Subversion Repositories svnkaklik

Rev

Rev 875 | Rev 879 | Go to most recent revision | Only display areas with differences | Ignore whitespace | Details | Blame | Last modification | View Log

Rev 875 Rev 878
1 
\documentclass[12pt]{article}
 1 
\documentclass[12pt]{article}
2 
\usepackage{czech}
 2 
\usepackage{czech}
3 
\usepackage{array}
 3 
\usepackage{array}
4 
\usepackage{times}
 4 
\usepackage{times}
5 
\usepackage{graphicx}
 5 
\usepackage{graphicx}
6 
\usepackage{color}
 6 
\usepackage{color}
7 
 
 7 
 
8 
\usepackage[pdftex]{graphicx}
 8 
\usepackage[pdftex]{graphicx}
9 
\usepackage{fancyhdr,multicol} %nastavení češtiny, fancy, grafiky, sloupce
 9 
\usepackage{fancyhdr,multicol} %nastavení češtiny, fancy, grafiky, sloupce
10 
\usepackage[utf8]{inputenc} %vstupni soubory v kodovani UTF-8
 10 
\usepackage[utf8]{inputenc} %vstupni soubory v kodovani UTF-8
11 
\usepackage[a4paper,text={17cm,25cm},centering]{geometry} %nastavení okrajů
 11 
\usepackage[a4paper,text={17cm,25cm},centering]{geometry} %nastavení okrajů
12 
\usepackage{rotating}
 12 
\usepackage{rotating}
13 
 
 13 
 
14 
 
 14 
 
15 
\textheight     230.0mm
 15 
\textheight     230.0mm
16 
\textwidth      155.0mm
16 
\textwidth      155.0mm
17 
%\topmargin        0.0mm
 17 
%\topmargin        0.0mm
18 
\topmargin      -20.0mm
 18 
\topmargin      -20.0mm
19 
\oddsidemargin    0.0mm
 19 
\oddsidemargin    0.0mm
20 
\parindent        0.0mm
 20 
\parindent        0.0mm
21 
\renewcommand{\baselinestretch}{1.0}
 21 
\renewcommand{\baselinestretch}{1.0}
22 
 
 22 
 
23 
\newcommand{\vsp}[1]{\vspace{#1mm}}
 23 
\newcommand{\vsp}[1]{\vspace{#1mm}}
24 
 
 24 
 
25 
\begin{document}
 25 
\begin{document}
26 
 
 26 
 
27 
\thispagestyle{empty}
 27 
\thispagestyle{empty}
28 
 
 28 
 
29 
\begin{center}
29 
\begin{center}
30 
  \extrarowheight 1.5ex
 30 
  \extrarowheight 1.5ex
31 
  \begin{tabular}{c}
31 
  \begin{tabular}{c}
32 
    \textbf{\Large České vysoké učení technické v Praze} \\
 32 
    \textbf{\Large České vysoké učení technické v Praze} \\
33 
    \textbf{\Large Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská} \\
 33 
    \textbf{\Large Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská} \\
34 
    \textbf{\Large Katedra fyzikální elektroniky}
34 
    \textbf{\Large Katedra fyzikální elektroniky}
35 
  \end{tabular}
 35 
  \end{tabular}
36 
\vsp{60}
 36 
\vsp{60}
37 
 
 37 
 
38 
\textbf{\Huge Modul pro Time Correlated Photon Counting}
 38 
\textbf{\Huge Modul pro Time Correlated Photon Counting}
39 
\bigskip
 39 
\bigskip
40 
 
 40 
 
41 
{\Large Ročníková práce}
 41 
{\Large Ročníková práce}
42 
\end{center}
 42 
\end{center}
43 
\vfill
 43 
\vfill
44 
 
 44 
 
45 
\extrarowheight 0.75ex
 45 
\extrarowheight 0.75ex
46 
\begin{tabular}{>{\large}l>{\large}l}
 46 
\begin{tabular}{>{\large}l>{\large}l}
47 
Autor páce: & \textbf{Jakub Kákona} \\
 47 
Autor páce: & \textbf{Jakub Kákona} \\
48 
Školitel:    & Ing. Jan Kodet \\
 48 
Školitel:    & Ing. Jan Kodet \\
49 
Konzultant:  & Prof. Ing. Ivan Procházka, DrSc. \\
 49 
Konzultant:  & Prof. Ing. Ivan Procházka, DrSc. \\
50 
Školní rok:  & \textbf{2010/2011}
50 
Školní rok:  & \textbf{2010/2011}
51 
\end{tabular}
 51 
\end{tabular}
52 
\vsp{0}
 52 
\vsp{0}
53 
 
 53 
 
54 
\pagebreak
 54 
\pagebreak
55 
 
 55 
 
56 
\mbox{}
 56 
\mbox{}
57 
\vfill
 57 
\vfill
58 
 
 58 
 
59 
Prohlašuji, že jsem předloženou práci vypracoval samostatně a že jsem
 59 
Prohlašuji, že jsem předloženou práci vypracoval samostatně a že jsem
60 
uvedl veškerou použitou literaturu.
 60 
uvedl veškerou použitou literaturu.
61 
\vsp{10}
 61 
\vsp{10}
62 
 
 62 
 
63 
\noindent
 63 
\noindent
64 
\quad \hfill \textcolor{red}{\small Podpis studenta} \qquad \\
 64 
\quad \hfill \textcolor{red}{\small Podpis studenta} \qquad \\
65 
Praha, xx.xx.2011 \hfill Jakub Kákona \qquad
 65 
Praha, xx.xx.2011 \hfill Jakub Kákona \qquad
66 
\par
 66 
\par
67 
\vsp{5}
 67 
\vsp{5}
68 
 
 68 
 
69 
\pagebreak
 69 
\pagebreak
70 
 
 70 
 
71 
\tableofcontents
 71 
\tableofcontents
72 
 
 72 
 
73 
\section{Zadání práce}
 73 
\section{Zadání práce}
74 
 
 74 
 
75 
Předmětem této práce je návrh konstrukce přístroje určeného k měření krátkých časových intervalů vázaných na elektrické impulzní signály.
75 
Předmětem této práce je návrh konstrukce přístroje určeného k měření krátkých časových intervalů vázaných na elektrické impulzní signály.
76 
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.
76 
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.
77 
 
 77 
 
78 
\subsection{Časově digitální převodník (TDC)}
 78 
\subsection{Časově digitální převodník (TDC)}
79 
 
 79 
 
80 
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.
80 
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.
81 
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.
81 
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.
82 
 
 82 
 
83 
K měření se proto používá vhodnějšího principu a to šíření postupné vlny v sofistikovaném řetězci logických hradel. Ideové znázornění je na \ref{TDC_unit}.
 83 
K měření se proto používá vhodnějšího principu a to šíření postupné vlny v sofistikovaném řetězci logických hradel. Ideové znázornění je na \ref{TDC_unit}.
84 
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.
84 
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.
85 
Metoda tedy využívá konečnou rychlost šíření signálu přes hradla a její přesnost závisí na mnoha faktorech, jako je například geometrie čipu nebo zapojení řetězce.
 85 
Metoda tedy využívá konečnou rychlost šíření signálu přes hradla a její přesnost závisí na mnoha faktorech, jako je například geometrie čipu nebo zapojení řetězce.
86 
 
 86 
 
87 
\begin{figure}[htbp]
 87 
\begin{figure}[htbp]
88 
\begin{center}
 88 
\begin{center}
89 
\label{TDC_unit}
 89 
\label{TDC_unit}
90 
\includegraphics[width=150mm]{./img/TDC_principle2.png}
90 
\includegraphics[width=150mm]{./img/TDC_principle2.png}
91 
\caption{Ideové schéma měřící jednotky TDC}
 91 
\caption{Ideové schéma měřící jednotky TDC}
92 
\end{center}
 92 
\end{center}
93 
\end{figure}
 93 
\end{figure}
94 
 
 94 
 
95 
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.
95 
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.
96 
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}.
96 
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}.
97 
 
 97 
 
98 
\begin{figure}[htbp]
 98 
\begin{figure}[htbp]
99 
\begin{center}
 99 
\begin{center}
100 
\label{TDC_unit_long}
 100 
\label{TDC_unit_long}
101 
\includegraphics[width=150mm]{./img/TDC_principle.png}
101 
\includegraphics[width=150mm]{./img/TDC_principle.png}
102 
\caption{Způsob přesného měření delších časových úseků}
 102 
\caption{Způsob přesného měření delších časových úseků}
103 
\end{center}
 103 
\end{center}
104 
\end{figure}
 104 
\end{figure}
105 
 
 105 
 
106 
Předpokladem užití tohoto způsobu měření je dostatečně stabilní oscilátor s periodou kratší, než je měřící rozsah rychlé TDC jednotky.
106 
Předpokladem užití tohoto způsobu měření je dostatečně stabilní oscilátor s periodou kratší, než je měřící rozsah rychlé TDC jednotky.
107 
 
 107 
 
108 
\section{Realizace}
 108 
\section{Realizace}
109 
 
 109 
 
110 
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}.
 110 
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}.
111 
Cip obsahuje mnoho dalších podpůrných obvodů, které zjednodušují jeho použití a také přidávají další funkce (generování spouštěcího pulzu pro výstřel LASERu, měření teploty atd.).
 111 
Cip obsahuje mnoho dalších podpůrných obvodů, které zjednodušují jeho použití a také přidávají další funkce (generování spouštěcího pulzu pro výstřel LASERu, měření teploty atd.).
112 
 
 112 
 
113 
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).
113 
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).
114
114
115 
 
 115 
 
116 
\begin{figure}[htbp]
 116 
\begin{figure}[htbp]
117 
\begin{center}
 117 
\begin{center}
118 
\label{device_block}
 118 
\label{device_block}
119 
\includegraphics[width=150mm]{./img/blokove_schema.png}
119 
\includegraphics[width=150mm]{./img/blokove_schema.png}
120 
\caption{Ideové schéma cílového zařízení}
 120 
\caption{Ideové schéma cílového zařízení}
121 
\end{center}
 121 
\end{center}
122 
\end{figure}
 122 
\end{figure}
123 
 
 123 
 
124 
\begin{figure}[htbp]
 124 
\begin{figure}[htbp]
125 
\begin{center}
 125 
\begin{center}
126 
\label{GP2_chip_block}
 126 
\label{GP2_chip_block}
127 
\includegraphics[width=150mm]{./img/TDC_block.png}
127 
\includegraphics[width=150mm]{./img/TDC_block.png}
128 
\caption{Blokové schéma čipu TDC-GP2}
 128 
\caption{Blokové schéma čipu TDC-GP2}
129 
\end{center}
 129 
\end{center}
130 
\end{figure}
 130 
\end{figure}
131 
 
 131 
 
132 
\subsection{Testovací prototypy}
 132 
\subsection{Testovací prototypy}
133 
 
 133 
 
134 
Pro otestování funkčnosti zvoleného čipu byly sestaveny dva testovací prototypy, které se liší, především komunikační architekturou a způsobem generování testovacích impulzů.
134 
Pro otestování funkčnosti zvoleného čipu byly sestaveny dva testovací prototypy, které se liší, především komunikační architekturou a způsobem generování testovacích impulzů.
135 
 
 135 
 
136 
\begin{figure}[htbp]
 136 
\begin{figure}[htbp]
137 
\begin{center}
 137 
\begin{center}
138 
\includegraphics[width=150mm]{./img/prototyp1.jpg}
138 
\includegraphics[width=150mm]{./img/prototyp1.jpg}
139 
\caption{1. testovací prototyp}
 139 
\caption{1. testovací prototyp}
140 
\end{center}
 140 
\end{center}
141 
\end{figure}
 141 
\end{figure}
142 
 
 142 
 
143 
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.
143 
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.
144 
 
 144 
 
145 
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.
145 
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.
146 
 
 146 
 
147 
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.
 147 
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.
148 
 
 148 
 
149 
\begin{figure}[htbp]
 149 
\begin{figure}[htbp]
150 
\begin{center}
 150 
\begin{center}
151 
\includegraphics[width=150mm]{./img/prototyp2.jpg}
151 
\includegraphics[width=150mm]{./img/prototyp2.jpg}
152 
\caption{2. testovací prototyp}
 152 
\caption{2. testovací prototyp}
153 
\end{center}
 153 
\end{center}
154 
\end{figure}
 154 
\end{figure}
155 
 
 155 
 
156 
\begin{figure}[htbp]
 156 
\begin{figure}[htbp]
157 
\begin{center}
 157 
\begin{center}
158 
\includegraphics[width=100mm]{./img/prototype2.png}
158 
\includegraphics[width=100mm]{./img/prototype2.png}
159 
\caption{Způsob propojení modulů 2. prototypu}
 159 
\caption{Způsob propojení modulů 2. prototypu}
160 
\end{center}
 160 
\end{center}
161 
\end{figure}
 161 
\end{figure}
162 
 
 162 
 
163 
 
 163 
 
164 
\subsection{Hardware}
 164 
\subsection{Hardware}
165 
 
 165 
 
166 
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 \ref{GP201A_PCB}.
 166 
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 \ref{GP201A_PCB}.
167 
 
 167 
 
168 
\begin{figure}[htbp]
 168 
\begin{figure}[htbp]
169 
\begin{center}
 169 
\begin{center}
170 
\label{GP201A_PCB}
 170 
\label{GP201A_PCB}
171 
\includegraphics[width=150mm]{./img/GP2_PCB.png}
171 
\includegraphics[width=150mm]{./img/GP2_PCB.png}
172 
\caption{Návrh plošného spoje modulu GP201A}
 172 
\caption{Návrh plošného spoje modulu GP201A}
173 
\end{center}
 173 
\end{center}
174 
\end{figure}
 174 
\end{figure}
175 
 
 175 
 
176 
\subsubsection{Mikroprocesory}
 176 
\subsubsection{Mikroprocesory}
177 
 
 177 
 
178 
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.
178 
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.
179 
 
 179 
 
180 
 
 180 
 
181 
\subsubsection{Kalibrační oscilátor}
 181 
\subsubsection{Kalibrační oscilátor}
182 
 
 182 
 
183 
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.
183 
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.
184
184
185 
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 SG8002 - 5MHz.
185 
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 SG8002 - 5MHz.
186 
 
 186 
 
187 
\subsubsection{Teplotní kalibrace}
 187 
\subsubsection{Teplotní kalibrace}
188 
 
 188 
 
189 
Samotný čip TDC-GP2 je vybaven elektronikou určenou k měření teploty avšak její princip je založen měření doby na nabíjení referenčního kondenzátoru přes statické odpory a termistory - jde tedy o poměrovou metodu. Použití poměrového měření ke korekci teplotních driftů samotného čipu TDC-GP2 by tudíž bylo problematické navíc jeho TDC jednotka, kterou chceme teplotně kalibrovat se v tomto měření přímo využívá.
189 
Samotný čip TDC-GP2 je vybaven elektronikou určenou k měření teploty avšak její princip je založen měření doby na nabíjení referenčního kondenzátoru přes statické odpory a termistory - jde tedy o poměrovou metodu. Použití poměrového měření ke korekci teplotních driftů samotného čipu TDC-GP2 by tudíž bylo problematické navíc jeho TDC jednotka, kterou chceme teplotně kalibrovat se v tomto měření přímo využívá.
190 
 
 190 
 
191 
Prototyp byl tedy obohacen o digitální teploměr DS18B20 jehož absolutní přesnost 0,6K a rozlišení 0,01K lze pokládat za dostačující. A lze tedy TDC čip spolu s oscilátorem kalibrovat vzhledem k teplotě naměřené tímto teploměrem.
 191 
Prototyp byl tedy obohacen o digitální teploměr DS18B20 jehož absolutní přesnost 0,6K a rozlišení 0,01K lze pokládat za dostačující. A lze tedy TDC čip spolu s oscilátorem kalibrovat vzhledem k teplotě naměřené tímto teploměrem.
192 
 
 192 
 
193 
\subsection{Firmware}
 193 
\subsection{Firmware}
194 
 
 194 
 
195 
Firmware mikroprocesoru je napsán v jazyce C v prostředí CCS C compiler.
195 
Firmware mikroprocesoru je napsán v jazyce C v prostředí CCS C compiler.
196 
 
 196 
 
197 
\begin{figure}[htbp]
 197 
\begin{figure}[htbp]
198 
\begin{center}
 198 
\begin{center}
199 
\includegraphics[width=100mm]{./img/program.png}
199 
\includegraphics[width=100mm]{./img/program.png}
200 
\caption{Hlavní programová smyčka řídícího mikrokontroléru PIC16F887 }
 200 
\caption{Hlavní programová smyčka řídícího mikrokontroléru PIC16F887 }
201 
\end{center}
 201 
\end{center}
202 
\end{figure}
 202 
\end{figure}
203 
 
 203 
 
204 
Programová smyčka řídícího mikrokontroléru je navržena tak, aby umožnila realizovat oba měřící režimy TDC čipu. K ovládání TDC-GP2 byla vytvořena knihovna, která umožňuje nastavit všechny možnosti čipu.
204 
Programová smyčka řídícího mikrokontroléru je navržena tak, aby umožnila realizovat oba měřící režimy TDC čipu. K ovládání TDC-GP2 byla vytvořena knihovna, která umožňuje nastavit všechny možnosti čipu.
205 
 
 205 
 
206 
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 sledovat STOP impuls.
206 
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 sledovat STOP impuls.
207 
 
 207 
 
208 
\subsubsection{Měřící mód 1}
 208 
\subsubsection{Měřící mód 1}
209 
 
 209 
 
210 
\begin{figure}[htbp]
 210 
\begin{figure}[htbp]
211 
\begin{center}
 211 
\begin{center}
212 
\includegraphics[width=100mm]{./img/TDC_mode1.png}
212 
\includegraphics[width=100mm]{./img/TDC_mode1.png}
213 
\caption{Průběh měření v čipu GP2 během měřícího módu 1.}
 213 
\caption{Průběh měření v čipu GP2 během měřícího módu 1.}
214 
\end{center}
 214 
\end{center}
215 
\end{figure}
 215 
\end{figure}
216 
 
 216 
 
217 
 
 217 
 
218 
\subsubsection{Měřící mód 2}
 218 
\subsubsection{Měřící mód 2}
219 
 
 219 
 
220 
 
 220 
 
221 
 
 221 
 
222 
\begin{figure}[htbp]
 222 
\begin{figure}[htbp]
223 
\begin{center}
 223 
\begin{center}
224 
\includegraphics[width=100mm]{./img/TDC_mode2.png}
224 
\includegraphics[width=100mm]{./img/TDC_mode2.png}
225 
\caption{Průběh měření v čipu GP2 během měřícího módu 2.}
 225 
\caption{Průběh měření v čipu GP2 během měřícího módu 2.}
226 
\end{center}
 226 
\end{center}
227 
\end{figure}
 227 
\end{figure}
228
228
229 
\subsubsection{Fire generator - generování spouštěcího signálu}
 229 
\subsubsection{Fire generator - generování spouštěcího signálu}
230
230
231 
Oba měřící módy čipu umí zároveň využít takzvaný "Fire generator", který slouží k vygenerování spouštěcího signálu pro začátek měření. (Například výstřel LASERu).  K tomu v knihovně opět existují potřebné prostředky.
 231 
Oba měřící módy čipu umí zároveň využít takzvaný "Fire generator", který slouží k vygenerování spouštěcího signálu pro začátek měření. (Například výstřel LASERu).  K tomu v knihovně opět existují potřebné prostředky.
232 
 
 232 
 
233 
 
 233 
 
234 
\subsubsection{Měření teploty}
 234 
\subsubsection{Měření teploty}
235 
 
 235 
 
236 
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 funkcí DOPLNIT.
 236 
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 funkcí DOPLNIT.
237 
 
 237 
 
238 
Firmware je od druhého prototypu nakonfigurován tak, že automaticky měří všechny čtyři možné teplotní kanály a navíc přečte i digitální senzor teploty DS18B20.
 238 
Firmware je od druhého prototypu nakonfigurován tak, že automaticky měří všechny čtyři možné teplotní kanály a navíc přečte i digitální senzor teploty DS18B20.
239 
 
 239 
 
240 
Naměřený výstup ze čtyř poměrových termočlánkových teploměrných kanálů není firmwarem nijak zpracováván a jeho vyhodnocení je ponecháno na uživateli.
240 
Naměřený výstup ze čtyř poměrových termočlánkových teploměrných kanálů není firmwarem nijak zpracováván a jeho vyhodnocení je ponecháno na uživateli.
241 
 
 241 
 
242 
\subsubsection{Datový výstup}
 242 
\subsubsection{Datový výstup}
243 
 
 243 
 
244 
Datový výstup je podobný známému GPS textovému formátu NMEA. Zde je příklad výstupních dat:
 244 
Datový výstup je podobný známému GPS textovému formátu NMEA. Zde je příklad výstupních dat:
245 
 
 245 
 
246 
 
 246 
 
247 
Výstupní data jsou odesílána na sérový port s parametry 9800 8N1. A ke sběru dat lze použít libovolný textový terminál.
247 
Výstupní data jsou odesílána na sérový port s parametry 9800 8N1. A ke sběru dat lze použít libovolný textový terminál.
248 
 
 248 
 
249 
\section{Výsledky}
 249 
\section{Výsledky}
250 
Na dvou prototypech byla ověřena funkčnost čipu TDC-GP2 a
250 
Na dvou prototypech byla ověřena funkčnost čipu TDC-GP2 a
251 
 
 251 
 
252 
\subsection{Použití}
 252 
\subsection{Použití}
253 
 
 253 
 
254 
Po vybavení přístroje potřebnými optickými elementy ke pak možné jej použít k laserovému měření vzdáleností. Nebo i pro Time Correlated Photon Countig a v dalších aplikacích.
254 
Po vybavení přístroje potřebnými optickými elementy ke pak možné jej použít k laserovému měření vzdáleností. Nebo i pro Time Correlated Photon Countig a v dalších aplikacích.
255 
 
 255 
 
256 
\subsection{Možnosti dalšího vývoje}
 256 
\subsection{Možnosti dalšího vývoje}
257 
 
 257 
 
258 
Další vývoj zařízení by již měl být cílen na konkrétní aplikaci ve které bude přístroje nasazen. Aktuální stav je dobrým výchozím bodem pro nasazení v konkrétních experimentech.
 258 
Další vývoj zařízení by již měl být cílen na konkrétní aplikaci ve které bude přístroje nasazen. Aktuální stav je dobrým výchozím bodem pro nasazení v konkrétních experimentech.
259 
 
 259 
 
260 
\subsubsection{Komunikační protokol}
 260 
\subsubsection{Komunikační protokol}
261 
 
 261 
 
262 
Použitý komunikační protokol je důsledkem postupného vývoje prototypů a pro
262 
Použitý komunikační protokol je důsledkem postupného vývoje prototypů a pro
263 
 
 263 
 
264 
 
 264 
 
265 
\subsubsection{Speciální zpracování rychlých vstupních a výstupních signálů}
 265 
\subsubsection{Speciální zpracování rychlých vstupních a výstupních signálů}
266 
 
 266 
 
267 
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.
 267 
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.
268 
 
 268 
 
269 
Do budoucna byl proto připraven několik základních modulů umožnujících interakci s jinými přístroji.
 269 
Do budoucna byl proto připraven několik základních modulů umožnujících interakci s jinými přístroji.
270 
 
 270 
 
271 
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.
271 
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.
272 
 
 272 
 
273 
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.
 273 
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.
274 
 
 274 
 
- 
 
 275 
\begin{figure}[htbp]
- 
 
 276 
\begin{center}
- 
 
 277 
\includegraphics[width=100mm]{./img/TTLPECL01A_PCB.png}
- 
 
 278 
\caption{Návrh desky plošného spoje převodníku TTL na PECL a opačně.}
- 
 
 279 
\end{center}
- 
 
 280 
\end{figure}
- 
 
 281 
 
275 
\section{Závěr}
 282 
\section{Závěr}
276 
 
 283 
 
277 
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.
284 
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.
278 
 
 285 
 
279 
%\pagebreak
 286 
%\pagebreak
280 
%\listoffigures
 287 
%\listoffigures
281 
 
 288 
 
282 
\pagebreak
 289 
\pagebreak
283 
 
 290 
 
284 
\begin{thebibliography}{99}
 291 
\begin{thebibliography}{99}
285 
\bibitem{}
 292 
\bibitem{}
286 
\end{thebibliography}
 293 
\end{thebibliography}
287 
 
 294 
 
288 
\end{document}
 295 
\end{document}