Экспериментальные методы ядерной физики (ЭМЯФ) / Лабы / lab_ATsP

. Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ"

Отчет по лабораторной работе №2 на тему:

Амплитудно-цифровой преобразователь

Выполнил: Студент группы Б21-105 Морозов М.А.

Преподаватель:

Москва 2025 г.

Цель: изучение одного из основных методов анализа амплитуд импульсов

– метода преобразования амплитуды импульса во временной интервал; знакомство с особенностями построения и работы амплитудных анализаторов.

1Методы амплитудного анализа

Измерение амплитуд импульсов в многоканальных амплитудных анализаторах с запоминающими устройствами: выделяется диапазон амплитуд, этот диапазон разбивается на конечное число равных по ширине участков (каналов). Каждому каналу отводится отдельная ячейка запоминающего устройства. Входные импульсы в соответствии с их амплитудными сортируются по каналам входным распределительным устройствам. Выбор нужного канала запоминающего устройства осуществляет триггерный счетчик. Его функции состоят в том, чтобы в соответствии с пришедшим адресом выбрать нужную ячейку памяти и подсоединить ее к арифметическому блоку – устройству, осуществляющему операцию прибавления единицы к числу, уже хранящемуся в ячейке памяти. Из сказанного выше ясно, что амплитуду того или иного импульса в абсолютных единицах (вольтах) можно рассчитать (с точностью до ширины канала) следующим образом:

где N – номер канала анализатора (или число импульсов кода), К – коэффициент преобразования амплитуды в код, Uмин – порог преобразования.

Наиболее широкое применение в амплитудных анализаторах получили АЦП с амплитудно-временным преобразованием. В таких АЦП амплитуда импульса предварительно преобразуется в пропорциональный ей временной интервал, длительность которого затем уже преобразуется в цифровой код. В качестве запоминающего устройства в амплитудных анализаторах используют энергонезависимые ЗУ на ферритовых сердечниках, либо современные полупроводниковые БИС ОЗУ различных типов.

Основными узлами любого амплитудного анализатора, использующего принцип амплитудно-временного преобразования, является: зарядно-разрядное

2

устройство, преобразующее амплитуду во временной интервал; генератор канальных импульсов, кодирующий временной интервал серией импульсов; адресное, арифметическое и запоминающее устройства. Кроме того, в состав амплитудного анализатора входят вспомогательные элементы, такие как, дискриминаторы верхнего и нижнего уровня, линейная схема пропускания (ЛСП) и схема управления этими элементами.

Принцип действия анализатора (рис. 1.) состоит в следующем. Импульс, амплитуда которого подлежит измерению, через вспомогательные элементы: линия задержки (ЛЗ), дифференциальный дискриминатор (ДД), управляемый дискриминаторами нижнего (ДНУ) и верхнего (ДВУ) уровней, линейную схему пропускания (ЛСП) (назначение этих элементов будет рассмотрено далее), - поступает на вход блока амплитудно-временного преобразователя (A → T ), где происходит преобразование измеряемой амплитуды в пропорциональный ей интервал времени.

Основным элементом A → T блока (рис.2.) является зарядно-разрядное устройство с конденсатором «памяти» Сп, работа которого поясняется временными диаграммами (рис. 3.).

3

Входной сигнал с помощью зарядного устройства заряжает конденсатор памяти до потенциала, равного амплитуде этого сигнала. После заряда конденсатора к нему автоматически подключается разрядный генератор постоянного тока, осуществляющий линейный разряд конденсатора Сп до исходного потенциала. Время разряда пропорционально амплитуде входного сигнала. Следящее пороговое устройство фиксирует момент начала и окончания разряда конденсатора Сп, вырабатывая прямоугольный импульс напряжения, длительность которого равна времени линейного разряда. Этот импульс используется для запуска генератора канальных импульсов (ГКИ), вырабатывающего серию импульсов (код), число которых пропорционально длительности импульса, а стало быть, и амплитуде входного сигнала. Поступившие во время преобразования импульсы могут привести к дозаряду Cп и тем

4

нарушить нормальную работу устройств. Для устранения этих явлений на входе анализатора включают ЛСП, при помощи которой вход блокируется на все время амплитудно-цифрового преобразования и обращения в памяти регистратора. Дискриминатор нижнего уровня запрещает регистрацию импульсов, амплитуда которых меньше некоторой заданной, а дискриминатор верхнего уровня запрещает регистрацию импульсов с амплитудой больше заданной.

5

Задание 1

Функциональная схема "простейщего"АЦП:

Найдены значения номеров канала от амплитуды импульса для различной длительности импульса.

Табл.1 Значения номеров канала от амплитуды импульса для τ = 20 мкс

Табл.2 Значения номеров канала от амплитуды импульса для τ = 1 мкс

Табл.3 Значения номеров канала от амплитуды импульса для τ = 0, 4 мкс

Для каждого значения длительности импульса построены зависимости номера канала от амплитуды импульса, найдены коэффициенты преобразования амплитуды в код.

6

Рис. 1: Зависимости номера канала от амплитуды импульса

Коэффициенты преобразования амплитуды в код:

Из графика зависимости номера канала от амплитуды импульса видно, что при τ = 0, 4 мкс зависимость сильно отклоняется от линейной, поэтому, можно сказать, что при τ = 0, 4 мкс преобразование амплитуды в код происходит неккоректно. При других длительностях импульса графики зависимости имеют линейный характер.

Построена зависимость коэффициента преобразования амплитуды в код от длительности импульса.

7

Рис. 2: Зависимость коэффициента преобразования от длительности импульса

Из графика зависимости коэффициента преобразования от длительности импульса можно сделать вывод, что при увеличении длительности импульса кэоффициент преобразованияя уменьшается.

Исследована правильность работы АЦП при увеличении частоты следования анализируемых импульсов. Определена максимально допустимая частота следования импульсов, при которой в работе анализатора не происходит сбоев.

ν = 8700 Гц

При увеличении частоты следования анализируемых импульсов, увеличивается количество импульсов, которые попадают на вход анализатора, когда еще не закончено измерение амплитуды предыдущего импульса, вследствие чего анализатор работает некорректно.

8

Задание 2

Функциональная схема АЦП с блокировкой:

Найдены значения номеров канала от амплитуды импульса для АЦП с блокировкой.

Табл.4 Значения номеров канала от амплитуды импульса для АЦП с блокировкой

Для сравнения работы АЦП с блокировкой и АЦП без блокировки построены графики зависимости номера канала от амплитуды импульса, найдены коэффициенты преобразования амплитуды в код.

9

Рис. 3: Зависимость номера канала от амплитуды импульса

АЦП без блокировки:

K = (7, 435 ± 0, 002) · 10−3 В

кан

АЦП с блокировкой:

K = (7, 63 ± 0, 04) · 10−3 В

кан

Исследована правильность работы АЦП с блокировкой при увеличении частоты следования анализируемых импульсов. При любой частоте следования АЦП работает правильно.

Определено значение мертвого времени:

τмертв = (8 ± 4) мкс

10