Модульные системы в ядерной радиоэлектронике

    Современная радиоэлектронная система в ядерной физике обычно имеет модульную структуру, т.е. состоит из модулей, каждый из которых выполняет определенную задачу. Механические и электрические параметры модулей стандартизованы. Таким образом, собирая измерительную систему из модулей одного стандарта, можно быть уверенным, что они будут хорошо сочетаться друг с другом, а при изменений требований эксперимента установку можно легко перестроить, добавив и/или заменив модули.
    В ядерной физике низких и средних энергий до сих пор в основном применяются модульные системы NIM (Nuclear Instrumentation Modules) и CAMAC (Сomputer-Aided Measurement And Control). Несмотря на то, что это старые стандарты (NIM появился в 1964 г.) они удовлетворяют требованиям большинства экспериментов в этой области ядерной физики. В физике высоких энергий применяется аппаратура в стандартах FASTBUS и VMEbus - VERSA Module Europe.
    Модули NIM и CAMAC вставляются в корзины (bin в стандарте NIM и crate в стандарте CAMAC), которые обеспечивают питание модулей. В крейте CAMAC кроме шин питания есть и сигнальные шины. Модули CAMAC соединяются с компьютером с помощью специального модуля крейт-контроллера. Типоразмеры NIM и CAMAC разные и модуль NIM не вставить в крейт CAMAC без специального переходника. Некоторые модули не вставляются в bin, например, предусилители. От него они получают только питание.

Линейные и логические сигналы

В стандарте NIM различают 4 типа сигналов - медленные линейные сигналы, быстрые линейные сигналы, медленные логические сигналы и быстрые логические сигналы. Амплитуда линейных сигналов варьируется в широком диапазоне. Логические сигналы имеют фиксированную амплитуду и форму.

Медленные линейные сигналы

Медленные линейные сигналы используются для передачи амплитудной информации. Передние фронты медленных линейных сигналов обычно >50 нс, их длительность может варьироваться от 0.5 до 100 мкс. Они могут быть как положительными униполярными, так и биполярными с лидирующей положительной частью. Амплитуда в диапазоне от 0 до +10 В. Полярность линейных сигналов от предусилителей может быть как положительной, так и отрицательной. Для передачи медленных сигналов используются кабели с волновым сопротивлением 50 или 93 Ом.

Быстрые линейные сигналы

Быстрые линейные сигналы используются во временных измерениях. Длительность быстрых линейных сигналов обычно меньше 1 мкс при длительности передних фронтов несколько наносекунд. Рекомендованный диапазон для быстрых линейных сигналов от 0 до -1 В. Обычно это токовые сигналы от 0 до -20 мА на нагрузку 50 Ом. Они имеют отрицательную полярность. Соединение между модулями всегда производится кабелями с волновым сопротивлением 50 Ом. Кабель должен быть согласован на приемном конце. Устройства, генерирующие быстрые линейные сигналы могут иметь как очень большое выходное сопротивление (источники тока), так и очень малое. Очень большое выходное сопротивление имеют анодные выходы ФЭУ, быстрые же усилители обычно имеют выходное сопротивление <1 Ом.
Для сигналов с длительностями передних фронтов в наносекундной области используют специальные высокочастотные кабели и разъемы типа SMA. Длина кабеля также влияет на качество передачи коротких фронтов. Так заметное увеличение длительности переднего фронта t_r для сигналов, имевших t_r = 2 нс становится ощутимым при длине кабеля >4 м. Величина этого эффекта пропорциональна квадрату длины кабеля.

Медленные логические сигналы

Медленные логические сигналы в NIM обычно имеют амплитуду ~5 В (логическая "1"), длительность ~0.5 мкс, фронты ~10 - 100 нс. Они, как правило, нормально воспринимаются устройствами использующими на выходе стандарт TTL (комплементарный). Однако, строго говоря, стандарты не совпадают (см. рис. 1), и иногда совместимость устройств по этой причине может отсутствовать.

Рис. 1. Медленные логические сигналы в стандартах TTL и NIM. Уровни указаны в вольтах.

Рис. 2. Уровни быстрых логических сигналов.

Быстрые логические сигналы

Быстрые логические сигналы - токовые сигналы на нагрузку 50 Ом (см. рис.2). Обычно это отрицательные сигналы с амплитудой ~-0.5 В (логическая "1") и со временем нарастания 2 - 10 нс. Требования к кабелям и согласованию сигналов у них такое же, как и для быстрых линейных сигналов.

Прохождение сигналов по кабелям, согласование

Сигналы распространяются по кабелям со скоростью v, которая связана с волновым сопротивлением Z и погонной емкостью C соотношением

v[нс/м] = Z[Ом] C[пФ/м].

Для кабеля RG58 (Z = 50 Ом, C = 100 пФ/м) v = 5 нс /м, для RG62 (Z = 100 Ом) v = 4.3 нс /м.

Сигнал, распространяющийся в кабеле, отразится, если сопротивление нагрузки R_LZ. Этот сигнал снова отразится, если выходное сопротивление источника сигнала R_S не равно Z.
Рассмотрим несколько случаев.

R_S << Z.
Обычно R_S~1 Ом. Низкоомный выход позволяет соединения с практически любыми нагрузками без потери амплитуды, в частности, параллельное соединение нескольких устройств. Такие выходы обычно используются для медленных линейных и логических сигналов. Если длина соединительного кабеля L < 1 м, время распространения сигнала t_L = vL < t_r - времени нарастания сигнала и неприятностей не будет. Однако, если L > 1.5 м, даже в случае относительно медленных сигналов, t_L может оказаться больше t_rи возникнуть осцилляции. Во избежании этого эффекта нужно либо изменить R_S, сделав его равным Z, либо согласовать конец кабеля.
R_S = Z.
Такие выходы используются также как и в случае 1 для медленных линейных и логических сигналов. В этом случае согласование на конце кабеля не требуется. При R_L >> R_S потерь амплитуды сигнала не происходит. При R_L = R_S амплитуда уменьшается вдвое.
R_S >> Z.
Токовый выход используется для быстрых линейных и логических сигналов. Кабель должен быть согласован на конце.

[ОГЛАВЛЕНИЕ]