Объединенный институт ядерных исследований, ЛНФ

141980, г. Дубна, Московская обл., РФ

Электронное оборудование тех физических экспериментов, где требовались точные временные измерения, всегда носили на себе отпечаток противоречивых требований: обеспечение достаточной точности измерений при сохранении разумного объема используемого для этих целей оборудования. Между тем, при имеющейся постоянной тенденции к увеличению точности временных измерений, особенно при их смещении в область пикосекундного диапазона, разрешение этих противоречий традиционными методами становилось все более труднодостижимым, приводило к неадекватному увеличению объема и стоимости электронного оборудования, повышались требования к профессиональной подготовке разработчика.

Прогресс в области полупроводниковой электроники привел к появлению на мировом рынке многоканальных TDC‘s (Time-to-Digital Converter) с разрешением менее одной наносекунды, у которых высокая степень интеграции сочетается с низким потреблением по питанию и низкой стоимостью в пересчете на один канал. Кроме того, эти микросхемы используют сравнительно небольшие, до 40MHz, тактовые частоты (все необходимые преобразования частоты осуществляются внутри микросхемы), что в значительной степени снижает требования к защите печатных плат от электромагнитных шумов.

В ряду предлагаемых TDC предпочтительнее других, на наш взгляд, выглядят выпускаемые фирмой ACAM TDC-GP1 и TDC-F1 [1]. К их преимуществам относятся функциональная самодостаточность, относительная простота программирования, возможность по всем неясным вопросам получить консультацию непосредственно у разработчиков фирмы.

Данная работа не ставит своей целью детальное описание выбранных TDC. Рассмотрены только те опции, выбор которых обусловлен нашими задачами.

TDC-GP1 (рис.1) представляет собой двухканальный многофункциональный TDC с возможностью регистрации до четырех событий по каждому каналу. Разрешение в обычном режиме - 250 пикосекунд, или, при объединении двух каналов в один (High Resolution Mode), 125 пикосекунд.

Оба канала имеют общий “Старт”. Данные, фиксирующие момент прихода стопов относительно общего старта, накапливаются в двух соответствующих каждому каналу памятях по четыре 15-разрядных слова. По командам извне ALU выполняет арифметические операции над накопленными данными, причем результатом этих вычислений может быть не только временной интервал между стопами и стартом, но и между любыми стопами.

11 восьмиразрядных регистров определяют режим работы TDC, величину разрешения, содержат информацию о статусе устройства и результат вычислительных операций. Чтение/Запись этих регистров осуществляется через интерфейс ввода/вывода.

Рис.1. Функциональная схема TDC-GP1.

При традиционном применении TDC-GP1 (два идентичных измерительных канала) нами используется Resolution Adjust Mode. В этом режиме разрешение остается неизменным в довольно широком диапазоне температур и напряжений, поскольку напряжение на ассиметричном кольцевом осцилляторе, в первую очередь определяющем стабильность разрешения, регулируется через PLL (Phase Locked Loop), и зависит только от кварцованной тактовой частоты (Reference Clock). Реализация этого режима требует подключения к цепям PLL незначительного количества внешних компонентов.

TDC-F1 (рис.2), значительно более мощная по сравнению с TDC-GP1 интегральная схема, создана в рамках эксперимента “COMPASS” (ЦЕРН). Это восьмиканальный TDC с разрешением в обычном режиме - 120 пикосекунд, или, при четырех-канальной организации (High Resolution Mode), когда два смежных канала объединяются в один, 60 пикосекунд.

Все каналы имеют общий старт. Количество стопов по каждому каналу не определено. Суммарное количество стопов по всем каналам ограничивается лишь вычислительной мощностью TDC-F1 и скоростью считывания информации.

Каждый канал имеет входное FIFO (Hit FIFO), в котором могут храниться до 16 результатов выполненных измерений, и выходное FIFO (Output FIFO) такой же емкости. Наличие двух FIFO объясняется возможностью использования TDC в триггерном режиме (Trigger Matching), в котором осуществляется фильтрация событий на стадии передачи информации из входного FIFO в выходное. Нами этот режим не используется, и, соответственно, в данной работе не рассматривается. Из выходных FIFO данные в строго хронологическом порядке в сопровождении 3-разрядного кода номера канала поступают в Интерфейсное FIFO (Interface FIFO).

Рис.2. Функциональная схема TDC-F1.

Управление TDC-F1 осуществляется с помощью шестнадцати 16-разрядных регистров, загружаемых через последовательный интерфейс.

Также, как и в TDC-GP1, в TDC-F1использован Resolution Adjust Mode.

Для спектрометра ДН-2 на базе двух TDC-GP1 нами создан модуль TDC1 как составная часть унифицированного набора модулей в стандарте VME системы регистрации и накопления данных [2]. TDC1 предназначен для работы с двухкоординатным позиционно-чувствительным детектором (MWPC) со съёмом сигналов с линий задержки. Функциональная схема TDC1 приведена на рис.3.

Анодный сигнал ПЧД выполняет роль общего старта, относительно которого

Измеряется момент прихода сигналов с обоих концов линий задержки как по оси

Рис.3. Система регистрации и накопления данных спектрометра ДН2.

X, так и по оси Y, поступащих на стоповые входы соответствующих TDC-GP1. К

полученным результатам добавляется временной код (TOF), после чего данные передаются в процессорный модуль PRO и далее в гистограммную память (модуль HM), доступную со стороны шины VME. Модули PRO и HМ входят в набор модулей в стандарте VME системы регистрации и накопления данных.

Разрешение TDC-GP1 выбрано равным 333 пикосекунды (эта величина лежит в середине пределов регулируемых значений разрешения TDC).

Рис.4. Система регистрации и накопления данных спектрометра «Эпсилон».

Модуль TDC2 был разработан на базе TDC-F1 для спектрометра «Эпсилон». Все 99 детекторов спектрометра разбиты на 9 секций, установленных по периметру окружности, по 11 детекторов в секции. Перед каждой секцией находится коллиматор. Детекторы в секции расположены в одной плоскости, следовательно, путь, проходимый рассеянными от образца нейтронами, для различных детекторов неодинаков, то есть, небходима коррекция, учитывающая этот фактор.

Потребовалось создать устройство, обеспечивающее 11 (по количеству детекторов в секции) независимых ширин временных каналов с точностью

установки не хуже 800 пикосекунд. При всей внешней простоте поставленной задачи решение ее только аппаратными средствами вовсе не тривиально.

Использование TDC существенно упрощает все аспекты этой проблемы. Сигналы канальной серии TS с периодом 8 микросекунд, поступающие из модуля PRO, выполняют роль общего старта для всех используемых каналов TDC-F1. 11 детекторных сигналов от каждой секции подаются на соответствующий данной секции кодировщик, преобразующий позиционный код в 4-разрядный код номера детектора. Последний передается в модуль TDC2, записывается во входное FIFO, а суммирующий сигнал кода номера детектора поступает на стоповый вход канала TDC-F1. Каждой секции соответствуют свои входное FIFO и измерительный канал TDC. В полной конфигурации используются два модуля TDC2: для пяти и четырех секций соответственно.

В момент прихода TS отсчет в TDC начинается с нуля. Одновременно сигналы TS осуществляют «грубую» временную привязку событий относительно старта реактора. «Точную» временную привязку, уже относительно TS, выполняет TDC.

Как уже было сказано, данные из TDC-F1 (16 разрядов временного кода и 3 разряда разряда кода номера канала) передаются в выходное FIFO в строго хронологическом порядке поступления событий. После считывания данных из выходного FIFO определяется номер канала и из соответствующего этому каналу входного FIFO извлекается номер детектора.

Полученный временной код (TOF) события в сопровождении кода номера секции (соответствует номеру канала TDC) и кода номера детектора поступает в модуль PRO, где осуществляется в режиме «on-line» сортировка событий в соответствии с выбранными для каждого номера детектора ширинами временных каналов. 99 спектров накапливаются в НМ модуле.

Разрешение TDC-F1 выбрано равным 150 пикосекунд, следовательно, именно с такой точностью возможна установка ширины временного канала.

Литература.

[1] acam-messlectronic gmbh, 76131 Kalsruhe, Germany; http://www.acam.de

[2] M.Korobchenko, F.Levchanovski, V.Rezaev. Unified VME-based data acquisition

systems for the spectrometers at the IBR-2 pulsed reactor, International workshop

DANEF’97 Proceedings, June 2-4, 1997, Dubna