Subversion Repositories svnkaklik

Rev

Rev 887 | Go to most recent revision | Details | Compare with Previous | Last modification | View Log

Rev Author Line No. Line
872 kaklik 1
\documentclass[12pt]{article}
2
\usepackage{czech}
3
\usepackage{array}
4
\usepackage{times}
5
\usepackage{graphicx}
879 kaklik 6
\usepackage{pdfpages}
872 kaklik 7
\usepackage{color}
8
 
9
\usepackage[pdftex]{graphicx}
10
\usepackage{fancyhdr,multicol} %nastavení češtiny, fancy, grafiky, sloupce
11
\usepackage[utf8]{inputenc} %vstupni soubory v kodovani UTF-8
12
\usepackage[a4paper,text={17cm,25cm},centering]{geometry} %nastavení okrajů
13
\usepackage{rotating}
14
 
15
 
16
\textheight     230.0mm
17
\textwidth      155.0mm 
18
%\topmargin        0.0mm
19
\topmargin      -20.0mm
20
\oddsidemargin    0.0mm
21
\parindent        0.0mm
22
\renewcommand{\baselinestretch}{1.0}
23
 
24
\newcommand{\vsp}[1]{\vspace{#1mm}}
25
 
26
\begin{document}
27
 
28
\thispagestyle{empty}
29
 
30
\begin{center} 
31
  \extrarowheight 1.5ex
32
  \begin{tabular}{c} 
33
    \textbf{\Large České vysoké učení technické v Praze} \\
34
    \textbf{\Large Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská} \\
35
    \textbf{\Large Katedra fyzikální elektroniky}  
36
  \end{tabular}
37
\vsp{60}
38
 
39
\textbf{\Huge Modul pro Time Correlated Photon Counting}
40
\bigskip
41
 
42
{\Large Ročníková práce}
43
\end{center}
44
\vfill
45
 
46
\extrarowheight 0.75ex
47
\begin{tabular}{>{\large}l>{\large}l}
48
Autor páce: & \textbf{Jakub Kákona} \\
49
Školitel:    & Ing. Jan Kodet \\
50
Konzultant:  & Prof. Ing. Ivan Procházka, DrSc. \\
51
Školní rok:  & \textbf{2010/2011} 
52
\end{tabular}
53
\vsp{0}
54
 
55
\pagebreak
56
 
57
\mbox{}
58
\vfill
59
 
60
Prohlašuji, že jsem předloženou práci vypracoval samostatně a že jsem
61
uvedl veškerou použitou literaturu.
62
\vsp{10}
63
 
64
\noindent
888 kaklik 65
Praha, 13.9.2011 \hfill Jakub Kákona \qquad
872 kaklik 66
\par
67
\vsp{5}
68
 
69
\pagebreak
70
\tableofcontents
881 kaklik 71
\pagebreak
872 kaklik 72
 
881 kaklik 73
\begin{abstract}
875 kaklik 74
Předmětem této práce je návrh konstrukce přístroje určeného k měření krátkých časových intervalů vázaných na elektrické impulzní signály. 
75
Krátkým časovým intervalem se v tomto případě rozumí řádově  desítky piko sekund až jednotky mikrosekund. Od přístroje tohoto typu je obvykle vyžadováno velké časové rozlišení (65ps). Přístroj pak má široké uplatnění v medicíně průmyslu, kosmickém výzkumu a v experimentálních přístrojích fyziky vysokých energií.  
881 kaklik 76
\end{abstract}
872 kaklik 77
 
881 kaklik 78
\section{Zadání práce}
79
 
80
Vytvořte přístroj měřící časové intervaly využívající čip TDC-GP2 od firmy Acam. Navrhněte a osaďte tištěný spoj. Hotové a odladěné zařízení otestujte ve Vámi zvolených a navržených experimentech.
81
 
82
\begin{enumerate}
83
\item Seznamte se s funkcí mikrokontrolérů PIC.
84
\item Seznamte se s funkcí TDC-GP2.
85
\item Realizujte prototyp zařízení.
86
\item Ověřte jeho funkci.
87
\end{enumerate}
88
 
872 kaklik 89
\subsection{Časově digitální převodník (TDC)}
90
 
875 kaklik 91
Nejjednodušším způsobem elektronického měření časových intervalů je použití čítače a oscilátoru. Čítač pak počítá počet period oscilátoru mezi příchozími pulzy pro start a stop signál. Toto řešení ale začíná být se zkracujícími se intervaly velmi nepraktické, jelikož pro získání velkého časového rozlišení je třeba vysoká frekvence velice přesného oscilátoru. 
92
Navíc pro požadované časové rozlišení asi 65ps by nutná frekvence oscilátoru  byla zhruba 15,3GHz, což je ale se současnou digitální technikou neproveditelné. Nezanedbatelná je zároveň také potřebná délka extrémně rychlého čítače, která by pro praktické použití dosahovala desítek bitů. 
872 kaklik 93
 
879 kaklik 94
K měření se proto používá vhodnějšího principu a to šíření postupné vlny v sofistikovaném řetězci logických hradel. Ideové znázornění je na obrázku \ref{TDC_unit}.
873 kaklik 95
Metoda funguje tak, že příchozím startovacím impulzem je v řetězci vygenerována postupná vlna, která se šíří po jednotlivých hradlech až do doby, než je pomocí nadřazené logiky zamezeno jejímu šíření příchozím stop pulsem. Následně je pak podle počtu překlopených hradel mezi pulzy START a STOP  možné určit délku časového intervalu. 
96
Metoda tedy využívá konečnou rychlost šíření signálu přes hradla a její přesnost závisí na mnoha faktorech, jako je například geometrie čipu nebo zapojení řetězce.
97
 
872 kaklik 98
\begin{figure}[htbp]
99
\begin{center}
100
\includegraphics[width=150mm]{./img/TDC_principle2.png} 
101
\caption{Ideové schéma měřící jednotky TDC}
879 kaklik 102
\label{TDC_unit}
872 kaklik 103
\end{center}
104
\end{figure}
105
 
875 kaklik 106
Zajímavým problémem této metody je potřeba omezit počet hradel v řetězci na minimální množství, neboť tak lze lépe udržet linearitu měření a zjednodušit výrobu. Jednou z možností, jak tento problém vyřešit je zkombinovat měření na řetězci s měřením pomocí čítače. 
107
Příchodem startovacího pulzu je pak aktivována rychlá měřící jednotka, která měří pouze do nejbližší hrany hodin čítače. Následně počítá čítač intervaly oscilátoru až do doby než příchozí stop impulz aktivuje měřící jednotku která pak doměří čas do zbývající hrany hodin. Rozdíl pak udává skutečnou délku intervalu. Tento způsob měření je znázorněn na obrázku \ref{TDC_unit_long}.   
872 kaklik 108
 
109
\begin{figure}[htbp]
110
\begin{center}
873 kaklik 111
\includegraphics[width=150mm]{./img/TDC_principle.png} 
872 kaklik 112
\caption{Způsob přesného měření delších časových úseků}
879 kaklik 113
\label{TDC_unit_long}
872 kaklik 114
\end{center}
115
\end{figure}
116
 
873 kaklik 117
Předpokladem užití tohoto způsobu měření je dostatečně stabilní oscilátor s periodou kratší, než je měřící rozsah rychlé TDC jednotky. 
118
 
872 kaklik 119
\section{Realizace}
120
 
881 kaklik 121
\subsection{Architektura zařízení}
122
 
879 kaklik 123
Pro konstrukci přístroje byl zvolen jako hlavní měřící prvek čip TDC-GP2 od firmy Acam. Tento integrovaný obvod využívá k měření krátkých časových intervalů výše popsané metody řetězově zapojených hradel. Blokové schéma vnitřní architektury čipu je znázorněno na obrázku \ref{GP2_chip_block}.
124
Čip obsahuje mnoho dalších podpůrných obvodů, které zjednodušují jeho použití a také přidávají další funkce (generování spouštěcího pulzu například pro výstřel LASERu, blok umožňující měření teploty atd.).
872 kaklik 125
 
879 kaklik 126
S ohledem na tyto možnosti byla navržena koncepce výsledného zařízení tak, aby umožnila využití všech potenciálních možností čipu. Blokové schéma této koncepce je na obrázku \ref{device_block}. A obsahuje jednak obvody potřebné pro funkci čipu TDC-GP2, jako kalibrační oscilátor a napěťový stabilizátor. Tak i řídící mikroprocesor, několik možných komunikačních rozhraní a obvody pro referenční měření teploty i pro manipulaci se vstupními a výstupními signály (vstupní signál z experimentu může být poškozen rušením, nebo disperzí vedení, výstupní signál musí naopak odpovídat požadavkům experimentálního zařízení). 
873 kaklik 127
 
128
 
872 kaklik 129
\begin{figure}[htbp]
130
\begin{center}
131
\includegraphics[width=150mm]{./img/blokove_schema.png} 
132
\caption{Ideové schéma cílového zařízení}
879 kaklik 133
\label{device_block}
872 kaklik 134
\end{center}
135
\end{figure}
136
 
137
\begin{figure}[htbp]
138
\begin{center}
139
\includegraphics[width=150mm]{./img/TDC_block.png} 
140
\caption{Blokové schéma čipu TDC-GP2}
879 kaklik 141
\label{GP2_chip_block}
872 kaklik 142
\end{center}
143
\end{figure}
144
 
881 kaklik 145
\subsection{Konstrukční platforma}
146
 
147
Vzhledem k nepříliš kvalitní technické dokumentaci ke zvolenému čipu by nebylo časově ani ekonomicky výhodné pro přístroj navrhovat okamžitě jednoúčelový plošný spoj.  Pro vývoj zařízení byla proto zvolena prototypovací platforma MLAB \cite{MLAB}, která díky své variabilní modulární konstrukci umožňuje snadno a rychle měnit zapojení i fyzické rozložení. 
148
 
149
Tím je umožněno velmi efektivně procházet nejrůznější provozní stavy a upravovat konstrukci podle aktuálních potřeb programu nebo externího měřícího přístroje.
150
 
151
 
872 kaklik 152
\subsection{Testovací prototypy}
153
 
881 kaklik 154
Pro otestování funkčnosti zvoleného čipu byly sestaveny dva testovací prototypy, které se liší, především komunikačním rozhraním a způsobem generování testovacích impulzů. 
872 kaklik 155
 
156
\begin{figure}[htbp]
157
\begin{center}
158
\includegraphics[width=150mm]{./img/prototyp1.jpg} 
159
\caption{1. testovací prototyp}
160
\end{center}
161
\end{figure}
162
 
875 kaklik 163
První prototyp obsahoval pouze jeden mikroprocesor, který obstarával jak komunikaci s měřícím čipem TDC-GP2, tak i generování testovacích start-stop impulzů. Komunikace a přenos dat pak byla řešena přímo programátorem PICPROGUSB02A. 
873 kaklik 164
 
165
Toto řešení se po zprovoznění základních funkcí měřícího čipu ukázalo být nepraktické, neboť nezohledňovalo reálný způsob vzniku měřených signálů, což poměrně komplikovalo programování. Navíc způsob komunikace mezi řídícím mikroprocesorem a počítačem nemohl být trvalým řešením.   
166
 
167
Z tohoto důvodu byl připraven další prototyp. V kterém byl rychlejší mikroprocesor dedikován pouze pro generování testovacích impulzů simulujících reálný experiment. Pro komunikaci s čipem byl pak přidán levnější a pomalejší mikroprocesor a převodník USB232R01B pro sériovou komunikaci s počítačem.
168
 
872 kaklik 169
\begin{figure}[htbp]
170
\begin{center}
171
\includegraphics[width=150mm]{./img/prototyp2.jpg} 
888 kaklik 172
\caption{Druhý testovací prototyp}
872 kaklik 173
\end{center}
174
\end{figure}
175
 
176
\begin{figure}[htbp]
177
\begin{center}
178
\includegraphics[width=100mm]{./img/prototype2.png} 
888 kaklik 179
\caption{Způsob propojení modulů druhého prototypu}
872 kaklik 180
\end{center}
181
\end{figure}
182
 
183
 
184
\subsection{Hardware}
185
 
879 kaklik 186
Pro realizaci všech prototypů experimentálního zařízení bylo s výhodou využito stávajícího elektronického vývojového systému MLAB, který byl pro účely realizace měřícího zařízení obohacen o nový modul GP201A, který obsahuje čip TDC-GP2. Zapojení modulu bylo opět zvoleno tak, aby neomezilo využitelné možnosti čipu. Jeho konkrétní zapojení je součástí přílohy. Motiv navrženého plošného spoje je na obrázku \ref{GP201A_PCB}.
872 kaklik 187
 
188
\begin{figure}[htbp]
189
\begin{center}
190
\includegraphics[width=150mm]{./img/GP2_PCB.png} 
191
\caption{Návrh plošného spoje modulu GP201A}
879 kaklik 192
\label{GP201A_PCB}
872 kaklik 193
\end{center}
194
\end{figure}
195
 
873 kaklik 196
\subsubsection{Mikroprocesory}
197
 
198
V prvním prototypu byl k ovládání měřícího čipu TDC-GP2 využit mikroprocesor PIC18F4550 v modulu PIC18F4550v01A, který zároveň generoval testovací signály. V následujícím druhém prototypu byl odsunut pouze do pozice generátoru testovacího signálu. A pro obsluhu měřícího čipu byl přidán mikroprocesor PIC16F887 v modulu PIC16F87xTQ4401B. Jehož parametry jsou dostačující pro komunikaci s měřícím čipem i nadřazeným počítačem.  
199
 
200
 
872 kaklik 201
\subsubsection{Kalibrační oscilátor}
202
 
203
Princip měření čipu TDC-GP2  je ze své podstaty závislý na mnoha dalších proměnných (Rychlost překlápění hradel se mění například s teplotou a napájecím napětím) a proto je třeba  měřící řetězec soustavně a systematicky kalibrovat. K tomu slouží externí oscilátor o kterém se předpokládá, že má stabilní periodu. Měřící řetězec TDC čipu se pak použije ke změření periody oscilátoru a je jej pak možné kalibrovat za předpokladu, že výstupní digitální hodnota z měřícího řetězce je lineární funkcí času. 
204
 
879 kaklik 205
Při návrhu konstrukce prototypu bylo vybíráno z celé řady oscilátorů [viz příloha] a hodnoceny jejich parametry; cena, stabilita a dostupnost. Výsledným vybraným kalibračním oscilátorem je CFPS-73 - 6MHz. 
872 kaklik 206
 
873 kaklik 207
\subsubsection{Teplotní kalibrace}
872 kaklik 208
 
888 kaklik 209
Samotný čip TDC-GP2 je vybaven elektronikou určenou k měření teploty avšak její princip je založen měření doby nabíjení externího referenčního kondenzátoru přes statické odpory a termistory - jde tedy o poměrovou metodu, která navíc předpokládá absolutní teplotní stabilitu referenčního kondenzátoru. Použití poměrového měření ke korekci teplotních driftů samotného čipu TDC-GP2 by tudíž bylo problematické. A navíc jeho TDC jednotka, kterou chceme teplotně kalibrovat se v tomto měření přímo využívá. 
873 kaklik 210
 
879 kaklik 211
Prototyp byl tedy doplněn o digitální teploměr DS18B20 jehož absolutní přesnost 0,6K a rozlišení 0,01K lze pokládat za dostačující. A lze tedy TDC čip spolu s referenčním oscilátorem kalibrovat vzhledem k teplotě naměřené tímto teploměrem.
873 kaklik 212
 
213
\subsection{Firmware}
214
 
215
Firmware mikroprocesoru je napsán v jazyce C v prostředí CCS C compiler. 
216
 
872 kaklik 217
\begin{figure}[htbp]
218
\begin{center}
219
\includegraphics[width=100mm]{./img/program.png} 
220
\caption{Hlavní programová smyčka řídícího mikrokontroléru PIC16F887 }
221
\end{center}
222
\end{figure}
223
 
880 kaklik 224
Programová smyčka řídícího mikrokontroléru je navržena tak, aby umožnila realizovat hlavní měřící režimy TDC čipu. K ovládání TDC-GP2 byla vytvořena knihovna, která umožňuje nastavit všechny možnosti čipu. 
872 kaklik 225
 
880 kaklik 226
Obsahuje také několik funkcí vyšší úrovně, které se týkají ovládání určitého měřícího módu čipu. TDC-GP2 má dva hlavní časové měřící módy, liší se především v rozsahu měřeného intervalu a počtem kanálů na kterých je možné čekat na STOP impuls. 
873 kaklik 227
 
228
\subsubsection{Měřící mód 1}
229
 
888 kaklik 230
Tento měřící mód je určen k měření kratších intervalů v rozsahu 3,5ns do 1,8us. Na dvou vstupních kanálech. Výrobcem udávané rozlišení pro tento mód je 50ps RMS. Každý ze vstupů je schopen změřit až 4 zásahy a citlivost vstupů je možné nastavit na sestupnou, či náběžnou hranu. 
231
 
232
 
872 kaklik 233
\begin{figure}[htbp]
234
\begin{center}
235
\includegraphics[width=100mm]{./img/TDC_mode1.png} 
236
\caption{Průběh měření v čipu GP2 během měřícího módu 1.}
237
\end{center}
238
\end{figure}
239
 
873 kaklik 240
 
241
\subsubsection{Měřící mód 2}
242
 
888 kaklik 243
Tímto měřícím módem je možné měřit delší časové úseky od 500ns až do 4ms, avšak pouze na jednom kanále STOP1. Na tento kanál mohou být zaznamenány 3 zásahy a citlivost může být opět zvolena na náběžnou, nebo sestupnou hranu.  
873 kaklik 244
 
245
 
872 kaklik 246
\begin{figure}[htbp]
247
\begin{center}
248
\includegraphics[width=100mm]{./img/TDC_mode2.png} 
249
\caption{Průběh měření v čipu GP2 během měřícího módu 2.}
250
\end{center}
251
\end{figure}
252
 
873 kaklik 253
\subsubsection{Fire generator - generování spouštěcího signálu}
254
 
881 kaklik 255
Oba měřící módy čipu umí využít takzvaný "Fire generator", který slouží k vygenerování spouštěcího signálu pro začátek měření (Například výstřel LASERu). 
872 kaklik 256
 
873 kaklik 257
 
258
\subsubsection{Měření teploty}
259
 
880 kaklik 260
Při měření teploty čipem TDC-GP2 je třeba jej resetovat do továrního nastavení a následně nastavit počet měřených kanálů (Dva nebo čtyři). Další nastavení není třeba provádět. A lze rovnou spustit měření. Tento postup ale není v datasheetu stejně jako další procedury podrobně dokumentován, což způsobilo značné zdržení ve vývoji knihovny.    
873 kaklik 261
 
262
Firmware je od druhého prototypu nakonfigurován tak, že automaticky měří všechny čtyři možné teplotní kanály a navíc přečte i digitální senzor teploty DS18B20.
263
 
264
Naměřený výstup ze čtyř poměrových termočlánkových teploměrných kanálů není firmwarem nijak zpracováván a jeho vyhodnocení je ponecháno na uživateli. 
265
 
266
\subsubsection{Datový výstup}
267
 
881 kaklik 268
Datový výstup je inspirován textovým formátem GPS NMEA.
873 kaklik 269
 
881 kaklik 270
Příklad datového výstupu je následující. 
873 kaklik 271
 
881 kaklik 272
\begin{verbatim}
273
# TDC0.2 (C) 2011 Jakub Kakona
274
$TDC0.2->TM
275
$TDC0.2 TMP 0007506076 0007519380 0008204130 4294967295 291.90 
276
$TDC0.2->M2 1
277
$TDC0.2 M2  0.7005860
278
\end{verbatim}
873 kaklik 279
 
881 kaklik 280
Po resetu se přístroj ohlásí jako TDC a přidá verzi firmwaru.  Na následující řádek je vypsán prompt
281
 
282
\begin{verbatim}
283
$TDC0.2->
284
\end{verbatim}
285
 
286
Prompt opět pokaždé obsahuje verzi firmwaru, aby bylo možné v nadřazeném počítači rozlišit více přístrojů v různých stádiích vývoje.
287
 
288
Příkaz 
289
\begin{verbatim}
290
TM
291
\end{verbatim}
292
Spouští měření teploty, výstupem jsou 4 relativní hodnoty + teplota naměřená čidlem DS18B20 udávaná v kelvinech.
293
 
294
 
295
Příkaz 
296
\begin{verbatim}
297
M2 1
298
\end{verbatim}
888 kaklik 299
Spouští časové měření v módu 2  příkaz má jeden jednociferný parametr - počet předpokládaných zásahů měřícího kanálu 1 (V příkladu má hodnotu 1). Výstupem je změřený čas počítaný od hrany START pulzu v us. (Počet zásahů je třeba nastavit správně, neboť v opačném případě je výstupem nesmyslná hodnota.) 
881 kaklik 300
 
888 kaklik 301
Výstupní data jsou odesílána na sérový port s parametry 9800 8N1. A ke sběru dat lze použít libovolný textový terminál. Firmware zpracovává pouze prvních 20 příchozích znaků v každé řádce (řádka musí být ukončena ASCII řídícím znakem 13 ), všechny přečtené příchozí znaky jsou echovány zpět na výstup, je tak umožněna kontrola správnosti přenosu a implementace vlastní check-sum.
881 kaklik 302
Neznámý, nebo syntakticky špatný příkaz, je firmwarem  ignorován a je vypsán nový prompt.  Každá provedená výstupní řádka obsahuje identifikaci měření - TMP, M2, nebo M1.
303
 
872 kaklik 304
\section{Výsledky}
887 kaklik 305
\subsection{Naměřené charakteristiky}
888 kaklik 306
Na druhém prototypu byla ověřena funkčnost čipu TDC-GP2 pomocí experimentu - měření zpoždění průchodu signálu vedením. Zpoždění bylo měřeno na dvou typech elektrických vedení.
872 kaklik 307
 
885 kaklik 308
\begin{itemize}
888 kaklik 309
\item Koaxiální kabel RG174 délka 4,15m + dvě koncovky o délce 17cm.
310
\item Zkroucený pár vodičů 2x0,35mm$^2$ vnější průměr izolace 1,21mm délka 2x1m.
885 kaklik 311
\end{itemize}
312
 
888 kaklik 313
Vodiče byly po celou dobu měření volně položeny na stole. Měřící impulz byl vytvářen vestavěným Fire-generátorem a jeho délka byla nastavena na 300ns. Výstup Fire2 byl přímo připojen na vstup START z něj byl signál odveden do koaxiálního kabelu, kterým se vrátil zpět na vstup STOP1. Vstup STOP2 byl pak připojen 20cm dlouhým vodičem ke vstupu STOP1.
314
 
315
V druhé části experimentu (se zkroucenou dvojlinkou) byl první metr dvojlinky odveden ze vstupu START, na vstup STOP1. Z tohoto vstupu pak signál dále pokračoval na vstup STOP2 dalším 1m dílem dvojlinky. 
316
V obou případech nebyl konec vedení nijak terminován, ale pouze připojen na CMOS vstupy TDC čipu. Z tohoto důvodu bylo možné měření provádět pouze s jedním impulzem s dostatečnou prodlevou mezi měřeními, aby bezpečně došlo k pohlcení odrazů ve vedení. 
317
 
885 kaklik 318
\begin{figure}[htbp]
319
\begin{center}
320
\includegraphics[width=150mm]{./img/MLAB_kablik_2x1m.png} 
321
\caption{Průběh zpoždění signálu a teploty během měření zkrouceného páru vodičů.}
888 kaklik 322
\label{dvoulinka}
885 kaklik 323
\end{center}
324
\end{figure}
325
 
888 kaklik 326
Výsledek měření časových intervalů s dvoulinkou je viditelný na obrázku \ref{dvoulinka}. Je zde vybrán pouze druhý STOP kanál, neboť na prvním nebyly naměřeny žádné fluktuace a čas byl konstantně 4,338ns.
327
 
328
Při měření na koaxiálním kabelu RG174 došlo k fluktuacím na obou měřených kanálech a naměřená data jsou zobrazena na obrázku \ref{RG174}.
329
 
885 kaklik 330
\begin{figure}[htbp]
331
\begin{center}
332
\includegraphics[width=150mm]{./img/RG174.png} 
333
\caption{Průběh zpoždění signálu a teploty během měření koaxiálního kabelu RG174.}
888 kaklik 334
\label{RG174}
885 kaklik 335
\end{center}
336
\end{figure}
337
 
888 kaklik 338
 
339
 
885 kaklik 340
Průběh experimentu byl po několik hodin řízen z PC pomocí skriptu, který spouštěl měření času a teploty v opakujících se 5s intervalech. 
341
 
887 kaklik 342
Podobným způsobem bylo provedeno měření i v měřícím módu 2, zde ale kvůli nutnosti generování delšího časového intervalu nemohlo být využito zpoždění signálu při průchodu vedením a proto byly impulzy generovány mikroprocesorem PIC18F4550.
343
 
888 kaklik 344
Impulzy byly generovány dvou jednotlivých výstupech mikroprocesoru. (Pro START a STOP1 vstup TDC-GP2). Pomocí následující části programu. 
887 kaklik 345
 
346
\begin{verbatim}
347
    if(!input(MODE_SELECT))
348
    {
349
      while(!input(FIRE_DETECT));
350
 
351
      output_high(START);
352
      output_low(START);
353
      delay_us(150);
354
 
355
      output_high(STOP1);
356
      output_low(STOP1);
357
      delay_us(1);
358
 
359
      output_high(STOP1);
360
      output_low(STOP1);
361
      delay_us(10);
362
 
363
      output_high(STOP1);
364
      output_low(STOP1);
365
    }  
366
\end{verbatim}
367
 
888 kaklik 368
Z ukázky programu je vidět, že očekávané zpoždění třech výstupních impulzů měly být 150us, 151us a 161us. Z podstaty fungování mikroprocesoru jsou ale skutečné časy o něco delší. Konkrétně 150.243us, 151.408us a 161.575us pro zvýraznění fluktuací byly tyto časy odečteny od změřených dat a výsledný rozdíl zobrazen v obrázku \ref{PIC18F4550_generator}. Z obrázku je pak viditelné, že při měření nebyla zjištěna žádná teplotní závislost. Rozptyl naměřených hodnot je pak dán pravděpodobně spíše parametry použitého mikroprocesoru, než nestabilitou měřící TDC jednotky. 
887 kaklik 369
 
888 kaklik 370
Je třeba ale zdůraznit, že u všech měření nedocházelo v jejich průběhu k výraznější změně teploty. A vlivem malých rozdílů naměřených hodnot jsou zatíženy značným kvantizačním šumem.  Nicméně měření vypovídají o pravděpodobném chování čipu TDC-GP2 v běžných stabilních laboratorních podmínkách.
887 kaklik 371
 
372
 
373
\begin{figure}[htbp]
374
\begin{center}
375
\includegraphics[width=150mm]{./img/PIC18F4550.png} 
376
\caption{Naměřené fluktuace výstupů PIC18F4550 během časového měřícího módu 2}
377
\label{PIC18F4550_generator}
378
\end{center}
379
\end{figure}
380
 
872 kaklik 381
\subsection{Použití}
382
 
888 kaklik 383
Po vybavení přístroje potřebnými optickými elementy by bylo možné jej použít k laserovému měření vzdáleností, pro Time Correlated Photon Countig a i v dalších aplikacích. 
872 kaklik 384
 
385
\subsection{Možnosti dalšího vývoje}
386
 
888 kaklik 387
Další vývoj zařízení by již měl být cílen na konkrétní aplikaci ve které bude přístroje nasazen. Aktuální stav je dobrým výchozím bodem pro použití v konkrétních experimentech. Pro které je možné přístroj snadno upravit. 
873 kaklik 388
 
872 kaklik 389
\subsubsection{Komunikační protokol}
390
 
888 kaklik 391
Použitý komunikační protokol je důsledkem postupného vývoje prototypů a zatím se stále vyvíjí. Neboť není známé podobné zařízení od kterého by bylo možno převzít komunikační formát. A jeho konkrétní podoba se ustálí pravděpodobně až po jeho skutečném využití v experimentu. 
873 kaklik 392
 
393
 
872 kaklik 394
\subsubsection{Speciální zpracování rychlých vstupních a výstupních signálů}
395
 
873 kaklik 396
Samotný čip TDC-GP2 používá jako vstupní a výstupní signál logické úrovně 5V CMOS. To nemusí být pro některé aplikace vhodné, jednak kvůli komplikacím s vedením jednoduchého CMOS signálu na delší vzdálenosti a potom i z hlediska ochrany samotného obvodu před poškozením externím zařízením.
397
 
888 kaklik 398
Do budoucna bylo proto připraveno několik rozšiřujících modulů umožnujících interakci s jinými přístroji.
873 kaklik 399
 
888 kaklik 400
Patří mezi ně převodník TTL na PECL,  výstupní PECL signál je pak diferenciální a lze jej proto snadno odvádět na velké vzdálenosti kvalitním diferenciálním vedením, jako jsou například kabely SATA, nebo UTP kabely bez rizika poškození signálu elektrickou interferencí. Stejný převodník (Osazený jiným IO) pak lze použít i k převedení PECL signálu zpět na TTL a dovedením pouze na krátkou vzdálenost. Problémy kompatibility CMOS a TTL lze pak v takovém případě zanedbat.
401
Dalším modulem je vícenásobný aktivní rozbočovač na 10 kanálů CLKHUB02A, který lze využít k rozvodu signálu do více míst bez ztráty jeho intenzity.    
873 kaklik 402
 
875 kaklik 403
V případě že by bylo přesto nutné stále používat CMOS signál a hrozilo by narušení jeho integrity disperzí vedení nebo jinými vlivy, tak lze zařízení snadno dovybavit rychlým komparátorem, jako je například některý z ADCMP551/ADCMP552/ADCMP553.
404
 
878 kaklik 405
\begin{figure}[htbp]
406
\begin{center}
407
\includegraphics[width=100mm]{./img/TTLPECL01A_PCB.png} 
408
\caption{Návrh desky plošného spoje převodníku TTL na PECL a opačně.}
409
\end{center}
410
\end{figure}
411
 
872 kaklik 412
\section{Závěr}
413
 
880 kaklik 414
Výsledkem práce je přístroj, který lze bez zásadních úprav využít k měření krátkých časových intervalů v laboratorních experimentech. Zařízení je zároveň dostatečně flexibilní pro potřebné úpravy na základě požadavků některých speciálních aplikací, které zatím nelze předvídat. 
872 kaklik 415
 
416
\pagebreak
879 kaklik 417
\listoffigures
872 kaklik 418
 
419
\begin{thebibliography}{99}
880 kaklik 420
  \bibitem{AN491}{\em Silicon Labs Application Note AN491}\\
421
               \texttt{http://www.silabs.com/support\%20documents/technicaldocs/an491.pdf}
422
 
423
  \bibitem{AN393}{\em Fairchild Semiconductor Application Note 393 March 1985}\\
424
               \texttt{}
425
 
426
  \bibitem{AN-610}{\em Fairchild Semiconductor Application Note  AN-610 April 1989 }\\
427
               \texttt{}
428
 
429
  \bibitem{AN-610}{\em Analysis on the Effectiveness of Clock Trace Termination Methods and Trace Lengths on a Printed Circuit Board}\\
430
               \texttt{Mark I. Montrose
431
Montrose Compliance Services
432
2353 Mission Glen Dr.
433
Santa Clara, CA 95051-1214
434
(408) 247-5715
435
}
436
 
437
  \bibitem{AN-610}{\em PIC16F887 datasheet }\\
438
               \texttt{http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/41291F.pdf}
439
 
440
  \bibitem{AN-610}{\em PIC18F4550 datasheet }\\
441
               \texttt{http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/39632e.pdf}
442
 
443
 
444
  \bibitem{AN-610}{\em TDC-GP2 datasheet }\\
445
               \texttt{http://www.acam-usa.com/GP2-Data-Sheet-Download.html}
446
 
881 kaklik 447
  \bibitem{MLAB}{\em MLAB electronics development system }\\
880 kaklik 448
               \texttt{http://www.mlab.cz}
449
 
450
 
872 kaklik 451
\end{thebibliography}
452
 
880 kaklik 453
 
879 kaklik 454
\pagebreak
455
 
456
\includepdf[pages={1},landscape=true]{GP201A.pdf}
457
\label{GP201A_SCH}
458
\includepdf[pages={1},landscape=true]{oscilatory.pdf}
459
 
872 kaklik 460
\end{document}