Устройство для регистрации формы однократных быстропротекающих процессов

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при регистрации формы однократных быстропротекающих процессов в широком динамическом диапазоне как по амплитуде, так и по длительности, например, в ядерной физике при исследовании физических параметров импульсных ядерных реакторов. Устройство содержит три схемы защиты от перенапряжения, буферный усилитель, первый, второй и третий операционные усилители, первый, второй и третий аналого-цифровые преобразователи (АЦП), блок управления, кварцевый генератор, блок селекции кодов и пределов измерения, оперативное запоминающее устройство, интерфейс связи. Для расширения динамического диапазона, быстродействия, повышения точности измерения и автоматизации процесса измерения в него введены второй и третий операционные усилители, второй и третий АЦП, блок селекции кодов и пределов измерения. Технический результат - увеличение быстродействия всего устройства и увеличение динамического диапазона измерения, сохраняя при этом высокую точность измерения. 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для регистрации формы однократных быстропротекающих процессов в широком динамическом диапазоне как по амплитуде, так и по длительности, например, в ядерной физике при исследовании физических параметров импульсных ядерных реакторов.

Известно устройство (А.с. СССР №425147 «Устройство для регистрации ядерного излучения» авторов С.И. Горюшкина, А.А. Ростовцева, МПК 6 G01T 1/17, опубл. 15.12.74, БИ №46), содержащее детектор, каналы отбора, состоящие из делителей, дискриминаторов и линейных пропускателей, схему "ИЛИ", блок задания циклов, формирователь и регистратор, в каждом канале отбора между дискриминатором и линейным пропускателем последовательно установлены параллельно соединенные между собой схема запрета, триггер и схема "И", подключенные через дешифратор пределов к входу регистратора, другой вход которого соединен со схемой "ИЛИ" через аналого-цифровой преобразователь.

Однако это устройство не обеспечивает измерение формы сигнала в широком динамическом диапазоне амплитуд с достаточной точностью из-за различной фазовой задержки в трех каналах отбора, коммутационной ошибки при переключении в аналоговой части (линейных пропускателей, дешифраторов пределов и т.п.).

Кроме того, в этом устройстве ограничено быстродействие самого регистратора из-за ограничения полосы пропускания в любой из параллельных цепочек, состоящих из делителя (пассивного или активного), дискриминатора, линейного пропускателя, схемы "И" и аналого-цифрового преобразователя.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому изобретению является устройство автоматического регистратора формы сигналов (Горюшкин С.И., Овчинников М.А., Яковлев Ю.Н. Автоматический регистратор формы сигналов в стандарте КАМАК. ПТЭ, №3, 1991, с.227), содержащее автоматический нормирующий усилитель (АНУ), вход которого является первым входом устройства автоматического регистратора формы сигналов, устройство выборки и хранения, аналого-цифровой преобразователь, оперативное запоминающее устройство, блок управления, управляемый генератор тактовых импульсов, КАМАК-интерфейс. Выход АНУ через операционный усилитель соединен с первым входом аналого-цифрового преобразователя, второй вход которого соединен с выходом блока управления. Группа выходов и первый вход блока управления соединены соответственно с группой входов и выходом управляемого генератора тактовых импульсов, а второй и третий входы являются вторым и третьим входами устройства автоматического регистратора формы сигналов. Выход интерфейса является выходом устройства автоматического регистратора формы сигналов.

Недостатком данного устройства является зависимость погрешности измерения от коммутационной ошибки при переключении пределов измерения (точная фиксация амплитуды) в аналоговой части регистратора (аналоговый мультиплексор в АНУ), а также ограниченные функциональные возможности при автоматизации процесса измерения из-за невозможности автоматической подстройки и коррекции некоторых параметров (коэффициента усиления, напряжения смещения и т.п.).

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, являются расширение динамического диапазона измерения, увеличение точности измерения и скорости дискретизации, расширение функциональных возможностей.

Данный технический результат достигается тем, что в устройстве для регистрации формы однократных быстропротекающих процессов, содержащем буферный усилитель, выход которого через первый операционный усилитель соединен с первым входом первого аналого-цифрового преобразователя, второй вход которого соединен с первым выходом блока управления, группа выходов и первый вход которого соединены соответственно с группой входов и выходом кварцевого генератора, а второй и третий входы являются первым и вторым входами устройства для регистрации формы однократных быстропротекающих процессов, оперативное запоминающее устройство, интерфейс связи, выход которого является выходом устройства для регистрации формы однократных быстропротекающих процессов, новым является то, что дополнительно введены первая, вторая и третья схемы защиты от перенапряжения, второй и третий операционные усилители, второй и третий аналого-цифровые преобразователи, блок селекции кодов и пределов измерения, группа выходов которого соединена с группой входов оперативного запоминающего устройства, группа входов-выходов которого соединена с группой входов-выходов блока управления, второй выход которого соединен с входом интерфейса связи, вход первой схемы защиты от перенапряжения является третьим входом устройства для регистрации формы однократных быстропротекающих процессов, а выход соединен с входом буферного усилителя, выход которого соединен с последовательно соединенными вторыми схемой защиты от перенапряжения, операционным усилителем и аналого-цифровым преобразователем и с последовательно соединенными третьими схемой защиты от перенапряжения, операционным усилителем и аналого-цифровым преобразователем, вторые входы второго и третьего аналого-цифровых преобразователей соединены с первым выходом блока управления, выходы и группа выходов первого, второго и третьего аналого-цифровых преобразователей соединены с соответствующими входами и группами входов блока селекции кодов и пределов измерения.

Введение дополнительно двух параллельных каналов, каждый из которых состоит их операционного усилителя и аналого-цифрового преобразователя, позволило максимально достичь увеличения быстродействия всего устройства за счет так называемого "цифрового переключения" пределов, исключив также динамическую погрешность измерения, свойственную способу "аналогового переключения".

Введение схем защиты от перенапряжения для ограничения входных цепей по напряжению позволяет увеличивать динамический диапазон измерения, сохраняя при этом высокую точность измерения.

Построение блока управления и блока селекции кодов и пределов измерения на современной элементной базе (программируемых логических интегральных схемах ПЛИС) позволяет расширить функциональные возможности при автоматизации измерений за счет записи определенных констант (коэффициентов усиления, напряжения смещения и т.д.), полученных при настройке (калибровки) данного устройства.

На чертеже представлена структурная схема заявляемого устройства для регистрации формы однократных быстропротекающих процессов.

Устройство для регистрации формы однократных быстропротекающих процессов содержит первую 1, вторую 2 и третью 3 схемы защиты от перенапряжения, буферный усилитель 4, первый 5, второй 6 и третий 7 операционные усилители, первый 8, второй 9 и третий 10 аналого-цифровые преобразователи (АЦП), блок 11 управления, кварцевый генератор 12, блок 13 селекции кодов и пределов измерения, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 14, интерфейс связи 15.

Вход первой схемы 1 защиты от перенапряжения является третьим входом устройства для регистрации однократных быстропротекающих процессов, который подключают к детектору излучения (не показан). Вход буферного усилителя 4 соединен с последовательно соединенными первыми операционным усилителем 5 и АЦП 8, с последовательно соединенными вторыми схемой 2 защиты от перенапряжения, операционным усилителем 6 и АЦП 9 и с последовательно соединенными третьими схемой 3 защиты от перенапряжения, операционным усилителем 7 и АЦП 10. Вторые входы первого 8, второго 9 и третьего 10 АЦП соединены с первым выходом блока 11 управления. Группа выходов и первый вход блока 11 управления соединены соответственно с группой входов и выходом кварцевого генератора 12, а второй и третий входы являются вторым 16 (ПУСК) и третьим 17 (ВН. ТАКТ.) входами устройства для регистрации однократных быстропротекающих процессов. Группа входов-выходов оперативного запоминающего устройства 14 соединена с группой входов-выходов блока 11 управления, второй выход которого соединен с входом интерфейса связи 15. Выход интерфейса связи 15 является выходом устройства для регистрации однократных быстропротекающих процессов, который подключают к входу персонального компьютера (не показан). Выходы и группы выходов первого 8, второго 9 и третьего 10 АЦП соединены с соответствующими входами и группами входов блока 13 селекции кодов и пределов измерения, группа выходов которого соединена с группой входов оперативного запоминающего устройства 13.

Детектор излучения преобразует энергию ядерного излучения в пропорциональный электрический заряд (ток). В качестве детектора могут быть использованы следующие типы: ионизационная камера деления, токовая ионизационная камера, вакуумный эмиссионный диод и другие.

Схемы 1, 2, 3 защиты ограничивают входные цепи от перенапряжения и построены по схеме диодной фиксации на заданных уровнях.

Блок 13 селекции кодов и пределов измерения служит для коммутации кодов с трех АЦП, дешифрации пределов измерения, преобразования выходного кода с разрядностью (n+k), где n - разрядность АЦП, k - количество разрядов пределов измерения и выполнен на программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС).

Блок 11 управления предназначен для управления режимами работы устройства, выдачи сигналов синхронизации для блоков АЦП, ОЗУ, обмена информацией через интерфейс связи с персональным компьютером (ПК) и построен на ПЛИС.

Управление работой устройства осуществляется с помощью ПК.

Устройство для регистрации формы однократных быстропротекающих процессов работает следующим образом.

Запуск устройства осуществляется через вход 16 "ПУСК", внешнее тактирование - через вход 17 "ВН. ТАКТ".

Электрический сигнал в виде тока (напряжения) с детектора излучения (не показан) через схему 1 защиты и буферный усилитель 4 поступает на вход параллельно включенных трех каналов, состоящих из:

- первый - операционного усилителя 5 с коэффициентом усиления 0,1 и аналого-цифрового преобразователя 8;

- второй - операционного усилителя 6 с коэффициентом усиления 1 и аналого-цифрового преобразователя 9;

- третий - операционного усилителя 7 с коэффициентом усиления 10 и аналого-цифрового преобразователя 10.

Эти три канала обеспечивают широкий динамический диапазон регистрации сигнала по амплитуде. Переключение пределов измерения происходит в блоке 13 селекции кодов и пределов измерения, являющимся цифровой частью устройства, где информация с трех аналого-цифровых преобразователей 8, 9, 10 мультиплексируется и в зависимости от бита переполнения OVER с соответствующего АЦП записывается в ячейку оперативного запоминающего устройства 14. Это так называемое "цифровое переключение", при котором используются несколько параллельных АЦП с различной величиной кванта младшего разряда.

Сигналы OVER с выходов АЦП 8, 9, 10 дешифрируются в блоке 13 селекции кодов и пределов измерения и однозначно определяют номер предела, на котором произошла регистрация мгновенного значения амплитуды исследуемого сигнала с записью этой информации в соответствующую ячейку ОЗУ 14 с указанием диапазона (предела измерения).

В устройстве используется старт-стопный метод запуска с фиксированной записью истории сигнала. Перед выполнением измерения определяется и задается часть банка памяти, отводимая для истории. Затем устройство с помощью блока 11 управления и ПК (не показан) переводится в режим "Измерение", в котором все результаты измерения записываются в ОЗУ 14 непрерывно по "кругу", т.е. после заполнения всего объема памяти, вновь получаемые результаты переписываются в ранее заполненные ячейки. Такой алгоритм работы реализован как при внутренней синхронизации от кварцевого генератора 12, так и при внешнем тактировании (через вход 17 "ВН. ТАКТ").

После появления внутреннего (по команде от ПК) или внешнего импульса "ПУСК" (начало записи истории) начинает работать счетчик истории, входящий в блок 11 управления, который после выполнения циклов записи в память, формирует сигнал конца преобразования.

Таким образом, в ОЗУ 14 будет записана информация, полученная до прихода сигнала "ПУСК" (предыстория=общий объем ОЗУ 14 минус количество точек истории) и информация, полученная после сигнала "ПУСК" (ИСТОРИЯ).

После окончания регистрации в ОЗУ 14 хранится информация о пределе измерения (2 разряда), об амплитуде сигнала (12÷14 разрядов - в зависимости от разрядности АЦП 8, 9, 10).

"Сшивка" диапазонов измерения происходит с учетом предела регистрации.

Динамический диапазон измерения данного устройства равен произведению динамического диапазона трех каналов аналогового тракта и динамического диапазона АЦП и равен 2·10⁵.

Предложенное устройство обладает по сравнению с известным наибольшим быстродействием, так как оно определяется только скоростью дискретизации АЦП.

В данном устройстве используется "цифровое" переключение пределов измерения, при котором нет переключений в аналоговой части (обеспечение точной коммутации), что, в конечном счете, ведет к уменьшению общей динамической погрешности измерения.

Для обеспечения регистрации формы одного процесса в динамическом диапазоне, равном произведению динамических диапазонов двух устройств, необходимо использовать два детектора, отношение чувствительности которых к измеряемому процессу равно динамическому диапазону первого устройства.

Таким образом, по сравнению с наиболее близким аналогом, заявляемое устройство обладает расширенными возможностями при автоматизации процесса измерения по автоматической подстройки и коррекции некоторых параметров (коэффициента усиления, напряжения смещения и т.п.), а также при обработке полученной информации по расчету основных параметров импульса делений ядерного реактора (мощность, энерговыделение, период разгона, длительность на полувысоте и т.п.) сразу по окончанию эксперимента.

Изготовлен опытный образец устройства для регистрации формы однократных быстропротекающих процессов, испытания которого подтвердили осуществимость и практическую ценность заявляемого объекта.

Устройство для регистрации формы однократных быстропротекающих процессов, содержащее буферный усилитель, выход которого через первый операционный усилитель соединен с первым входом первого аналого-цифрового преобразователя, второй вход которого соединен с первым выходом блока управления, группа выходов и первый вход которого соединены соответственно с группой входов и выходом кварцевого генератора, а второй и третий входы являются первым и вторым входами устройства для регистрации формы однократных быстропротекающих процессов, оперативное запоминающее устройство, интерфейс связи, выход которого является выходом устройства для регистрации формы однократных быстропротекающих процессов, отличающееся тем, что дополнительно введены первая, вторая и третья схемы защиты от перенапряжения, второй и третий операционные усилители, второй и третий аналого-цифровые преобразователи, блок селекции кодов и пределов измерения, группа выходов которого соединена с группой входов оперативного запоминающего устройства, группа входов-выходов которого соединена с группой входов-выходов блока управления, второй выход которого соединен с входом интерфейса связи, вход первой схемы защиты от перенапряжения является третьим входом устройства для регистрации формы однократных быстропротекающих процессов, а выход соединен с входом буферного усилителя, выход которого соединен с последовательно соединенными вторыми схемой защиты от перенапряжения, операционным усилителем и аналого-цифровым преобразователем и с последовательно соединенными третьими схемой защиты от перенапряжения, операционным усилителем и аналого-цифровым преобразователем, вторые входы второго и третьего аналого-цифровых преобразователей соединены с первым выходом блока управления, выходы и группа выходов первого, второго и третьего аналого-цифровых преобразователей соединены с соответствующими входами и группами входов блока селекции кодов и пределов измерения.