Повышение точности экспандирования интервалов времени за счет компенсации длительности порога преобразования

Изучение спектрально-кинетических характеристик люминесценции и поиск лазерно-активных сред, измерение времени жизни уровней возбуждения нейтральными и заряженными частицами, фундаментальные и прикладные исследования ядерных превращений, процессов физики высоких энергий и физики быстрых нейтронов нередко связаны с прецизионной временнóй спектрометрией [1–5]. Высокая точность измерений необходима для лазерного зондирования космических объектов и планет солнечной системы [6]. В работе представлена версия технического решения, повышающая точность и стабильность измерений коротких интервалов времени.

АНАЛОГОВЫЕ СТРУКТУРЫ ИЗМЕНЕНИЯ МАСШТАБА ВРЕМЕНИ

Среди электронных средств измерения интервалов времени нано- и субнаносекундных диапазонов широко применяется техника аналого-вре-меннóй трансформации их длительности. Ее основу составляет метод t-A-T (время-амплитуда-время), который является наиболее востребованным среди методов косвенного кодирования [7]. Эти методы и их модификации служат основой для прецизионного измерения коротких интервалов времени.

При экспандировании длительности интервала его начало независимо от метода косвенного кодирования фиксируется сигналом СТАРТ. Окончание интервала связывается с сигналом СТОП. Длительность интервала времени, заключенная между ними, выделяется схемой селектора измеряемого интервала времени (СИИВ) и запоминается схемой аналогового трансформатора масштаба времени (АТМВ) в виде заряда на накопительном конденсаторе. Это устройство модифицирует масштаб времени путем заряда и разряда конденсатора разными по величине и полярности токами. Естественно, что ток заряда Iз всегда больше (в десятки и более раз) тока разряда Iр, т. е. Iз >> Iр. Их отношение, т. е. коэффициент трансформации k = Iз / Iр, показывает, во сколько раз увеличился входной интервал t: Т = k t, где Т — выходной сигнал схемы АТМВ.

Расширенный интервал Т с помощью преобразователя время-код (ПВК) переводится в цифровой эквивалент измеряемого интервала, поступившего на вход измерителя временных интервалов (ИВИ). Точность измерения интервала t определяется шириной Δ канала ИВИ, которая равна Δ = Т 0 / k , где Т 0 — период следования импульсов генератора таймерной серии в ПВК, а k — коэффициент трансформации в схеме АТМВ.

Известны схемы АТМВ на базе двух однополярных, но разных по величине токов [8]. За измеряемый интервал t конденсатор заряжается одним током I з , а затем дозаряжается до установленного потенциала другим током I д . Эти токи выбираются из условия I _з >>  I _д. Особенностью данного метода изменения масштаба времени является обратная временнáя шкала, т. е. большой входной длительности соответствует малый расширенный интервал и наоборот — малый интервал преобразуется в бóльшую длительность.

Отметим схему АТМВ с двумя накопительными конденсаторами разной величины и одним ис- точником тока [6]. Входной интервал запоминают на емкости С1, а затем сразу же начинают заряжать тем же током другой конденсатор С2, причем С2 >> С1. При равенстве их потенциалов фиксируется расширенная длительность, и обе емкости разряжаются. Можно отметить схему АТМВ с одним источником тока и одним конденсатором [9]. Заряжая конденсатор, запоминают входной интервал, а затем, коммутируя цепи его заряда и разряда, разряжают его тем же током, фиксируя удвоенную длительность входного интервала. Такой временной экспандер можно применять как для линейного, так и для нелинейного кодирования интервалов [10].

НЕЙТРАЛИЗАЦИЯ ДЕВИАЦИИ ПОРОГА ПРИ ЭКСПАНДИРОВАНИИ ДЛИТЕЛЬНОСТИ МЕТОДОМ ( t-A-T )

Дестабилизирующие факторы, связанные с девиацией масштаба времени при такой трансформации интервалов, обусловлены двумя аспектами. Один из них проявляется в виде нестабильности коэффициента преобразования в схеме АТМВ и определяется нестабильностью токов заряда и разряда накопительного конденсатора. Другой фактор, влияющий на девиацию масштаба времени, связан с нестабильностью порога ИВИ. Флуктуации порога содержат две составляющие — "быструю" и "медленную". Первая из них проявляется в схеме СИИВ при выделении и фиксации на временнóй оси измеряемого интервала. Вторая возникает при выделении преобразованной длительности этого интервала и имеет место в схеме АТМВ, входящей в состав ИВИ.

Вопросы снижения вклада деструктивных факторов в экспандирование интервалов уже обсуж- дались ранее [11, 12]. Радикальным решением части этих проблем является компенсация времен-нóго порога ИВИ. Предложено сначала ввести его в ИВИ путем дополнительной задержки выделенного в схеме СИИВ сигнала СТОП. Затем, вычитая введенную величину порога из трансформированной длительности измеряемого интервала, компенсируют преобразованную в схеме АТМВ величину порога. Схема ИВИ с нейтрализацией порога приведена на рис. 1. Устройство компенсации длительности порога (УКДП) аналогового типа, с помощью которого в ИВИ в значительной мере снижается влияние флуктуации его порога, включено между схемами АТМВ и ПВК.

Схема УКДП, вычитая трансформированную величину порога, периодически с частотой в несколько герц запускает его преобразование. На входы заблокированного ИВИ одновременно подаются сигналы СТАРТ и СТОП, и схема СИИВ выделяет величину введенной задержки сигнала СТОП. Она трансформируется схемой АТМВ в преобразованную величину порога и сравнивается с эквивалентной величиной, формируемой схемой УКДП. Результат сравнения используется в этой же схеме для коррекции эквивалентной длительности временнóго порога.

КОМПЕНСАЦИЯ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ПОРОГА ИВИ И ТЕХНИКА ЕЕ РЕАЛИЗАЦИИ

Схема УКДП представлена на рис. 2. В измерении схема СИИВ к входному интервалу t добавляет дополнительную длительность τ . Полученный сигнал величиной t* = t + τ запускает формирователь эквивалентной длительности (ФЭД) порога ИВИ.

Рис. 1. Схема ИВИ с компенсацией длительности порога.

АТМВ — аналоговый трансформатор масштаба времени; ИВИ — измеритель временн ы х интервалов; ПВК — преобразователь время-код; СИИВ — селектор измеряемого интервала времени; СНД — система накопления данных; УКДП — устройство компенсации длительности порога; УУ — устройство управления

Рис. 2. Схема компенсации длительности порога и устройство запуска циклов компенсации.

Г — генератор; И, ИЛИ — логические элементы; РЭД — регулятор эквивалентной длительности; Тр₁, Тр 2 — триггеры; УВД — устройство вычитания длительностей; УЗЦК — устройство запуска циклов компенсации; УСДИ — устройство сравнения длительностей импульсов; Ф с , Ф ф — формирователи по срезу и фронту импульса; ФЭД — формирователь эквивалентной длительности

Его сигнал величиной Т 0 = k τ уменьшает расширенный схемой АТМВ интервал Т* на эту величину с помощью устройства вычитания длительности (УВД). На выходе схемы УВД получают преобразованную длительность измеряемого интервала Т = Т* – Т 0 .

С частотой несколько герц генератор Г устройства запуска циклов компенсации (УЗЦК) взводит триггер Тр 2 заявки на цикл коррекции порога. Его уровень блокирует входы ИВИ через логический элемент (ЛЭ) ИЛИ. Если длительность Т* отсутствует, то цикл компенсации (ЦК) запускается сразу. При наличии сигнала Т * запуск цикла происходит лишь по его окончании, что обеспечивается ЛЭ И. Формирователь (Ф ф ) по фронту импульса выделяет сигнал, длительность которого достаточна для восстановления схемы АТМВ после экспандиро-вания, и взводит триггер Тр 1 управления компенсацией порога. Его уровень деблокирует устройство сравнения длительностей импульсов (УСДИ), выключает схему УВД, продлевая блокировку входов ИВИ через ЛЭ ИЛИ. По окончании сигнала со схемы Ф ф запускается другой формирователь Ф с по срезу импульса. Его сигнал инициирует ЦК порога ИВИ, возвращая триггер Тр 2 в исходное состояние.

Запущенный цикл компенсации временнóго порога ИВИ идет, как обычное измерение, только на вход схемы АТМВ подается интервал величиной τ. При этом на ее выходе выделяется длительность Т = k τ, поступающая на один из входов схемы УСДИ. На другой ее вход подается сигнал со схемы ФЭД. Результат сравнения этих величин появляется на одном из входов регулятора эквивалентной длительности (РЭД). Его аналоговый выход используется для подстройки длительности в устройстве ФЭД. Шаг ее изменения равен Δ/4, т. е. четверть ширины канала ИВИ. Сигнал с другого выхода схемы УСДИ возвращает триггер Тр1 в исходное состояние, завершая ЦК временнóго порога ИВИ.

ФОРМИРОВАНИЕ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ПОРОГА В ИВИ

Отметим особенности схемы ФЭД, изображенной на рис. 3. По структуре это сложный одновибратор. В его состав входят три времязадающие цепи (ВЗЦ 1 ÷ВЗЦ 3 ). Каждая из них содержит два инвертора, источник тока и емкость. Схема ВЗЦ 1 выполнена регулируемой, а две другие — ВЗЦ 2 и ВЗЦ 3 — подключаются к ней в зависимости от выбранного в ИВИ диапазона измерений (0÷500 или 0÷1000) нс. Это повышает точность компенсации, поскольку схема РЭД изменяет лишь часть длительности одновибратора с помощью регулируемого источника тока (РИТ).

Два ЛЭ 3И-НЕ, используя уровень переключения диапазона измерений, выбирают соответствующую схему ВЗЦ. Они же дополняют сигнал запуска (независимо от его длительности) величиной, определяемой параметрами регулируемой и выбранной ВЗЦ. Действительно, сигнал запуска взводит триггер Тр 1 и блокирует схемы 3И-НЕ.

Рис. 3. Устройство формирования эквивалентной длительности порога ИВИ.

ВЗЦ 1 , ВЗЦ 2 , ВЗЦ 3 — времязадающие цепи; ИТ — источники тока; РИТ — регулируемый источник тока; Тр 1 , Тр 2 — триггеры

По окончании этого сигнала начинает функционировать ВЗЦ, связанная с выбранным диапазоном измерений ИВИ. По мере разряда в ней конденсатора изменяется уровень ее выходного инвертора, который взводит другой триггер Тр 2 . Он инициирует работу ВЗЦ 1 (ее параметры регулируются в циклах коррекции), и ее емкость начинает разряжаться. Появление сигнала выходного инвертора ВЗЦ 1 устанавливает триггер Тр 1 в исходное состояние, завершая формирование эквивалентной длительности временнóго порога ИВИ. Изменением, уточнением ее в ЦК и вычитанием при измерении в значительной мере повышается точность измерений с помощью ИВИ такого типа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Практика использования техники этого вида показала ее высокую эффективность в изучении ядерных превращений методами времени пролета в составе временных спектрометров ускорительного комплекса института [13].

Работа выполнена при частичной поддержке Российского фонда фундаментальных исследований РФФИ и Калужского научного центра (грант 09-02-97515).