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authorCahit <c.ugur@gsi.de>
Fri, 30 Oct 2015 10:23:56 +0000 (11:23 +0100)
committerCahit <c.ugur@gsi.de>
Fri, 30 Oct 2015 10:23:56 +0000 (11:23 +0100)
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index 952ae3c344f65e998b8fc2b52993529d88d8ba3d..f825d942e0146c2eaca603e79c236fc0d337e514 100644 (file)
@@ -35,8 +35,8 @@ circuits}
 High precision Time-to-Digital converters (TDCs) are mainly used in high energy 
 physics, where timing plays a crucial part in particle identification. For this 
 purpose setups with combinations of particle-sensitive materials (e.g. 
-Scintillator, Cerenkov) and photosensitive devices (photomultiplier, 
-multipixel photon counter) are used to measure the energy deposited in the 
+Scintillator, Cherenkov) and photosensitive devices (photomultiplier, 
+multi-pixel photon counter) are used to measure the energy deposited in the 
 material by reconstructing a given property of the output pulse - the total 
 charge collected, the pulse amplitude, etc \cite{tot}. Because of the recent 
 developments of high precision TDCs and the superiority of the ToT measurements 
@@ -62,7 +62,8 @@ both edges of a signal for a ToT measurement with a novel approach.
 \section{Architecture}
 As explained in our previous paper the architecture of the TDC is based on the 
 interpolation method \cite{kalisz}, where the interpolator is built as a tapped 
-delay line with the wave union laucher \cite{WUL} for the precision enhancement. 
+delay line with the wave union launcher \cite{WUL} for the precision 
+enhancement. 
 The full architecture of the TDC and a diagram of the tapped delay line method 
 can be seen in figure~\ref{fig:tdcArch}. The start signal for the delay line is 
 the digital output signal from the front-end electronics (FEE), where as the 
@@ -151,14 +152,14 @@ the input pulse is larger than the dead time of a channel.
 
 \begin{figure}[tbp]
 \centering
-\begin{subfigure}[b]{.75\textwidth}
+\begin{subfigure}[b]{.7\textwidth}
   \includegraphics[width=1\linewidth]
     {../figures/tdc/stretcher_timing_semiAsync.eps}
   \caption{Timing diagram of the ToT method without the delay circuit}
   \label{fig:stretcherTimingSemi}
   \end{subfigure}%
 
-\begin{subfigure}[b]{.75\textwidth}
+\begin{subfigure}[b]{.7\textwidth}
   \includegraphics[width=1\linewidth]
     {../figures/tdc/stretcher_timing_fullAsync.eps}
   \caption{Timing diagram of the ToT method with the delay circuit}
@@ -232,7 +233,7 @@ measurement time distributions we do not apply any cuts or curve fittings.
 
 \begin{figure}[tbp]
   \centering
-  \includegraphics[width=.6\textwidth]
+  \includegraphics[width=.5\textwidth]
     {../figures/tdc/9ps_res.eps}
   \caption{The precision of a sample channel for leading edge measurement.}
   \label{fig:precisionLeading}
@@ -243,14 +244,14 @@ measurement time distributions we do not apply any cuts or curve fittings.
 \begin{figure}[tbp]
   \begin{subfigure}{.5\textwidth}
     \centering
-    \includegraphics[width=.9\linewidth]
+    \includegraphics[width=.8\linewidth]
     {../figures/tdc/t_diff_tot_alternating.eps}
     \caption{ToT measurement with conventional method.}
     \label{fig:precisionToTalt}
   \end{subfigure}%
   \begin{subfigure}{.5\textwidth}
     \centering
-    \includegraphics[width=.9\linewidth]
+    \includegraphics[width=.8\linewidth]
       {../figures/tdc/t_diff_tot_stretcher_high_precision.eps}
     \caption{ToT measurement with novel method.}
     \label{fig:precisionToTstretch}
@@ -287,7 +288,7 @@ mean value relative to the oscilloscope results was observed as $38~ps$.
 
 \begin{figure}[tbp]
   \centering
-  \includegraphics[width=.69\textwidth]{../figures/tdc/tot_sweep.pdf}
+  \includegraphics[width=.6\textwidth]{../figures/tdc/tot_sweep.pdf}
   \caption{ToT sweep with $1.6~ns$ granularity.}
   \label{fig:totSweep}
 \end{figure}
@@ -307,24 +308,25 @@ calibration of the channels is done only once at the beginning of the test.
 In figure~\ref{fig:rmsWITHdcdc} the precision of a channel as a function of the 
 measured interval is shown. It was observed that over a microsecond time 
 interval the precision value oscillates with an amplitude of $48~ps$ and this 
-effect was thought to be from the DC-DC converters. Next, the board was stripped 
-down of the converters and the FPGA was powered with a linear power supply 
-(HMP4040). The test was repeated to be observed that the main oscillation had 
-disappeared but there was a secondary oscillation with an amplitude of 
-$\sim3~ps$ and a frequency of $25~MHz$ (figure~\ref{fig:rmsNOdcdc}). This 
-trivial oscillation is not further investigated as the amplitude is negligible.
+effect was thought to be from the DC-DC converters. Next, the board was 
+stripped down of the converters and the FPGA was powered with a linear power 
+supply (HMP4040). The test was repeated to be noted that the oscillation 
+amplitude is improved by a factor of $\sim12$. The exposed secondary oscillation 
+has an amplitude of $\sim3~ps$ and a frequency of $25~MHz$ 
+(figure~\ref{fig:rmsNOdcdc}). This trivial oscillation is not further 
+investigated as the amplitude is negligible.
 
 \begin{figure}[tbp]
   \begin{subfigure}{.5\textwidth}
     \centering
-    \includegraphics[width=.9\linewidth]
+    \includegraphics[width=.8\linewidth]
     {../figures/tdc/rms_trb3_with_dcdc.eps}
     \caption{With DC-DC converters to power the FPGA.}
     \label{fig:rmsWITHdcdc}
   \end{subfigure}%
   \begin{subfigure}{.5\textwidth}
     \centering
-    \includegraphics[width=.9\linewidth]
+    \includegraphics[width=.8\linewidth]
       {../figures/tdc/rms_trb3_without_dcdc.eps}
     \caption{Linear power supply to power the FPGA.}
     \label{fig:rmsNOdcdc}
@@ -395,7 +397,7 @@ change, when both - temperature and offset - corrections are applied.
     \caption{ToT shift $@42.8^{\circ}C$ as a function of stretcher offset.}
     \label{fig:totVSoffset}
   \end{subfigure}%
-\caption{The effect of temperature is seen more drasticall on channels with 
+\caption{The effect of temperature is seen more drastically on channels with 
 longer stretcher offsets.}
 \label{fig:temp}
 \end{figure}
@@ -423,8 +425,18 @@ temperature change.}
 
 
 \section{Conclusion}
-
-
+In this paper we presented our novel way of measuring ToT on an FPGA TDC using 
+a single channel. Based on the conducted tests precision of the leading edge 
+measurement is recorded as low as $8.7~ps$, suggesting $6.15~ps$ error on a 
+single channel. The precisions for ToT measurements with the conventional and 
+novel methods are recorded as $12.2~ps$ and $12.1~ps$ respectively. The novel 
+method is investigated further to find out, that the ToT value differs maximum 
+$38~ps$ from the oscilloscope measurements once the stretcher offset is 
+eliminated. It is also discovered that the deterioration in the long time 
+interval measurement precision can be limited to $3~ps$, if the FPGA is powered 
+with a linear power supply. The effect of the temperature change on the ToT 
+measurement is also assessed and the degeneration is improved by a factor of 
+$\sim10$ and limited to $\sim50ps$ with a correction model.
 
 
 
@@ -443,6 +455,13 @@ F. Gonnella et al.,
 \href{http://arxiv.org/abs/1412.1743}
 {\emph{arXiv:1412.1743}} (2014).
 
+\bibitem{WUL}
+J. Wu, Z. Shi,
+\emph{The 10-ps wave union TDC: Improving FPGA TDC resolution beyond its cell 
+delay}
+\href{http://ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp?arnumber=4775079}
+{\emph{Nuclear Science Symposium Conference Record}, 3440-3446, (Oct., 2008).}
+
 \bibitem{tdc_counter}
 M. Buchele et al.,
 \emph{A 128-channel time-to-digital converter (TDC) inside a Virtex-5 FPGA on 
@@ -464,13 +483,6 @@ resolution}
 \href{http://stacks.iop.org/0026-1394/41/i=1/a=004}
 {\emph{Metrologia}, 41, 17, (2004).}
 
-\bibitem{WUL}
-J. Wu, Z. Shi,
-\emph{The 10-ps wave union TDC: Improving FPGA TDC resolution beyond its cell 
-delay}
-\href{http://ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp?arnumber=4775079}
-{\emph{Nuclear Science Symposium Conference Record}, 3440-3446, (Oct., 2008).}
-
 \bibitem{trbnet}
 J. Michel et al.,
 \emph{The HADES trigger and readout board network (TrbNet)}