Повышение линейности расширения интервалов времени в аналоговых устройствах их трансформации

Расширение сферы применения электронных методов ядерной физики тесно связано с техникой измерения интервалов времени. Среди них как направление в наносекундной электронике нашли место методы измерения малых длительностей косвенным путем, техника которых заняла особое положение [1]. Ее развитие и совершенствование связано с исследованиями, развернутыми в физике высоких энергий, лазерной и электронной технике, в биотехнологии, физике быстрых нейтронов и т. д.

Не умоляя успехов и достижений в эволюции цифровой схемотехники (повышение ее быстродействия и скорости счета), отметим, что косвенные методы измерения коротких интервалов времени все еще остаются весьма востребованными. Наиболее широкое применение нашел метод преобразования время—амплитуда ( t - А ), где конденсатор служит элементом памяти, фиксирующим информацию о поступившей длительности в виде амплитуды. Такую ситуацию можно объяснить с одной стороны достаточно простой реализацией метода, а с другой — значительным прогрессом в сфере аналого-цифрового преобразования данных, а также развитием микроэлектронных средств этого направления [2].

Дополнение схемы t-А цепью разряда конденсатора создало метод расширения интервалов, типа (t- А - Т). Если добавить этап преобразования время—код, получаем еще одну разновидность косвенного метода измерения интервалов типа время—амплитуда—время—код (t- А - Т- С). При этом, по мнению специалистов, исключается двустадийность запоминания аналоговой информации. Особенно такой не всегда благоприятный аспект имеет место в способе t-А, если в дальнейшем используется аналого-цифровой преобразователь (АЦП) вилкинсоновского типа [3]. Устраняется влияние негативных факторов, связанных с вход- ными цепями АЦП, т. к. изменение масштаба времени в схеме t-А-Т происходит за счет заряда и разряда одного и того же конденсатора разными токами.

Специфика такой версии косвенного метода измерения интервалов времени состоит в том, что изменение масштаба времени в ней осуществляется посредством аналоговой трансформации длительности интервала. Метод используется в практике создания различных модификаций измерителей временных интервалов (ИВИ), широко применяемых в составе измерительных систем и комплексов разного плана и уровня. Характерной особенностью таких средств электронной техники является то, что они ориентированы на измерение и регистрацию распределения интервалов с нано- и субнаносекундным разрешением.

Структура ИВИ и состав ее в виде электронных устройств приведены на рис. 1. Интервал, заключенный между сигналами СТАРТ и СТОП, выделяется схемой селекции измеряемого временного интервала (СИВИ) в виде сигнала длительностью t . В схеме расширения временных интервалов (РВИ) он увеличивается в к раз, а в устройстве управления (УУ) его используют для формирования слу-

Рис. 1. Структурная схема измерителя временных интервалов. ПВК — преобразователь время—код; РВИ — расширитель временных интервалов; СИВИ — селектор измеряемого временного интервала; СНД — система накопления данных; УУ — устройство управления жебных сигналов, обеспечивающих функционирование ИВИ в целом.

Трансформированный схемой РВИ исходный сигнал интервала времени, длительность которого теперь равна Т = kt , поступает на схему преобразователя время—код (ПВК). Полученная с его помощью кодовая информация о длительности зарегистрированного интервала времени, передается в систему накопления данных (СНД). Не затрагивая структуру интерфейса связи, т. к. это не является предметом рассмотрения в этой работе, заметим, что факт передачи кода из ИВИ в СНД сопровождается и фиксируется обменом между ними сигналами ЗАЯВКА/ОТВЕТ схемы УУ.

В измерителях данного вида, как уже отмечалось, осуществляется аналоговая трансформация длительности интервала. Параметры этого процесса определяются в основном устройством РВИ типа t-А-Т , функциональная схема которого представлена на рис. 2. Поступивший сигнал интервала времени t замыкает ключ (Кл), подключая источник тока заряда (ИТЗ). Так как источник тока разряда (ИТР) не коммутируется, то конденсатор (С) заряжается разностью токов ( I З - I _Р ), которая отключает схему фиксации исходного потенциала (ФИП) на емкости С. Выполняется первый этап преобразования t-А , т. е. время—амплитуда. По окончании входного интервала начинается разряд конденсатора С, который завершается включением схемы ФИП. Этот процесс относится ко второму этапу преобразования А-Т , т. е. амплитуда— длительность. Суммарное время Т заряда и разряда емкости С выделяется схемой формирования выходного временного интервала (ФВВИ).

Основным параметром схемы РВИ принято считать коэффициент трансформации k . Он указывает, во сколько раз была увеличена исходная длительность, и определяется как: к = Т / t = I _З / I _Р . Именно им задается минимальная ширина канала ИВИ,

Рис. 2. Функциональная схема РВИ типа t-А-Т .

ИТЗ — источник тока заряда; ИТР — источник тока разряда; Кл — ключ; С — конденсатор; ФВВИ — формирователь выходного временного интервала; ФИП — фиксатор исходного потенциала которая равна А = Т0/к, где Т0 период следования опорных импульсов генератора в ПВК [1, 3]. Стабильность данного коэффициента имеет принципиальное значение для ИВИ, однако не менее важным параметром измерителя служит линейность изменения масштаба времени.

ПРОБЛЕМА НЕЛИНЕЙНОСТИ ТРАНСФОРМАЦИИВРЕМЕННОГО ИНТЕРВАЛА. СПОСОБЫ ЕЕ ПРЕОДОЛЕНИЯ

Изначальное напряжение на конденсаторе С устройства РВИ поддерживается схемой ФИП. Ее отключение, а точнее запирание, при поступлении исходного интервала идет нелинейно, ухудшая начальный участок регистрируемого временного спектра. Его величина нередко доходит до десятков наносекунд и в ряде случаев может составлять 15^20 % от диапазона измерений [4]. Непростая ситуация создается и на конечном этапе расширения, когда схема ФИП начинает открываться. Процесс тоже носит нелинейный характер, усугубляемый малой величиной тока разряда и медленным изменением потенциала на конденсаторе. В измерителях этого типа такие процессы характеризуются величиной интегральной нелинейности, которую стремятся сделать минимальной [1, 3].

Основным активным элементом схемы ФИП является либо диод [1], либо транзистор [5]. В исходном состоянии они находятся в открытом состоянии и запираются на весь этап изменения длительности поступившего интервала, т. е. его преобразования. Чтобы снизить нелинейность расширения при использовании в качестве элемента ФИП диода, его через усилитель охватывают обратной связью [3, 6]. Образуется так называемый "усиленный" диод с увеличенной крутизной вольт-амперной характеристики, что положительно сказывается на выделении конца преобразования. Однако использование такого варианта не решает проблему нелинейности преобразования интервалов в целом. Нужно отметить обеспокоенность специалистов, некоторые из которых считают, что погрешности измерений, связанные с нелинейностями такого вида, наиболее трудно устранимые, т. к. на практике их невозможно ликвидировать какой-либо регулировкой [7].

При изменении масштаба времени этим методом более действенным подходом к вопросу повышения линейности расширения интервалов, по мнению авторов, служит организация и поддержание исходного виртуального потенциала (ИВП) на конденсаторе. Такой потенциал создается активным воздействием на элементы схемы расширителя типа t-А-Т путем использования петли обратной связи, влияние которой в процессе заряда и разряда устраняется. Для поддержания ИВП конденсатора

Рис. 3. Упрощенная схема РВИ типа t-А-Т с вариантом поддержания ИВП путем частичной компенсации тока разряда.

БК — буферный каскад; ВТВИ — схема выделения трансформированного временнóго интервала; ИТЗ — источник тока заряда; ИТР — источник тока разряда; С — конденсатор; УБР1(2) — устройство быстрого разряда; УС — усилитель; VD — диод (КД-512А); VT1÷VT4 — транзисторы (КТ325Б)

Рис. 4. Упрощенная схема РВИ типа t-А-Т с версией поддержания ИВП путем компенсации тока заряда.

БК — буферный каскад; ВТВИ — схема выделения трансформированного временнóго интервала; ИЛИ — логический элемент; ИТЗ — источник тока заряда; ИТР — источник тока разряда; РИТ — регулируемый источник тока; С — конденсатор; ЭЗ — элемент запрета; VT1,VT2 — транзисторы (КТ363Б); VT3,VT4 — транзисторы (КТ325Б)

используются дополнительные регулируемые источники токов, компенсирующие или ток заряда, или разряда.

Рассмотрим схемы РВИ типа t-А-Т, где реализованы разные версии поддержания ИВП на конденсаторе. В одной (см. рис. 3) отключен ток заряда, а ток разряда подключен, и поддержание ИВП конденсатора происходит частичной его компен- сацией. В рабочем состоянии режим ИВП создается схемой выделения трансформированного вре-меннóго интервала (ВТВИ) и парой транзисторов VТ3 иVТ4, работающей в линейном режиме. Изменяя ток коррекции IК, удерживают ИВП конденсатора С, регулируя ток балансировки IБ = IР – IК, протекающий в исходном состоянии через токовый выход усилителя УС.

Приход сигнала интервала t меняет состояние транзисторов VТ1 и VТ2, открывая VТ2. Конденсатор С заряжается током I З схемы ИТЗ, и усилитель УС запирается падением напряжения от I З на прямом сопротивлении диода VD, отключая ток балансировки I Б . Буферный каскад БК передает эти изменения на схему ВТВИ, которая выключает ток коррекции I К , формируя начало расширенной длительности Т , разрывая петлю обратной связи. По окончании интервала t ток заряда I З отключается и начинается процесс разряда. Диод VD запирается, включая усилитель УС, токовый выход которого следит за потенциалом на конденсаторе С. Имеет место эффект Миллера [8], т. к. конденсатор включен в цепь обратной связи усилителя, обеспечивая тем самым высокую линейность его разряда. Процесс разряда током I Р / K +1 (где K — коэффициент усиления усилителя УС) идет до тех пор, пока не сработает пороговый элемент схемы ВТВИ. Включается ток коррекции I К , восстанавливая в схеме режим ИВП. Процесс установки режима идет весьма быстро за счет кратковременной положительной обратной связи, разрываемой гистерезисом порогового элемента. На выходе схемы РВИ выделяется интервал времени величиной Т = ( K + 1) t I З / I Р , поступающий на схему ПВК.

Процесс разряда конденсатора сигналом по входу РАЗРЕШЕНИЕ/ЗАПРЕТ может быть прерван в любой момент времени. Сигнал включает устройства быстрого разряда (УБР1 и УБР2). Один из них (УБР1) резко увеличивает ток разряда, а другой (УБР2) шунтирует входные цепи усилителя УС, выключая его. Появление сигнала на этом входе связано с нарушением условий измерений или режима работы измерителя. На выходе схемы ВТВИ выделяется интервал не более (3÷5) t , снижая мертвое время блока ИВИ.

Другая версия поддержания ИВП в составе РВИ типа t-А-Т приведена на рис. 4. Данный режим в схеме создается ИТЗ, который подключен открытым транзистором VТ3 переключателя тока (VТ3, VТ4) к емкости С. Состояние ИВП на ней сохраняется петлей обратной связи, замкнутой через БК, схему ВТВИ и дополнительный компенсирующий ток ИТЗ регулируемый источник тока (РИТ). Этот источник тока, включенный параллельно ИТР, может отключаться с помощью переключателя тока (VТ1, VТ2).

Выходной сигнал логического элемента ИЛИ, открывая транзистор VТ1, разрывает петлю обратной связи, отключая РИТ на время заряда и разряда емкости устройства РВИ. С помощью схемы элемента запрета (ЭЗ) спустя входную длительность t ИТЗ отключается переключателем тока (VТ3, VТ4) от конденсатора. В таком случае емкость, заряженная током (IЗ – IР) в течение интервала t, в последующем разряжается ИТР. Ее разряд завершается при срабатывании порогового элемента в схеме ВТВИ, фиксируя на выходе расширенный интервал времени Т. При этом оба переключателя токов (VТ1, VТ2) и (VТ3, VТ4) возвращаются в исходное состояние, восстанавливая петлю обратной связи в схеме РВИ, создавая и обеспечивая режим ИВП на ее накопительном конденсаторе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Обе схемы РВИ, как и их модификации, неоднократно использовались в составе измерительных модулей временнóго аналого-цифрового преобразования типа ВАЦП, выполненных в стандарте САМАС. В обоих случаях их интегральная нелинейность практически в 100 % диапазона измерений, который задавался и находился в пределах 100÷2000 нс, была не хуже 0.05 %. Диапазон измерений определяется в основном периодом следования сигналов СТОП ускорителя, работающего в импульсном режиме. Модули данного типа стали ядром измерительных систем спектрометров быстрых нейтронов по времени пролета, функционирующих на базе ускорительного комплекса института [9]. Рассмотренные структуры РВИ типа t-А-Т достаточно универсальны и найдут применение в измерителях интервалов времени, ориентированных на решение задач измерений в суб-наносекундной области с высокой линейностью преобразования.

Работа выполнена при частичной поддержке Российского фонда фундаментальных исследований РФФИ и Калужского научного центра (грант 07-02-96400)