| 72,15 → 72,15 |
|---|
| |
| \section{Zadání práce} |
| |
| Předmětem této práce je návrh konstrukce přístroje určeného k měření krátkých časových intervalů vázaných s elektrickými signály. |
| Krátkým časovým intervalem se v tomto případě rozumí řádově desítky piko sekund až jednotky mikrosekund. Od přístroje je obvykle vyžadováno velké časové rozlišení ~65ps. Přístroj tohoto typu má široké uplatnění v medicíně průmyslu, kosmickém výzkumu a v experimentálních přístrojích fyziky vysokých energií. |
| Předmětem této práce je návrh konstrukce přístroje určeného k měření krátkých časových intervalů vázaných na elektrické impulzní signály. |
| 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. |
| |
| \subsection{Časově digitální převodník (TDC)} |
| |
| 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 je ale velmi nepraktické, jelikož pro získání velkého časového rozlišení je třeba vysoká frekvence velice přesného oscilátoru. |
| Navíc pro požadované časové rozlišení ~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 dosahovala desítek bitů. |
| 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. |
| 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. |
| |
| K měření se proto používá vhodnějšího principu a postupné vlny v sofistikovaném řetězci hradel. Ideové znázornění je na \ref{TDC_unit}. |
| K měření se proto používá vhodnějšího principu a to šíření postupné vlny v sofistikovaném řetězci logických hradel. Ideové znázornění je na \ref{TDC_unit}. |
| 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. |
| Metoda tedy využívá konečnou rychlost šíření signálu přes hradla a její přesnost závisí na mnoha faktorech, jako je například geometrie čipu nebo zapojení řetězce. |
| |
| 92,8 → 92,8 |
|---|
| \end{center} |
| \end{figure} |
| |
| 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 možností, jak tento problém vyřešit je zkombinovat měření na řetězci s měřením pomocí čítače. |
| Příchodem startovacího pulzu, je pak aktivována rychlá měřící jednotka. Která měří pouze do nejbližší hrany hodin čítače. Následně počítá čítač hrubé intervaly až do doby než příchozí stop impulz aktivuje měřící jednotku která pak odměří čas do zbývající hrany hodin. Rozdíl pak udává skutečnou délku intervalu. Tento způsob měření je znázorněn na obrázku \ref{TDC_unit_long}. |
| 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. |
| 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}. |
| |
| \begin{figure}[htbp] |
| \begin{center} |
| 110,7 → 110,7 |
|---|
| Pro konstrukci přístroje byl zvolen 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 \ref{GP2_chip_block}. |
| Cip obsahuje mnoho dalších podpůrných obvodů, které zjednodušují jeho použití a také přidávají další funkce (generování spouštěcího pulzu pro výstřel LASERu, měření teploty atd.). |
| |
| S ohledem na tyto možnosti byla navržena koncepce výsledného zařízení tak, aby umožnila využití všech potenciálních možností čipu. Blokové schéma této koncepce je na \ref{device_block}. A obsahuje jednak obvody potřebné pro funkci čipu TDC-GP2, jako kalibrační oscilátor a napěťový stabilizátor. Potom 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 bát poškozen rušením, nebo disperzí vedení, výstupní signál musí naopak odpovídat požadavkům experimentálního zařízení). |
| S ohledem na tyto možnosti byla navržena koncepce výsledného zařízení tak, aby umožnila využití všech potenciálních možností čipu. Blokové schéma této koncepce je na \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). |
| |
| |
| \begin{figure}[htbp] |
| 140,7 → 140,7 |
|---|
| \end{center} |
| \end{figure} |
| |
| I. 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. |
| 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. |
| |
| 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. |
| |
| 266,10 → 266,12 |
|---|
| |
| 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. |
| |
| Do budoucna bylo tedy připraveno několik základních modulů umožnujících interakci s jinými přístroji. |
| Do budoucna byl proto připraven několik základních modulů umožnujících interakci s jinými přístroji. |
| |
| 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. |
| |
| 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. |
| |
| \section{Závěr} |
| |
| 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 některých speciálních aplikacích, které zatím nelze předvídat. |