcontrollore la possibilit di programmazione con il bootloader Esso consiste in un piccolo programma cari cato a bordo del PIC il quale all accensione controlla la presenza di un segnale in ingresso Se esso presente avvia una comunicazione con il PC attraverso l inter faccia USB Mediante un opportuno software possibile inviare il programma al microcontrollore il quale provvede a scriverlo in FLASH partendo da un indirizzo tale da non sovrascrivere la parte di codice del bootloader Ci consente di rea lizzare una facile ed efficiente programmazione IN CIRCUIT del dispositivo senza utilizzare programmatori esterni Bisogna sottolineare la necessit di caricare la prima volta tale bootloader sul dispositivo tramite un apposito programmatore 3 4 2 Configurazione hardware Visto il funzionamento del microcontrollore e le esigenze del sistema in progetto serve sviluppare la circuiteria necessaria per la temporizzazione la programma zione IN CIRCUIT e i collegamenti verso le altre periferiche Per quanto riguarda il clock come precedentemente detto bisogna utilizzare un quarzo da 4 MHz collegato ai pin 0SC1 e 0SC2 Per l innesco delle oscillazioni come consigliato dal datas
30. x x ES 500E 18 2 2145 12 S x BA 4808 18 A80PI5 2 214E 12 460E 18 2 2135E 12 440E 18 2 213E 12 2 2125E 12 1 420E 18 986 92E 0 1 09E 3 Time b Schermata misura singola CAK Misura CBK K A Misura CBA Misura CAK CBK CBA CAK CBK CBA 2523 98 f 5411 25 ff 4 27950 pF B sigma CBK sigma CBA sigma CAK 0 501995 fF 0 794039 fF 626 077 aF Data Misura CBK Data Misura CBA Data Misura CAK 11 53 03 16 07 2009 11 51 46 16 07 2009 11 53 57 16 07 2009 Cbk Cba 258 637 fF 5168 2 fF Carica Misure Salva Misure c Schermata capacita parassite Figura 6 2 Schermate durante la misura 87 Capitolo 7 Conclusioni e prospettive future 7 1 Conclusioni Nel lavoro svolto stato progettato e realizzato un sistema di precisione di facile utilizzo in grado di misurare la capacit di giunzione di un fotodiodo SPAD Questa informazione utile nel progetto del circuito di spegnimento passivo in gated mode con prelievo differenziale In particolare utilizzando un segnale di abilitazione veloce fronte di salita nell ordine di 100 200 ps la misura viene usata per il dimensionamento di Cay ovvero la capacit inserita nel ramo speculare a quello dello SPAD in questa tipologia di circuiti In questo modo vengono soppressi i disturbi all ingresso del comparatore introdotti dal segnale di gating Ci consente di minimizzare il jitter del segnale d uscita Lo strumento in grado di mis
31. 3 1 1 Il PSoC Un PSoC come lascia sottointendere il nome un System on Chip ovvero un dispositivo che include molte funzionalit in un unico chip Esso infatti composto da blocchi configurabili analogici e di logica digitale interconnessi mediante una rete programmabile E composto principalmente da quattro zone 1 Core PSoC include una CPU memoria un generatore di clock e dei pin di ingresso uscita configurabili 2 Sistema Digitale composto da 16 blocchi basati su architettura a 8 bit 3 Sistema Analogico composto da 12 blocchi ciascuno costruito attorno ad un amplificatore operazionale 4 Risorse di Sistema con decimatore MAC hardware riferimenti di tensioni Il clock che governa la CPU generato internamente a 24 MHz Programmando il dispositivo si stabiliscono le interconnessioni tra queste parti del chip creando il proprio sistema personalizzato I principali blocchi che si possono usare sono e Convertitori analogico digitale e Filtri e Amplificatori amplificatori da strumentazione e Comparatori 23 CAPITOLO 3 SPADCAPMETER Convertitori digitali analogici e DAC moltiplicatori PWMs e PWM con tempo morto Contatori e timers UART SPI e I2C slave e master I blocchi analogici sono organizzati in quattro colonne da tre ciascuna delle quali include un blocco a tempo continuo CT e due a capacit commutate SC 3 1 2 Rilevatore di picco con PSoC La soluzione pi
32. 555 fronte negativo in uscita dal comparatore si porti al valore non stabile cio li vello logico alto tornando al valore stabile fornendo quindi un fronte di discesa esattamente Tsin 4 5 ps dopo la perturbazione ricevuta in ingresso Il circuito che rispecchia in modo ottimale le caratteristiche appena esposte la configurazione di Fig 3 8 che usa l integrato NE555 come monostabile Questo devices presenta le seguenti caratteristiche principali e tensione di alimentazione da 4 5 V a 16 V e tempo di risposta di 100 ns e corrente massima assorbita dall alimentazione di 15 mA 32 CAPITOLO 3 SPADCAPMETER e errore di temporizzazione contenuto entro 1 1 del valore teorico Tale integrato nella configurazione illustrata in Fig 3 8 necessita di un impulso spike negativo in ingresso e perturba l uscita da livello logico basso a quello alto per un tempo fissato dalla rete composta da Ry e Cy Pi precisamente Tu ln 1 3 Rm Cu 1 1 Ru Cm 3 7 Tale tempo deve essere quindi pari a 5 ps Fissando Cy 1 nF si ottiene quindi Rm 4545 Ovviamente tale valore non esiste commercialmente ma pu essere ottenuto con un trimmer da 5kQ Ci si traduce inoltre nella possibilit di tarare il circuito in maniera da rilevare il massimo nel modo ottimale Per evitare che in fase di taratura accidentalmente il trimmer sia nella posizione corrispondente a resistenza nulla si aggiunge in serie una resistenza di protez
33. 7 2 Sviluppi futuri e prospettive Per rendere completamente indipendente lo strumento bisogna sviluppare una adeguata sezione di alimentazione e 15 V per il funzionamento del Capacimetro per diodi polarizzati e con una tensione variabile con continuit da 0V sino a circa 100 V per la polarizzaione dello SPAD Una possibile soluzione presentata nel successivo paragrafo Altre prospettive di sviluppo per il futuro sono e la realizzazione di uno strumento unico formato dal Capacimetro per diodi polarizzati dallo SPADCAPMETER e dall alimentatore e determinare ogni quanto tempo si ha la necessit di ritarare lo strumento e lo sviluppo di driver di comunicazione USB per i sistemi operativi UNIX e MAC il software gi compatibile con essi 7 2 1 Alimentatore Partendo dall alimentazione singola fornita dall USB si pu progettare un op portuno convertitore DC DC che generi le tensiona di 15 V necessaria per il Capacimetro per diodi polarizzati Prima di far ci bisogna sempre controllare 89 CAPITOLO 7 CONCLUSIONI E PROSPETTIVE FUTURE che la corrente assorbita oltre a quella usata dallo SPADCAPMETER sia infe riore a 500 mA ovvero la massima che l USB pu fornire Stimato il consumo dello strumento sicuramente non superiore ai 100 mA restano ancora 400 mA Questi devono essere ripartiti tra i 15 V e i 15 V e siccome si vuole partire da una tensione di 5 V la corrente mass
34. A 1 2E 11 v 1E 11 8E 12 6E 12 4E 12 2E 12 07 1 1 1 1 0 20000 40000 60000 80000 Figura 5 1 Schermata taratura di polarizzazione e non modificarlo fino al termine di guesta sessione di misure Tramite il controller 4 si imposta il numero dei dati da mediare per ottenere il valore desiderato Successivamente si inserisce nel circuito lo SPAD collegando i piedini B e K poi si preme il tasto 1 Finita l acquisizione vengono visualizzati nelle label CBK e sigma CBK il valore misurato e la sua incertezza In seguito si svolgono le altre due acquisizioni misurando CBA mediante il controller 2 e CAK attraverso il pulsante 3 avendo cura di inserire lo SPAD in modo opportuno Al termine di ci vengono mostate nelle label Cbk e Cba le capacit parassite Questi due valori servono nelle sezioni successive Infine ci sono i controller 5 che permettono di usare dati precedentemente salvati e il 6 per salvare quelli appena acquisiti e calcolati L uso di queste informazioni pu essere disabilitato tramite un opzione nella scheda Opzioni 81 CAPITOLO 5 ISTRUZIONI PER L USO SpadCapMeter v0 5 Misura Singola Cparassite Misura Caratteristica Taratura Opzioni Caricato Config2 ini CAK 1 2 3 Misura CBK A Misura CBA Misura CAK CBA CAK CBK CBA 287 500 fF 255 560 fF 0 00000 pF sigma CBK sigma CBA sigma CAK 0 900000 E 0 620000 F 0 00000 aF Data Misura CBK Data M
35. ETER SpadCapMeter o lt D m m ge w 3 o o 3 019 e Ja 69 Sw YLTVITLA 1M 00 O ONS 661848 AT LY voce 619 fe Td F 1008 MS NI TUNSIS 1N0 T1YN9IS Tr B o o ati Jak D1N4148 D1N4148 R19 Figura 3 29 Assembly Top del Layout 58 CAPITOLO 3 SPADCAPMETER Figura 3 30 Scheda realizzata vista da sopra Figura 3 31 Scheda realizzata vista da davanti 59 Capitolo 4 Software Terminato il progetto della sezione hardware si deve sviluppare il firmware del microcontrollore e un opportuno software per la gestione dello strumento da PC 4 1 Microcontrollore Per prima cosa viene sviluppato il programma per la gestione del PIC18F4550 Esso infatti deve occuparsi delle seguenti operazioni gestire la comunicazione verso il computer tramite l interfaccia USB leggere il dato dal convertitore A D via SPI elaborare digitalmente il segnale e configurare opportunamente i moduli hardware interni al PIC Per scrivere il firmware si preferisce usare il linguaggio C al posto dell assem bler sia per la sua semplicit che per vantaggi intrinseci al dispositivo scelto Esso infatti nonostante sia RISC presenta delle istruzioni ottimizzate per l esecuzione di un codice generato da un compilatore C Il tool di sviluppo utilizzato PM PLAB mentre il
36. INLOON ON ep 1008 ODdOIMOOVON ET OdAZd99 6NY 9Y ONAZLNI SNY ZH 7 10SM1S LNI O 12 88 rr vas 108 017 01N1 21Nv 088 pS _ pon onna y SSA Cld LddS L0Y ps 91d 9dd8 904 H_ 8ld SddS s08 ER bddS v0dy RS 008 10 X8 08 KH ASNEU nol u00 19 filtro 50kHz imentatore e Schema Orcad con PIC USB ali Figura 3 26 56 SPADCAPMETER CAPITOLO 3 Ed yO Ed yous 6003 EL AMP Aepuow z aed 0 vv A3 JOQUINN JuaWND0Gq azis sadeodvds amy Juuoquie apineg usbBny cpuessaly Aq paubiseg AN UL 924 VLWIOLI uooL noi naz ul 6 sa ia 3 zeo leo oso vee 3 z E seu ADS moq o 0 VIvas 5 d a m ay x ara masha g o BIL woor NI TVN 5 dis AN 11 T Er LSANOD gt zig ved 829 Z E sn ow uooL not uooL 229 929 so LIPITA HNOL AS O WAT 4 A A vol ul ezo I 220 T osss q IOBINOO aNd UL 399141 jog J izo up CIOHSIYHL a J g LNdLNO 119 3OUVHOSIO Mi 13838 99 yo z SPIN Fie ebLNLO En 024 are AL A A ed MS giu LIU 0 yw 6 u00 or u00 AW x IL 944 Il 664 aino N IT Far za 919 sio ve ni Nt 5 0044 NAST i acquisizione Schema Orcad catena di Figura 3 27 57 CAPITOLO 3 SPADCAPM
37. LO 4 SOFTWARE Codice 4 6 Stato ADC IMP2 case ADC_IMP2 if k_mode lt MAX_MODE launch another conversion stato ADC_IMP_M else sort array and find the mode InsertionSort M_mode MAX_MODE M_mean k_mean M_mode MAX_MODE 1 2 k_mode 0 if k_mean gt MAX_MEAN calculate mean M_res 0 for k_mean 0 k_mean lt MAX_MEAN k_mean 4 M_res M_mean k_mean Mcompleted TRUE stato NOP Lo stato ADC_IMP_M del codice 4 7 come anticipato ha la stessa funzione di ADC_START_MEASURE per al posto di salvare il risultato in M lo salva in M_mode k_mode e incrementa quest ultimo contatore Infine ritorna allo stato ADC_IMP2 da cui stato richiamato Codice 4 7 Stato ADC IMPM case ADC_IMP_M if LTC1417_nBUSY LTC1417_nRD 0 Nop watt data access time after nRD M byte HB ReadSPI if LTC1417_nBUSY M byte LB ReadSPI LTC1417_nRD 1 if LTC1417_nBUSY M_mode k_mode M Val k_mode stato ADC_IMP2 break 70 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 CAPITOLO 4 SOFTWARE ServiceRequests La presente funzione codice 4 8 serve per rispondere ai comandi inviati dal PC attraverso l interfaccia USB Il software implementato da Microchip nella funzione USBDeviceTasks insieme al modulo hardware si occupa infatti di gestire tutto il protocollo e restituisce all utente direttamente i dati ricevuti Con l istruz
38. Misura Caratteristica di cui uno screenshot mostrato in Fig 5 4 Per prima cosa si devono impostare i valori di tensione in corrispondenza dei quali effetturare le misure Ci si fa mendiante il controller 1 dove si sceglie come devono venire spaziati i valori tra il valore minimo in 2 e il massimo in 3 In particolare si pu scegliere una distribuzione lineare o logaritmica che suddivide automaticamente l intervallo nel numero di passi desi derati impostati dal controller 4 Se invece si sceglie la modalit user si devono inserire i valori di tensione che si desidera usare separati dal nel controller 6 Attraverso il controller 5 si sceglie il numero di valori sui quali effettuare la media per trovare il valore preciso di capacit Dopo questi settaggi si preme il pulsante 7 e l utente deve seguire le operazioni fornite dal programma Una volta terminata l acquisizione di tutti i valori essi vengono visualizzati sul grafico 83 CAPITOLO 5 ISTRUZIONI PER L USO Misura Singola Cparassite Misura Caratteristica Taratura Opzioni Sp adCap Meter v0 5 Cak GS Distribuzione Lin y 1 1E 12 Y start o 2 TRA Start 8E 13 vstop o 3 7 7E 13 Numero passi 0 4 ctas Numero Medie 100 5 5E 13 Capacit pF 4E 13 3E 13 2E 13 15 13 Saman 1 1 1 0 01 D2 03 D4 05 06 07 08 09 1 Tensione Y 8 Salva Dati Salva Immagine 9 Figura 5 4 Scherm
39. POLITECNICO DI MILANO V Facolt di Ingegneria Corso di laurea in Ingegneria Elettronica Dipartimento di Elettronica e Informazione PROGETTO E REALIZZAZIONE DI UN CAPACIMETRO CON MICROCONTROLLORE PER FOTODIODI SPAD Relatore Prof Alberto TOSI Correlatore Ing Alberto DALLA MORA Tesi di Laurea di Davide TAMBORINI Matr 701956 Alessandro RUGGERI Matr 702898 Anno Accademico 2008 2009 Indice Elenco delle figure Introduzione 1 Il fotodiodo SPAD 1 1 Fotorivelatori 1 1 1 Principi di funzionamento dei fotodiodi 1 1 2 Il Single Photon Avalanche Diode 1 1 3 Modello SPAD 1 2 Circuito di spegnimento del fotorivelatore 1 3 Misura della capacit di giunzione 1 3 1 Problematiche legate alla misurazione 2 Capacimetro per diodi polarizzati 2 1 Requisiti dello strumento di misura 2 2 Soluzione circuitale 2 3 Analisicircuitale 2 3 1 Guadagnoideale 2 3 2 Guadagno reale 24 Osservazioni 3 SpadCapMeter 3 1 Storia ed evoluzione del progetto doll APSO ua bannis eds 3 1 2 Rilevatore di picco con PSoC o N B O OO Q 13 14 16 16 16 18 18 19 20 3 1 3 Rilevatore di picco con Amplificatori Operazionali 3 2 Front end analogico 3 2 1 Filtro d ingresso 3 2 2 Comparatore 3 2 3 Ribardator
40. PU e Memorie Il PIC18F4550 un microcontrollore di tipo RISC con architettura Harvard L architettura Harvard ha la memoria dei dati e del programma distinte accessibili mediante due bus indipendenti questo permette un notevole risparmio di tempo in fase di esecuzione delle operazioni rispetto alla tradizionale architettura von Neumann la quale prevede una sola memoria contenente dati e programma Ci unito alla presenza di un unit di prefetch del codice e all utilizzo di istruzioni RISC consente di evitare di avere dei momenti nei quali la CPU in stallo a causa della mancanza di istruzioni da eseguire o di dati su cui operare Le istruzioni RISC sono infatti un numero molto esiguo ma consentono di fare delle operazioni base che combinate opportunamente tra loro riescono comunque a far fronte a tutte le istruzioni tipicamente presenti in un CISC Le istruzioni possono per anche essere long word ovvero la CPU deve caricare pi di un byte di istruzione prima di eseguirla queste sono particolarmente utili nel caso di salti del programma in quanto viene memorizzato direttamente l indirizzo di arrivo all interno dell istruzione stessa Ogni istruzione dell ALU composto da 4 Q Cycles 1 decodifica dell operazione 2 lettura degli operandi 3 esecuzione dell istruzione 4 scrittura dei risultati 3Reduced Instruction Set Computer Complex Instruction Set Computer 41 CAPITOLO 3 SPADCAPMETER
41. alla conversione mediante la funzione ReadSPI e si salva il risultato nella parte alta della variabile M definita come in tero senza segno a 16 bit Poi si procede con la medesima funzione a leggere la parte bassa e a memorizzarla nella stessa variabile Infine si riporta il segnale di LTC1417_nRD alto e poi si controlla che il LTC1417_nBUSY sia ancora alto Difatti se questo basso vuol dire che PADC ha ricevuto dal circuito di front end un nuovo StartOfConversion e quindi il dato presente nel suo registro di conversione potrebbe essere corrotto Se questo non accaduto la lettura del dato ha avuto buon fine quindi possibile settare il flag Mcompletea e ritornare allo stato NOP Codice 4 4 Stato ADC START MEASURE case ADC_START_MEASURE if LTC1417_nBUSY LTC1417_nRD 0 Nop wait data access time after nRD M byte HB ReadSPI M byte LB ReadSPI LTC1417_nRD 1 if LTC1417_nBUSY nBUSY is still high Mcompleted TRUE stato NOP elset there is a new conversion running In realt il convertitore a 14bit ma gli ultimi due sono riempiti con zeri 68 14 10 12 CAPITOLO 4 SOFTWARE break Per quanto riguarda la misura pi performante come anticipato si ha biso gno di pi di uno stato Il primo di questi denominato ADC_IMP e si occupa principalmente dell inizializzazione delle variabili utilizzate negli altri stati Ven gono svuotati gli array M_mean e M_mode e i
42. amente in m L elevata corrente che circola va a scaricare le capacit e Ip e Vp decrescono esponenzialmente al valore asintotico posto in n La corrente che attraversa il fotodiodo nel tempo che va dall inizio della valanga fino al valore asintotico dato da mo 24 40 ax Un esempio di questa scarica dato in Fig 1 8 Il valore di picco della corrente e il suo valore asintotico Ifin posso essere ricavati osservando il circuito equivalente in Fig 1 7 Figura 1 7 Circuito di spegnimento passivo con modello dello SPAD Do 1 2 Va Ve Ve f Reeth Ri a Il valore iniziale della tensione Vp Va mentre il valore asintotico finale CAPITOLO 1 IL FOTODIODO SPAD Viin Vg Ifin Rp 1 4 Il tempo impiegato dal sistema per portarsi su questi livelli di regime quen ching time constant data da Tq Cak Cp G R Rp Cak Cp Rp 1 5 Per correnti Ifin 2100 pA la probabilit che il processo di moltiplicazione a valanga si in Oank 0 5Vidi terrompa e molto basso Scendendo sotto tale pla valore pero dato lo scarso numero di porta tori questo pu succedere in tal caso si ha una lenta ricarica delle Cag e Cp sino a quando la tensione ai capi dello SPAD non raggiunge Va Questa costante di tempo recovery time Figura 1 8 Andamenti della corrente che attraversa il diodo a e della constant stimabile come tensione ai suoi capi b dal
43. amento degli APD e degli SPAD e caratteristica V y a AAA a oe Pee uti Modello base per SPAD Circuito di spegnimento passivo Caratteristica I V dello SPAD e retta di carico del PQC Circuito di spegnimento passivo con modello dello SPAD Andamenti della corrente che attraversa il diodo a e della tensione ai suoi capi b dall innesco dalla valanga al suo spegnimento Circuito per spegnimento passivo in Gated Mode Forma d onda dell uscita di timing blu continuo e del segnale dummy che rappresenta la soglia di discriminazione dinamica rosso PUL UCR IO Di da fed kk nl al a Ds nil E Segnale di valanga accoppiato capacitivamente blu e soglia mini ma di discriminazione statica del fronte rosso Circuito per spegnimento passivo in Gated Mode con prelievo dif ferenziale 4 gc tipe dia i A ai Circuito di principio Capacimetro per diodi polarizzati Circuito Capacimetro per diodi polarizzati IV DO N QU 10 11 11 12 13 17 18 2 3 3 1 3 2 3 3 3 4 3 9 3 6 3 7 3 8 3 9 3 10 3 11 3 12 3 13 3 14 3 16 3 17 3 18 3 19 3 20 3 21 3 22 3 23 3 24 3 25 3 26 3 27 3 28 3 29 Diagrammi di Bode del modulo di Gr Ga e Gr all aumentare di CARS BAS S a i A AA A A Schema di principio del rilevatore di picco con PSoC Semplice rilevatore di picco diodo condensatore resistore
44. amento tra due periferiche SPI 63 4 2 Diagramma LabVIEW acquisizione singola misura 75 4 3 Diagramma LabVIEW misura capacit parassite 75 44 Diagramma LabVIEW taratura 77 5 1 Schermatataratura 81 5 2 Schermata capacit parassite 82 5 3 Schermata misura singola 83 5 4 Schermata misura caratteristica 84 6 1 Grafico della caratteristica dello SPAD al Silicio 86 6 2 Schermate durante la misura 87 7 1 Circuito per convertitore Step Up 91 VI Introduzione Lo SPAD un fotorivelatore allo stato solido basato su una giunzione p n inversa mente polarizzata nel quale un singolo fotone riesce ad innescare una corrente di valanga Per progettare circuiti che sfruttano tale device importante conoscere la capacit parassita che presenta tra anodo e catodo Esistono svariati strumenti in grado di misurare una capacit sul mercato infatti sono presenti dei capacimetri in grado di effettuare misure su un ampio range di valori Necessitando di una grande accuratezza questi strumenti sono molto costosi Siccome la capacit dello SPAD nell ordine dei picofarad le potenzialit di queste strumentazioni non sfruttata appieno Perci stato pensato di realizzare un capacimetro con un adeguata accuratezza dedicato alla misura di capacit tip
45. ata misura caratteristica Infine tale grafico pu essere esportato in formato immagine mediante il pulsante 8 oppure si possono salvare tutti i dati dei punti acquisiti premendo il tasto 9 84 Capitolo 6 Misure sperimentali Prima di concludere e per avere la certezza del corretto funzionamento del pro getto stata svolta una misura della caratteristica C V di uno SPAD al silicio In particolare si utilizzato un fotodiodo di tipo thin con tensione di break down di 17 V Di questo dispositivo la capacit interessata stimata attorno a qualche pF Per la taratura dello strumento sono stati utilizzati condensatori di precisione con valori di 0 7 pF 1 1 pF e 4 3 pF I risultati ottenuti in questa sezione sono mostrati in Fig 6 2 a Una volta ottenuti i coefficienti della retta interpolante i risultati di questa sezione si preferito controllare con una quarta capacit di valore intermedio a quelle utilizzate per la taratura la bont della misura In particolare si scelto un condensatore da 2 2 pF ed stata impostata la modalit di misura singola ottenendo la schermata riportata in Fig 6 2 b Si nota che il valore visualizzato non si discosta dal valore noto e quindi si ritenuta la taratura adeguata per effettuare la misura della caratteristica Necessitando della relazione tra Car e Va bisogna prima calcolare il valore delle capacit parassite utilizzando il pannello Cparassite Sono state misurate
46. ato Quenching Circuit le caratteristiche di questo circuito influenzeranno molto le condizioni del fotorivelatore e quindi le sue performances 1 Il pi semplice circuito di controllo di un fotorivelatore detto circuito di spegnimento passivo Passive Quenching Circuit Un esempio di tale circuito mostrato in Fig 1 5 Va Lo SPAD inversamente polarizzato da V attra RL verso una Rz di elevato valore 100kQ o pi al fine di hv Kw limitare la corrente di valanga questa normalmente nulla fino a quando non arriva un fotone che innesca il processo di moltiplicazione e la fa salire rapidamente sino a qualche milliamp re Questa viene rivelata da ener ae i Rs resistenza di alcune decine di Q che la converte in tensione e permette quindi la lettura mediante un comparatore veloce I due stati della corrente appena descritti sono facilmente vi sualizzabili in Fig 1 6 che rappresenta la caratteristica corrente tensione tipica di uno SPAD polarizzato inversamente dove Ip la corrente che attraversa il diodo e Vp d d p tra catodo e anodo Insieme a tale caratteristica viene tracciata la retta di carico per visualizzare graficamente quanto sta accadendo CAPITOLO 1 IL FOTODIODO SPAD Retta di Carico Caratteristica I V dello SPAD Figura 1 6 Caratteristica l V dello SPAD e retta di carico del PQC A riposo Ip 0 e quindi lo SPAD nel punto a in seguito all arrivo del fotone si passa repentin
47. ca spaziale e della resistenza del a ene re la zona neutra il generatore di tensione Vg simula la tensione di breakdown del dispositivo Siccome la rivelazione dei fotoni deve avvenire in tempi rapidi le piccole capa cit interne del dispositivo risultano molto importanti perci si individuano Cak che la capacit della giunzione inoltre Cha e Cok sono le capacit parassite tra anodo e catodo ed il substrato Esistono tuttavia modelli molto pi complessi rispetto a quello qui illustrato che rappresentano meglio la realt simulando il trigger l autosostenimento e l au tospegnimento della corrente fotogenerata mediante interruttori controllati Per lo scopo del presente elaborato essi non sono necessari in quanto si principalmente interessati alle capacit del dispositivo CAPITOLO 1 IL FOTODIODO SPAD 1 2 Circuito di spegnimento del fotorivelatore Dal principio di funzionamento appena illustrato si evince che per poter estrarre delle informazioni utili dallo SPAD bisogna inserirlo in un apposito circuito che 1 rilevi il fronte di salita della corrente di valanga 2 generi un impulso in uscita sincronizzato con il fronte 3 spenga la valanga facendo scendere la tensione ai capi del diodo al di sotto della tensione di breakdown 4 rimetta lo SPAD in condizioni di rilevare un nuovo fotone incidente rialzando la tensione di bias agli opportuni valori superiori a Vp Questo circuito usualmente chiam
48. che bisogna apporre tra il comparatore e l ingresso del monostabile Bisogna per dimensionare la frequenza del polo affinch la costante di scarica del condesatore sia sufficiente da garantire una larghezza dello spike tale da essere rilevato e allo stesso tempo inferiore al semiperiodo dell onda quadra Fissato Cs 1 nF si pu misurare sperimentalmente la resistenza che garantisce il miglior risultato Nel caso specifico da noi esposto Rg1 2 2 kQ In definitiva la rete completa che svolge la funzione del ritardatore digitale riportata in Fig 3 10 ADC SOC Figura 3 10 Circuito per sfasatore digitale 3 3 Convertitore A D Focalizzato il funzionamento del front end analogico e note le propriet del segnale da convertire si devono tradurre tutte queste informazioni nelle caratteristiche essenziali necessarie per scegliere ADC 3 3 1 Requisiti di conversione Bisogna cercare un convertitore che sia alimentato con una tensione analoga a quella del resto del circuito e abbia una frequenza di campionamento superiore a quella del segnale in questo caso non si richiede il doppio della banda in quanto nel progetto si richiede un solo punto per periodo 34 CAPITOLO 3 SPADCAPMETER Coerentemente con il front end analogico deve essere in grado di iniziare la conversione a seguito della lettura di un fronte di discesa all ingresso dedicato al SOC Riprendendo le informazioni ottenute studiando il Capacimetr
49. compilatore il C18 9 entrambi della Microchip Technology Inoltre tale azienda distribuisce dei codici di base per lo sviluppo di applicazioni USB basate sui microcontrollori della famiglia 18Fxxxx queste verranno utilizzate in modo proficuo durante la scrittura del firmware 60 CAPITOLO 4 SOFTWARE 4 1 1 Protocolli di comunicazione USB A questo punto prima di illustrare il funzionamento del software che gestisce la comunicazione col PC si presentano alcune peculiarit dell interfaccia USB Come spiegato in 5 le comunicazioni seriali di tipo RS232 largamente uti lizzate in passato stanno oramai scomparendo a favore dell USB Dal momento che si vuole realizzare uno strumento utilizzabile su qualsiasi calcolatore la scelta ricade appunto su questa tecnologia pi recente sebbene pi complessa da gestire Essa consiste ancora in una comunicazione di tipo seriale ma al posto di essere punto a punto organizzata a stella dove una serie di dispositivi slaves sono connessi ad un unico master o host Questo significa che una periferica non pu di sua iniziativa trasmettere dati ma deve essere l host a richiederglieli 10 Nel caso preso in esame il dispositivo master il PC che pu gestire anche altre periferiche USB oltre allo SPADCAPMETER La comunicazione tra i dispositivi effettuata mediante pipes canali logici ai quali corrispondono dei relativi end point nelle periferiche Ciascuno di essi pu trasferire
50. di impostare la polarit di clock CPOL e la fase CPHA queste devono essere le stesse sia per il PIC che per PADC e smP 0 il dato campionato al centro del tempo di bit e CKE 1 la trasmissione avviene sul fronte di discesa del clock 65 CAPITOLO 4 SOFTWARE in seguito si impostano i pin corrispondenti all SPI settandoli come ingressi o uscite Per creare il segnale ad onda quadra a 50kHz e duty cycle del 50 da inviare poi al filtro che genera la sinusoide di eccitazione per il Capacimetro per diodi polarizzati si devono impostare il Timer2 e il modulo PwM Come anticipato nella sezione hardware il timer gestisce il periodo dell onda mentre il CCP il duty cycle Il periodo dato da questa formula PW Mperioa PR2 1 4 Tosc TMR2 Prescale Value 4 1 Siccome serve una frequenza di 50kHz e quindi un periodo di 20 ps avendo a disposizione un Tosc 1 48 MHz 20 83 ns scegliendo un prescaler di 4 si ottiene il valore di PR2 ovvero il registro di periodo del Timer2 PW Mpheriod PR2 1 59 4 2 4 Tosc TMR2 Prescale Value 2 Siccome serve un duty cycle del 50 il tempo Ton dell onda quadra sar di 10 ps Per impostare il modulo PWM si usa la seguente formula Ton CCPRxL CCPxCON lt 5 4 gt Tosc TMR2 Prescale Value 4 3 da cui si ricava che T CCPRxL CCPxCON lt 5 4 gt em 120 4 4 Tosc TMR2 Prescale Value Per impostare questo valore stata utilizzata la funzione S
51. disturbi quali per esempio le commutazioni del comparatore e del monostabi le Esse si traducono in fluttuazioni dell alimentazione che portano inevitabili errori nella conversione Il miglior filtro per togliere questi disturbi la rete a pi greco CLC dove in particolare l induttanza prende il nome di Choke che significa strozzamento Precisamente tale rete formata da Lc 100 H Cc 100nF Coo 10F e Cog 100nF Per stabilizzare le tensioni di rifermento interne al convertitore si aggiungono i condensatori Cri Cra e Crs dei valori consigliati nel datasheet L ADC richiede SOC attivo basso di durata limitata come il monostabile Di conseguenza bisogna realizzare nuovamente una rete che fornisca in uscita uno spike corrispondente al fronte di discesa del segnale in uscita dall integrato NE555 Come nel paragrafo riguardante il ritardatore digitale si sceglie la rete formata da C s2 Rs e Da mostrata in Fig 3 12 Anche qui bisogna scegliere la frequenza del po lo affinch la costante di scarica del condesatore sia sufficiente da garantire una larghezza dello spike ta le da essere rilevato e allo stesso tempo inferiore al Figura 3 12 Generatore di impulsi per SOC semiperiodo dell onda quadra Fissato Cg2 1 nF si pu misurare sperimentalmente la resistenza che garantisce il miglior risultato Nel caso specifico da noi esposto Rs2 5 6 KQ Questo ADC dispone 4 modalit di gestione del clock Esso infatti i
52. e 3 3 Convertitore A D 3 3 1 Requisiti di conversione 33 2 ALTA do A 3 3 3 Circuito di conversione 3 4 Microcontrollore 3 4 1 NPICI8F4550 3 4 2 Configurazione hardware 3 5 Generatore sinusoide 3 6 Alimentazione 3 7 Realizzazione progetto hardware Software 4 1 Microcontrollore 4 1 1 Protocolli di comunicazione 4 1 2 Programma PIC 4 2 LabVIEW 4 2 1 Introduzione a LabVIEW 4 2 2 Programma LabVIEW Istruzioni per l uso 5 1 5 2 Collegamento e driver Come effettuare la misura 5 2 1 Taratura strumento 5 2 2 Cparassite 5 2 3 Acquisizione singolo valore 5 2 4 Rilevazione caratteristica Cax Va II 6 Misure sperimentali 7 Conclusioni e prospettive future Til COnesioni i alia ille A a E 7 2 Sviluppifuturieprospettive 7 2 1 Alimentatore Bibliografia III 85 88 88 89 89 92 Elenco delle figure 1 1 1 2 1 3 14 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 1 10 1 11 1 12 2 1 2 2 Evoluzione delcapacimetro Rappresentazione schematica di un APD e campo elettrico al suo ILO WA hee oe ee gah Bosh tr ee AA Processo di ionizzazione ad impatto e conseguente innesco della o ai dat td AA el Ei ee Siete aa Confronto tra i principi di funzion
53. e ottenuto dallo stadio precedente Il miglior modo per la gestione e la visualizza zione dei dati l elaborazione numerica Per fornire il corretto segnale di ingresso per il Capacimetro per diodi polarizzati e per poter rilevare la capacit si individuano quindi le seguenti parti in cui viene strutturato il circuito 1 Front end analogico 2 Convertitore A D 3 Microcontrollore 4 Generatore di sinusoide 5 Alimentazione Inoltre prima di iniziare a descrivere il circuito attualmente utilizzato in tutte le sue parti si fa un breve riepilogo sui passi effettuati nella progettazione dello SPADCAPMETER 3 1 Storia ed evoluzione del progetto Analizzando il Capacimetro per diodi polarizzati si nota che il valore della capacit proporzionale al rapporto tra il modulo della sinusoide in ingresso e 22 CAPITOLO 3 SPADCAPMETER il modulo di quella in uscita Conoscendo l ampiezza della sinusionde iniettata all ingresso l idea pi immediata per conoscere il valore della capacit quella di realizzare un sistema in grado di rilevare l ampezza di picco del segnale d uscita Ci sono svariati metodi per effettuare una misura di questo genere una prima idea quella di sfruttare un microcontrollore che integri in un solo chip sia la parte analogica di acquisizione conversione che quella digitale per l elaborazione del segnale Questo dispositivo il PSoC della Cypress Semiconductor
54. ep in frequenza al variare della Cag Evitando di effettuare misure inutili si sceglie una capacit del valore 20 CAPITOLO 2 CAPACIMETRO PER DIODI POLARIZZATI Guadagno Ideale Guadagno di Andata Guadagno Reale Figura 2 3 Diagrammi di Bode del modulo di Gr Ga e Gr all aumentare di Cax minimo e una del valore massimo che pu assumere uno SPAD Ci porta ai seguenti due casi e con Cag 0 1 pF si ha una banda da 3 kHz a 950 kHz e con Cax 20 pF si ha una banda da 3kHz a 150 kHz Le condizioni pi stringenti si hanno con la capacit pi alta Si cerca quindi di stare a met di questa banda Tuttavia si tiene un margine di sicurezza nel caso improbabile che la capacit sia superiore a 20pF scegliendo la frequenza d ingresso di 50 kHz Ricapitolando si necessita di una tensione sinusoidale in ingresso con frequenza fissata e ampiezza tale da non modificare la tensione di polarizzazione Ci porta a stabilire il segnale seguente d ingresso Vin 0 1sin 2750 k t 2 6 Di conseguenza si ottiene il seguente segnale d uscita Ve AA 0 1 sin 2750k t 2 7 Ovvero il modulo dell ampiezza minima in uscita corrispondente a C4x 0 1 pF di 15mV e una massima corripondente a C4ug 20 pF di 3 V 21 Capitolo 3 SpadCapMeter In questo capitolo vengono analizzati i diversi blocchi che compongono lo SPAD CAPMETER ovvero il circuito che permette di elaborare fisicamente il segnal
55. er diodi polarizzati 2 3 Analisi circuitale Appurato che questa soluzione circuitale ha tutte le caratteristiche per fornire in uscita una tensione con le caratteristiche richieste opportuno uno studio dettagliato per verificare le propriet del circuito in Fig 2 2 2 3 1 Guadagno ideale Considerando a massa virtuale il terminale negativo dell operazionale si pu dire che il generatore Vin genera una corrente pari a ii V we Foll SCAK lin della quale scorre nel ramo di retroazione la frazione Vi Rp t I T oc al ae questa moltiplicata per l impedenza in retroazione Z Billa fornisce la tensione in uscita con segno opposto 18 CAPITOLO 2 CAPACIMETRO PER DIODI POLARIZZATI Di conseguenza il guadagno ideale del circuito aoe Gr Rel z Rp sCpRp SCAKR 4 Rolla z tai a SCAK 2 2 Si nota che sono presenti due zeri nell origine considerando che Cag lt lt Cp si ricava che la capacit di giunzione pu essere trascurata nel calcolo dei poli che hanno quindi in qualunque caso le costanti di tempo 7 1 Cpl 1ms e Tp2 CR 708 e frequenze fp1 160 Hz e fp2 2 27 kHz La capacit Cag influisce per sul valore del guadagno ad alta frequenza che GI HF 2 3 2 3 2 Guadagno reale Ovviamente come dice la parola stessa il guadagno ideale non spiega esattamente le cose come sono nella realt Per determinare l effettivo g
56. erisce la tensione in uscita quando il segnale sta aumentando mentre la mantiene quando sta diminuendo Qui si riscontrano per dei problemi ovvero e la tensione memorizzata non costante a causa della scarica delle capacit presenti nel buffer a capacit commutate e delle tensioni di alimentazioni non perfettamente stabili nei blocchi e frequenze di campionamento degli ADC interni non sufficienti massimo 10kHz e precisione degli ADC pi basse delle tolleranze richieste Tutto ci porta ad utilizzare un sistema di acquisizione esterno seguito poi da una elaborazione digitale Per evitare di usare il PSoC solo per l elaborazione digitale in quanto si spreccherebbero tutte le risorse analogiche si preferito usare il microcontrollore PIC 3 1 3 Rilevatore di picco con Amplificatori Operazionali D Per quanto riguarda il front end analogico l idea m pi immediata per trovare il massimo valore di una sinusoide usare il rilevatore di picco che pu essere Figlia 3 2 Semplice wilevatore sviluppato con una semplice rete diodo condensatore di picco diodo con resistore come mostrato in Fig 3 2 densatore resistore In questo modo il segnale in uscita segue la tensione in ingresso finch quest ultima non raggiunga l ampiezza massima Dopo di che tale valore viene mantenuto ai capi del condensatore A causa di un inevitabile 25 CAPITOLO 3 SPADCAPMETER costante di scarica tale tensione
57. etDCPWM1 ora si pu impostare il pin di uscita del modulo ed abilitare il timer tramite la funzione OpenTimer2 a cui bisogna passare i valori di postscale e di prescale 1 e 4 Infine atrraverso il registro CCPxCON si configurano i bit CCPxM3 CCPxMO per selezionare il tipo di modalit di funzionamento del modulo CCP in particolare il codice 1100 rappresenta la modalit PWM 66 CAPITOLO 4 SOFTWARE SPAD StateMAchine Per acquisire i dati dall ADC ed elaborarli si pensato di creare una macchina a stati questa costituita da una serie di stati che rappresentano una specifica operazione da eseguire e da collegamenti che indicano il flusso del programma Il principale vantaggio di questa struttura quella di evitare l uso di funzioni bloccanti cio funzioni che interrompono l esecuzione del programma finch non si verifica uno specifico evento Ci comporterebbe che durante questa attesa il microcontrollore diventerebbe insensibile agli altri avvenimenti Inoltre nel caso specifico di questa applicazione il software per la comunicazione USB necessita che la funzione USBDeviceTasks sia richiamata circa ogni 10 ms La struttura a macchina a stati invece dinamica in quanto controlla ciclicamente il verificarsi degli eventi Lo stato base di questa macchina si chiama NOP e rappresenta lo stato ozioso Per la lettura dell ADC si predisposto lo stato ADC_START_MEASURE che effettua semplicemente la
58. evuti dati dal PIC in modalit Improved tante volte quante impostate dall utilizzatore 75 CAPITOLO 4 SOFTWARE Attraverso i risultati ottenuti dalla taratura si converte questo dato esadecimale in valore di capacit Si effettua la media di tutti questi dati acquisiti ottenendo il valore della capacit sotte esame e la relativa standard deviation Una volta terminate le misurazioni bisogna risolvere il sistema illustrato in eq 1 11 per determinare i valori dei parassitismi Cha e Cok Per fare questo stato risolto il sistema in forma simbolica attraverso questi comandi in MATLab Codice 4 9 Risoluzione sistema capacit syms CAK CBA CBK Cak Cba Cbk A CAK Cak Cba Cbk Cba Cbk B CBA Cba Cak Cbk Cak Cbk C CBK Cbk Cak Cba Cak Cba S solve A B C Cak Cba Cbk I risultati ottenuti vengono inseriti in un VI che ricevuti in ingresso i tre valori misurati restituisce i valori delle tre capacit reali In particolare si nota che determinati Cha e Cok si pu ottenere Cha Cok Cok Cak 4 5 i gt Cha Cok ee e quindi si pu calcolare il coefficiente di correzione da usare nella sezione della caratteristica dello SPAD Cha Cog Cha Cok Tali dati oltre ad essere visualizzati nell interfaccia si possono salvare in un Cpcorr mi 4 6 apposito file Inoltre si possono caricare dati ottenuti da misurazioni precedenti Misura Caratteristica Questa sezione dedicata alla rilevazione
59. ficatore a transistori o con amplificatori operazionali che amplifica un segnale di tensione per esem pio 0 5 V proveniente da un DAC comandato dal microcontrollore in uscita cos 90 CAPITOLO 7 CONCLUSIONI E PROSPETTIVE FUTURE 15V 20mA 1uF Figura 7 1 Circuito per convertitore Step Up possibile ottenere in una tensione variabile con continuit da 0 a 100 V Bisogna ricordare che questa tensione serve per polarizzare lo SPAD quindi l assorbimento di corrente veramente esiguo visto che dato da V R dove R nell ordine delle centinaia di kQ L assorbimento massimo quindi di 1 mA quando la ten sione 100 V Questi corrispondono a 20mA assorbiti dall USB se si considera un convertitore ideale In definitiva quindi possibile costruire questo alimentatore riuscendo ad assorbire una potenza inferiore alla massima che USB riesce a fornire 91 Bibliografia 1 Sergio Cova Massimo Ghioni Andrea Lacaita Carlo Samori and Franco Zappa Avalanche photodiodes and quenching circuits for single photon detection Applied Optics vol 35 no 12 pp 1956 1976 1996 Alberto dalla Mora Alberto Tosi Simone Tisa and Franco Zappa Single photon avalanche diode model for circuit simulations Photonics Technology Letters IEEE vol 19 n0 23 pp 1922 1924 2007 Perini Enzo Progetto di un Capacimetro per fotodiodi SPAD 2008 S O Kasap Optoelectronics and Photonics Princip
60. frequenza di taglio frp 1 27RrpCrp 300 Hz Tutto il progetto dell hardware dedicato e le considerazioni aggiuntive fin qui analizzate si traducono nello schema realizzato con il programma OrCad Capture mostrato in Fig 3 26 e Fig 3 27 Grazie al programma OrCad Layout si passa al disegno vero e proprio del circuito stampato Per arrivare a ci bisogna tener conto dei seguenti accorgimenti e raggruppare i vari componenti di ogni blocco per semplificare lo sbroglio e le operazioni in fase di saldatura e tenere i condensatori di riferimento dell ADC e quelli di filtraggio delle alimentazioni il pi possibile vicino all integrato e evitare che segnali digitali con commutazioni veloci passino vicino al segnale da convertire alle linee di alimentazione sotto e in prossimit degli integrati e usare un piano di massa per far s che la corrente rientrante veda una resistenza pressoch nulla e quindi non si trasformi in una caduta di tensione e collegare AGND e DGND in un unico punto Conseguentemente il circuito stampato ottenuto mostrato in Fig 3 28 e Fig 3 29 Infine il master realizzato e saldato mostrato in Fig 3 30 mentre la 3 31 mostra lo strumento inscatolato Per finire bisogna ricordare che dopo aver saldato tutti i componenti la prima cosa da fare caricare il programma corretto nel PIC Non da meno essenziale regolare il trimmer per selezionare precisamente la frequenza centrale del filtro pa
61. g dello SPAD uti lizzato indispensabile una buona sensibilit in ingresso In pi tale dispositivo grazie all uscita open collector compatibile con tutte le famiglie logiche inte grate Come ultimo aspetto siccome la sinusoide ha una frequenza fsin 50 kHz e 30 CAPITOLO 3 SPADCAPMETER quindi Tsin 1 fsin 20 ps il tempo di risposta di 115 ns permette di avere una commutazione in uscita praticamente instantanea Dall analisi del circuito si possono trovare le soglie del comparatore che sono Ra Ra Rp Ra Vu Vear 3 2 H SAT Py Ro 3 2 VH Vs AT E 3 1 Si deve ricordare che i segnali hanno ampiezze molto piccole e quindi le soglie non possono essere dello stesso ordine di grandezza Di conseguenza vengono scelte almeno un ordine di grandezza inferiore alla minima ampiezza d ingresso Come anticipato il segnale minimo assume valori di qualche decina di mV La scelta diventa quindi di impostare le soglie a qualche mV Dato che l alimentazione non ancora definita si possono dimensionare R e Ry affinch indifferentemente da V e V_ le soglie assumono il valore desiderato In pi si nota che avendo un uscita open collector Vsar V mentre Vsar 20 In tal modo si ottiene Ri dre 3 3 Ra Va 0 3 4 R Ra RF pa Quindi il rapporto R 1 Ri1 Rp deve essere minore di 0 001 perch deve essere successivamente moltiplicato per la tensione di alimentazione Questo vincolo si
62. garantisce un attenuazione a 50 Hz di 21 43 dB 3 2 2 Comparatore Ottenuto il segnale senza offset si deve rilevare il relativo passaggio per lo zero Il modo pi semplice per ottenere tale risultato usare comparatore pi precisa 29 CAPITOLO 3 SPADCAPMETER dal FILTRO HP MONOSTABILE Figura 3 7 Comparatore mente la configurazione a trigger di Schmitt per evitare commutazioni indesiderate dovute al rumore Siccome si vuole ottenere un fronte negativo in corrispondenza del punto massimo dell ingresso si sceglie la configurazione invertente In tale mo do quando il segnale positivo l uscita assume valore logico basso mentre quando negativo l uscita si porta al valore logico alto Di conseguenza si ottiene un fronte di discesa in corrispondenza del passaggio dello zero che temporalmente parlando un quarto di periodo prima del valore massimo Allora lo schema scelto mostrato in Fig 3 7 Per realizzare ci viene scelto l integrato LM311 per le seguenti caratteristiche ritenute vantaggiose in questo progetto e tensione di alimentazione duale da 2 5 V a 18 V e tensione di offset tipica all ingresso di 2 mV e uscita tipo open collector e tempo di risposta di 115 ns Queste garantiscono il vantaggio di non aver bisogno di specifici valori di ali mentazione Sapendo inoltre che i segnali in gioco possono anche assumere valori di qualche decina di mV dipende infatti dalla valore della Ca
63. gli altri linguaggi di programmazione conservan do comunque molte similitudini ad essi difatti presenta tutti i tipi di dati e gli operatori predefiniti di uso comune permette di generare nuovi tipi di dati combi nando tra loro i tipi di dati elementari e di controllare l esecuzione dei programmi ricorrendo a strutture di controllo di flusso Un ulteriore differenza dai tradizionali linguaggi di programmazzione consiste nel fatto che un programma data driven ovvero non segue il flusso temporale delle operazioni bens il flusso dei dati enfatizzando come i dati si muovono tra i vari blocchi operativi LabVIEW mette inoltre a disposizione del programmatore una serie di librerie di funzioni che possono essere richiamate ed utilizzate all interno dei programmi che comprendono funzioni di uso comune funzioni specializzate per l acquisizione e l elaborazione dei segnali controllo di strumentazione numerica trasmissione di dati mediante vari protocolli di comunicazione E possibile inoltre definire nuove funzioni ed arricchire le librerie preesistenti LabVIEW quindi principalmente pensato per il controllo di schede di ac quisizione e di strumentazione connessa al calcolatore L ambiente di sviluppo consente di costruire programmi i quali prendono il nome di Virtual Instrument VI che permette l interazione tra calcolatore e strumentazione fornendo contem poraneamente all utente un opportuno pannello frontale grafico per il
64. gura 3 20 Filtro Passa Banda a reazione multipla generico In tal modo la funzione di trasferimento che si ottiene 2 s s2Gwo RiCa T s ECO i fy we 3 16 RsCy C3C4Ry Rs Q 0 dove Ry R Ro Ri Re Cy C3C4 C3 Ca e le caratteristiche del filtro sono e guadagno G 3 17 RC 3 17 48 CAPITOLO 3 SPADCAPMETER e selettivit Q WC Rs 3 18 o frequenza centrale Wo 1 27 ii 27 Rj R5C3C4 Fissando queste caratteristiche si ottengono i valori di R1 R2 R5 C3 e Cy Nel fo 3 19 caso in esame si conosce sicuramente fo 50 kHz Per quanto riguarda il guada gno non si ha un vincolo preciso in quanto si sa che la sinusoide deve avere un ampiezza di 100 mV ma non si conosce l ampiezza della prima armonica dell onda quadra Tuttavia si presuppone che essa sia dell ordine di qualche V quindi si sceglie G 0 2 per ottenere un ampiezza in uscita nell ordine delle centinaia di mV o di 1V Ultimo parametro la selettivit Anche qui bisogna definire un vin colo Per avere una sinusoide pulita bisogna attenuare notevolmente la seconda armonica cio 100kHz Si deve far attenzione al fatto che aumentando troppo il fattore Q il sistema rischia di oscillare da solo Si sceglie allora che tale frequenza venga attenuata di un fattore 500 rispetto a G Sostituendo tutti i dati impostati nell equazione 3 16 si ottiene Q 8 Ottenuti tutti i vincoli progettuali e fissati C3 C4 220
65. he si ottiene raffigurata in Fig 3 25 99 SPADCAPMETER CAPITOLO 3 JO L yeu 6003 EL AMP Aepuow z aed 0 I LS J9QUINN JUSUINIOG vv ezig J9J9yideo GvdS amy Juuoque apineg usb ny opuessajy Aq paubiiseg AS O 029 Fo 610 A uozy Uozy A vuOZp YAN ASH Si OVAOSZ UL y T3HS 11SHS NSd 1008 MS ZMS ASO AM AS O AM SY dee 019 8SE A 003 cu ln 11 vo yee eu 3 Sa dono Kow l 53 17 E E Sx 001 cu Moza ZO LU n 19 94 zaol 13534 El a zaol F 9 2991 E anga Z NAST T er 0597481 Old 13834 MS LMS 1008 MOL ely NAST 13838 MOL eld NAST volt Frsosa DE If E so e 17 r a 7 e w INOL9 IMOOL AVH ALNOZO NIGNTIH SS PNW SVY ddS 149 SNV 03U ddS249 9NV L34 ddS30 2NV 238 PPA SSA 1119 1980 9VU ONTO ZOSO IMOZIL SOSOLL 0OY dANol LSHOI ON SLYOdOI ON 30N 2499 ISO LL LOY VId LdDO ZOH ASNA OddS 00Y LddS L0Y 2ddS 208 ddS 08 INA 0 vO8 dN 0 S08 A9 X1 998 HOIN ENV EVE rr JOINO NOIN ZNV 2 Vd Ha INV LVH Lag ONV OVH Her eay dda 10W Hor 330 a9dq 19 198 AG 99d 2189 984 hi LESA NOd S8H art 9 2991 4SS9 0 8 1 LNV 88 555 COd
66. heet si aggiungono due condensatori verso massa da 33 pF Il circuito regolatore di tensione per USB necessita di un condensatore esterno da 470 nF che viene collegato al pin VUSB Inoltre per il caricamento del bootloader operazione che si esegue solo al primo utilizzo si necessita di un connettore per il collegamento con il programmatore ICD2 Questo prevede cinque linee due di alimentazione una di reset MCLR una per il dato PGD e una per il clock PGC Inoltre per il corretto funzionamento del PIC il pin PGM deve essere forzato a massa Il segnale necessario per avviare la programmazione mediante bootloader si fornisce attraverso un pulsante collegato al pin RB4 in particolare esso chiude a 45 CAPITOLO 3 SPADCAPMETER massa ed tenuto normalmente alto da una resistenza di pull up Per assicu rare che questo segnale venga letto all avvio del microcontrollore si aggiunge un pulsante per forzare il reset attraverso il pin MCLR I pin dedicati alla comunicazione USB sono D e D direttamente collegati al connettore USB di tipo B Per quanto riguarda la lettura dei dati forniti dall ADC sono previsti i seguenti pin e RB1 SCK segnale di clock e RBO SDA dato seriale e RD5 segnale di read e RD4 segnale di busy Infine i pin RC2 e RCO sono utilizzati per generare onde quadre utilizzate nei successivi paragrafi 3 5 Generatore sinusoide A tal punto risulta importante riuscire a generare il segnale
67. ia producendo lo scatto Per produrre una replica perfetta dell impulso spurio dovuto all accoppiamento capacitivo sull uscita di timing del segnale di gate necessaria la conoscenza delle costanti di tempo in gioco In particolare necessario conoscere la capacit dello SPAD al variare della tensione di polarizzazione in quanto pu essere necessario polarizzarlo a differenti tensioni al variare della temperatura essendo la tensionde di breakdown del dispositivo linearmente dipendente da quest ultima 1 3 Misura della capacit di giunzione L analisi fatta nel paragrafo precedente porta ad una conclusione per valutare le applicazioni del fotorivelatore SPAD pilotato da un circuito di spegnimento necessario conoscere alcuni valori caratteristici del circuito Alcuni di questi tra cui le costanti di tempo in gioco sono strettamente dipendenti dalla capacit di 13 CAPITOLO 1 IL FOTODIODO SPAD giunzione Car Ne deriva che non sufficiente attribuire ad essa un valore medio stimato come gi detto intorno ad 1 pF ma indispensabile misurarla con pre cisione per ogni diodo La determinazione esatta della Cag oltre ad essere richiesta per uno studio puramente teorico permette anche di predisporre un modello che simuli correttamente il circuito considerato attraverso strumenti informatici 1 3 1 Problematiche legate alla misurazione La precisione nella misura della capacit di giunzione di uno SPAD l
68. iche di tale fotodiodo Un primo approccio per raggiungere lo scopo stato quello di costruire un circuito in grado di fornire una tensione di uscita proporzionale alla capacit in esame Tale strumento che chiameremo nel seguito della trattazione Capaci metro per diodi polarizzati tuttavia necessita di una notevole strumentazione di supporto peraltro molto costosa e fornisce dati da elaborare successivamente tra mite un programma di calcolo Si evince l importanza di semplificare la struttura di acquisizione della misura in questione Partendo da questi presupposti l obiettivo di tale elaborato sar quello di arrivare ad una configurazione in grado di collegarsi al Capacimetro per diodi polarizzati e attraverso un opportuno software visualizzare la capacit dello SPAD al PC Inoltre si sa che tale valore strettamente legato alla tensione di polarizzazione del fotodiodo ed soggetto a parassitismi intrinseci al dispositivo Perci altre due specifiche richieste per il progetto saranno la misura di tali parassitismi e la caratteristica completa capacit tensione di polarizzazione In pi per garantire una misura sempre precisa sar necessario sviluppare un apposita sezione del software per la taratura dello strumento Tale opzione garantir sempre di ottenere risultati accurati Illustriamo schematicamente qui di seguito la semplificazione della misura che si vuole ottenere con questo elaborato
69. ide quando iniziare la comunicazione Questo sistema definito anche a quattro fili in quanto oltre all alimentazione e massa ci sono quattro linee di dati Essi sono e SCLK Serial Clock e SDI o MISO ingresso dei dati per il master uscita per gli slaves e SDO o MOSI uscita dati per il master ingresso per gli slaves e SS slave select segnale di abilitazione dello slave per fare in modo che quando esso disabilitato abbia la linea SDI in tristate La comunicazione avviene semplicemente mediante uno shift dei dati attraverso un registro a scorrimento il quale permette la conversione di un dato da parallelo a seriale e viceversa I pin SDI e SDO sono quindi connessi al primo e all ultimo flip flop di questo registro che sar peraltro accessibile in parallelo dall interno della periferica M ster Slave Lo standard prevede due possibili im postazioni una CPHA sul fronte del clock in cui avviene lo shift dei dati e Valtra CPOL sulla polarit del clock ovvero sul Figura 4 1 Collegamento tra due periferiche SUO stato di r1poso Queste Opzioni n ge SPI A He E da nere sono impostabili sul dispositivo ma ster e permettono di adattarlo a tutte le possibili varianti di dispositivi slaves Esistono due tipologie principali di collegamento 1 slaves controllati indipendentemente con linee SCLK SDI e SDO che vanno a tutte le periferiche le quali vengono poi singolarmente abilitate dal master con
70. ima erogabile un terzo di quella assorbita nel caso ipotetico di un convertitore ideale cio 200 3 60mA Questi sono abbondantemente sufficienti per alimentare l unico componente attivo presente sul Capacimetro per diodi polarizzati 1 LF356 il quale assorbe al massimo 10 mA Dopo un attenta analisi dei dispositivi offerti dai principali produttori di con vertitori switching si propone l integrato LT1945 della Linear Technology tale dispositivo presenta le seguenti caratteristiche e possibilit configurazione boost o SEPIC due canali uno per uscita positiva e uno per uscita negativa switch interni ad alta tensione pu elevare tensioni fino a 34 V corrente di switch internamente limitata a 350 mA range della tensione di ingresso da 1 2V a 15 V e bassissima corrente necessaria per il funzionamento 20pA senza carico 0 5 pA in standby e alta frequenza di switch per poter utilizzare piccoli induttori Un possibile utilizzo di tale integrato mostrato in Fig 7 1 L efficienza di conversione di questa configurazione da datasheet di circa 180 e questo viene confemato anche da una prova effettuata mediante il tool di simulazione LTspice specifico per questo dispositivo Per quanto riguarda invece la generazione della tensione di polarizzazione bi sogna prevedere un altro circuito boost che innalzi la tensione sino a circa 100 V Questa tensione viene poi utilizzata per alimentare un ampli
71. imer UART 2Universal Asynchronous Receiver Transmitter 38 CAPITOLO 3 SPADCAPMETER I O Per avere delle prestazioni superiori esistono dispositivi quali DSP ed FPGA che sono dedicati per le applicazioni che richiedono un elevata capacit di calcolo ed elevate velocit Ovviamente con tali dispositivi la circuiteria di supporto diventa molto pi complessa aumentando notevolmente il costo della realizzazione del progetto Dal momento che il sistema in esame non richiede particolari prestazioni la scelta ricade su un microcontrollore Per individuare tale dispositivo le caratte ristiche minime richieste per soddisfare le esigenze dello strumento sono e hardware per la comunicazione seriale SPI per interfacciarsi con ADC e bus di comunicazione veloce con PC e timer per generare la frequenza di 50 kHz e programmazione IN Circuit 3 4 1 Il PIC18F4550 Tra tutti i possibili microcontrollori esistenti rispecchianti le caratteristiche ri chieste stato scelto il PIC 18F4550 della Microchip Technology Esso integra un vasto numero di periferiche tra le quali gioca un importante ruolo in questo elaborato il blocco hardware che gestisce la comunicazione USB Per confermare che tale dispositivo rappresenta una valida scelta in questo progetto si espongono ed analizzano in dettaglio le sue caratteristiche principali Universal Serial Bus Come appena detto la caratteristica principale del 18F4550 il controller
72. imili le ca 2 KQ inf LN i pacita sono dello stesso ordine di grandezza e lo studio SN Piero naa ead della funzione di trasferimento si complica Dato che passivo non serve avere una banda stretta si puo fare lo studio separato delle due frequenze Per prima cosa viene fissata la frequenza di taglio superiore f44 frequenza anti alias cio la frequenza in cui il filtro anti alis inizi ad attenuare Dato che l ingresso a 50kHz stata scelta la frequenza di taglio di 80kHz per evitare di ridurre l ampiezza del segnale Fissato questo valore e sapendo che faa 1 27R44C 4a i valori commerciali di resistenza e conden satore che pi si avvicinano sono Raa 2k Q e Caua 1nF che danno una fa reale pari a 79 5kHz Ora si pu determinare la frequenza di taglio del filtro passa alto fap 1 2rRypCHup sapendo che deve essere molto minore di faa ma sufficientemente alta da attenuare bene la componente continua A questo punto si pu introdurre un nuovo vincolo progettuale Sapendo che l alimentazione di rete introduce disturbi sinusoidali a 50 Hz importante scegliere fyp tale da at tenuare tali componenti indesiderate stando almeno due decadi prima di faa per le motivazioni precedentemente indicate Si pu decidere di fissare tale frequenza nell intorno di 500 Hz Di conseguenza i valori di resistenza e condesatore che for niscono un buon risultato sono Ryp 2 7kQ e Cyp 100nF in corrispondenza dei quali fx p 590 Hz che
73. imitata da due principali fattori il valore piccolo della capacit stessa e la sua dipendenza della tensione ai capi del diodo Pur avendo stimato il valore della Car c da sottolineare che tale valore pu variare sia a seconda del dispositivo fisico in esa me che al variare della tensione di polarizzazione Si visto come per mantenere costanti e ottimali le prestazioni dello SPAD in termini di efficienza quantica ri soluzione temporale e rumore sia necessario tenere fissa su un valore ben preciso la sovratensione applicata Per far ci si deve per considerare che la tensione di breakdown non rimane invariata in qualsiasi condizione operativa ma fortemen te dipendente dalla temperatura il valore del coefficiente termico legato alla struttura dello SPAD ed attorno allo 0 3 K Per ottenere prestazioni simili a temperatura diversa occorre dunque modificare la tensione di polarizzazione ci determina una variazione dello spessore della regione di svuotamento del diodo W e quindi della capacit di giunzione che legata ad esso dalla relazione EA C 1 9 dove A la sezione trasversale della zona di svuotamento ed e la costante dielettrica del semiconduttore utilizzato Segue che per uno stesso dispositivo necessario effettuare pi misure con differenti valori di polarizzazione Si deve prestare attenzione al fatto che misurando la capacit dello SPAD leg gendo semplicemente il valore fornito tra anodo
74. ione if USBHandleBusy USBGenericOutHandle si controlla se sono arrivati nuovi dati Se si questi vengono analizzati nel successivo blocco switch case e si fornisce una risposta a ciascuna richiesta da parte del PC Codice 4 8 Funzione ServiceRequest void ServiceRequests void BYTE index Check to see if data has arrived if USBHandleBusy USBGenericOutHandle if the handle is no longer busy then the last transmission is complete counter 0 INPacket CMD 0UTPacket CMD INPacket len OUTPacket len process the command switch OUTPacket CMD case READ_IMP if Mcompleted conversion completed INPacket _byte 2 0xAA send previus measure M Val unsigned int M_res MAX_MEAN INPacket _byte 3 M byte HB INPacket _byte 4 M byte LB counter 0x05 read new measure Mcompleted FALSE stato ADC_IMP else conversion is still in progress INPacket _byte 2 0xBB counter 0x03 break 71 38 40 42 44 46 48 60 62 64 66 68 70 72 74 76 78 CAPITOLO 4 SOFTWARE case READ_SINGLE if Mcompleted conversion completed INPacket _byte 2 0xAA send previus measure INPacket _byte 3 M byte HB INPacket _byte 4 M byte LB counter 0x05 read new measure Mcompleted FALSE stato ADC_START_MEASURE else conversion is still in progress INPacket _byte 2 0xBB counter 0x03 break case RESET Reset
75. ione Rp 1002 Come precendentemente anticipato l integrato richiede uno spike negativo instantaneo in ingresso per funzionare correttamente L uscita del compa ratore invece un onda quadra Di tale segnale Figura 3 9 Generatore di impulsi per bisogna quindi risaltare il fronte di discesa ovve ee ro mantenere sempre a livello logico alto il segnale tranne quando si verifica un fronte negativo Per prima cosa serve quindi un filtro passa alto che elimina la componente continua dell onda quadra lasciando passare solo il fronte poich una frequenza infinita Cid si realizza con una rete CR Tuttavia se tale rete riferita a massa l uscita sar costante a zero presentando uno spike positivo in corrispondenza del fronte di salita e uno spike negativo in corrisponenza del fronte di discesa Per avere invece l uscita sul livello logico alto si deve riferire il filtro composto da C s e Rg alla tensione di alimentazione A tal punto si nota che gli spike positivi superano il valore della tensione di alimenta zione Per eliminare questi spike che pergiunta non servono si aggiunge un diodo come mostrato in Fig 3 9 In tal modo quando si verifica uno spike positivo la tensione all anodo maggio re di quella al catodo il diodo Dj polarizzato direttamente e quindi si comporta 33 CAPITOLO 3 SPADCAPMETER come un corto circuito portando la tensione al valore di alimentazione E proprio tale rete
76. isura CBA Data Misura CAK 15 01 12 13 06 2009 15 01 20 13 06 2009 Carica Misure Salva Misure 5 6 Numero Medie hoo 4 Figura 5 2 Schermata capacit parassite 5 2 3 Acquisizione singolo valore Nella sezione Misura Singola mostrata in Fig 5 3 per prima cosa si deve impo stare con il controller 1 il numero di valori N sul quale fare la media Premendo il tasto 2 si fa partire l acquisizione Sul grafico vengono visualizzati come punti i singoli valori acquisiti con una linea rossa la media degli ultimi N e in blu la loro deviazione standard Infine nella label Cspad viene visualizzata la capacit media in sigma Cspad la sua standard deviation ed in max Cspad e min Cspad i valori massimi e minimi acquisiti durante tutta la sessione di acquisizione Si possono resettare questi ultimi due valori premendo il pulsante 3 Quando si vuole fermare l acquisizione basta premere il pulsante 2 82 CAPITOLO 5 ISTRUZIONI PER L USO SpadCapMeter v0 5 Misura Singola Cparassite Misura Caratteristica Taratura Opzioni 1 eee Cspad max Cspad 2 Media su 50 acquisizioni gt 2 0 00000 pF 0 00000 pF sigma Cspad min Cspad 3 0 00000 fF 0 00000 pF Start Stop 2 Reset 3 Acquired Values Mean Chart StdDev 10E 12 8E 12 6E 12 Ala ls Figura 5 3 Schermata misura singola 5 2 4 Rilevazione caratteristica Cax V A questo punto si passa al pannello
77. l innesco dalla valanga al suo spegnimento T Ri Ca Cp 1 6 Il segnale che pilota il comparatore ha la stessa forma dell onda dell impulso di valanga ed il picco ha il seguente valore y ViVe Cp Si nota che esso maggiore se Cp gt Car difatti solo la corrente proveniente da Rs 1 7 Cak circola nell anello interno al diodo In questo caso V nell ordine di qualche mV In varie applicazioni necessario utilizzare fotorivelatori molto sensibili sotto il controllo di un segnale di abilitazione Gated Mode Nel caso dello SPAD ci facilmente ottenibile applicando un segnale di tipo impulsivo con ampiezza suff cientemente maggiore alla tensione di breakdown questo tipo di comando anche molto utile in quanto se lo SPAD tenuto spento per un tempo sufficientemente lungo si hanno dei netti miglioramenti nelle sue prestazioni una volta riattivato 10 CAPITOLO 1 IL FOTODIODO SPAD Una delle pi semplici configurazioni circuitali adottate per questo scopo mostrata in figura Fig 1 9 JIL Coax GATE Figura 1 9 Circuito per spegnimento passivo in Gated Mode Questo circuito presenta un grosso problema in quanto ad accoppiarsi capa citivamente non solo il segnale di valanga ma anche quello di gate che sia sul fronte di salita che su quello di discesa produce una variazione Cp Cp Cak nella quale con Vg s intende l ampiezza ef AVariode Va 1 8 fettiva del segna
78. le di gate al catodo Cox la capacit del diodo in inversa e Cp quella di pre Segnale SPAD Segnale Dummy Cal lievo Il segnale di abilitazione proveniente da un impulsatore con bassa impedenza di usci ta subisce dunque una riflessione a causa del la grande impedenza vista al catodo generan 8 p 5 Figura 1 10 Forma d onda dell uscita di do un onda riflessa di pari ampiezza rispetto a timing blu continuo e del segnale dummy che rappre quella incidente raddoppiando quindi la ten senta la soglia di discri minazione dinamica rosso sione vista dallo SPAD L onda riflessa poi tratteggio terminata all impulsatore senza dare luogo ad ulteriori riflessioni che potenzial mente altererebbero la sovratensione La variazione della tensione anodica a causa della partizione capacitiva induce sul terminale della capacit di prelievo verso il coassiale dei picchi spuri come visibile in Fig 1 11 Pi il segnale di abilitazione veloce pi l ampiezza dei disturbi aumenta Non si pu semplicemente rendere il segnale di gate pi lento in quanto un requisito fondamentale e nemmeno alzare la soglia di comparazione in quanto 11 CAPITOLO 1 IL FOTODIODO SPAD significherebbe rallentare la rilevazione della valanga e quindi il tempo di risposta totale del circuito L idea innovativa introdotta consiste nella generazione di una soglia dinami ca che possa seguire l andamento degli impulsi di accoppiamen
79. les and Practices Prentice Hall Inc 2001 Microchip Technology Inc Rawin Rojvanit Migrating applications to usb from rs 232 uart with minimal impact on pc software Technical report 2004 http ww1 microchip com downloads en AppNotes 00956b pdf Cypress Semiconductor Technical Reference Manual May 2007 http www psocdeveloper com uploads media PSoC_TRM_00 pdf National Semiconductor Easily tuned sine wave oscillators Technical report March 1971 http www national com Microchip Technology PICmicro 18C MCU Family Reference Manual 2000 http ww1 microchip com downloads en DeviceDoc 39500a pdf Microchip Technology MPLAB C18 C Compiler User S Guide 2005 http wwi microchip com downloads en DeviceDoc C18_User_Guide_51288j pdf USB org Device Class Definition for Physical Interface Devices PID September 1999 http www usb org developers devclass_docs pidi_01 pdf 92
80. lettura dell ultimo valore acquisito dal ADC Questa misura pu risultare talvolta inaccurata perci per evitare di leggere valori spuri e per aumentare la risoluzione apparente del convertitore si pensato di creare lo stato ADC_IMP e tutta una serie di stati ad esso collegati Essi leggono pi di un valore dal ADC e ne fanno prima la moda tra MAK MODE valori e poi la media su MAK MEAN risultati I due parametri massimi sono lasciati liberi al fine di poter scegliere il miglior compromesso tra risultati ottenuti e tempo per effettuare la misura completa Qui di seguito viene riportato il corrispondente codice C che fa da scheletro alla macchina a stati Codice 4 3 StateMachine void SPAD_StateMAchine void switch stato case NOP No OPeration State break case ADC_START_MEASURE break case ADC_IMP 67 20 22 10 CAPITOLO 4 SOFTWARE break case ADC_IMP2 break case ADC_IMP_M break default stato NOP break Nel codice 4 4 presentato lo stato che effettua una singola lettura dell ADC Innanzitutto si controlla che il convertitore non sia occupato Se il test ha esito positivo si pu abbassare il segnale di LTC1417_nRD per indicare una lettura all A DC Dopo una breve attesa per assicurarsi che i livelli logici si siano assestati e il convertitore sia effettivamente pronto ad inviare i dati si esegue la lettura della parte alta del valore a 16 bit risultante d
81. ntegra al suo interno un timer di riferimento che utilizzato durante le operazioni di conversione Questo per potrebbe anche essere utilizzato per trasferire il dato 1Effective Number Of Bit 37 CAPITOLO 3 SPADCAPMETER digitale Per avere un miglior controllo sul dispositivo si scelto di utilizzare un clock esterno Infine i segnali digitali che bisogna gestire sono e BUSY indica se l ADC occupato a convertire o libero e RD serve per abilitare l uscita a trasferire i dati e DOUT il dato seriale in uscita dall ADC e SCLK il clock sincrono a DOUT impostato dal dispositivo di lettura del dato Questi segnali vengono gestiti dall elaboratore digitale 5V D Le Es 1N4148 1004H 1nF USCITA MONOSTABILE 5V Cc Cop Co I 100nF I 10pF I 100nF EXTCLKIN VDD REFCOMP gt PIC SCLK CLKOUT USCITA ant gt PIC MISO FILTRO LP LTC1417A gt PIC GPIO1 PIC GPIO2 Figura 3 13 Circuito del convertitore Analogico Digitale 3 4 Microcontrollore Un microcontrollore un sistema a microprocessore completo integrato in un solo chip progettato per ottenere la massima autosufficienza funzionale ed ottimizzare il rapporto prezzo prestazioni per una specifica applicazione Esso infatti integra al suo interno una CPU generalmente a 8 16 bit delle memorie per il salvataggio del programma e dei dati ed altre periferiche di uso generico quali t
82. o Torr il condesatore non pu scaricarsi istantaneamente e quindi la tensione in 1 si porta al valore 4 3 V dato che in ingresso la tensione si portata a 0 V Tale valore viene mantenuto in quanto D risulta polarizzato inversamente In questo caso si nota che Ds risulta polarizzato direttamente e in uscita trasferisce la tensione in 1 a meno della c d t ai sui capi cio 3 6 V Durante il Toy invece spento e Ca mantiene la tensione costante In realt la corrente prelevata da questo stadio tende a scarica 51 CAPITOLO 3 SPADCAPMETER re il condensatore C2 Per mantenere la tensione d uscita costante bisogna quindi usare un segnale d ingresso con un periodo inferiore alla costante di scarica del condensatore Ci 470nF 1 D C 2 Il 470nF Di Figura 3 23 Schema pompa di carica Riassumendo il sistema usa un sistema di alimentazione dove V 5V e V_ 3 6V Ci non comporta nessun problema in quanto il segnale che si deve generare ha ampiezza massima 0 1 V e minima 0 1 V mentre la tensione in ingresso ha valore massimo di 3 V e minimo 3 V L operazionale riesce quindi a non saturare mentre il comparatore anche se satura riesce a rilevare il passaggio per lo zero In ogni caso si pu concludere che tale alimentazione compatibile con il funzionamento del circuito Come ultima analisi bisogna controllare se la corrente assorbita dal sistema sia inferiore a 500mA corrente massima fornita dalla po
83. o per diodi po larizzati e sapendo che la misura necessita di un errore non superiore a 5 fF si possono calcolare altre caratteristiche Importante la risoluzione Il segnale da convertire V si ottiene da questo semplice conto C Vein 0 1 sin 27 50 kHz t a V 3 8 Il massimo di questa funzione dunque CAK sin 0 1 Vu 01 700fF V 3 9 Per avere una risoluzione richiesta di 5fF vuol dire che il minimo incremento di tensione dell ingresso che cambia di un LSB la conversione sia esattamente pari a 5 fF AV 0 1 0 mV 3 10 700 fF Si pu quindi riassumere che ADC necessario deve 1 poter essere alimentato con una tensione compresa tra i 4 5 V e i 16 V 2 avere una frequenza minima di campionamento di 50 kHz 3 avere lo Start Of Conversion attivo basso 4 avere dinamica d ingresso D di 3V cio da 0V a 3 V poich interessa solo la parte positiva del segnale 5 avere una risoluzione minima pari a AV 3 3 2 LTC1417A Un ADC che rispecchia tali esigenze 1 LTC1417 Le sue caratteristiche sono e tensione di alimentazione singola o duale 5V 35 CAPITOLO 3 SPADCAPMETER e frequenza massima di campionamento 400Ksps dinamica d ingresso 4V risoluzione di 14 bit Start Of Conversion attivo basso e uscita seriale SPI Per controllare che il numero di bit sufficiente bisogna tradurre il AV in bit secondo la relazione D 4V n log log
84. olarizzazione dello SPAD con una tensione che possa essere variata senza modificare per altri aspetti il funzionamento del circuito Partendo dalle considerazioni fin qui viste si pu semplificare il problema cer cando di realizzare un circuito che fornisca in uscita una grandezza elettrica prefe ribilmente una tensione per la sua semplicit di elaborazione che sia strettamente legata al valore della capacit interessata 3 2 2 Soluzione circuitale Per fare questo comodo utilizzare una configurazione circuitale ad operazionali simile ad un amplificatore invertente siccome si ha a che fare con una capacit si 16 CAPITOLO 2 CAPACIMETRO PER DIODI POLARIZZATI devono sostuire le usuali resistenze con condensatori In questo modo il guadagno dello stadio dipende direttamente dal valore della capacit in esame Tutto ci a patto di iniettare all ingresso un segnale di stimolo variabile nel tempo per esempio una sinusoide ad un adeguata frequenza Si ottiene quindi il circuito riportato in Fig 2 1 dove si pu studiare sempli cemente il guadagno Cf Vsin Figura 2 1 Circuito di principio Capacimetro per diodi polarizzati 1 Vo Zs sy _ C Da qui si evince che fissando opportunamente Cy e sostituendo lo SPAD a C si ottiene una tensione di uscita direttamente proporzionale alla capacit del fotodiodo Tutto questo valido usando un operazionale ideale purtroppo nella real
85. om scelto il guadagno in tale progetto si ottiene sicuramente una tensione superiore al valore desiderato Di conseguenza comodo inserire una rete di attenuazione in ingresso Pi precisamente tale rete mostrata in Fig 3 21 Ca Ra composta da un condensatore Cpg per eliminare Dz Rb la componente continua e centrare l onda quadra in 0V un diodo per diminuire l ampiezza dell onda e f o Figura 3 21 Schema attenuatore un partitore resistivo Ra e Ry per definire preci samente l attenuazione Siccome si deve eliminare solo la componente continua la capacit deve avere un valore tale da non filtrare anche frequenze nell ordine di 50kHz Per tale motivo viene scelta Cg 1nF Per il dimensionamento del partitore risulta pi efficiente svolgere una taratura sperimentale Da queste mi surazioni si trova come valori ottimali per ottenere 100 mV in uscita Ra 2kQ e Ry 33K 0 Figura 3 22 Schema completo generatore 50 kHz Riassumendo il segnale sinusoidale a 50 kHz di ampiezza 0 1 V si ottiene con il circuito illustrato in Fig 3 22 50 CAPITOLO 3 SPADCAPMETER 3 6 Alimentazione Dal momento che si vuole usare la comunicazione USB provvista di una linea di alimentazione che pu fornire 5 V erogando una corrente massima di 500 mA si pu progettare la sezione di alimentazione per rendere il circuito indipendente dalla rete elettrica Purtroppo questa tensione non basta in quanto pe
86. one stato ADC_IMP Esiste poi il caso RESET di immediata comprensione e il caso di default utile nel caso il pacchetto ricevuto non sia uno di quelli previsti A questo punto il pacchetto costruito pu essere passato nella Dual Port RAM e spedito al PC mediante l uso della funzione integrata USBGenWrite Infine l endpoint di ricezione pu essere riarmato per ricevere nuovi pacchetti in arrivo 4 2 LabVIEW Per quanto riguarda il software di gestione dello strumento un ottimo programma LabVIEW Esso infatti presenta delle caratteristiche di elevata comodit e versatilit nell interfacciamento con periferiche di ogni tipo Prima di parlare dello sviluppo vero e proprio di tale software necessario capire cos e come funziona tale programma 4 2 1 Introduzione a LabVIEW LabVIEW Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench un am biente di sviluppo per applicazioni principalmente orientate all acquisizione di dati ed alla gestione di strumentazione e elettronica all analisi ed elaborazione dei segnali La particolarit di LabVIEW quella di fornire un ambiente di programma zione di tipo grafico ad oggetti denominato G Language il quale consente di realizzare algoritmi utilizzando icone ed altri oggetti grafici uniti da linee di col 73 CAPITOLO 4 SOFTWARE legamento in modo da realizzare una sorta di diagramma di flusso Tutto questo sostituisce il testo del codice de
87. orgente interna di rumore del diodo Il tasso dei conteggi di buio aumenta al crescere della temperatura di lavoro del fotorivelatore e della sovra tensione V ovvero della differenza tra la tensione di polarizzazione e quella di breakdown La sovratensione inoltre influenza il variare di due importanti pa rametri tipici dello SPAD ovvero l efficienza quantica e la risoluzione temporale CAPITOLO 1 IL FOTODIODO SPAD ove per risoluzione temporale si intende la distribuzione statistica dei ritardi tra il vero istante di arrivo del fotone e l attimo in cui rivelato l impulso di corrente Per la precisione si dimostra che l aumento della sovratensione migliora le prestazioni in termini di efficienza quantica e risoluzione temporale ma peggiora quelle relative al rumore determinando un aumento del numero di conteggi di buio Tenendo conto di tutti questi fattori si pu ricavare un valore ottimale di V che deve essere mantenuto costante per ottenere le prestazioni migliori del fotodiodo 1 1 3 Modello SPAD Viene ora proposto un modello circuitale per lo SPAD ai fini di comprenderne meglio il suo funzionamento elettrico 2 Come pos x sibile osservare in Fig 1 4 l arrivo di un fotone Ro Cak modellizzato mediante la chiusura di un in terruttore il quale permette alla corrente di de ee fluire attraverso il dispositivo In serie a que Ho sto vi Rp che data dalla somma della resi stenza di cari
88. po questa prima sincronizzazione parte la comunicazione vera e propria Tutti i pacchetti sono composti da bytes da 8 bit salvati come little endian I primi quattro bytes di un pacchetto consistono nel Packet IDentifier PID Esistono diversi tipi di pacchetti e handshake packets contiene solo il PID ed usato in risposta ai data packet e token packets contengono il PID l indirizzo del dispositivo e una parte di controllo di errore sono mandati solo dall host per far trasmettere allo slave dei dati oppure per configurarlo e data packets usati per trasmettere dati Esistono infine quattro modalit di trasferimento dei dati e control transfers usato tipicamente per i comandi consiste nell inviare un to ken un solo pacchetto di dati e un handshake E indicato per il trasferimento di pochi dati e interrupt transfers nel quale ciclicamente l host richiede alla periferica se ha qualche dato da trasmettere e isochronous transfers usato per trasferire un flusso di dati in modo continuo e bulk transfers usato per il trasferimento di grandi volumi di dati a scatti SPI Il Serial Peripheral Interface o SPI un bus di comunicazione seriale sincrono full duplex utilizzato soprattutto nella comunicazione tra microcontrollore ed al 62 CAPITOLO 4 SOFTWARE tri circuiti integrati a breve distanza La trasmissione bidirezionale ed con trollata da un master che emette il segnale di clock e dec
89. r generare la sinusoide la circuiteria necessit di alimentazione negativa in quanto l onda in uscita dal filtro passa banda precendetemente descritto deve essere centrata in zero e varier da un valore massimo di 100 mV e un valore minimo di 100 mV Un altro motivo che il comparatore deve rilevare il passaggio per lo zero quindi anche lui necessita di un alimentazione duale Per evitare di complicare l utilizzo di tale sistema si cercato un metodo diverso per alimentare il circuito da quello classico trasformatore stabilizzatore Dal momento che si ha a dispozione una tensione continua i 5V dell USB una soluzione efficiente quella di usare un circuito DC DC cio una rete elettrica in grado di convertire una tensione continua in ingresso in un altra in uscita La configurazione pi semplice per realizzare questo tipo di sistema di alimen tazione usare una pompa di carica mostrata in Fig 3 23 Per semplicit si pu immaginare che tale rete sia composta da un circuito fissatore seguito da uno rettificatore Data un onda quadra in ingresso pi preci samente generata dal PIC e quindi di ampiezza 0 5 V la prima sezione modifica questo segnale spostando il suo valor medio da 2 5V a 1 8V Ci possibile in quanto durante il Toy dell onda il diodo polarizzato direttamente e fissa la tensione ai suoi capi nel punto 1 a 0 7V Di conseguenza sul condensatore si ha una d d p di 5 0 7 4 3V Durante il successiv
90. re corrispondente al duty cycle DC dell uscita SPI La comunicazione SPI viene gestita hard lt Internal Data Bus ware dal modulo MSSP mostrato in Fig 3 17 Read RVA Write Esso consente di serializzare un dato posto nel SSPBUF reg registro SSPBUF che viene automaticamente tra N sferito in SSPSR quando questo libero sul pin xX gt SSPSR reg __ i SDI bito Shift SDO oppure di memorizzare un dato seriale in ra Clock arrivo sul pin SDI SD9 O In questo tipo di comunicazione un ruolo SS Control x To x Enable molto importante svolto dal clock Infatti il A N ss Edge dato deve essere sincrono a guesto segnale per Solea gt 2 avere una corretta lettura Di conseguenza il Cis sian modulo hardware integra una sezione dedicata SSPM3 SSPMO SMP CKE ES 4 ae y2 TMR2 Outoul Edge Select La trasmissione avviene tra un dispositivo cx Prescaler Tosc 4 16 64 detto master e uno o pi slaves Il master con VAR NPA TRIS bit trolla il bus emette il segnale di clock decide Figura 3 17 Schema modulo SPI quando iniziare e terminare la comunicazione Perci in questo blocco hardware sono previsti entrambi i funzionamenti Il pin SCK pu essere di lettura o scrittura se il PIC impostato come master genera un clock su tale pin e nello stesso tempo lo
91. rogramma Appena si riaccende viene terminata l installazione Nell elenco dei programmi si trova SPADCapMeter PC Interface SCM e si avvia A questo punto se la scheda non collegata viene dato un messaggio d errore ma cliccando su ok si pu usare ugualmente il programma 79 CAPITOLO 5 ISTRUZIONI PER L USO 5 2 Come effettuare la misura Completate le operazioni precedentemente illustrate si ottiene lo strumento pronto a rilevare la capacit dello SPAD Il software si articola in pi sezioni ottenendo diverse modalit di misurazione Per prima cosa se non si dispone dello SPADCAPMETER si deve andare nella sezione opzioni dove si pu attivare la Demo Mode che permette di controllare il funzionamento del software nonch di prendere confidenza con lo strumento 5 2 1 Taratura strumento La sezione Taratura fondamentale in quanto fornisce tutti i parametri necessari per convertire il codice ricevuto dal PIC in valore di capacit in Farad Per fare questo sono necessari alcuni condensatori di capacit nota e di ridotta tolleranza da inserire negli appositi tulipani del Capacimetro per diodi polarizzati In Fig 5 1 si mostra lo screenshot di questa parte Per prima cosa si imposta il numero di valori sul quale si deve effettuare la media per ottenere un valore il pi possibile preciso attraverso il controller 2 Successivamente si inserisce attraverso il controller 1 il valore del condensatore di prova
92. rta USB Per tale calcolo si pu controllare l assorbimento di ogni singolo blocco anche attraverso le informazioni fornite dai datasheet Ecco una stima degli assorbimenti e filtro d ingresso del front end 0 A poich una rete passiva e comparatore massimo 10 mA e monostabile massimo 15 mA e convertitore A D massimo 6 mA e LED 4mA e operazionale 15 mA e microcontrollore massimo 25 mA 52 CAPITOLO 3 SPADCAPMETER Di conseguenza la massima corrente assorbita dal circuito 75 mA e quindi la scelta di tale sistema di alimentazione risulta un ottima soluzione 3 7 Realizzazione progetto hardware Definiti e progettati i vari blocchi bisogna unirli per realizzare il circuito che svolga tutte le funzioni illustrate Tuttavia non immediato questo passaggio In particolare bisogna notare che ci sono parti digitali e parti analogiche e quindi un massa digitale DGND e una analogica AGND Esse dovranno essere unite in un solo punto del circuito Inoltre il cavo USB schermato per evitare che eventuali disturbi si accoppi no sulla linea di trassione dei dati Tali disturbi vengono quindi catturati dalla schermatura traducendosi in un accumulo di carica Il connettore USB prevede due pin per questa schermatura che bisogna collegare a DGND Questi accumuli di carica possono modificare il livello di massa e portare disfunzionalit nel siste ma per ci bisogna inserire un filtro passa basso che elimini questa
93. ssa banda e quindi controllare che non ci siano parassitismi o collegamenti non corretti che portino all instabilit di tale rete Per quanto riguarda l acquisizione 54 CAPITOLO 3 SPADCAPMETER Sinusoide in ingresso 4l Uscita comparatore o l 2 2 J n A g 0 F 6 f Uscita monostabile Segnale SOC E Ap 1 o 9 n B l 0 F i 1 1075 2 1075 3 1075 4 1075 5 1075 tempo s Figura 3 25 Schermate dell Oscilloscopio del massimo segnale della sinusoide bisogna effettuare rigorosamente la regolazione del ritardo del monostabile Ci si pu svolgere iniettando in ingresso la sinusoide a 50 kHz visualizzandola su un canale dell oscilloscopio Conseguentemente con un secondo canale di tale strumento si controlla che l uscita del comparatore sia effettivamente un onda quadra con Torr quando la sinusoide positiva Infine con un terzo canale dell oscilloscopio si legge il segnale di inizio conversione del PADC SOC In particolare si deve tarare la costante di tempo del monostabile affinch il fronte di discesa di tale segnale sia esattamente in corrispondenza del massimo del segnale da convertire Una volta regolato il trimmer che consente ci si pu controllare con il quarto canale dell oscilloscopio anche il dato in uscita dell ADC rigorosamente seriale con tempo di trasferimento inferiore al periodo della sinusoide La schermata c
94. t non si pu fare totale affidamento a questo semplice modello Innanzitutto esiste una corrente fuoriuscente dal morsetto non invertente dell amplificatore comu nemente chiamata corrente di bias questa influenza negativamente il corretto funzionamento del circuito in quanto caricando costantemente la capacit Cy fa saturare l uscita Per ovviare a tale problema neccessario aggiungere una resistenza Ry nella rete di reazione Come precedentemente affermato si deve misurare la capacit dello SPAD al variare della tensione di polarizzazione E necessario quindi utilizzare un gene ratore di tensione continua per fornire la tensione di bias al catodo del fotodiodo Questa non pu essere applicata direttamente al catodo del fotodiodo in quanto ad esso arriva anche il segnale sinusoidale in ingresso Perci si usa una resistenza 17 CAPITOLO 2 CAPACIMETRO PER DIODI POLARIZZATI Rp con l ulteriore compito di proteggere il generatore di bias da una eventuale cor rente di cortocircuito Ci nonostante questa tensione essendo continua non viene trasferita in uscita per via della C4x cio la capacit dello SPAD che sostituisce il condesatore C Per finire viene introdotta una capacit di disaccoppiamento C tra il segnale sinusoidale e il catodo dello SPAD Di conseguenza il circuito completo illustrato in Fig 2 2 Rf 100MQ Vbias Boro C 10nF Vsin 50kHz Figura 2 2 Circuito Capacimetro p
95. tante linee di SS quanti sono gli slaves 2 slaves in catena la linea SCLK va a tutti gli slaves mentre SDO va solo al primo la sua SDI va all SDO del secondo slaves e cos via per formare un anello 63 CAPITOLO 4 SOFTWARE 4 1 2 Programma PIC Prima di iniziare a scrivere il firmware bene realizzare uno schema a blocchi che focalizzi i punti principali su cui lavorare In questo progetto ci si traduce nel seguente elenco di operazioni e Inizializzazione suddivisa in Inizializzazione USB dove si impostano i parametri di configurazione del modulo hardware dedicato alla comunicazione col PC Altre inizializzazioni dove vengono settati tutti i registri degli altri moduli utilizzati e Ciclo infinito nel quale si eseguono USBTask il quale si occupa della parte software della gestione del protocollo USB Process IO nella quale StateMAchine una macchina a stati che gestisce l acquisizione e l elaborazione dei dati dal ADC Service Request risponde ai comandi ricevuti tramite USB In particolare le parti di codice di maggiore interesse sono riportate qui di seguito Innanzitutto si analizza il codice del main il quale rispecchia fedelmente la struttura riportata nello schema appena visto Codice 4 1 main void main void InitializeSystem while 1 USBDeviceTasks ProcessI0 end while 64 10 12 14 16 18 20
96. ti che la maggior parte dei sistemi digitali per poter funzionare al me glio specialmente nel trasferimento di informazioni su bus paralleli necessita di una linea di clok per la sincronizzazione E necessario predisporre quindi un quarzo esterno al PIC che viene opportunamente stimolato al fine di instaurare in esso delle oscillazioni particolarmente stabili in frequenza viste le caratteristiche meccaniche del quarzo Esse vengono poi trasformate in un segnale digitale che rappresenta il riferimento temporale del microcontrollore 42 CAPITOLO 3 SPADCAPMETER Internamente il PIC necessita di svariate frequenze per funzionare giusto per dare un esempio il modulo USB ha bisogno di un clock a 96MHz per la sincro nizzazione con l Host Sfortunatamente per quarzi a frequenze cos elevate non esistonc da qui l utilit del modulo PLL il quale sostanzialmente un moltipli catore che permette di generare frequenze multiple di un clock di riferimento Si pu quindi utilizzare un quarzo esterno di 4MHz e mediante prescalers e PLL generare tutte le frequenza utili al dispositivo HS EC ECIO XT Oscillator Enable PLL Enable _ from CONFIG1H Register CCPxCON lt 5 4 gt Duty Cycle Registers Voli CCPRxL OSC2 J FP Phase Xx Oscillator Fin Comparator Llosc1 and Four CCPRxH Slave RI Prescaler Comparator R Q Loop CCPx Filter
97. tivo quindi quello di semplificare tale circuito Si pu sfruttare il fatto che si conosce esattamente la frequenza del segnale d ingresso ci vuol dire che prendendo un punto qualsiasi della sinusoide si pu 26 CAPITOLO 3 SPADCAPMETER calcolare esattamente il ritardo necessario per spostarsi nel punto corrispondente al massimo In particolare si sa che tra il passaggio per lo zero e il punto in corrispondenza del massimo c uno sfasamento di 90 Trovare l istante di zero per molto semplice utilizzando un comparatore La soluzione che evince da questo ragionamento mostrata in Fig 3 4 Figura 3 4 Rilevatore di picco sfasatore di 90 Esso un filtro passa basso attivo del 1 ordine Per ottenere un ritardo di un quarto di periodo bisogna posizionare il polo almeno una decade prima di 50 kHz Per compensare l attenuazione introdotta si modifica il rapporto R R In questo caso si nota che non interessa ottenere un segnale di ampiezza identica all ingresso in quanto interessa solo il passaggio per lo zero Quindi il guadagno di questo stadio deve tale da fornire un segnale facilmente discriminabile dal comparatore All uscita del comparatore si ottiene un onda quadra con un fronte di salita in corrispondenza del minimo del segnale non sfasato e un fronte di discesa quando tale segnale raggiunge il valore massimo Di conseguenza per acquisire la tensione desiderata ADC deve iniziare la conversione
98. to per evitare di sincronizzarsi su di essi mentre permetta di mantenere un livello di soglia basso quando si deve leggere il segnale dovuto alla valanga Al fine di ottenere un livel lo di soglia indipendente dall ampiezza dell impulso di accoppiamento del segnale di gate occorre generare un segnale aggiuntivo chiamato dummy che presenti unicamente gli impulsi di accoppiamento senza il segnale di valanga come rap prensentato in Fig 1 10 Per tale scopo necessario inserire in parallelo allo SPAD una rete che si comporta in modo analogo ad esso ottenendo un ramo spe culare L uscita qui prelevata rappresenta il corretto input della soglia dinamica interessata Ci si traduce nel circuito illustrato in Fig 1 12 Figura 1 11 Segnale di valanga accoppiato capacitivamente blu e soglia minima di discriminazione statica del fronte rosso 12 CAPITOLO 1 IL FOTODIODO SPAD GATE Figura 1 12 Circuito per spegnimento passivo in Gated Mode con prelievo differenziale La capacit variabile Car deve essere regolata in modo tale da essere uguale alla capacit del diodo in inversa alla tensione dei polarizzazione Vo di utilizzo per ottenere il dummy signal Con questo tipo di ciruito l arrivo del segnale di gate non produce alcuno scatto indesiderato del comparatore mentre all innesco di una valanga da parte dello SPAD la linea di dummy rimane ferma e la ten sione del signale generato dal fotodiodo attraversa la sogl
99. tomaticamente caricare all avvio la scelta del formato con cui si vogliono esportare le immagini In pi si ha possibilit di testare il corretto funzionamento del programma attivando la demo mode ovvero una particolare modalit in cui senza collegare lo SPADCAPMETER il programma legge dati di prova simulati internamente 78 Capitolo 5 Istruzioni per l uso Realizzato il dispositivo sia nella parte hardware che in quella software si hanno quasi tutti gli strumenti per effettuare le misure 5 1 Collegamento e driver Come prima cosa si deve collegare lo SPADCAPMETER al PC mediante un cavo USB maschio maschio con una connettore tipo B e uno tipo A Come prima verifica della corretta connessione si nota che il LED si accende inoltre compare su PC messaggio Trovato nuovo hardware ed automaticamente parte l installazione guidata dell hardware I driver per far riconoscere la periferica al PC sono forniti insieme all eseguibile del programma sul CD in allegato all elaborato A termine dell installazione dello SPADCAPMETER si pu controllare che tale periferica sia correttamente riconosciuta nella sezione Pannello di controllo Sistema Hardware Gestione periferiche che visualizza una porta con il nome SPAD CapMeter A tal punto con il doppio click sul file setup exe che si trova nella cartella SCMI Installer si installa il programma d interfaccia Si seguono le istruzioni e si riavvia il computer come richiesto dal p
100. traduce in Rr maggiore di 1000R Per non ottene valori di resistenze che commercialmente non esistono viene scelta R nell ordine del centinaio di Q con conseguente Rp nell ordine del centinaio di kQ al pi di qualche MO Pit precisamente viene scelta R 1002 Rr 560 kQ ottenendo Ri V V 0 00018 V 3 5 H g ie de 3 5 Ra Vy 0 0 3 6 n Ri Rp o 31 CAPITOLO 3 SPADCAPMETER Si pu verificare che questo dimensionamento corretto calcolando la soglia minima e quella massima corrispondenti alla minore e alla maggiore alimentazione supportata dall LM311 Quindi e V 2 5V gt Vy4 0 45 mV V228V SV p23 mV Infine per avere simmetria all ingresso del comparatore viene messa la resi tenza Rj R mentre per portare l uscita al valore logico alto desiderato si deve mettere una resitenza di pull up Rz sull uscita Per evitare che il comparatore assorba una corrente elevata tale restistenza stata scelta di 1kQ 3 2 3 Ritardatore Per realizzare digitalmente un ritardatore V se x n un idea quella di usare un circuito monosta bile Esso sostanzialmente ha la caratteristica di fornire in uscita un valore logico stabile e ADC SOC perturbarlo esclusivamente a fronte di un im pulso in ingresso per un periodo Tm fissato Cy Bisogna far in modo che tale rete abbia come i livello stabile lo zero logico e che a seguito del Figura 3 8 Monostabile con
101. tto la capacit imposta seguendo il diagramma di flusso in Fig 4 4 In particolare USBTask rappresenta la porta USB usata il blocco Get measure vi invia la richiesta del tipo di dato che vuole ottenere dal PIC Normal o Impoved e lo acquisisce Tale operazio ne viene ripetuta tante volte quanto fissato da Numero Medie Tar poi i dati ottenuti vengono elaborati da Std Deviation and Variance vi che calcola media e deviazione standard Succesivamente tali valori ottenuti vengono memorizzati in un array insieme al corrispondente valore della capacit nota Tcap Ripetendo tale operazione con nuovi valori di capacit i dati contenuti nell array vengono mandati al blocco BestFit amp show vi che li visualizza in una tabella calcola i coef 77 CAPITOLO 4 SOFTWARE ficienti della retta interpolante e mostra su un grafico i dati e tale retta Ci sono inoltre dei controlli aggiuntivi cio un tasto per cancellare tutte le misure un tasto per cancellare un solo valore un tasto per salvare i valori e un tasto per caricare valori precedentemente salvati Come risultato si ottiene una label con i coefficienti della retta che interpola i dati ottenuti Tali coefficienti vengono usati nelle altre sezioni per visualizzare il dato come capacit Opzioni Infine viene prevista una sezione dedicata all impostazione di settaggi generali quali i percorsi del file di taratura e del file contenente i valori dei parassitismi che il programma deve au
102. uadagno dello stadio bisogna innanzitutto individuare il guadagno d anello Tu Roll se Gr A s I l ia P gt 2 4 SCAK y Rolla l Rille A 3 1 so Ch Can 1 SRC 1l s Rp Cp Car Ry Cs Cax sR Rp Cp Cp Car CoCak dove A s il guadagno dell amplificatore operazionale Il Gr a bassa frequenza pari in modulo al guadagno in continua dell opera zionale Ao 100 dB 10 ha due zeri le cui frequenze corrispondono a quelle dei poli di G7 e tre poli di cui uno dato dall operazionale a 50 Hz e gli altri due ricavabili risolvendo l equazione di secondo grado ottenuta dall annullamento del denominatore Si hanno ora a disposizione tutti gli elementi per ricavare il guadagno d andata Ga Gr s Gr s 2 5 A s s R CpRyCax 1 s R C Cax Rye Ce Cax s2R R C5 Cp Car CpoCak 19 CAPITOLO 2 CAPACIMETRO PER DIODI POLARIZZATI Non si possono disegnare questi grafici poich le frequenze dei poli variano a seconda del valore di C 4g Al posto di studiare analiticamente tutti i casi possibili si pu intraprendere un ragionamento veloce ma efficace Come precedentemente anticipato i poli del guadagno ideale non vengono in fluenzati da piccole variazioni della capacit dello SPAD Il guadagno d andata tende a introdurre poli ad alte frequenze limitando la banda del guadagno idea le Quindi il guadagno reale sar identico a quello
103. urare capacit nel range di valori 0 1 pF 20 pF con una risoluzione di 2 fF Esso inoltre consente di polarizzare il fotodiodo al fine di ricavare l andamento della capacit al variare della tensione di bias Nonostante sia espressamente progettato per la misura dei parassitismi dello SPAD esso anche in grado di misurare il valore di capacit normali ovviamente restando all interno del range di misura Grazie alla presenza di un microcontrollore sulla scheda sviluppata la misura risulta essere completamente automatizzata senza aver bisogno di un oscillosco pio Inoltre visto il collegamento con un PC l esecuzione della misura e la succes siva elaborazione dei dati resa molto pi semplice In particolare il collegamento USB garantisce un trasferimento veloce dei dati e un elevata compatibilit visto 88 CAPITOLO 7 CONCLUSIONI E PROSPETTIVE FUTURE che oggigiorno ogni PC dotato di almeno una porta USB Mediante il software al calcolatore possibile effettuare misure di caratterizza zione dello SPAD tenendo gi conto delle capacit parassite senza dover utilizzare ulteriori programmi di calcolo Infine il sistema stato progettato per poter essere contenuto in un involucro dalle dimensioni ridotte il che combinato con l uso del collegamento USB lo rende un prodotto facilmente trasportabile Questo ha influito anche positivamente sul costo del dispositivo che si aggira nel complesso a circa 50

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