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

Параметр

CAEN C414

LeCroy2228A

KA-215M

Число каналов

8

8

4

Разрядность

12

11

11

Диапазон, нс

100

100

170

Разрешение, пс

25

50

90

Интегральная нелинейность, %

0.04

0.13

0.02

Дифференциальная нелинейность, %

1.5

10

1

Рабочий диапазон, % шкалы

95

100

100

время преобразования, мкс

26

100

28

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.