Гляненко Современная електронная елементная база в приборах 2012

менной интервал может быть закодирован лишь после того, как этот код будет считан, а счетчик сброшен на нуль. Таким образом, мертвое время ВЦП прямого кодирования непостоянно и зависит от спектра анализируемых событий (временных интервалов). Просчеты, обусловленные наличием мертвого времени, приводят не к искажениям исследуемых спектров, а лишь к потере части полезных событий.

Минимальная ширина канала ВЦП прямого кодирования определяется в основном быстродействием счетного устройства. В настоящее время существуют счетные устройства на частоту до 109 Гц и больше, однако широко используются ВЦП прямого кодирования с

генераторами на частотудо 108 Гц. Если число каналов ВЦП 102 – 103, то кодируемый временной интервал при частоте серии 108 Гц соста-

вит 10-6 – 10-5 с. Поэтому метод прямого кодирования обычно относят к методам измерения временных интервалов микросекундного диапазона.

Интегральная нелинейность ВЦП прямого кодирования определяется стабильностью периода используемого генератора опорной частоты. Для генераторов с кварцевым резонатором нестабильность частоты составляет 10-6—10-7, что при числе каналов 103—104 обеспечивает интегральную нелинейность не хуже 10-3. Генераторы ждущего типа имеют существенно большую нестабильность частоты, составляющую около 10-4, и интегральная нелинейность в 10-2 получается уже при числе каналов 102, что и объясняет использование таких генераторов в ВЦП лишь с небольшим числом каналов.

Дифференциальная нелинейность ВЦП прямого кодирования обусловлена нестабильностью разрешающего времени схем, задающих начало и конец серии тактовых импульсов. Эта нестабильность обычно имеет значение около 10-2. Кроме того, дифференциальная нелинейность обусловлена вариациями амплитуд крайних сигналов серии тактовых импульсов, которая проявляется в виде специфической неоднородности ширины четных и нечетных каналов. Влияние электромагнитных наводок, возникающих при переключении триггеров счетчика серии тактовых импульсов, может приводить к существенным различиям каждого четвертого и даже восьмого каналов ВЦП. Все эти эффекты приводят, в конечном счете, к значению дифференциальной нелинейности несколько процентов.

101

Нониусный метод

Нониусный метод применяется для кодирования малых интервалов времени (~10-8 с) с низкой абсолютной погрешностью. Ширина временного канала может достигать 10-10 с, что недоступно для метода прямого кодирования. К достоинствам нониусного метода относится то, что он не требует для реализации ни прецизионных устройств аналогового преобразования времени, ни повышенного быстродействия счетных устройств. Суть метода состоит в том, что масштабом, определяющим шаг временной шкалы (ширину канала), является не период генератора опорной частоты, а разность периодов двух генераторов, которая может быть сделана достаточно малой. Упрощенная структурная схема и временные диаграммы одного из вариантов ВЦП, использующего нониусный метод кодирования, приведены на рис. 2.3. ВЦП состоит из двух RS- триггеров Т1 и Т2, ждущих генераторов Г1 и Г2, вырабатывающих серии импульсов с периодами tГ и tГ -∆t соответственно, схемы совпадения & и счетчика Сч.

Рис. 2.3. Нониусный ВЦП: а) структурная схема; б) временные диаграммы работы

Сигнал “Старт” взводит триггер Т1 и запускает генератор Г1. При появлении сигнала “Стоп” взводится триггер Т2 и запускается генератор Г2, импульсы которого сосчитываются счетчиком Сч. Поскольку период генератора Г2 несколько меньше периода генератора Г1, с каждым периодом импульсы серий сближаются и в некоторый момент совпадают. При совпадении сигналов серий срабатывает схема совпадений &, разрешающее время которой должно быть равно ∆tГ/2, триггеры Т1 и Т2 сбрасываются в исходное со-

102

стояние и прекращают работу генераторов Г1 и Г2. На этом завершается кодирование временного интервала. Пусть временной интервал между сигналами “Старт” и “Стоп” равен t. Легко видеть,

что tГК-(tГ-∆tГ)К=t или t=∆tГК, где К — число, записанное в счетчике.

Ширина каналов ВЦП, работающего по нониусному методу, равна ∆tГ, интегральная нелинейность определяется стабильностью частот генераторов Г1 и Г2, а дифференциальная нелинейность — стабильностью разности частот, т. е. стабильностью ∆t. Допустимая нестабильность частоты генераторов может быть оценена на основе следующих рассуждений. Пусть относительная нестабильность периодов генераторов tГ и tГ-∆tГ равна δ, тогда абсолютная погрешность σt измерения временного интервала, определяемого как t=К[(tГ)-(tГ-∆tГ)], будет равна

σt=К√σ2(tГ)+σ2(tГ- tГ)=КtГδ√2.

В силу дискретности представления информации относительная погрешность δt измерения временного интервала t равна 1/К. По-

скольку t≤tГ, σt=t/К≤tГ/К. Откуда получаем: tГ/К≥КtГδ√2 или δ≤1/(К2√2). Видно, что с увеличением числа каналов ВЦП нониус-

ного типа требования к стабильности частот генераторов растут как квадрат числа каналов. Это обстоятельство определяет резкое ухудшение интегральной нелинейности при увеличении числа каналов ВЦП, и обычно при К≈102 эта нелинейность составляет около 10-2. Дифференциальная нелинейность ВЦП нониусного типа задается стабильностью разрешающего времени схем, выделяющих моменты запусков генераторов ВЦП и моменты совпадения сигналов этих генераторов, и имеет обычно значение около 10-1.

Время кодирования ВЦП нониусного типа, равное мертвому времени, составляет величину КtГ, где К – номер канала, соответствующий измеряемому интервалу времени, и существенно превышает измеряемый интервал. Просчеты в ВЦП нониусного типа оцениваются на основе тех же соображений, что и для ВЦП прямого кодирования одного интервала за рабочий цикл.

103

Методы кодирования с интерполяцией

При измерении сравнительно больших (10-6 с) интервалов времени с наносекундной точностью широкое применение находят методы кодирования временных интервалов с интерполяцией. Суть этих методов заключается в том, что сначала временной интервал измеряется методом прямого кодирования, а часть временного отрезка, составляющая долю периода, кодируется затем одним из методов измерения коротких интервалов времени. Основным достоинством методов кодирования с интерполяцией является высокая абсолютная точность измерения в широком динамическом диапазоне регистрируемых интервалов времени. Кроме того, использование интерполяционных методов при кодировании в относительно узком динамическом диапазоне позволяет существенно сократить время кодирования таких интервалов.

Существуют три основных метода кодирования с интерполяцией: ВЦП с нониусными интерполяторами; ВЦП с интерполяторами на основе преобразователей вре-

мя-время; ВЦП с хронотронными интерполяторами.

ВЦП с нониусными интерполяторами

Структурная схема и временные диаграммы работы такого ВЦП приведены на рис. 2.4.

Схема содержит два RS-триггера Т1 и Т2, два генератора Г1 и Г2, вырабатывающих серии импульсов с периодами tг и tг+ tг, две схемы совпадений &1 и &2 и два счетчика Сч1 и Сч2. С приходом сигнала “Старт” взводится триггер Т1 и начинает работать генератор Г1, импульсы которого сосчитываются счетчиком Сч1. В момент прихода сигнала “Стоп” взводится триггер Т2, запускается генератор Г2 и закрывается схема &1. При этом счетчик Сч1 останавливается, а счетчик Сч2 считает импульсы генератора Г2. В момент совпадения сигналов с генераторов Г1 и Г2 срабатывает схема &2, сбрасывая Т2 и Т1 и прекращая работу Г1 и Г2. Легко видеть, что если счетчики Сч1 и Сч2 сосчитали соответственно К1 и К2 импульсов, то кодируемый интервал времени t равен: t=tг(К1+1)- tгК2.

104

Рис. 2.4. ВЦП с нониусным интерполятором: а) структурная схема; б) временные диаграммы работы

Ждущие генераторы имеют худшие параметры, чем генераторы, работающие в непрерывном режиме, поэтому при повышенных требованиях к точности кодирования в качестве генераторов основной опорной частоты применяются генераторы, работающие в непрерывном режиме. В этом случае вместо нониусного метода для интерполяции временных интервалов между сигналом “Старт” и ближайшим к нему импульсом генератора опорной частоты и между сигналом “Стоп” и ближайшим к нему импульсом генератора применяется метод преобразования масштаба времени t—Т с последующим кодированием этих преобразованных интервалов импульсами того же генератора.

ВЦП с интерполяторами на основе преобразователей время-время

На рис. 2.5 приведены структурная схема и временные диаграммы ВЦП, в котором используются два интерполятора на основе преобразователей t—T. Для определенности будем считать, что коэффициент временной трансформации этих преобразователей равен 10 (в общем случае этот коэффициент может быть и другим, например 100). Состав и назначение функциональных элементов этой схемы аналогичны рассмотренным в предыдущих примерах. Сигнал “Старт” взводит триггер Т1. При этом импульсы генератора Г проходят через схему &3 и начинают считаться счетчиком Сч3. Триггер Т1 взводит Т3, который находится во взведенном состоянии до появления первого импульса генератора. Таким образом, Т3 задает начальный временной интервал, подлежащий интерполяци-

105

онному измерению, который схемой (t-T)1 удлиняется в 10 раз. Этот временной интервал кодируется счетчиком Сч1.

С приходом сигнала “Стоп” взводится триггер Т2, прекращается счет импульсов счетчиком Сч3, взводится триггер Т4, который сбрасывается в исходное состояние первым же пришедшим после этого импульсом генератора Г. Таким образом, Т4 задает конечный временной отрезок, подлежащий интерполяционному измерению. Этот отрезок удлиняется схемой (t - T)2, и код этого отрезка определяется счетчиком Сч2. Измеренный интервал времени t при этом равен

t=tг(10K3+K1–K2)/10, где tг – период генератора Г; K1, K2, K3 — число импульсов, сосчитанных счетчиками Сч1, Сч2, Сч3.

(t-T)1 &1 T4

(t-T)2 &2

б)

Рис. 2.5. ВЦП с двумя интерполяторами на основе преобразователей t–T: а) структурная схема; б) временные диаграммы работы

106

ВЦП с хронотронными интерполяторами

Структурная схема ВЦП с хронотронным интерполятором приведена на рис. 2.6.

Рис. 2.6. Структурная схема ВЦП с хронотронным интерполятором

Сигнал “Старт” взводит триггер Т1. Выходной импульс триггера поступает к рециркуляционному генератору Г, вырабатывающему серию, длительность которой равна измеряемому временному интервалу. Импульсы серии через линию задержки ЛЗ и схему пропускания &1 подаются к двоичному счетчику Сч. Сигнал “Стоп” сбрасывает триггер Т1, схема пропускания &1 закрывается, счетчик Сч останавливается и фиксирует в двоичном коде с точностью до периода генератора длительность измеряемого временного интервала. Интервал времени между последним импульсом серии и стоповым импульсом измеряется схемой хронотрона, состоящей из линии задержки, к выводам которой подключены схемы совпадений &2—&n. Электрическую длину линии задержки выбирают примерно равной периоду генератора импульсов, число отводов и схем совпадений зависит от требуемой ширины канала. Сигналы со схем совпадений подаются на логическое устройство ЛУ, в котором вырабатывается двоичный код номера последней из сработавших схем (обычно из-за ограничений по временному разрешению срабатывают несколько схем совпадений). Двоичный код измеряемого временного интервала сохраняется в двух регистрах Рег1 и

107

Рег2. Регистр Рег1 содержит старшие разряды (грубая оцифровка), а регистр Рег2 — младшие разряды (точная оцифровка).

Примечание. В конце прошлого века был предложен оригинальный цифровой способ измерения временных интервалов на основе линеек элементов задержки, охваченных петлей фазовой автоподстройки, формирующих сетку временных интервалов. Специально для эксперимента

ALICE (A Large Ion Collider Experiment) в ЦЕРН была разработана де-

монстрационная микросхема ВЦП с высоким разрешением (HRTDC). Этот ВЦП основывается на концепции матрицы цепочек управляемых элементов задержки, с помощью которых возможно достичь требуемого высокого разрешения при значительном динамическом диапазоне.

Использование внутренней распространяющейся задержки сигнала через типовую ячейку в устройстве под названием "линия задержки" является основной процедурой для получения хорошего временного разрешения. Задержки распространения порядка 100 пс достигаются в стандартных КМОП процессах. В такой схеме фронт опорного сигнала распространяется через линию задержки; при приходе Hit-сигнала информация с отводов линии задержки стробируется в регистр. Положение фронта опорного сигнала, распространяющегося вдоль линии задержки, и отражает измеряемое время.

К сожалению, задержка вентиля сильно зависит от параметров процесса, температуры и питающего напряжения, которые дают большую неопределенность во времени задержки линии, кроме того, требуется высокая стабильность опорной частоты. Динамический диапазон таких цепей ограничивается длиной линии задержки, а расширение этого диапазона, используя грубый синхронный счетчик и опорный сигнал, не так просто из-за трудности объединения этих двух измерений в когерентное значение.

Некоторые из ограничений простых неуправляемых линий задержки могут быть преодолены, если задержки их элементов непрерывно выверяются, используя стабильный опорный clockсигнал. Это может быть сделано, если линия задержки, управляемая напряжением (ЛЗУН), включается в замкнутую цепь управления, дающую в результате структуру, подобную цепочкам, которые управляют фазами, называемую цепочкой управляемых элементов задержки (ЦУЭЗ). Схема ЦУЭЗ приведена на рис. 2.7.

108

В ЦУЭЗ опорный clock-сигнал проходит через ЛЗУН, и фаза сигнала, приходящая на конец линии, сравнивается с фазой входящего сигнала. Если обнаруживается различие в фазах, то замкнутая цепочка будет пытаться скорректировать это различие путем изменения управляемого напряжения ЛЗУН. Измерение времени, сохраняемое при приходе Hit-сигнала, сопоставляется с опорным clock-сигналом и дает в результате измеряемую временную отметку. Старт-стопные измерения можно получить, если второй канал используется для сохранения стартового значения, которое затем вычитается из стопового измерения.

Такая структура, которая может быть легко интегрирована в сложную микросхему, обеспечивает достаточно хорошее временное разрешение и дает в результате самокалибрующуюся цепь, малочувствительную к окружающим изменениям.

Регистр

Рис. 2.7. Цепочка управляемых элементов задержки и Hit-регистры

Расширение динамического диапазона легко достигается введением счетчика синхронного к опорному clock-сигналу. Таким образом, измерения и ЦУЭЗ, и грубого счетчика получаются благодаря одному и тому же опорному сигналу, и расширение динамического диапазона измерений становится очевидным.

Для того чтобы исключить проблемы метастабильности, которые могут возникнуть, если Hit-триггер придет так близко к фронту clock-сигнала, что выходы счетчиков еще нестабильны, используются два счетчика, синхронные к противоположным фазам опорного clock-сигнала. В зависимости от относительной позиции пришедшего Hit-сигнала в периоде clock-сигнала результатами счета будут результаты того счетчика, который дальше от перехода (см. рис. 2.7).

109

Clock Счетчик 1 Счетчик 2

Рис. 2.8. Двойной грубый счетчик времени

Использование матрицы нескольких одинаковых сдвигающих ЦУЭЗ (рис. 2.8) может повысить временное разрешение до величины, которая является частью основной задержки вентиля. Проблема получения постоянного сдвига, меньшего, чем задержка вентиля, преодолевается использованием "фазосдвигающей" ЦУЭЗ, имеющей меньшее число задерживающих элементов, управляемых тем же самым опорным сигналом.

110