Data acquisition for Germanium-detector arrays

Die Wandlung von analogen zu digitalen Signalen und die anschließende online/offline Verarbeitung ist die technologische Voraussetzung zahlreicher Experimente. Für diese Aufgaben werden häufig sogenannte Analog-Digital-Wandler (ADC) und FPGAs („field-programmable gate array“) eingesetzt. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Evaluierung der FPGA und ADC Komponenten für die geplante FlashCAM 2.0 DAQ (FC2.0 DAQ). Die Entwicklung der ersten FlashCAM (1.0) DAQ (FC1.0 DAQ) wurde unter Federführung des Max-Planck-Instituts für Kernphysik im Jahre 2012 begonnen und war ursprünglich eine exklusive Entwicklung für das Cherenkov Telescope Array (CTA) Experiment. ... mehrIn der Zwischenzeit wird FlashCAM in zahlreichen Experimenten (HESS, HAWK, LEGEND-200, etc.) eingesetzt, die sowohl Photomultiplier (PMTs) als auch High Purity Germanium (HPGe) Detektoren umfassen. Beide Detektorentypen unterscheiden sich massiv in ihren Anforderungen und können auch von der neuen DAQ abgedeckt werden.
Das Themengebiert der Arbeit umfasst den gesamten funktionellen Umfang einer modernen DAQ. Moderne DAQ Systeme benötigen eine möglichst hohe Read Out Performance zwischen dem DAQ Board und dem es kontrollierenden Server. Die Umsetzung eines leistungsfähigen Firmware Designs und das Design einer hierauf angepassten Hardware/Softwareschnittstelle wird am Beispiel der Zynq Familie vorgestellt. Die Zynq-Familie von Xilinx ist von besonderem Interesse, da der Hardwarehersteller Trenz Elektronik ein flexibles, einfach aufsteckbares Modulkonzept mit verschiedenen SoCs der Zynq-Serie anbietet. Neben der Read Out Performance einer DAQ ist ihre Auflösungsgrenze von entscheidender Bedeutung für das Gelingen des finalen Experiments. Die verwendete FADC Karte muss sich daher durch exzellente SNR und Linearitätseigenschaften auszeichnen. Die Evaluierung solcher FADC Karten setzt ein Testsetup voraus, dass in Signalreinheit und Stabilität die hohen Anforderungen der devices under test übertreffen muss. Praktisch sind diese Bedingungen nur unter hohem (Kosten) Aufwand erreichbar. Im Rahmen der Arbeit wurden daher auch alternative Testkonzepte entwickelt, die mit akzeptablen Abstrichen in der Genauigkeit eine Messung im experimentellen Umfeld ermöglichen können. Da sich die Themengebiete in ihrem Inhalt deutlich unterscheiden, wurde die vorliegende Arbeit in zwei Themenkomplexe aufgeteilt. Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit dem Einsatz der Zynq Familie in der geplanten „FlashCAM“ Nachfolger DAQ. Der zweite Teil widmet sich der ADC Nichtlinearitätsbestimmung.
Die wichtigsten Ergebnisse der Arbeit lassen sich folgt zusammenfassen:
▪ Die „High Performance“ (HP) Schnittstellen der Zynq-UltraScale+ haben eine aussetzerfreie Bandbreite von 2.4 GB/s in den externen Arbeitsspeicher der Trenz Module. Wird noch zusätzlich die standardmäßig vorhandene 1 Gb PS-Ethernet Verbindung betrieben, verbleibt der CPU noch eine Bandbreite von mindestens 0.5 GB/s in den Arbeitsspeicher. Im Fall der Zynq-7000 Serie ist eine effiziente Implementierung der HP Schnittstellen schwierig, da die CPU nur vergleichsweise niedrige Arbeitsspeicherzugriffsraten erreicht. Die HP Schnittstellen sind eine wichtige Designalternative da ein durchgehender Datentransfer in den externen Arbeitsspeicher ein Design ermöglichen würde dass weniger stark durch den verfügbaren FPGA internen Speicher begrenzt ist. Dies wäre besonders für Anwendungen in der HPGe-Spektroskopie wünschenswert, da der praktische Nutzen des verwendeten Designs stark von der zur Verfügung stehende Puffergröße abhängt.
▪ Die “Accelerator Coherency” Schnittstelle (ACP) ermöglicht ein direkter Datentransfer aus der FPGA in den Cache der Zynq-CPU. Die entworfene ACP-CMA hat eine Bandweite von bis zu 2.4 GB/s und bietet für Cache-CPU Zugriffe noch ausreichend Reserve. Dass die Zynq-CPU die Cachedaten ohne ein Abwürgen der ACP-CMA verarbeiten kann, ist entscheidend. Wäre dies nicht der Fall könnte die CPU im Parallelbetrieb von Ethernet und ACP-CMA nicht die notwendigen Vorarbeiten zur Ethernet-Übertragung („Event Building“) bewältigen. In der Evaluierung wurde eine maximale Event Building Bandbreite von 0.7 GB/s festgestellt. Wahrscheinlich ist die reale maximale Bandbreite deutlich höher anzusiedeln. Einschränkend muss betont werden, dass in praktischen Applikationen zusätzliche Einschränkungen in Kraft treten, die de-facto einen kontinuierlichen Betrieb der ACP-CMA unmöglich machen. Diese Einschränkungen – die nicht prinzipieller Natur sind - wurden in der durchgeführten Ermittlung nicht berücksichtigt. Da weiterhin alle Zynq-FPGAs über einen Cache verfügen, ist die ACP-CMA eine Designlösung, die auf allen verfügbaren Zynq-FPGAs sinnvoll implementiert werden kann. Dies unterscheidet sie von der entwickelten HP-DMA, die häufig nur für Implementierungen in einer Zynq-UltraScale FPGA interessant ist.
▪ Der neuentwickelte FC2.0 Prototype wurde bereits in experimentellen Setups eingesetzt. Als Anwendungsbeispiel dient die Messung und Analyse eines γ-ray Spektrums eines HPGe-Detektors.
▪ Der Erfolg einer ADC Nichtlinearitätsbestimmungen ist stark von der Signalreinheit des verwendeten Eingangssignal abhängig. In Simulationen konnte gezeigt werden, dass die neu entwickelten Verfahren nur relativ schwach durch Pulsernichtlinearitäten verfälscht werden. Einen praktischen Vergleich zwischen den neuen und einer klassischen Methode konnte keinen signifikanten Unterschied feststellen. Die untersuchten Methoden können daher für eine zukünftige Implementation in FC2.0 empfohlen werden.

Experiments often need to digitize analog signals that are then processed either online or offline. The data acquisition (DAQ) for such systems needs analog-to-digital converters (ADC) and the digital data are processed by field programmable gate arrays (FPGA). The thesis describes the evaluation of the FPGA and ADC devices of the designated FlashCAM 2.0 DAQ (FC2.0 DAQ).
2012 started the development of the first FlashCam DAQ (FC1.0). Initially FC was an exclusive development for the Cherenkov Telescope Array (CTA) Experiment and therefore fixed to photomultiplier tube detectors (PMTs). ... mehrIn the meantime, FC is implemented in several experiments (HESS, HAWK, LEGEND-200, etc.) and additionally has high-pure-germanium-detector (HPGe-detector) features. Both detector types significantly differ in their requirements and both detector types must be handled by the successor DAQ.
In the thesis the development of a DAQ firmware design is presented on instance of the Zynq System on the Chip device family. The Zynq-devices from Xilinx are of particular interest as Trenz Electronic has a hereupon basing flexible module system. Besides the performance of its implemented firmware design, the feasibility of a DAQ relies on its achievable resolution limits. As the resolution limit depends on the signal-noise-ratio (SNR) and nonlinearity properties of the DAQ implemented FADC card, its accurate determination is especially important. The evaluation of such eligible FADC cards requires a test setup whose signal integrity and nonlinear behavior must exceed the already high requirements of the FADC under evaluation. In practice, eligible test setups require high spendings and efforts that mostly prevent an implementation of such a setup in an experimental environment. A focus of this thesis was the development of alternative nonlinearity determination procedures that facilitate a sufficient precision with default instrumentation. As the firmware and the ADC evaluation topics significantly differ, it was decided to split the thesis in two segregated parts. The first part is centered around the Zynq SoC devices as substitute of the current FlashCAM DAQ. The second part is dedicated to ADC nonlinearity determination.
Main results of the evaluation are
▪ The “High Performance” (HP) ports of the Zynq-UltraScale+ devices have a total interrupt free memory bandwidth of at least 2.4 GB/s. In enhanced designs with a parallel running 1 Gb/s ethernet unit, the CPU remains a concurrent memory read-write bandwidth of at least 0.5 GB/s. In Zynq-7000 devices an interrupt-free implementation of the HP ports can be thwarted by the poor memory access performance of the CPU. As the HP ports have direct access to the external DDR memory their interrupt-free bandwidth can be used to develop designs that do not require FPGA internal RAM. This is especially useful in HPGe-spectroscopy, as where the digitized waveform length and hence the event data buffer capacity is decisive.
▪ The “Accelerator Coherency” Port (ACP) enables (interrupted) data writes into the CPU Cache of the Zynq devices. The developed ACP-CMA framework has a bandwidth of up to 2.4 GB/s. The CPU can access the data without stalling a concurrent ACP operation in all Zynq devices. This is important as the CPU must handle all data processing requirements (“event building”) of the ethernet transfer. A concurrent maximum event building performance of 0.7 GB/s was determined. The real maximum event building performance is likely higher. It should be noted that a real application can face limitations that prevent a continuous operation of the ACP-CMA. These limitations – that are not fundamental – were not considered in the event building performance investigation. As all Zynq devices have a performant CPU Cache, the ACP-CMA is a feasible solution for all available Zynq devices.
▪ The new designed FC2.0 prototype firmware design was already used in experimental setups. As application example a HPGe-detector measurement will be shown.
▪ ADC nonlinearity investigation setups strongly depend on the distortion level of their implemented signal source. In simulations was shown that INL determination procedures exist whose accuracy is only slightly degenerated by the implementation of a nonlinearity distorted pulser. A practical comparison of these new methods with a classic INL determination procedure roughly confirmed the determined INL trend of the new procedures. The methods therefore can be recommended for a practical implementation in future ADC evaluation campaigns.