Время цифровой преобразователь

     ОГЛАВЛЕНИЕ

• Введение                                                                                                                      стр.2
• 1. Выбор метода преобразования и стандарта.                                                     стр.3

    1.1. Существующие типы ВЦП                                                                                стр.3

2. Обоснование выбора метода Уилкинсона                                                       стр.4
3. Обоснование выбора стандарта                                                                         стр.4

    1.4. Технические требования                                                                                   стр.5

• 2. Функциональная схема прибора                                                                         стр.5

    2.1. Описание ВЦП по функциональной схеме                                                      стр.5

    2.2. Особенности узла растяжки временного интервала                                        стр.7

    2.3 Зарядный ключ                                                                                                 стр.10

• 3. Стретчер                                                                                                                стр.11

    3.1. Принципиальная схема основных узлов стретчера                                       стр.11

2. Результаты моделирования                                                                             стр.12
3. Выбор полевых транзисторов                                                                         стр.15

• 4. Цифровая часть ВЦП                                                                                         стр.17
• 5. Разработка печатной платы прибора                                                              стр.17
• Литература                                                                                                                 стр.19

     Введение.

    В экспериментальной физике часто стоит задача измерения спектра какой-либо величины. Результаты таких измерений необходимо представлять в цифровом виде для проведения их математической обработки. Поэтому в состав спекрометрических стендов входят преобразователи различных величин в цифровой код. Поскольку общим для всех таких преобразователей является то, что они преобразуют непрерывно изменяющуюся величину в дискретный код, все такие приборы являются аналого-цифровыми преобразователями (АЦП). Для спектрометрических измерений очень важно, чтобы каждому цифровому коду соответствовал равный диапазон значений измеряемой величины. Разброс этих диапазонов характеризуется дифференциальной нелинейностью АЦП, которая определяется как :

     ,

где , - действительное и среднее значение ступени квантования. Для АЦП нормируется максимальное значение дифференциальной нелинейности (во всём диапазоне преобразования).

    Одним из типов АЦП, часто применяемых при спектрометрических измерениях, является время-цифровой преобразователь (ВЦП). Для временных измерений, проводимых с современными детектирующими устройствами (сцинтилляторы, микростриповые детекторы, проволочные камеры и т.п.), требуются ВЦП со следующими характерными параметрами :

• измеряемый временной интервал 20 нс - 10 мкс;
• цена канала                                    25 пс - 5 нс;
• разрядность                                    10 - 12 бит.

    ВЦП в стандарте "CАМАC", произведённые в ИЯФ, были разработаны в     80-х годах. Их временное разрешение около 1 нс, а цена канала не менее 0.5 нс. Таким образом, они не отвечают современным требованиям, возросшим в связи с усовершенствованием физических устройств. Коммерчески доступные ВЦП, выпускаемые зарубежными фирмами (LeCroy, CAEN, ORTEC), перекрывают требуемый диапазон параметров. Но их цена этих приборов порядка $ 2000, что делает их труднодоступными для нас. В связи с этим возникла потребность в разработке прибора, который обеспечивал бы качественное измерение коротких временных интервалов с малой ценой канала. Целью моей дипломной работы и была разработка такого прибора.

     1. Выбор метода преобразования и стандарта.

1.1 Существующие типы ВЦП.

    В зависимости от используемого метода измерения временных интервалов ВЦП бывают следующих основных типов [1] :

1. ВЦП прямого счёта. Их метод измерения состоит в подсчёте числа тактовых импульсов генератора в течение измеряемого промежутка времени с помощью счётчика. При этом цена канала равна периоду импульсов тактового генератора. Современные счетчики могут работать на частотах порядка 300 МГц. Соответствен, минимальная цена канала ВЦП, достижимая с помощью метода прямого счёта, может быть около 3 нс.
2. ВЦП нониусного типа. Измерение интервалов времени производится по методу верньерной интерполяции (нониусный метод). Используются три опорных генератора : главный эталонный генератор, работающий непрерывно с периодом Т₀ ;  и два дополнительных генератора с периодом (1+1/n)Т₀ . Один из дополнительных генераторов запускается в начале измеряемого интервала, а второй - в конце. Быстродействующая схема следит за тем, когда произойдёт совпадение фазы каждого из дополнительных генераторов с фазой эталонного генератора. Подсчитываются числа импульсов основного и дополнительных генераторов, которые проходят до моментов совпадения фаз. Эти числа используются для вычисления величины измеряемого временного интервала, которая определяется с точностью до (1/n)Т₀ . Метод верньерной интерполяции при использовании современной элементной базы может обеспечить минимальную цену канала примерно 0.25 нс. [2]
3. ВЦП “Уилкинсоновского” типа. Метод измерения (Уилкинсона) состоит в том, что длительность измеряемого интервала “растягивается” в определённое число раз с помощью заряда и последующего разряда конденсатора. Коэффициент растяжения равен отношению зарядного тока к разрядному. “Растянутый” интервал оцифровывается, как правило, прямым счётом. Метод Уилкинсона в сочетании с оцифровкой прямым счётом позволяет получить минимальную цену канала порядка десятков пикосекунд.

1.2 Обоснование выбора метода Уилкинсона.

    ВЦП, в которых  преобразование производится методом Уилкинсона, по ряду параметров превосходят приборы, построенных по первому или второму методам. Характерные значения параметров ВЦП, имеющих цену канала менее 100 пс, приведены в Табл.1 [3].

Таблица 1

    Наиболее важным преимуществом Уилкинсоновского метода для спектрометрических ВЦП является то, что этот метод позволяет достигать наименьшей дифференциальной нелинейности при малой цене канала и 10..12 - разрядной шкале. Поскольку проектируемый ВЦП должен иметь цену канала не более 50 пс и малую дифференциальную нелинейность, решено было применить уилкинсоновский метод преобразования.

1.3 Обоснование выбора стандарта.

    ВЦП предназначен для работы в составе спектрометрических стендов. В ИЯФ такие стенды чаще всего собираются для конкретных работ на ограниченное время. Поэтому стенды представляют собой набор блоков различного назначения, выполненных согласно одному стандарту и размещённых в стандартном крейте. В настоящее время в мире существует несколько стандартов, регламентирующих конструкцию блоков и протокол обмена информацией между блоками стенда и компьютером (“VME” (“VXI”), “CAMAC”, “FastBus”). В настоящее время в ИЯФ наиболее распространённым стандартом такого рода является стандарт “CAMAC”. Этот стандарт наиболее широко поддерживается аппаратно и программно. Поэтому решено было делать ВЦП именно в стандарте “CAMAC”.  
 

1.4 Технические требования.

    Итак, базовые технические требования, принятые при проектировании данного ВЦП, следующие :

• Основное назначение      - спектрометрический ВЦП;
• Разрядность       - 12 бит ;
• Цена канала       - не более 50 пс.
• Стабильность коэффициента преобразования  - не хуже 0.05%
• Дифференциальная нелинейность    - не более 5% е.м.р.
• Метод преобразования      - Уилкинсоновский
• Возможность измерять интервалы времени между сигналами произвольной полярности, а также длительность импульсов и период следования импульсов.
• Конструктив и интерфейс - по стандарту “CAMAC”.

     2. Функциональная схема прибора.

2.1 Описание работы ВЦП по функциональной схеме.

Функциональная схема предлагаемого ВЦП приведена на рис.1 .

Прибор включает в себя :

• входное устройство, позволяющее выбирать интересующий нас режим работы по входным сигналам
• усилительное звено с нелинейной обратной связью, выполняющее функции прецизионного компаратора
• генератор импульсов ( 200МГц )
• 12-ти разрядный счётчик
• “CAMAC”-интерфейс.