Untersuchung digitaler Signalfilter und Implementierungin FPGA für die Modellierung der ATLAS

LAr-Kalorimeter-Auslese

Johann C. Voigt

Institut für Kern- und Teilchenphysik

30. Juni 2017

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Gliederung

1 Vorbetrachtung

2 FPGA-System

3 Ergebnisse

4 Zusammenfassung und Ausblick

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Motivation

Erweiterung eines bestehenden Kalorimeterauslese-DemonstratorsErmöglichung der Untersuchung von Pile-upZiel: Einsatz im Laborpraktikum

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Aufbau ATLAS-Detektor

Aufbau des ATLAS-Experiments [1]

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ATLAS LAr-Kalorimeter

LAr-Kalorimeter Systeme bei ATLAS [5]

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Field Programmable Gate Array (FPGA)

Logikbausteine mit konfigurierbarer VerschaltungsmatrixSchaltung kann in Hardwarebeschreibungssprache am PC entworfenwerdeneinfache Möglichkeit zum Testen entworfener Schaltungenerlaubt günstigere Kleinserien von Hardware-SchaltungenHardwareimplementierung erlaubt starke Parallelisierung

I schnelle Energierekonstruktion für Level-1-TriggerI Möglichkeit viele Eingangskanäle gleichzeitig zu verarbeiten

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Shaper

Detektor produziert DreieckssignaleMaximum durch steile Flanke schwer zu rekonstruieren

Pulsform vor und nach Shaper bei ATLAS LAr-Kalorimeter [2, Fig. 1b]

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Rauschquellen und Shaperstatistisches (weißes) Rauschen durch Elektronik etc.

I Unterdrückung durch zeitliche MittelungPile-up Rauschen durch Absorption niederenergetischer Teilchen

I Korrelation zwischen zeitlich aufeinander folgenden SamplesI hebt sich im zeitlichen Mittel nicht auf

ShaperI Nutzung eines Tiefpasses flacht steile Flanke abI Hochpassfilter unterdrückt langsam abfallende FlankeI zusätzlich Reduzierung von elektronischem Rauschen durch Tiefpass

Pulsform vor und nachShaper bei ATLASLAr-Kalorimeter [2,Fig. 1b]

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Elektronisches- und Pile-up Rauschen

Wirkung des Shapers auf elektronisches Rauschen und Pile-up [3, Fig. 1-12]

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Optimalfilter

digitaler Filter mit endlicher ImpulsantwortLinearkombination von fünf aufeinanderfolgenden Samples Si

u =∑

iai · Si

Berechnung der Filterkoeffizienten aiI Optimierung zwischen Pile-up und elektronischem RauschenI aus idealer Pulsform und Autokorrelation des Untergrundes

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Vorhandener Aufbau

Generator für periodisch auftretende DreieckspulseAusgabe durch DACanaloges Formen des Signals durch ShaperRückführung in FPGA durch ADCdigitaler Filter und Maximum-Finder mit Quelltextoption zur Ausgabean PC

[4, Abb. 4.1]

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Signalgenerator

255 konfigurierbare SignalgeneratorenPuls charakterisiert durch Startzeitpunkt, Ausgangsamplitude undSchritthöhe der fallenden Flankekonfigurierbar durch JTAG-SchnittstelleKonfigurationsdaten werden durch Python-Skript erzeugt mitgewünschten Hauptpulsen und Pile-up aus AREUS-DatenWiederholung der Pile-up Sequenz und Hauptpulse mitunterschiedlicher Periode

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Sonstige Änderungen

Bunch-crossing Frequenz auf einheitlich 40MHz gesetztDAC und ADC laufen auf 120MHzAuswertung jedes dritten ADC-Signals selektiert durch PLL,Entfernen des FIFO-Puffersbessere Konfigurierbarkeit zur Laufzeitexterner Rauschgeneratorkonfigurierbare obere Schwelle für Optimalfilter

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Einfluss des Shapers auf die Signalform

−15

−10

−5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

−1000 0 1000 2000 3000

A×

10−2

t in ns

0,55 nF1,2 nF2,3 nF2,5 nF3,5 nF12,7 nF32,3 nF

Pulsform ohne Rauschen und Pile-up für verschiedene Shaper-Kapazitäten

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Einfluss Rauschen und Pile-up auf Signalverlauf

−15

−10

−5

0

5

10

15

20

25

30

35

−1500 −1000 −500 0 500 1000 1500

A×

10−2

t in ns

Ohne Rauschen/Pile-upNur Rauschen

Nur Pile-upRauschen und Pile-up

Pulsformen ohne Optimalfilter mit 2,5-nF-Kondensatoren

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Signalform mit Optimalfilter

−8

−6

−4

−2

0

2

4

6

8

10

12

−1500 −1000 −500 0 500 1000 1500

A×

10−6

t in ns

Nur Rauschen, OFNur Pile-up, OF

Rauschen/Pile-up, OF

Pulsformen mit Optimalfilter mit 2,5-nF-Kondensatoren

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Relative Abweichung der gemessenen Amplituden

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0 5 10 15 20 25 30 35

∆A r

el

C in nF

Ohne Rauschen und Pile-upNur Rauschen

Nur Pile-upRauschen und Pile-up

Nur Rauschen, OptimalfilterNur Pile-up, Optimalfilter

Rauschen und Pile-up, Optimalfilter

Relative Abweichung der gemessenen Amplituden in Abhängigkeit von derKapazität der Shaper-Kondensatoren

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Zusammenfassung und Ausblick

Einfluss der Shaper-Kapazitäten:I steigender Pile-up Einfluss für höhere Kapazitäten beobachtbarI geringer Einfluss bei elektronischem RauschenI Rekonstruktionsprobleme bei niedrigen Kapazitäten

Optimalfilter verbessert Ergebnis bei elektronischem Rauschen mitund ohne Pile-upFilterkoeffizienten reagieren wie erwartet auf Autokorrelation

Störsignale müssen für Einsatz im Praktikum behoben werdenErweiterung durch dynamische Rekonfiguration der Signalgeneratorensinnvoll

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Quellen[1] CERN AC. “Layout of ATLAS. Dessin representant le detecteur ATLAS”.

März 1998. url: http://cds.cern.ch/record/39038.[2] ATLAS Collaboration. “Monitoring and data quality assessment of the

ATLAS liquid argon calorimeter”. In: JINST 9.arXiv:1405.3768.CERN-PH-EP-2014-045 (Mai 2014). Diagramm einzeln unterhttp://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/PAPERS/LARG-2013-01/, P07024. 39 p. url: http://cds.cern.ch/record/1701107(besucht am 28. 05. 2017).

[3] ATLAS liquid-argon calorimeter: Technical Design Report. Technical DesignReport ATLAS. Diagramm von http://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/LIQARGEXT/TDR/figures1/figure1-12.eps. Geneva: CERN,1996. url: https://cds.cern.ch/record/331061 (besucht am03. 06. 2017).

[4] Martin Jutisz. “Implementierung digitaler Filter als Modell derATLAS-LAr-Kalorimeter Signalverarbeitung”. Bachelorarbeit. TU Dresden,IKTP, 2016.

[5] Joao Pequenao. “Computer generated image of the ATLAS Liquid Argon”.März 2008. url: http://cds.cern.ch/record/1095928.

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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