NIM

Ako už bolo spomenuté v úvode, v súčasnosti sa veľká časť elektroniky potrebnej pre jadrovo-fyzikálny experiment skladá so štandardných modulov , ktoré sa zasúvajú do rámov (štandardných krabíc s konektormi a napájacím zdrojom +-24V, +-12V a +-6V) a modul s modulom sú poprepájané pomocou kablov cez konektory na prednom paneli (výnimočne aj na zadnom paneli modulu). Aby bolo možné garantovať ľubovoľnú rekonfiguráciu a vzájomnú zameniteľnosť modulov treba zabezpečiť, aby mohli (aspoň počnúc od výstupu zosilňovača) tieto štandardné moduly pracovať s rovnakými úrovňami signálov a výstupnými impedanciami.

Najznámejšie modulárne usporiadanie pre analógovú jadrovú elektroniku je štandard NIM (Nuclear Instument Modules). S hľadiska mechanického usporiadania NIM používa moduly o šírke 19" (483 mm), ktorých môže byť do jedného rámu umiestnené maximálne dvanásť. (Na prednom paneli modulu NIM sú len prvky pre nastavenie parametrov, konektory, resp. indikácia.)

S hľadiska používaných amplitúd signálov sa rozlišujú tri skupiny NIM-impulzov:

1. Lineárne signály, ktoré slúžia na meranie energie.

 


Obr. Lineárny NIM-signál pre meranie amplitúdy vo fyzike nízkych energii. Amplitúda unipolárnych alebo bipolárnych impulzov v rozsahu 0 až +10V. Trvanie impulzov je prispôsobené rozlišovacej schopnosti A/D prevodníkov - od 0,5 ms do 20ms (najčastejšie 1-2 ms). Výstupný odpor zosilňovačov a iných analógových prístrojov je veľmi malý (okolo 1W), vstupný odpor typického analógového modulu je obyčajne veľký (okolo 1kW).


 


Obr. Lineárny NIM-signál pre meranie amplitúdy vo fyzike vysokých energii. Amplitúda unipolárnych alebo bipolárnych impulzov v rozsahu 0 až +1V. Trvanie impulzov je prispôsobené impulzom z fotonásobičov - s krátkym trvaním čela impulzu (<100ns). Výstupný a vstupný odpor takýchto analógových prístrojov je prispôsobený spojovaciemu káblu (okolo 50W).


 
2. Logické impulzy s kladnou polaritou, slúžiace na "pomalé" časové merania a tiež na ovládanie lineárnych hradiel.

Ako logické impulzy pre "pomalé" signály slúži štandard s úrovňami "L"= 0V (-2V až +1V) a "H"=+10V (4V až 10V), resp. po mohutnom rozšírení používania integrovaných obvodov TTL najčastejšie úrovne "L"=0V (<+0,8V) a "H"=+5V (>+2,4V). Typické trvanie čela spúšťacích impulzov okolo 0,5 ms.
 

3. Logické impulzy so zápornou polaritou, slúžiace na "rýchle" časové merania a ovládanie.

 


Obr. Logický NIM-signál zápornej polarity pre vysoké operačné rýchlosti počítania impulzov, pre koincidenčné obvody s vysokým časovým rozlíšením a veľmi presné merania časových intervalov. Signály sú definované len pre systémy s prispôsobeným 50W káblom, z historických príčin (pôvodne pri priamom zbere z fotonásobiča) ako prúdový impulz s logickými úrovňami "L"=0mA (0V na 50W), "H"=-16 mA (-800 mV na 50W). Pre tvorbu referenčných časových impulzov je dôležité krátke aktívne trvanie čela (od 10% po 90%) záporného impulzu (tr< 2ns). Tylo impulzu môže mať exponenciálny tvar (o trvaní niekoľkých ns), poprípade impulz môže byť upravený na bipolárny alebo obdĺžnikovitý tvar.

CAMAC

Ako jeden z prvých štandardov pre moduly s číslicovým zberom informácie bol zavedený štandard CAMAC (Computer Application to Measurement and Control - Počítačový automatizovaný systém na meranie a riadenie) s max 25 modulmi (o jednotkovej šírke 17,2 mm) v jednom ráme. Každý modul má 86 kontaktný konektor na báze tlačeného spoja, ktorý slúži na prívod nielen napájacich napätí, ale aj pre ovládacie signály a pre dátové signály (24 bit).

Rám CAMAC má 25 staníc (miest s konektorom pre zasunutie max 23 funkčných modulov jednotkovej šírky a jedného riadiaceho modulu - kontroléra rámu), teda celkom maximálne 24 modulov CAMAC. Posledná 25 stanica má odlišné použitie konektora, pretože slúži ako riadiaci modul na prenos príkazov a na adresovanie staníc. Jednotlivé moduly komunikujú s riadiacou jednotkou - kontrolérom rámu, poprípade aj medzi sebou prostredníctvom zbernice, ktorá sa nazýva informačný kanál rámu (Dataway).
 

Obr. Informačný kanál rámu CAMAC: Konektory normálnych staníc; Konektor riadiacej stanice - kontroléra rámu; Individuálne vodiče; Individuálne zbernicové vodiče; Údaje (R/W); Kontrolér rámu (2 konektory); Konektory pre funkčné moduly.

 

Obr. Signály na informačnom kanále rámu CAMAC

Adresovanie 24-och staníc zo strany 25-eho ovládacieho konektora sa vykonáva oddelenými vodičmi N, obdobnými individuálnym vodičmi sa posiela reakcia L (Look at me) zo strany zo strany modulov na konektor stanice 25. Poloha modulu určuje jeho adresu (N), resp. subadresu (A) v module. Všetky vodiče mimo N a L tvoria zbernicu - informačný kanál rámu, cez ktorú sa transportujú k modulom všeobecné ovládacie signály (Z, I, C), subadresa A, inštrukcia F na špecifikáciu typu funkcie modulu a synchronizačné impulzy S1 a S2. Okrem individuálnej možnosti reakcie L reaguje adresovaná stanica aj pomocou signálov so stavovou informáciou (B, Q a X).
 

Obr. Signály na informačnom kanále rámu CAMAC počas inštrukcie s adresou (NAF). Údaje sa zapisujú strobovacím signálom S1. Výsledná požiadavka L zo strany jednotlivých modulov sa uplatňuje na zbernici počas trvania signálu B - obsadenie, hoci môže vzniknúť asynchrone v module.

 

Obr. Signály na informačnom kanále rámu CAMAC počas bezadresovej inštrukcie (C-nulovanie, Z -inicializácia, I-blokovanie). Stav sa mení po zapise strobovacím signálom S2. Signál B - obsadenie, sa generuje počas trvania cyklu CAMAC.

 

Obr. Schématické zobrazenie funkčného modulu CAMAC. Jednotlivé funkčné moduly CAMAC pozostávajú:

Funkčnéj časti modulu, ktorá je charakteristická pre jeho použitie - napríklad ako počítadlo impulzov, prevodník ADC a pod.

Ovládacej časti, ktorá zabezpečuje spojenie so zbernicou IKR (informačným kanálom rámu) a umožňuje ovládanie modulu, napríklad prepínanie, vypínanie a zmenu parametrov merania, počtu meraní apod.

Vstupnej časti (v prípade potreby), ktorá uľahčuje styk obsluhy pomocou ovládacích a indikačných prvkov umiestnených na prednom paneli. Túto činnosť však možno vykonať aj pomocou príkazov CAMAC cez IKR a preto väčšina modulov aj kvôli zmenšeniu rozmerov a efektívnejšiemu využitiu konektorov používa moduly jednotkovej šírky bez indikačných a ovládacích prvkov.

Konektor pre vstup dát (v prípade potreby) z iného neštandardného zariadenia, napríklad signálov z detektorov.

Konektor pre výstup dát (v prípade potreby), napríklad pre tlačiareň alebo pre komunikačné zariadenie prenosu dát.

Kontrolér môže byť sám autonómnou riadiacou jednotkou (na báze mikropočítača alebo mikroprocesorového systému), pre menšie experimenty možu byť pomocou špecializovaného kontroléra k danému typu počítača aj jednotlivé rámy  pripojené k zbernici alebo k paralelnému I/O kanálu počítača.

Pre zložitejšie experimenty s väčším počtom modulov v rámoch môže byť jeden alebo niekoľko kontrolérov rámu pripojené k počítaču:

• paralelným spôsobom (max 7 rámov prostredníctvom štandardizovaného kontroléra vetvy);

 


Obr. Vetva CAMAC - paralelný spôsob pripojenia rámov k počítaču:  1 - počítač; 2 a 3 - budiče vetve, riadiace bloky pre vetvu; 4 - kanál vetvy (66 signálov s paralelnou informáciou) ; 5 a 6 jednotlivé rámy CAMAC; 7 - kontrolér rámu (pre spojenie vo vetve štandardne typu A); 8 - zakončenie - prispôsobenie kábla.

• sériovým spôsobom (až 62 rámov so špecializovanými sériovými kontrolérmi rámov);

 


Obr. Vetva CAMAC - sériový spôsob pripojenia rámov k počítaču:  1 - počítač; 13 - budiče sériového kanála; 14 - kábel (2 vodiče pre sériový bajtovo organizovaný prenos dát); 5 a 6 jednotlivé rámy CAMAC; 15 - kontrolér rámu (pre sériové spojenie štandardne typu L2).

Zbernica IMS-2 (IEEE 488)

Snaha o unifikované spojovanie rôznych meracích pristrojov za účelom ich ovládania a zberu informácie viedlo firmu Hewlett Packard k vytvoreniu univerzálnej asynchrónnej zbernice HP-BUS (ktorá sa označuje tiež ako GPIB - General Purpose Interface Bus). Táto 8 bitová zbernica bola doporučená ako americká norma IEEE 488, poprípade ako československá IMS-2. Mnohí výrobcovia doplňujú svoje prístroje rozhraním IMS-2 (často realizované ako jednoúčelové obvody vysokej integrácie), čím uľahčujú spojenie týchto prístrojov s počítačom, predovšetkým pre podmienky menších laboratórnych experimentov.
 

Obr. Zbernica IMS - 2: 1 - Počítač (kontrolér C - Controller); 2 - Prijímač (poslucháč L - Listener); 3 - Vysielač (hovorca T - Talker); 4 - Ovládacia logika zbernice; 5 - Signály korešpondenčného cyklu riadiaceho prenos dát; 6 - Signály, ktoré riadia tok informácii po zbernici; 7 - Údaje (adresa) príkazu; 8 - Údaje (8 - bit dáta);

Jednotlivé prístroje sú sériovo pospájané normalizovaným káblom s 25 kolíkovým konektorom. Kábel tvorí zbernicu IMS-2 s 8-mi dátovými vodičmi (DIO), 3-mi signálmi pre korešpondenčné riadenie prenosu (DAV, NRFD, NDAC) a 5 signálmi (IFC, ATN, SRQ, REN, EIO), ktoré riadia tok informácii po zbernici. IMS-2 používa zápornú logickú konvenciu TTL s aktívnym stavom logickej "1" pri 0V a pasívnym stavom logickej "0" pri +5V. Korešpondenčný cyklus prenosu dát po zbernici IMS-2 objasňuje obrázok.
 

Obr. Časový diagram trojsignálového korešpondenčného cyklu riadiaceho prenos dát po zbernici IMS-2 (IEEE 488): 1 - Údaje (DIO - dáta); 2 - DAV (Data Valid) - oznam vysielača o pripravenosti na prenos; 3 - NDAC (Not Data Accepted) - dáta v prijímači nie sú ešte prijaté; 4 - NRFD (Not Ready For Data) - prijímač nie je pripravený na príjem.

Pred zahájením prenosu dát nie sú na dátovej zbernici platné dáta a signál DAV  vyjadrujúci platnosť dát preto nie je aktívny. Pripravenosť prijímacích modulov prečítať dáta vyjadrujú signály NDAC a NRFD. Prijímací modul - poslucháč L (Listener) pokiaľ je pripravený na príjem generuje akivny ("L") signál NRFD  a následne modul vysielača T(Talker) vyšle dáta a aktivuje signál DAV ("L"), čím oznamuje platnosť dát. Potvrdenie príjmu dát sa vykonáva pomocou aktívneho ("L") signálu NDAC, na základe ktorého sa skončí platnosť dát DAV.

Všetky dáta, adresy a príkazy sa prenášajú cez 8 bitovú zbernicu v tvare  ASCII kódu. 128 z ASCII znakov je k dispozícii pre adresu a príkazy (31 na adresu vysielača, 31 na adresu prijímača a 32 na príkazy (v kombinácii s riadiacim signálom ATN). Funkčné jednotky (moduly), pripojené k zbernici IMS-2 sa delia na riadiace jednotky - kontroléry C (Controller, často počítač), vysielacie jednotky - hovorcovia T (Talker) a prijímacie jednotky - poslucháči L (Listener). Kontrolérom C môže byť súčastne len jedno zariadenie. Ostatné funkčné moduly sa môžu prepínať z režimu príjmu na vysielanie. Maximálna dĺžka spoja medzi zariadeniami môže byť do 2 m, celková dlžka zbernice - 20m.

Obsah prednášky z jadrovej elektroniky:

F	Detektor
F	Predzosilňovač
F	Šum na výstupe zosilňovača
F	Hlavný alebo lineárny zosilňovač
F	Analýza amplitúdy impulzov
F	Časová analýza impulzov
F	Štandardizovaná aparatúra pre jadrovo - fyzikálny experiment

 

[Návrat]