СЧЕТЧИК ФОТОНОВ

Полезная модель относится к области измерений и может быть использована для регистрации слабых и сверхслабых световых потоков в физике, лазерном зондировании атмосферы и океана, космических исследованиях, люминесцентном и спектральном анализе, химии, оптофизических измерениях и т.д.
Известен счетчик фотонов, содержащий последовательно включенные фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), дискриминатор одноэлектронных импульсов (ДОИ), N-разрядный счетчик, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), ЭВМ, а также схему синхронизации, триггер режима, управляемый тактовый генератор (УТГ), адресный счетчик, регистр адреса, причем выход ФЭУ соединен с входом ДОИ, его выход подключен к входу N-разрядного счетчика импульсов, его выход подключен к входам управления ОЗУ и регистра адреса, выход ОЗУ подключен к входному регистру ЭВМ, выход схемы синхронизации подключен к первому входу триггера режима, его вход подключен к первому входу УТГ, его выход подключен к первому входу адресного счетчика, его адресные выходы подключены через регистр адреса к адресным входам ОЗУ, а выход управления - ко второму входу триггера режима, выходной регистр ЭВМ подключен к второму входу адресного счетчика.
Устройство позволяет вести регистрацию интенсивности входного потока импульсов с высоким пространственно-временным разрешением только в начале трассы зондирования, что приводит к снижению точности счета (а.с. СССР №1520356, опубл. 07.11.89).
Наиболее близким к предлагаемому является счетчик фотонов, содержащий последовательно включенные ФЭУ, ДОИ, первый N-разрядный счетчик, ОЗУ, блок вычисления и управления, а также схему синхронизации, триггер режима, УТГ, счетчик адреса, регистр адреса, регистр сдвига, приоритетный шифратор, второй N-разрядный счетчик импульсов, второй управляемый тактовый генератор, мультиплексор, причем выход ФЭУ соединен с входом ДОИ, выход которого подключен к входу N-разрядного счетчика импульсов, его выход подключен к входам ОЗУ. Информационные выходы регистра сдвига подключены к информационным входам приоритетного шифратора, выход которого подключен к первому входу второго управляемого тактового генератора, выход которого подключен к входам управления регистра сдвига и второго счетчика импульсов, выход которого подключен к первому входу мультиплексора, выход мультиплексора
подключен к входам управления ОЗУ и регистра адреса., выход управления первого счетчика подключен ко второму входу мультиплексора, выход триггера режима подключен ко второму входу управляемого тактового генератора и к входу управления мультиплексора.
Выход ОЗУ подключен к входному регистру блока управления, выход схемы синхронизации подключен к первому входу триггера режима, его вход подключен к первому входу УТГ, его выход подключен к первому входу адресного счетчика, его адресные выходы подключены через регистр адреса к адресным входам ОЗУ, а выход управления - ко второму входу триггера режима, выходной регистр ЭВМ подключен ко второму входу адресного счетчика (а.с. СССР №1755065, опубл. 15.08.92).
Известное устройство позволяет избежать провала в конце трассы зондирования, однако обладает низким пространственно-временным разрешением и невысокой помехозащищенностью.
Технической задачей заявляемой полезной модели является увеличение пространственно-временного разрешения за счет того, что вся трасса зондирования разбивается на дискретные временные интервалы, к которым привязываются одноэлектронные импульсы.
Поставленная задача решается счетчиком фотонов, который состоит из канала счета, содержащего последовательно включенные ФЭУ, ДОИ, схему разделения одноэлектронных импульсов, два N-разрядных счетчика импульсов, выходы которых через мультиплексор соединены с шиной данных ОЗУ, счетчик адреса, и блока управления, включающего ЭВМ, соединенную через блок коммуникации с триггером режима, схему синхронизации, УТГ, генератор управляющих сигналов и регистр строба, при этом выход ФЭУ соединен с входом ДОИ, его выход подключен к входу схемы разделения, управляемой УТГ, выходы которой - к входам N-разрядных счетчиков импульсов, а выход ОЗУ - с входным регистром блока управления, причем выход счетчика адреса соединен с адресными входами ОЗУ, а вход - с выходом генератора управляющих импульсов, вход которого соединен с выходом управляемого тактового генератора, один из управляющих входов которого соединен с триггером режима, соединенного со схемой синхронизации, а другой - с регистром строба.
Устройство может содержать до N-каналов счета, соединенных параллельно посредством шины расположенной в блоке управления.
Запуск устройства осуществляется либо командой с ЭВМ либо внешним сигналом, например, подаваемым с лазерного излучателя, через схему синхронизации.
На фиг.1 приведена функциональная схема устройства. На фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства в режиме счета импульсов.
Устройство содержит последовательно соединенные ФЭУ 1, ДОИ 2, схему 3 разделения импульсов, N-разрядных счетчика импульсов: счетчик 4 четных импульсов, счетчик 5 нечетных импульсов; мультиплексор 6, счетчик 7 адреса, ОЗУ 8 и Блок управления, состоящий из управляемого тактового генератора (УТГ) 9, генератора 10 управляющих импульсов, триггера 11 режима, регистра строба 12, блока 13 коммуникации с ЭВМ и схему 14 синхронизации.
Выход ФЭУ 1 соединен с входом ДОИ 2, его выход подключен к входу схемы 3 разделения одноэлектронных импульсов, которая управляется УТГ 9. Выход схемы 3 разделения одноэлектронных импульсов соединен с входами четного 4 и нечетного 5 счетчиков импульсов, их выходы соединены через мультиплексор 6 с шиной данных ОЗУ 8, причем, активная ячейка ОЗУ 8 выбирается счетчиком 7 адреса, вход которого подключен к выходу генератора 10 управляющих импульсов, который генерирует сигналы переключения адреса и сигнал записи в память ОЗУ 8. Вход генератора 10 управляющих импульсов соединен с выходом управляемого тактового генератора 9, один из управляющих входов которого соединен с триггером 11 режима, состояние которого может быть изменено либо внешним сигналом запуска через схему 14 синхронизации, либо посредством команды пришедшей с ЭВМ через блок 13 коммуникации. Кроме того, на вход УТГ 9 поступает информация с регистра 12 строба, определяющая длительность временных интервалов в течение которых будет производиться подсчет.
На фиг.2 изображены временные диаграммы, где STROB - временной интервал, в течение которого счет фотонов производится четным счетчиком 4 импульсов. STROB^ - временной интервал, в течение которого счет фотонов производится нечетным счетчиком 5 импульсов. ADR_TAKT - сигнал переключения счетчика 7 адреса. WORK - сигнал поступающий с триггера 11 режима на УТГ 9. CS - сигнал записи в память ОЗУ 8. START - сигнал запуска со схемы 14 синхронизации либо с блока коммуникации 13.
Устройство работает следующим образом.
В регистр 12 строба посредством команды с ЭВМ заносится информация, определяющая длительность временных интервалов, в течение которых будет осуществляться счет импульсов. Затем устройство переводится в состояние ожидания сигнала запуска, который может поступить как с компьютера через блок 13
коммуникации, так и непосредственно с внешнего источника на схему 14 синхронизации. После того, как поступит сигнал запуска, триггер 11 режима изменит свое состояние и разрешит работу тактового генератора 9, который начнет генерировать импульсы с заданной в регистре 12 строба длительностью. Импульсы с тактового генератора 9 начнут поступать на схему 3 разделения, которая, управляемая ими, будет распределять одноэлектронные импульсы, поступающие с ФЭУ 1 через дискриминатор 2, между двумя счетчиками 4 и 5. Причем, в то время как один из счетчиков проводит операцию счета, другой проводит операцию записи данных в ОЗУ 8, активная ячейка которой определяется значением на выходе счетчика 7 адреса. Момент записи в ОЗУ 8 определяется сигналом CS, который возникает на генераторе 10 управляющих импульсов, который управляется УТГ 9. Как только на счетчике 7 адреса возникает значение соответствующее последней ячейке ОЗУ 8, автоматически генерируется сигнал останова, который переводит триггер 11 режима в начальное состояние, свидетельствуя, что процесс счета завершен. После этого начинается процесс считывания данных из ОЗУ 8 в память ЭВМ.
В случае установки N-каналов счета, соединенных параллельно посредством шины, расположенной в блоке управления, по соответствующей команде, выбирается один из четырех активных каналов счета. Используя команды обмена, данные переносятся из ОЗУ выбранного канала в память компьютера.
Таким образом, описанная выше компоновка счетчика фотонов позволяет значительно увеличить пространственно-временное разрешение счетчика за счет того, что в отличие от прототипа, в котором фиксируются моменты переполнения первого, а в конце трассы зондирования, второго N разрядного счетчиков импульсов, в заявляемом устройстве фиксируется количество импульсов, зарегистрированных четным и нечетным счетчиком в течение каждого из установленных заранее N-временных интервалов, на которые разбивается вся трасса зондирования. Ввиду того, что в устройстве используют два попеременно работающих счетчика импульсов, соединенных через схему разделения, исключается возможность переключения счетчика импульсов в момент записи его значения в ОЗУ, что повышает помехозащищенность устройства.
Предлагаемое устройство реализовано в виде опытного образца счетчика фотонов, состоящего из четырех каналов счета, обеспечивающих регистрацию потока фотоимпульсов с частотой следования до 250 Мгц, что в 2,5 раза выше, чем в прототипе (100 Мгц). Количество ячеек памяти, в которые записываются данные
подсчета каждого временного интервала равно 1024. При изготовлении устройства использовались сверхбыстрые КМОП микросхемы 1554 серии. Блок управления собран на универсальном микроконтроллере PIC18F452. Возможно использование любого другого контроллера другой фирмы, содержащего в себе не менее пяти восьмиразрядных универсальных портов ввода-вывода, построенного по RISC архитектуре и работающего на тактовой частоте не ниже 40 Мгц. Связь с компьютером построена на базе блока USB коммуникации.
Устройство состоит из платы управления, включающей:
- Платы коммуникации DLP-USB245M, построенной на базе микросхемы FT245BM. Плата коммуникации осуществляет преобразование информации переданной по USB из последовательной формы в параллельную и обратно.
- Микроконтроллера PIC18F245 фирмы MICROCHIP (возможно использование любого другого контроллера, содержащего в себе не менее пяти восьмиразрядных универсальных порта, построенного по RISC архитектуре и работающего на тактовой частоте не ниже 40 Мгц), который осуществляет обработку команд поступивших с компьютера, а также генерирует управляющие импульсы, которые в дальнейшем посылаются на плату счетчик.
Плат-счетчиков, состоящих из:
- Двух счетчиков одноэлектронных импульсов, собранных на основе микросхем 1554ИЕ10 (74АС161). Причем один из них работает по положительному уровню стробирующего сигнала (стробирующий сигнал генерируется контроллером и варьируется по длительности в зависимости от заданных параметров счета, а другой по отрицательному.
- 8 микросхем памяти 132РУ4, каждая из которых содержит 1024 ячейки размерностью 1 бит (возможно использование любых других микросхем памяти со сходными управляющими сигналами, содержащих не менее 1024 ячеек, имеющих цикл записи не медленнее 50 нс).