Jadrová elektronika

Ďalšie spracovanie lineárnych signálov (napr. z výstupu hlavného zosilňovača) závisí predovšetkým od typu experimentálneho merania:

• Pre amplitúdovú selekciu impulzov, za účelom oddelenia impulzov s rôznymi amplitúdami sa používajú diskriminátory, poprípade ich zložitejšie modifikácie - jednokanálové analyzátory (diferenciálne diskriminátory).

• Pre presnejšie odmeranie amplitúdy apektra impulzov, s cieľom špecifikovať energetické spektrum sa používajú mnohokanálové analyzátory, funkcia ktorých je založená na použití analógovo-číslicového prevodníka (ADC). Pred vstupom na prevodník často treba pomocou spínača analógového signálu - lineárneho hradla vybrať vhodný okamih merania, poprípade pomocou vzorkovacieho obvodu s pamäťovým kondenzátorom predĺžiť a upraviť tvar impulzu (napr. aby mal aspoň počas 2ms skoro obdĺžnikový tvar so stálou amplitúdou).

Činnosť amplitúdového diskriminátora je založená na obvode komparátora (F). Ak na vstupe takéhoto komparátora pôsobí pomaly sa meniaci “zašumený” signál, tak sa môže stať (podobne ako na obr. 3-53 F ), že počas trvania prechodu vstupného napätia cez prah bude sa výstup prepínať z jedného stavu do druhého, dôsledkom čoho sa budú generovať niekoľko výstupných impulzov. Tento nedostatok možno odstrániť pomocou Schmittovho preklápacieho obvodu (F), v ktorom je referenčné napätie odvodené z napäťového deliča na výstupe, takže malé fluktuácie vstupného napätia sa neprejavia na výstupnej odozve obvodu. Zapojenie diskriminátora sa často ešte doplňuje monovibrátorom (F tvarovanie impulzov ul11), ktorý sa spúšťa impulzom z komparátora alebo Schmittovho preklápacieho obvodu a tvaruje štandardizovaný logický impulz, napr. o trvaní 500ns. Vstupný analógový impulz ktorý, vyhovuje danému kritériu diskriminácie amplitúdy sa teda v diskriminátore prekonvertuje na logický signál, štandardného tvaru a amplitúdy.
 

Uh - hysterézia - okamih vzniku výstupného impulzu závisí od predhistórie (F obr. 3-56).

Obr. n11  Závislosť (rozptyl) okamihu generovania výstupného impulzu diskriminátora od amplitúdy vstupného impulzu.

Vstupný analógový impulz, ktorý, vyhovuje danému kritériu sa teda prekonvertuje v diskriminátore na logický signál, štandardného tvaru a amplitúdy. Tieto výstupné logické impulzy možno potom použiť napr. na ovládanie lineárneho hradla, nie však už na prípadnú ďalšiu amplitúdovú analýzu.

Obrázok n11 ilustruje problém, ktorý môže vzniknúť ak sa impulzy z diskriminátora použijú ako referenčné impulzy na časové merania, napr. na ovládanie koincidenčného obvodu. Pre časové merania preto treba použiť diskriminátory (F), v ktorých je rozptyl okamihu vzniku výstupného impulzu len minimálne závislý od kolísania vstupnej amplitúdy (F jitter + walk).

Diferenciálny diskriminátor (alebo tiež jednokanálový analyzátor) pozostáva z dvoch amplitúdových diskriminátorov, prahy ktorých sú posunuté o určitú veličinu – šírku okna DU_k (obr. n12). Ak amplitúda vstupného impulzu je väčšia ako dolné prahové napätie U_d a je nižšia ako je horné prahové napätie U_h – teda amplitúda vstupného impulzu je v hraniciach “okna” DU_k=U_h-U_d  alebo “kanála”, tak sa tvaruje (pomocou antikoincidenčného obvodu) logický impulz na výstupe. Poloha prahov diskiminátora sa môže nastavovať dvoma spôsobmi:

• dolný U_d a horný U_h prah sa nastavuje nezávisle (šírka kanála DU_k=U_h-U_d),
• nastavuje sa len dolný prah U_d a šírka okna  DU_k.

Vo vyšrafovanej oblasti by antikoincidenčný obvod registroval aj falošné impulzy, spôsobené nedokonalým tvarom vstupných impulzov a diskriminátor by pracoval nespoľahlivo.

Obr. n12  Princíp funkcie diferenciálneho diskriminátora T1 – Schmittov preklápací obvod nastavený na dolnú úroveň  T2 – Schmittov preklápací obvod nastavený na hornú úroveň.

Na rozdiel od hradla logických obvodov lineárne hradlo musí vo vodivom stave (keď je otvorené) prepúšťať analógový signál s minimálnym lineárnym skreslením amplitúdy a keď je zatvorené blokovať prechod signálu zo vstupu hradla na jeho výstup (obr. n13). Obrázok n14 ilustruje funkciu hradlovania unipolárnych impulzov a vplyv amplitúdy ovládacieho signálu na linearitu prevodu amplitúdy, resp. vznik piedestálu. (Piedestál- určitá konštantná časť výstupného signálu, ktorá nevplýva na linearitu prevodu amplitúdy a môže byť skorigovaná pri kalibrácii.) Pomocou mechanického prepínania možno realizovať len pomalé spínače. 

Obr. n13 Princíp činnosti lineárneho hradla. Najdôležitejšia súčasť lineárneho hradla - analógový spínač by mohol byť vo veľmi jednoduchom príklade realizovaný pomocou mechanického spínača (s reléovým ovládaním), najčastejšie však sa využíva spínač s FET (F).

Obr. n14 Impulzy na výstupe lineárneho hradla v závislosti od amplitúdy ovládacieho impulzu: príliš malý ovládací impulz - zmenšená amplitúda na výstupe; normálna činnosť; príliš veľký ovládací impulz - vznik piedestálu.

Na obrázku n15 je diódový mostíkový typ analógového spínača pre lineárne hradlo s vysokou operačnou rýchlosťou (pre impulzy s trvaním niekoľko ns), ktorý je vhodný pre hradlovanie aj bipolárnych impulzov. V súčasnosti sa používajú v lineárnych hradlách analógové spínače na báze FET v kombinácii s operačným zosilňovačom (napr. obr. h11 – h14 z F).
 

Obr. n15 Príklad diódového mostíkového zapojenia analógového spínača na ovládanie bipolárnych impulzov pre lineárne hradlo. Pri nezabezpečení presne rovnakej amplitúdy U+ a U- ovládacích impulzov vznikne piedestál výstupného impulzu.

Impulzy z výstupu zosilňovačov majú väčšinou zvonovitý tvar, ktorý hlavne pri časových konštantách tvarovania kratších ako mikrosekunda, nie je vhodný na priamu analýzu pomocou prevodníka A/D. Pre vykonanie A/D prevodu treba, aby amplitúda impulzu počas určitého intervalu (napríklad 2us) zostala dostatočne nemenná a tvar impulzu mal plochý tvar vrcholu. Preto býva súčasťou lineárneho hradla aj obvod rozširovača impulzu s pamäťovým kondenzátorom – vzorkovací obvod (Sample and Hold Ffet), ktorý dokáže na kondenzátore udržať (niekedy zdokonalené aj pomocou spätnej väzby) stále napätie počas intervalu, ktorý treba na uskutočnenie prevodu A/D. (Teda cez diódu rýchlo nabiť pamäťový kondenzátor a po dosiahnutí maximálnej amplitúdy zase kontrolovane pomocou malého prúdu ho  vybiť.)

• integrálna nelinearita e_i (U_out), ktorá charakterizuje celkové skreslenie amplitúdy (maximálny odklon v zadanej oblasti):

• Analogicky možno definovať diferenciálnu nelinearitu e_d(Uout), ktorá charakterizuje skreslenie malých (lokálnych ) zmien amplitúdy:

Integrálna nelinearita ovplyvňuje kalibráciu energie amplitúdového spektra (polohu piku), deferenciálna nelinearita sa prejavuje ako zmena šírky kanálov (skreslenie tvaru piku). Obrázok. m-52 ilustruje najbežnejšie chyby, vyskytujúce sa pri prevode A/D a D/A.

Obr. m-52  A - napäťový posun (offset nuly o 1/2  LSB), napr. kvôli nesprávnemu nastaveniu nuly;  B - sklon prevodu menší o 1LSB, napr. v dôsledku nesprávneho zosilnenia.

 

Obr. m-52 C - príklad nelinearity - INL; D - príklad nemonotónnosti prevodu - DNL

 Pri meraniach v jadrovej fyzike sa analýza analógového signálu väčšinou vykonáva na základe diferenciálneho amplitúdového spektra (v tvare závislosti počtu výskytov udalostí od amplitúdy F obr. 15-2 z ul15). V princípe rovnaké diferenciálne spektrum (ale menej presne) možno namerať aj s pomocou jednokanálového analyzátora. Tento princíp paralelného zapojenia veľkého počtu jednokanálových analyzátorov je základom digitalizácie amplitúdy impulzu paralelným spôsobom.

1	Prevod D/A

Pre vykresľovanie obrázkov spektier a tiež aj ako pomocný prevodník pre generovanie referenčného napätia v niektorých typoch ADC sa používa D/A prevodník (DAC). Na obr. m-53  je znázornený princíp D/A prevodu s váhovanou štruktúrou odporovej siete (s binárne odstupňovanými odpormi). Podľa stavu spínačov váhovaných odporov sa na vstupe operačného zosilňovača   vytvorí súčet prúdov, ktorý sa prekonvertuje operačným zosilňovačom na napätie (prevodník prúd/napätieF), úmerné vstupnému prúdu. Uvedený DAC je názorný pre objasnenie činnosti avšak prakticky sa nepoužíva z dôvodu  pracného výberu presných váhovaných odporov. 
 

Obr. m-53  D/A prevodník s váhovou štruktúrou odporovej siete.

V zapojení prevodníka D/A s priečkovou štruktúrou R-2R odporovej siete na obr. m-54 sa delí napätie na výstupe každého článku R-2R binárne na polovicu avšak len pomocou 2 hodnôt odporu, takže sa dá zhotoviť s vyhovujúcou toleranciou.
 

Obr. m-54  D/A prevodník s priečkovou  štruktúrou R-2R odporovej siete.

2	Paralelný spôsob A/D prevodu

Najjednoduchší a najrýchlejší spôsob prevodu amplitúdy impulzu na číselný kód je tzv. paralelný A/D prevod, založený na použití n - komparátorov (napr. n=256 pri 8 bitovom prevodníku). Vstupy komparátorov (s veľkou operačnou rýchlosťou), na ktoré sa privádza  meraný impulz sú porovnávané s etalónovým napätím, ktoré je vytvorené pomocou presného deliča (problém stability prahového napätia deliča pri viac ako 8-10 bitovom prevodníku). 
 

Obr. m-55  Paralelný A/D prevodník. Vstupný impulz je vo vhodnom okamihu pomocou výberového signálu (Strobe) vzorkovacieho obvodu pripustený na vstup komparátorov. Výstup z komparátorov sa rovnakým výberovým signálom (Strobe) zapíše do registra s kóderom. Kódovací obvod (Encoder) slúži na prevod do binárneho kódu ( je to tzv. prioritný kóder).

Pre rozlišovaciu schopnosť vyššiu ako 8 bitov treba použiť iné ako paralelné metódy A/D prevodu. V jadrovo-fyzikálnych meraniach sú najviac používané metódy: 
 

	q	Wilkinsonova metóda s lineárne sa meniacim kompenzačným napätím
	q	Metóda postupnej aproximácie amplitúdy

3	Wilkinsonova metóda A/D prevodu

Obr. m-59  Prevod A/D Wilkinsonovým spôsobom

Obrázok m-60  znázorňuje prevod vo Wilkinsonovom ADC, pomocou jeho rozdelenia na 3 fázy :

1. Po vstupe impulzu (obr. m-59a) sa pomocou diskriminátora s nízkym prahom generuje na jeho výstupe ovládací impulz (obr. m-59b), ktorý otvorí lineárne hradlo (na vstupe ADC), čím umožní nabiť pamäťový kondenzátor.
2. Po nabití kondenzátora sa uzatvorí lineárne hradlo (na vstupe ADC) na celý čas prevodu (obr. m-59f) a začne sa proces vybíjania kondenzátora pomocou prúdového zdroja až do úrovne 0V (obr. m-59c). Pritom sa meria interval vybíjania kondenzátora (obr. m-59d ) pomocou impulzov z generátora (address clock), ktoré registruje počítadlo (address counter). 
3. V poslednom pamäťovom cykle obsah N_C počítadla (address counter) slúžiako adresa kanála do ktorého sa pripočíta +1 (počet výskytov udalostí v kanále sa zväčší o 1).

Obr. m-60  Postup operácii pri prevode A/D  Wilkinsonovým spôsobom:  nabíjanie pamäťového kondenzátora;  vybíjanie kondenzátora;  pamäťový cyklus.

Na dosiahnutie vysokej presnosti by malo trvať vybíjanie kondenzátora čo najdlhšie (čo by ale spomaľovalo činnosť) alebo by mala byť frekvencia f_C generátora čo najvyššia. Napríklad moderné 12 bitové ADC s 4096 kanálmi a 13 bitové ADC s 8192 kanálmi používajú frekvencie 100 – 250 MHz. Doba prevodu s Wilkinsonovým ADC T_M (je to vlastne mŕtva doba (obr. m-59g ), keď sa vykonáva prevod)

	TM= NC/fC+TMC.
kde	TMC – konštantné trvanie intervalu, rádovo niekoľko us, ktoré je určené trvaním čela meraného impulzu a trvaním vnútorného spracovania signálu do okamihu keď sa začnú počítať časovacie impulzy s frekvenciou fC , na určenie obsahu NC počítadla (address counter), ktorý slúži ako adresa kanála do ktorého sa pripočíta výskyt udalostí.

Pre ADC s 4096 kanálmi býva maximálne T_M ~40 –45 us. Skrátiť mŕtvu dobu T_M možno pomocou vybíjania kondenzátora s nerovnomernou rýchlosťou. Princíp metódy s kĺzavou škálou prevodu  ilustruje obr. m- 61. Hrubá aproximácia sa vykoná rýchlo metódou postupnej aproximácie pomocou 8-bit počítadla a ďalej sa pokračuje pomocou pomalého vybíjania kondenzátora ako pri Wilkinsonovej metóde. 

Prednosťou Wilkinsonovho A/D prevodu je linearita a stabilita prevodu (charakterizovaná procesom vybíjania kondenzátora) a malá diferenciálna nelinearita. Trvanie prevodu ale závisí od počtu kanálov prevodníka.

4	Metóda postupnej aproximácie amplitúdy

V druhom základnom type ADC (obr. m-56), ktoré sa používa v experimentoch jadrovej fyziky, sa rovnako ako vo Wilinsonovom ADC impulz najprv prepustí cez lineárne hradlo a nabije pamäťový kondenzátor (poprípade sa ešte impulz aj rozšíri, aby mal stálu amplitúdu, vhodnú pre analýzu) a potom sa porovnáva  so špeciálne generovanými etalónmi napätia. Tieto etalónové napätia sa generujú pomocou D/A prevodníka nie lineárne narastajúcim spôsobom (obr. m-56a ) ale úmerne váhe binárneho čísla (obr. m-56b).

Obr. m-56 Postup pri aproximovaní vstupnej amplitúdy pomocou: lineárne narastajúceho napätia (QE - kvantizačná chyba) postupnej aproximácie amplitúdy

Prevod sa začne nastavením najvyššieho (MSB) bitu A/D prevodníka do stavu “1” a pomocou komparátora sa porovnáva toto etalónové napätie s amplitúdou na kondenzátore. Ak je toto vygenerované napätie menšie ako vstupné napätie tak sa uvedie do stavu “1” aj susedný najvyšší (MSB-1) bit A/D prevodníka a znova sa vykoná komparácia. .Ak je výsledok minulej komparácie opačný (vygenerované napätie je vyššie ako vstupné napätie) tak sa uvedie naspäť do stavu “0” MSB a susedný najvyšší (MSB-1) bit A/D prevodníka stane rovným “1”. Tento stupňovitý proces postupného porovnávania pokračuje až do najmenej významného (LSB) bitu, t.j. dovtedy až bude vstupné napätie aproximované s najväčšou presnosťou.

Obr. m-57 Blokové zapojenie A/D prevodníka kompenzačného typu, používajúceho metódu postupnej aproximácie amplitúdy.

Na rozdiel od ADC s lineárne sa meniacim referenčným napätím (kde doba prevodu T_M~N_C~2ⁿ) v n-bitovom ADC s postupnou aproximáciou sa zakončí aproximácia  po “n” krokoch aproximácie.  Mŕtva doba tohto typu ADC:
 

	TM= n.ta +TMC.
kde	TMC – konštantné trvanie intervalu, rádovo niekoľko us, ktoré je určené trvaním čela meraného impulzu a trvaním vnútorného spracovania signálu do okamihu keď sa začnú počítať časovacie impulzy.
	ta – trvanie jedného kroku aproximácie.

Pre porovnanie u ADC s 4096 kanálmi (n=12) pri trvaní jedného kroku aproximácie t_a~1us trvá prevod maximálne 12us+T_MC a jeho trvanie prevodu (vlastne mŕtva doba) je prakticky nezávislé od amplitúdy. 

Veľkou prednosťou ADC s postupnou aproximáciou je vysoká rýchlosť prevodu aj pri vysokom rozlíšení. Nevýhodou je nízka diferenciálna linearita (typická DNL~10-20%) pri tomto spôsobe generovania referenčného napätia (väčšia nepresnosť pri nastavovaní veľkých skokovitých zmien referenčného napätia).
 

Obr. m-61 Blokové zapojenie A/D prevodníka s kĺzavou škálou prevodu

Prevodník s kĺzavou škálou prevodu (obr. m-61) je vylepšeným typom ADC, ktorý si udržuje vysokú linearitu prevodu ADC s lineárne sa meniacim referenčným napätím a tiež prednosť vysokej rýchlosti ADC s metódou postupnej aproximácie. Hrubá aproximácia (bity MSB) sa v tomto ADC vykonáva rýchlo postupným vážením a ďalšie jemné upresnenie amplitúdy sa určí metódou pílovite sa meniaceho napätia.

	Obr. m-62m  Zdroje mŕtvej doby v spektrometrickom kanále (zosilňovač + ADC):
TW - šírka impulzu na prahovej úrovni šumov diskriminátora (obr. 59a); TP - interval otvorenia lineárneho hradla, keď sa nabíja vzorkovací kondenzátor; TM - doba A/D prevodu (mŕtva doba), špecifikovaná pri opise prevodníkov.

Obsah prednášky z jadrovej elektroniky:

F	Detektor
F	Predzosilňovač
F	Šum na výstupe zosilňovača
F	Hlavný alebo lineárny zosilňovač
F	Analýza amplitúdy impulzov:
F	Časová analýza impulzov:
F	Štandardizovaná aparatúra pre jadrovo - fyzikálny experiment

  

Pokračovanie