Progetto e realizzazione di un sistema di acquisizione veloce per applicazioni TCSPC ad alte prestazioni

This thesis work is part of the project of an acquisition system with a high number of channels for Time-Correlated Single Photon Counting (TCSPC) applications. The system is intended to overtake the current trade-off between parallelism level and performance and manages 1024 sensors organized in a 32 × 32 matrix. In order to limit the data throughput and the power consumption, the number of acquisition chains is 64, split in 2 boards with 32 channels each. A router forwards the signals coming from the 1024 sensors to the boards. Our work aimed to implement innovative solutions regarding the parallelization of the channels in the acquisition board. One of these solutions is a structure that sequentially forwards the signals coming from the router to each conversion chain. This structure allows us to simplify the logic of the router and to significantly reduce the number of connections with the acquisition boards, resulting in a more compact system which can be easily inserted in a measurement setup. This circuit, however, mustn’t compromise the performance of the system. The routing of the signals is dynamic: this means that the delay associated to any of the 1024 sensors can be converted by any of the acquisition chains, which show a TAC-ADC structure in order to guarantee the best linearity while keeping both count rate and time resolution high. Since there are mismatches every chain converts the same delay in a different way. For this reason, we created a real time calibration process that compensates for these differences. The validation of the sequential routing structure and the real time calibration has been done in a system that we created. With this module, that constitutes a very high speed single channel system (40 Mcps count rate) with state-of-art performances (few tens of picoseconds resolution) we implemented an automatic calibration procedure as well.

Questo lavoro di tesi si inserisce nel progetto di un modulo di acquisizione per applicazioni Time-Correlated Single Photon Counting (TCSPC) ad alto numero di canali. Il sistema è pensato per superare il trade-off attualmente esistente tra grado di parallelismo e prestazioni e utilizza 1024 sensori organizzati in una matrice 32 × 32. Al fine di limitare il throughput dei dati ed il consumo di potenza, il numero di catene di acquisizione è 64, divise in 2 schede da 32 canali. Un router instrada i segnali dei 1024 rivelatori sulle due schede. Il nostro obiettivo è stato quello di realizzare soluzioni innovative relative alla parallelizzazione dei canali della scheda di acquisizione. Una di queste soluzioni consiste in una struttura in grado di instradare sequenzialmente i segnali provenienti dal router su ciascuna delle catene di acquisizione. Tale struttura permette di semplificare la logica del router e di ridurre notevolmente il numero di connessioni con le schede di acquisizione, con il risultato di rendere il sistema più compatto e quindi facilmente inseribile in un setup di misura. Questo circuito, tuttavia, non deve compromettere le prestazioni del sistema. L’instradamento dei segnali avviene in modo dinamico, cioè è previsto che il ritardo associato ad uno qualsiasi dei 1024 rivelatori possa essere convertito da una qualsiasi delle catene di acquisizione, realizzate con una struttura TAC-ADC (che garantisce la migliore linearità senza peggiorare la risoluzione ed il count-rate). A causa dei mismatch presenti, ciascuna delle catene traduce il medesimo ritardo diversamente e per questo motivo ci siamo occupati di realizzare una calibrazione che permetta di compensare in tempo reale queste differenze. La validazione della struttura di instradamento sequenziale e della calibrazione in tempo reale è stata effettuata su un sistema da noi realizzato. Su questo modulo, che costituisce da solo un sistema a singolo canale molto veloce (count rate di 40 Mcps) con prestazioni allo stato dell’arte (risoluzione temporale di poche decine di picosecondi), abbiamo implementato anche una procedura di calibrazione automatica dei canali.