CC BY
30
УДК 53.083.8
ЦИФРОВЫЕ МУЛЬТИИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ СТАРЫЙ ВЗГЛЯД НА НОВЫЕ ПРОБЛЕМЫ
А. В. Зубов, В. А. Ерышалов1, Г. И. Кузнецов, П. П. Свербиль, А. М. Цховребов
На примере экспериментов, поставленных за месяц, предшествующий написанию статьи, рассматриваются некоторые особенности автоматизации измерений, предлагаются решения отдельных "нетрадиционных" проблем традиционными методами автоматизации эксперимента. Приведенные в статье простые схемотехнические разработки выполнены из недорогих повсеместно доступных электронных компонентов, характеристики которых можно найти в литературе, доступной неспециалисту [1, 2]. Приводятся некоторые физические результаты, полученные с помощью описанного комплекса.
С одной стороны, повсеместная доступность цифровых измерительных приборов "широкого профиля", с другой стороны - частые потребности в съеме информации одновременно с большого числа "точек замера" делает весьма актуальной задачу проектирования и оптимизации цифровых автоматизированных мультиизмерительных комплексов. Приведем несколько характерных практических примеров, где возникают потребности в параллельных измерениях, и на их основе продемонстрируем особенности реализации подобных цифровых систем.
Для испытаний современного электрического силового кабеля на ВТСП композитах [3] необходимо производить измерения разности потенциалов одновременно во многих точках в условиях, когда по кабелю пропускается солидный ток - от нескольких десятков до нескольких тысяч ампер. Такие "многоточечные" измерения позволяют выявить
Московский технический университет связи, Россия, 111024, Москва, ул. Авиамоторная, 8а.
"слабые" участки кабеля, и на основе достаточной выборки делать выводы о степени технологической неоднородности его характеристик. Чем больше выборка, т.е. больше точек замера, тем достовернее и репрезентативнее данные, тем соответственно их легче использовать для улучшения технологии изготовления. Из-за небольших значений сопротивления в нормальном состоянии, особенно, если ВТСП кабель для придания большей токонесущей способности электрически запараллеливается дополнительной медной шиной, что обычно делается в токовводах к сверхпроводящим соленоидам (нормальное сопротивление единицы мкОм), вольтметры, используемые для измерения потенциалов, должны обладать высокой чувствительностью (микровольтового уровня) и малым дрейфом нуля. Для уменьшения дрейфа нуля необходимо всемерно снижать контактную разность потенциалов, возникающую неконтролируемым образом в проводниках, соединяющих вольтметр с потенциальными контактами на испытываемом кабеле. Самым естественным способом это достигается, если максимально приблизить вольтметры к испытуемому объекту. Очень желательно также исключить из употребления аналоговые мультиплексоры - не только полупроводниковые из-за их "внутренней" паразитной разности потенциалов, обязательно присутствующей на КМОП ключах, но и герконо-вые. Герконы (миниатюрные герметизированные реле с позолоченными контактами) "внутренней" разности потенциалов не имеют, но сам процесс быстрого переключения измерительного входа вольтметра от одной пары потенциальных контактов к другой и т.д. даже с частотами ниже герца делает заметными ошибки вследствие эффективной инерции значений измеряемого ЭДС. Казалось бы, о каком запаздывании может идти речь, когда внутреннее сопротивление источника сигнала микроомы, а входная емкость вольтметра не более нанофарады, что формально обеспечивает задержку на уровне т = ЯС ~ Ю-15 сек. Однако времена перезарядки различных внутренних емкостей схемы двойного интегрирования [1], повсеместно используемой в качественных цифровых вольтметрах, определяются сопротивлением электронных ключей, которое может оказаться на 6 порядков выше. На практике имеются и другие внутрисхемные факторы, повышающие времена запаздывания т. В итоге переключение с частотой 1 Гц между низкоомными источниками сигнала приводят в некоторых случаях к инерционной ошибке на уровне процентов от всей шкалы. Для приборов типа Щ-300 это означает потерю примерно двух десятичных разрядов из четырех, а для Ке^Ыеу-2000 или Agilent-34970A четырех из шести. Таким образом, мультиплексирование возможно только на цифровом уровне и никакая экономия на количестве цифровых приборов за счет "хорошего", "очень быстрого" аналогового мультиплексора при разработке ци-
фровых автоматизированных комплексов для "многоточечных" измерений недопустима. Популярные АЦП-карты здесь вообще не обсуждаются - их принцип действия, поразрядное уравновешивание [1], дает огромный перевес по быстродействию, но в отличие от двойного интегрирования не обеспечивает сколько-нибудь достаточных мер в борьбе с дрейфом нуля.
Другой близкий пример, где необходимы многоточечные измерения - исследование теплового режима токоввода в сверхпроводящий соленоид в статическом и динамическом режимах. Из-за сильной зависимости теплопроводности от температуры дифференциальное уравнение, описывающее теплопередачу даже без учета массотеплопере-носа по газу, оказывается существенно нелинейным. В таких условиях для построения адекватной математической модели тепловых процессов в токовводе требуется его условное разбиение на максимально возможное число небольших элементов, так, чтобы температуру внутри каждого элемента можно было бы считать постоянной (либо описываемой более простым уравнением), не выходя при этом за рамки точности задачи. На эксперименте такому разбиению отвечает размещение на токовводе большого числа датчиков температур (термопар): один элемент - одна термопара. Опрос всех датчиков должен производиться одновременно, особенно при динамических испытаниях токоввода, когда исследуется изменение температурного поля в процессе введения тока от нуля до максимального значения.
Наконец, пример нетрадиционного использования параллельных измерений - борьба с 1// шумом. В отличие от обычного найквистовского (белого) шума, для борьбы с которым применяется накопление сигнала (т.е. усреднение по большому числу N —► оо замеров, повторяемых при неизменных условиях), которое эффективно сужает частотную полосу измерительного прибора А/ ~ 1 /А^, вследствие чего снижается шумовое напряжение Uw ~ \JSw^-f ~ \/Д/ 0 о, сужение полосы при изме-
рениях на постоянном токе 0 < / < Д/ —* 0 не обеспечивает ослабление 1//-шума:
U1/} ~ y/S1/f(f)Af ~ у^Д/ const ф 0 (Uw, Ui/f т Sw = const, S1/f ~ 1// -
амплитуды и спектральные плотности белого и 1//-шума). Конечно, там, где это возможно, следует уходить от измерений на постоянном токе - на чем основана хорошо известная модуляционная методика, эффективно подавляющая 1//-шум при измерениях обобщенных сопротивлений, восприимчивостей, коэффициентов передач и т.п. Однако,
suex
если измеряемая величина не сводится к отношениям типа ———, то дрейфы, как про-
OUint
явления l/f-шума, становятся по-настоящему трудноистребимыми. Так, для борьбы с
Х13 А1 К155ИЕ7
К155КП7
\ ь
\ чИ—И_о|—
^-1 К155ТМ2
с
я 0
ЬРТ-порт
К155КП1
Рис. 1. Схема сбора цифровой информации, поступающей в компьютер с различных измерительных приборов по трехпроводным линиям (пунктир). Справа - конвертор кода, слева - мультиплексор.
дрейфом при измерении фототока в исследованиях воздействия размерного квантования на работу выхода внешнего фотоэффекта [4, 5] приходилось поточечно складывать фо тоэмиссионные спектры, записанные при различных проходах развертки тормозящего напряжения. При этом предполагалось, что от прохода к проходу 1//-шум, физическая модель которого в общем виде до сих пор не построена [6, 7], "забывает фазу" собственного шумового сигнала. Если это так, то скложение в случайной фазе этих значений шумового сигнала обеспечивает рост суммарного вклада шумов пропорционально квадратному корню из числа проходов, в то время как суммарный вклад, отвечающий детерминированному сигналу, пропорционален числу проходов. Насколько верна гипотеза "о забывании фазы" от прохода к проходу, можно судить по конечному результату: дрейф фототока при таком усреднении действительно снижался. Однако подобная про цедура не всегда допустима: аналогичное повторение проходов в условиях конкретного эксперимента может оказаться принципиально невозможным и тогда многопроходность
можно заменить измерениями одного и того же сигнала одновременно несколькими цифровыми приборами. При этом параллельное измерение сигнала N приборами заменяет N проходов и может быть осуществлено с помощью цифрового мультиизмерительного комплекса. Как указывалось выше, цифровые вольтметры при измерениях на постоянном токе следует размещать в максимальной близости от исследуемого объекта. Для этого данные с цифрового прибора в ТТЛ стандарте надо передать по длинному кабелю в цифровой мультиплексор, размещаемый вблизи компьютера. В качестве "длинных" кабелей, соединяющих приборы, расположенные в непосредственной близости от исследуемого объекта (но возможно не близко от компьютера), дешевле по сравнению со стандартным плоским кабелем выбирать соединительные линии с малым числом жил (2, 3, 4 - проводные). Но тогда перед передачей цифрового кода, поступающего с вольтметра, его следует сначала преобразовать из параллельного в последовательный. Таким образом необходимо разработать плату конвертора кода, непосредственно навешиваемую на выходной цифровой разъем каждого вольтметра (правая часть рис. 1), и мультиплексор (левая часть рис. 1), способный воспринимать последовательный код с нескольких адресов, отвечающих различным измерительным приборам. Обратное преобразование из последовательного в параллельный осуществляется здесь уже программно, что вполне рационально, т.к. эта процедура совмещается с необходимым преобразованием двоично/десятичного кода в десятичный. В нашей разработке компьютер управляет мультиплексором через ЬРТ-порт, хотя для этого, конечно же, подойдет любая интерфейсная шина с возможностью установки и выдачи б адресуемых бит, а также приема хотя бы 1 бита данных на компьютер. Последовательность операций, производимых через ЬРТ-порт, выглядит здесь примерно так:
1) на адрес порта Н378 выдается 4 "адресных" бита и в 1-ый бит по адресу Н37А - логическая 1, вследствие чего на одном из 16 выходов К155ИДЗ (в соответствии с 4 "адронными" битами) устанавливается логический 0, блокирующий работу конкретного вольтметра и разблокирующий счетчик переданных бит К155ИЕ7и К155ТМ2 (4 двоичных разряда + 1 двоичный разряд) в его цифровом конверторе; 4 "адресных" бита также определяют конкретный номер входа К155КП1 на плате мультиплексора, куда будет поступать последовательный код с конвертора;
2) 3-й бит по адресу Н37А программируется на "мигание" ("О" <-> "1") и этот сигнал по "длинному" кабелю передается из ЬРТ-порта на счетный вход К155ИЕ7, "наращенного" на один дополнительный двоичный разряд с помощью триггера К155ТМ2; выходы счетчика управляют поочередным подключением каждого контакта выходного разъёма
вольтметра через К155КП1 (J К155КП7 к одиночной линии передачи последовательного кода в мультиплексор и затем в LPT-порт на 4-ый бит по адресу Н379.
На рис. 2 представлены вольт-амперные характеристики, снятые при Т = 77 К одновременно с трех участков ВТСП кабеля American Superconductor Corporation. Измерения производились на описанной выше системе параллельно четырьмя цифровыми вольтметрами. Снижение критического тока Ici — 128.7 А, 1с2 = 123.5 А, 1сз = 117.5 А, определяемого по уровню 1мкВ, становится здесь тем заметнее, чем ближе измеряемый участок оказывается к месту изгиба исследуемой полоски ("поле дефектности" сверхпроводящего кабеля растет по мере приближения к изгибу).
Рис. 2. Вольт-амперные характеристики, снятые при Т = 77 К одновременно с трех участков кабеля на основе высокотемпературного сверхпроводника фир^ы American Superconductor Corporation.
Описанная выше схема автоматизации допускает только одностороннюю передачу данных с вольтметров в компьютер. Однако программа, обслуживающая конкретный эксперимент, не требовала большего, т.к. протоколировала данные, но непосредственно экспериментом не управляла. Для обеспечения двусторонней передачи данных, позволяющей не только протоколировать текущие значения, но и управлять экспериментом, был разработан другой вариант цифрового мультиизмерительного комплекса, который, как и в предыдущем случае, сообщается с компьютером через LPT-порт, что обеспечивает совместимость комплекса с рядом персональных компьютеров. В некоторых современных персональных компьютерах LPT-порт отсутствует - в этом случае для совместимости предлагаемого комплекса можно воспользоваться любой интерфейсной
шиной с возможностью выдачи 12 адресуемых бит и приема 4 бит данных на компьютер.
Каждый прибор, передающий данные в компьютер (цифровые вольтметры, часто-тометры, счетчики АЦП и т.п.), связывается здесь с параллельной 24-битной шиной чтения через плату, на которой смонтировано по 4 микросхемы К155ЛП11, образующих сборку из 4 х 6 = 24 логических ТТЛ ключей с тремя состояниями на выходе. Каждый прибор, принимающий данные от компьютера (ЦАП, программируемые устройства и т.п.), связывается с 24-битной шиной записи через плату, где смонтировано по б микросхем К155ТМ8 (по четыре Д-триггера в корпусе), которые в сумме образуют 24-битный регистр памяти поступающих данных. При создании практической конструкции шин чтения/записи нами был использован популярный в прошлом конструктив крейта САМ АС ("корзины" и платы "пустышки" доступны благодаря массовому списанию этой системы в настоящее время). Однако для изготовления подобного комплекса годится любая аналогичная система 24-битных шин, допускающая параллельное подсоединение плат, обслуживающих отдельные приборы с возможностью их адресуемого управления. В связи с широкой распространенностью литературы, где на доступном для неспециалиста уровне приводится подробное описание системы САМАС, в дальнейшем для удобства будем пользоваться "камаковской" терминологией: плата - станция, шины чтения или записи - соответственно шины Я. или IV и т.п. [8].
На месте 24-й станции, где в крейте САМАС традиционно размещалась управляющая половина контроллера, в предлагаемой конструкции устанавливается плата с дешифратором адреса "4 —» 16" на микросхеме К155ИДЗ. На 4 ее входа с ЪРТ-порта выдается 4 бита (младшие по адресу Н378), задающие на весь цикл связи с конкретным прибором номер его станции (1 из 16). В крейте этим 16-ти номерам отвечают 16 одиночных линий, по одной из которых с К155ИДЗ выдается логический ноль, активирующий определенную плату/станцию. При съеме информации в компьютер под действием этого нуля сборки из 24 логических ключей (4 х К155ЛП11) одновременно замыкают все ТТЛ-овские выходы прибора на Л-шину чтения крейта, а при выдаче под действием инвертированного перепада "1 —> 0" регистр, образованный 24 /^-триггерами (6 х К155ТМ8), запоминает информацию, установленную к этому моменту на Ж-шине записи крейта.
Возможности ЬРТ-порта в смысле одноразовой прием/передачи данных в параллельном коде, либо для съема с 72-шины крейта 24-битного слова, либо для установки в шину XV, оказываются ограничены одним полубайтом (4 бита). Поэтому прием/передача 24 бит разделяется на 6 полубайтовых прием/передач. В компьютере сборка 24-битного
слова из б полубайт, последовательно введенных через LPT-порт (4 бита по адресу Н379), а также обратное расчленение 24-битного слова на б полубайт с последующей выдачей их через LPT-порт (4 старших бита по адресу Н378) осуществляется программно. В нашем комплексе операции сборки и расчленения 24-битных слов осуществляются схемотехнически посредством платы, устанавливаемой в крейте на любом свободном месте, т.к. с этой платой будут задействованы только параллельные шины крейта САМАС. Операции сборка/расчленение 24-битных слов выполняются в компьютере и комплексе комплементарными парами: (прием) = ("расчленение в комплексе" —> LPT —» "сборка в компьютере"); (выдача) = ("сборка в комплексе" LPT <— "расчленение в компьютере").
Для приема данных 24-битное слово, поступающее в шину R с определенной станции, предварительно запоминается в плате 24-битным регистром, образованным 6 микросхемами К155ТМ8. Запоминание происходит при подаче на общий (спараллеленный) С-вход всех динамических D-триггеров инвертированного перепада "1" —* "О", поступающего с первого выхода дешифратора команд, выполненного на К155ИДЗ. Следующие шесть его выходов управляют 4-битными спарками ключей (К155ЛП11) с 3 ТТЛ состояниями на выходе. Входы всех ключей соединены с информационным выходом всех D-триггеров (всего 24 бита), а выходы ключей, благодаря наличию 3-го состояния, объединяются параллельно по 4 бита и выводятся на LPT-порт (4 бита по адресу Н379). На входы дешифратора с LPT-порта (4 бита по адресу Н37А) поступают команды, представляющие собой целые числа: "О", как указывалось выше, инициирует запоминание 24 бит, установленных на шине R-, "1" - подсоединение ключей 1-го полубайта к LPT-порту; "2" - подключение 2-го полубайта; "3" - 3-го и т.д. вплоть до б-го.
При выдаче информации с компьютера в комплекс все происходит в обратном порядке, однако ключей здесь не требуется и поэтому часть платы, организующая выдачу данных, состоит только из динамических D-триггеров. Под действием команд "9", "10", "11", "12", "13" и "14" счетверенные £)-триггеры запоминают полубайты, последовательно поступающие из компьютера через LPT-порт (4 старших бита по адресу Н378). На динамические С-входы триггеров соответственно с выходов дешифратора 10, 11, 12, 13, 14 и 15 передаются перепады "О" —» "1", вызывающие запоминание по 4 бита данных по отдельности в каждом счетверенном D-триггере. Последняя команда "15" передается с 16-го выхода в виде перепада, вызывающего запоминание 24-битного слова (собранного на шине W из 6 полубайт под действием предыдущих команд) триггерами той станции, на которую был отправлен последний управляющий перепад.
Рис. 3. Дсгдс = аАс — (°ас) отклонение зависимости оАС = OacÍUg) от соответствующей сглаженной зависимости (&ас) — (ctac(^g))> как функция проводимости а ас- На вкладке - исходная (необработанная) зависимость проводимости между анодом и катодом вакуумного СВЧ триода ГС-13Д аАС = ctac{Ug) = Ia/Uac, как функция запирающего напряжения на сетке Ug, которая была снята с помощью описанного цифрового мулътизмерительного комплекса.
На рис. 3 представлена зависимость отклонения проводимости между анодом и катодом вакуумного СВЧ триода ГС-13Д Дет АС = а ас ~ Wac) от соответствующей сглаженной величины (а ас) = {&ac{Ug)), как функция проводимости су ас- Функция L\cjac — й&АС^Ас) была построена в результате обработки кривой, отвечающей зависимости электронной проводимости а ас = Ia/Uac °т запирающего (отрицательного) напряжения на сетке триода Ug- Исходная зависимость а ас = <^ac(Ug), приведенная на вкладке к рис. 3, была снята с помощью описанного выше цифрового мульти-измерительного комплекса. Комплекс протоколировал данные об анодном токе ¡а и напряжении между анодом и катодом Uac, а также между катодом и сеткой Ug-, поступающие с 3 цифровых вольтметров, и управлял сеточным напряжением Ug- Режим накопления сигнала обеспечивал в этом случае точность измерений, позволившую увидеть на зависимости "остатков" ДетАс — ^&ас{&ас) следы эффекта квантования сопротивления. Действительно, если пересчитать координаты двух минимумов отклонения проводимости of™11 и a£min (рис.3) в сопротивления rfmm = l/<rfm,'n и 19011.4 Ом и = l/a^™171 ~ 6108.7 Ом, то получается, что эти значения отстоят друг
от друга на величину, соответствующую половине кванта эталона сопротивления
гАтт _гЛтгп ^ ^2906.5 Ом = В настоящее время подобные эффекты наблюдают-
ся на различных объектах [9, 10], в том числе при измерениях характеристик полевого транзистора с большой длиной свободного пробега носителя заряда [11], являющегося во многом аналогом электровакуумного триода. В качестве необходимых условий наблюдаемости эффекта теория [11] требует выполнения условий баллистического пролета носителей, что реализуется в транзисторе, когда длина его канала оказывается короче длины свободного пробега носителя. В вакуумном триоде условия баллистического пролета выполняются автоматически просто потому, что электрону не на чем рассеиваться.
Работа выполнена при поддержке программы ОФН РАН "Сильно коррелированные электроны в полупроводниках, металлах, сверхпроводниках и магнитных материалах
ЛИТЕРАТУРА
[1] Т и т ц е У., Ш е н к К. Полупроводниковая схемотехника (Москва, Мир, 1969).
[2] Ш и л о В. Л. Популярные цифровые микросхемы (Москва, Радио и связь, 1987).
[3] Р у д н е в И. А. Сверхпроводящие композиты нового поколения, МИФИ, 4, 153 (2006).
[4] Ж е р и х и н А. Н., Шубный Г. Ю., Жерихина Л. Н. и др. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, N 6, 79 (2000).
[5]Головашкин А. И., Жерихин А. Н., Жерихина Л. Н. и др. Краткие сообщения по физике ФИАН, N 12, 42 (2004).
[6] R о b i n s о n F. N. H. Noise and fluctatins in devices and circuits (Clarendon press, Oxford, 1974).
[7] Б e к и н г е м М. Шумы в электронных приборах и системах (Москва, Мир, 1986).
[8] Задков В. Н.,Пономарев Ю.В. Компьютер в эксперименте: архитектура и программные средства систем автоматизации (Москва, Наука, 1988).
[9] С о s t а - К г о m е г J. L. Phys. Rev. Lett., 78(26), 4990 (1997).
[10] Головашкин А. И., Жерихин А. Н., Ж е р и х и н а Л. Н. и др. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, N 10, 3 (2005).
[11] Н a n s е m А. Е. arXiv:cond-mat/9909246, 16 Sep. 1999.
[12] Landauer R. IBM J. Res. Dev., 1, 223 (1957).
[13] I m г у Y. Introduction to mesoscopic physics (University press, Oxford, 2002).
[14] Головашкин А. И., Жерихин A. H., Жерихина Л. H. и др. Краткие сообщения по физике ФИАН, N 1, 23 (2006).
Поступила в редакцию 5 сентября 2006 г.
