Экспериментальные методы ядерной физики (ЭМЯФ) / Деменков

Рис. 74

Структурная схема генератора белого спектра:

БК — буферный каскад; ГЛИН — генератор линейно изменяющегося напряже ния; ГСТ — генератор стабильного тока; ДВУ — дискриминатор верхнего уровня; ДНУ — дискриминатор нижнего уровня; ЗГ — задающий генератор; ЛСП — ли нейная схема пропускания; ОДН — одновибратор; ОУ — операционный усили тель; Тр — триггер; УИ — управляемый интегратор; С — конденсатор; S — пере ключатель; Uову — опорное напряжение верхнего уровня; Uону — опорное напря жение нижнего уровня.

мы УИ. Сигнал с БК подается на схемы дискриминаторов верхнего и нижнего уровней (ДВУ) и (ДНУ) соответствен но. Отслеживая превышение пилообразным напряжени ем этих уровней, выходные сигналы дискриминаторов вся кий раз меняют состояние RS триггера. Его уровни, уп равляя переключателями S1 и S2, меняют направление интегрирования емкости С.

Заряд и разряд этого конденсатора от разнополярных генераторов стабильного тока, т. е. схем ГСТ1 и ГСТ2, яв ляется выходным пилообразным напряжением ГЛИН. Схема ОДН, которая управляет ЛСП, может запускаться внешними сигналами. Применение аттенюаторов создает условия для введения сигналов ГБС практически в любую структуру амплитудного спектрометрического тракта. Это позволяет оценить параметры того или иного его участка, связанного с одним из видов обработки сигналов, т. е. уси лением, дискриминацией или аналого цифровым преоб разованием.

Известны другие варианты контрольных генераторов такого назначения [10]. В ряде устройств этого вида не редко пытаются совместить некоторые измерительные функции, что является характерной чертой для испыта

тельного оборудования такой направленности. Этим обо рудованием могут быть различные универсальные устрой ства, бифункциональные по назначению, способные совме стно решать измерительные задачи, которые свойствен ны лишь блокам ГВСА и ГБС в отдельности.

Одним из направлений развития электронной техники, обеспечивающей реализацию испытательных функций, считается их совмещение в одном модуле. Хотя стоимость этих универсальных средств диагностики параметров спек трометрического тракта имеет тенденцию заметного ро ста, но получаемые преимущества весьма существенны. Реальностью стала весьма удобная разновидность техни ческих средств для контроля основных параметров амп литудных спектрометрических трактов.

14.3.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СЛУЧАЙНЫХ СИГНАЛОВ В РЕШЕНИИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ЗАДАЧ

Для детекторных устройств ядерного излучения харак терны нерегулярные импульсные последовательности сиг налов. В большинстве случаев для их моделирования ис пользуются специальные генераторы случайных сигналов. С их помощью выделяют нерегулярные во времени сиг налы, которые широко используются при тестировании средств измерения счетной информации. В составе этой тех ники отметим декадные и двоичные счетчики, различные интенсиметры и разнообразные пересчетные устройства.

Электронные средства со спонтанным характером вы деления сигналов применяются при временном анализе. Они имитируют сигналы СТАРТ или СТОП в измерениях интервалов времени. Это могут быть импульсные после довательности сигналов со случайным сигналом СТАРТ и периодическими стоповыми сигналами. Период следова ния определяет диапазон измеряемых интервалов време ни. Нередко используют обратный вариант подачи этих сигналов. Возможно одновременное использование слу чайных сигналов для входов СТАРТ и СТОП измерителей интервалов времени.

Эти генераторы в перечне специальных электронных средств относятся к разновидности тестового оборудова ния. С их помощью контролируют, проверяют и диагно стируют параметры измерительных систем или их состав ных частей. Это необходимо при восстановлении работо способности электронного оборудования и его отладке. Рассмотрим вариант схемы устройства генерации сигна лов случайной последовательности, представленной на рисунке 75.

Источником шума (ИШ) служит стабилитрон (КС215Ж), сигналы которого через усилительный каскад (Ус) поступают на два пороговых элемента ПЭ1 и ПЭ2. Ими служат компараторы типа К597СА1, придающие своеоб разие техническому решению, состоящему из двух взаи мосвязанных структур формирования сигналов случайной последовательности. Схема ПЭ1 через формирователь Ф работает на два выходных канала, что расширяет функ циональные возможности устройства.

С этой же целью один из них (канал 2) сделан управля емым. Для выполнения этой функции служит логический элемент И1, который работает при воздействии уровней ЭСЛ (интегральных схем эмиттерно связанной логики). Схема ПЭ2 через каскад Ф связана с третьим выходом уст ройства (канал 3). Он тоже выполнен управляемым за счет

Рис. 75

Структурная схема устройства генерации сигналов случайной последовательности:

И — логический элемент; ИШ — источник шума; ПрУ — преобразователь уровня [ПрУ1 (ЭСЛ NIM), ПрУ2 (ЭСЛ ТТЛ), ПрУ3 (ТТЛ ЭСЛ)]; ПЭ — пороговый элемент; СПрУ — специализированный преобразователь уровней; Ус — усилитель; Ф — формирователь.

использования схемы И2. Для его функционирования нужны уровни ТТЛ (интегральных схем транзисторно транзисторной логики).

Режимы работы обоих каналов обеспечиваются вне шними сигналами. Возможность управления работой ге нератора логическими уровнями разных интегральных схем расширяет сферу его целевого применения. На вы ходе всех каналов генератора включены специализирован ные преобразователи уровней (СПрУ), выделяющие сиг налы в уровнях NIM и ТТЛ. Первые из них нужны для временных измерений в наносекундном диапазоне, а вто рые обслуживают различные счетные устройства.

Наряду с обычными устройствами традиционного на значения существуют более сложные их модификации. Если необходима долговременная стабильность средней частоты следования импульсов случайной последователь ности, то применяют дополнительные меры по коррекции частоты в этих структурах. Устройство генерации импуль сов случайно распределенных во времени [11] представле но на рисунке 76. Цифры на рисунке (8 и 9) обозначают число разрядов используемых двоичных счетчиков. В од ном случае с реверсивного счетчика РС берется 8 разря дов. В другом случае с двоичного счетчика СЧ2 использу ется 9 разрядов.

Рис. 76

Генератор импульсов случайно распределенных во времени:

Г — генератор; ГШ — генератор шума; опс — опорная последовательность сигналов; ПрУ — преобразователь уровня [ПрУ1 (ЭСЛ NIM), ПрУ2 (ЭСЛ ТТЛ)]; РС — реверсивный счетчик; РФД — регулируемый формирователь длительности; спс — случайная последовательность сигналов; СЧ2 — дво ичный счетчик; УКДИ — устройство коммутации диапазона интенсивно сти; ЦАП — цифроаналоговый преобразователь.

В составе устройства, помимо генератора шума ГШ, используется генератор Г опорной последовательности сигналов, т. е. генератор стабильной частоты. Сигналы обоих генераторов поступают на двоичные счетчики СЧ2 одинаковой разрядности. Их кодовая последовательность через схему устройства коммутации диапазона интенсив ности (УКДИ) сравнивается на реверсивном счетчике (РС). Его код управляет работой цифроаналогового преобразо вателя ЦАП (К572ПА1), с помощью которого регулируют величину тока, протекающего через источник шума (диод 1Г401Б), подстраивая таким образом среднюю частоту ге нерации шумовых сигналов.

Таким образом, обеспечивается стабильность средней частоты случайных сигналов, длительность которых уста навливается схемой регулируемого формирователя (РФД). Эти сигналы выделяются на выходе генератора в уровнях ЭСЛ и NIM. Следует заметить, что почти случайную после довательность импульсов можно получить цифровым спо собом [12]. Основой таких устройств, формирующих псев дослучайную последовательность, служат генератор такто вых импульсов, сдвиговый регистр, сумматор по модулю 2 и выходной формирователь.

14.4.

СТАБИЛЬНЫЕ ИНТЕРВАЛЫ ВРЕМЕНИ В РЕВИЗИИ ПАРАМЕТРОВ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ТРАКТОВ

Реперные интервалы времени широко используются при контроле параметров спектрометра, а также для про верки функционирования его составных частей. Стабиль ность работы измерительного тракта временного спектро метра необходима для получения надежных эксперимен тальных результатов. В таких измерениях важно регулярно контролировать работу спектрометра, измерительного трак та и его электронных средств, что особенно важно при высоком разрешении экспериментальной установки.

Было отмечено, что для выделения опорных интерва лов времени используются линии задержки в виде отрезков

коаксиального радиочастотного кабеля. Длительность ин тервала, выделяемого с их помощью, измеряется време нем распространения сигнала в этих отрезках (~ 5 нс/м). Массогабаритные показатели таких задержек являются основным фактором, который в значительной мере огра ничивает сферу их использования. Тем не менее эти струк туры находят свое применение.

Известны и другие устройства, которые используются для получения опорных интервалов времени. Основой та ких структур служат высокостабильные генераторы, даю щие возможность изменять длительность и частоту выде ляемых импульсных последовательностей. Приращением их величины служит период следования импульсов гене ратора. Их частота стабилизируется кварцевым резонато ром. Получаемая длительность интервала времени пропор циональна целому числу периодов импульсов генератора. Структурная схема одного из устройств формирования интервалов времени представлена на рисунке 77.

Выходная длительность интервала изменяется дискрет но и фиксируется сигналами, выделяемыми на двух его выходах (вых. 1 и вых. 2). Период следования импульсов

Рис. 77

Структурная схема устройства формирования интервалов времени:

И, ИЛИ — логические элементы; КГ — кварцевый генератор; ПрУ — преобразо ватель уровня (ЭСЛ NIM); СВПИ — схема выделения первого импульса; СТ2 — двоичный счетчик; СФ — схема фазировки; Тр — триггер; УДЧ — управляемый делитель частоты; УЗК — утройство задания кода; Ф — формирователь; ЭЗ — элемент задержки.

кварцевого генератора КГ служит мерой для изменения величины длительности выходного интервала в устройст ве. Диапазон ее перестройки, т. е. модификации ее вели чины, определяется емкостью двоичного счетчика СТ2.

Данный параметр может устанавливаться в пределах от Т0 до mT0, где T0 — период следования импульсов в схе ме КГ, а m = 2n, где n — число разрядов счетчика СТ2. Уст ройство задания кода (УЗК) управляет величиной выде ляемого интервала. С помощью этого устройства в преде лах объема схемы СТ2 устанавливают величину интервала в виде фиксированной длительности. Интервал появляет ся при запуске триггера Тр1. Из его перепада формирова тель Ф1 выделяет сигнал занесения кода из схемы УЗК в счетчик СТ2.

Этот же сигнал через логический элемент ИЛИ под тверждает состояние триггера Тр2. Величина записанно го кода определяет длительность выходного интервала времени. Немного задержанный элементом задержки (ЭЗ) перепад триггера фазируется устройством фазировки СФ с импульсами схемы КГ. Длительность, выделяемая триг гером Тр1, замещается импульсами КГ, которые поступа ют на счетчик СТ2, а также на схему выделения первого импульса (СВПИ).

Ее сигнал через формирователь Ф2 и схему преобразо вания уровней (ПрУ) типа ЭСЛ NIM выделяется на пер вом выходе устройства (вых. 1). Сигнал переполнения счетчика СТ2 взводит триггер Тр2, уровень которого деб локирует схему пропускания И. На ее выходе выделяется импульс КГ, который нормируется схемой Ф3. Этот сиг нал, пройдя схему ПрУ, выделяется на другом выходе уст ройства (вых. 2).

Сигнал схемы Ф3 возвращает структуру устройства в исходное состояние, сбрасывая оба триггера Тр1 и Тр2. Схемы Ф4, ПрУ и управляемого делителя частоты (УДЧ) расширяют сферу применения устройства. С их помощью формируют еще на одном выходе (вых. 3) сигналы диск ретно изменяемой частоты. Они могут использоваться в качестве импульсов СТОП при измерениях коротких ин тервалов времени.

14.5. КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРОВ

ПРИ ВРЕМЕННОМ АНАЛИЗЕ НАНОСЕКУНДНОГО ДИАПАЗОНА

При временном анализе наряду с определением диффе ренциальной (ДНЛ) и интегральной нелинейности (ИНЛ) необходима градуировка временной шкалы (определение ширины канала). Для градуировки амплитудного тракта применяют образцовые спектрометрические источники гамма излучения (ОСГИ). С их помощью решить такие задачи временного анализа невозможно, поскольку необ ходимы источники сигналов специальных импульсных последовательностей.

Для определения ДНЛ во временных трактах применя ются источники сигналов, обеспечивающие равновероят ное распределение интервалов времени. Их можно получить с помощью двух генераторов со случайным характером появления выходных импульсов. Источником сигналов в таких генераторах шума (ГШ) могут служить шумовые диоды, операционные усилители, стабилитроны, транзи сторы и т. д.

Всостав ГШ обычно входят источник шумового сигна ла, масштабный усилитель, фильтр нижних частот и ин тегральный дискриминатор. Диапазон изменения средней частоты ГШ лежит в пределах от 20 Гц до 200 кГц. Им пульсы формируют и подают на измеритель интервалов времени (ИВИ) в виде сигналов СТАРТ. При измерении ДНЛ сигналами СТОП служат импульсы, период повторе ния которых несколько меньше диапазона измерения в модуле ИВИ. Контроль параметров тракта можно осуще ствить, используя унифицированное устройство, схема которого приведена на рисунке 78.

Вкачестве источников сигналов используются гене раторы импульсов с частотой следования 50, 100 МГц и выше при высокой ее стабильности. Этим условиям луч ше всего удовлетворяют кварцевые генераторы (КГ), ча стота которых стабилизируется кварцевым резонатором.

Сих помощью регистрируется временной спектр в виде

Рис. 78

Структурная схема унифицированного устройства для контроля линейности временного спектрометра наносекудного диапазона:

ГШ — генератор шума; ДНЛ — дифференциальная нелинейность; ДЧ — дели тель частоты; И — логический элемент; ИНЛ — интегральная нелинейность; КГ — кварцевый генератор; Мх — мультиплексор; П — переключатель; Т — триггер; Ф — формирователь.

линий, отстоящих друг от друга на величину Т. Такая фор ма регистрируемых интервалов времени получила назва ние градуировочный линейчатый спектр, а параметр Т — шаг градуировки. Величина Т является периодом следо вания импульсов КГ.

Такой спектр, помимо решения вопроса о ширине кана ла в системе регистрации, можно использовать в оператив ном контроле ее параметров. По флуктуациям положения пиков в спектре можно судить о стабильности порога или коэффициента преобразования временного измерительно го тракта либо об одновременной их нестабильности. Если все пики в спектре смещаются в одну сторону и на одну и ту же величину, то это верный признак нестабильности порога в измерительной системе.

Если дрейф пиков в конце спектра больше, чем в его начале, то нестабилен коэффициент преобразования. Хотя эта ситуация может означать единовременную нестабиль ность обоих параметров. Устройство, представленное на рисунке 78, можно использовать при градуировке шкалы временного спектрометра, а также для измерения в нем ИНЛ и ДНЛ. В его составе находятся два канала: один из

них выделяет сигналы СТОП, а другой формирует сигна лы СТАРТ.

Встоповом канале используются схемы кварцевого генератора КГ и формирователя Ф1 коротких импульсов. Здесь же применяются два делителя частоты (ДЧ1) и (ДЧ2) на счетных триггерах (Т1–Т4) и (Т5–Т10). Первый из них задает и устанавливает шаг градуировки. С помощью муль типлексора Мх1 и первой схемы ДЧ1 можно выбрать крат ность шага в пределах от Т до 8Т. Второй делитель часто ты ДЧ2 вместе со схемой Мх2 позволяет задавать диапа зон регистрируемых интервалов времени в пределах от 16Т до 1024Т.

Если использовать КГ с частотой 100 МГц, то диапа зон изменения интервалов будет от 160 до 10 240 нс. С та кими же периодами на выходе схемы Ф3 будут появлять ся импульсы СТОП. Схемы логических элементов И1 и И2 вместе с Ф2 и Ф4 отбирают сигналы в соответствую щие моменты времени, которые определяются схемами ДЧ1 и ДЧ2 совместно со схемами Мх1 и Мх2. Сигналы СТАРТ получают в канале их формирования и выделяют ся на выходе схемы Ф6.

Они связаны с генератором шума ГШ и с помощью схем логического элемента И3 и формирователя Ф5 стробиру ют логический элемент И4, поступая на выход Ф6. Режим измерения ДНЛ выбирается переключателем П, устанав

ливающим разрешающий уровень U0 на соответствующие логические элементы устройства. При этом утрачивается связь стартового канала со схемой КГ. На выходе Ф3 вы деляется периодическая последовательность импульсов схемы КГ, период следования которых задается схемами ДЧ2 и Мх2.

Втаком режиме работы устройства они являются сиг налами СТОП. На выходе схемы Ф6 выделяется случай ная нерегулярная последовательность сигналов, связан ная со схемой ГШ. Они служат сигналами СТАРТ в этом режиме измерений. Данное унифицированное устройство позволяет оперативно контролировать параметры измери тельных трактов временных спектрометров наносекунд ного диапазона.