ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 4, с. 44-48
_ ЭЛЕКТРОНИКА _
- И РАДИОТЕХНИКА -
НОНИУСНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ВРЕМЕННЫХ ИНТЕРВАЛОВ НА П.Л.И.С.
© 2004 г. Е. И. Турин, Л. Е. Дятлов, Н. Н. Коннов, К. В. Попов, А. В. Севастьянов
Пензенский государственный университет Россия, 440026, Пенза, ул. Красная, 40 Поступила в редакцию 19.09.2003 г. После доработки 19.12.2003 г.
Описан нониусный измеритель временных интервалов с вычисляемым коэффициентом интерполяции, выполненный на п.л.и.с. ХС805ХЬ фирмы ХГЬЖХ. Разрешающая способность измерителя составляет 0.625-0.25 нс при коэффициенте интерполяции 20-50 и частоте опорного сигнала 80 МГц. Использование п.л.и.с. позволяет уменьшить габариты прибора при сохранении точности.
Во многих областях науки и техники требуется измерение временных интервалов с высокой точностью. Одним из методов, позволяющих обеспечить субнаносекундное разрешение, является нониусный метод [1-3]. Достоинство нониусного метода состоит в том, что значительная часть измерителя может быть выполнена на цифровых схемах. В настоящее время для построения цифровых схем широко применяются п.л.и.с. типа программируемой пользователем вентильной матрицы (п.п.в.м.). Цель настоящей работы - реализация нониусного измерителя временных интервалов на п.л.и.с. типа п.п.в.м., что позволяет снизить потребляемую мощность, уменьшить размеры прибора, при необходимости оперативно изменить структуру преобразователя с учетом требований конкретного эксперимента.
За основу выбран описанный ранее нониусный метод измерения с вычисляемым коэффициентом интерполяции [3]. Структура преобразователя представлена на рис. 1. Он содержит опорный ОГ и нониусный НГ генераторы, основной СТ и два нониусных НС1 и НС2 счетчика, блок управле-
ния БУ, регистр сдвига Рг, входное устройство ВУ. Работой измерителя управляет персональная э.в.м.
При поступлении на вход импульса, отмечающего начало измеряемого временного интервала, вырабатывается сигнал ЗП, который запускает нониусный генератор НГ. Счетчик НС1 считает импульсы ВИ1 на выходе НГ с момента поступления входного импульса до момента совпадения фронтов ВИ1 и опорного сигнала ОС (точка А на диаграмме на рис. 2). Одновременно с остановкой счетчика НС1 запускается основной счетчик СТ.
При поступлении на вход измерителя второго импульса, отмечающего окончание измеряемого интервала, счетчик НС2 считает импульсы ВИ2 на выходе НГ, который прекращает свою работу при совпадении фронтов сигналов ВИ2 и ОС (точка Б на диаграмме на рис. 2). Одновременно прекращает свою работу и счетчик СТ. После этого содержимое счетчиков переписывается в регистр Рг, откуда последовательно сдвигается в э.в.м., после чего счетчики обнуляются. Далее цикл работы измерителя повторяется.
Рис. 1. Структурная схема нониусного измерителя с вычисляемым коэффициентом интерполяции.
ВИ1
ВИ2
ОС
Вход
N
N2
N0
Б
Рис. 2. Временная диаграмма работы нониусного измерителя.
Таким образом, после эксперимента в памяти содержится три массива кодов - N0, N и И2. По распределению кодов N определяется коэффициент интерполяции К, после чего временной интервал Ти вычисляется по формуле
(1)
T = TT
1 и ^1 q>
где
L = KN0 + (K + 1)(N1-N2),
(2)
Т = Т0/К (К - коэффициент интерполяции, целое число) [1, 2] - разрешающая способность, Т0 и Тн -периоды основного и нониусного сигналов. Период Тн отличается от Т0 на величину Т?.
Принципиальная схема измерителя представлена на рис. 3. Все блоки, показанные на рис. 1, за исключением ОГ и э.в.м., реализованы на п.л.и.с.
Информационные сигналы из э.в.м. последовательно поступают на вход О!. Результаты изме-
T
и
+5
+5
3 к 5 27 п
Вход <
DI
X 1:9 >—
^4-20 п
11 -СИ-
M3
300
ч=ь
&
РЖ 300
X 1:8 >-
С1
X 1:5
M,
X
27 п
&
200
56 п
X 1:11
M,
С2 300
X 1:7
X 1:2 X 1:4 X 1:3
&
300
ч=ь
100
&
M,
+3.3300
300 -СИ-
27 п
M5
300
300
TDI PROM DO
CCLK
TMS CEO
OE/R
TCK CF
TDO
G1V XCS 05XL NG
VH
OG
DI
RJS DO
C1
C2
DIN
CCLK
DONE
QINIT
PROG
100 ч=ь
т
I
DO X 1:10
56 п
TDO
X 1:13
Рис. 3. Принципиальная схема измерителя. М1 - генератор ТР0-7560УХ7 80.000 МГц фирмы ТОУОСОМ, М2, М4 -КР1533ЛИ1, М3 - ХС805ХЬ-5РС84С, М5 - ХС18У256РС20С; Т- КТ361; Д1 - КД519А, Д2 - КВ104В.
С
72
4
6
7
6
12
28
9
8
13
3
10
71
4
3
73
10
53
5
8
41
7
55
6
17
46
ГУРИН и др.
ibuf2
Вход
РВХ
>
IBUF,
77
&
1
Е7
ЗЛ
ОС
яг
OBUF
1 Г\ 72
СМ
S т '"I- S т —1 S т
D D D
С Е1 С Е2 С Ез
ГС
& Е5
&
Еб
&
Е9
ВИ1
ВИ2
Рис. 4. Функциональная схема нониусного генератора.
Е
4
D т
тС С
ОС
D т Q
С
&
СБ
ВИ1
РЖ
С2
С НС1 ВИ2 С НС2 С СТ
24 '[7/0] 16 15 ' /[7/0] 8 7 ' ' [7/0]
EWR
С Р„
DO —- в э.в.м.
Q
1
0
Рис. 5. Схема фиксации результата.
рения с выхода DO последовательно поступают в э.в.м. Связь с э.в.м. осуществляется через интерфейс Centronics по известным методам [4]. На рис. 3 приведены номера контактов разъема интерфейса Centronics.
Для загрузки п.л.и.с. используется перепрограммируемое п.з.у. XC18V256PC20C фирмы XILINX. Разработка структуры п.л.и.с. осуществлялась в САПР Foundation Base, которая позволяет загружать данные конфигурации в п.з.у. В схеме применялась загрузка конфигурации с использованием стандарта JTAG через параллельный порт по интерфейсу Centronics. При включении питания конфигурационные данные считываются из п.з.у. в п.л.и.с. автоматически. При необходимости изменения структуры преобразователя новая конфигурация записывается в п.з.у. через интерфейс JTAG. Сигнал РЖ (рис. 1) также задает режим
сдвига или занесения управляющей информации, а также результата.
Схема нониусного генератора представлена на рис. 4. Этот блок, так же как и большинство других, реализован в п.л.и.с.
Период нониусного сигнала равен удвоенной суммарной задержке прохождения импульса по цепи /В№\, Е7, Е8, ОВи¥, а также задержке, обусловленной внешними элементами С, Д2 и др. (см. рис. 3). Грубая регулировка периода Тн осуществляется конденсатором С, более точная - резистором Я и эмиттерным повторителем на транзисторе Т путем изменения напряжения на варикапе Д2. Изменяя коэффициент интерполяции в диапазоне 20-50, можно получать разрешающую способность измерителя от 0.625 до 0.25 нс.
к о ч я w о к я н о о к н w
о &
о
га
0.6 0.4 0.2 0
0.6 0.4 0.2 0
t = 482.84 не (m1 = 482.93 не)
- 0.604
0.044
0.35
0.002
1235 1236 1237 1238 491.92 не (491.99 не)
0.489 0.495
0.007
0.009 _1___I
1258 1259 1260 1261
0.8 0.6 0.4 0.2 0
488.676 не (487.95 не)
0.8 г 0.71
0.6 -
0.4 -
0.2 " 0.07
0 1 1 1
1248 1249
0.22
495.18 не (495.31 не)
0.726
0.143
0.131
(a)
1250
1267
1268
1269
t = 948.23 не (m1 = 948.43 не)
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2
w
к 0.1
о ч
я 0
о к я н
е
0 M
1 0.3 &
о
га
0.2 0.1 0
0.569
0.221
0.005
0.2
0.005 I .—. I
4247 4248 4249 4250 4251 955.84 не (955.92 не)
0.309
0.294
0.181
0.006
0.191
0.019 I ГН I
4280
4282
4284
0.3 0.2 0.1 0
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
954.93 не (955.11 не)
0.331 0.325
0.245
0.053
0.046 0.046
4277 4278 4279 4280 4281 961.72 не (961.89 не)
0.57
0.076
0.314
0.04
(б)
4308 4309 4310 4311
Код результата
Рис. 6. Результаты экспериментального исследования при: а - К = 32, Ту = 0.391; б - К = 52, Ту = 0.223.
При совпадении на входах первого триггера (элемент E1 на рие. 4) фронтов нониуеного и опорного еигналов на его выходе формируется перепад из нуля в единицу. Второй триггер (E2 на рие. 4) предназначен для более надежного выявления еовпадения этих еигналов, он ерабатывает на еле-дующий такт работы преобразователя.
Фикеация результата и передача его в э.в.м. оеущеетвляютея в ехеме, приведенной на рие. 5.
По окончании работы нониусного генератора в точке Б (см. рис. 2) сигналом РЖ = 1 регистр настраивается на прием информации, после чего по синхросигналу С2 в Р„ заносятся коды N1, N2, N0 с выходов НС1, НС2 и СТ. По сигналу РЖ = 0 регистр переводится в режим сдвига, и его содержимое путем поразрядного сдвига последовательно заносится в э.в.м. Коды N1, N2 и N0 запоминаются в памяти э.в.м., после чего по сигналу сброса СБ
48
ГУРИН и др.
сбрасываются счетчики НС 1, НС2 и CT, и преобразователь начинает следующее преобразование.
Опытная эксплуатация преобразователя показала его достаточную надежность и удовлетворительные точностные характеристики. Экспериментальное исследование нониусного измерителя проводилось многократным измерением известного временного интервала. На рис. 6а в качестве примера приведены результаты 2000 измерений временного интервала t в виде относительных частот кодов временных интервалов L. Измерения проводились при K = 32, что соответствует временному кванту Tq = 0.391 нс.
Из результатов, показанных на рис. 6а, видно, что среднее значение m1 практически не отличается от номинальной величины временного интервала. Разброс результатов многократных измерений постоянного временного интервала характеризует величину случайной составляющей инструментальной погрешности. Полученные данные позволяют утверждать, что величина случайной составляющей не превосходит величины временного кванта.
Для оценки предельных значений точности был проведен ряд измерений при предельных значениях K = 56, что соответствует временному кванту Tq = 0.223 нс на рис. 66. При дальнейшем увеличении K резко возрастает размах случайной составляющей. Полученные данные являются весьма удовлетворительными для многих приложений.
Особенностью использования п.л.и.с. является отсутствие возможности уменьшения помех внутри самой микросхемы, поэтому в схеме были приняты все меры для снижения помех: для питания схемы использовался линейный источник питания (при использовании импульсных источников помехи значительно возрастали, и увеличивалась величина случайной составляющей погрешности); на время преобразования в п.л.и.с. прекращалась работа всех схем, которые в нем не участвуют.
Таким образом, использование п.л.и.с. позволяет получить достаточно высокую точность измерения интервалов при низких затратах н
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.