How to use APVDAQ system
Shun Ono Tokyo Institute of Technology
May 30, 2007
Contents
1 System conﬁguration
1.1 Hybrid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Repeater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3 APVDAQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1
1
2
2 Software
2.1 Run start, run stop, save screen
2.2 Conﬁgration ﬁle . . . . . . . . .
2.3 Run type . . . . . . . . . . . .
2.4 Number of events . . . . . . . .
2.5 Display screen . . . . . . . . . .
2.6 File save, log . . . . . . . . . .
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4
4
4
4
5
6
6
3 Conﬁgration ﬁle
3.1 APVDAQ VME address . . . . .
3.2 Single/Multi-peak mode . . . . .
3.3 Internal calibration . . . . . . . .
3.4 Inverter . . . . . . . . . . . . . .
3.5 Shaping curve and peaking time
3.6 File save path . . . . . . . . . . .
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9
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10
4 Set
4.1
4.2
4.3
4.4
up and Measurement
Set up . . . . . . . . . .
Power supply . . . . . .
System reset . . . . . .
Mesurement . . . . . . .
5 Analysis
5.1 Data structure . .
5.2 Pedestal correction
5.3 Pedestal, Noise . .
5.4 Signal . . . . . . .
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1
Abstract
この文章では APV25 及び APVDAQ を使用した system の構成、set up、さら
に data 収集及び取得された data の解析などについて記述する。APV25 及び
APVDAQ についての詳細に付いては、
http://www.hephy.oeaw.ac.at/u3w/f/friedl/www/belle/
を参照のこと。
Chapter 1
System conﬁguration
APVDAQ を使用した読出し system は hybrid, repeater, APVDAQ, PC から構
成される。hybirid 上の APV25 chip は、PC から APVDAQ を通して制御されて
おり、その操作により取得された data は PC 側に送信され蓄積される。Figure
1.1 に readout system の概略図を示す。
Figure 1.1: APV25 readout system
1.1
Hybrid
APV25 は 4 つの chip を 1 組にして hybrid 基板上に載せ使用される (Figure 1.2)。
LV やセンサーの HV は repeater 側から供給し制御されており、ﬂat cable を介
して接続されている。ひとつの APV25 chip には 128 の読み出し channel があ
り、hybrid 全体で 512channel の読み出しを行うことができる。各 chip の読み出
し pad 部分から ﬂex circuit や pitch adaptor を通して DSSD に接続され、信号を
読み出すことが可能となる。
1.2
Repeater
repeater(Figure 1.3) は APV25 の搭載された hybrid と APVDAQ の VME ボー
ドの間を繋ぐ interface である。repeater には hybrid 側から 1 本の ﬂat cable、
APVDAQ 側から 2 本の CAT7 cable と 1 本の ﬂat cable が接続されており clock、
trigger、APV25 からの signal 等の橋渡しをおこなっている。また hybrid への LV
の供給もここから行われており、±5V と GND の入力端子がある。
1
Figure 1.2: APV25 hybrid
1.3
APVDAQ
APVDAQ(Figure 1.4) は APV25 chip の制御、読出のために 6U の VME module
であり、接続されている PC によって制御が行われる。1.2 で述べたように APVDAQ では repeater 側へ 2 本の CAT7 cable と 1 本の ﬂat cable が接続されてお
り clock、trigger、signal 等の入出力が行われる。また APVDAQ には frontpanel
に外部からの trigger、clock の入力端子があり、そこへ信号を送ることで制御で
きる。
2
Figure 1.3: Repeater
Figure 1.4: APVDAQ
3
Chapter 2
Software
APVDAQ を使用した system の制御や data の読出及び蓄積は接続されている PC
によって行われる。PC は Windows XP で動作しており、system の制御及び data
収集用の software は National Instruments 製の Labwindows/CVI が使用されて
いる。この software は C 言語で記述されており、基本的な C 言語の文法や構文、
関数などはそのまま使用できる。また software 自体は GUI を介して制御するこ
とができる。APVDAQ の software は
http://www.hephy.oeaw.ac.at/u3w/f/friedl/www/belle/apvdaq 12aug2005.zip
から download することができる。zip ﬁle の中には、実行 ﬁle となる daq.exe と
その source ﬁle(*.c, *.h, *.uir)、様々な設定を行う conﬁgration ﬁle(*.cfg) が入っ
ている。Figure 2.1 に制御に使用される software の frontpanel を表示する。この
frontpanel から操作することで data 収集、run type の設定、APV25 の parameter
設定、data や log の保存などほとんどの制御ができる。以下に frontpanel の各部
分について、主に使用する機能の説明を記述する。
2.1
Run start, run stop, save screen
Figure 2.1 の 2 で囲まれた部分に ‘Start run‘や ‘Stop run‘があり、これを click す
ることで run の制御ができる。また、現在の frontpanel の保存 (png 形式) や印刷
をしたい場合には ‘Save screen“Print screen‘を使用する。
2.2
Conﬁgration ﬁle
2 で囲まれた部分で、使用する conﬁgration ﬁle の指定ができる。選択できる
conﬁgration ﬁle は、起動している daq.exe と同じ directory にある*.cfg の拡張子
の ﬁle が表示されている。これを選択することによって、APV25 の設定や data
取得時の実行設定などができる。software の起動時に conﬁgration ﬁle を書き換
えた場合はここで選択し直して、もう一度読み込ませる必要がある。conﬁgration
ﬁle についての詳細は Chapter 3 に記述されている。
2.3
Run type
実行する run type は 2 の部分で選択することができる。おもに使用する run type は
‘Hardware (Normal Run)‘, ‘Software (Pedestal Run)‘, ‘Internal Calibration
4
Figure 2.1: APVDAQ software frontpanel
Scan‘, ‘Pedestal correction‘等である。Table 2.1 に各 run type での実行内容を
記述する。
どの type を選択した場合でも、最初の一定数の event(default:600) は内部 trigger
で実行され、pedestal や noise の計算を行うための calibration event として収集
される。
run type
実行内容
Hardware run
通常の run。calibration event 終了後に外部 trigger で data 収集を行う。
Software run
Internal Calibration Scan
Pedestal correction
calibration event 終了後も内部 trigger を使用し
て pedestal の data を収集しつづける。
test pulse を送り、APV25 の gain や shaping
curve の測定、calibration を行う。
pedestal の補正を行うための data を収集する。
Table 2.1: Run type
2.4
Number of events
data 収集の際の event 数の設定は 2 で行われ、現在の収集 data 数も表示され
る。ここの設定が 0 の場合には手動で run を停止するまで、data が収集され続け
5
る。また、‘Internal Calibration Scan‘, ‘Pedestal correction‘で動作させる場合
は event 数は自動的に決定されている。ここで表示される event 数は各 subevent
ごとの設定数であり subevent が 1 より多い場合、収集したい event 数と設定し
た subevent の数の積を入力する必要がある。また 2.3 で記述したように最初に
calibration event が必ず収集されるため、event 数にその値を加えておかなけれ
ばならない。すなわち入力する event 数は、
Ninput = Ncollect × {max subevent} + Ncalib (default:600)
と計算できる。例えば subevent 数を 6、calibration event を 600event で data を
10000event を収集したい場合、入力する event 数は 10000×6+600=60600 となる。
2.5
Display screen
2 で囲まれた部分に、取得した data の表示が行われる。表示される内容は raw
data 以外に pedestal, noise, CMS やそれらの値を差し引いた後の data なども計
算されて表示できる。基本的に各 chip ごと (Internal calibration では各 channel
ごと) に表示されており、APV chip, subevent, channel の番号を切り替えること
で表示を変更できる。
2.6
File save, log
data 収集時の log は 2 の部分に表示される。frontpanel を通じて制御や変更を
行った場合、逐次その履歴が実行時間とともに記録されていく。
収集した data の保存は 2 の部分で行うことができる。data 保存を行う場合、run
を開始する前に ‘write ﬁle‘を on にしておく。‘run name‘で保存する ﬁle の名前を
指定することができる。また ‘Comments‘で保存 data にコメントを付け加えてお
くことができる。data の保存場所は conﬁgration ﬁle の中に記述されている。保
存される data の内容を Table 2.2 に記述する。
ﬁle name
内容
*.cfg
data 収集時の conﬁgration ﬁle の copy
各 channel についての pedestal, noise, CMS 等
の calibration の値
各 channel についての S/N が 3 以上の signal 数
*.pro
*.sig
*.txt
*.dat
*.cal
*.ped
data 収集時の log の copy(コメントもここに記
述される)
収集された全 data
各 channel の shaping curve の計測値 (Internal
Caribration Scan のみ)
pedestal の補正 data(Pedestal correction のみ)
Table 2.2: Data
6
Chapter 3
Conﬁgration ﬁle
Conﬁgration ﬁle は APV25 chip の様々な parameter や data 収集時の設定を行う
ﬁle であり.cfg の拡張子を持っている。coﬁgration ﬁle の中身は [vme], [adq] など
いくつかの section にわかれており、それぞれについてさらに 3 文字の parameter
が存在する。parameter の設定は例えば、res= 2,4,-1,-1,-1,-1,-1,-1 のように = で
代入を行う。なお各行の先頭に ] を記述することでその行を comment out するこ
とができる。主に使用する section において設定できる内容を Table 3.1 に示す。
section
設定内容
[vme]
APVDAQ の番号や VME address の設定
APVDAQ の parameter 設定 (data 収集時の
trigger sequence 等)
[adq]
[daq]
software 設定 (subevent の数、caribration event
の数、data の保存先、trigger delay 等)
[cal]
internal calibration scan 時の設定 (test pulse
の大きさ、shaping curve の計測時間幅、一つの
point での収集 data 数等)
[i2c]
APV25 chip の setting(shpaing curve の形状,inverter の on/oﬀ 等)
Table 3.1: conﬁgration ﬁle section
以下より各設定を行う場合に付いて詳細を記述する。
3.1
APVDAQ VME address
APVDAQ の address 設定は、[vme] section 内の adq parameter にて設定をおこ
なう。1 番目の要素は APVDAQ の software 上での番号設定であり 0 から順番に
振っていく。2 番目の要素で APVDAQ の VME アドレスが設定される。APVDAQ
module にて設定してある address(Figure 3.1) を確認して合致させておく。複数
の APVDAQ を操作する場合は、この parameter を複数記述しておく。
7
Figure 3.1: APVDAQ VME address
3.2
Single/Multi-peak mode
APV25 では通常の single peak mode の他に multi-peak mode として clock cycle(25ns 間隔) で一つの signal を複数 sampling することができる (Figure 3.2)。
これを使用することで、signal からの shaping curve の形状を得ることができる。
Figure 3.2: Output signal in a 6 sample multi-peak mode
sampling する subevent の数は [daq] section の ads で設定することができる。
ads の最初の parameter は ADC FIFO(≤4085) から読出される subevent の数であ
り、2 番目の parameter は一つの ADC stream 内で探索する最大の subevent の数
である。Table 3.2 に subevent 数 =1, 6, 12, 24 の場合の設定例を示す。subevent
の数の変更を行う場合、後述する htr parameter の変更もあわせて行う必要があ
る。また single peak mode(subevent 数 =1) で使用する場合は 3.4 に記述してあ
る inveter の設定も変更しておく。
8
Number of subevents
ads = {N},{search max subevents},x
1
6
12
24
ads = 320,1,x
ads = 1050,6,x
ads = 1860,12,x
ads = 4000,24,x
Table 3.2: Subevent setting
sampling を行う trigger sequence の設定は [adq] section の htr にて行うこと
ができる。1 つの trigger sequence の値を設定することで、3 つ連続して読出す
ことができる。例えば、subevent 数 =12 の multi peak mode で data 収集を行う
場合、htr¯
78,81,84,87,-1,-1,-1,-1 のように設定を行う。設定する値は任意に変更で
きるため、data 収集時の shaping curve の位置などをある程度調整することがで
きる。
3.3
Internal calibration
Internal calibration scan での設定は [cal] の部分で行うことができる。lvl の
parameter で入力する test pulse の大きさの設定ができる。設定値が 26 が約
1MIP(=22000e− ) に相当する。
計測する shaping curve の range は lat で調整することができる。特に peaking
time を長く設定した場合には、tail の部分まで計測を行うために、latbeg(1 番目の
parameter) を低い値に設定する必要がある。ただし latend(2 番目の parameter)
との差が 100 未満になるように設定する必要があることに注意する。また range
を長くした場合、計測ポイントの位置も増えるため計測時間も増加する。一つの計
測点では複数回計測を行いその平均を表示している。計測回数の変更は sam の部
分で変更を行う (通常は 50 回)。これらの変更を行った場合、測定に必要な event
数は run の開始時に自動的に計算され実行される。
3.4
Inverter
DSSD の P/N-side を同時に計測する場合 porality をあわせておくため、inverter
を使用することがある。inverter の設定は [i2c] の ia2 内にある mode(2 番目の
parameter) を変更する。Table 3.2 に Inverter の setting を記述する。Single peak
mode(1 subevent) の場合と multi-peak mode の場合で setting が異なることに注
意する。
Number of subevents
mode (Inveter ON/OFF)
1
≥3
63/31
61/29
Table 3.3: Inverter setting
9
3.5
Shaping curve and peaking time
Shaping curve 及び peaking time の変更を行う場合は [i2c] の ia2 の値を変更するこ
とで行われる。主に使用される parameter は ipre, ipcasc, isha, vfp, vfs(4,5,7,11,12
番目の parameter) の 5 つがである。ipre, ipcasc, isha の 3 つが shaping curve の
立ち上がりを、vfp, vfs の 2 つが達下がりを変更する。isha, vfs の 2 つを変更
することで shaping curve が最も大きく変化する。isha の値を小さくすることで
shaping curve の立ち上がりが緩やかになり peaking time が増加する。また vfs の
値を大きくすることで shaping curve の立ち下がりが緩やかになる。Table 3.4 に
40∼200ns までの peaking time での各 parameter の setting を記述する。shaping
curve の詳細な形状を知るためには ‘Internal Calibration Scan‘を実行する。
peaking time [ns]
ipre
ipcasc
isha
vfp
vfs
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
130
98
85
98
85
120
110
100
100
95
110
85
80
150
140
150
170
72
52
52
52
52
52
52
52
52
52
52
52
52
52
52
72
72
57
34
19
14
13
10
9
8
7
6
6
5
5
5
4
4
4
50
30
45
55
65
67
67
67
67
67
67
67
67
67
67
67
67
30
60
85
100
110
120
135
137
140
145
147
150
155
157
157
160
165
Table 3.4: peaking time setting
3.6
File save path
保存する ﬁle の場所は [daq] の pat の部分で指定をおこなう。ここに保存 directory
の full path を記述しておくことで、任意の場所で保存することが可能となる。指
定した directory が存在しない場合エラーとなるので注意する。
10
Chapter 4
Set up and Measurement
この Chapter で具体的な set up と測定方法について記述を行う。
4.1
Set up
Hybrid, repeater, APVDAQ の接続と LV,HV の供給の set up の概念図を Figure
4.1 に示す。ここで重要なのは HV,LV,repeater,hybrid の間で ground を一致させ
Figure 4.1: APVDAQ system setup
ておく必要がある。一致が不完全な場合、data 収集時の background が大きくな
り noise が増加する。
4.2
Power supply
電源を入れる場合の順番は PC, VME crate, LV, HV の順番である。LV を ±5V
に設定した場合の電流値はそれぞれ、0.4A と −0.18A 程度になる。電流値が大き
11
すぎる場合 chip が破壊される恐れがあるため、それぞれの電流値に limit を掛け
ておくことを勧める。HV の場合 P/N-side の電位差を 80V に設定した場合でも
電流値は 1µA 以下の値になる。こちらも電流値が一定以上増大することによる
DSSD の break down を防ぐため電流値に limit を掛けておく必要がある。また
HV は電圧を変化させた場合に一時的に電流値が増大するため徐々に上げていく
必要がある。
4.3
System reset
set up が終了したら software を起動する前に、resource manager を実行し PC に
接続されている device の検出と reset をしておく。resource manager が正常に終
了したら daq.exe を起動し開始させる。起動時あるいは操作時等にエラーが発生
した場合新しいウィンドウが開き、そのエラーを表示する。
4.4
Mesurement
software の起動後、まず使用したい conﬁgration ﬁle を選択する。選択可能な ﬁle
は daq.exe と同じ directory にある.cfg の拡張子である。conﬁgration ﬁle の内容を
書き換えた場合、指定 ﬁle を選択し直し読み込み直す必要がある。また新しい ﬁle
を追加した場合は software 自体を再起動させる必要がある。ﬁle 選択後 run type
の選択を行い ‘Start Run‘を押せば data の収集が開始される。どの run type でも
最初の一定 event(default:600) は calibration 用として内部 trigger で収集される。
‘Software run‘, ‘Internal caribration‘, ‘Pedestal correction‘等ではその後そのま
ま内部 trigger で data 収集が行われていく。
外部 trigger を使用した通常の data 収集の場合、trigger timing の調整を行う必要
がある。timing 調整の方法としてはまず DSSD に放射線源やレーザーなどを照射
し signal が検出できるようにし、subevent 数が多い状態で data 収集して shaping
curve が見える subevent を見つけ出す。発見できなかった場合、trigger を入力す
る前に gate generator 等を通して delay を掛けて signal が見える状態に調整を行
う。signal が見える状態になれば、その subevent の trigger sequence の番号を記
憶しておき、使用したい conﬁgration ﬁle の htr を変更する。その後、conﬁgration
ﬁle を選択し直し shaping curve が検出できるか確認する。trigger sequence の設
定は 25ns(=40MHz) 間隔であり、より細かい調整を行いたい場合は frontpanel 上
の trigger input delay でおこなう。
外部 trigger の調整が終了した後は実際に data 収集を開始する。conﬁgration ﬁle
の選択後 run type, event 数, ﬁle 保存の選択を行い run を開始させる。保存 ﬁle 名
について保存する directory に同名の ﬁle が存在する場合は上書きを行うか確認さ
れる。data 収集時も display screen は逐次 update されていくので切り替えなど
を行い、正常に data が取得されているか確認を行う。指定した event 数に達した
場合、あるいは ‘Run stop‘を選択した場合に run が停止し data の保存が行われ
る。終了後指定 directory に ﬁle が生成さているのか確認を行う。
12
Chapter 5
Analysis
この Chapter で APVDAQ で収集した data の解析方法に付いて説明を行う。解
析手法の詳細については、
http://www.hephy.oeaw.ac.at/u3w/f/friedl/www/belle/kek apr05/
に記述があるのでそちらを参照すること。ここでは概要及び導入を記述するに留
めておく。
5.1
Data structure
収集された data は C 言語の構造体として保存されている。以下にその構造体の
中身を記述する。
struct {
unsigned long event;
unsigned char numberofsubevents;
unsigned char subevent;
unsigned char module;
unsigned char apv;
unsigned char header;
unsigned char address;
unsigned short adc[APV_CHANNELS];
unsigned short sof;
unsigned short eof;
unsigned short sof_hw;
unsigned short eof_hw;
unsigned char maxapv;
unsigned char adcnumber;
unsigned short liveticks_baseline;
unsigned short liveticks_peak;
unsigned short tdc;
} data[MAX_SUBEVENTS][MAX_APV];
ここで、APV CHANNELS は一つの APV chip 内における channel 数 (=128)、
MAX SUBEVENTS は subevent の数、MAX APV は読出された APV chip の
数を表す。解析において C 言語を使用する場合は fread 関数を、C++を使用す
13
る場合は ifstream の read 関数をもちいる。data の読み方としては、例えば i 番
目の chip の j 番目の channel の k 番目の subevent の ADC count を見たい場合、
data[k][i].adc[j] とすると読出すことができる。
5.2
Pedestal correction
収集を行った data の ADC count を読出して使用する場合、その値にたいして補
正を掛ける必要がある。補正値は ‘Pedestal correction‘によって計測することが
できる。この値は APV chip の測定状態にかかわらず一定であるため、一度だけ
計測しておけばよい。補正値は配列として、
double pcorr[MAX_APV][APV_CHANNELS][256];
として保存されており、5.1 の収集 data の補正に使用される。この配列の 3 番目
の要素は address を示しており、収集 data 内に保存されている address に対応し
ている。補正の方法としては、例えば i 番目の chip の j 番目の channel の k 番目
の subevent の場合、
datacorr[k][i][j] = data[k][i].adc[j] − pcorr[i][j][data[k][i].address];
とすることで補正された data を得ることができる。
5.3
Pedestal, Noise
4.4 で述べたように、どの run type であっても最初の一定 event(default:600) は
calibration のため内部 trigger で収集されて各保存 data の最初に保存されてい
る。この calibration event は subevent 数が 1 の data と同じであり 5.1 と同じ形
式で保存されている。ここで収集された data は、各 channel について pedestal
や noise の計算のために使用される。以後 calibration event を 600event で data
収集を行った場合で説明を行う。
最初の 300event は pedestal の計算をするために使用される。pedestal とは各
channel の ADC count の oﬀset 値であり、DSSD からの signal は収集 data から
この pedestal を差し引いた値となる。pedestal の計算は各 channel ごとに 300event
の平均で計算され、
P ED[i][j] =
300
1 X
ADC[i][j]n
300 n=1
となる。ここで ADC[i][j]n は n 番目の event の i 番目の chip、j 番目の channel
の ADC count である。
残りの 300event は noise の計算に使用される。noise の定義は signal の値の RMS
である。また noise は intrinsic noise と external noise の 2 種類に分類できる。
intrinsic noise は検出器からの leak 電流や寄生容量からくるものであり、各 channel
ごとに異なっている。external noise は外部の要因から発生し chip 全体に掛かる
noise である。external noise の場合 chip の全 channel が一定方向にシフトする。
これは Common Mode Shift(CMS) と呼ばれ取り除くことが可能である。CMS
の計算は各 chip ごとに行われ、
1 X
(ADC[i][j]n − P ED[i][j])
CM S[i]n =
128 j=0
127
14
となる。intrinsic noise は ADC count から pedestal と CMS を差し引いた後の
RMS で表すことができる。
v
u
600
u 1 X
N OI[i][j] = t
(ADC[i][j]n − P ED[i][j] − CM S[i]n )2
300
n=301
なお全ての計算で ADC count を使用するときは 5.2 で記述した補正を行うこと
に注意する。すなわち実際に計算を行う場合は、
ADC[i][j] = data[k][i].adc[j] − pcorr[i][j][data[k][i].address]
として pedstal, CMS, noise を導出する。
5.4
Signal
pedestal, noise の計算終了後、601event 目から signal の計算を行う。ここからは、
1 つの event につき設定した subevent 分が保存されている。signal の計算はまず
ADC count から 5.2 の補正値と 5.3 の pedestal の値を差し引く。
datacorr[k][i][j] = data[k][i].adc[j] − pcorr[i][j][data[k][i].address] − P ED[i][j]
ここで、i, j, k はそれぞれ i 番目の chip の j 番目の channel の k 番目の subevent
を示す。この後計算値から各 chip ごとに CMS の計算を行う。
1 X
CM S[k][i] =
datacorr[k][i][j] (datacorr[k][i][j]/NOI[i][j] ≤ 3)
128 j=0
127
ただし、5.3 で得られた noise と計算値から S/N を計算し、S/N>3 となる channel
は除外する。CMS の計算が終了したら、その値を差し引くことで signal の値が
求まる。
signal[k][i][j] = datacorr[k][i][j] − CM S[k][i]
この signal の値を用いて再度 S/N の計算を行い S/N>3 となる channel があれば、
その channel に hit があるとみなす。この後この計算された signal の値を用いる
ことで、各々の解析を進めていく。
15