Время-цифровой преобразователь

В экспериментальной физике часто стоит задача измерения спектра какой-либо величины. Результаты таких измерений необходимо представлять в цифровом виде для проведения их математической обработки. Поэтому в состав спекрометрических стендов входят преобразователи различных величин в цифровой код. Поскольку общим для всех таких преобразователей является то, что они преобразуют непрерывно изменяющуюся величину в дискретный код, все такие приборы являются аналого-цифровыми преобразователями (АЦП). Для спектрометрических измерений очень важно, чтобы каждому цифровому коду соответствовал равный диапазон значений измеряемой величины. Разброс этих диапазонов характеризуется дифференциальной нелинейностью АЦП, которая определяется как :

,

где ,- действительное и среднее значение ступени квантования. Для АЦП нормируется максимальное значение дифференциальной нелинейности (во всём диапазоне преобразования).

Одним из типов АЦП, часто применяемых при спектрометрических измерениях, является время-цифровой преобразователь (ВЦП). Для временных измерений, проводимых с современными детектирующими устройствами (сцинтилляторы, микростриповые детекторы, проволочные камеры и т.п.), требуются ВЦП со следующими характерными параметрами :

• измеряемый временной интервал 20 нс - 10 мкс;

• цена канала 25 пс - 5 нс;

• разрядность 10 - 12 бит.

ВЦП в стандарте "CАМАC", произведённые в ИЯФ, были разработаны в 80-х годах. Их временное разрешение около 1 нс, а цена канала не менее 0.5 нс. Таким образом, они не отвечают современным требованиям, возросшим в связи с усовершенствованием физических устройств. Коммерчески доступные ВЦП, выпускаемые зарубежными фирмами (LeCroy, CAEN, ORTEC),перекрывают требуемый диапазон параметров. Но их цена этих приборов порядка $ 2000, что делает их труднодоступными для нас. В связи с этим возникла потребность в разработке прибора, который обеспечивал бы качественное измерение коротких временных интервалов с малой ценой канала. Целью моей дипломной работы и была разработка такого прибора.

1. Выбор метода преобразования и стандарта.

1.1 Существующие типы ВЦП.

В зависимости от используемого метода измерения временных интервалов ВЦП бывают следующих основных типов [1] :

1. ВЦП прямого счёта. Их метод измерения состоит в подсчёте числа тактовых импульсов генератора в течение измеряемого промежутка времени с помощью счётчика. При этом цена канала равна периоду импульсов тактового генератора. Современные счетчики могут работать на частотах порядка 300 МГц. Соответствен, минимальная цена канала ВЦП, достижимая с помощью метода прямого счёта, может быть около 3 нс.

2. ВЦП нониусного типа. Измерение интервалов времени производится по методу верньерной интерполяции (нониусный метод). Используются три опорных генератора : главный эталонный генератор, работающий непрерывно с периодом Т0 ; и два дополнительных генератора с периодом (1+1/n)Т0 . Один из дополнительных генераторов запускается в начале измеряемого интервала, а второй - в конце. Быстродействующая схема следит за тем, когда произойдёт совпадение фазы каждого из дополнительных генераторов с фазой эталонного генератора. Подсчитываются числа импульсов основного и дополнительных генераторов, которые проходят до моментов совпадения фаз. Эти числа используются для вычисления величины измеряемого временного интервала, которая определяется с точностью до (1/n)Т0 . Метод верньерной интерполяции при использовании современной элементной базы может обеспечить минимальную цену канала примерно 0.25 нс. [2]

3. ВЦП “Уилкинсоновского” типа. Метод измерения (Уилкинсона) состоит в том, что длительность измеряемого интервала “растягивается” в определённое число раз с помощью заряда и последующего разряда конденсатора. Коэффициент растяжения равен отношению зарядного тока к разрядному. “Растянутый” интервал оцифровывается, как правило, прямым счётом. Метод Уилкинсона в сочетании с оцифровкой прямым счётом позволяет получить минимальную цену канала порядка десятков пикосекунд.

1.2 Обоснование выбора метода Уилкинсона.

ВЦП, в которых преобразование производится методом Уилкинсона, по ряду параметров превосходят приборы, построенных по первому или второму методам. Характерные значения параметров ВЦП, имеющих цену канала менее 100 пс, приведены в Табл.1 [3].

Таблица 1

Наиболее важным преимуществом Уилкинсоновского метода для спектрометрических ВЦП является то, что этот метод позволяет достигать наименьшей дифференциальной нелинейности при малой цене канала и 10..12 - разрядной шкале. Поскольку проектируемый ВЦП должен иметь цену канала не более 50 пс и малую дифференциальную нелинейность, решено было применить уилкинсоновский метод преобразования.

1.3 Обоснование выбора стандарта.

ВЦП предназначен для работы в составе спектрометрических стендов.В ИЯФ такие стенды чаще всего собираются для конкретных работ на ограниченное время. Поэтому стенды представляют собой набор блоков различного назначения, выполненных согласно одному стандарту и размещённых в стандартном крейте. В настоящее время в мире существует несколько стандартов, регламентирующих конструкцию блоков и протокол обмена информацией между блоками стенда и компьютером (“VME” (“VXI”), “CAMAC”, “FastBus”). В настоящее время в ИЯФ наиболее распространённым стандартом такого рода является стандарт “CAMAC”. Этот стандарт наиболее широко поддерживается аппаратно и программно. Поэтому решено было делать ВЦП именно в стандарте “CAMAC”.

1.4 Технические требования.

Итак, базовые технические требования, принятые при проектировании данного ВЦП, следующие :

• Основное назначение - спектрометрический ВЦП;

• Разрядность - 12 бит ;

• Цена канала - не более 50 пс.

• Стабильность коэффициента преобразования - не хуже 0.05%

• Дифференциальная нелинейность - не более 5% е.м.р.

• Метод преобразования - Уилкинсоновский

• Возможность измерять интервалы времени между сигналами произвольной полярности, а также длительность импульсов и период следования импульсов.

• Конструктив и интерфейс - по стандарту “CAMAC”.

2. Функциональная схема прибора.

2.1 Описание работы ВЦП по функциональной схеме.

Функциональная схема предлагаемого ВЦП приведена на рис.1 .

Прибор включает в себя :

• входное устройство, позволяющее выбирать интересующий нас режим работы по входным сигналам

• усилительное звено с нелинейной обратной связью, выполняющее функции прецизионного компаратора

• генератор импульсов ( 200МГц )

• 12-ти разрядный счётчик

• “CAMAC”-интерфейс.

ВЦП работает следующим образом. После предыдущего цикла измерения (или после команды сброса) ВЦП находится в состоянии готовности к приёму сигналов. При этом зарядный ключ "выключен", т.е. зарядный ток IСпротекает через правый (по схеме) транзистор ключа и, соответственно, не поступает на запоминающую ёмкость C. Ток I2 равен половине I1 . Дополнительный ток, равный разности (I1-I2),отбирается цепью ООС. Таким образом, заряд запоминающей ёмкости С не меняется, и напряжение на входе усилителя устанавливается соответственно условию равновесия в петле ООС. Усилитель находится в состоянии готовности к переключению. На выходе компаратора низкий логический уровень.

Рис.1Функциональная схема ВЦП.

Входная схема может быть запрограммирована так, что стартовым моментом может считаться поступление положительного или отрицательного фронта на любой из двух входов ВЦП. Это позволяет измерять временные интервалы между импульсами произвольной полярности, а также длительность и период следования импульсов, поступающих на вход прибора. По приходу "стартового" фронта формирователь "ворот" (Gate Former)выдаёт сигнал "ворота", который действует в течение измеряемого интервала, и заканчивается по приходу “стопового” фронта. Этот сигнал переключает зарядный ключ, а также через небольшую задержку синхронизирует генератор импульсов. По окончании "ворот" зарядный ключ переключается в начальное состояние.

При переключении зарядного ключа ток IС начинает заряжать запоминающую ёмкость C. При этом компаратор, построенный на основе усилителя с нелинейной обратной связью, переключается из лог.0 в лог.1 . После отключения зарядного тока запоминающая ёмкость медленно разряжается разностью токов (I1-I2). До окончания её разряда компаратор находится в состоянии лог.1 . Этот сигнал разрешает счёт тактовых импульсов счётчиком. При переключении компаратора из лог.1 в лог.0 счёт импульсов прекращается, и управляющая схема переводит блок в режим ожидания считывания (или команды сброса). Приём новых сигналов запрещается, выставляется сигнал LAM, и содержимое счётчика может быть считано по шине “CAMAC”.

2.2 Особенности узла растяжки временного интервала.

Определяющую роль в обеспечении проектных параметров ВЦП играет схема растяжки времени (стретчер). В данном ВЦП этот узел имеет две существенные особенности :

1. Отсутствует ключ разрядки запоминающей ёмкости, поэтому разрядный ток, равный разности токов (I1-I2), протекает всегда.Поскольку этот ток постоянен и во много раз меньше зарядного тока, на процесс заряда запоминающей ёмкости это не влияет. При отключении зарядного тока сразу же начинается разряд ёмкости. Он продолжается до момента переключения компаратора из состояния лог.1 в состояние лог.0, после чего разрядный ток компенсируется током, отбираемым цепью ООС. Поскольку разряд ёмкости и, соответственно, момент переключения компаратора в лог.0 оказываются привязанными по времени только к окончанию измеряемого временного интервала, фазу колебаний задающего генератора необходимо привязать к началу этого интервала. При стабильности частоты генератора порядка 10-4, такое решение позволит достичь меньшей погрешности измерения.

2. Вместо прецизионного компаратора используется усилитель с нелинейной обратной связью в сочетании с простейшим компаратором. Это сделано из следующих соображений. В нашем случае для построения стретчера по "стандартной" схеме потребовался бы компаратор с малым дрейфом (меньше 0.5 мВ в диапазоне температур), с малым входным током, с малой задержкой и временем переключения (переключение в уровнях ЭСЛ не больше чем за 10 нс, со стабильной (что очень важно) задержкой при величине перепада входных уровней ~0.5 мВ ). Интегральных компараторов, которые можно было бы применить без предварительных испытаний, не выпускается ( AD, Maxim , Harris ).

Вышеуказанные особенности повлияли на устройство всего узла стретчера в целом. Функциональная схема предлагаемого стретчера приведена на рис.2 . Временные диаграммы работы стретчера в процессе измерения показаны на рис.3 .

В режиме покоя зарядный ключ "выключен", т.е. зарядный ток IСпротекает через транзистор VT1 и, соответственно, не поступает на запоминающую ёмкость C. Ток I2 равен половине I1 . Дополнительный ток, равный разности (I1-I2),отбирается через диод VD2. Диод VD1при этом заперт, т.к. напряжение его катоде равно Uref2 , которое

Рис.3 Временные диаграммы работы стретчера.

Рис.2 Функциональная схема стретчера.

устанавливается выше, чем напряжение на выходе усилителя в этом режиме. Таким образом, в режиме покоя образуется петля ООС, состоящая из диода VD2 и канала полевого транзистора VT3. Поэтому заряд запоминающей ёмкости С не меняется, и напряжение на входе усилителя устанавливается соответственно условию равновесия в петле ООС. Усилитель находится в состоянии готовности к переключению. На выходе компаратора низкий логический уровень.

При включении зарядного ключа напряжение на входе усилителя начинает резко уменьшаться, что вызывает возрастание выходного напряжения. Диод VD2 запирается, и выходное напряжение растёт с предельной скоростью нарастания (участок 1 на временной диаграмме выходного напряжения) до тех пор, пока оно через диод VD1 не поступит на нижнюю (по схеме) обкладку запоминающего конденсатора. При этом компаратор переключается в состояние лог.1 . После того, как диод VD1 открывается, образуется петля ООС, состоящая из VD1 и C. С этого момента до окончания измерения, когда разряд запоминающей ёмкости и связанное с ним уменьшение выходного напряжения усилителя вызовут запирание VD1, выходное напряжение усилителя изменяется со скоростью, определяемой суммой токов, поступающих на запоминающую ёмкость, и величиной этой ёмкости (участки 2 и 3 временной диаграммы).

После запирания VD1 до отпирания VD2 скорость убывания выходного напряжения определяется в основном скоростью разряда запоминающей ёмкости и коэффициентом усиления усилительного звена :

Примерно в середине этого промежутка времени (участок 4временной диаграммы) происходит переключение компаратора из лог.1 в лог.0 . Напряжение на выходе усилителя перестаёт уменьшаться, когда ток, отбираемый через открывшийся диод VD2, скомпенсирует разрядный ток. Таким образом схема возвращается в первоначальное состояние

2.3 Зарядный ключ.

Рис.4 Упрощенная схема зарядного ключа.

Транзисторный ключ, применяемый для коммутации тока заряда IC , вносит различные погрешности в результаты измерений [4]. Одним из источников погрешности является температурный дрейф тока базы транзистора VT2. Простая оценка величины погрешности, вносимой дрейфом базового тока, может быть сделана следующим образом. В данной схеме стретчера зарядный ток IC =20мА коммутируется ключом на двух транзисторах КТ399 (рис.4), у которых типовой коэффициент передачи тока при токе коллектора 20мА может меняться в пределах b»(60