Автор работы: Пользователь скрыл имя, 21 Декабря 2010 в 22:14, курсовая работа
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.
•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
3.2. Результаты моделирования.
При разработке принципиальной схемы стретчера оптимизация параметров усилительного звена и зарядного ключа производилась с помощью моделирования. Задачей моделирования являлось проверить устойчивость и оценить время нарастания выходного сигнала при переключениях компаратора. Для моделирования использовалась программа LES (Linear Electronic circuit Simulator). Поскольку программа LES позволяет моделировать только линейные схемы, моделирование проводилось для каждого режима работы нелинейной ООС (отдельно для режима когда диод VD2 открыт, а VD1 закрыт, и наоборот). Т.к. элементы ключа входят в состав схемы нелинейной ООС, необходимо учитывать в модели и их параметры.
Расчетные характеристики усилительного звена с правильной коррекцией (о подборе коррекции см. ниже) показаны на рис.6 . Коэффициент усиления на низких частотах около 140, произведение коэффициента усиления на частоту не менее 250*106.
Для определения запаса устойчивости схемы с ООС выход цепи ООС в модели нагружается на каскад, идентичный входному каскаду усилителя. Моделирование показало, что при правильном выборе корректирующих элементов R6C5 усилитель устойчив с обеими петлями ООС (рис.7, 8). Запас по фазе составил не менее 31°.
Рис.6 АЧХ и ФЧХ усилительного звена.
Для проверки правильности принятых схемотехнических решений и расчётов был собран макет усилителя с нелинейной ООС. Во время измерения не было обнаружено существенных отклонений в его работе. На практике были получены следующие параметры :
Рис.7 АЧХ и ФЧХ петли ООС (в режиме покоя).
Рис.8 АЧХ и ФЧХ петли ООС (во время измерения)
3.3. Выбор полевых транзисторов.
Наиболее критичным элементом усилительного звена является полевой транзистор VT4. Крутизна этого транзистора оказывает определяющее влияние на коэффициент усиления и граничную частоту усилительного звена, и должна быть не менее 15мА/В. Ключевой транзистор VT3 должен иметь крутизну не меньше чем 2мА/В в диапазоне токов от 0.4мА до 1мА, т.к. от неё зависит изменение напряжения на базе VT2 при его включении, и, следовательно, управляющее напряжение переключения ключа. Эти значения приняты с учетом результатов измерений реальных параметров транзисторов КП341 (см. ниже). Поскольку полевые транзисторы VT3, VT4 используются в таких режимах, для которых паспортные данные отсутствуют и разброс параметров различных экземпляров транзисторов одного типа большой (в несколько раз), необходим предварительный отбор транзисторов. Для определения характерных параметров транзистора, на которые можно рассчитывать, были сделаны измерения переходных характеристик и затем их математическая обработка. Измерения производились при 10-12 значениях тока стока (в зависимости от начального тока стока конкретного экземпляра транзистора). По результатам измерений были построены переходные характеристики каждого транзистора с помощью интерполяции кубическими сплайнами. По этим характеристикам для каждого транзистора была рассчитана зависимость крутизны от тока стока. Затем была посчитана средняя переходная характеристика и средняя зависимость крутизны от тока стока (математическое ожидание). Для обеих зависимостей рассчитаны их разбросы от средних значений (среднеквадратическое отклонение). Результаты вычислений представлены в виде графиков рис.9 и рис.10 . Эти данные были использованы в качестве базовых при расчете схемы, и в качестве критерия отбора транзисторов.
Рис.8 зависимость тока стока от напряжения затвор-исток.
рис.9 Зависимость крутизны полевого транзистора от тока стока.
4. Цифровая часть ВЦП.
Логическая часть выполнена на микросхемах ЭСЛ (1500 и 500 серии). Управляющая часть выполнена на микросхемах ТТЛ.
Для того, чтоб обеспечить возможность измерения интервалов времени между сигналами произвольной полярности, а также длительности импульсов и период следования импульсов на входе прибора установлена схема, позволяющая программировать с помощью "САМАС"-интерфейса необходимый режим измерений. Эта схема включает в себя приёмники входных сигналов с парафазными выходами (1500ЛП114), два логических элемента "5-4-4-2ИЛИ-5И" (1500ЛК118), используемых в качестве мультиплексора для управления выбором входного сигнала с нужным фронтом и с нужного входа. На двух D-тригерах (1500ТМ131) и логическом элементе "И" (1500ЛМ102) реализована схема формирования "ворот".
Подсчет числа импульсов тактового генератора во время измерения производится 12-ти разрядным счетчиком, реализованным на трех микросхемах 1500ИЕ136. При переключении компаратора из лог.1 в лог.0 счёт импульсов прекращается, и управляющая схема переводит блок в режим ожидания считывания (или команды сброса).
Для управления логической частью прибора используется микросхема памяти К155РЕ3. Управление производится путём считывания информации с "CAMAC" и распределения управляющих сигналов по соответствующим блокам прибора.
По окончании счёта выставляется сигнал LAM, после чего информация в виде цифрового кода может быть считана по шине "CAMAC". Команда "СБРОС" принудительно сбрасывает в начальное состояние показания счётчика и схему формирования ворот. После чего прибор готов к работе.
5. Разработка печатной платы прибора.
Прибор обладает рядом свойств, таких как малая дифференциальная нелинейность, большая потребляемая мощность ( для 1500 серии порядка 350 мВт на корпус), высокое быстродействие ( Тактовая частота-200 МГц ) и т.д. Все эти параметры вносят свой вклад в разработку платы.
Печатная плата представляет собой четырёхслойную плату в стандарте "CAMAC" на два канала измерений.
Применение субнаносекундных микросхем 1500 серии накладывают существенные ограничения на организацию связей между ними при условии обеспечения допустимого уровня помех [7]. Эти микросхемы обладают большой чувствительностью к неоднородностям в линии ( из-за крутых фронтов ( t 1нс ) уровень наводимых и отраженных помех может достигать больших значений ), что в свою очередь может отрицательно влиять на точность работы прибора (его дифференциальную нелинейность). Неоднородностями являются входные ёмкости приёмников сигналов, реактивные параметры контактов электрических соединителей и выводов микросхем, отводы от линии связи и т.п. Как правило величина отдельно взятой неоднородности такова, что рождающаяся от неё помеха не превышает помехозащищённость. Однако в этой работе в линиях связи часто присутствуют две или более неоднородностей. Поскольку амплитуда помехи зависит не только от величины, но и от расположения неоднородностей в линии связи, существует опасность суммирования помех и превышение помехозащищенности микросхем, что может привести к сбою в работе аппаратуры. По этой причине особое внимание уделялось детальной разводке сигнальных дорожек.
В данной работе использовались такие конфигурации линий связи, которые заведомо обеспечивают выполнения критерия допустимой помехи. Это такие типы организации связей как последовательный обход приёмников, сосредоточенная нагрузка и короткие радиальные связи.
Все связи между микросхемами ЭСЛ выполнены в виде полосковых линий сопротивлением 100 Ом. Сигнальные дорожки проведены на наибольшем возможном расстоянии друг от друга. Для обеспечения лучших экранирующих свойств весь третий слой платы использован как земляной. Корпуса микросхем серии 1500 расположены рядами, для удобства установки общих радиаторов.
Список литературы.