26 Przetworniki analogowo-cyfrowe Dyskryminator Najprostszy przetwornik sygna lu analogowego na cyfrowy { generuje sygna l cyfrowy o ustalonej szerokosci ilekroc amplituda sygna lu analogowego przekroczy pewien ustalony poziom (prog wyzwalania): Wejscie prog Wyjscie Prog i szerokosc impulsu cyfrowego sa, zazwyczaj regulowane. Zastosowanie: odcinanie s labych pulsow (szumow), uk lady wyzwalaja, ce, pomiar czasu nadejscia impulsu. Dyskryminatory dzielimy na: wyzwalane zboczem (edge-sensitive) { je_zeli wyzwolenie naste, puje w chwili przekraczania na wejsciu poziomu progu wyzwalane poziomem (level-sensitive) { je_zeli wyzwolenie naste, puje zawsze gdy poziom sygna lu na wejsciu jest powy_zej progu. ) cze, sciej u_zywa sie, dyskryminatorow wyzwalanych zboczem { bo zwykle tego w lasnie potrzebujemy.
ELEKTRONIKA DLA... 27 Istotny parametr dyskryminatora: rozdzielczosc czasowa, czyli minimalna odleg losc mie, dzy impulsami wejsciowymi dla ktorej wygenerowane zostana, osobne impulsy na wyjsciu. dla szybkich dyskryminatorow mo_ze wynosic kilka nanosekund oczywiscie nie mo_ze byc krotsza ni_z szerokosc impulsu cyfrowego Dyskryminatory ze sta lym progiem maja, problem "we, drowki" pulsu wyjsciowego w zale_znosci od amplitudy: Bywa istotnym problemem w zastosowaniach wymagaja, cych dok ladnego pomiaru czasu przyjscia impulsu (np. precyzyjne komory dryfowe). Problem rozwia, zuje Constant Fraction Discriminator (CFD) { wyzwalanie naste, puje w momencie gdy sygna l osia, gnie ustalony procent swej amplitudy maksymalnej (zak ladamy, _ze impulsy maja, ten sam kszta lt a ro_znia, sie, jedynie amplituda, { w praktyce zwykle tak w lasnie jest). ) ten prosty w opisie algorytm bardzo trudno zrealizowac przy pomocy uk ladow liniowych!
ELEKTRONIKA DLA... 28 W praktyce CFD jest realizowany zwykle ten sposob, _ze sygna l wejsciowy jest rozdzielany na dwa tory, w jednym z nich jest wzmacniany i nieco opozniany, a naste, pnie odejmowany od drugiego. Wyzwolenie naste, puje w chwili gdy ro_znica, po pocza, tkowym wzroscie, powroci do zera. impuls wejsciowy opozniony i wzmocniony roznica wyjscie Dzia la tylko pod warunkiem, _ze czas narastania impulsow jest sta ly i niezale_zny od amplitudy. Przy takim za lo_zeniu mo_zliwe jest zredukowanie we, drowki do kilkudziesie, ciu ps, wobec 10 ns dla standardowego dyskryminatora.
ELEKTRONIKA DLA... 29 Analizator jednokana lowy (Single channel analyser, SCA) Dyskryminator o dwoch progach: minimalnym i maksymalnym. Wyzwolenie naste, puje tylko dla impulsow ktorych amplituda le_zy pomie, dzy tymi progami: SCA dostarcza typowo mo_zliwosci niezale_znej regulacji progow, ba, dz osobnej regulacji dolnego progu i szerokosci "okna". Podobnie jak w wypadku dyskryminatorow konstruowane sa, analizatory jednokana lowe zkompensacja, "we, drowki" czasowej, do zastosowan wymagaja, cych pomiaru czasu.
ELEKTRONIKA DLA... 30 Przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) Podstawowy element wspo lczesnego systemu odczytu detektorow. Mierzy parametry sygna lu analogowego, zamienia je na postac cyfrowa, (zakodowana, liczbe, ). Typowe ADC ma wejscie analogowe dla mierzonego sygna lu i wejscie cyfrowe (bramke, ) deniuja, ce kiedy nale_zy rozpocza, c (zakonczyc) pomiar. Cze, sto wymagane jest te_z napie, cie odniesienia, wzgle, dem ktorego dokonywany jest pomiar. Klasykacja ADC ze wzgle, du na rodzaj mierzonego parametru: ladunkowe { mierza, ca lkowity ladunek przeniesiony w czasie otwarcia bramki. Najcze, sciej u_zywane (jako _ze ladunek jest w wielu detektorach proporcjonalny do straty energii cza, stki). napie, ciowe { mierza, chwilowa, wartosc napie, cia na wejsciu "peak-sensing" { mierza, amplitude, impulsu (najwy_zsza, wartosc napie, cia widziana, w czasie otwarcia bramki). Wie, kszosc ADC dzia la na zasadzie pomiaru czasu ladowania ba, dz roz ladowania kondensatorow sta lym pra, dem:
ELEKTRONIKA DLA... 31 Metoda daje du_za dok ladnosc pomiaru, ale powoduje znaczny czas pomie, dzy bramka, a uzyskaniem wyniku (czas konwersji). Typowo kilka-kilkanascie s. Jest to oczywiscie czas martwy { nie mo_zna w tym czasie zmierzyc innego impulsu: impuls mierzony bramka wynik czas konwersji Niektore ADC maja, w zwia, zkuztym dodatkowe wejscie clear { podanie na nie impulsu powoduje przerwanie rozpocze, tego procesu konwersji i natychmiastowa, gotowosc do przyje, cia kolejnego sygna lu. Parametry ADC (na co patrzec kupuja, c przetwornik): zakres wejsciowy: jest to najwie, ksza wartosc parametru jaka, mo_zna zmierzyc; { cze, sto "dopasowujemy" impuls do wymagan ADC przy pomocy wzmacniaczy lub t lumikow. rozdzielczosc (zakres dynamiczny): ile ro_znych wartosci mo_zna zmierzyc w zakresie. Zwykle podawany jako liczba bitow wyniku (ADC najcze, sciej maja, 2 N "kana low"). Typowe ADC maja, od 8 do 12 bitow. czas konwersji;
ELEKTRONIKA DLA... 32 liniowosc: { ca lkowita, czyli maksymalne odchylenie charakterystyki od prostej; { ro_zniczkowa, czyli na ile rowna jest szerokosc kana low. stabilnosc: jak bardzo kalibracja (przelicznik odczytu ADC na jednostki zyczne) zmienia sie z czasem i z temperatura,. Bywa, _ze mikrosekundowy czas konwersji jest za du_zy... Wtedy pomaga Szybkie ADC (FADC) (od Flash ADC) Zasada dzia lania: napie, cie wejsciowe jest nieustannie porownywane przez szereg komparatorow z napie, ciami odniesienia branymi z drabinki identycznych opornikow. W chwili zbocza impulsu zegarowego uk lad koduja, cy sprawdza ile komparatorow widzi napie, cie mierzone wy_zsze od swojego napie, cia odniesienia i koduje te, liczbe, cyfrowo V odn. V mierzone R R...... uklad kodujacy wyjscie R R komparatory zegar
ELEKTRONIKA DLA... 33 oczywiscie tylko wwersji napie, ciowej; czas konwersji bliski zeru! mo_zliwa bardzo du_za cze, stotliwosc probkowania sygna lu (100 MHz i wie, cej); niewielki zakres dynamiczny { cena rosnie bardzo gwa ltownie z liczba, komparatorow (podwajana, na ka_zdy bit wyniku). Typowe maja, 8 bitow, spotykane 6 do 10; dalsza elektronika musi sobie poradzic z takim strumieniem danych! Stosowane coraz cze, sciej w nowoczesnych detektorach, np. w TPC (Time Projection Chamber). Umo_zliwia jednoczesny pomiar amplitudy i czasu przyjscia ka_zdego impulsu, w warunkach gdy mo_ze przyjsc ich wiele bliskich czasowo. Digitizuja, c przebieg napie, cia z elektrody mo_zemy zrekonstruowac wszystkie: Przebieg wejsciowy Zegar Przebieg odtworzony Je_zeli impuls ma dobrze ustalony kszta lt (rola uk ladow kszta ltuja, cych) to mo_zna zrekonstruowac czas przyjscia z dok ladnoscia, du_zo lepsza, ni_z cze, stotliwosc zegara! naj latwiej zrobic to znajduja, c w cia, gu odczytow lokalne maksimum i sprawdzaja, c odczyt przed i za nim. Je_zeli sa, sobie rowne, to znaczy _ze zegar tra l w maksimum impulsu mierzonego. Je_zeli nie { z ro_znicy mo_zna wyliczyc poprawke,.
ELEKTRONIKA DLA... 34 w podobny sposob mo_zna poprawic pomiar amplitudy, nawet je_zeli "nie tralismy" z probkowaniem w maksimum impulsu. przy wie, kszej ge, stosci probkowania i dobrze okreslonym kszta lcie impulsu mo_zna stosowac precyzyjniejsze algorytmy. ) Jak obejsc ma ly zakres dynamiczny FADC? Mo_zna zastosowac wzmacniacz i dwa przetworniki: ADC 1 out 2 (lo gain) in overflow xn ADC 2 out 1 (hi gain) Rozdzielamy sygna l na dwie ga le, zie i jeden wzmacniamy (zwykle o czynnik be, da, cy pote, ga, dwojki). Oba podajemy na identyczne przetworniki ADC. Je_zeli sygna l jest s laby { u_zywamy wyniku pomiaru ADC 2 (wzmocnionego). Je_zeli pomiar wyszed l poza jego zakres { u_zywamy odczytu ADC 1. ) Dzia la tylko je_zeli mo_zemy sie, pogodzic z utrata, dok ladnosci pomiaru dla du_zych sygna low (np. w kalorymetrii).
ELEKTRONIKA DLA... 35 Przyk lad zastosowania ADC: Analizator wielokana lowy (multichannel analyser): detektor delay ADC n procesor bramka dyskr. W istocie jest to tak podstawowy i cze, sto stosowany uk lad pomiarowy, _ze jest produkowany jako kompletne urza, dzenie, z wbudowanym regulowanym wzmacniaczem, dyskryminatorem, przetwornikiem, pamie, cia, na histogram i wyjsciem do odczytu komputerowego (a czasami i monitorem). jedno z podstawowych narze, dzi zyki ja, drowej...... ale i nam zdarza sie, go u_zyc. Przetwornik czas-cyfra (TDC) S lu_zy (jak sama nazwa wskazuje) do pomiaru czasu przyjscia impulsu. Przetwornik ma zazwyczaj dwa wejscia cyfrowe: START i STOP. Zbocze wznosza, ce impulsu cyfrowego rozpoczyna (konczy) pomiar czasu. Wynik pomiaru mo_zna odczytac, tak jak w wypadku ADC, jako liczbe, na wyjsciu cyfrowym przetwornika. Parametry TDC: rozdzielczosc, czyli d lugosc 'jednostki czasu'. Spotykane sa, TDC o rozdzielczosci od 20 ps do dziesia, tkow ns.
ELEKTRONIKA DLA... 36 zakres, czyli najd lu_zszy czas jaki mo_zna zmierzyc. Rowny liczbie kana low razy rozdzielczosc. Liczba kana low (podobnie jak dla ADC) jest cze, sto wyra_zana w bitach. TDC na ogo l nie maja, du_zych problemow z liniowoscia, i stabilnoscia, { pomiary czasu nale_za, do najdok ladniejszych w zyce. Zasada dzia lania TDC { najprosciej sygna lem START uruchomic generator i liczyc impulsy do sygna lu STOP. Ale to praktyczne tylko do rozdzielczosci rze, du 1 ns. Dla mniejszych rozdzielczosci stosuje sie, dwa generatory o niewielkiej ro_znicy cze, stosci, jeden uruchamiany sygna lem START, drugi sygna lem STOP. Czas po jakim generatory be, da, w fazie pozwala wyznaczyc dok ladnie czas przyjscia sygna lu STOP (zasada noniusza). Podstawowe zastosowanie: komory dryfowe i detektory czasu przelotu (TOF). Przetwornik cyfrowo-analogowy (DAC) Odwrotnosc ADC: wpisujemy liczbe,, na wyjsciu dostajemy napie, cie proporcjonalne do niej. Bardzo wa_zne urza, dzenie dla cyfrowej techniki audio/video. Zastosowanie w technice detektorowej raczej ograniczone, g lownie do "zdalnego sterowania" inna, elektronika, (np. progami wyzwalania dyskryminatorow). Nie mamy w zwia, zkuztym wielkich wymagan odnosnie szybkosci urza, dzenia, istotna jest przede wszystkim stabilnosc.
ELEKTRONIKA DLA... 37 Uk lady cyfrowe Technika cyfrowa jest bardzo intensywnie wykorzystywana w uk ladach detektorowych. W tej cze, sci wyk ladu przedstawie, podstawowe typy prostych modu low cyfrowych. Uk lad koincydencyjny Ma kilka wejsc, sygna l na wyjsciu jest generowany je_zeli na wszystkich wejsciach jednoczesnie jest logiczna "1" (czyli jest to bramka AND). Zwykle ma rownie_z wejscia antykoincydencji { na wejscie bramki AND jest podawane logiczne zaprzeczenie takiego wejscia. Przyk lad zastosowania: uk lad do pomiaru czasu _zycia mionu. µ L1 L2 Pb L3 e discr. discr. discr. C1 C2 start stop TDC Uk lady koincydencyjne realizuja, funkcje: C 1 = L 1 L 2 L 3 ; C 2 = L 1 (L 2 + L 3 ) czyli C 1 daje sygna l gdy cza, stka przesz la przez L 1 i L 2 ale nie L 3 (mion kosmiczny zatrzyma l sie, wp lycie o lowianej), zas C 2 da sygna l gdy odezwa l sie, licznik L 2 lub L 3, ale _zadna cza, stka nie wesz la z zewna, trz do uk ladu (L 1 nie zareagowa l) { czyli cza, stka pochodzi z p lyty. TDC mierzy czas pomie, dzy sygna lem wchodza, cego mionu a elektronu z rozpadu.
ELEKTRONIKA DLA... 38 U_zywaja, c uk ladow koincydencyjnych, zw laszcza w du_zych lub odleg lych detektorach, trzeba pamie, tac ouwzgle, dnieniu czas przelotu cza, stki przez detektor, czasu odpowiedzi detektora i czasu propagacji impulsu po kablu. ) Zwykle trudno jest teoretycznie wyliczyc wszystkie opoznienia w uk ladzie! koincydencje, trzeba ustawic doswiadczalnie. Najlepiej ustalic przybli_zone ustawienie na podstawie obliczen, a potem manipulowac wzgle, dnym opoznieniem sygna low, licza, c koincydencje. Normalnie dostaniemy krzywa, podobna, do poni_zszej: N plateau koincydencje przypadkowe Optymalne ustawienie opoznienia jest na srodku plateau. Znaczenie szerokosci sygna lu: zbyt ma la (mniejsza ni_z rozmycie czasu przyjscia sygna lu z detektora) spowoduje, _ze nie be, dziemy w stanie zarejestrowac wszystkich rzeczywistych koincydencji. Zbyt du_za zwie, ksza poziom koincydencji przypadkowych. t
ELEKTRONIKA DLA... 39 Przyk lad u_zycia koincydencji do redukcji t la w eksperymencie { odrzucanie t la kosmicznego: µ γ L2 L1 γ L1 L2 coinc. γ µ γ µ Czas przelotu mionu (cza, stki t la) wynosi kilka ns { taka jest ro_znica w czasie przyjscia sygna lu z detektorow. Dla cza, stek pochodza, cych z oddzia lywania w tarczy czas przybycia sygna low jest niemal rowny. Je_zeli tylko czas odpowiedzi detektora jest dostatecznie dobrze ustalony (z dok ladnoscia, lepsza, ni_z czas przelotu mionu mie, dzy detektorami) mo_zemy w ten sposob pozbyc sie, t la. Bardziej zaawansowany uk lad koincydencyjny {uk lad wie, kszosciowy (majority). Ma n wejsc cyfrowych, odpowiedz na wyjsciu jest generowana je_zeli dowolne k z nich ma jednoczesnie wartosc logiczna, "1".
ELEKTRONIKA DLA... 40 Jeszcze bardziej skomplikowany uk lad { macierz koincydencji. Mo_zna wyspecykowac ktore kombinacje sygna low wejsciowych wygeneruja, sygna l na wyjsciu. Zastosowanie: w du_zych zestawach detekcyjnych do wybierania przypadkow o okreslonej charakterystyce (np. cza, stek biegna, cych w pewnym kierunku) W uk ladzie na rysunku interesuja, nas produkty rozpadow dwucia lowych zachodza, cych w obszarze oznaczonym ko lem. Widac, _ze dla danego licznika interesuja, ce sa, wy la, cznie koincydencje z pie, cioma "przeciwleg lymi". Macierz koincydencji pozwala latwo zrealizowac taki uk lad. Meantimer. ) Jeszcze jedna wersja uk ladu koincydencyjnego. Normalne modu ly koincydencji generuja, sygna l wyjsciowy w chwili pojawienia sie, ostatniego sygna lu wejsciowego. Meantimer generuje impuls w czasie be, da, cym srednia, czasow przyjscia impulsow.
ELEKTRONIKA DLA... 41 IN 1 IN 2 OUT t t Po co to? Przydaje sie, gdy mierzymy czas przyjscia cza, stki u_zywaja, c du_zego detektora (czas przelotu sygna lu przez detektor jest niezaniedbywalny). 1) 2) PMT PMT scyntylator PMT PMT discr. discr. discr. meantimer discr. delay TDC TDC czas T 1 poprawka TDC czas sredni W pierwszym uk ladzie drugie TDC mierzy ro_znice, czasow przybycia sygna low, umo_zliwiaja, c rekonstrukcje, punktu traenia cza, stki (a tym samym obliczenie poprawki na czas przebiegu swiat la przez scyntylator). Je_zeli jednak ta informacja nie jest nam potrzebna, drugi uk lad jest prostszy i tanszy. Parametr na ktory nale_zy zwracac uwage, { zakres, czyli maksymalna dozwolona ro_znica czasow przyjscia impulsu.
ELEKTRONIKA DLA... 42 Licznik Po prostu zlicza nadchodza, ce impulsy. Liczniki maja, zazwyczaj rozmaite funkcje dodatkowe jak: dodatkowe wejscie bramkuja, ce (licza, tylko wtedy, gdy jest na nim "1"); generowanie impulsu po osia, gnie, ciu okreslonej liczby zliczen; mo_zliwosc zdalnego kasowania; mo_zliwosc odczytu komputerem; funkcje, pomiaru cze, stosci (liczenie przez okreslony czas); ::: Zastosowania { nieomal w ka_zdym "prowizorycznym" uk ladzie eksperymentalnym. Przydaje sie, te_z np. do kontroli poziomu t la (czasem nie patrzy sie, nawet na liczby, tylko jak szybko sie, liczy...) Przyk lad { uk lad do pomiaru efektywnosci detektora: discr. coinc. licznik 1 detektor badany discr. coinc. licznik 2 discr. Podstawowe parametry licznika { maksymalna cze, stosc zliczania (impulsow wejsciowych) i zakres, czyli maksymalna liczba impulsow jaka, mo_zna zliczyc. Zwykle tyle, ile okienek ma wyswietlacz.
ELEKTRONIKA DLA... 43 Generator bramki (gate generator) Uk lad ktory w odpowiedzi na impuls wejsciowy produkuje impuls wyjsciowy o regulowanej szerokosci i regulowanym opoznieniu wzgle, dem wejscia. U_zyteczny gdy trzeba np. wygenerowac sygna l bramkuja, cy dla ADC ladunkowego { szerokosc bramki ustalamy zgodna, z szerokoscia, impulsu. Bywa tak_ze u_zywany do takich funkcji jak blokowanie kolejnych impulsow przez okreslony czas albo "timeout", czyli przerywanie oczekiwania na jakies zdarzenie. Rejestr i ro_zne jego odmiany { np. pattern unit. Ma kilka wejsc cyfrowych i wejscie bramkuja, ce. Stan wejsc cyfrowych w momencie przyjscia bramki zostaje zapisany w rejestrze mo_ze byc odczytany pozniej. Przyk lad zastosowania: pattern unit ktory licznik detektory bramka Σ ADC wysokosc impulsu Zamiast odre, bnego przetwornika dla ka_zdego detektora wykorzystujemy wspolny przetwornik i rejestr mowia, cy nam ktory z detektorow zarejestrowa l impuls.
ELEKTRONIKA DLA... 44 Szereg rejestrow ustawionych jeden za drugim (wyjscie poprzedniego zasila wejscie naste, pnego) i sterowanych wspolna, bramka, daje urza, dzenie nazwane rejestrem przesuwnym (FIFO). Ka_zdy kolejny impuls bramkuja, cy powoduje przepisanie zawartosci ka_zdego rejestru do naste, pnego. Dane z ostatniego rejestru sa, doste, pne do odczytu. Najciekawsze zastosowanie { cyfrowy pipeline, czyli krotkoterminowa pamie, c danych cyfrowych (inaczej linia opozniaja, ca dla danych cyfrowych). FIFO trigger FADC odczyt zegar W uk ladzie na rysunku dane z FADC sa, nieustannie zapisywane do rejestru. D lugosc rejestru dobrana jest tak, _ze w momencie przyjscia sygna lu uruchamiaja, cego odczyt interesuja, ce dane sa, przy wyjsciu. Doka, d nie ma sygna lu wyzwalania dane " wypadaja, ce" z rejestru po prostu gina,.wchwili gdy on sie, pojawi { mo_zemy je odczytac. Mo_zemy nawet zatrzymac wtedy zegar i spokojnie " przejrzec" zawartosc rejestru podaja, c pojedyncze impulsy zegarowe i zapamie, tuja, c gdzies kolejne odczytywane wartosci. ) alternatywa dla CCD i zwyk lych pamie, ci RAM przy przechowywaniu i opoznianiu sygna low cyfrowych.
ELEKTRONIKA DLA... 45 Konwertery poziomow logicznych Aby sensownie wspo lpracowac ze soba,, modu ly cyfrowe musza, zgodzic sie, na wspolna, konwencje, rozumienia sygna low cyfrowych (co to jest logiczne "0" i logiczne "1"). Niestety nie ma jednego standardu dobrego " do wszystkiego". ) konwencja wymuszona do pewnego stopnia technologia, uk ladow logicznych. Wpowszechnym u_zyciu sa, co najmniej 3 konwencje: 1. TTL: "0"=0 V, "1"= +5 V. Odpowiada poziomom logicznym u_zywanym w wie, kszosci uk ladow scalonych, ale z ly do transmisji (nie dopasowany do impedancji typowych linii). Stosuje sie, tylko na ma lych odleg losciach. 2. NIM: "0"=0 ma, "1"=,16 ma (mierzone na 50 ). Dobry do transmisji po kablach koncentrycznych, dosc szybki. 3. ECL: "0"=,0:9 V, "1"=,1:75 V. Umo_zliwia najszybsza, transmisje, nawet po kiepskiej jakosci kablach (skre, tkach) { za to zu_zywa znaczna, moc. Bezposrednie la, czenie urza, dzen pracuja, cych wro_znych standardach nie da oczywiscie niczego sensownego. Aby umo_zliwic dopasowanie istnieja, uk lady do konwersji mie, dzy tymi standardami ) Zwracac uwage, przy budowaniu systemow!