Экспериментальные методы ядерной физики (ЭМЯФ) / Деменков

ности Т. При наличии «резанных» импульсов в пачке про исходит масштабный по величине рост (в 2–3 раза, а иног да и более) цифровой составляющей дифференциальной нелинейности всего АЦП типа А–Т–С. Введение в состав преобразователя Т–N устройства СФ в существенной мере уменьшает вклад этого негативного аспекта в величину ДНЛ измерителя типа А–Т–С.

В свое время схемы фазировки создавались на базе схем совпадений и антисовпадений с использованием элемен тов задержки. Основой современных СФ служат триггеры D типа. Используют обычно 2–3 последовательно вклю ченных триггера D типа. Если триггеров больше одного, то такие структуры называют многокаскадными схемами фазировки. На вход С триггера поступают сигналы от ГТС, а на вход D — длительность измеряемого интервала.

Использование в структуре преобразования Т–N двоич ного счетчика (Ст2), выполняющего функцию делителя частоты, и управляемого мультиплексора МХ позволяет изменять ширину канала АЦП в достаточно широких пре делах. Диапазон ее изменения определяется «длиной» Ст2 и числом входов схемы МХ. Минимальное значение ши рины канала будет получено, если на выход схемы МХ непосредственно передаются сигналы ГТС. Впрочем, ши рину канала АЦП можно изменять, варьируя величину тока разряда конденсатора в схеме ЗРУ каскада преобра зования А–Т.

Выходной формирователь (Ф) независимо от выбран ного коэффициента деления выделяет сигналы одинако вой длительности. Они передаются в виде серии импуль сов на адресный счетчик АЦП (см. рис. 46), с триггеров которого получают цифровую информацию об амплитуде поступившего сигнала в виде двоичного кода. Итак, вре мя преобразования типа А–Т–С будет равно

Tпр = tотб + M T0,

где tотб — время отбора сигнала на входе АЦП; М — число каналов; Т0 — период следования импульсов ГТС.

10.7. АНАЛОГО ЦИФРОВОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ

МЕТОДОМ ПОРАЗРЯДНОГО ВЗВЕШИВАНИЯ

Бурное развитие и значительные успехи интегральных технологий способствовали развитию нелинейных мето дов кодирования. Один из них, известный как метод дво ичного взвешивания, получил наибольшее признание (еще его называют метод последовательного приближения, по разрядного уравновешивания, последовательной аппрок симации и т. д.). Главная особенность — разнообразие ва риантов названия, основное преимущество — сокращение времени преобразования (более чем на порядок) по срав нению с линейным методом кодирования типа А–Т–С.

Идея метода поразрядного взвешивания состоит в срав нении амплитуды входного сигнала А с набором эталонов напряжения Uэ, взвешенных по двоичному закону. Такой характер распределения эталонных напряжений обеспе чивается специальными схемами: ЦАП и РПП (цифро аналоговый преобразователь и регистр последовательно го приближения). Результат сравнения оценивается дву мя значениями: либо «0», либо «1». Единичное значение, если А > Uэ. Если А < Uэ, результату сравнения придается нулевое значение. Рассмотрим функционирование АЦП такого типа на схеме, представленной на рисунке 49.

Амплитуда поступившего сигнала А фиксируется уст ройством выборки и хранения (УВХ) и подается на ком паратор (К). По сигналу ЗАПУСК все регистры АЦП уста навливаются в нулевое состояние и устройство управления (УУ) начинает измерительный цикл. Триггер старшего разряда схемы регистра последовательного приближения устанавливается в единицу, чтобы с помощью ЦАП полу чить первый эталон сравнения Uэ для схемы К. Его вели чина равна Uэ = U0/2.

На выходе схемы К появляется результат сравнения в виде сигнала. Если А > Uэ, то это будет 1, которая фикси руется в старшем разряде РПП, завершая первый такт из мерения. Схема УУ генерирует следующий такт цикла измерения, сдвигая 1 в предыдущий разряд РПП и вновь записывая в старший его разряд 1. Эталон сравнения, рав

Рис. 49

Схема АЦП поразрядного взвешивания:

ИОН — источник опорного напряжения; К — компаратор; РП — регистр памяти; РПП — регистр последовательного приближения; УВХ — устройство выборки и хранения; УУ — устройство управления; ЦАП — цифроаналоговый преобразова тель.

ный Uэ1 2 U0 /2 3 U0 /4, поступает на схему К, где сравни вается с амплитудой входного сигнала А.

При A 1 Uэ* в старшем разряде РПП будет записан 0 и схема УУ перейдет к генерации последующего такта из мерения. В РПП осуществляется сдвиг на один разряд, а

в старший его разряд вновь заносят 1. При этом получа ют эталон сравнения величиной уже Uэ** 1 U0 /2 2U0 /8. В третьем такте измерения опять получим 1, так как A 1 Uэ** и процесс измерения будет продолжен. Ряд тактов изме рения дан в правой части рисунка 49. Их окончание свя зано с сигналом ПЕРЕПОЛНЕНИЕ схемы РПП. Поступая на устройство управления УУ, он прерывает генерацию тактов. Результат измерения из РПП переносится в ре гистр памяти (РП) и восстанавливается исходное состоя ние схемы УВХ.

Длительность такта измерения зависит от быстродей ствия схем, входящих в состав компаратора К и РПП, и может изменяться от десятых долей до нескольких мик росекунд. Разрядность РПП, а это интегральная микро схема (ИМС) 155ИР17, равна 12. Ее можно увеличить, включая несколько таких схем последовательно. Исполь зуя лишь одну ИМС, получают 12 разрядный АЦП на 4096 каналов. Время преобразования Тпр в АЦП данного вида будет постоянно и равно

Тпр = t0 + ntт,

где t0 — время срабатывания схемы УВХ; tт — длитель ность такта; n — число тактов. Это время обычно не пре вышает 3–5 мкс, что существенно меньше, чем в АЦП типа

А–Т–С.

Основным недостатком метода поразрядного взвеши вания считается существенная неравномерность ширины каналов, т. е. большая дифференциальная нелинейность, доходящая до 50%. Без специальной техники разравни вания ширины канала такой АЦП для измерений в ядер ной физике использовать невозможно. Благодаря техни ке разравнивания ДНЛ можно снизить до 1% (и менее), позволяя использовать эти АЦП в спектрометрии.

10.8. НЕПОСРЕДСТВЕННОЕ АНАЛОГО ЦИФРОВОЕ

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ В ФОРМЕ ПРЯМОГО КОДИРОВАНИЯ

Масштабные достижения и внушительный прогресс, достигнутые в сфере интегральных технологий, способ ствовали развитию электронных средств на основе метода непосредственного аналого цифрового (А Ц) преобразова ния. Ключевые положения этого метода были высказаны еще в середине XX в., но требуемый объем электронной техники лишь подчеркивал невозможность практической его реализации на существующей элементной базе. Этот метод, самый быстродействующий из всех известных спо собов и структур А Ц преобразования, так и оставался не востребованным до 1980 х гг.

Развитие и совершенствование ряда интегральных тех нологий способствовало появлению АЦП прямого коди рования. Их основу составляют компараторы, число ко торых (равное уровням квантования) устанавливается по двоичному закону. Первые АЦП такого вида имели 5–7 двоичных разрядов, что требовало наличия в них 32–128 компараторов. Частота кодирования аналоговой инфор мации достигала почти 100 МГц. В начале XXI в. этот па раметр составлял уже гигагерцы.

шифратора (CD) модифицирует этот код в двоичный, ко торый фиксируется в регистре (RG). Основные этапы этих процессов отражены в правой части рисунка 50.

Устройство управления (УУ), а также схемы CD и RG образуют логическую или цифровую части АЦП прямого кодирования. По сигналу ЗАПУСК схема УУ инициирует измерительный процесс. Запускается схема УВХ, которая запоминает амплитуду входного сигнала А и передает ее на входы компараторов. На их выходах появляется пози ционный код, значение которого будет определяться амп литудой поступившего сигнала.

Схема CD переводит его в двоичный эквивалент, кото рый с помощью сигнала ЗАПИСЬ фиксируется в RG. По сигналу ОПРОС выделяемый схемой УУ код RG передает ся в «быструю» память системы накопления и сбора дан ных. Высокая частота получения кодовой информации (более 1 ГГц) позволяет практически полностью оцифро вать сигнал, поступивший на вход АЦП такого вида. При этом возрастает как объем, так и качество получаемой из мерительной информации. Их широко применяют в ис следованиях быстропротекающих (нередко однократных) процессов во многих областях науки и техники.

10.9. АНАЛОГОВЫЕ ПРОЦЕССОРЫ —

СОСТАВНАЯ ЧАСТЬ ПРЕЦИЗИОННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

Ориентация на модульный принцип организации из мерительных трактов спектрометров стала одной из ха рактерных тенденций в 1960–1970 е гг. Широкое распро странение получили стандарты NIM (Nuclear Instrument Module) и CAMAC (Computer Application to Measurement and Control), разработанные для построения измеритель ных средств ядерной электроники. Модульный принцип, заложенный в их основу, открывал широкие перспекти вы в создании на их базе различных автоматизированных систем сбора и обработки данных.

Магистрально модульный принцип организации таких систем обусловил необходимость разделения электронной техники измерительных трактов на отдельные функцио нально законченные измерительные модули. В состав этой техники входят предусилители, спектрометрические уси лители, инспекторы наложений, режекторы таких собы тий, линейные схемы пропускания, расширители импуль сов и т. д. Одним из главных критериев, которому должны удовлетворять все эти устройства, стала их индифферент ность к виду детектора, т. е. они обеспечивают высокий уровень параметров независимо от детектора.

Хотя разработчики стремились реализовать эти идеи, но в этой благородной цели явно просматриваются проти воречия в виде параллелизма, возобновления и повторе ния решений. Явно прослеживается тенденция дублиро вания в их составе целого ряда обязательных частей. Дей ствительно, в каждом из таких устройств необходимы буферные каскады, которые включены как на входе, так и на их выходе. Они предназначены для оптимального со гласования их импедансов, т. е. сопротивлений.

Более того, наличие таких каскадов (которые просто необходимы) ведет к росту шумовых составляющих изме рительного тракта, а значит, к ухудшению его разреше ния. Характерно, что данный параметр тракта зависит как от места включения этих устройств в его структуре, так и их взаимного расположения в составе тракта. Более того, возникла проблема их синхронной работы, которая воз растала с повышением сложности измерительных систем. Изменение экспериментальных задач достаточно тесно увязано с необходимостью корректировки состава трак та, что еще больше усугубляет эти проблемы.

С появлением новых детекторов, особенно их полупро водниковых видов, впервые возникла ситуация, когда па раметры измерительного тракта стали существенно огра ничивать возможности новых детекторов. Тем самым была нарушена, если так можно выразиться, важнейшая тради ция измерений в ядерной физике. Ее основополагающим критерием всегда был и остается тот факт, что параметры электронных средств, входящих в состав измерительного

тракта, в несколько раз превышают возможности детек торных устройств, что, естественно, гарантирует высокий уровень экспериментальных исследований.

В связи с этим была проведена корректировка концеп ции организации тракта для прецизионных измерений, т. е. измерений с высоким разрешением. Ревизии подверг ли концепцию оптимальной декомпозиции средств элект ронной техники в составе измерительного тракта, которая обуславливалась магистрально модульными принципами организации измерительных систем. Создание аналоговых процессоров стало эффективным инструментом в решении этих проблем.

Процессоры должны обеспечить прежде всего высокое разрешение и стабильность измерений, что связывалось с определенной совокупностью их свойств:

1)конструктивное единство с высоким уровнем объе динения критериев оптимального формирования;

2)функциональная полнота при минимальной струк турной избыточности;

3)централизованное управление параметрами с ло кальным совмещением оперативной их модификации;

4)оптимальное распределение функций между отдель ными элементами структуры при совмещении их в ряде

еечастей;

5)наличие дополнительных специальных структур, включая схемы контроля параметров тракта.

Например, в ряде процессорных структур ввели этап преобразования А–Т («амплитуда — время»), были реали зованы функции стабилизации тракта, т. е. его порога и коэффициента преобразования. Внедрение таких техниче ских решений в состав аналоговых процессоров и их ис пользование стало практикой прецизионных измерений при амплитудном анализе.

Интересно провести сравнение аналоговых процессо ров, ориентированных на промышленную электронику, с процессорами ядерной электроники. В составе последних четко прослеживается основная цель их применения — высокое разрешение измерительного тракта, но их струк тура и состав почти никак не регламентированы. Анало

говые процессоры промышленной электроники общие по назначению и с весьма четкой структурой. Их основа — цифровой процессор, функционирующий по заданной про грамме. Это позволяет оперативно, меняя программу, из менять функции, выполняемые промышленными анало говыми процессорами.

Эти процессоры являются особым классом устройств, которые осуществляют целенаправленное по виду анало го цифровое преобразование входных сигналов. Затем они обрабатываются в цифровом виде по установленной про грамме с дальнейшим цифроаналоговым преобразованием, когда результаты выдаются в аналоговой форме. Такие процессоры стали составной частью автономных контрол леров, локальных автоматических регуляторов, следящих систем, фильтров, интерполяторов и т. д.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Что можно сказать о роли амплитудного анализа в экспери ментальной физике?

2.Почему возникла необходимость ввода средств вычислитель ной техники в экспериментальные исследования?

3.Основные компоненты и функция главного канала измеритель ного тракта.

4.Измерительный тракт, структура и функции счетного канала в его составе.

5.Какова цель градуировки амплитудного измерительного трак та и средства ее осуществления?

6.Разрядность АЦП и ее влияние на параметры измерительного тракта.

7.Что такое разрешение измерительного тракта и как оно опре деляется?

8.Интегральная и дифференциальная нелинейности измеритель ного тракта и типовые их значения.

9.АЦП типа А–Т–С: назначение, функциональный состав и его основные компоненты.

10.АЦП прямого кодирования, его реализация, главные достоин ства и недостатки.

11.Сравните аналого цифровые преобразования типа А–Т–С и поразрядного взвешивания, назовите их достоинства и недо статки.

Г Л А В А 11

БАЗОВЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ВО ВРЕМЕННОМ АНАЛИЗЕ

И ЕГО ЭЛЕКТРОННЫЕ СРЕДСТВА

Для решения широкого круга экспериментальных за дач ядерной физики наряду с амплитудным анализом мас штабно применяется временной анализ. Его основу состав ляют разнообразные методики измерений распределения длительностей временных интервалов. Временные и вре мяпролетные методики в силу их универсальности и от носительно простой реализации, но при достаточно высо кой точности измерений получили признание во многих областях науки и техники.

11.1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ВРЕМЕННОГО АНАЛИЗА

Для временного анализа характерен ряд обстоятельств, среди которых прежде всего отметим факт, что аналого вая информация содержится не только в амплитуде сиг нала или его форме, но и в моменте времени его появле ния. В таком случае рассматриваемый параметр естествен но будет связан с физической величиной, которая имеет размерность времени. Это может быть время жизни позит рона, составного ядра, возбужденного состояния и т. п. Кроме того, такая информация может быть еще увязана с энергией, скоростью, временем пролета заданного расстоя ния и т. д.