Девиация масштаба времени в аналоговых структурах линейного экспандирования

К измерениям интервалов времени (ИВ) нано-секундного и субнаносекундного диапазонов с высокой точностью проявляют интерес различные направления науки и техники. В этом плане следует отметить обширную сферу фундаментальных и прикладных исследований ядерных превращений, процессов физики высоких энергий и физики быстрых нейтронов, ориентированных на многообразие времяпролетных и временных методик измерений [1, 2]. Эти измерения решают задачи поиска эффективных лазерно-активных сред, используются при изучении характеристик и параметров лазерной и электронной техники, привлекают внимание спектрометрии оптических явлений и т. п. [3, 4]. Не составляет труда понять, что это далеко не полный перечень вопросов и задач, ответы на которые получают с помощью измерений данного вида.

МЕТОДЫ ИЗМЕНЕНИЯ МАСШТАБА ВРЕМЕНИ И ВАРИАНТЫ ИХ РЕАЛИЗАЦИИ

Наряду с наиболее известным методом преобразования время—амплитуда (t-А) в практике измерений коротких ИВ широко применяется метод время—амплитуда—время—код (t-А-Т-С). Он, как и первый упомянутый метод (t-А), относится к категории так называемых косвенных методов измерения ИВ [5]. Его сущность состоит в расширении исходного интервала, т. е. увеличении его длительности путем изменения масштаба времени. Характерно, что модификация масштаба может быть выполнена как цифровым, так и аналоговым методами.

В основу цифрового способа вариации масштаба времени положен обычно верньерный метод, где сравниваются два периодических процесса, запускаемые началом и концом измеряемого ин- тервала [5, 6]. Периоды следования их сигналов незначительно отличаются друг от друга. В ходе измерений фиксируется момент совпадения сигналов обеих последовательностей, чтобы прервать их генерацию. Результат измерения получают в форме зафиксированного числа импульсов, обусловленных генерацией, связанной, как правило, с началом ИВ.

Более широкое применение и практическую реализацию для изменения масштаба времени получил аналоговый способ, суть которого состоит в следующем [5, 6]. Измеряемый интервал запоминается путем заряда конденсатора током в течение его длительности. Разряжая затем емкость малым током, осуществляют экспандирование исходной длительности, т. е. изменяя ее масштаб, получают увеличенный, расширенный интервал. В этом случае для увеличения масштаба времени реализуется метод (t-А-Т). Полученный интервал времени заполняют стабильной последовательностью импульсов. Подсчитав выделенное число импульсов, определяют величину интервала времени в форме двоичного кода, который является результатом измерения.

Структура измерителя временных интервалов (ИВИ) на основе рассмотренного алгоритма изменения масштаба времени представлена на рис. 1. В его составе можно выделить ряд законченных, функционально-обособленных устройств. Исходная длительность интервала t , заключенная между сигналами Старт и Стоп, выделяется селектором измеряемого интервала времени (СИИВ). Она поступает на аналоговый трансформатор масштаба времени (АТМВ). Данное устройство, реализуя процесс экспандирования, увеличивает в K раз исходную длительность t , образуя на выходе АТМВ интервал величиной Т , который равен: Т = Kt . С помощью преобразователя время—код (ПВК), подключенного к выходу схемы АТМВ, получают информацию в цифровом виде о величине расширенного интервала. Сигналы, необходимые

Рис. 1. Структура измерителя временных интервалов.

АТМВ — аналоговый трансформатор масштаба времени, ПВК — преобразователь время—код, СНД — система сбора данных, ФЛУ — функциональное логическое устройство

для обслуживания схем в составе ИВИ, формируются с помощью функционального логического устройства (ФЛУ), которое дает еще сигналы связи измерителя с другими устройствами и модулями в системе сбора данных.

ДЕВИАЦИЯ МАСШТАБА ВРЕМЕНИ — ОДНА ИЗ ФОРМ ДЕСТРУКТИВНОГО ФАКТОРА

СНИЖЕНИЯ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ

Ширина шага квантования Δ в регистрируемом распределении ИВ в виде спектра при прецизионных измерениях доходит до сотых долей наносекунды и менее. В таком случае отклонение величины экспандированного интервала от истинного значения его преобразованной длительности, т. е. девиации масштаба времени, должна быть сведена к минимуму. Следовательно, к стабильности К предъявляются весьма высокие и жесткие требования. Величина К , называемая коэффициентом трансформации, задается в схеме АТВМ и определяет минимальное значение ширины канала измерения или величину шага квантования Δ. Она равна А = Т 0 /К , где Т 0 — период следования импульсов генератора опорной серии в схеме ПВК, входящей в состав ИВИ.

Практика применения и использования прецизионных измерений ИВ показала, что на изменение масштаба времени влияет не только коэффициент трансформации K длительности интервала. Помимо данного критерия, девиация которого обусловливает изменение масштаба времени, аналогичное влияние на эти отклонения оказывают и флуктуации временнóго порога. Этот параметр, весьма характерный для прецизионных временных измерений, присутствует во всех ИВИ, используемых в решении измерительных задач такого уровня.

Наличие проблем, являющихся причиной изменений масштаба времени, их рассмотрение и обсуждение можно выполнить на основе функциональной схемы ИВИ, приведенной на рис. 2. В ее составе несколько подробнее представлены те устройства, которые связаны с данными вопросами и аспектами, характерными для прецизионных ИВИ. Девиация масштаба времени в измерителе обусловлена изменениями коэффициента трансформации и флуктуациями временнóго порога. Отметим некоторое своеобразие воздействия дестабилизирующих факторов на эту совокупность параметров ИВИ.

Неконтролируемые изменения коэффициента трансформации могут иметь место лишь в схеме АТМВ. Они связаны с нестабильностью токов: либо тока заряда 1 з накопительного конденсатора С, либо тока его разряда 1 р или обоих одновременно. Токи получают соответственно от источника тока заряда ИТЗ и источника тока разряда ИТР конденсатора. Значение коэффициента трансформации К определяется только лишь их отношением, и он равен К = 1 з /1 р . Величина этих токов выбирается из соотношения 1 з >> 1 р , и они отличаются друг от друга в сотни раз и более [5, 6]. Их стабильность, как и независимость отношения этих токов от изменений внешних факторов и их воздействия, служит залогом и является гарантией высокого уровня стабильности коэффициент трансформации схемы АТМВ. В этом случае можно говорить о "местном" характере проявления и влияния дестабилизирующих факторов, вызывающих изменение масштаба времени. Девиацию этого параметра, обусловленную нестабильностью коэффициента преобразования, считают и рассматривают локализованной формой ее проявления, что в значительной мере упрощает борьбу с ее негативными моментами и их последствиями.

Поступление исходного интервала t со схемы СИИВ замыкает ключ Кл, подключая источник

Рис. 2. Функциональная схема измерителя временных интервалов.

АТМВ — аналоговый трансформатор масштаба времени; ИТЗ — источник тока заряда; ИТР — источник тока разряда; Кл — ключ; ПВК — преобразователь время—код; С — конденсатор; СИИВ — селектор измеряемого интервала времени; СНД — система сбора данных; УВСП — устройство выделения сигнала Стоп; УВСТ —устройство выделения сигнала Старт; ФВВИ — формирователь выходного временнóго интервала; ФИВИ — формирователь измеряемого временнóго интервала; ФИП — фиксатор исходного потенциала; ФЛУ — функциональное логическое устройство

тока заряда ИТЗ. Ток заряда I з , отключая схему фиксации исходного потенциала ФИП на конденсаторе С, заряжает его в течение длительности входного интервала t . По окончании ее ключ КЛ размыкается, и конденсатор С разряжается током I р источника тока разряда ИТР, осуществляя и поддерживая процесс экспандирования исходного интервала времени, т. е. расширение его в K раз. Трансформированная длительность выделяется схемой формирования выходного временнóго интервала ФВВИ устройства АТМВ в виде выходного интервала времени длительностью Т = K t = = t I з / I р . Этот интервал времени, поступая на схему ПВК, трансформируется и представляется в цифровой форме, т. е. в виде двоичного кода.

СПЕЦИФИКА ВКЛАДА ВРЕМЕННОГО ПОРОГА В ПРОЦЕСС ЭКСПАНДИРОВАНИЯ ИНТЕРВАЛОВ ВРЕМЕНИ

Проблемы временного порога, влияющие на девиацию масштаба времени, в отличии от затруднений, вызванных коэффициентом преобразования, носят гетерогенный характер. Прежде всего, они возникают в схеме ФВВИ устройства АТМВ на этапе выделения и формирования выходной длительности. Это связано, с одной стороны, с выделением ее начала и конца, а с другой — они зависят от стабильности уровня сравнения и его дрейфа в пороговом устройстве, а также изменения его параметров от воздействия на схему

ФВВИ дестабилизирующих факторов. Не затрагивая всех тонкостей этих процессов, отметим лишь одну их особенность, состоящую в том, что при этом возникает так называемая "медленная" неконтролируемая составляющая временнóго порога ИВИ.

Такие неуправляемые изменения коэффициента преобразования и временнóго порога вносят негативный вклад в измерительный процесс. Вызывая девиацию масштаба времени в ИВИ, они ведут к нетерпимой в ряде случаев модификации его параметров. При разработке техники измерения данного назначения широко используются различные методы и схемотехнические решения, которые снижают влияние и вклад негативных факторов. Широко применяют различные варианты отрицательной обратной связи, температурной компенсации и параметрической стабилизации, что достаточно характерно для аналоговых устройств в целом. Пользователи для достижения высоких параметров ИВИ нередко применяют достаточно радикальные меры. Известен случай [7] полной термостабилизации всего измерителя посредством помещения его в термостат, где температура поддерживалась (36 ±0.1) °С.

В свою очередь, "быстрая" составляющая вре-меннóго порога связана с другим устройством ИВИ и обусловлена логическим отбором сигналов в схеме СИИВ. Она вызвана появлением "дополнительной" задержки между выделенными сигналами Старт и Стоп. Данная составляющая времен- нóго порога возникает на выходе устройств выделения этих сигналов, т. е. схем УВСТ и УВСП соответственно. Временнóе соотношение между ними в виде длительности измеряемого интервала получают на выходе схемы формирования измеряемого временнóго интервала ФИВИ. Опасность возникает и таится в неконтролируемом, стихийном изменении этой задержки под воздействием различных дестабилизирующих факторов.

Основу элементной базы логических устройств ИВИ составляют быстрые цифровые интегральные схемы (ЦИС) [2, 5, 6, 8]. Это, как правило, ЦИС типа ЭСЛ (эмиттерно-связанная логика) серий 100, 137, 138, 500, 1500 и т. д. При передаче сигнала средняя задержка одного логического элемента в этих ЦИС составляет единицы наносекунд и менее. Изменение температуры в пределах одного градуса ведет к дрейфу этого параметра на единицы пикосекунд и выше. Еще более значительное отклонение параметра имеет место при нестабильности величины порогового напряжения в этих ЦИС под воздействием дестабилизирующих факторов. Изменение напряжения порога на 1 % (в ЭСЛ — это напряжение около 1.2 В) вызывает изменение положения выходного сигнала уже на десятки пикосекунд [9].

Это указывает на необходимость принятия мер, которые могут помочь в решении проблем "быстрой" составляющей временнóго порога. Данный аспект чрезвычайно важен, т. к. девиация этой составляющей временнóго порога возрастает на конечном этапе в K раз, где K — коэффициент трансформации. Помимо традиционного подхода, который заключается в использовании схем термокомпенсации и параметрической стабилизации, используют и другие решения. Например, в устройстве СИИВ в составе схем УВСТ и УВСП применяется одинаковое число логических элементов цифровых микросхем. Таким образом, компенсируются изменения относительной задержки между выделенными сигналами Старт и Стоп на выходе схемы ФИВИ. В этом случае нередко учитывается даже направление изменения логических уровней в элементах используемых микросхем. Данное решение принято считать одним из вариантов параметрической стабилизации. Другим вариантом решения вопроса изменения временнóго порога ИВИ, связанного с обеими его составляющими, можно считать его стабилизацию [10].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассмотренные аспекты и приведенные доводы лишний раз свидетельствуют о важности и необходимости учета девиации масштаба времени в аналоговых структурах линейного экспандиро-вания. Такие изменения, создающие проблему измерения наносекундных интервалов времени с высокой точностью и стабильностью, необходимо учитывать специалистам в разных сферах науки и техники.