Гаврилов Основы ядерной електроники ч.1 2010

Аналоговая и цифровая подсистемы разделены на кристалле таким образом, что работа цифровой не вносит помех в работу аналоговой подсистемы. Это означает, что для осуществления аналого- во-цифровых преобразований не нужно останавливать работу микроконтроллера. Для задания режимов работы отдельных узлов кристалла используются регистры специальных функций (SFR), позволяющие упростить работу с аналоговой периферией. Все настройки осуществляются программно путем записи соответствующих значений в регистры.

Цифровая подсистема кристалла включает пять 16-разрядных счетчиков-таймеров, сторожевой таймер, последовательные интерфейсы (два UART, SMBus и SPI). Для внутрисхемной отладки и программирования предназначен интерфейс JTAG. Собственно микроконтроллер позволяет получить пиковую производительность 25 MIPS, содержит Flash-память программ объемом 64 кбайт, а также 4352 байта ОЗУ. Наличие интерфейса внешней памяти, который может работать в мульти- и немультиплексированном режимах, позволяет увеличивать объем оперативной памяти. Шина адреса интерфейса внешней памяти – 16-битная, шина данных – 8-битная. БИС имеет 64 линии ввода-вывода и выпускается в корпусе TQFP100. Диапазон питающих напряжений составляет 2,7–3,6 В, рабочий диапазон температур (–40…+85ºС).

Подсистема 12-разрядного АЦП (АЦП0), показанная на рис. 3.26, состоит из 9-канального аналогового мультиплексора (AMUX0), операционного усилителя с программируемым коэффициентом усиления (PGA0) и собственно 12-разрядного АЦП поразрядного уравновешивания, называемого в иностранной литературе АЦП последовательного приближения (SAR). Максимальная частота дискретизации АЦП0 составляет 105 отсчетов в секунду. Она определяется частотой системного тактового сигнала, деленной на значение, задаваемое битами AD0SC регистра ADC0CF. Преобразование разрешается установкой бита AD0EN (ADC0CN.7) в “1”. Если этот бит имеет значение “0”, то подсистема АЦП0 находится в режиме низкого энергопотребления. Все режимы работы AMUX0, PGA0 и АЦП0 конфигурируются через регистры специальных функций (SFR).

141

Рис. 3.26. Функциональная схема подсистемы 12-разрядного АЦП

Для подачи измеряемых сигналов доступны 8 каналов AMUX0, а 9-й подключен к температурному датчику на кристалле. Каждая пара входов мультиплексора может быть запрограммирована для работы либо в дифференциальном, либо в однопроводном режиме. Последний инициализируется по умолчанию. Управляется AMUX0 двумя регистрами SFR: регистром выбора канала AMX0SL и конфигурационным регистром AMX0CF. Операционный усилитель PGA0 усиливает сигнал с выхода мультиплексора с коэффициентом, задаваемым конфигурационным регистром АЦП0 ADC0CF. PGA0 может быть запрограммирован с коэффициентом 0,5; 1; 2; 4; 8 или 16. По умолчанию коэффициент усиления равен 1.

При изменении конфигурации АЦП0 (например, параметров PGA и AMUX) необходимо учитывать минимальное время установления, обусловленное сопротивлением AMUX, емкостью накопительных конденсаторов АЦП, сопротивлением внешнего источника питания, а также требуемой точностью преобразования. Минимальное значение времени установления 1,5 мкс.

Преобразование может быть запущено четырьмя разными способами в зависимости от состояния битов AD0CM1 и AD0CM0 в регистре ADC0CN: программно (записью “1” в AD0BUSY); по пе-

142

реполнению таймера 2; по переполнению таймера 3; по внешнему сигналу (по положительному фронту CNVSTR). Если преобразование разрешено, а сигналы на запуск преобразования не поступают, то, тем не менее, происходит непрерывная выборка входного сигналаАЦП0. При установке бита AD0TM регистра управления режимом выборки-хранения ADC0CN в “1” АЦП0 функционирует в энергосберегающем режиме выборки-хранения. В этом режиме каждому преобразованию предшествует период выборки, равный 3 периодам частоты преобразования.

На все время преобразования бит AD0BUSY устанавливается в “1” и сбрасывается в “0” после завершения преобразования. Задний фронт AD0BUSY инициирует прерывание и устанавливает флаг прерывания AD0INT. Результат преобразования сохраняется в регистрах ADC0H (старшие разряды) и ADC0L (младшие). Для каналов, сконфигурированных как дифференциальные входы, результат преобразования АЦП0 выводится в двоичном дополнительном коде. Связь входных аналоговых значений напряжения с данными в регистре результата АЦП0 можно вычислить по следующей формуле:

АЦП0Код U ВХ (KU / UОП ) 2n ,

где UВХ – значение напряжения входного сигнала, В; KU – коэффициент усиления PGA0; UОП – значение опорного напряжения, В; n – разрядность результата (n=12 для однопроводных и n=11 для дифференциальных входов).

Для ограничения диапазона измеряемых напряжений АЦП предусмотрена функция программируемого «детектора окна». В регистрах микроконтроллера программируются нижнее и верхнее значения отслеживаемого напряжения. Регистры ADC0GTH, ADC0GTL, ADC0LTH и ADC0LTL являются регистрами значений верхнего и нижнего порогов выходного сигнала АЦП0. В случае, если напряжение на входе АЦП выйдет за пределы заданных пороговых значений, генерируется соответствующее прерывание, избавляя пользовательскую программу от необходимости «рутинного» циклического опроса.

В настоящее время многие ведущие производители БИС выпускают однокристальные системы сбора данных различного назначе-

143

ния и с различными характеристиками. В арсенале той же SiLabs

несколько семейств: C8051F00x, -01x, -02x, -04x, -06x, -12x, -3xx с 8-битными микроконтроллерами. Analog Devices также поставляет семейство ADuC8xx с 8-битными микроконтроллерами, но еще и выпускает кристаллы с 16/32-битным ядром ARM7TDMI: ADuC70xx, ADuC71xx. Входящие в состав этих БИС АЦП имеют разрядность 10–16 бит и обычно это либо преобразователи поразрядного уравновешивания, либо сигма-дельта преобразователи. Сигма-дельта преобразователи имеют неплохую дифференциальную нелинейность, но ориентированы на низкочастотные приложения. Недостаток кристаллов с АЦП поразрядного уравновешивания – плохая дифференциальная нелинейность (менее 30%), что требует дополнительных усилий для применения этих БИС в спектрометрической аппаратуре.

3.5.Многоканальные амплитудные анализаторы

сзапоминающими устройствами

Многоканальные амплитудные анализаторы разрабатывались как приборы для получения дифференциальных энергетических спектров заряженных частиц. По положению максимума спектрального пика определяется энергия частиц, а по площади под этим пиком вычисляется активность источника. Сегодня в составе спектрометров анализаторы используются в автоматизированных системах контроля технологических процессов в радиохимических производствах, в ядерной физике и атомной энергетике, в службах охраны окружающей среды и радиационного контроля продукции на содержание радионуклидов, в медицине, геологии, сельском хозяйстве, пищевой промышленности, строительстве и т.д. Кроме того, анализаторы находят широкое применение в различных областях науки и техники, где используются ядерно-физические методы анализа или имеется потребность измерения амплитудных распределений случайных или периодических процессов.

3.5.1. СТРУКТУРА И АЛГОРИТМ РАБОТЫ МНОГОКАНАЛЬНОГО АМПЛИТУДНОГО АНАЛИЗАТОРА

Число каналов многоканального амплитудного анализатора (МАА) определяется главным образом энергетическим разрешени-

144

ем детекторов излучения. Математически строго показано, что ширине спектрального пика на половине его высоты должны соответствовать 5–6 каналов при аппроксимации пика гауссовой кривой. В этом случае положение максимума спектрального пика может быть определено с точностью около 0,1 ширины канала. В соответствии с этим требованием принято использовать для сцинтилляционных спектрометров 512 каналов, для рентгеновских полупроводниковых спектрометров 1024 канала, а для полупроводниковых спектрометров гамма- и альфа-излучения 4096 каналов. Избыточное число каналов только увеличивает время набора спектров, так как нужно обеспечить удовлетворительную статистику в каждом канале. В промышленно производимых приборах предусмотрена возможность выбора числа каналов пользователем.

Временное разрешение МАА лимитируется стремлением уменьшить число просчетов и время измерений. В некоторых приложениях сокращение мертвого времени МАА может быть принципиальным. Так, при анализе пульсирующих потоков событий (ускорители, реакторы) амплитудные анализаторы нередко должны выполнять более 105 измерений в секунду.

Перечисленные требования могут быть удовлетворены с использованием 12–14-разрядных САЦП и быстродействующих запоминающих устройств с произвольной выборкой (ЗУПВ). Приборы предыдущих поколений, которые и сегодня можно встретить в лабораториях, выпускались с ферритовыми ЗУПВ. Достоинства этой памяти – энергонезависимость и повышенная радиационная стойкость. В современных приборах используется полупроводниковая память.

Рассмотрим алгоритм работы МАА, опираясь на структурную схему, представленную на рис. 3.27. Каждому из L=2n каналов n-разрядного САЦП соответствует m-разрядная ячейка (канал) запоминающего устройства, и выходной код САЦП является адресом этой ячейки. Адресный регистр (Адр. Р) по выходному коду САЦП выбирает соответствующую ячейку ЗУ (например, ячейку 3 на рис. 3.27). Содержимое Y3 адресованной ячейки считывается в арифметико-логическое устройство (АЛУ), где в арифметическом регистре (Ар. Р) к нему добавляется единица Y3:=Y3+1. Новое содержимое записывается в эту же ячейку 3. Если следующий изме-

145

ряемый импульс будет иметь такую же амплитуду, как только что оцифрованный, то в ячейку 3 добавится еще одна единица и т.д. Фактически, отдельные ячейки ЗУПВ работают как счетчики, фиксирующие число импульсов определенной амплитуды. Такой режим работы ЗУ называется инкрементным.

Рис. 3.27. Функциональная схема многоканального амплитудного анализатора с ЗУ

После того как число импульсов, накопленных в каждой из ячеек, станет достаточным для обеспечения требуемой статистической точности, содержимое ЗУПВ может быть выведено на дисплей ПК. Зависимость числа импульсов, накопленных в ячейках, от номера ячейки (канала) и представляет собой гистограмму, являющуюся приближением дифференциального амплитудного спектра. Дальнейшая обработка полученного спектра (гистограммы) подразумевает аппроксимацию спектральных линий, вычисление положения максимумов, определение площадей пиков с учетом коррекции погрешностей из-за мертвого времени и искажения формы пика и т. д. Эта обработка ведется программными средствами, для чего анализаторы снабжаются набором стандартных подпрограмм.

146

Выполнение описанного алгоритма работы в ранних приборах осуществлялось по жесткой (фиксированной) программе, задаваемой аппаратными средствами. В современных многоканальных анализаторах широко используется микропроцессорная техника, обеспечивающая очевидные преимущества: возможность перепрограммирования и автоматической настройки спектрометрического тракта, а также оперативной предварительной обработки спектров. Типовой состав современного многоканального амплитудного анализатора представлен на рис. 3.28.

Конструктивное воплощение МАА может быть самым разнообразным, но практически все современные приборы построены на основе ПК или компьютеров класса Notebook. Довольно распространенным решением является реализация МАА в виде платы, встраиваемой в ПК, – PCI-платы. Например, платы НПЦ “Аспект” на основе АЦП-1К-В1, -1К-В2, -8К-В1, -8К-В2, -1К-В8, -8К-П1, -8К-П2 выпускаются в рамках так называемой мезонинной архитектуры, когда на материнскую плату в специальные разъемы устанавливаются платы-мезонины. Собственно САЦП с программируемыми настройками как раз и размещен на плате-мезонине. Материнская же плата МАА содержит интерфейс шины PCI, процессор с памятью для накопления спектров, таймеры для задания экспозиции по “живому” или реальному времени, интенсиметры для контроля скорости счета и последующей коррекции спектров.

Сохраняет свои позиции и приборное исполнение. В качестве примера можно назвать отечественные разработки МАА НПЦ “Аспект” на основе АЦП-USB-8К-В, -USB-8К-П, -RS-8К-В, -RS-8К-П или спектрометрические комплексы СКС-07П_Г1…36 на основе процессоров импульсных сигналов SBS-77, -78, -79 объединения “Грин Стар”. Зарубежные фирмы также выпускают анализаторы в виде моноприборов, но в них используется цифровой спектрометрический тракт (см. раздел 3.7). Это модели DSPEC, DSPEC-Plus фирмы ORTEC, Lynx фирмы CANBERRA. Существует портативное исполнение для полевых условий с питанием от ионнолитиевого аккумулятора: “Колибри” (“Грин Стар”), DigiDART (ORTEC), InSpector 2000 (CANBERRA). К портативным, видимо,

следует отнести и приборы, конструктивно оформленные в виде цоколя ФЭУ и содержащие источник высокого напряжения, пред-

147

Рис. 3.28. Типовой состав современного многоканального анализатора

148

усилитель и цифровой МАА: digiBASE (ORTEC), OSPREY (CANBERRA).

Учитывая, что в ведущих физических центрах накоплено большое число аппаратуры, выполненной в стандартах предыдущих поколений, производители ядерно-физического оборудования стремятся в номенклатуре своих новых изделий иметь и совместимые с более ранними приборами. Обычно это модули NIM, CAMAC, «Евромеханика» единичной или двойной ширины. В большинстве случаев в этих модулях совмещены САЦП и буферная память для накопления спектров (такие модули иногда называют многоканальными буферами). Буферы содержат собственный процессор для набора спектров и встроенные интерфейсы RS-232, RS-485, USB, USB 2.0, многие из них могут подключаться в сеть Ethernet: модели 919Е, 921Е, 926-M32-USB фирмы ORTEC. Так как стандартные интерфейсы измерительных систем предыдущих поколений не рассчитывались на применение микропроцессоров и их возможности, некоторые производители оборудования развивают направление программно-управляемых модулей с использованием специальной шины. Так, фирма CANBERRA разработала собст-

венный стандарт на шину ICB NIM (Instrument Control Bus – шина управления приборами). При этом электрически и конструктивно эти программно-управляемые модули полностью совместимы с предшественниками. Управление линейкой модулей и связь с ПК осуществляет специальный интерфейсный измерительный модуль

AIM (Acquisition Interface Module), выполненный в стандарте NIM

(модель 556). Модуль имеет многопроцессорную архитектуру. Общее управление осуществляется при помощи 16-разрядного микропроцессора 80188. Функции набора спектра обслуживаются высокоскоростным процессором, управляемым микропрограммой с побитной обработкой. Сопроцессор Ethernet обеспечивает связь модуля с управляющим компьютером. Будучи подключенным к локальной сети Ethernet, AIM позволяет выполнять набор данных с любого компьютера сети.

149

3.5.2. ПОГРЕШНОСТИ СЧЕТА В МНОГОКАНАЛЬНЫХ АНАЛИЗАТОРАХ

Вследствие статистического характера поступления сигналов с детектора в анализаторе имеют место просчеты, которые увеличиваются с повышением входной загрузки. Эти просчеты возникают из-за мертвого времени спектрометрического тракта, когда он из-за занятости или по другим причинам (например, режекция наложенных импульсов) не регистрирует поступающие сигналы. В общем случае среднее мертвое время амплитудного спектрометрического тракта определяется всеми функциональными узлами спектрометра. Но тип мертвого времени у отдельных узлов может быть разным. Так, САЦП по методу Вилкинсона может иметь (рис.3. 29,а) переменное или постоянное (соответствующее максимальной амплитуде) мертвое время. Кроме того, различают устройства с мертвым временем продлевающегося и непродлевающегося типа. В устройствах с мертвым временем продлевающегося типа мертвое время возникает после любого поступившего события, независимо от того, регистрируется оно или нет. К числу таких устройств относится формирующий усилитель. Непродлевающееся мертвое время не зависит от поступления событий в течение этого времени. Такое поведение характерно для САЦП.

Рис. 3.29. Переменное и постоянное мертвое время (а) и составляющие мертвого времени, вносимые усилителем и АЦП (б)

150