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\chapter{Elettronica di controllo}
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\label{app:electronics}
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Il sistema elettronico che consente di applicare il ciclo di retroazione
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tra la posizione rilevate della microsfera nelle trappole e la posizione di
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queste ultime nel campione è reso particolarmente complesso dalla necessità
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di operare le correzioni in un tempo estremamente breve, per raggiungere un tempo
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di reazione significativamente inferiore al tempo di rilassamento diffusivo
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(\SI{100}{\us}, limite inferiore dei tempi di vita osservabili).
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Per questo motivo, e per rendere il processo di controllo del ciclo di
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retroazione indipendente da eventuali rallentamenti dei computer utilizzati
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per il controllo dell'esperimento, si è scelto di utilizzare una scheda FPGA
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dedicata.
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Una scheda FPGA (\textit{Field Programmable Gate Array}) è un dispositivo
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utilizzato in elettronica digitale costituito essenzialmente da una matrice
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di \textit{blocchi logici programmabili} interconnessi.
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Questi possono essere configurati, in fase di programmazione della scheda,
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per eseguire determinate funzioni logiche.
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Una volta programmata, la scheda è in grado di eseguire le funzioni logiche
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impostate e elaborare segnali proveniente dall'esterno attraverso dei \textit{pin} di input.
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Il risultato dell'elaborazione può essere immagazzinati in appositi registri
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(code) e letto su richiesta (ad esempio di un computer esterno), oppure
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utilizzato per comandare dei \textit{pin} di output presenti sulla scheda.
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La programmazione della scheda FPGA consiste nel descrivere e formalizzare
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le componenti del circuito logico richiesto e quindi configurare i blocchi
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della scheda per \textit{realizzare} le funzioni del circuito integrato
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disegnato.
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Uno dei principali vantaggi dell'uso di schede FPGA sta nel fatto che il tempo
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di esecuzione delle singole operazioni è deterministico e riproducibile tra una
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iterazione e all'altra, a differenza di quanto accade nei PC dove l'accesso
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di ogni applicazione ai cicli di processore viene controllato da priorità
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e schedulatori del sistema operativo.
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Per gli scopi di questa tesi è stata programmata una scheda FPGA per leggere
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i valori dei fotodiodi a quadrante (da cui si può estrapolare la posizione
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relativa delle microsfere rispetto al centro della trappola) e controllare
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l'angolo di deflessione dei laser delle trappole (e quindi la loro posizione
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nel campione).
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Per ottenere questo risultato è stata scelta una scheda prodotta FPGA prodotta
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da National Instrument (USB-7855), programmabile attraverso interfaccia USB,
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dotata di 48 canali digitali configurabili come output o input e 8 convertitori
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analogico-digitali (ADC) integrati.
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La logica di funzionamento è stata definita utilizzando l'ambiente di sviluppo
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LabVIEW FPGA: questo permette di disegnare sotto forma di diagramma a blocchi
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la sequenza di funzioni da applicare sui dati ingresso.
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A partire da questo diagramma LabVIEW FPGA è in grado di generare il circuito
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logico necessario e descriverlo (secondo le specifiche del linguaggio VHDL).
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Un ulteriore passaggio converte il codice VHDL in istruzioni di programmazione
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della scheda, che vengono eseguite attraverso la connessione USB.
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