Устройство для время-цифрового преобразования
Предлагаемая полезная модель относится к измерительной технике, в частности к технике прецизионного цифрового измерения интервалов времени в широком диапазоне, вплоть до пико- и фемтосекундного, и может быть использована в различных областях техники.
Цель, поставленная при разработке предлагаемой полезной модели, -создание относительно дешевого время-цифрового преобразователя (ВЦП) с более высоким временным разрешением, с компенсацией системных ошибок, возникающих из-за задержек в элементах, из которых построен ВЦП.
Отличительным признаком является использование одного канала преобразования время-напряжение и применение высокоразрядного аналого-цифрового преобразователя.
Устройство содержит сдвоенный триггер с возможностью раздельного и общего запуска, элемент «исключающее ИЛИ», прецизионный интегратор, буферный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, последовательный интерфейс и линию задержки. Результат обрабатывается либо при помощи микропроцессорной системы, либо ПЭВМ.
По сравнению с существующими время-цифровыми преобразователями, ВЦП не имеет мертвого времени, обладает высокой разрешающей способностью, имеет минимально возможную системную ошибку.
Предлагаемая полезная модель относится к измерительной технике, в частности, к технике прецизионного цифрового измерения интервалов времени в широком диапазоне, вплоть до пико- и фемтосекундного, и может быть использована в различных областях техники. Например, в приборах измерения расхода жидкостей и газов (расходомерах), в ультразвуковых дефектоскопах, в приборах, измеряющих плотность материала, в толщиномерах, в приборах для измерения расстояний (длины, дистанции), в научно-исследовательских измерительных системах для экспериментов, основанных на время-пролетной методике, в геофизических радарах и т.д.
Известно несколько принципиально разных методов измерения времени. Каждый из них имеет свой предел точности, свои достоинства и свои недостатки.
Простейшим, и вместе с тем самым надежным, а потому и самым распространенным способом измерения является численно-импульсный метод. Некоторый схемный узел, например кварцевый генератор, формирует непрерывную последовательность импульсов, период которых известен. Если в момент начала процесса измерения открыть цепь прохождения сигналов к счетчику, а в момент его завершения закрыть цепь, то на счетчике появится результат, представленный числом импульсов, пропорциональным измеряемому интервалу времени. Современные счетчики, выполненные на интегральных микросхемах малой и средней степени интеграции, работают на частотах не выше 250 МГц, что ограничивает измерение интервалов времени наносекундным диапазоном.
Значительно более высокой точности и ширины диапазона измерений удается достичь путем применения промежуточного преобразования. В преобразователях, выполненных с применением такого метода, время сначала преобразуется в некую аналоговую величину, например в амплитуду
напряжения, в ток или в заряд конденсатора, а затем эта величина преобразуется в цифровой код.
Так, в патенте США №4504155 от 12 марта 1985 г. «Преобразователь время-напряжение» от генератора постоянного тока заряжается опорный конденсатор (рис.1). Конденсатор начинает заряжаться от генератора тока, включаемого первым аналоговым ключом в момент прихода стартового сигнала. С приходом стопового сигнала генератор тока отключается посредством второго аналогового ключа и заряд конденсатора прекращается. Напряжение, возникшее при заряде конденсатора, пропорционально интервалу времени между стартовым и стоповым сигналами.
На рис.1 приведена блок-схема преобразователя время-напряжение такого типа. В исходном состоянии емкость Сн замкнута на землю через ключ S1, поэтому весь электрический ток I 0 протекает через него. С приходом стартового сигнала в момент времени Tstr, размыкается ключ S 1, и ток I0 протекает через конденсатор Сн, заряжая его. С приходом стопового сигнала в момент времени Tstp, ключ S 2 переключается и ток I0 стекает на землю, минуя конденсатор (заряд конденсатора прекращается).
Тогда,
Т. е. выходное напряжение пропорционально интервалу времени между сигналами «старт» и «стоп». Из анализа формулы следует, что погрешность определения интервала времени зависит от стабильности источника тока, стабильности конденсатора и от точности преобразования выходного напряжения:
К недостаткам преобразователя, приведенного на рис.1, следует отнести:
1. Ограничение диапазона измеряемых временных интервалов, ввиду достаточно длительного времени включения-выключения аналоговых ключей.
2. При измерении малых временных интервалов, напряжение на выходе интегратора соизмеримо с уровнем внутренних шумов усилителя.
3. Жесткие требования к стабильности параметров элементов, входящих в состав схемы.
4. Системная ошибка, соизмеримая с измеряемым интервалом времени в режиме измерения малых интервалов времени.
На рис.2 показан вариант преобразователя время-напряжение, предложенный авторами статьи «Development of Monolithic Time - to - Amplitude Converter for High Precision TOF Measurement» Manobu TANAKA, Hirokazu IKEDA, Mitsuo IKEDA и Susumu INABA, опубликованной IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE, Vol.38, No. 2, April 1991.
Этот вариант является развитием схемы, приведенной на рис.1, но в отличие от нее, имеются два раздельных канала TAC1 и ТАС 2 - канал для сигнала «старт» и канал для сигнала «стоп». Кроме того, необходим сигнал Tclk (строб - сигнал синхронизации), производящий одновременный запуск каналов «старт» и «стоп» и коррелированный с ними во времени. Выходной сигнал первого преобразователя время-напряжение пропорционален разности времени между сигналами «строб» и «старт». Выходной сигнал второго преобразователя время-напряжение пропорционален разности времени между сигналами «строб» и «стоп».
Выходные напряжения преобразователей время-напряжение обоих каналов подаются на входы дифференциального усилителя, реализующего функцию вычитания, и на его выходе образуется разностное напряжение, пропорциональное измеряемому интервалу времени. Для этой схемы:
где I1, I 2 - электрические токи, a CH1, C H2 - конденсаторы для первого и второго преобразователей соответственно. Tstr (T stp) - время прихода стартового сигнала (стопового сигнала), a Tclk - время запуска каналов. Для идеального случая (абсолютное равенство токов I1 и I2, а также конденсаторов C H1 и CH2), уравнение (3) упрощается до равенства
идентичное (1). Однако, присущие преобразователю время-напряжение с одним каналом недостатки (рис.1) характерны и для преобразователя время-напряжение с двумя каналами (рис.2). Причем количество источников погрешности увеличилось, что приводит к увеличению системной ошибки, особенно в режиме измерения малых временных интервалов.
Цель, поставленная при разработке предлагаемой полезной модели, - создание относительно дешевого время-цифрового преобразователя (ВЦП) с более высоким временным разрешением, с компенсацией системной ошибки, возникающей вследствие нестабильности и разброса задержек в элементах, на которых построен ВЦП.
В основу предлагаемого ВЦП заложен принцип преобразования времени в напряжение, разработанный авторами цитируемой выше статьи (рис.2).
На рис.3 приведена функциональная схема время-цифрового преобразователя, состоящего из сдвоенного триггера с возможностью раздельного и общего запуска X1, элемента «исключающее ИЛИ» Х2, прецизионного интегратора Х3, буферного усилителя Х4, аналого-цифрового преобразователя Х5, последовательного интерфейса Х6 и линии задержки Х7. Результат обрабатывается либо при помощи микропроцессорной системы либо ПЭВМ.
Вход «старт» является тактовым входом С1 триггера X1. Выход триггера Q1 соединен с одним из входов схемы «исключающее ИЛИ» Х2 и с входом ключа, управляющего сбросом интегрирующего конденсатора интегратора Х3. Вход «стоп» является тактовым входом С2 триггера X1. Выход триггера «стоп» Q2 соединен со входом линии задержки, выход которой в свою очередь соединен с другим входом схемы «исключающее ИЛИ» Х2. Выход схемы «исключающее ИЛИ» Х2 соединен со входом ключа, управляющего зарядом интегрирующего конденсатора интегратора Х3. Выход интегратора Х3 соединен со входом буферного усилителя Х4, выход которого в свою очередь соединен со входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП) Х5. Выход АЦП Х5 соединен со входом последовательного интерфейса Х6. Один из выходов интерфейса Х6 соединен с входом общего запуска CP триггеров «старт» и «стоп». Другой выход интерфейса Х6 соединен с входами R1 и R2 триггеров «старт» и «стоп» X1 (сброс триггеров в исходное состояние).
Отличительным признаком, по сравнению с прототипом (рис.2), является использование одного канала преобразования время-напряжение для измерения временного эталона и измеряемого временного интервала.
Представленный ВЦП обладает «новизной», так как предложенная совокупность признаков не выявлена из существующего уровня техники.
Предлагаемый ВЦП соответствует критерию «промышленная применимость», так как все элементы устройства известны, не приносят вреда и имеется возможность неоднократного его изготовления.
Рассматриваемый ВЦП (рис.3) предназначен для измерения времени в широком диапазоне временных интервалов, в том числе в пико- и фемтосекундных диапазонах. Измерение временного интервала производится в два этапа.
Первый этап - измерение времени задержки измерительного канала:
- программное обеспечение генерирует стартовый импульс общего запуска (старт I);
- на выходах триггеров «старт» (Q1) и «стоп» (Q2) триггеров X1 появляются логические единицы «1»;
- «1» на выходе триггера «старт» (Q1) разблокирует интегрирующий конденсатор интегратора Х3 и включает ключ (через схему исключающую ИЛИ - Х2) входного сигнала. Начинается процесс заряда интегрирующего конденсатора от прецизионного источника напряжения U ref;
- «1» на выходе стопового триггера (Q2) через линию задержки 
t Х7 выключает входной ключ (через схему исключающее ИЛИ - Х2) и процесс заряда интегрирующего конденсатора завершается. Интегратор Х3 переходит в режим хранения сигнала.
Напряжение на выходе интегратора Х3 подается через буферный усилитель Х4 на вход АЦП - Х5. Оцифрованное напряжение через последовательный интерфейс Х6 передается в ПЭВМ, где хранится как эталон. После занесения в память эталонного напряжения, программное обеспечение генерирует сигнал сброса стартового и стопового триггеров X1, которые устанавливаются в исходное состояние.
Временная диаграмма измерения времени задержки измерительного канала приведена на рис.5.
Второй этап - измерение совокупного времени задержки измерительного канала и измеряемого временного интервала:
- с приходом стартового импульса, «1» на выходе стартового триггера Q1 разблокирует интегрирующий конденсатор интегратора Х3 и включает ключ (через схему исключающее ИЛИ - Х2) входного сигнала. Начинается
процесс заряда интегрирующего конденсатора от прецизионного источника напряжения Uref ;
- с приходом стопового импульса, «1» на выходе стопового триггера Q2 через линию задержки t Х7 выключает входной ключ (через схему исключающее ИЛИ - Х2) и процесс заряда интегрирующего конденсатора завершается. Интегратор Х3 переходит в режим хранения сигнала. Напряжение на выходе интегратора Х3 подается через буферный усилитель Х4 на вход АЦП - Х5. Оцифрованное напряжение через последовательный интерфейс Х6 передается в ПЭВМ, где хранится как совокупное напряжение измеренного временного интервала и времени задержки измерительного канала. После занесения в память совокупного напряжения, программное обеспечение производит вычитание из совокупного напряжения напряжение эталона. Результат вычитания - есть искомая величина, пропорциональная измеренному временному интервалу. Затем программное обеспечение генерирует сигнал сброса стартового и стопового триггеров X1, которые устанавливаются в исходное состояние. Процесс измерения временного интервала завершен.
Временная диаграмма измерения совокупного времени задержки измерительного канала и измеряемого временного интервала приведена на рис.4.
Для измерения малых временных интервалов (в пико- и фемтосекундных диапазонах) необходимо соблюдение следующих условий:
1. Высокая стабильность во времени задержек цифровой логики и линии задержки.
2. Высокая стабильность во времени прецизионного источника напряжения Uref.
3. Высокая стабильность во времени параметров прецизионного интегратора.
4. Большая разрядность прецизионного АЦП (не менее 24 разрядов).
5. Применение сверхмалошумящего буферного усилителя.
Соблюдение перечисленных условий и реализация предлагаемой схемы в интегральном исполнении позволяют получить временное разрешение до 10 фсек/бит.
ВЦП отличается простотой устройства, практически не требующим настройки, малым количеством элементов и низкой стоимостью. К недостаткам следует отнести высокие требования к стабильности во времени параметров всех элементов ВЦП, что можно обеспечить при условии создания ВЦП в интегральном исполнении.
При разработке, конструировании и изготовлении ВЦП были применены элементы ECL-логики, прецизионный интегратор IVC102, прецизионный АЦП.
Время-цифровой преобразователь, содержащий соединенный с входными зажимами сдвоенный старт-стоповый триггер, один выход которого соединен напрямую с одним из входов элемента «Исключающее ИЛИ» и входом ключа интегратора, управляющего блокировкой конденсатора, а другой через линию задержки с другим входом элемента «Исключающее ИЛИ», выход которого соединен с входом ключа, управляющего зарядом конденсатора, накопленный заряд которого с выхода интегратора передается на вход буферного усилителя, выход которого в свою очередь соединен с входом АЦП, при этом выход АЦП соединен с входом последовательного интерфейса, а выходы интерфейса соединены с одноименными входами порта ЭВМ и старт-стоповым триггером, реализуя функцию протокола обмена данных, сброса и синхронного запуска старт-стопового триггера, отличающийся тем, что имеет один измерительный канал, содержащий один прецизионный источник напряжения, один прецизионный интегратор и линию задержки, что позволяет свести системную ошибку к минимуму.
