Гляненко Современная електронная елементная база в приборах 2012

редний фронт импульса может быть как выпуклым, так и вогнутым или смесью этих форм. Таким образом, ARC-метод не может полностью компенсировать вариацию времени нарастания, для сигналов, крутизна которых меняется до момента пересечения нуля. В связи с этим задержку стараются сделать меньше. Несмотря на то, что ARC-метод не позволяет полностью компенсировать влияние времени нарастания импульса на точность временной привязки, он является лучшим методом хронирования при работе с германиевыми детекторами гамма-квантов. Сигналы от германиевых детекторов, изготовленных по устаревшим технологиям, могут иметь очень пологие передние фронты, которые связаны с гаммаквантами, образующими электронно-дырочные пары в области слабого поля и медленного сбора зарядов. При наличии такого сигнала детектор нуля может сработать раньше дискриминатора переднего фронта. В результате сигнал временной отметки будет связан по времени не с сигналом детектора нуля, а с сигналом дискриминатора переднего фронта, который и будет определять временной разброс для таких импульсов детекторов. Для улучшения временного разрешения при работе с такими детекторами целесообразно использовать быстрые дискриминаторы, имеющие средства режекции сигналов с длинными фронтами. Конечно, такая режекция уменьшает эффективность регистрации. Не все поглотившиеся в детекторе гамма-кванты будут зарегистрированы.

Временная привязка со следящим порогом к заднему фронту импульса Trailing-Edge Constant-Fraction Timing. Как уже говорилось, хронирующие сигналы могут быть получены и в "медленных" спектроскопических цепях. Точность временной привязки в этом случае ниже, чем при использовании быстрых усилителей и дискриминаторов. Однако нередко такой точности вполне достаточно. Метод временной привязки со следящим порогом к заднему фронту импульса применяется во временных одноканальных анализаторах, которые получают входные сигналы от спектрометрических усилителей. Этот метод может использоваться как с униполярными, так и с биполярными сигналами. Важно, что сигнал временной отметки здесь генерируется после достижением входным сигналом максимума, что хорошо сочетается с другой функцией одноканального анализатора – выделять определенный диапазон амплитуд. В этом методе временной привязки входной сигнал с амплитудой Vp

91

"растягивается" по времени расширителем (stretcher) (рис. 1.35). Формируется сигнал с плоской вершиной. Затем он ослабляется, так что уровень его плоской вершины равен (1-f)Vp. В компараторе с ним сравнивается уровень входного сигнала и, когда они сравняются, генерируется импульс временной отметки. Таким образом, время его появления будет соответствовать времени, когда уровень входного сигнала понизится до уровня fVp. Оптимизация временного разрешения достигается подбором фракции амплитуды f. Амплитудная зависимость появления импульса временной отметки в этом методе сведена к минимуму и определяется только зарядовой чувствительностью компаратора. Зависимость от формы входного сигнала остается.

Рис. 1.35. Формирование сигналов при временной привязке к заднему фронту импульса

Формирователи временной отметки чаще всего реализуются на быстродействующих компараторах и логических ИС высокого быстродействия с временами задержки сигнала 0,1 – 1,0 нс. В лучших разработках достигнута точность временной привязки

92

30 – 50 пс в широком диапазоне амплитуд (50 мВ – 5 В). Дальнейшее улучшение точности требует новой элементной базы и новых методик моделирования и проектирования таких схем.

К таким новым разработкам относится продукция фирмы Hittite Microwave Corporation. В номенклатуре изделий есть усилители, компараторы, аттенюаторы, логические элементы, работающие на частотах до 10 ГГц и выше. В качестве примера приведем основные характеристики сверхбыстродействующего компаратора

HMC676LP3E.

Области применения:

быстродействующая измерительная техника; системы цифровой связи; импульсная техника;

высокоскоростные схемы отбора событий; синхронизация и восстановление данных.

Функциональная схема компаратора приведена на рис. 1.36.

Рис. 1.36. Функциональная схема компаратора HMC676LP3E

Основные характеристики:

задержка распространения сигнала —100 пс; разброс времени задержки сигнала —10 пс;

минимальная длительность входного импульса — 60 пс; регулируемый резистором гистерезис; потребляемая мощность — 120 мВт; 16-выводной корпус размером 3х3 мм.

93

Компаратор выполнен по технологии SiGe, обеспечивающей работу с потоками данных до 10 Гбит/с. Подробные характеристики приведены в справочных материалах на сайте http://www.hittite.com/. На рис. 1.37 показана зависимость разброса задержки срабатывания компаратора от величины превышения порога срабатывания.

Рис. 1.37. Зависимость разброса задержки от превышения порога компаратора HMC676LP3E

Уникальные скоростные характеристики этого компаратора делают его весьма перспективным для реализации прецизионных временных трактов в ядерно-физическом эксперименте.

94

ГЛАВА 2. ИЗМЕРИТЕЛИ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

ВЯДЕРНОЙ ФИЗИКЕ

2.1.Измерители временных интервалов

Существует несколько аналоговых и цифровых методов измерения временных интервалов, используемых в экспериментальной технике. Для измерения достаточно больших интервалов (более 1 мкс) используется метод прямого кодирования, позволяющий с разумными затратами обеспечить точность измерения порядка 3 нс. Однако даже на современной цифровой элементной базе трудно получить точность лучше 1 нс.

С 2009 г. отечественное предприятие электронной промышленности “Миландр” выпускает БИС микросхемы измерителя интервалов времени К1897АИ1Т.

Основные характеристики микросхемы:

диапазон напряжения питания цифровой части — 1,62 – 1,97 В; диапазон напряжения питания схем ввода-вывода — 3,0 – 3,6 В; технологический процесс — 0,18 мкм; потребление в статическом режиме — 50 мкА; потребление в динамическом режиме — 200 мА; тактовая частота — 1 ГГц;

измерение интервала, длительности и периода следования импульса;

диапазон измеряемых значений от 2 нс до 9999 с; разрешающая способность измерения — 1 нс;

коэффициент усреднения результата измерения (10 n) от 0 до 4; температурный диапазон минус 10 – плюс 70 °С.

Тем не менее, в ряде случаев необходимо обеспечить точность измерения порядка 20 – 50 пс – времяпролетные системы, эксперименты на ускорителях и т.п. Относительно прост для реализации аналоговый метод измерения – время-амплитудные преобразователи. Они позволяют получить точность порядка 5 – 10 пс в диапазоне временных интервалов до 100 – 200 нс с нелинейностью порядка 0,5 – 1 %. Далее полученная амплитуда импульса может кодироваться схемой АЦП требуемого разрешения. Некоторое распространение получили цифровые методы преобразования – хронотроны и нониусные ВЦП. Первые основаны на методе задержанных совпадений и требуют высокой стабильности временных задержек элементов схемы и разрешающего времени схем совпаде-

95

ний. Вторые, кроме того, требуют использования высокостабильных генераторов импульсов и имеют большое мертвое время. В известных практических методах реализации этого способа обеспечивалась точность измерения примерно 200 пс.

При прямом кодировании измеряемый временной интервал кодируется либо непосредственно, либо после предварительного ана-

логового преобразования t–Т, т. е. после пропорционального изменения масштаба временного интервала. В дополнение к этим методам на практике широко применяется метод аналогового преобра-

зования временного интервала в амплитуду импульса (t–А) с последующим кодированием амплитуды А амплитудно-цифровым преобразователем. Перечисленные методы кодирования временных интервалов отличаются друг от друга абсолютной погрешностью (ценой канала), максимальным числом каналов (ограничиваемым, как правило, существующими техническими возможностями), временем преобразования и мертвым временем. В совокупности эти методы обеспечивают практически все потребности современного эксперимента, а целесообразность применения того или иного метода зависит от условий эксперимента.

Необходимая цена канала зависит от требуемой абсолютной точности измерения временного интервала. Минимальная цена канала определяется предельным временным разрешением современных детекторов, которое достигают 10-10 с (для сцинтилляционных детекторов) или несколько меньше. Далеко не все эксперименты требуют подобной точности измерения временных интервалов, так что ширина временного канала в различных экспериментах может варьироваться в широких пределах (от 10-11 до 10-7 с). Требуемое число каналов (или разрядность время-цифрового преобразователя) также зависит от условий эксперимента: диапазон изменений временного интервала может изменяться от нескольких до десятков тысяч. Требования к мертвому времени существенно зависят от интенсивности входных событий, так как наличие мертвого времени приводит к просчетам полезных событий и искажениям спектров, которые иногда очень трудно контролировать.

Наконец, следует отметить еще одну особенность временных измерений, определяющую выбор того или иного метода кодирования. Обычно измеряемый временной интервал задается двумя

сигналами. Первый из них “Старт” задает начало отсчета – физи-

96

чески выделенный момент времени, от которого ведется измерение. Второй сигнал “Стоп” фиксирует конец измеряемого интервала. Такая ситуация типична для многих физических задач при измерении скорости заряженной частицы υ методом времени пролета. Частица последовательно пересекает два детектора Д1 и Д2, разнесенных на пролетную базу l (рис. 2.1). Измеряемый интервал — время пролета t=l/υ есть интервал времени между сигналами детектора Д1 “Старт” и Д2 “Стоп”.

Д1 Д2

l

Рис. 2.1. Измерение скорости заряженной частицы методом времени пролета

Аналогичная ситуация возникает и при изменении времени жизни возбужденных ядер. Здесь также сигналы “Старт” и “Стоп” снимаются с двух разных детекторов. Сигнал “Старт” задается детектором, определяющим момент рождения возбужденного ядра. Это может быть, например, момент попадания ускоренной частицы

на какую-либо мишень – тогда детектор ставится непосредственно перед мишенью на пути движения ускоренной частицы. Сигнал “Стоп” задается детектором, который регистрирует вторичное излучение, вылетающее из мишени в результате распада возбужденного ядра.

Возможна, однако, и совершенно иная ситуация, когда за одним сигналом “Старт” следует несколько сигналов “Стоп”, т.е. требуется измерить сразу несколько временных интервалов, имеющих общее начало отсчета. Такая ситуация типична для спектрометрии нейтронов по методу времени пролета. В этом случае источником нейтронов служит либо мишень импульсного ускорителя, либо механический прерыватель (селектор) пучка нейтронов, вылетающих из реактора. В обоих случаях возникает короткий нейтронный импульс (пачка нейтронов), содержащий набор нейтронов с различной скоростью. В момент генерации нейтронного импульса появляется сигнал “Старт”.

Пачка нейтронов, проходя через пролетную базу, размывается во времени из-за разной скорости нейтронов. Детектор, стоящий на

97

конце пролетной базы, последовательно регистрирует падающие на

него нейтроны: вначале самые быстрые, под конец – самые медленные. Таким образом, сигналами “Стоп” являются сигналы, снимаемые с детектора, стоящего на конце пролетной базы. В приведенном примере сигнал “Старт” возникает циклически с постоянной длительностью цикла Тц, поэтому подобные задачи относятся к классу задач регистрации нескольких временных интервалов за цикл. К этому же классу задач относится регистрация нескольких частиц в одном дрейфовом промежутке дрейфовой камеры: сигнал “Старт” задается внешним детектором, определяющим момент входа частицы в дрейфовую камеру, сигналы “Стоп” возникают на анодной нити камеры поочередно от каждой прошедшей через дрейфовый промежуток камеры частицы, пропорционально расстоянию от области трека до анодной нити. В последнем случае сигналы “Старт” задаются не обязательно строго периодически. Для правильных измерений важно лишь, чтобы минимальный интервал времени между сигналами “Старт” был больше, чем максимальный интервал времени между сигналами “Старт” и “Стоп”. Под длительностью цикла в этом случае обычно понимают максимально возможный интервал между сигналами “Старт” и “Стоп”.

Характер появления сигналов “Старт” на входе преобразователя (случайный, периодический, ограниченный минимальным интервалом времени) в значительной мере определяет выбор его мертвого времени, а тем самым и принцип построения. Кроме того, при построении ВЦП необходимо учитывать, что не каждый сигнал “Старт” обязательно сопровождается сигналом “Стоп”: так, далеко не все дрейфовые промежутки камеры срабатывают при регистрации какого-либо события.

Метод прямого кодирования

Суть этого метода проста. Временной интервал, подлежащий кодированию, заполняется серией последовательных импульсов опорной частоты. Эта серия импульсов, по существу, и представляет собой линейный последовательный код временного интервала, а импульсы серии, сосчитанные двоичным счетчиком, дают двоичный код измеряемого интервала времени. Практическая реализация прямого метода кодирования зависит от того, что необходимо ко-

98

дировать за рабочий цикл время-цифрового преобразователя: один или несколько временных интервалов.

Структурная схема время-цифрового преобразователя прямого кодирования и временные диаграммы, поясняющие его работу, приведены на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Структурная схема ВЦП прямого кодирования (а) и временные диаграммы его работы (б)

ВЦП состоит из RS-триггера Т, генератора Г, вырабатывающего непрерывную серию импульсов с периодом tГ, логической схемы совпадений &, счетчика импульсов Сч. С приходом сигнала “Старт” триггер Т взводится, подавая на схему & сигнал, разрешающий прохождение сигналов от генератора Г на счетчик Сч. В момент прихода сигнала “Стоп” триггер сбрасывается, схема & закрывается, и счет импульсов в счетчике прекращается. Если при этом счетчик Сч сосчитал К импульсов, то измеренный временной интервал будет определяться как t=KtГ. Код временного интервала может быть передан в ЗУ или ЭВМ в последовательном виде с выхода элемента & либо параллельным кодом со счетчика Сч. При отсутствии сигнала “Стоп” в момент переполнения счетчика триггер будет сброшен в исходное состояние.

Емкость Кмax счетчика Сч и период tГ генератора Г определяют рабочий диапазон ВЦП, равный КмaxtГ, а период генератора tГ— ширину временного канала.

Существуют две разновидности подобных ВЦП, отличающихся типом используемого генератора Г (обычно называемого генератором опорной частоты). Это может быть ждущий генератор, который запускается в момент прихода сигнала “Старт” так, что им-

99

пульсы опорной частоты появляются в строго определенной фазе по отношению к сигналу “Старт”. Сигнал “Стоп” прекращает работу генератора. Может применяться и генератор опорной частоты, работающий непрерывно. При этом серия, заполняющая временной интервал, формируется схемой совпадения &, открываемой сигналом “Старт” и закрываемой сигналом “Стоп”. Фаза появления сигналов серии в этом случае никак не коррелирована с моментом прихода сигнала “Старт”. Использование ждущих генераторов опорной частоты несколько упрощает построение ВЦП по сравнению с ВЦП с непрерывно работающим генератором. Погрешность определения временного интервала время-цифровым преобразователем со ждущим генератором составляет ±½ ширины канала (период серии опорной частоты). А для ВЦП с непрерывно работающим генератором эта погрешность равна ±1 канал, что обусловлено неоднозначностью начала появления сигналов опорной частоты значением ±½ периода и неопределенностью фиксирования конца интервала значением ±½ периода серии. Однако ждущий генератор не обеспечивает высокой стабильности, и, более того, в начале своей работы в процессе выхода на стационарный режим такой генератор является источником интегральной нелинейности. Обычно ждущие генераторы используются в ВЦП с небольшим числом каналов до 102, например, при кодировании сигналов преобразовате-

лем t–T, в которых из-за ограниченного временного разрешения детекторов не требуется высокая точность кодирования.

Генераторы опорной частоты на основе кварцевых резонаторов обеспечивают высокую стабильность и однородность ширины временных каналов, однако, работают непрерывно, что приводит к неопределенности начальной фазы относительно сигнала “Старт”. Но это обстоятельство не имеет существенного значения, если спектральные пики временного распределения занимают (на поло-

вине высоты), как следует из условий оптимизации, 5 – 6 каналов. Неопределенность кодирования каждого временного интервала в один канал в этом случае практически не влияет на точность определения положения максимума пика и других его параметров.

Из логики работы таких ВЦП следует, что время кодирования равно длительности кодируемого интервала. Мертвое время может быть несколько больше, если ВЦП содержит счетчик, преобразующий линейный позиционный код в двоичный: следующий вре-

100