]> jspc29.x-matter.uni-frankfurt.de Git - publication.git/commitdiff
corrections, remarks
authorCahit <c.ugur@gsi.de>
Mon, 21 Oct 2013 10:43:02 +0000 (12:43 +0200)
committerCahit <c.ugur@gsi.de>
Mon, 21 Oct 2013 10:43:02 +0000 (12:43 +0200)
2013-twepp-neiser-trb3_applications/twepp2013-neiser-trb3.pdf
2013-twepp-neiser-trb3_applications/twepp2013-neiser-trb3.tex

index 384e003df35d4f049c5316ee25f46b20ecddd62f..89d640877a646363f5accead383808601851d28d 100644 (file)
Binary files a/2013-twepp-neiser-trb3_applications/twepp2013-neiser-trb3.pdf and b/2013-twepp-neiser-trb3_applications/twepp2013-neiser-trb3.pdf differ
index b6f0e2ad8dae90f1ed389e7c92c3edab9ee1321e..61b972c8c0454a5bce198c1cf917f40876c71e0b 100644 (file)
@@ -2,6 +2,11 @@
 \pdfoutput=1 % only if pdf/png/jpg images are used
 \documentclass{JINST}
 
+
+\usepackage{changes}
+\definechangesauthor[name={Cahit Ugur}, color=orange]{CU}
+
+
 \title{TRB3: A 264 Channel High Precision TDC Platform and Its Applications}
 
 \author{J.~Adamczewski-Musch$^a$,
@@ -52,6 +57,7 @@ Digital electronic circuits; Data acquisition circuits}
 
 \usepackage[poorman]{cleveref}
 
+
 \begin{document}
 
 \section{Introduction}
@@ -59,8 +65,8 @@ Digital electronic circuits; Data acquisition circuits}
 The $4+1$ FPGA board ``TRB3'' (\cref{fig:trb3}a) can serve various
 applications in experimental particle physics and beyond due to its
 general-purpose design. It uses Lattice ECP3-150EA FPGAs as complex
-commercial electronic components while realizing the remaining
-auxiliary parts with simple standard components. Consequently, the
+commercial electronic components while realising the remaining
+auxiliary parts with simple standard components. Moreover, the
 board provides flexible connectivity by eight SFP ports and mezzanine
 extensions for every FPGA including a high pin-out for the peripheral
 FPGAs. We call this concept COME\&KISS: COMplex COMmercial Elements \&
@@ -83,8 +89,8 @@ the platform.
     \includegraphics[width=\textwidth]{gfx/trb3/cts-web}\\
     (b)
   \end{minipage}
-  \caption{(a) The TRB3 without any mezzazine cards. (b) Screenshot
-    showing the Central Trigger System webinterface.}
+  \caption{(a) The TRB3 without any mezzanine cards. (b) Screenshot
+    showing the Central Trigger System web interface.}
   \label{fig:trb3}
 \end{figure}
 
@@ -103,26 +109,26 @@ The project provides a comfortable, robust and modular software
 environment, ranging from low-level register access to the FPGA
 firmwares on the command line to high-level control via web2.0
 technologies, see \cref{sec:software}. This is complemented by
-comprehensive specifications and documentation \cite{trb-web}
+comprehensive specifications and documentations \cite{trb-web}
 provided by the large user base from the experiments HADES and PANDA
 at GSI in Darmstadt, Germany.
 
-In \cref{sec:frontends}, existing front-ends and applications are
-presented. In \cref{sec:juelich,sec:mainz}, results of two test
-beamtimes are summarized in which the TRB3 platform has been
+In \cref{sec:frontends} existing front-ends and applications are
+presented. In \cref{sec:juelich,sec:mainz} results of two test
+beamtimes are summarised in which the TRB3 platform has been
 successfully deployed.
 
 \section{Precise Time Digitisation in FPGA}\label{sec:tdc}
 
-One key component of the TRB3 is the $64+1$ channel time-to-digital
-converter (TDC) implemented in the peripheral FPGAs of the TRB3 with a
-time precision down to $7.2$\,ps. It ``misuses'' FPGA resources (LUTs
-as full-adders) as delay elements and can cope with burst hit rates of
-up to $50$\,MHz. Owing to its flexible design, an application-specific
-trade-off between number of channels, time precision and dead-time can
-be achieved for each front-end design. Implementation details can be
-found in \cite{ugur-twepp2011} and first applications are described in
-\cite{ugur-twepp2012}.
+One key component of the TRB3 is the $64+1$ channel time-to-digital converter
+(TDC) implemented in the peripheral FPGAs of the TRB3 with a time precision
+down to $7.2$\,ps on a single channel. It ``misuses'' FPGA resources (LUTs as
+full-adders) as delay elements and can cope with burst hit rates of up to
+$66$\,MHz. Owing to its flexible design, an application-specific trade-off
+between number of channels, time precision and dead-time can be achieved for
+each front-end design. Implementation details can be found in
+\cite{ugur-twepp2011} and first applications are described in
+\cite{ugur-twepp2012}.  
 
 \section{Software Environment}\label{sec:software}
 
@@ -144,31 +150,33 @@ trigger event numbers are available.
 
 Additionally, the platform enables every user group to profit from
 common software developments, such as a ``standalone'' ROOT unpacker
-\cite{unpacker-web} for the TDC datastream including methods for the
+\cite{unpacker-web} for the TDC data-stream including methods for the
 calibration of the delay lines. In this case, the data is usually
 acquired with the HADES DAQ software system in HLD files and
-subsequently analyzed offline. There are also interfaces to DABC
+subsequently analysed offline. There are also interfaces to DABC
 \cite{dabc-web} which enables online monitoring and calibration of the
 TRB3 read-out.
 
-Since the length of each delay line of the TDC depends highly on the
-specific placing and thus routing of the elements inside the FPGA, a
-proper calibration of this fine-time is necessary. This can be done
-simply by assuming that each element has the same propagation delay,
-but this limits the time resolution to about $1$\,ns. If one assumes
-that the read-out clock is uncorrelated to the measured signals, a
-\emph{flat} fine-time histogram of all detected signals is expected.
-Any deviation must be due to different propagation delays and thus
-each element can be calibrated appropiately (details see
-\cite{ugur-twepp2011}). However, if the detector signal rate is not
-sufficient (leading to insufficient statistics in the fine-time
-histogram), artifical hits stemming from an uncorrelated signal source
-must be additionally generated and read-out. This technique is already
-available on the TRB3 and is currently under test.
+Since the length of the total propagation delay on each delay line of the TDC
+depends highly on the specific placing and routing of the elements inside the
+FPGA, a proper calibration of this fine-time is necessary. This can be done
+simply by assuming that each element has the same propagation delay, but this
+limits the time precision to about $1$\,ns. \added[id=CU]{(where did you get
+  this information from? From my measurements I get up to 40 ps precision. But
+  sometimes there is the risk of getting double or more peaks. So this method
+  is only for test purposes. I don't think this should be in the paper.)} If
+one assumes that the read-out clock is uncorrelated to the measured signals, a
+\emph{flat} fine-time histogram of all detected signals is expected. Any
+deviation must be due to different propagation delays, thus each element
+can be calibrated appropriately (details see \cite{ugur-twepp2011}). However,
+if the detector signal rate is not sufficient (leading to insufficient
+statistics in the fine-time histogram), artificial hits stemming from an
+uncorrelated signal source must be additionally generated and read-out. This
+technique is already available on the TRB3 and is currently under test.
 
 \section{Front-end Electronics}\label{sec:frontends}
 
-% To convert the analog signals from the detector to digital pulses
+% To convert the analogue signals from the detector to digital pulses
 % suitable for the TDC, the front-end electronics board PaDiWa was
 % designed using the differential input buffers of an FPGA as
 % discriminators with a PWM generated voltage as a variable threshold.
@@ -187,7 +195,7 @@ available on the TRB3 and is currently under test.
   \centering
   \begin{minipage}{0.4\linewidth}
     \centering
-    \includegraphics[width=\textwidth]{gfx/frontends/padiwa}\\
+    \includegraphics[width=\textwidth]{gfx/frontends/padiwa_transparent.png}\\
     (a)
   \end{minipage}
   \quad
@@ -197,19 +205,21 @@ available on the TRB3 and is currently under test.
     (b)
   \end{minipage}
   \caption{(a) The PaDiWa leading edge discriminator front-end. Other
-    versions with different analog connectors are available. (b) The
-    schematic for one channel showing the KISS part (FPGA excluded).}
+    versions with different analogue connectors are available. (b) The
+    schematic of one channel showing the KISS part (FPGA excluded).}
   \label{fig:padiwa}
 \end{figure}
 
 The PaDiWa\footnote{Acronym for PANDA, DIRC, WASA.} is the first
 front-end board following the COME\&KISS principle
 (\cref{fig:padiwa}). It uses the LVDS input buffers of a Lattice
-MachXO2 FPGA to realize a leading edge discriminator for $16$ analog
-input signals. Besides that, only standard components like an $10$x
-MMIC wideband amplifier and and RC low-passes to generate the
-threshold voltages via PWM are used. Using test pulses with an
-amplitude of $500$\,$\mu$V and a length of $6$\,ns, a time resolution
+MachXO2 FPGA to realise a leading edge discriminator for $16$ analogue
+input signals. \replaced[id=CU]{Besides that, few standard components like $10$x
+MMIC wideband amplifiers and RC low-passes are used to generate the
+threshold voltages via PWM.}{Besides that, only standard components like an $10$x
+MMIC wideband amplifier and RC low-passes to generate the
+threshold voltages via PWM are used.} Using test pulses with an
+amplitude of $500$\,$\mu$V and a length of $6$\,ns, a time precision
 of the full system including the TRB3 of $23$\,ps was measured
 \cite{ugur-twepp2012}. This front-end has been successfully used in
 the test beamtimes, see \cref{sec:juelich,sec:mainz}.
@@ -234,31 +244,30 @@ the test beamtimes, see \cref{sec:juelich,sec:mainz}.
   \end{minipage}
   \caption{The Charge-to-Width front-end for HADES ECAL. (a) The
     layout again illustrating the COME\&KISS principle. (b) The
-    corresponding schematic for one channel (excluding the FPGA)}
+    corresponding schematic of one channel (excluding the FPGA)}
   \label{fig:qdc}
 \end{figure}
 
-The charge information of the pulse extracted from time over threshold
-is usually not precise enough for calorimeters. Thus, the leading edge
-measurement can be complemented by a modified Wilkinson ADC circuit,
-which encodes the charge in the width of the digital pulse delivered
-to the TDC. A proof-of-concept board was already successfully tested
-and a version with an improved dynamic range is currently designed for
-the HADES ECAL detector (\cref{fig:qdc}). It is based on the
-experience with the PaDiWa board and provides $8$ input channels
-(using in total $32$ FPGA TDC channels for two leading edges and two
-trailing edges for each input channel) with a charge resolution of
-$0.2$\,\% and a high dynamic range of $250$.
+The charge information of a pulse extracted from the time over threshold
+measurement is usually not precise enough for calorimeters. Thus, the leading
+edge measurement can be complemented by a modified Wilkinson ADC circuit,
+which encodes the charge in the width of the digital pulse delivered to the
+TDC. A proof-of-concept board was already successfully tested and a version
+with an improved dynamic range is currently designed for the HADES ECAL
+detector (\cref{fig:qdc}). It is based on the experience with the PaDiWa board
+and provides $8$ input channels (using in total $32$ FPGA TDC channels for two
+leading edges and two trailing edges for each input channel) with a charge
+precision of $0.2$\,\% and a high dynamic range of $250$.
 
 \subsection{n-XYTER ASIC for HADES Pion Tracker}
 
-The TRB3 can also be used as an infrastructure to read out specialized
+The TRB3 can also be used as an infrastructure to read out specialised
 integrated solutions using the peripheral FPGAs, for example to
 provide a timing reference, transport the acquired data to the
 eventbuilder and slow control configuration of the chip. This was
-realized for the n-XYTER ASIC, which provides the timestamp and the
+realised for the n-XYTER ASIC, which provides the timestamp and the
 pulse height of self-triggered $128$ channels. In this case, the
-integration of read-out and slow control (e.\,g. trigger windows) on
+integration of the read-out and slow control (e.\,g. trigger windows) on
 the peripheral FPGA was easily achieved due to the well-documented
 VHDL interfaces of the TRB3 platform.
 
@@ -289,8 +298,8 @@ The test beamtime took place in J\"{u}lich behind the TOF experiment
 (\cref{fig:juelich}) in October 2012. Here, protons with a momentum of
 $2.95$\,GeV and a rate of $10^7$\,Hz were scattered at a target and
 detected in two different DIRC detectors. Additionally, different
-multi-anodes PMTs were tested. In total, 10 TRB3s with PaDiWa
-front-ends were used providing $2400$ channels in total. It was the
+multi-anode PMTs were tested. In total, 10 TRB3s with PaDiWa
+front-ends were used providing $2400$ channels. It was the
 largest system of TRB3s used in a test beamtime so far and has worked
 successfully.
 
@@ -324,7 +333,7 @@ MAMI-B microtron in Mainz (electron accelerator) with a beam energy of
 $855$\,MeV. A Cherenkov counter prototype using the DIRC principle was
 placed in the beam line. The prototype comprises a highly-polished
 fused silica bar with a lens attached, an oil-filled expansion volume
-and a photon detector matrix of up to $6$ $64$-channel MCP-PMTs which
+and a photon detector matrix of $6$ $64$-channel MCP-PMTs, which
 were read out by the TRB3 system. In total, 4 TRB3s with TDC
 implementations were used with two different discriminator front-ends:
 the PaDiWa and the NINO ASIC. The beam current was set to achieve a
@@ -341,14 +350,14 @@ Finally, we present some planned or ongoing extensions of the
 platform. The detection of leading and trailing edge in a single TDC
 channel, which doubles the number of channels per board for timestamp
 and width measurements. This feature is highly desired for the
-described charge-to-width front-end. The temperature stability of the
-PaDiWa thresholds and of the TDC calibration is currently
-investigated. There are also two further front-end developments:
-Integration of the MuPix ASIC for the PANDA luminosity detector and
-the SPADIC ASIC for a TPC in Mainz. Since both ASICs use the CBMnet
-protocol, an implementation of CBMnet on the TRB3 was started.
-Furthermore, an extension of TrbNet with defined propagation delays of
-trigger signals for PANDA is being developed and tested.
+described charge-to-width front-end. The temperature
+\replaced[id=CU]{independence}{stability} of the PaDiWa thresholds and of the
+TDC calibration is currently investigated. There are also two further
+front-end developments: Integration of the MuPix ASIC for the PANDA luminosity
+detector and the SPADIC ASIC for a TPC in Mainz. Since both ASICs use the
+CBMnet protocol, an implementation of CBMnet on the TRB3 was
+started. Furthermore, an extension of TrbNet with defined propagation delays
+of trigger signals for PANDA is being developed and tested.