Время – амплитудный преобразователь

ВРЕМЯ – АМПЛИТУДНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

1.  Основные положения. Цель работы.

Измерение интервалов времени наносекундного диапазона длительности широко используется в различных методах технических измерений при исследовании быстропротекающих процессов. Особое значение измерение коротких (~10-12…10-7с) интервалов времени имеет для решения задач физического эксперимента и, в частности, в области исследований с источниками ионизирующих излучений. В типовых задачах ядерной физики путём измерения интервалов времени исследуются возбуждённые состояния ядер и временные и пространственные корреляции продуктов ядерных превращений, проводится спектрометрия энергии частиц по времени пролёта, измеряются временные характеристики детекторов ионизирующих излучений (ДИИ). К измерению интервалов времени обращаются и во многих других случаях, когда временные характеристики обрабатываемого информационного потока связаны с измеряемыми физическими параметрами объектов.

Отличительная черта многих прецизионных методов измерения – использование преобразования различных по своей природе аналоговых величин в интервал времени, поскольку в области частот (периодов частоты) существуют лучшие известные в природе эталонные меры. Наряду с этим сложность технической реализации прямого преобразования интервалов времени в кодовый эквивалент с ценой шага квантования менее 10-9с привела к развитию аналоговых преобразователей, трансформирующих короткий временной интервал в более удобную для измерения величину /1…4/:

- преобразование время – амплитуда,

- преобразование время – время (временной интервал микросекундного диапазона).

В измерительных трактах при обработке сигналов с ДИИ широкое распространение получили преобразователи время – амплитуда (ВАП) благодаря наличию во многих физических лабораториях стандартных средств измерения амплитуды импульсов в виде многоканальных амплитудных анализаторов (МАА). Несмотря на то, что наилучшие измерительные характеристики временного канала можно получить с использованием последовательного преобразования время (нс) – время (мкс) - код, вариант с ВАП обеспечивает более высокий темп обработки информации.

Качество работы аналоговых преобразователей интервалов времени нс – диапазона в другую аналоговую величину характеризуют следующие основные параметры:

- диапазон преобразуемых временных интервалов от tмин до tмакс (может быть модифицирован с использованием внешних элементов задержки);

- коэффициент преобразования и его стабильность;

- собственное временное разрешение (вносимая самим преобразователем в измеряемую величину интервала времени неопределённость dt);

- временной интервал преобразования (обработки) выделенного события;

- коэффициенты интегральной и дифференциальной нелинейности характеристики преобразования.

В основе принципа работы ВАП используется накопление заряда на электрическом конденсаторе, подключаемом на измеряемом интервале времени tx к генератору стабильного тока, с последующим измерением полученного приращения напряжения на конденсаторе в виде амплитуды выходного импульса.

, (1)

где Iз – ток генератора, С – ёмкость конденсатора накапливающего заряд, tx – измеряемый временной интервал. Укрупнённая структурная схема ВАП представлена на рисунке 1.

Рис.1. Структурная схема ВАП. 1, 2 – преобразователи уровней сигнала (элементы с согласованием); 3 – узел выделения «полезной» старт – стопной пары импульсов; 4 – узел выделения измеряемого временного интервала; 5 – узел амплитудного преобразования.

Измеряемый временной интервал задаётся последовательно расположенной во времени парой импульсов в двух каналах. Один из каналов принимается за стартовый, а другой - стоповый. ВАП как измерительное устройство может обрабатывать события до некоторого верхнего предела: верхняя граница диапазона tмакс. В некоторых случаях при большой интенсивности старт - импульсов применяют узел выделения старт-стопной пары импульсов, не пропускающий на ячейку преобразования интервалы большей длительности. Такая мера позволяет снизить бесполезную загрузку как ВАП, так и последующих за ним устройств. Для преобразования измеряемого интервала времени в амплитуду надо его предварительно выделить. Решение этой задачи связано с двумя способами: - старт-стопный на основе использования быстродействующего RS – триггера и - перекрытия во времени импульсов стандартной длительности, выделяемого быстрой схемой совпадений (рис.2).

Рис.2. Выделение интервала способом перекрытия импульсов.

Основные различия способов выделения измеряемого временного интервала можно охарактеризовать их влиянием на основные параметры ВАП и его структуру. В способе по перекрытию импульсов из-за функциональной неразличимости импульсов схемой совпадений требуются дополнительный узел для устранения «отрицательных» интервалов – опережающий сигнал «СТОП». Трудности формирования повторяющихся импульсов стабильной длительности T приводят к ограничению верхней границы диапазона преобразуемых интервалов (не более 100 нс) или, при больших величинах диапазона, к высокому значению собственной временной неопределённости dt.

. (2)

Достоинством способа по перекрытию импульсов является возможность работы ВАП при высоких входных загрузках по каналам (в том числе по каналу «СТАРТ»).

В варианте с RS – триггером импульс «СТАРТ» на входе S устанавливает триггер в состояние высокого уровня по выходному сигналу, а импульс «СТОП» на входе R возвращает его с приоритетом в состояние низкого уровня. В области малых временных интервалов, сравнимых с временем переключения триггера, линейность процедуры копирования измеряемого временного интервала в длительность выходного импульса триггера нарушается. Сказываются также взаимные корреляции сигналов «СТАРТ» и «СТОП» во входных цепях триггера.

Целью лабораторной работы является ознакомление со способом спектрометрии коротких интервалов времени (десятки наносекунд) путём последовательного преобразования время – амплитуда - код и измерение основных параметров лабораторного макета ВАП.

Описание лабораторного макета

Лабораторный макет ВАП построен по старт-стопному способу выделения интервала времени. Структурная схема преобразователя приведена на рис. 3. Входные импульсы «СТАРТ» и «СТОП» (в соответствии с требованиями ГОСТ для уровней логических сигналов тока в согласованной коаксиальной линии связи) поступают на входные схемы смещения по уровню ПУ1 и ПУ2 (перевод входных сигналов в уровни ЭСЛ ИС).

Рис.3. Структурная схема макета время - амплитудного преобразователя. ПУ1, ПУ2 – преобразователи уровня; ОВ1, ОВ2 – ждущие мультивибраторы; КН – коммутатор напряжения; КТ – коммутатор тока; ИП – истоковый повторитель; ГТ – генератор стабильного тока Iз; ЛЗ1, ЛЗ2, ЛЗ3 – линии задержки на коаксиальных кабелях.

После преобразователей уровня сигналы проходят узел выделения полезных (соответствующих диапазону ВАП) старт – стопных пар. Он служит для снижения загрузки последующих узлов преобразователя при статистическом характере поступления входных сигналов.

Импульс «СТАРТ» проходит через схему И(1), контролируемую выходным сигналом ОВ2, на запуск мультивибратора ОВ1. ОВ2 разрешает прохождение сигнала старт, если ВАП не занят обработкой предыдущего события. ОВ1 формирует импульс, длительностью примерно равный максимальному измеряемому интервалу tмакс. На этом интервале ожидается приход импульса «СТОП», который через схему И(2) установит триггер (1) в состояние логической единицы. Таким образом фиксируется поступление «полезной» пары входных импульсов, которые проходят элементы задержки ЛЗ1, ЛЗ2 и через схемы И(3), И(4) поступают на входы S и R триггера (2). Триггер выделяет измеряемый временной интервал tx. Задержка в линиях ЛЗ1 и ЛЗ2 выбирается из условия tЛЗ1 = tЛЗ2 @ tмакс. Сброс триггера (1), после которого наступает блокировка тракта на время обработки события, производится задержанным импульсом «СТОП». Импульсом «СТАРТ», прошедшим через схему И(3), включается мультивибратор ОВ2 с длительностью выходного импульса около 1 мкс. Выходной импульс ОВ2 размыкает КН, задающий исходный потенциал на накопительном элементе С. Задержанный на tЛЗ3 выходной импульс триггера (2) длительностью tx поступает на быстродействующий переключатель тока КТ, коммутирующий ток Iз генератора тока в цепь зарядного элемента С. Выходное напряжение ячейки преобразования определяется выражением (1), где - коэффициент преобразования.

После выключения тока Iз потенциал на ёмкости сохраняется неизменным в течение действия импульса ОВ2 и восстанавливается в последующем ключом КН до исходного уровня. Истоковый повторитель ИП обеспечивает маленький ток утечки в цепи накопительного элемента и согласование высокого внутреннего сопротивления ячейки преобразования с нагрузкой.

Методика исследования характеристик ВАП.

Измерения проводятся с помощью комплекса аппаратуры, структура которого показана на рис. 4.

Рис.4. Структурная схема измерительной установки.

Источником сигналов «СТАРТ» и «СТОП» служит генератор (в работе используется два типа генератора). Генератор 1 используется для формирования импульсов «СТАРТ» и «СТОП» с равномерной плотностью вероятности распределения интервалов времени между ними. Он имеет два независимых идентичных канала формирования стандартных выходных импульсов от генераторов шума, построенных на операционных усилителях (см. рис.5.). Подробная структура генератора приведена в приложении 1.

Рис.5. Структура одного канала формирования импульсов, статистически распределённых во времени. ГШ – генератор шумовых импульсов на ОУ; Д – амплитудный дискриминатор; Ф – формирователь стандартных импульсов.

Раздельная регулировка средней частоты следования импульсов «СТАРТ» и «СТОП» обеспечивается изменением пороговых уровней амплитудных дискриминаторов.

Генератор 2 (аналогичен по структуре генератору, приведённому в работе /5/) позволяет получить линейчатый спектр временных интервалов. Описание генератора приведено в приложении 2. Временной интервал или шаг градуировки шкалы ВАП определяется периодом опорного генератора. Точное значение периода генератора можно измерить, контролируя частотомером выходную последовательность fГ /128.

Выходной сигнал амплитуды ВАП контролировать осциллографом в режиме внешней синхронизации по сигналу, снимаемому с мультивибратора ОВ2, а для точных измерений использовать АМА.

Обработка экспериментально измеренных спектров от различных генераторов старт-стопных пар импульсов проводится по методике, подобно описанной в ГОСТ (см. лабораторную работу «Измерение характеристик спектрометрических преобразователей амплитуда-код»).

Порядок выполнения работы.

4.1.  Ознакомьтесь с используемой измерительной установкой (технические данные приборов, правила работы с ними).

4.2.  Изучите работу ВАП по структурной схеме.

4.3.  Перед проведением измерений включить приборы и прогреть их в течение 10 мин.

4.4.  Используя осциллограф рассмотреть форму и уровни сигналов в лабораторной установке при различных режимах работы оборудования.

4.5.  Провести измерение амплитудных спектров с помощью АМА для случайного входного потока с равномерным распределением старт-стопных пар импульсов по интервалу (генератор 1), для фиксированных значений интервала с шагом Т (генератор 2) без внешней линии задержки и с ней с целью измерения параметра задержки используемого коаксиального кабеля.

4.6.  Провести измерение спектра амплитуд для получения наиболее достоверных данных о собственном временном разрешении ВАП. В измерениях использовать один канал генератора 1 (имеет спаренный выход формирования сигнала тока в согласованную линию связи), сигналы «СТАРТ» и «СТОП» с необходимым интервалом времени между ними для вхождения в рабочий диапазон ВАП получить на внешней линии задержки.

Содержание отчёта.

Отчёт должен содержать краткое изложение методики измерения параметров ВАП в предположении идеальности характеристик остальных элементов установки. По итогам обработки результатов измерений представить в числовой форме следующие параметры макета ВАП:

-  КД – коэффициент дифференциальной нелинейности (для выбранного участка рабочего диапазона);

-  КИ – коэффициент интегральной нелинейности (по опорным точкам спектра);

-  tМИН…tМАКС – рабочий диапазон интервалов времени;

-  коэффициент преобразования, В/нс;

-  dt – собственное временное разрешение ВАП, нс.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.  , Митин генераторы в ядерной электронике. М.: Атомиздат, 1981.

2.  Мелешко схемы в наносекундной ядерной электронике. М.: Атомиздат, 1978.

3.  Мелешко электроника в экспериментальной физике. М.: Энергоатомиздат, 1987.

4.  , Чернявский методы измерений в экспериментальной ядерной физике /Под ред. . М.: Атомиздат, 1980.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1.

ГЕНЕРАТОР – ФОРМИРОВАТЕЛЬ

потока импульсов, имитирующих распределение Пуассона.

Поступление импульсов во времени в соответствии с распределением Пуассона моделируется путём использования двух последовательностей импульсов от шумовых генераторов (см. рисунок).

Для генерации сигналов широкополосного шума используются операционные усилители (ОУ), имеющие относительно небольшой коэффициент усиления без обратной связи (К140УД1А). Шум входного каскада ОУ DA1 усиливается при полном коэффициенте передачи усилителя. На вход ОУ относительно общего провода подключены низкоомные резисторы. По постоянному току ОУ балансируется цепями коррекции нуля в середине рабочего диапазона по выходному напряжению. Постоянная составляющая напряжения на выходе первого каскада отсекается конденсатором, установленным между секциями усилителя (на рисунке отсутствует). Коэффициент передачи второй секции усилителя DA2 ограничен (задаётся резисторами R3, R4) с целью установки рабочего диапазона уровней шумового напряжения на входе порогового узла.

Выходной сигнал усилителя сравнивается быстродействующим компаратором напряжений DA3 (К597СА1) с регулируемым пороговым напряжением от потенциометра с заданным значением Uоп. Чем выше задан пороговый уровень напряжения на входе компаратора, тем реже этот уровень пересекает выходной сигнал шумового канала и, следовательно, ниже средняя частота сигналов выходной последовательности импульсов генератора. Формирователь Ф стандартизует импульсы по длительности и из уровней ЭСЛ переводит в ток (втекающий для генератора) на согласованную линию связи. Выходной ток генератора задан на уровне, необходимом для параллельного подключения двух стандартных нагрузок по 50 Ом. Нагрузкой генератора служат приёмные устройства по ГОСТ , согласованные с коаксиальной линией связи: (вытекающий ток - 32 мА ± 2 мА для логической 1; удвоенная величина уровня NIM - стандарта). На передней панели блока установлено два коаксиальных разъёма к согласованным по волновому сопротивлению линиям связи. Подключение короткозамкнутой на стороне приёмника формирующей линии к одному из разъёмов обеспечивает дополнительное формирование выходного сигнала по длительности на уровне 2tФЛЗ.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2.

КОНТРОЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

для анализаторов временных интервалов наносекундного диапазона

Генератор эталонных временных интервалов (структурная схема представлена на рисунке) выполнен на основе использования опорного генератора релаксационных колебаний с задержанной обратной связью через коаксиальную кабельную линию задержки. Импульсы опорного генератора, укороченные формирователем, подаются на два последовательно соединённых счётных делителя.

Структурная схема генератора эталонных интервалов времени. Ф – формирователи импульсов (в том числе с укорочением длительности); ОГ – опорный генератор; ЭЗ – элемент задержки; ГШ – генератор шумовых сигналов; СС1, СС2, СС3 – схемы совпадений на логических элементах.

Выходные сигналы первого счётного делителя по совпадениям с импульсами fг на схеме совпадений СС1 формируют регулярную временную последовательность с интервалом, задающим размер времени в старт-стопной паре (1Т, 2Т, 4Т, 8Т – в зависимости от положения переключателя S1, где Т – период колебаний релаксационного генератора).

Импульсы со второго счётного делителя задают максимальную частоту следования сигналов «СТОП» (выбирается переключателем S2), а на контрольный выход подаётся частота генератора, делённая на 128.

В зависимости от положения переключателя S3 (РЕЖИМ) изменяются условия формирования старт-стопных пар импульсов. В положении И (схемы совпадений СС2 и СС3 разблокированы и находятся в состоянии пропускания импульсов по вторым входам) выходные сигналы «СТОП» задаются регулярной последовательностью от генератора, а сигналы «СТАРТ» от шумового канала, интенсивность импульсов в котором регулируется величиной порога. При отсутствии корреляций между генератором шума и генератором релаксационных колебаний в этом положении переключателя S3 формируются старт-стопные пары импульсов с равномерной плотностью вероятности распределения по значению интервала времени между импульсами. В положении Д из всех возможных старт-стопных пар отбираются только те, у которых временной интервал кратен Т. Ширина временного окна определяется разрешающим временем схем совпадений СС2, СС3 и формирователями укороченных импульсов.

В процессе работы генератора частота опорного генератора ОГ плавно изменяется (температурная зависимость временной задержки), поэтому для получения точных значений Т частоту fГ /128 с контрольного выхода надо измерять частотомером.