Диджитайзер с модулем универсальной триггерной логики Российский патент 2024 года по МПК H03M1/12 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в качестве входного устройства цифровых вычислительных комплексов для регистрации быстропротекающих электрических процессов в исследованиях в областях фундаментальной физики, а также в аэрокосмической и телекоммуникационной техники и атомной энергетики.

В настоящей заявке использованы следующие сокращения:

TDC (от англ. time-to-digitalconverter) – время-цифровой преобразователь;

АЦП – аналого-цифровой преобразователь;

ПЛМ – программируемая логическая матрица;

ПЛИС – программируемая логическая интегральная схема.

В контексте настоящей заявки, ПЛМ и ПЛИС рассматриваются, как синонимичные понятия.

В научных экспериментах одной из важных задач является определение времени возникновения события (например, время регистрации элементарных частиц в детекторе) или определение временного интервала между событиями (корреляции между событиями). Регистрация событий производится по факту появления аналогового сигнала в детекторе. Известны устройства TDC, которые переводят метку времени в цифровой вид. В том числе и время регистрации события на детекторе.

Современные диджитайзеры (оцифровщики сигналов) определяют время события с точностью их номинальной частоты дискретизации (в основном до несколько наносекунд). Однако, для ряда задач требуется точность порядка пикосекунд.

Известен комплекс приборов для обработки данных спектрометра ИБР-2, включающий модуль оцифровки экспериментальных данных и модуль TDC (Иванова Д. Использование интегральных TDC с пикосекундным разрешением на спектрометрах ИБР-2. URL: https://pandia.org/text/78/084/61124.php). По известному решению, TDC выполнен в виде отдельного устройства (модуля) системы регистрации и накопления данных.

К недостаткам известного решения относится то, что модуль оцифровки экспериментальных данных (фактически – диджитайзер) в известном решении создан под определенный эксперимент и является узкоспециализированным устройством. Кроме того, выполнение модуля TDC в виде отдельного устройства усложняет экспериментальную установку и требует проведения синхронизации приборов.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков – прототипом заявляемой полезной модели – является высокоскоростной программируемый диджитайзерс время-цифровым преобразователем, включающий внешние разъемы, блок обработки данных, выполненный на базе ПЛИС, аналогово-цифровой преобразователь, процессорную систему, контроллер интерфейса, генератор опорной частоты и время-цифровой преобразователь, причем время-цифровой преобразователь совмещен с компонентом ПЛИС диджитайзера (E.В. Волков и др., Автономный модуль амплитудно-цифрового преобразования ADC-32ATC с оцифровкой формы импульса: Препринт НИЦ «Курчатовский институт» - ИФВЭ 2017-8. – Протвино, 2017 г., 58 с.). Авторы известного решения называют диджитайзер модулем оцифровки быстрых импульсных аналоговых сигналов, а генератор опорной частоты – блоком формирования тактовых частот. Сути дела это не меняет.

Общим недостатком известных решений является необходимость использования в экспериментальных установках, где обработка сигналов происходит с помощью диджитайзеров, дополнительных единиц оборудования, связанных именно с обработкой, а не с получением экспериментальных данных. В частности, в техническом решении, принятом за прототип, таким устройством является модуль, обобщенно названный авторами упомянутого решения внешней триггерной электроникой. Совершенно очевидно, что необходимость использования дополнительных единиц оборудования усложняет работу.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является исключение из состава аппаратных средств, применяемых для обработки экспериментальных данных при исследованиях в различных областях, например, в фундаментальной физике, атомной энергетики, а также в составе установок класса-мега-сайенс, триггерной электроники, конструктивно выполненной в виде отдельных агрегатов (модулей).

Техническим результатом осуществления предлагаемогоизобретения является возможность проведения высокоскоростных экспериментов, требующих высокой степени автоматизации процессов, а также сокращение номенклатуры аппаратных средств, применяемых для обработки экспериментальных данных, получаемых в физических экспериментах.

Поставленная техническая задача решается за счет введения в конструкцию диджитайзера, содержащего внешние разъемы, блок обработки данных, выполненный на базе программируемой логической интегральной микросхемы, аналогово-цифровой преобразователь, процессорную систему, контроллер интерфейса, генератор опорной частоты и время-цифровой преобразователь, совмещенный с компонентом ПЛИС, модуля универсальной триггерной логики, выполненного на базе дополнительной ПЛИС.

Конструкция диджитайзера с модулем универсальной триггерной логики (далее – диджитайзера), предлагаемого в качестве настоящегоизобретения, поясняется чертежом где позициями обозначены:

1 - плата,

2 - разъемы (входы) для исследуемого сигнала,

3 – аналого-цифровой преобразователь,

4 – ПЛИС (блок обработки данных),

5 – процессорная система,

6 – генератор опорной частоты,

7 – разъемы (входы) триггерного сигнала,

8 - ПЛИС с модулем универсальной триггерной логики,

9 - контроллер интерфейса,

10 - персональный компьютер.

Все компоненты диджитайзера, обозначенные позициями, указанными выше, размещены и закреплены на общей плате с использованием технологий поверхностного монтажа, известных из уровня техники и применяемых при изготовлении подобных технических устройств, и соединены между собой токопроводящими проводниками (далее условно – проводами) в соответствии с функциональным предназначением.

Обозначенный поз. 10 персональный компьютер не входит в состав диджитайзера и условно показан на чертеже для пояснения информационного обмена с контроллером интерфеса.

На чертеже показаны и обозначены позициями компоненты диджитайзера, важные, по мнению заявителя, с точки зрения раскрытия изобретения. Предлагаемый диджитайзер с время-цифровым преобразователем включает, кроме упомянутых, другие компоненты, присущие известным конструкциям. Их номенклатура не является предметом охраны по настоящей заявке.

Модуль триггерной логики выполнен на базе установленной на общей плате дополнительной ПЛИС 8, в которой реализованы алгоритмы TDC для точного определения метки времени для срабатывания триггера. При этом модуль триггерной логики имеет двусторонний информационный обмен с блоком обработки данных 4 и контроллером интерфейса 9, разъемы 2 для подвода к диджитайзеру исследуемого сигнала соединены с входом АЦП 3, разъемы 7 для триггерных входов и выходов соединены с модулем триггерной логики (ПЛИС 8), сигнал с генератора 6 опорной частоты подается на АЦП 3 и обе ПЛИС (4 и 8), сигнал с блока обработки данных (ПЛИС 4) подается на процессорную систему 5, а сигнал с генератора опорной частоты 6 подается на вход модуля триггерной логики (ПЛИС 8).

Предлагаемый в качестве настоящегоизобретения диджитайзер работает следующим образом.

Выполняли детектирование нейтронного излучения 2-координатной плоскости. Использовали попеременно две установки.

Первая, выполненная по традиционной структурной схеме, включала:

- позиционно-чувствительный детектор нейтронов,

- дискриминатор со следящим порогом PS715 Philips Scientific,

- аппаратный блок (DeLiDAQ),

- персональный компьютер с программным обеспечением обработки и хранения данных.

Принцип работы: при попадании нейтрона в детектор появляется электрический сигнал от анода и 2 пары катодных электрических сигналов, относящихся к координатам X и Y. Сигналы поступают на дискриминатор, где формируется логический сигнал соответствующие эл. сигналам от анода и катодов. Далее логические сигналы попадают в аппаратный блок, где определяются метки времени этих сигналов. Значение меток времени поступают на персональный компьютер, где происходит обработка данных. Обработка данных на персональном компьютере включает в себя:

- определение старта фиксации нейтрона в детекторе (по появлению сигнала на аноде);

- формирование временного окна, внутри которого будут рассматриваться сигналы с катода;

- проверку достоверности катодных сигналов (алгоритм сравнения меток времени попарно с катодных каналов Х и Y). Отбрасывание не верифицированных сигналов;

- расчет координат Х и Y на основе меток времени верифицированных катодных сигналов;

- запись координат Х и Y в память.

Для сравнения целесообразности и удобства работы выполнили детектирование нейтронного излучения 2-координатной плоскости с использованием диджитайзера с модулем универсальной триггерной логики.

Установка в новой комплектации включала:

- позиционно-чувствительного детектора нейтронов,

- диджитайзер с модулем универсальной триггерной логики,

- персональный компьютер с программным обеспечением для обработки и хранения данных.

Принцип работы установки был несколько изменен в соответствии с измененной архитектурой: при попадании нейтрона в детектор появляется эл. сигнал от анода и 2 пары катодных электрических сигналов, относящихся к координатам X и Y. Сигналы поступают на сигнальные входы диджитайзера (всего 5 каналов). В диджитайзере сигналы поступают на блок обработки данных для потоковой обработки сигналов и на модуль триггерной логики. В модуле триггерной логики с помощью специального алгоритма формируются метки времени по всем каналам. Также в этом модуле формируются триггеры на основе меток времени по заданному заранее пользователем алгоритму. Триггеры формируются с учетом событий, зарегистрированных по разным каналам (пары катодных Х и Y). Далее триггерные команды поступают в блок обработки данных. Это позволяет управлять (оптимизировать) работу блока обработки данных. В частности, в БОД производится расчет координат Х и Y только верифицированных сигналов, а неверифицированные сигналы отбрасываются, при этом, повышается верхний порог скорости обработки сигналов за счёт снижения нагрузки на БОД. Далее значение координат Х и Y поступают в персональный компьютер для хранения.

Решение с использованием диджитайзера с модулем универсальной триггерной логики позволило:

- сократить количество аппаратных средств;

- уменьшить длину пути сигналов до конечного блока обработки, что означает увеличение качества обработки сигналов (точность метки времени) за счет меньшей зашумлённости;

- увеличить эффективность регистрации нейтронов (обработка в блоке обработки данных и модуле универсальной триггерной логики происходит быстрее, чем в персональном компьютере), обеспечить сокращение «мертвого» времени (периода, когда система не может зарегистрировать сигнал);

- сократить количество данных, передаваемых на персональный компьютер (передаются только полезные, верифицированные сигналы).

Полученные результаты позволяют говорить о достижении заявленного технического результата.

Изобретение относится к вычислительной технике. Технический результат - сокращение количества аппаратных средств, увеличение качества обработки сигналов за счет меньшей зашумленности, оптимизация передачи данных. Для этого диджитайзер с модулем универсальной триггерной логики включает внешние разъемы, блок обработки данных, выполненный на базе ПЛИС, аналогово-цифровой преобразователь, процессорную систему, контроллер интерфейса, генератор опорной частоты. Дополнительно содержит установленный на общей плате модуль триггерной логики, выполненный на базе ПЛИС, в которой реализованы алгоритмы TDC для точного определения метки времени для срабатывания триггера. Модуль триггерной логики имеет двусторонний информационный обмен с блоком обработки данных и контроллером интерфейса, внешние разъемы для подвода к диджитайзеру исследуемого сигнала соединены с входом аналогово-цифрового преобразователя, внешние разъемы для триггерных входов и выходов соединены с модулем триггерной логики. 1 ил.

Диджитайзер с модулем универсальной триггерной логики, включающий закрепленные на общей плате и связанные между собой системой электропроводящих элементов внешние разъемы, блок обработки данных, выполненный на базе программируемой логической интегральной микросхемы, аналогово-цифровой преобразователь, процессорную систему, контроллер интерфейса, генератор опорной частоты, отличающийся тем, что дополнительно содержит установленный на общей плате модуль триггерной логики, выполненный на базе установленной на общей плате дополнительной программируемой логической интегральной микросхемы, в которой реализованы алгоритмы TDC для точного определения метки времени для срабатывания триггера, причем модуль триггерной логики имеет двусторонний информационный обмен с блоком обработки данных и контроллером интерфейса, внешние разъемы для подвода к диджитайзеру исследуемого сигнала соединены с входом аналогово-цифрового преобразователя, внешние разъемы для триггерных входов и выходов соединены с модулем триггерной логики, сигнал с генератора опорной частоты подается на аналогово-цифровой преобразователь и обе программируемые логические микросхемы, сигнал с блока обработки данных подается на процессорную систему, а сигнал с генератора опорной частоты подается на вход модуля триггерной логики.