Особенности современного эксперимента по исследованию характеристик гетероструктур - Характеристики гетероструктур, определяющие скорость перемещения сигнального заряда ПЗС при воздействии внешних полей

Решая проблему синтеза адаптивных систем для радиофизических исследований (АСРФИ), необходимо, как отмечалось выше, иметь возможность цифровой регистрации измеряемого сигнала в ЭВМ, его обработки по соответствующему алгоритму и управления функциональными звеньями АСРФИ в процессе проведения РФЭ. В настоящее время достаточными возможностями для создании современных АСРФИ обладают мини - и микро-ЭВМ, характерной особенностью которых является наличие системных магистралей, позволяющих производить обмен информацией с внешними устройствами, в т. ч. и экспериментальной установкой. Во всех случаях при организации обмена информацией между ЭВМ и внешними устройствами особое значение имеет вопрос их сопряжения, разработки соответствующего алгоритмического и программного обеспечения (АО и ПО), особенно если речь идет об интеллектуальной АСРФИ. В случае традиционных методов синтеза АСРФИ (компоновка из готовых, функционально завершенных приборов и модулей) эту проблему удобно решать с использованием стандартных интерфейсов [46].

Общая структура каналов ввода и вывода информации с применением ЭВМ известна [47, 48]. Их можно представить структурными схемами, приведенными на рис.1.6а, б. При измерении РФВ от объекта исследования 1 (здесь и далее обозначения блоков согласно обозначениям рис.1.6), измерительный канал (ИК) (рис.1.6а) обязательно имеет в своем составе первичный измерительный преобразователь (ПИП) 2, может иметь различные промежуточные измерительные преобразователи (ПрИП) 3, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 4, устройство сопряжения (УС) АЦП с магистралью ЭВМ 5 и саму ЭВМ 6. Процедура измерения осуществляется измерительной цепью, приведенной на рис.1.6а, для которой обобщенное уравнение измерения [49] имеет вид:

J* = R2 K R1 J, (1.27)

Где J - Входное воздействие (в общем случае многомерное) в J-м измерительном эксперименте; R1 - Преобразования, выполненные в аналоговой форме; K - Аналого-цифровое преобразование; R2 - Преобразования, выполненные в цифровой форме; J* - Результат измерения в J-м эксперименте. Это наиболее общая запись уравнения измерений (УИ) в операторной форме.

Рис. 1.6. Типовые структурные схемы канала ввода (а) и канала вывода (б) сигналов с применением ЭВМ: 1 - ОИ; 2 - ПИП (датчик); 3 - ПрИП; 4 - АЦП; 5 - УС; 6 - ЭВМ; 7 - ЦАП; 8 - НУ; 9 - РгВв-Выв; 10 - СУВОИ.

Измеряемыми величинами в экспериментальных радиофизических исследованиях могут быть разные величины (частоты, напряженность полей, напряжения, токи, заряд и т. д.). При этом измеряемые РФВ на первом этапе преобразуются с помощью ПИП [расшифровывая R1, обозначим это преобразование в формуле (1.27) через R11], что обеспечивает возможность их воспроизведения в виде эквивалентного напряжения.

Сигналы с выхода датчиков поступают на соответствующие ПрИП [преобразование R12 В (1.27)], где они преобразуются в форму, удобную для дальнейшего преобразования. Эти преобразования предназначены для подготовки аналогового сигнала к оцифровке. Программируемый аналоговый коммутатор [преобразование R13 в (1.27)] подключает сигнал от соответствующего датчика, предварительно преобразованный в ПрИП, на вход АЦП.

Функциональные возможности современных СРФИ указанными особенностями не исчерпываются. Дальнейшее их обогащение производится в соответствии с требованиями, предъявляемыми спецификой конкретного РФЭ. Если информация, измеряемая по нескольким измерительным каналам одновременно взаимозависимая (например, при совокупных измерениях), то в этом случае дискретные отсчеты по всем каналам должны фиксироваться синхронно, что можно обеспечить, используя индивидуально для каждого ИК устройства выборки и хранения (УВХ) с синхронным стробированием. При этом информация по всем каналам будет зафиксирована одновременно [преобразование R14 в (1.27)] и, несмотря на последовательную во времени оцифровку сигналов УВХ, в ЭВМ она будет представлена для одних и тех же моментов текущего времени.

Если диапазоны измерения сигналов от разных датчиков отличаются друг от друга, то они нормируются к диапазону входного напряжения АЦП с помощью нормирующего устройства (НУ) [преобразование R15 в (1.27)].

Принципиальной особенностью современных СРФИ является наличие в их составе АЦП, обеспечивающего основное измерительное преобразование-переход к цифровому представлению аналоговых величин в виде кодовых комбинаций. Аналого-цифровое преобразование [оператор К в (1.27)] предполагает выполнение операции сравнения с мерой и является составной частью всей измерительной процедуры, необходимой для формирования результата измерений. Переход от аналоговых величин к их кодовым эквивалентам сопровождается дискретизацией непрерывного входного сигнала.

В случае фиксации сигнала во времени, переход от непрерывной функции к дискретной последовательности описывается соотношением [49]:

, (1.28)

Где F (T) - непрерывная функция, являющаяся аналоговым эквивалентом измеряемой РФВ и обусловлена преобразованием R1 J = (R11 R12 R13 R14 R15) J в формуле (1.27); (T) - - функция; - переменная интегрирования; TИ - интервал времени, на котором производится интегрирование (T TИ).

Переход от аналогового значения функции к цифровому осуществляется путем квантования. При этом дискретная последовательность аналоговых значений (1.28) преобразуется в последовательность цифровых эквивалентов:

, (1.29)

Где {Kf (TI) } - аналого-цифровое преобразование функции F (T) в ее дискретные значения для I = 1,..., M; T - интервал дискретизации; Int - выделение целой части выражения в прямоугольных скобках.

В зависимости от решаемой задачи обеспечения РФЭ, СРФИ могут иметь несколько датчиков РФВ. В большинстве случаев нет необходимости тиражировать АЦП, достаточно предусмотреть возможность мультиплексирования датчиков. Однако быстродействие СРФИ при этом будет снижаться пропорционально количеству опрашиваемых каналов, что следует учитывать при синтезе их измерительных структур.

Для управления элементами экспериментальных установок (ЭУ) ЭВМ должна вырабатывать управляющие сигналы, которые могут выдаваться как в аналоговой (через ЦАП), так и в цифровой [через регистр вывода (РгВыв)] форме (рис.1.6б). При выдаче аналогового сигнала через ЦАП (7 - рис.1.6б), может возникнуть необходимость его масштабирования, что можно производить с помощью НУ 8. При необходимости выдачи аналогового сигнала на несколько внешних устройств, сигналы на выходе ЦАП можно разделить с помощью демультиплексора (ДМ). Через РгВыв 9 выдаются все управляющие сигналы, для отработки которых внешнему устройству достаточно иметь одно из двух состояний управляющего сигнала "1" или "0" (например, стартстопные сигналы). В нашем случае важно с помощью этих сигналов организовать управляющее воздействие на объект исследования с помощью системы управления (СУВОИ) 10.

В случае, если при вводе информации в ЭВМ требуется производить измерение быстропротекающих радиофизических процессов, когда режим реального времени невозможен, в составе ИК скоростной АЦП должен иметь не менее скоростную буферную память (БП). Если момент начала процесса определен, то запуск АЦП производится от внешнего устройства (синхронизатора) или из ЭВМ. При регистрации быстропротекающих процессов в случайные моменты времени, перед АЦП должно быть пороговое устройство (дискриминатор), по сигналу которого производится его запуск. Качество измерений существенно повышается, если в структуре СРФИ имеется источник опорного напряжения (ИОН), по которому периодически производится калибровка используемых АЦП.

С учетом вышеизложенного, обобщенная структура аппаратного обеспечения СРФИ приведена на рис.1.7, а уравнение измерений в операторной форме для каждого ИК будет иметь вид:

(1.30)

Похожие статьи




Особенности современного эксперимента по исследованию характеристик гетероструктур - Характеристики гетероструктур, определяющие скорость перемещения сигнального заряда ПЗС при воздействии внешних полей

Предыдущая | Следующая