Jiří Pechoušek, Milan Vůjtek
Virtuální instrumentace v experimentech jaderné fyziky Seznam přístrojů zakoupených z projektu FRVŠ č. 1516/2011 V tomto dokumentu je uveden seznam přístrojů, které byly zakoupeny z uvedeného projektu a jejich charakteristiky. Je zde také popsáno jejich plánované použití v nově vytvořených úlohách. Plné znění přihlášky je uvedeno v samostatném dokumentu. K
U P O
verze z 2. listopadu 2011
© volně šířitelný text
Projekt FRVŠ č. 1516/2011
Obsah 1. Digitální osciloskop 1.1. Využití v projektu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3 3
2. Funkční generátor 2.1. Využití v projektu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4 4
3. Napájecí zdroj 3.1. Využití v projektu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5 5
4. Systém reálného času s FPGA polem 4.1. Využití v projektu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6 6
5. Doplňková elektronika 5.1. Využití v projektu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7 7
6. Plánované aplikace
8
7. Závěr
11
8. Použitá literatura
12
2
1.
Digitální osciloskop
DSOX2002A - 70 MHz, 2kanálový osciloskop, paměť 100k bodů MegaZoom IV. Osciloskop Agilent InfiniiVisionX nabízí výjimečné vlastnosti a funkce ve své třídě, lze s ním zaznamenat více signálu po delší dobu na velké obrazovce, má velkou paměť a rychlé zobrazování průběhů. Osciloskop zároveň obsahuje logický analyzátor časování a vestavěný funkční generátor. Osciloskop má dále možnost upgrade všech vlastností včetně šířky pásma pomocí unikátního zákaznického obvodu ASIC Agilent MegaZoom IV, který integruje všechny funkce hardwarově a tím zabezpečuje vysokou rychlost všech operací [1, 2]. Fotografie osciloskopu je na obrázku 1.
... Obrázek 1: Digitální osciloskop Agilent DSOX2002A.
Parametry: • 70 MHz šířka pásma, • 2 analogové kanály, • vestavěno 8 digitálních kanálů, lze aktivovat licenčním kódem, • vzorkování 1GS/s všechny kanály, 2 GS/s polovina kanálů, • rychlá záznamová paměť 100k bodů, s technologií MegaZoom IV, • displej 8,5“ WVGA s rozlišením 800×480 bodů a s 256 úrovněmi intenzity každé barvy, • vysoká rychlost obnovy signálu (až 50 000 stop/s) umožňuje zobrazit i náhodné události, • má vestavěný funkční generátor 20 MHz; sin, rampa, obdélník, šum a stejnosměrné průběhy, • testování masek/limitů průběhu s rychlostí až 50 000 průběhů/s, volitelné rozšíření, • segmentovaná paměť, volitelné rozšíření, • má USB komunikační rozhraní standardně.
1.1. Využití v projektu Digitální osciloskop pro přesné měření rychlých signálů z detektorů a simulačních prostředků měření a analýza signálů z funkčního generátoru a sbRIO modulu; používání přístrojových ovladačů.
3
2.
Funkční generátor
33521A - Funkční generátor do 30 MHz Funkční generátor Agilent 33521A nabízí kombinaci precizního funkčního generátoru se šumovým a volitelně-tvarovým generátorem. Výrazně zlepšená čistota generovaných funkcí a 10 krát nižší hodnota jitteru ve své třídě spolu s velice jemným nastavováním umožňují generovat prezicní uživatelské funkce [3, 4]. Fotografie generátoru je na obrázku 2.
... Obrázek 2: Funkční generátor Agilent 33521A.
Parametry: • 30 MHz sinus, obdélník a puls, • jitter 40 ps, • harmonické zkreslení 0,04 %, • modulace AM, FM, PM, FSK, BPSK, PWM, Sum, • 16bitové rozlišení, • 250 MS/s vzorkovací rychlost, • 1 MS (16 MS volitelné rozšíření) délka paměti na kanál, • velký barevný grafický displej, • standardně USB a LAN pro komunikaci s PC, • volitelně GPIB.
2.1. Využití v projektu Počítačem řízený funkční generátor pro generování přesných signálů nutných pro přesné odzkoušení navržených algoritmů a simulaci měření. Simulace generování pulzů, konfigurace přístroje přes GPIB rozhraní, používání přístrojových ovladačů.
4
3.
Napájecí zdroj
E3648A - Dvojitý stejnosměrný napájecí zdroj 100 W, 2×8 V / 5 A nebo 20 V / 2,5 A Jedná se o programovatelný stejnosměrný stabilizovaný zdroj s dvěma výstupy. Zdroj je kompaktní, má nízké zvlnění a šum a je vhodný pro použití na pracovním stole i pro zabudování do měřicích a testovacích systémů, které vyžadují přesnost, více výstupů i možnost programování a propojení s PC pomocí GPIB nebo RS-232 [5, 6]. Fotografie zdroje je na obrázku 3.
... Obrázek 3: Napájecí zdroj Agilent E3648A.
Parametry: • rozsah 1: 2 výstupy 0 až 8 V/ 5 A (při teplotách 0 °C až 40 °C), • rozsah 2: 2 výstupy 0 až 20 V/ 2,5 A (při teplotách 0 °C až 40 °C), • přesnost programování při 25 °C ± 5 °C, ± (% výstup + offset): – napětí < 0,05 % + 10 mV (<0,1 % + 25 mV pro výstup 2), – proud < 0,2 % + 10 mA, • zvlnění a šum v pásmu od 20 Hz do 20 MHz: – napětí (normal mode / mezi sebou): < 5 mVss / 0,5 mVef , – proud (normal mode / mezi sebou): < 4 mAef , – proud (common mode / proti zemi): < 1,5 uAef , • přesnost měření při 25 °C ± 5 °C, ± (% výstup + offset): – napětí: < 0,05 % + 5 mV (< 0,1 % + 25 mV pro výstup 2), – proud: < 0,15 % + 5 mA (< 0,15 % + 10 mA pro výstup 2).
3.1. Využití v projektu Stabilizovaný zdroj napětí/proudu pro napájení modulů, testovaných zařízení a vytvořených elektronických obvodů. Konfigurace přístroje přes GPIB rozhraní, používání přístrojových ovladačů.
5
4.
Systém reálného času s FPGA polem
NI sbRIO-9642 vestavěné zařízení s DIO, AI/AO, 24 V DI/DO, 2M hradlovým FPGA NI sbRIO-9642 vestavěné řídicí a data-zpracovávající zařízení zahrnuje real-time procesor, uživatelsky překonfigurovatelné pole FPGA (field-programmable gate array), a vstupně-výstupní obvody na jedné obvodové desce (printed circuit board - PCB). Modul obsahuje 400 MHz průmyslový procesor, 2M hradlové Xilinx Spartan FPGA pole pro vlastní časování, inline zpracování a řízení, 110 digitálních linek s 3,3 V (toleruje 5 V /TTL kompatibilní) použitelné jako vstupy nebo výstupy, 32 single-ended/16 differential 16 bit analogových vstupů se vzorkováním až 250 kS/s, čtyři 16 bit analogové výstupní kanály se vzorkováním až 100 kS/s, a 32 průmyslových 24 V DI/DO linek. Modul také obsahuje tři konektory pro rozšíření vstupů a výstupů použitím karet typu NI C Series I/O modul. Modul sbRIO-9642 má rozsah napájecího napětí 19 až 30 VDC, 128 MB paměť DRAM pro embedded operace and 256 MB paměť pro ukládání dat a programů [7]. Tento modul také obsahuje 10/100 Mbits/s Ethernet port, takže je možné programovat síťovou komunikaci a vytvořit vestavěné Web (HTTP) a souborové (FTP) servery. Lze také použít sériový port RS-232 pro řízení periferních zařízení. Fotografie modulu sbRIO je na obrázku 4.
... Obrázek 4: Modul National Instruments sbRIO-9642.
4.1. Využití v projektu Moderní programovatelný modul NI sbRIO obsahující programovatelné pole pro realizaci výkonově a časově náročných algoritmů zaznamenávajících a zpracovávajích naměřená data. Modul pro simulaci generování pulzů z detektorů, simulace vícekanálových měření, prostředky pro vytvoření koincidenčních a antikoincidenčních měření, generování synchronizačních signálů. Rychlé provádění kódů, deterministické úlohy, paralelní běh aplikací. Možná realizace vzdáleného systému, řízení přes webový prohlížeč.
6
5.
Doplňková elektronika
Nákup doplňkové elektroniky a mechanických dílů - elektronické součástky, kabely, konektory, svorky, pájecí materiál apod. Mechanické díly univerzální a speciální, krabičky pro umístění vytvořených obvodů, spojovací materiál apod. Fotografie elektronického materiálu je na obrázku 5.
... Obrázek 5: Doplňková elektronika.
Nákup pájecí stanice pro rychlé vytvoření spojů, propojení a signálových cest. Fotografie pájecí stanice je na obrázku 6.
... Obrázek 6: Pájecí stanice.
5.1. Využití v projektu Elektronické prvky potřebné na realizaci reálných a simulačních experimentů v laboratořích a na učebně. Mechanické díly potřebné pro upevnění jednotlivých částí a bezpečnou manipulaci s vytvořenými pomůckami.
7
6.
Plánované aplikace
V této části textu je uveden stručný přehled možných aplikací, které budou v projektu podrobněji realizovány. Úlohy budou představovat typické aplikace měřicích zařízení v experimentech jaderné fyziky a řízení přístrojů z aplikace běžící na centrálním počítači. Text zaměřený na tuto problematiku a zdroj námětů [8] vznikal souběžně s tímto projektem. V úlohách bude prováděno generování signálů typických tvarů jako pro signály z detektorů ionizujícího záření, jejich zpracování a analýza. Budou zde také úlohy na proměřování prvků měřicího řetězce a jejich charakterizaci. Na obrázku 7 je ukázána sestava přístrojů a počítače na pracovním stole. Všechny přístroje jsou programovatelné a s počítačem jsou propojeny přes přístrojové rozhraní. Na počítači jsou vyvíjeny měřicí aplikace v prostředí LabVIEW, kde jsou využívány přístrojové ovladače dodané s přístroji.
... Obrázek 7: Sestava přístrojů a počítače na pracovním stole.
Na obrázku 8 je znázorněna zadní část digitálního osciloskopu s USB rozhraním, které se používá pro komunikaci mezi počítačem a osciloskopem.
... Obrázek 8: Zadní část digitáního osciloskopu s USB rozhraním.
Na obrázku 9 je znázorněna zadní část funkčního generátoru s GPIB rozhraním, které se používá pro komunikaci mezi počítačem a generátorem. Na zadním panelu na uvedeném obrázku jsou na GPIB konektor připevněny dva propojovací kabely, toto rozhraní totiž umožňuje propojit přístroje ve sběrnicové topologii. Takto lze totiž připojit k počítači více přístrojů přes jeden GPIB kontrolér. Funkční generátor má také LXI přístrojové rozhraní, které může být použito v dalších úlohách. Na obrázku 10 je znázorněna zadní část napájecího zdroje s GPIB rozhraním, které se používá pro komunikaci mezi počítačem a generátorem. Napájecí zdroj má také sériové RS-232 přístrojové rozhraní, které může být použito v dalších úlohách. Na obrázku 11 je znázorněna zadní část počítače s GPIB a USB rozhraními, která se používají pro komunikaci mezi počítačem a přístroji. V počítači je zasunuta karta PCI-GPIB rozhraní od firmy National Instruments (zakoupena dříve z jiných zdroj).
8
... Obrázek 9: Zadní část funkčního generátoru s GPIB rozhraním.
... Obrázek 10: Zadní část napájecího zdroje s GPIB rozhraním.
... Obrázek 11: Zadní část počítače s GPIB a USB rozhraními.
9
Jednou úlohou z projektu bude simulace generování impulzů z detektoru ionizujícího záření v aplikaci běžící na počítači. Podle známých rovnic popisujících tvar impulzu bude sestaven algoritmus v kódu LabVIEW a další tvarovací obvody, které se používají při zpracování signálů z detektoru (předzesilovače, zesilovače, tvarovače, diskriminátory apod.). Na obrázcích 12 a 13 je znázorněna první verze vytvořené aplikace (VI).
... Obrázek 12: První verze vytvořené aplikace pro generování impulzů a jejich úpravu.
... Obrázek 13: Detailní pohled na čelní panel a blokový diagram aplikace.
Další úlohou bude proměřování komerčního prvku, signálového zesilovače určeného pro scintilační detektory (zakoupeného dříve z jiných zdrojů). Bude sledována stabilita výstupního signálu v závislosti na různých podmínkách (napájení, vstupní signál apod.). Detail zapojení měřicích sond na předzesilovači je uveden na obrázku 14.
10
... Obrázek 14: Komerční signálový zesilovač proměřovaný v úloze VIJF.
7.
Závěr
Konečné provedení navržených a dalších úloh bude podrobně popsáno ve vytvořeném učebním textu a v závěrečné zprávě projektu.
11
8.
Použitá literatura
[1] DSOX2002A - 70MHz, 2-kanálový osciloskop, paměť 100k bodů MegaZoom IV http://www.htest.cz/index.php?produkt=684 [2] DSOX2002A Oscilloscope: 70 MHz. 2 Channels http://www.home.agilent.com/agilent/product.jspx?cc=US&lc=eng&ckey=1944597&nid=33575.970747.00&id=1944597&pselect=SR.GENERAL [3] 33521A - Funkční generátor do 30 MHz http://www.htest.cz/index.php?produkt=626 [4] 33521A Function / Arbitrary Waveform Generator, 30 MHz http://www.home.agilent.com/agilent/product.jspx?cc=US&lc=eng&ckey=1871159&nid=536902257.940638.00&id=1871159&pselect=SR.GENERAL [5] E3648A - Dvojitý ss. napájecí zdroj 100 W, 2 x 8V / 5A nebo 20V / 2,5A http://www.htest.cz/index.php?produkt=262 [6] E3648A 100W Dual Output Power Supply Two 8V, 5A or 20V, 2.5A http://www.home.agilent.com/agilent/product.jspx?cc=US&lc=eng&ckey=836446&nid=35721.384007.00&id=836446&pselect=SR.GENERAL [7] NI sbRIO-9642/9642XT Embedded Devices with DIO, AI/AO, 24 V DI/DO, 2M Gate FPGA http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/en/nid/205900 [8] J. Pechousek, Application of Virtual Instrumentation in Nuclear Physics Experiments, In: LabVIEW Practical Applications and Solutions, ed. Folea Silviu, 2011, ISBN: 978-953-307-650-8, InTech. Available from: http://www.intechopen.com/articles/show/title/application-of-virtual-instrumentation-innuclear-physics-experiments
... Autor textu RNDr. Jiří Pechoušek, Ph.D.
[email protected] tel.: 58 563 4949 ... Pracoviště Regionální centrum pokročilých technologií a materiálů Přírodovědecká fakulta, Univerzita Palackého v Olomouci 17. listopadu 1192/12, 771 46 Olomouc http://www.rcptm.com Katedra experimentální fyziky Přírodovědecká fakulta, Univerzita Palackého v Olomouci 17. listopadu 1192/12, 771 46 Olomouc http://www.upol.cz/fakulty/prf/struktura/katedry-a-pracoviste/katedra-experimentalni-fyziky 12
