Приборы и техника эксперимента, 2023, № 1, стр. 149-150

В ряде физических и методических задач возникает необходимость измерения временных интервалов в диапазоне от единиц наносекунд до сотен микросекунд и выше [1]. Рассматриваемый в данной работе преобразователь время–код ПВК-1.2.24 (далее ПВК) имеет два канала с общим стартом и измеряет интервалы времени длительностью от 0 до ~16 мс для каждого из каналов с разрешением порядка 1 нс. ПВК выполнен в стандарте КАМАК и занимает одну станцию. На рис. 1 представлена его функциональная схема. ПВК построен по схеме времяцифрового преобразователя последовательного счета с калибруемой шкалой преобразования. В качестве задатчика измерительных интервалов времени используется ждущий генератор на основе интегральной схемы (ИС) MC10H101, включенной по схеме кольцевого счетчика. Частота смены состояний данного генератора в пересчете эквивалентна 1 ГГц [2, 3].

В основе процедуры измерения лежит совместная работа ждущего генератора на ИС MC10H101 и триггера-защелки на ИС MC100E150 серии ЭСЛ [4]. По переднему фронту стартового или калибровочного импульса запускается ждущий генератор, смена состояний которого идет в коде Джонсона с шагом, равным длительности внутренней задержки единичного логического элемента MC10H101. По переднему фронту стопового импульса или по заднему фронту импульса калибровки текущее состояние генератора фиксируется в триггере-защелке MC100E150. Данное состояние после преобразования из кода Джонсона в двоичный код представляет собой значения первых трех разрядов общего 24-разрядного слова данных. Оставшиеся 21 разряд формируются двоичным счетчиком путем подсчета числа полных циклов работы генератора, уложившихся в измеряемый интервал.

Процедура калибровки позволяет определить передаточные характеристики каждого из каналов для текущих условий эксплуатации. Калибровочные импульсы подаются в модуль либо от внешнего источника через разъем LEMO на его лицевой панели (“Строб”), либо генерируются внутри модуля из импульсов встроенного кварцевого генератора (сигнал Строб_3).

На передней панели имеется два дополнительных разъема “Строб_1” и “Строб_2”. Они предназначены для подачи импульсов калибровки для каждого канала по отдельности, что позволяет использовать данные входы для измерения длительности импульсов в пределах заявленного диапазона. Кроме того, разъемы “Строб_1” и “Строб_2” совместно со стоповыми разъемами позволяют организовать в данном ПВК режим с раздельным стартом для каждого из каналов. При этом диапазон измеряемого интервала времени задается длительностью соответствующих сигналов Строб_1 и Строб_2.

В ПВК предусмотрена возможность регистрации двух последовательных стоповых сигналов для одного из каналов на выбор. Для включения этого режима на плате имеются перемычки Jp1–Jp2, которые необходимо замкнуть. В этом случае вход другого канала не должен быть использован.

Сигнал LAM генерируется блоком либо по переполнению счетчиков, либо при регистрации стоповых сигналов в любом из каналов.

Для определения передаточных характеристик каналов на основе калибровочных данных использовался метод наименьших квадратов. Все расчеты были выполнены средствами программы Excel:

– передаточная характеристика первого канала

– передаточная характеристика второго канала где Tх₁, Tх₂ – измеряемые интервалы, n – число отсчетов.

Данные калибровки позволяют оценить длительность внутренней задержки единичного логического элемента микросхем MC10H101 в каждом из каналов. Для первого канала длительность внутренней задержки составила 0.94 ± 0.01 нс, для второго канала – 1.10 ± 0.01 нс.

Температура окружающей среды ~ 20.7°С.

В данном ПВК использована FPGA EP4CE6E22C8N в составе отладочной платы CoreEP4CE6 фирмы Waveshare, что значительно упростило изготовление печатной платы самого ПВК, а также предоставило возможность оперативно менять некоторые его характеристики, например измеряемый диапазон времени за счет изменения разрядности счетчиков.

Команды блока: F(0)A(0), F(0)A(1) – чтение 24-разрядного кода времени для первого и второго канала соответственно; F(0)A(2) – чтение слова состояния (R1, R2 – наличие сигналов Стоп; R3, R4 – переполнение счетчиков; R5 – наличие сигнала Старт); F(8)A(0) – проверка запроса LAM, Q = L; F(10)A(0) – сброс LAM и счетчиков; F(16)A(0) – запись кода длительности импульса Строб_3  по W1–W16; F(25)A(0) – старт калибровки ПВК внутренним сигналом; Z, С – общий сброс ПВК.