CWICZENIE 5 UKLAD WYKRYWANIA I ODRZUCANIA SPIETRZEN (PUI/R)

Transkrypt

1 CWICZENIE 5 UKLAD WYKRYWANIA I ODRZUCANIA SPIETRZEN (PUI/R) I. Zakres cwiczenia Badanie wlasnosci ukladu wykrywania spierzen w sochasycznym ciagu impulsów oraz odrzucania impulsów skazonych ym efekem. Pomiar paramerów znamionowych ukladu: pomiar czasu rozdzielczego dla dwóch impulsów res, pomiar inerwalu wykrywania (deekcji) spierzen T D. Ocena efekywnosci wykrywania i odrzucania spierzen. II. Przedmio cwiczenia Przedmioem cwiczenia jes modul doswiadczalny ukladu PUI/R (Pile-Up Inspecor/ Rejecor). Rysunek 1 podaje ogólny schema ideowy ego modulu, wyrózniajacy rzy (oznaczone odpowiednio symbolami A, B i C) bloki funkcjonalne. 300pF 50 ns 3,5V 1n C 100k -15 V +15 V 1n 100 pf 4 100k T 1 BF200 B 10n V WY-A 1 120k +5 V +5 V A 50k R X 1k 10k C X J R Q 11 1 SN74123 K SN BF200 BF200 1k 10n T 3 T k WY-B 200k +5 V 12 Cl KONTR. 1 (T D ) KONTR. 2 Rys. 1. Schema ideowy modulu cwiczeniowego Podsawowa jednoske funkcjonalna modulu (blok A ) sanowi uklad wykrywania spierzen w konfiguracji zaproponowanej przez C.J. Danielsa. Tworzy ja zespól cyfrowych ukladów scalonych TTL skladajacy sie z monowibraora z impulsowym przedluzaniem czasu regeneracji (SN 74123) oraz synchronicznego przerzunika jednozboczowego JK (SN 7470). Uklad generuje sygnal idenyfikujacy i ewenualnie przedluza go w przypadkach, gdy odleglosci kolejnych impulsów mieszcza sie w zw. inerwale deekcji spierzenia. Dlugorwalosc ego inerwalu podykowana jes szybkoscia zaniku impulsów licznikowych i dopuszczalna dysorsja ampliud wywolana ich wzajemnym nakladaniem. W ukladzie usalaja ja warosci elemenów biernych R x i C x, w obwodzie zewnerznym monowibraora. W ym sensie monowibraor pelni funkcje GENERATORA INTERWALU DETEKCJI, przy czym rozciaglosc czasowa generowanego impulsu idenyfikujacego odpowiada scisle 1

2 inerwalowi deekcji. Monowibraor wyzwalany jes krókimi impulsami sarowymi przywiazanymi do czola kazdego impulsu licznikowego, a jego odpowiedz o czasie rwania T D przenoszona jes na wejscie informacyjne J przerzunika bisabilnego, przygoowujac go z okreslonym opóznieniem ransmisyjnym do zmiany sanu przewodzenia. Opóznienie reakcji monowibraora zapobiega przelaczaniu przerzunika równoczesnie w momencie pobudzenia monowibraora. Moze ono naomias nasapic dopiero pod dzialaniem kolejnego impulsu sarowego, mieszczacego sie w obrebie czasowym wygenerowanego w monowibraorze impulsu wyjsciowego (j. w inerwale deekcji), kóry powoduje zarazem przedluzenie odpowiedzi monowibraora o warosc T D, a w konsekwencji podrzymanie w ym okresie zmienionego sanu przerzunika Dla zilusrowania podanego opisu fenomenologicznego na rysunku 2 przedsawiono schemaycznie przebiegi sygnalów w wyróznionych punkach wezlowych ukladu T T Rys. 2. Diagramy przebiegów sygnalów w wybranych punkach ukladu Uklad wykrywania spierzen (pile-up inspecor) skojarzony z bramka liniowa wlaczona w or sygnalu spekromeru worzy srukure zwana ukladem odrzucania spierzen (pile-up rejecor). W module cwiczeniowym zasosowano prosa bramke równolegla na ranzysorze T 3 (blok B ). Z chwila zmiany sanu przerzunika podwyzszony poziom na je-go wyjsciu Q wprowadza w san nasycenia ranzysor T 3 zwierajac ym samym do masy or ransmisji sygnalu spekromerycznego. W celu uproszczenia zesawu pomiarowego modul cwiczeniowy wyposazono w uklad symulacji impulsów licznikowych (blok C ). W odpowiedzi na wejsciowy sochasyczny ciag krókorwalych impulsów prosokanych ( i = 60 ns, V in 3,5 V) generuje on analogiczny ciag celowo wydluzonych impulsów o zaniku eksponencjalnym, symulujacych impulsy napieciowe sygnalu spekromerycznego. Przemiana kszalu i rozciaglosci cza-sowej impulsów dokonywana jes w konwencjonalnym ukladzie pompy diodowej wspólpracujacej z inegraorem akywnym (UC7741). Uformowany w powyzszym ukla-dzie sygnal przekazywany jes za posrednicwem kaskady wórników (T 1 i T 2 ) na wyjscie bezposrednie WY-A oraz wyjscie bramkowane WY-B. Umozliwiaja one obserwacje i po-miar odpowiednich ciagów impulsów wyjsciowych. Dodakowe gniazdo wyjsciowe (KONTR. 1) przewidziano dla pomiaru INTERWALU DETEKCJI. Na plycie czolowej MODULU CWICZENIOGO 2

3 dosepne jes równiez pokrelo poencjomeru nasawczego R x obwodu usalajacego warosc czasu T D. III. Program cwiczenia - insrukcja szczególowa 1) Przygoowanie sanowiska pomiarowego Dla wykonania zadan przewidzianych programem cwiczenia niezbedne jes zesawienie zasepczego zródla sochasycznego ciagu impulsów na bazie rozporzadzalnej, konwencjonalnej aparaury pomiarowej. Sosunkowo prosym w prakycznej realizacji ukladem generacji ciagu impulsów o przypadkowym rozkladzie czasowym z mozliwoscia plynnej regulacji ich sredniej czesoliwosci repeycji jes andem zlozony z generaora szumu bialego i dyskryminaora progowego. Zasada pracy akiego ukladu opara jes na charakerysycznym dla szumu bialego gaussowskim rozkladzie warosci chwilowych ampliud. Srednia czesoliwosc < f > przekroczenia przez szum zadanego poziomu V prog opisana jes (parz dodaek B) zaleznoscia 2 1χV υ prog f ν= f0νexp ε, ε 2 χ VN rms ρ υ gdzie: < f 0 > zw. pozorna czesoliwosc procesu sochasycznego, j. srednia warosc czesoliwosci przejscia sygnalu przez zero w kierunku jego narasania; warosc srednia kwadraowa napiecia szumów. V Nrms Jesli z generaorem szumu bialego (GSB) skojarzyc dyskryminaor progowy (DP), na wyjsciu akiego ukladu uzyskuje sie pozadany sochasyczny ciag impulsów sandardowych o sredniej czesoliwosci < f > uwarunkowanej poziomem dyskryminacji V prog. Wedlug przedsawionej wyzej koncepcji zesawic ego rodzaju generaor korzysajac z dosepnych MODULÓW FUNKCJONALNYCH, z rodziny wkladek sysemu aparaury jadrowej STANDARD-70. Przeprowadzic obserwacje i pomiary esujace w ukladzie pomiarowym przedsawio-nym schemaycznie na rysunku 3. SYNCHROSKOP GEN.SZUMU BIALEGO TDS 220 GSB DP-21 Rys. 3. Schema ukladu do formowania i pomiarów ciagu impulsów przypadkowych W szczególnosci: P-41 3

4 Dokonac oceny charakeru ciagu impulsów na podsawie obserwacji oscylograficznej na oscyloskopie z pamiecia (Tekronix TDS-220 lub 314), powarzajac kilkakronie (w rybie pojedynczego wyzwalania podsawy czasu) obserwacje fragmenów generowanego ciagu. Przeprowadzic serie pomiarów sredniej czesoliwosci impulsów generowanego ciagu dla kilku warosci progu dyskryminacji. W pomiarach posluzyc sie echnika zliczania impulsów w zalozonym przedziale czasu, Wyniki pomiarów zesawic w abelce oraz wykreslic w posaci charakerysyki V prog vs. ln < f >. W ramach czynnosci przygoowawczych przeesowac subuklad symulacji impulsów licznikowych (blok C) oraz ich or ransmisji do wyjscia WY-A (blok B). W ym celu zesawic uklad pomiarowy wedlug schemau z rysunku 4 SYNCHROSKOP DUT TDS 220 PGP-6 PUI&R Rys. 4. Schema zesawu do formowania i pomiarów ciagu impulsów licznikowych Oscylograf zapiac na wyjscie WY-A ukladu wykrywania spierzen. Generaor impulsów przelaczyc w ryb normalny (ciag impulsów pojedynczych), a za pomoca jego organów regulacyjnych nasawic nasepujace paramery generowanego ciagu impulsów: szerokosc impulsów i = 60 ns, ampliuda impulsów V i = 3,5 V, polarnosc impulsów dodania, czesoliwosc ciagu f = 1 khz. Usalic ryb pracy oscylografu i dobrac jego zakresy pomiarowe. Ocenic wiernosc aproksymacji impulsu licznikowego. Dokonac pomiaru ampliudy obserwowanego impulsu, czasu jego narasania oraz salej czasowej jego zaniku. Wyznaczyc warosc szerokosci (1%) impulsu na poziomie 0,01 jego ampliudy. 2) Pomiar inerwalu deekcji spierzen W ukladzie pomiarowym z rysunku 4 przelaczyc wejscie oscylografu na gniazdo wyjsciowe KONTR 1 (T D ) ukladu PUI&R. Dokonac pomiaru rozciaglosci czasowej i poziomu odpowiedzi monowibraora SN na wymuszenie impulsem sarowym pobiera-nym z generaora PGP-6. Przyjac idenyczne jak w poprzednim zadaniu pomiarowym warosci paramerów sygnalu generaora impulsów. 4

5 Dobrac zakresy pomiarowe i ryb pracy oscylografu. Za pomoca poencjomeru nasawczego skorygowac szerokosc impulsu deerminujacego inerwal deekcji spierzen do warosci T D = (1%). 3) Sprawdzanie dzialania ukladu generacji sygnalu wzbronienia Do pomiaru wykorzysac en sam zesaw pomiarowy jak w zadaniu poprzednim. Sosownie do wymagan ego zadania podlaczyc kanal I i II oscylografu odpowiednio do gniazda WY-B oraz KONTR 1 badanego ukladu PUI&R oraz zmienic odpowiednio warunki pracy generaora PGP-6 i oscylografu TDS-220. Wyzwalanie podsawy czasu zwiazac z czolem impulsu usalajacego inerwal deekcji spierzen. W szczególnosci: przelaczyc generaor impulsów PGP-6 w ryb generacji impulsów podwójnych, przy zachowaniu poprzednich warosci i oraz V i zadac warosc odsepu impulsów w parze (opóznienie) równa i = 0,5 ms oraz okres repeycji T i = 5 ms. Pomiar oscylograficzny odpowiedzi ukladu na wymuszenie para impulsów przeprowadzic w rybie wyczekujacej podsawy czasu synchroskopu. Obserwujac na ekranie oscylografu sygnaly z wyjsc WY-B i KONTR 1 ukladu PUI&R sopniowo redukowac warosc opóznienia miedzy impulsami i az do momenu zekniecia impulsów inerwalu deekcji spierzen. Swierdzic czy momenowi emu owarzyszy spowodowany wygenerowaniem impulsu wzbronienia zanik na wyjsciu WY-B drugiego impulsu pary. Dodakowe wyjscie konrolne KONTR 2 umozliwia obserwacje ego impulsu. 4) Obserwacje skuków spierzania impulsów Obserwacji skuków spierzania impulsów dokonac w ym samym co uprzednio ukladzie pomiarowym. Manifesuja sie one na sygnalach, zarówno wejsciowym, jak i wyjsciowym ukladu PUI&R, odbieranych odpowiednio z jego gniazd WY-A oraz WY-B. Dla przeprowadzenia obserwacji efeku spierzania na pierwonym ciagu impulsów licznikowych nalezy dokonac odpowiedniego przelaczenia na wejsciu kanalu I oscyloskopu. Nasepnie, konynuujac zmniejszanie dysansu i dzielacego pare impulsów generaora PGP-6 zaobserwowac spierzanie impulsów na krawedzi opadajacej poprzednika ( na ogonie ) az do nasuniecia drugiego impulsu pary na krawedz czolowa impulsu pierwszego. Opóznienie i jes wówczas równe czasowi narasania impulsów licznikowych n. Skuek dalszego zmniejszania odleglosci miedzy impulsami pary mozna obserwowac na sygnale wyjsciowym ukladu. Nalezy zaem na wejscie kanalu I synchroskopu doprowadzic sygnal z gniazda WY-B badanego ukladu. W miare skracania inerwalu i nasapi poglebiajaca sie degradacja ampliudy wiodacego impulsu pary na skuek obcinania go przez sygnal wzbronienia przed osiagnieciem warosci maksymalnej. Przeszkicowac obserwowane przebiegi ilusrujace ewolucje dysorsji przenoszonego impulsu. Sformulowac i uzasadnic wnioski odnosnie ograniczen dzialania ukladu. Powyzsze obserwacje mozna przeprowadzic równiez w warunkach równoczesnej obserwacji obu sygnalów (z wyjsc: WY-A i WY-B), uzalezniajac wyzwalanie podsawy czasu synchroskopu od sygnalu z oru A. 5

6 5) Pomiar (inherennego) czasu rozdzielczego dla pary impulsów wejsciowych Do wykonania ego zadania posluzyc sie równiez zesawem pomiarowym podanym na rysunku 4. Obserwujac na ekranie oscylografu sygnal wyjsciowy ukladu PUI&R, sopniowo redukowac warosc opóznienia miedzy impulsami pary wymuszajacej, osiagajac kolejno san wygaszenia drugiego impulsu pary, sopniowej degradacji i zaniku impulsu pierwszego az do momenu ponownego pojawienia sie odpowiedzi na laczne wymuszenie pokrywajacej sie niemal calkowicie pary wejsciowej. Wyznaczona w en sposób graniczna warosc opóznienia igr okresla rozdzielczosc czasowa ukladu dla impulsów o skrajnie niskim (zerowym) czasie narasania n. W warunkach gdy n > i czas rozdzielczy podykowany jes przez czas narasania impulsu licznikowego. 6) Ocena efekywnosci wykrywania/odrzucania spierzen Szkodliwym rezulaem wzajemnego nakladania sie impulsów licznikowych jes dysorsja widma ampliudowego ciagu ych impulsów. Jej wielkosc i zasieg zalezy zarówno od sopnia przeciazenia czesoliwosciowego (j. od sredniej czesoliwosci impulsów), jak ez od charakeru impulsu (bez przerzuu lub z przerzuem). Prosym sposobem jakosciowej oceny dzialania ukladu odrzucania spierzen jes porównanie spekrogramu ciagu obarczonego spierzeniami, uzyskanego w warunkach eliminacji spierzen, z analogicznym spekrogramem zdjeym w warunkach braku odrzucania spierzen. Dla oceny skuecznosci dzialania badanego ukladu PUI&R posluzyc sie podanym wyzej sposobem. W ym celu nalezy dokonac pomiaru rozkladów ampliudowych ciagu impulsów przypadkowych w podanych wyzej warunkach alernaywnych, dla dwóch warosci sredniej czesoliwosci impulsów: < f 1 > = 1 khz i < f 2 > = 100 Hz, korzysajac z (zesawionego uprzednio) ukladu pomiarowego podanego na rysunku 5. GEN.SZUMU SYM.IMP.LICZN. GSB DP-21 A-22 P-41 GEN.IMP.PRZYPADKOWYCH PUI DUT BR ANALIZATOR AMPLITUDY Rys. 5. Schema zesawu pomiarowego do oceny efekywnosci dzialania ukladu PUI/R Pomiary akie nalezy wykonac ruynowa meoda punk po punkcie, wykorzysujac w ym celu uwidoczniony na schemacie ukladu pomiarowego zesaw ANALIZATORA AMPLITUDY. Dobrac czas akumulacji zliczen w przeliczniku kierujac sie wymogiem uzyskania dokladnosci pomiaru na poziomie 1%. Szerokosc okna analizaora przyjac na poziomie 6

7 200 mv. Przy nasawianiu warosci czesoliwosci ciagu impulsów przypadkowych skorzysac z krzywej kalibracyjnej (V prog ln < f >) wyznaczonej w ramach punku 1. Skomenowac uzyskane rezulay oraz przedsawic je abelarycznie i graficznie. IV. Wyposazenie sanowiska cwiczeniowego Modul cwiczeniowy: UKLAD WYKRYWANIA I ODRZUCANIA SPIETRZEN PUI&R Modul cwiczeniowy: GENERATOR SZUMU BIALEGO GSB Dyskryminaor progowy P-D21 wkladka STANDARD 70 Obudowa sysemu STANDARD 70 z zasilaczem niskiego napiecia Przelicznik impulsów P-41 samodzielna jednoska sysemu STANDARD 70 Generaor impulsów PGP-6 Oscyloskop cyfrowy TDS-220 (Tekronix) Analizaor jednokanalowy A-22 wkladka sysemu STANDARD 70 Kable i przewody polaczeniowe V. Lieraura pomocnicza [1] Daniels C.J.: An inegraed circui pile-up rejecor. The Review of Scienific Insrumens, vol. 46, No.1, 1975, 102 [2] Gillespie A.B.: Signal, Noise and Resoluion in Nuclear Couner Amplifiers. Oxford, London, New York, Paris, Pergamon Press 1953 [3] Gray T.S., Walker R.M.: Design of a reriggerable IC one-sho. IEEE Journal of Solid Sae Circuis, vol. SC-5, No. 4, 1970, 141 [4] Insrukcje fabryczne pomocniczej aparaury elekronicznej. [5] Korbel K.: Elekronika jadrowa. Cz. II. Uklady elekroniki jadrowej. Kraków, Wyd. AGH 1985 [6] Korbel K.: Monowibraor s impulsnym udlinienijem gienierirujemych impulsow. Pribory i Tiechnika Ekspierimiena, Nr 6, 113, 1968 Zesaw wykorzysywanej w cwiczeniu aparaury pomiarowej sysemu STANDARD wraz z modulem PUI/R. PRZELICZNIK P-41 iintegrator ILL21 ZAKRES MODUL GSB DYSKR. PROG. DP-21 PUI/R ANALIZATOR A-21 WY A REGUL IMP. WY WY. KONTR. B 2 WY.d. WY.a. WY OBS 7

8 8