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先端エレクトロニクスDAQセミナー2015/ 総研大講義「計測と制御」

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事前参加申し込み終了しました。当日参加もできますので、事前申し込みを行わなかった方は直接会場で参加登録してください(2015年8月24日)。

旅費概算の結果、予算上限に達しましたので追加募集はありません(2015年7月10日)。

旅費支給希望者多数の為、旅費希望者の受付を終了します。旅費がないと参加できない方は事務局に連絡ください。旅費計算後の残額で支払うことができる時は支給します(2015年7月1日 19:41)。

支給旅費の残額が少なくなりました。旅費を希望する方は早めに申し込みお願いします(2015年7月1日 16:30)

参加申し込み受付開始しました!(2015年7月1日 8:50)

目的・趣旨

理学実験系修士課程学生を主な対象に実験・観測システムに用いられるエレクトロニクス技術の基礎を習得するためのセミナーです。主な対象を修士課程学生としていますが、どなたでも参加する事ができます。

高品質の実験・観測データを得るためには計測装置に関する知識が必要不可欠ですが、研究の専門化が進むことで専門外の計測装置技術について学ぶ機会が減っています。現在の実験・観測で用いられる装置には高度なエレクトロニクス技術が採用され、その技術は年々高度になっています。そこで、計測装置に用いられているエレクトニクス技術の基礎を習得する技術セミナーを企画しました。それぞれの専門分野の講師の講義により検出器(センサー)信号処理からASIC技術, FPGA技術, 計算機でのデータ処理までの基礎を5日間で学ぶことができる内容です。

エレクトロニクス技術に興味を持つ若手の方やこれから実験・観測を始める多くの方々の参加をお願いいたします。


ASICとは

Application Specific Integrated Circuit(ASIC)は特定用途集積回路の名前のとおりユーザーの仕様に応じて製作される集積回路で、放射線検出器の読みだしシステムで多用されています。以前は開発コストが高かったのですが、現在ではシャトルサービスと呼ばれる方法により安価に試作ができるようになってきています。現在では通常の電子回路基板を製作するくらいの金額で試作できるものもあります。
 

FPGAとは

Field Programmable Gate Arrays (FPGA)はユーザーがプログラム可能な論理(デジタル)集積回路です。近年、放射線検出器の読みだしシステムで多用されています。一つのFPGAに搭載できる回路規模は非常に大きくなっておりユーザーが希望する信号処理の多くは1チップに搭載できるようになりました。例えば、CPUを組み込みLinux OSシステムを動作させる事ができる程の回路規模を1チップに実装する事ができます。 
 

概要

講義内容はエレクトロニクス技術について学んだことがない物理系修士課程学生を対象に行います。半導体物性など物理系学生が学部で学ぶ内容を既知としていますが、他の事は仮定していませんので他の専攻の方も問題なく受講可能です。

実験・観測対象が変わると計測システムも変わりますが、その骨格をなす基礎技術や概念は同じです。加速器科学・天文・生物など広い分野の方々にも違和感なく学んでいただける内容です。

本セミナーは総合研究大学院大学の公開講義「計測と制御」として開催します。単位取得を希望する総研大生は事前に手続きをお願いします。単位取得のためには全講義の受講とレポート提出が必要です。本講義は他大学開放となっておりますので他大学での単位取得が可能な場合があります。総研大の公開講義の単位を認めてもらえるかどうかを事前に所属大学事務(学務課等)に確認し、所属大学を通じて特別聴講学生として履修申請を行ってください。

  • 対象者:大学院学生(学部生可)、若手研究者、若手技術系職員、一般企業の若手技術者
  • 募集人数:約80人
  • 日程:2015年8月31日(月)~9月4日(金) (開始および終了時刻は各講義の詳細を参照してください)
  • 場所:高エネルギー加速器研究機構 つくばキャンパス 小林ホール (研究本館1階)
  • 言語:日本語
  • 申込期間:7月1日から8月23日(日)(申込者数により締め切りを早める場合があります)
  • 受講申込方法:
    • 旅費支給、宿舎などの注意点を良く読んでから申し込みをお願いいたします。
    • 事前申し込み終了しました。
    • 申込していない方も当日参加可能です。会場で参加登録してください。
  • 旅費支給:希望者は申込時に明記してください。但し、限りがあるので先着順とします。(予算上限に達したため受付終了しました)
    • 学生を優先します
    • 学部生については旅費支給ができません。来年度から支給できるように改善します。
    • 旅費手続き手順はこちら(同時に宿舎手続きもできます)
  • 宿舎:
    • KEKつくばキャンパスの宿舎を利用する事ができます(関東圏から参加する方も宿舎を利用することができます)。
    • 宿舎についての情報はこちらをご覧ください
    • 宿舎を利用する方は7月17日(45日前)以降に予約をお願いします。
    • KEK宿舎の手続き手順はこちら(同時に旅費手続きもできます)
  • 懇親会
    • 開催2日目の9/1(火)18:30から懇親会を開催予定です。
    • 参加費は学生1,000円、その他2,000円を予定しています。
    • 参加希望する方は申込時に「懇親会に参加する」を選択してください。
  • 主催:Open-It、総合研究大学院大学
  • 後援:KEK加速器科学総合支援事業、KEKエレクトロニクスシステムグループ
  • お問合わせはosc-mgrs[アットマーク]ml.post.kek.jpまで。問い合わせをする場合は件名に「DAQセミナー」を含めてください。

 


日程

  1. 8月31日(月) 12:30-17:50 : 開会挨拶、アナログ回路基礎
  2. 9月 1日(火) 9:30-17:50 : 集積回路化、アナログデジタル変換、放射線影響(18:30- 懇親会 希望者のみ)
  3. 9月 2日(水) 9:30-17:50 : デジタル回路基礎と装置間インターフェース
  4. 9月 3日(木) 9:30-17:50 : データ収集ソフトウエア技術(前半)
  5. 9月 4日(金) 9:30-11:35 : データ収集ソフトウエア技術(後半)、ネットワーク技術、閉会挨拶

セミナー開催期間中に希望者を対象に懇親会を開催予定です。

内容 (予定ですので変更されることがあります)


1日目(8/31)

12:30-12:35 :開会挨拶(総合研究大学院大学 高エネルギー加速器科学研究科長 神山崇)

12:35-17:50 :アナログ回路基礎 (講師:房安貴弘、佐賀大) 

  • トランジスタの基礎
    • 半導体の物理
    • バイポーラトランジスタの構造と動作原理
    • MOSFETの構造と動作原理
  • MOSFETによる増幅回路
    • 一段の増幅回路
    • 差動増幅回路
    • オペアンプ回路
  • 補助回路
    • スイッチ
    • カレントミラー
    • 定電圧回路
 

以下を閲覧するためにはIDとパスワードが必要です。

 

2日目(9/1)

9:30-11:30 :ASIC開発(講師:池田博一、JAXA ISAS/総研大)

  • センサーの等価回路
  • 雑音源
  • フロントエンド回路の役割
  • プレアンプ回路
  • 整形増幅器
  • 雑音の評価方法
  • フロントエンド回路の設計例

 以下を閲覧するためにはID/パスワード入力が必要です。

 

12:30-15:00:アナログ・デジタル変換技術(講師:宮原正也、東京工業大 工)

  • ADCの基本機能
    • 量子化(ビット数、サンプリングレート、参照電圧等)
    • サンプリング定理
  • ADCの性能表現
  • ADCの主要な変換方法
    • 変換アーキテクチャの概要とトレンド
  • 性能とアプリケーションの関係
  • ADCの設計例

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15:20-17:50 半導体の放射線影響 (講師:小野田忍、JAEA高崎量子応用研究所)

  • 半導体の放射線影響を紹介(ガンマ線影響、電子・陽子線影響、イオン・中性子影響)
  • ガンマ線照射実験+結果の例
  • 最新の研究紹介
  • 電子・陽子線照射実験例
  • イオン・中性子影響
  • 最新の研究紹介
 以下を閲覧するためにはID/パスワード入力が必要です。

18:00 集合写真撮影 

18:30-20:00 懇親会 (希望者のみ)

 

3日目(9/2) 9:30-17:50 :デジタル回路(講師:内田智久、KEK Esys/総研大)

  • デジタル技術概要
    • 何故デジタル技術を使用するのか?
  • 計測システムとデジタル技術
    • 代表的な計測システムの構成
    • デジタル技術が使われている場所
  • 実装技術
    • ASIC, FPGA, ディスクリート
    • 近年の計測システム
  • デジタル回路
    • 組み合わせ回路と順序回路
    • 代表的な機能ブロック
    • パラレル通信とシリアル通信
  • コンピュータの動作原理
  • データ通信
    • 装置内通信
    • 装置間通信
 
以下を閲覧するためにはID/パスワード入力が必要です。
 

4日目(9/3), 9:30-17:50 

5日目(9/4), 9:30-11:30

ソフトウエアと通信ネットワーク技術(講師:長坂康史、広島工業大学 / 千代浩司、KEK)

多くの時間、人手、お金を必要とする簡単には繰り返せない実験、あるいは瞬間的に大量の情報が発生し、可視化できたとしても人間の目や耳では到底認識できない実験ではデータを記録してあとからゆっくり解析できるようにする必要がある。そのために使われる道具がデータ収集システムである。この講義では簡単なデータ収集システムであればゼロから作れるような技量を習得することをめざす。
 
(9/3 講師 長坂康史) 9:30 - 17:50
  1. データ収集システムの概要
    • 実例をまじえたデータ収集システムの概観(例: ATLASなど)
  2. データ収集システムの役割
    • データ収集システムの目的と役割の説明
  3. データ収集システムの設計
    • 実験、観測目的による機能、要求性能の把握
    • 現実世界におけるシステム開発に起因する制約
      • 人的資源、予算、期限、使用可能ツールなど
    • 記録すべきもの
      • 実験データ
      • 5W1H的な日時、実験・観測場所、グループ・シフト者名、実験対象、目的(本番・テスト・調整)、実験観測条件
    • 記録媒体、記録方法の選定
    • 設計ツールとしてのUMLの解説
  4. データ収集システムの実装
    • 実験装置からのデータの読み取り方法(PC上のバス、ネットワークなど)
    • PC上でのデータの内部表現
    • データの記録方法(内部表現(バイナリ)のまま記録、テキストになおして記録)
    • システムの制御(スタート、ストップ、ポーズ、レジューム)
    • 状態(停止状態、走行状態、一時停止状態)および状態遷移
    • 状態遷移のための入力インターフェイス
      • スタート、ストップをPC上のボタンを押して実現する方法
    • データ収集が正常に遂行されているかどうか判断できるようにするためのモニターシステム
    • 多チャンネルの読みだし方法
      • 多重入出力、マルチスレッド、排他処理、同期処理
 以下を閲覧するためにはIDとパスワードが必要です。

(9/4 講師 千代浩司) 09:30 - 11:30

  • ネットワークプログラミング
  • すでに世のなかにあるフレームワーク(できあいシステムの利用)(DAQ-Middleware)

 以下を閲覧するためにはIDとパスワードが必要です。

5日目(9/4), 11:30-11:35 :閉会挨拶(総研大/KEK Esys 田中真伸)

  • 資料(IDとパスワードが必要です)
 著作権が設定されている写真は削除しましたが、もしご意見等ございましたらご連絡いただければ削除等なるべくご希望に添います。
 

単位取得希望者の方へ


レポート提出について

4つの課題を選択してレポートを提出してください。 

講義のより独立な複数課題で構成されていることがあります。その場合、必ずしも全ての課題を提出する必要がありません。選択した課題のみ提出してください。2つ選択し提出すれば2つの課題を提出したことになります。

レポートは電子ファイルとして提出してください。手書きのレポートをスキャンしたファイルも可

以下の提出先へメールで送ってください。

  • 宛先: osc-mgrs[アットマーク]ml.post.kek.jp
  • 件名: 計測と制御レポート
  • 提出期限: 9月13日(日)

不明な点などがある場合も上記宛先まで問い合わせてください。

補足: 出席点と課題点は1:4とします。 


アンケート

参加者の皆さん下のアンケートにご協力ください。

アンケートはこちらから

アンケート結果


回答数34/参加者76名(申し込み者数80名、欠席4名)

 
Q1. 講義全体の満足度(4択:不満足 0人、普通 6人、満足17人、大変満足 11人)
 
Q2. 説明は分かり易かったですか?(4択:とても分かり難い 0人、分かり難い 5人、分かり易い 26人、とても分かり易い 3人)
 
Q3. 後輩に勧めたいと思いますか?(4択:まったく思わない 0人、思わない 0人、思う 21人、とても思う 13人)
 
Q4. 参加した経緯を教えてください(自由欄)
  • メーリングリスト(SPRUC、核談、Open-It、TENNET、CRC)の案内を見て 9名
  • 研究室内メーリングリストの案内を見て 3名
  • 先生に勧められた 10名
  • 知人先輩からの紹介 3名
  • webで知った
  • 今後実験を行う上で必要な知識や経験になると考え、今回参加いたしました。
  • 大学では半導体デバイスを「つくる」側の研究を行っているため、「使う」側の視点を少しでもつかめればと思い参加しました。
  • 自分のこれからの研究トピックに関係する内容だったので参加を決めた.
  • データ収集系を設計・構築することが必要になったから。"
  • 読み出しシステムを少しでも理解出来る様になるため。
  • グループのメンバーが Open-It の活動について話しているのを聞き、興味があった。
 
Q5. 要望または興味を持ったこと:(自由欄)

【要望】

  • 4日目の講義概要を1日目にして頂くと、わかりやすかったかと存じます。DAQの全体像が見えないまま個別の要素をご説明頂くと、それがどう役に立つのかが見えにくいです。
  • 各講義同士のつながりがもっとわかりやすいといいと思う
  • マイクレスでお話しされる先生が見えましたが、何を言っているのか聞き取りづらかったので使用してほしかった。
  • 講義前に講義資料をアップして欲しい(あらかじめ講義の流れを把握できるので助かります)。 同様の要望2名
  • 講義室がすごく寒かった。
  • もう少し実践的な内容も盛り込んでほしかったです。
  • FPGAを実際使って演習したい
  • 所属や研究内容などが記載された参加者名簿があると、交流が深めやすいと思いました。
  • 現在走っている実験のDAQシステム開発で中心的役割を担った人物に講師をお願いして、いちからフロントエンドを作るにあたっての思考の道筋と作業の工程を、できるかぎり具体的、定量的に話していただく。
    • 信号の増幅率をどのように見積もって決めたか
    • ノイズ源は何か、ノイズ低減方法をどのようにして決めたか
    • アナログ素子を選定する際に気をつけたこと、アドバイス
    • 実際の基盤開発手順と各工程に要した時間、マンパワー
    • 解決に苦労したこと
    • フロントエンドの性能が実験の予算の上限によってリミットされたか、もしされたなら何を妥協したか、妥協点は別の方法で補えたか
    • 予期せぬトラブルにどう対処したか
    • etc. たくさん苦労した方に話をしていただけると嬉しいです。
  • 休憩時間は、必ず1時間に一回を目安にとってほしい。
  • 科目ごとによって難易度が異なっているので、統一してほしい。
  • 予備知識がなくあまり理解できないところがあった。予習用の資料などあるといいと思う。
  • 講義だけではなく、プログラミングやシミュレータを動かすといった実習が入れて欲しい。具体的な理解が進むため。 同様の要望3名
  • 後半の講義ではC言語の知識が前提になっているものが多く、簡単な説明があって欲しかった。
  • 実習やグループワーク等があれば面白いかもしれません
  • 懇親会で軽い飲み物をあると嬉しかったです。
  • DAQ-middlewareの説明の際にもう少し具体的にどんなことができるか、どんなことしているのかを、実際の実験での使用例ではなく、より身近な小規模な例を示して頂けるとイメージできるので利用を考えていけると思います。
  • 予め講義資料をアップし,適宜参考書などを示し,予習を促してもらえると非常に良かった.
  • 初めにセミナー全体の概観や目標を明確にするような講義があれば良かった.

その他、感想など】

  • マイコンに興味を持ちました。
  • 本講義で得られた知識をつかって実際に自分で手を動かしてDAQハードウェア・ソフトウェア両面ともに技術をつけていきたいと思った
  • ある程度DAQの経験がついた時点でまた講義を聞くことで新しい発見が必ずあるだろうと思う.また参加できる機会があれば是非参加したい.
  • アナログ・デジタル回路、FPGA の入門として求めていた内容で、かつ今後の技術習得のガイドラインとして非常に有用なセミナーでした。
  • デジタルの部分は比較的とっつきやすい印象でしたが、アナログ回路については自分の経験不足もあって途中からとても難解に感じてしまいました。
  • 個々の回路(カレントミラー等)の働きについては分かった気になれましたが、いざ具体的にそれらを組み合わせてボードを設計するとなると不安になると思います
  • 全体的にはとても満足しています。内容の濃い講義を企画、実行してくださり、ありがとうございました。ASICやFPGAの実習でもまたお世話になる予定です。
  • アナログデータからデジタルデータに変換される間にどのようなことが行われているのかぼやっとしたイメージしかなかったが、それを少しでも理解したかった。
  • 半導体の放射線特性を測る実験はとても興味深かった。
  • ADCについては詳しい講義を受けたことがなかったので非常に面白かったです。スライドもわかりやすく初めて聞くような内容でも理解しやすいようになっていて非常に学習しやすかったです。
  • 大学の講義では扱われなかった内容を学ぶことができたので、セミナーに参加して良かったと感じています。特に研究で扱っているADCについて大まかに知ることができて良かったです。セミナーでは私に勉強するきっかけを与えてくれました。ありがとうございました。
  • 半導体デバイスのハード面とソフト面のつなぎという意味では、講義も分かりやすくとてもためになりました。しかし、4日目からソフト面での用語の解説のような色彩が強かったので、もう少しざっくりでも具体的な内容が望ましかったです。簡単な演習などを織り交ぜた講義が、理解しやすくて良かったです。
  • 計測とその制御方法について、幅広く基礎部分を学べて、非常にありがたいと感じました。そして、わかりやすく講義をしていただいたので、興味を持って講義に臨むことができました。
  • 内容が多かったのでしっかり復習したいと思います。
  • 現在DAQグループの方とコントロールプログラムの開発を行っているので、後半のプログラムの話はとても参考になりました。
  • アナログ回路辺りの話が難しかったです。式などを追っていく程の時間はないように感じました。
  • 小規模で実際に使えそうなToolとしてDAQ-middlewareに強い興味を持つことができ、機会があればそちらの講習会にも参加してみたいと思いました。
  • 予備知識があまりない人にとってはかなり大変な内容であったと思う
以上