Logbook des test de la carte PICMIC

La carte Liroc+PicoTdc

Historique

Avec la carte test du Liroc et celle du PicoTDC nous utilisions la configuration suivante

{"asics": [{"address": "0.0.0.1", "dif": 1, "num": 1, "slc": 
{"CLPS_bsize": 4, 
"Ctest": [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0], 
"DAC_local": [49, 56, 45, 41, 48, 49, 29, 37, 43, 41, 46, 40, 47, 59, 47, 62, 53, 64, 64, 62, 53, 56, 50, 59, 45, 66, 57, 43, 52, 48, 56, 56, 72, 86, 72, 64, 76, 88, 71, 79, 75, 89, 82, 66, 78, 79, 78, 58, 64, 77, 75, 76, 82, 99, 66, 83, 73, 88, 83, 73, 75, 85, 87, 76], 
"DAC_threshold": 472, 
"DC_pa": [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0], 
"EN_10bDAC": 1, 
"EN_7b": 1, 
"EN_bg": 1, 
"EN_differential": 1, 
"EN_disc": 1, 
"EN_pa": 1, 
"EN_pre_emphasis": 0, 
"EN_probe": 1, 
"Forced_ValEvt": 0, 
"Hysteresys": 0, 
"Ibi_probe": 2, 
"Ibo_probe": 32, 
"Mask": [1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0], 
"MillerComp": 4, 
"PA_gain": 15, 
"PP_10bDAC": 0, 
"PP_7b": 0, 
"PP_bg": 0, 
"PP_differential": 0, 
"PP_disc": 0, 
"PP_pa": 0, 
"PP_probe": 0, 
"Polarity": 0, 
"Pre_emphasis_delay": 0}}], 
"state": "LIBOARD_TEST", "version": 22}

Le piédestal était vers 520 et la DAC_threshold à 540 pour une calibration à 50 fC environ. A priori l'injection était négative avec une terminaison 50 $\Omega$ + 100 nF en série

Par contre il n'y avait pas de capacité en série avant le LIROC:

Schéma d'injection

Et la calibration donnait pour un temps de montée de 2ns

Calibration de la carte test

Software

La base du software est le driver en python développé par Loup. Il est sur gitlab et peut être installé par

git clone https://gitlab.in2p3.fr/picmic/liroc-picotdc/liroc_picotdc_daq.git

Le software se trouve dans le répertoire software et l'accès au driver python peut se faire par modification du python PATH

export PYTHONPATH=/home/ilc/acqilc/liroc_picotdc_daq/software/:$PYTHONPATH

Plusieurs procédure d'alignement des piédestaux ou de test se trouve dans les répertoires software et software/test

En parallèle, j'ai développé des procédures de calibration analogues à celle écrites pour le FEBV2. Ce software est distribué avec pmdaq dans le répertoire picmic . Il est basé sur les procédures de Loup avec une utilisation de la base de donnée pour le stockage des paramètres et des résultats.

Base de donnée

La configuration de la carte se fait à partir d'un fichier CSV: liroc_picotdc_daq/software/febconfig/example_config.csv

Il contient deux parties, une pour les paramètres du LIROC, l'autre pour ceux du PICOTDC. Dans ma version j'ai séparé 2 fichiers d'exemples

default_liroc.csv: les paramètres sur lesquels on a agi sont
DC_PA_ch[i] Le niveau DC d'entrée du canal i (laissé à 0 par défaut)
DAC_local_ch[i] Le DAC pour le canal i avant le discriminateur
Ctest_ch[i] Le switch d'injection sur le canal i
PA_gain toujours a 10
dac_threshold_m/lsb Le seuil par ASIC
EN-CLPS Mis à 15

"Parameter","Value"
"LIROC","LIROC"
"DC_PA_ch0",0
"Ctest_ch0",0
"Mask_ch0",0
"DAC_local_ch0",64
"DC_PA_ch1",0
"Ctest_ch1",0
"Mask_ch1",0
"DAC_local_ch1",64
"DC_PA_ch2",0
"Ctest_ch2",0
"Mask_ch2",0
"DAC_local_ch2",64

"EN_pa",1
"PP_pa",0
"PA_gain",10
"EN_7b",1
"PP_7b",0
"PA_comp",2
"EN_disc",1
"PP_disc",0
"Polarity",0
"Cmd_hysteresis",0
"EN_bg",1
"PP_bg",0
"EN_10bDAC",1
"PP_10bDAC",0
"dac_threshold_msb","0b10"
"dac_threshold_lsb","0b110000"
"EN-CLPS",0xf
"EN-pE",0
"PE-delay",0
"EN_Rx",1
"PP_Rx",0
"Forced_ValEvt",0
"EN_NOR64",0
"EN_probe",0
"PP_probe",0
"MillerComp",4
"Ibi_probe","0b10"
"Ibo_probe","0b100000"

default_pico.csv: Pour le PICOTDC les paramètres importants sont ceux liés
au filtrage des signaux d'entrée

  "hrx_top_delay",0xf
  "hrx_top_bias","0xf"
  "hrx_top_filter_trailing",1
  "hrx_top_filter_leading",1
  "hrx_top_en_r",1
  "hrx_top_en",1
  "hrx_bot_delay",0xf
  "hrx_bot_bias","0xf"
  "hrx_bot_filter_trailing",1
  "hrx_bot_filter_leading",1
  "hrx_bot_en_r",1
  "hrx_bot_en",1

à la polarité des fronts

  "falling_en",0

à la résolution , coarse par exemple

    "tg_bot_nen_fine",1
    "tg_bot_nen_coarse",0
    "tg_top_nen_fine",1
    "tg_top_nen_coarse",0
    "highres_en",0

Le code de création de setup et de modification est identique à celui des FEBs

    import picmic_register_access as pr
    s=pr.instance()
    s.create_setup("TOTO")
    pr=pr.picmic_registers(f_id=12)
    pr.load_defaults(fnp="../etc/default_pico.csv",fnl="../etc/default_liroc.csv")
    s.setup.add_picmic(pr)
    s.upload_changes("un test de creation")

On peut aussi avoir la liste des setups et en télécharger un

    python3
    Python 3.11.2 (main, Apr 28 2025, 14:11:48) [GCC 12.2.0] on linux
    Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information.
    >>> import picmic_register_access as pr
    >>> s=pr.instance()
    >>> s.list_setups()
    TEST_PIC_DB / 1 | Essai d'insertion | Previous  0
    TEST1_PIC_DB / 1 | Essai d'insertion | Previous  0
    TEST2_PIC_DB / 1 | Essai d'insertion | Previous  0
    TEST3_PIC_DB / 1 | Essai d'insertion | Previous  0
    TEST3_PIC_DB / 2 | Alignment | Previous  1
    TEST3_PIC_DB / 3 | Alignment 2nd pass | Previous  2
    TEST3_PIC_DB / 4 | all on all aligned | Previous  3
    TEST3_PIC_DB / 5 | Un nouvel essai d alignement | Previous  1
    TEST3_PIC_DB / 6 | 2eme pass nouvel essai d alignement | Previous  5
    PICMIC_TEST_JUNE / 1 | First version in June | Previous  0
    PICMIC_TEST_JUNE / 2 | un test | Previous  1
    TOTO / 1 | un test de creation | Previous  0
    >>> s.download_setup("TOTO",1)
    >>> s.to_csv_files()

On crée ainsi le fichier /dev/shm/board_csv/TOTO_1_f_12_config_picmic.csv

On peut évidemment modifié n'importe quel paramètre avec:

    target=800
    filtering=True
    tlsb=target&0xFF
    tmsb=(target>>8)&0xFF
    s.setup.boards[0].picmic.set("dac_threshold_lsb",tlsb)
    s.setup.boards[0].picmic.set("dac_threshold_msb",tmsb)
    #Maximal filtering
    if (filtering):
        s.setup.boards[0].picmic.set("hrx_top_delay",0xF)
        s.setup.boards[0].picmic.set("hrx_top_bias",0xF)
        s.setup.boards[0].picmic.set("hrx_top_filter_trailing",1)
        s.setup.boards[0].picmic.set("hrx_top_filter_leading",1)
        s.setup.boards[0].picmic.set("hrx_bot_delay",0xF)
        s.setup.boards[0].picmic.set("hrx_bot_bias",0xF)
        s.setup.boards[0].picmic.set("hrx_bot_filter_trailing",1)
        s.setup.boards[0].picmic.set("hrx_bot_filter_leading",1)
    else:
        s.setup.boards[0].picmic.set("hrx_top_filter_leading",0)
        s.setup.boards[0].picmic.set("hrx_bot_filter_leading",0)
        s.setup.boards[0].picmic.set("hrx_top_filter_trailing",0)
        s.setup.boards[0].picmic.set("hrx_bot_filter_trailing",0)
    # Falling ?
    s.setup.boards[0].picmic.set("falling_en",0)
    # ValEvt
    s.setup.boards[0].picmic.set("Forced_ValEvt",0)
    # Polarity
    s.setup.boards[0].picmic.set("Polarity",0)
    # DC_PA
    for ch in range(64):
        if (dc_pa!=0):
            self.setup.boards[0].picmic.set('DC_PA_ch',dc_pa,ch)
    # creation d'une version temporaire 998
    s.setup.version=998
    s.to_csv_files()

On crée ainsi le fichier /dev/shm/board_csv/TOTO_998_f_12_config_picmic.csv avec les paramètres modifiés

On peut également faire un appel à upload_changes pour créer la version 2 de TOTO

Procédures de piédestaux

Les piedestaux ne sont alignés qu'en jounat sur le DAC_local_ch[i] et en scannant le seuil global dac_threshold_m/lsb. La procédure réalise un scan grossier des S-Curves calcule la médiane $<T_{on}>^{med}$ et ajuste la valuer du DAC local avec

$DAC_{corr} = DAC_{orig} + \frac{({\rm <T_{on}>^{med} - T_{on}^i})}{2}$

où ${\rm T_{on}^i}$ est la valeur à mi-hauteur de la S-Curve du canal i (Turn on)

Deux approches sont possibles:

liroc_picotdc_daq/software/align_pedestal.py : Iterations jusqu'à ce que les corrections soient nulles.
pmdaq/picmic/bin/scurve_one_shot : scan autour de la valeur estimée de la correction ( $\pm 3$ ) et choix de la valeur la plus proche de la médiane.

C'est cette dernière mèthode qui a été utilisée pour les études suivantes.

Alignement

On obtient pour les piédestaux sur la première carte:

Zoom Pedestal scan carte 1

en zoomant on voit que l'alignement est contenu dans moins de 2 coups de DAC

Pedestal scan carte 1

Calibration des TDCs

Pour l'instant nous n'avons pas encore mis en place de procédures pour mesurer précisément la résolution intrinsèque du picoTDC (injection décalée du même signal sur des canaux digitaux)

Résolution fine

Résolution grossière

Tests d'injection

Setup

On utilise le générateur Agilent 81160 en injectant soit directement sur CTEST avec un pont diviseur de 2, soit à travers une Capacité de 10 pF précédée d'un atténuateur de 20 dB.

Premiers tests avec injection sur une C=10 pF

On compare la réponse sur le même canal pour 3 temps de montée différents et 2 charges 50 fC et 150 fC.

Temps de montée 1ns, 50 mV

Q=50 fC, Canal 30

Injection 50 fC 1ns sur canal 30

Temps de montée 1ns, 150 mV

Q=150 fC, Canal 30

Injection 150 fC 1ns sur canal 30

Temps de montée 2ns, 50 mV

Q=50 fC, Canal 30

Injection 50 fC 2ns sur canal 30

Temps de montée 2ns, 150 mV

Q=150 fC, Canal 30

Injection 150 fC 2ns sur canal 30

Temps de montée 3ns, 50 mV

Q=50 fC, Canal 30

Injection 50 fC 3ns sur canal 30

Temps de montée 3ns, 150 mV

Q=150 fC, Canal 30

Injection 150 fC 3ns sur canal 30

Calibration

Pour calibrer on utilise l'entrée CTEST qui est suivi d'une résistance de 50 Ohm série qui divise par 2 le signal injecté Sauf sur le canal 48 où la terminaison a été retirée=> Ne Pas dépasser 1.2 V

On a noté une diaphonie de l'injection lorsque l'on dépasse 0.6 V (30 fC)

On scanne 20 points de 50 mV à 600 mV (2.5-30 fC). Dans tous les cas, seul le canal injecté est actif et seul sa capacité CTEST est activée.

Temps de montée 1 ns

Calibrations 1ns

On obtient l'intercepte et la pente de chaque canal Intercept et pente 1ns

que l'on peut analyser en fonction des canaux Intercept et pente vs channels 1ns

Temps de montée 2 ns

Calibrations 2ns

On obtient l'intercepte et la pente de chaque canal Intercept et pente 2ns

que l'on peut analyser en fonction des canaux Intercept et pente vs channels 2ns

Remarques importantes

Le piédestal ainsi déterminé est 20 coups de DAC plus bas que celui déterminé avec les Scurves. Cela indique clairement une non linéarité à basse charge. Il faut répéter cette mesures sur des canaux en injectant de 50 à 500 fC directement sur les entrées et calculer l'intercepte.
La réponse n'est pas uniforme par canal, spécialement sur les 30 premiers canaux. Vu que l'on ne peut pas adapter le gain par canal, il serait raisonnable d'aligner les Scurves sur une injection (50 fC?) avec CTEST pour pouvoir appliquer un seuil commun à tous les canaux
Une des possibilités pour expliquer cette dépendance est l'atténuation de la charge injectée en fonction du canal. Ceci semble être confirmé par les études suivantes.

Résolution temporelle

Dans cette première étude on mesure la réponse en temps des canaux avec une injection sur CTEST de 1.2 V (60 fC).

Le délai du pulse par rapport au déclenchement est de 85 ns. Le seuil est fixé à DAC=610 pour un piédestal à 564 (Scurves) ou 547 (injection) soit un seuil

Piédestal	$\tau=1$ ns	$\tau=2$ ns
Scurves	$\Delta DAC= \frac{46}{1.96}= 23 fC$	$\Delta DAC= \frac{46}{1.33}= 34 fC$
CTEST	$\Delta DAC= \frac{63}{1.96}= 32 fC$	$\Delta DAC= \frac{63}{1.33}= 47 fC$

Vu la variation du seuil selon le temps de montée et suivant que l'on considère l'un ou l'autre des piédestaux mesurés on s'attend à de gros effets de timewalk ce que l'on note sur les 2 tests suivants où on remarque également que la charge injectée décroît avec le numéro de canal.

Temps de montée $\tau=1$ ns, Charge injectée Q=60 fC

Q 60 fC tau 1ns Q 60 fC tau 1ns ves channels

Temps de montée $\tau=1$ ns, Charge injectée Q=50 fC

Q 50 fC tau 1ns Q 50 fC tau 1ns ves channels

Dépendance au seuil

A partir des mesures suivantes l'injection ne se fait que sur une seule piste (LIROC canal 45) et à travers la capacité de 10 pF et l'atténuateur de 20 dB

On fait une injection de 1V (Q= 1pC) pour 3 temps de montée: 1, 1.5 et 2 ns. On note a la fois un effet de timewalk attendu mais aussi une détérioration de la résolution si le seuil est trop bas...

$\tau$ =1 ns

Q 1 pC tau 1ns vs THR

$\tau$ =1.5 ns

Q 1 pC tau 1.5ns vs THR

$\tau$ =2 ns

Q 1 pC tau 2ns vs THR

Dépendance en charge

Pour un temps de montée de $\tau$ =1 ns, nous avons essayé d'adapter le seuil à la charge injectée et fait varier cette injection entre 50 fC et 1 pC. On réduit ainsi le timewalk et on retrouve une dépendance de la résolution attendue. Celle-ci est plus mauvaise que celle clamée pour le LIROC et provient principalement de la gigue du signal de déclenchement du générateur. Cet effet est supprimé dans l´étude suivante.

Scan en charge 50-1000 fC 1ns

Suppression de la gigue du déclenchement

Pour éliminer la gigue de l'injection, on mesure la différence entre une injection numérique sur le canal 0 directement reliée au picoTDC et une injection sur le canal Liroc 45.

On a répété 3 fois le balayage de 0.2 V à 2.5 V (soit 200 fC à 2.5 pC) avec un seuil fixe à 650 et un temps de montée $\tau=1$ ns

Premier balayage 20000 événements , pause de 30 minute
Second balayage 80000 événements
Troisième balayage 240 000 événements

La résolution optimale se stabilise vers 11 ps, pour une charge Q=1 pC injectée.

Time scan timing_vscan_f45_l45_v2.5_t650_d130000_r1000un_lun

timing_vscan_f45_l45_v2.5_t650_d130000_r1000un_lun

V inj (V)	Channel		$\sigma$ T (ps)
0.2	45	55.857	51.79
0.315	45	55.823	36.34
0.43	45	55.868	27.79
0.545	45	55.885	23.43
0.66	45	55.905	19.91
0.775	45	55.891	17.61
0.89	45	55.872	15.49
1.005	45	55.860	19.22
1.12	45	55.852	22.11
1.235	45	55.846	22.65
1.35	45	55.870	21.83
1.465	45	55.871	15.51
1.58	45	55.856	13.25
1.695	45	55.827	13.27
1.81	45	55.800	14.70
1.925	45	55.774	15.13
2.04	45	55.750	14.45
2.155	45	55.730	13.39
2.27	45	55.711	12.61
2.385	45	55.694	12.25
2.5	45	55.679	12.01

S vs Q

Time scan timing_vscan_f45_l45_v2.5_t650_d130000_r1000deux_lun_80k

timing_vscan_f45_l45_v2.5_t650_d130000_r1000deux_lun_80k

V inj (V)	Channel		$\sigma$ T (ps)
0.2	45	55.972	43.07
0.315	45	55.899	27.32
0.43	45	55.923	21.86
0.545	45	55.925	18.52
0.66	45	55.937	15.75
0.775	45	55.914	13.87
0.89	45	55.890	12.71
1.005	45	55.871	11.90
1.12	45	55.861	11.38
1.235	45	55.853	11.01
1.35	45	55.876	11.07
1.465	45	55.874	10.98
1.58	45	55.859	10.88
1.695	45	55.829	11.21
1.81	45	55.802	12.68
1.925	45	55.775	13.21
2.04	45	55.751	12.37
2.155	45	55.730	11.51
2.27	45	55.712	11.07
2.385	45	55.695	10.95
2.5	45	55.680	10.83

S vs Q

Time scan timing_vscan_f45_l45_v2.5_t650_d130000_r1000trois_lun_240k

timing_vscan_f45_l45_v2.5_t650_d130000_r1000trois_lun_240k

V inj (V)	Channel		$\sigma$ T (ps)
0.2	45	55.980	42.64
0.315	45	55.904	27.01
0.43	45	55.924	21.78
0.545	45	55.927	18.49
0.66	45	55.937	15.78
0.775	45	55.914	13.95
0.89	45	55.890	12.81
1.005	45	55.872	11.99
1.12	45	55.861	11.43
1.235	45	55.854	11.16
1.35	45	55.876	11.27
1.465	45	55.875	11.20
1.58	45	55.860	11.05
1.695	45	55.831	11.45
1.81	45	55.802	13.16
1.925	45	55.775	13.47
2.04	45	55.752	12.70
2.155	45	55.731	11.86
2.27	45	55.713	11.38
2.385	45	55.696	11.28
2.5	45	55.681	11.10

S vs Q

Nouvelles mesures Fin Octobre 2025 avec la nouvelle carte d'alimentation

Carte numéro 2

La deuxieme carte a été montée avec seule l'entrée dig2 et le canal 48 connecté.

L'alimentation se fait désormais en 4 et 2 V à travers la carte de Christophe.

Piedestaux

Pour les peiedestaux on observe une grosse différence entre le picoTDC en mode coarse ou fine. On doit étudier ce qu'il se passe au niveaux des alimentations.

Mode coarse

Piedestaux mode coarse

Piédestal à 537

Mode fine

Piedestaux mode fine

Piédestal à 507 , 5-6 canaux non alignés

Calibrations

On injecte en 2 et 15 mV (0.2 à 0.5 V 40 dB) sur une Capa de 11 pF sur le canal 48. Le mode est coarse et on fait varier le rise time de 1 à 4 ns

$\tau$ =1ns

$Canal 48 \tau 1ns$

$\tau$ =1.5ns

$Canal 48 \tau 1.5ns$

$\tau$ =2ns

$Canal 48 \tau 2ns$

$\tau$ =4ns

$Canal 48 \tau 4ns$

Pour une coupure à 20 DAC au-dessus du piedestal on obtient une charge minimal:

$\tau$ (ns)	Slope (DAC/fC)	$Q_{min} (fC)$
1	1.302	15.4
1.5	1.031	19.4
2	0.775	25.8
4	0.341	58.7

Logbook des test de la carte PICMIC

La carte Liroc+PicoTdc

Historique

Software

Base de donnée

Procédures de piédestaux

Alignement

Calibration des TDCs

Résolution fine

Résolution grossière

Tests d'injection

Setup

Premiers tests avec injection sur une C=10 pF

Temps de montée 1ns, 50 mV

Temps de montée 1ns, 150 mV

Temps de montée 2ns, 50 mV

Temps de montée 2ns, 150 mV

Temps de montée 3ns, 50 mV

Temps de montée 3ns, 150 mV

Calibration

Temps de montée 1 ns

Temps de montée 2 ns

Remarques importantes

Résolution temporelle

Temps de montée \tau=1 ns, Charge injectée Q=60 fC

Temps de montée \tau=1 ns, Charge injectée Q=50 fC

Dépendance au seuil

\tau=1 ns

\tau=1.5 ns

\tau=2 ns

Dépendance en charge

Suppression de la gigue du déclenchement

Time scan timing_vscan_f45_l45_v2.5_t650_d130000_r1000un_lun

Time scan timing_vscan_f45_l45_v2.5_t650_d130000_r1000deux_lun_80k

Time scan timing_vscan_f45_l45_v2.5_t650_d130000_r1000trois_lun_240k

Nouvelles mesures Fin Octobre 2025 avec la nouvelle carte d'alimentation

Carte numéro 2

Piedestaux

Mode coarse

Mode fine

Calibrations

\tau=1ns

\tau=1.5ns

\tau=2ns

\tau=4ns

Temps de montée $\tau=1$ ns, Charge injectée Q=60 fC

Temps de montée $\tau=1$ ns, Charge injectée Q=50 fC

$\tau$ =1 ns

$\tau$ =1.5 ns

$\tau$ =2 ns

$\tau$ =1ns

$\tau$ =1.5ns

$\tau$ =2ns

$\tau$ =4ns