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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
Johann C. Voigt (IKTP) Signalfilter bei ATLAS-LAr 30. Juni 2017 1 / 21
Gliederung
1 Vorbetrachtung
2 FPGA-System
3 Ergebnisse
4 Zusammenfassung und Ausblick
Johann C. Voigt (IKTP) Signalfilter bei ATLAS-LAr 30. Juni 2017 2 / 21
Motivation
Erweiterung eines bestehenden Kalorimeterauslese-DemonstratorsErmöglichung der Untersuchung von Pile-upZiel: Einsatz im Laborpraktikum
Johann C. Voigt (IKTP) Signalfilter bei ATLAS-LAr 30. Juni 2017 3 / 21
Aufbau ATLAS-Detektor
Aufbau des ATLAS-Experiments [1]
Johann C. Voigt (IKTP) Signalfilter bei ATLAS-LAr 30. Juni 2017 4 / 21
ATLAS LAr-Kalorimeter
LAr-Kalorimeter Systeme bei ATLAS [5]
Johann C. Voigt (IKTP) Signalfilter bei ATLAS-LAr 30. Juni 2017 5 / 21
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
Johann C. Voigt (IKTP) Signalfilter bei ATLAS-LAr 30. Juni 2017 6 / 21
Shaper
Detektor produziert DreieckssignaleMaximum durch steile Flanke schwer zu rekonstruieren
Pulsform vor und nach Shaper bei ATLAS LAr-Kalorimeter [2, Fig. 1b]
Johann C. Voigt (IKTP) Signalfilter bei ATLAS-LAr 30. Juni 2017 7 / 21
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]
Johann C. Voigt (IKTP) Signalfilter bei ATLAS-LAr 30. Juni 2017 8 / 21
Elektronisches- und Pile-up Rauschen
Wirkung des Shapers auf elektronisches Rauschen und Pile-up [3, Fig. 1-12]
Johann C. Voigt (IKTP) Signalfilter bei ATLAS-LAr 30. Juni 2017 9 / 21
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
Johann C. Voigt (IKTP) Signalfilter bei ATLAS-LAr 30. Juni 2017 10 / 21
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]
Johann C. Voigt (IKTP) Signalfilter bei ATLAS-LAr 30. Juni 2017 11 / 21
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
Johann C. Voigt (IKTP) Signalfilter bei ATLAS-LAr 30. Juni 2017 12 / 21
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
Johann C. Voigt (IKTP) Signalfilter bei ATLAS-LAr 30. Juni 2017 14 / 21
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
Johann C. Voigt (IKTP) Signalfilter bei ATLAS-LAr 30. Juni 2017 15 / 21
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
Johann C. Voigt (IKTP) Signalfilter bei ATLAS-LAr 30. Juni 2017 17 / 21
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
Johann C. Voigt (IKTP) Signalfilter bei ATLAS-LAr 30. Juni 2017 20 / 21
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