]> jspc29.x-matter.uni-frankfurt.de Git - publication.git/commitdiff
added couple of figures and published version of the twepp2015 paper
authorCahit <c.ugur@gsi.de>
Thu, 21 Jan 2016 16:33:29 +0000 (17:33 +0100)
committerCahit <c.ugur@gsi.de>
Thu, 21 Jan 2016 16:33:29 +0000 (17:33 +0100)
2015-twepp-cahit-tdc_with_stretcher/twepp2015_ugur.tex
2015-twepp-cahit-tdc_with_stretcher/twepp2015_ugur_published.pdf [new file with mode: 0644]
figures/tdc/rms_trb3_with_dcdc.pdf
figures/tdc/rms_trb3_without_dcdc.pdf

index 8881a29bb37ade836196624a936fef56e9606745..5bb08ec4903bc371f7bb3f053e221a7b15adcf2f 100644 (file)
@@ -280,12 +280,12 @@ approximately 10~ns. By increasing the number of laps between the corners delays
 longer than the intrinsic TDC dead time are achievable.
 
 Using this circuitry allows us to measure both edges of pulses shorter than the 
-dead time of the TDC on a single channel. The disadvantage of this method is 
-the extra dead time after the measurement of the trailing edge, which limits 
-the measurement of double pulses separated in time less than the total dead time 
+dead time of the TDC on a single channel. The disadvantage of this method is the 
+extra dead time after the measurement of the trailing edge, which limits the 
+measurement of double pulses separated in time less than the total dead time 
 (pulse length + stretcher delay + conversion dead time). Also, the 
 non-deterministic stretching time between the channels and the design 
-compilations has to be tackled to get the real time information.
+compilations has to be tackled in order to obtain real time information.
 
 % \subsection{Stretcher offset calculation and calibration}
 % With the method mentioned above the time measured is the sum of the pulse width 
@@ -310,12 +310,12 @@ other as the TDC board (TRB3). The pulse generator board uses an ECP2M-100 FPGA,
 where as the TDC is implemented in an ECP3-150 FPGA both from Lattice. The pulse 
 generator design generates groups of 4 bit data with 150~MHz and this data is 
 serialised with a DDR2 module from the FPGA vendor at 600~MHz clock frequency. 
-This way, pulses or patterns with 1.67~ns resolution are possible to be 
-generated. These pulses/patterns are sent to the TDC for leading edge and ToT 
-measurements. The output of the pulser is split in fanout chips to fire every 
-channel of the TDC. The observed non-linearities of the TDC \cite{tdc_ieee} are 
-corrected by bin-by-bin calibration \cite{calibration} and the calibration table 
-is automatically updated after every 200~000 events. In the measurement time 
+This way, it is possible to generate pulses or patterns with 1.67~ns resolution. 
+These pulses/patterns are sent to the TDC for leading edge and ToT measurements. 
+The output of the pulser is split by fanout chips to fire every channel of the 
+TDC. The observed non-linearities of the TDC \cite{tdc_ieee} are corrected by 
+bin-by-bin calibration \cite{calibration} and the calibration table is 
+automatically updated after every 200~000 events. In the measurement time 
 distributions we do not apply any cuts or curve fittings.
 
 \begin{figure}[tbp]
@@ -346,7 +346,7 @@ and precision values are in nanoseconds.)}
     \label{fig:precisionToTstretch}
   \end{subfigure}%
 \caption{The width of a pulse is measured both with the conventional and novel 
-methods. A negligible change in the precision is inspected. (The mean and 
+methods. A negligible change in the precision is observed. (The mean and 
 precision values are in nanoseconds.)}
 \label{fig:precisionToT}
 \end{figure}
@@ -362,9 +362,9 @@ precision can be determined as 5.66~ps.
 The precision of the ToT measurements is tested by sending a short pulse 
 (3.32~ns) from the pulse generator to each channel. With the conventional method 
 - two channels for the measurement - the precision is measured between 10.3~ps 
-and 13~ps among the channels. The same test is repeated the with the novel 
-method to measure the precision between 11.7~ps and 15.3~ps. The sample channel 
-precisions are shown in figure~\ref{fig:precisionToT} for both measurements.
+and 13~ps among the channels. The same test is repeated with the novel method to 
+measure the precision between 11.7~ps and 15.3~ps. The sample channel precisions 
+are shown in figure~\ref{fig:precisionToT} for both measurements.
 
 The measured ToT values with both methods do not match the generated pulse width 
 (3.32~ns) because of the offset between the channels and the offset induced by 
@@ -384,13 +384,14 @@ the oscilloscope results was observed as 38~ps.
 
 
 \subsection{Effect of DC-DC converters over wide pulses}
-We also tested the quality of the long time interval measurements, as this is 
-important for both time of flight (ToF) and ToT measurements. Tektronix AWG7000 
-is used as the pulse generator with two outputs controlled over a general 
-purpose interface bus (GPIB). Signals from two outputs are sent to two different 
-channels of the TDC, where the time interval between the signals is measured. 
-Starting with 0~s, time interval is incremented with 1~ns granularity until 
-1~us. The precision is recorded for each measurement.
+Additionally the quality of the long time interval measurements was also 
+tested, as this is important for both time of flight (ToF) and ToT 
+measurements. Tektronix AWG7000 is used as the pulse generator with two outputs 
+controlled over a general purpose interface bus (GPIB). Signals from two outputs 
+are sent to two different channels of the TDC, where the time interval between 
+the signals is measured. Starting with 0~s, the time interval is incremented 
+with 1~ns granularity until 450~ns. The precision is recorded for each 
+measurement.
 
 % We also tested the quality of the long time interval measurements as this is 
 % both important for the long time of flight (ToF) and ToT measurements. The test 
@@ -402,39 +403,37 @@ Starting with 0~s, time interval is incremented with 1~ns granularity until
 % interval of 1~us is reached. The precision is recorded for each measurement. 
 % The calibration of the channels is done only once at the beginning of the test.
 
-\begin{figure}[bp]
+\begin{figure}[tbp]
   \begin{subfigure}{.5\textwidth}
     \centering
-    \includegraphics[width=.86\linewidth]
-    {figures/rms_trb3_with_dcdc.pdf}
+    \includegraphics[width=0.95\linewidth]
+    {figures/rms_trb3_with_dcdc.eps}
     \caption{With DC-DC converters.}
     \label{fig:rmsWITHdcdc}
   \end{subfigure}%
   \begin{subfigure}{.5\textwidth}
     \centering
-    \includegraphics[width=.86\linewidth]
-      {figures/rms_trb3_without_dcdc.pdf}
+    \includegraphics[width=0.95\linewidth]
+      {figures/rms_trb3_without_dcdc.eps}
     \caption{With a linear power supply.}
     \label{fig:rmsNOdcdc}
   \end{subfigure}%
-\caption{The precision of the measurements is recorded over a microsecond time 
-interval between two outputs of a pulse generator. The oscillation amplitude is 
-reduced to 3~ps by powering the FPGA with a linear power supply instead of 
-DC-DC 
-converters.}
+\caption{The precision of the measurements is recorded over almost half a 
+microsecond time interval between two outputs of a pulse generator. The 
+oscillation amplitude is reduced to 3~ps by powering the FPGA with a linear 
+power supply instead of DC-DC converters.}
 \label{fig:rmsVSdcdc}
 \end{figure}
 
 In figure~\ref{fig:rmsWITHdcdc} the precision as the 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 noted that the oscillation amplitude was improved 
-by a factor of $\sim$12. The exposed secondary oscillation has an amplitude of 
-$\sim$3~ps and a frequency of 25~MHz (figure~\ref{fig:rmsNOdcdc}). This 
-additional oscillation is not further investigated as the amplitude is 
-negligible.
+interval is shown. It was observed that over half 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 of the 
+converters and the FPGA was powered with a linear power supply (HMP4040). The 
+oscillation amplitude was improved by a factor of $\sim$12 under the same test 
+conditions. The exposed secondary oscillation has an amplitude of $\sim$3~ps 
+and a frequency of 25~MHz (figure~\ref{fig:rmsNOdcdc}). This additional 
+oscillation is not further investigated as the amplitude is negligible.
 
 
 \subsection{Effect of temperature over ToT}
@@ -533,20 +532,21 @@ 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~ps, resulting in 5.66~ps error on a single 
+measurement is recorded as low as 8~ps, resulting in 5.66~ps error on a single 
 channel. The precisions for ToT measurements with the conventional method (using 
 two TDC channels for two edges) and novel method (using a single TDC channel for 
 both edges) are recorded as 10.3~ps and 11.7~ps respectively. The ToT values, 
-measured with the novel method, differ 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.
+measured with the novel method, differ by a maximum of 38~ps from the 
+oscilloscope measurements, once the stretcher offset is eliminated. It is also 
+determined 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 average relative effect of the temperature on delay line is calculated as 
-$\sim$0.4$\%/^{\circ}$C. These results show, that the temperature effect is 
-larger for the longer delay lines. This effect can be compensated by a factor of 
-$\sim$10 and limited to $\sim$65~ps with the described correction model.
+the average relative effect of the temperature on the delay line is calculated 
+as $\sim$0.4$\%/^{\circ}$C. These results show, that the temperature effect is 
+larger for the longer delay lines. This effect can be compensated by a factor 
+of $\sim$10 and limited to $\sim$65~ps with the described correction model.
 
 For many practical cases the temperature effect can be neglected, as it is 
 possible to control the temperature change below 1$^{\circ}$C. Although in many 
diff --git a/2015-twepp-cahit-tdc_with_stretcher/twepp2015_ugur_published.pdf b/2015-twepp-cahit-tdc_with_stretcher/twepp2015_ugur_published.pdf
new file mode 100644 (file)
index 0000000..410afee
Binary files /dev/null and b/2015-twepp-cahit-tdc_with_stretcher/twepp2015_ugur_published.pdf differ
index 24b907a4764e2bfa5b20b79ee75fdf72aef32c96..803a82b014e5898ff9d69096cb021a05a416efcc 100644 (file)
Binary files a/figures/tdc/rms_trb3_with_dcdc.pdf and b/figures/tdc/rms_trb3_with_dcdc.pdf differ
index 9f7d927c62cc4236b4e5c770c0da78da142038d6..3662da412ed718939bf65520c085380bf4695378 100644 (file)
Binary files a/figures/tdc/rms_trb3_without_dcdc.pdf and b/figures/tdc/rms_trb3_without_dcdc.pdf differ