Jiří Pechoušek, Milan Vůjtek
Virtuální instrumentace v experimentech jaderné fyziky Vzorové úlohy V tomto dokumentu jsou uvedeny základy úloh probíraných v předmětu KEF/VIJF. K
verze z 6. února 2012
U P O
© volně šířitelný text
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky v rámci projektu Moderní technologie ve studiu aplikované fyziky (CZ.1.07/2.2.00/07.0018).
Obsah 1. Úvod
3
2. Simulace generování impulzů z detektorů ionizujícího záření 2.1. Základní zpracování impulzu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Kontinuální generování impulzů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4 5 9
3. Ovládání funkčního generátoru a generování impulzů 3.1. Vzorový program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10 10
4. Ovládání digitálního osciloskopu a zpracování impulzů 4.1. Vzorový program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10 11
5. Ovládání napájecího zdroje a napájení signálového zesilovače 5.1. Vzorový program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16 16
6. Proměřování signálového zesilovače
18
7. Ovládání modulu sbRIO 7.1. Generování impulzů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2. Zpracování impulzů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19 19 19
8. Použitá literatura
23
2
1.
Úvod
Virtuální instrumentace je dnes velice často používaný přístup při tvorbě číslicových měřicích přístrojů pro laboratoře i průmyslové podniky. Tato technika je založena na využívání zejména komerčně dostupných měřicích zařízení a jejich programování v grafickém programovacím prostředí, převážně LabVIEW od firmy National Instruments. Předmět �Virtuální instrumentace v experimentech jaderné fyziky� navazuje na předměty Číslicové měřicí systémy 1-4 a Praktika z atomové a jaderné fyziky, kde se studenti seznamují se základními a pokročilými technikami tvorby měřicích a testovacích systémů a základy charakterizace ionizujícího záření. Zaměření je vedeno zejména na aplikace techniky virtuální instrumentace v oblastech jaderné fyziky. Získané praktické znalosti lze dále uplatnit i v jiných oblastech zpracování signálů a naměřených dat. Na obrázku 1 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 1: Sestava přístrojů a počítače na pracovním stole.
Počítač je vybaven zásuvnou kartou přístrojového rozhraní GPIB (obrázek 2), což je standardní rozhraní pro komunikaci s měřicími přístroji (zakoupena dříve z jiných zdrojů). Všechny přístroje zakoupené z projektu jsou programovatelné, takže studenti se včetně práce s nimi naučí i je konfigurovat přes přístrojová rozhraní (USB, GPIB, Ethernet) s použitím přístrojových ovladačů.
... Obrázek 2: Zadní část počítače s GPIB a USB rozhraními.
V tomto textu je uveden základní přehled možných aplikací, které budou ve výuce podrobněji realizovány a dále na ně bude navazováno formou studentských projeků. Úlohy představují typické aplikace měřicích zařízení v experimentech jaderné fyziky a řízení přístrojů z aplikace běžící na centrálním počítači. Text zaměřený na tuto problematiku jako zdroj námětů [1, 2] vznikal souběžně s tímto projektem. V úlohách je prováděno generování signálů tvyrů typických pro signály z detektorů ionizujícího záření, jejich zpracování a analýza. Jsou zde také úlohy na proměřování prvků měřicího řetězce a jejich charakterizaci. Všechny níže diskutované vytvořené programy (VI) jsou vytvořeny v rámci LabVIEW projektu, který je v prostředí LabVIEW zobrazován oknem zobrazeným na obrázku 3.
3
... Obrázek 3: Okno LabVIEW projektu VIJF.
2.
Simulace generování impulzů z detektorů ionizujícího záření
Základní součástí každého přístroje pro měření ionizujícího záření je čidlo záření neboli detektor, který umožňuje převádět základní parametry detekovaného ionizujícího záření na elektrický signál. Dalším zpracováním a vyhodnocením signálu v měřicím systému lze získat důležité informace o zkoumaném záření, a to jak po kvalitativní, tak po kvantitativní stránce. Na základě ionizačních účinků jednotlivých částic nebo kvant poskytuje detektor na svém výstupu signál, který se po náležitém zpracování (zesílení a tvarování) vyhodnotí ve vyhodnocovací části systému. Z parametrů výsledných signálů detektorů (proudu, náboje, četnosti impulzů, amplitudy impulzů, okamžiku výskytu impulzu a tvaru impulzu) lze usuzovat na charakteristické vlastnosti analyzovaného záření (ionizační účinky, hustotu toku částic, jejich energii, vzájemnou časovou korelaci a druh). Mezi základní parametry detektorů patří citlivost, účinnost, časové rozlišení (mrtvá doba), energetické (amplitudové) rozlišení, selektivita, vlastní šum, velikost výstupního signálu a stabilita. Všechny takovéto parametry lze vhodně simulovat a analyzovat tak jejich vliv na spektrometrický systém. Generování a zpracování různých typů impulzů představuje nejvíce úloh jaderné elektroniky. LabVIEW nabízí řadu standardních funkcí pro generování standardních tvarů průběhů (impulz, rampa, sin, sinc atd.) a další průběhy lze jednoduše vytvořit z těchto funkcí či pomocí vlastních algoritmů. Čas se zde simuluje ve formě čísla (pořadí, iterace cyklu) vzorku v generovaném průběhu a výstup je ve formě pole (1D, řada) hodnot různé amplitudy podle simulovaného průběhu. Jednoduše se zde také simulují zašuměné průběhy, např. s uniformní nebo gaussovskou distribucí šumu, prostým přidáním do generovaného průběhu. Příkladem může být standardní funkce, která generuje obdélníkový impulz s volitelnou amplitudou, zpožděním, šířkou a délkou průběhu. První úlohou je tedy simulace generování impulzů z detektoru ionizujícího záření v aplikaci běžící na počítači. Podle známých rovnic popisujících tvar impulzu je sestaven algoritmus v kódu LabVIEW a další tvarovací obvody, které se používají při zpracování signálů z detektoru (předzesilovače, zesilovače, tvarovače, diskriminátory apod.). Na obrázku 4 je znázorněna část vytvořené aplikace (VI). Impulz simulující výstup z klasického detektoru lze generovatpomocí kódu zobrazeným na obrázku 5, čelní panel tohoto VI je na obrázku 6. Uvedený kód generuje impulz s určitou délkou průběhu, zpožděním, amplitudou a časovou konstantou pro exponenciální vybíjení (doběh). Tvar simulovaného výstupního průběhu je určen čtyřmi parametry, které nastavují délku a amplitudu impulzu, zpoždění a dobu doběhu. Hodnota zpoždění zde určuje velikost nulového (šumového) pole generovaného cyklem. Pro zbývající část průběhu jsou hodnoty nenulových vzorků i dány vztahem i
ai = Ae− τ ,
4
(1)
... Obrázek 4: Vytvořená aplikace pro generování impulzů a jejich úpravu.
... Obrázek 5: Kód pro simulaci generování impulzu.
kde A je amplituda impulzu a τ je konstanta doby doběhu (decay time constant). Výsledné pole z exponenciálního cyklu je spojeno se zpožďovacím polem použitím funkce Build Array, čímž se vytvoří finální výstupní průběh. Tento výstupní impulz lze pak dále tvarovat, jak bude ukázáno v dalších úlohách. Pomocí uvedeného VI je možné simulovat generování jednoho impulzu s danými parametry zpoždění a doběhu. Program je koncipován k použití ve formě podprogramu (SubVI) v nadřazeném programu, proto jsou zde vytvořeny i vstup a výstup chybové hlášky pro lepší správu kódu při jeho možné následné úpravě. Náhodné hodnoty pro každý parametr impulzu lze nastavit použitím funkce generátoru náhodných čísel¹. Pro opakované generování impulzů lze toto SubVI začlenit do programové smyčky s vhodným časováním, takže lze simulovat také velikost aktivity zářiče a testovat zatížitelnost dalších funkcí zpracovávajících signál pomocí DSP (digital signal processing) funkcí.
2.1. Základní zpracování impulzu Reálný impulz z detektoru většinou nemá pro amplitudovou analýzu vhodný tvar a je nezbytné ho upravit. Napěťové impulzy z detektoru se strmým náběhem a dlouhým exponenciálním doběhem jsou nevhodné i pro zpracování v zesilovačích, protože při větších četnostech nastává superpozice těchto impulzů. Tvarování impulzů, rozlišovací doba a správná funkce amplitudových analyzátorů značně závisí na tvaru zpracovávaného impulzu. Proto se impulzy tvarují - upravují. Tvar impulzů lze upravit tvarovacími obvody zařazenými na vhodné místo v systému. Tvarovací obvody musí odstranit především doběh impulzu takovým způsobem, aby do příchodu dalšího impulzu byla ustálena nulová hladina a impulz byl tedy dostatečně krátký. Musí také zabezpečit optimální poměr signál/šum a umožnit přesné určení energetického spektra měřeného signálu. V některých případech je nutné zachovat informace pro časovou analýzu. V praxi se používá dvou nejrozšířenějších způsobů tvarování, jednostranného a dvoustranného (souměrného k nulové ose napětí, kdy je stejná plocha průběhu pod a nad osou). Tvaruje se různými deri¹Implementovaný standardní generátor náhodných čísel má jednotkovou distribuci (uniformní).
5
... Obrázek 6: Simulace generování impulzu.
vačními a integračními obvody (tzv. CR-RC filtry), zpožďovacími linkami a dalšími spec. obvody. V DSP technice lze CR/RC filtraci provádět použitím diferenční aproximace pro diferenciální rovnice s popisem simulovaného obvodu odpor-kondenzátor. Pro diferenční CR část lze tento vztah popsat výrazem ( )] 1 [ y(k) = (2) y(k − 1) + x(k) − x(k − 1) , 1 1+ τ kde τ = CR je časová konstanta, x a y jsou navzorkované vstupní a výstupní průběhy, a k a k − 1 jsou pořadnice pro dva po sobě jdoucí vzorky. LabVIEW kódem lze tento CR filtr implementovat blokovým diagramem z obrázku 7. Posuvný registr je zde použit pro vytvoření hodnot x(k) a y(k) na konci dané iterace a jako x(k − 1) a y(k − 1) pro další iteraci algoritmu uvnitř cyklu. Na obrázku 8 je uveden čelní panel tohoto VI.
... Obrázek 7: Blokový diagram VI založeného na rovnici implementující diferencující CR filtraci pro tvarování impulzu.
Obě hodnoty x(k) a y(k) jsou inicializovány nulou (počátečně vynulovány). Vliv CR filtru na tvar vstupního impulzu je znázorněn na obrázku 9 a kód programu na obrázku 10. Derivační obvod RC se umísťuje co nejblíže ke vstupu zesilovače, zamezí se tak nepříznivému vlivu superpozice signálu na zesilovací stupně. Integrační obvody RC se umísťují ke konci zesilovače, před 6
... Obrázek 8: Čelní panel VI pro CR filtr.
... Obrázek 9: Vliv CR filtru na tvar pulzu.
koncový zesilovací stupeň. Derivační obvod je horní propust, která omezuje nízkofrekvenční složky kmitočtového spektra signálu. U integračního obvodu je tomu naopak. Šířka pásma kmitočtů přenášených zesilovačem se tedy zúží na šířku nezbytnou pro přenos impulzového signálu, rušivé signály ležící vně pásma jsou potlačeny a poměr signálu k šumu se tím příznivě ovlivní. Zesilovače s jednou derivační a integrační časovou konstantou (CR-RC) se považují za standard, se kterým se porovnávají jiné způsoby tvarování. V praxi se většinou používají prvky s větším počtem CR a RC členů, které výrazněji ovlivňují tvar impulzů a zlepšují následné zpracování a analýzu. Vliv CR filtru 4. řádu na tvar impulzu je uveden na obrázku 11 s kódem na obrázku 12. U všech funkcí je k vlastnímu signálu přidán šum pro demonstraci efektu filtrace zašuměného vstupu. CR-(RC)n filtraci s adekvátně velkou hodnotou n lze např. použít pro vytvoření přibližně Gaussovského impulzu z obdélníkového vstupního impulzu². Zařadí-li se za derivační obvod několik integračních obvodů RC se stejnou časovou konstantou, získá se impulz, jehož tvar připomíná Gaussovu křivku tím více, čím více integračních obvodů bylo použito. Toto tvarování nabízí zlepšení poměru signál/šum v porovnání s klasickým tvarováním RC. Plocha impulzu nad nulovou osou i pod ní jsou si rovny, a je zřejmé, že čím bude podkmit větší, tím dříve impulz dozní a jeho celková délka bude menší. Na této skutečnosti je založeno dvoustranné ²Tyto impulzy se používají jako vstupní signály do simulovaných časových přístrojů.
7
... Obrázek 10: Kód pro testování vlivu CR filtru na tvar.
... Obrázek 11: Vliv CR filtru 4. řádu na tvar impulzu.
... Obrázek 12: Kód pro testování vlivu CR filtru 4. řádu na tvar impulzu.
tvarování dvěma derivačními obvody RC se stejnou časovou konstantou. Použije-li se za derivačními obvody několik integračních obvodů, snižuje se amplituda impulzu, tím se bude zvyšovat relativní velikost podkmitu a impulz se stane souměrným. 8
Pro dokonalou souměrnost by bylo třeba mnoha integračních obvodů. V praxi se často používají pouze dva. Výhodou dvoustranného tvarování je přesný okamžik průběhu impulzu nulovou osou napětí, nezávislý na velikosti amplitudy. Tento bod průchodu se může použít pro určení časových vztahů nutných pro činnost obvodů následujících za lineárním zesilovačem.
2.2. Kontinuální generování impulzů Další úlohou navržené simulační techniky je kontinuální generování impulzů. Vytvořený program je použitelný při testování vyvinutých algoritmů zpracování impulzů z detektorů bez nutnosti pracovat s radioaktivním zdrojem. Kód programu je znázorněn na obrázku 13 a jeho čelní panel je na obázku 14.
... Obrázek 13: Kód pro simulaci kontinuálního generování impulzu.
... Obrázek 14: Simulace kontinuálního generování impulzu.
Základem kódu je algoritmus generování impulzu s náhodnou amplitudou v náhodném čase po předchozím impulzu.
9
3.
Ovládání funkčního generátoru a generování impulzů
Počítačem řízený funkční generátor lze využít v simulačních úlohách pro generování přesných signálů nutných pro odzkoušení navržených algoritmů a upravovacích obvodů. V další úloze je tedy prováděna simulace generování impulzů, konfigurace přístroje přes GPIB rozhraní a používání přístrojových ovladačů. Fotografie generátoru Agilent 33521A je na obrázku 15, detaily k přístroji jsou uvedeny v dokumentu Seznam přístrojů [5].
... Obrázek 15: Funkční generátor Agilent 33521A.
Na obrázku 16 je dále znázorněna zadní část funkčního generátoru s GPIB rozhraním, které se používá pro komunikaci mezi počítačem a generátorem.
... Obrázek 16: Zadní část funkčního generátoru s GPIB rozhraním.
Na zadním panelu na uvedeném obrázku jsou na GPIB konektor připevněny dva propojovací kabely, toto rozhraní totiž umožňuje propojit ve sběrnicové topologii k počítači více přístrojů přes jeden GPIB kontrolér. Funkční generátor má také LXI přístrojové rozhraní, které může být použito v dalších úlohách.
3.1. Vzorový program Na následujícím obrázku 17 je zobrazen kód základního programu pro ovládání funkčního generátoru a generování obecných průběhů včetně vestavěných průběhů impulzů s nastavitelnými parametry. Na obrázku 18 je čelní panel tohoto programu. V kódu na obrázku je použita sekvence příkazů pro nastavení generátoru - inicializace, konfigurace výstupu, volba generovaného průběhu a zapnutí výstupu. Všechny použité funkce jsou součástí sady přístrojových ovladačů pro prostředí LabVIEW. V konkrétním případě je kódem generován kontinuální signál impulzů s exponenciálním doběhem s amplitudou 0,1 V. Signál pak může vstupovat do osciloskopu a dalších zpracovávajících obvodů pro jeho analýzu.
4.
Ovládání digitálního osciloskopu a zpracování impulzů
Digitální osciloskop lze využít pro přesné měření rychlých signálů z detektorů a simulačních prostředků, pro měření a analýzu signálů z funkčního generátoru a sbRIO modulu a z testovaných upravo-
10
... Obrázek 17: Kód základního programu pro ovládání funkčního generátoru.
vacích obvodů, dále pro používání přístrojových ovladačů. Fotografie osciloskopu Agilent DSOX2002A je na obrázku 19, detaily k přístroji jsou uvedeny v dokumentu Seznam přístrojů [5]. Na obrázku 20 je dále znázorněna zadní část digitálního osciloskopu s USB rozhraním, které se používá pro komunikaci mezi počítačem a osciloskopem.
4.1. Vzorový program Na následujícím obrázku 21 je zobrazen kód základního programu pro ovládání osciloskopu se zobrazením snímaných signálů včetně jejich jednoduché analýzy. Na obrázku 22 je čelní panel tohoto programu. V kódu na obrázku je použita sekvence příkazů pro nastavení osciloskopu - inicializace, konfigurace vstupů, sejmutí signálů z obou vstupů. Všechny použité funkce jsou součástí sady přístrojových ovladačů pro prostředí LabVIEW. V konkrétním případě je kódem zpracováván signál na vstupu č. 1 generovný generátorem podle kódu 11
... Obrázek 18: Čelní panel programu generátoru.
... Obrázek 19: Digitální osciloskop Agilent DSOX2002A.
... Obrázek 20: Zadní část digitáního osciloskopu s USB rozhraním.
z obrázku 17 a na vstupu č. 2 signál z výstupu signálového zesilovače, viz další úlohy. Nasnímaný signál lze pak dalším kódem analyzovat či upravovat. Na obrázku 23 je kód jednoduché analýzy nalezeného impulzu v signálu. Uživatel pomocí kurzorů určí počátek a konec impulzu pro určení jeho délky, náběžné nebo sestupné hrany a amplitudy impulzu, viz spodní část čelního panelu na obrázku 22.
12
... Obrázek 21: Kód základního programu pro ovládání osciloskopu.
13
... Obrázek 22: Čelní panel programu osciloskopu.
14
... Obrázek 23: Kód základního programu analýzy signálu z osciloskopu.
15
5.
Ovládání napájecího zdroje a napájení signálového zesilovače
Stabilizovaný zdroj napětí/proudu lze využít pro napájení modulů, testovaných zařízení a vytvořených elektronických obvodů. Konfigurace přístroje opět probíhá přes GPIB rozhraní pomocí přístrojových ovladačů. Fotografie zdroje Agilent E3648A je na obrázku 24, detaily k přístroji jsou uvedeny v dokumentu Seznam přístrojů [5].
... Obrázek 24: Napájecí zdroj Agilent E3648A.
Na obrázku 25 je dále znázorněna zadní část napájecího zdroje s GPIB rozhraním, které se používá pro komunikaci mezi počítačem a zdrojem. Napájecí zdroj má také sériové RS-232 přístrojové rozhraní, které může být použito v dalších úlohách.
... Obrázek 25: Zadní část napájecího zdroje s GPIB rozhraním.
5.1. Vzorový program Na následujícím obrázku 26 je zobrazen kód základního programu pro ovládání zdroje s nastavením napájecího napětí pro připojené elektronické moduly, např. signálový zesilovač. Na obrázku 27 je čelní panel tohoto programu. V kódu na obrázku je použita sekvence příkazů pro nastavení zdroje - inicializace, konfigurace výstupů, zapnutí výstupů. Všechny použité funkce jsou součástí sady přístrojových ovladačů pro prostředí LabVIEW. V konkrétním případě je kódem nastaveno napětí 12 V na obou výstupech, které jsou zapojeny paralelně a je tedy vytvořeno symetrické napájecí napětí ±12 V DC, které je doporučené pro napájení signálového zesilovače používaného v další úloze.
16
... Obrázek 26: Kód základního programu pro ovládání zdroje.
... Obrázek 27: Čelní panel programu zdroje.
17
6.
Proměřování signálového zesilovače
Praktickou úlohou je proměřování komerčního prvku, signálového zesilovače určeného pro scintilační detektory. V této úloze může být sledována stabilita výstupního signálu v závislosti na různých podmínkách (napájení, vstupní signál apod.). Detail zapojení měřicích sond na předzesilovači je uveden na obrázku 28, konkrétně se jedná o zesilovač Model 2007B od firmy Canberra, vhodný pro scintilační detektory ionizujícího záření.
... Obrázek 28: Komerční signálový zesilovač proměřovaný v úloze VIJF.
Napěťové impulzy z některých detektorů záření jsou nosiči informace o energii detekované částice a zpracování těchto impulzů je důležité. Impulzové zesilovače jsou standardními moduly v měřicí sestavě. Jejich základní funkcí je úprava nízkoúrovňových signálů z detektoru na signál vhodný pro další zpracování kvalitativního charakteru (analýzu). Výstup zesilovače je připojen na další přístroje/bloky DSP systému, požadavky kladené na zesilovač jsou proto určovány nejen detektory, ale i přístrojem, který je na zesilovač připojen. Hlavní úlohou zesilovače (mimo zesílení) je ve většině případů zachovat informace obsažené v původním signálu, tj. výška výstupního impulzu (obvykle lineárně, v celém pracovním rozsahu!) a tyto vlastnosti musí podléhat zanedbatelným změnám po celou dobu měření. Lineární zesilovače musí být velice přesné a stabilní, aby neznehodnotily vlastnosti detektoru. Dále musí zachovávat časové vztahy pro koincidenční měření nebo průletové doby. V zesilovačích je mnoho zdrojů možných zkreslení signálu. Jsou to dynamické charakteristiky různých částí zesilovače, superpozice impulzů při větších četnostech, vliv termických šumů, změny zisku způsobené změnami teploty, zahlcení obvodů po přetížení apod. Zesílení - je určeno potřebnou velikostí signálu na výstupu zesilovače, nutnou pro účelnou funkci dalších přístrojů a velikostí signálu, kterou dává detektor. V mnoha spektrometrických měřeních není rozhodující znalost přesné hodnoty zesílení, je však kladen důraz na jeho stabilitu - krátkodobá - několik hodin, den měření; změny zesílení jsou způsobené hlavně kolísáním napájecího napětí nebo výkyvy teploty. Dlouhodobá stabilita (dny a vise) je důležitá požadujeme-li reprodukovatelně opakovat měření. Změny zesílení v tomto rozmezí jsou způsobeny hlavně pomalými změnami hodnot součástek zesilovače. Linearita - u lineárních zesilovačů se nepožaduje na výstupu přesná reprodukce celého tvaru vstupního impulzu, neboť tvar impulzu z detektoru není optimální pro zpracování v dalších obvodech. Požaduje se konstantní zesílení spektra amplitud vstupních impulzů v celém dynamickém rozsahu zesilovače, které se hodnotí jako linearita zesilovače, resp. nelinearita. Tzv. integrální nelinearita je udána jako maximální odchylka skutečné charakteristiky od přímky vyjádřená v % maximální výstupní amplitudy. Lze rovněž určit diferenciální nelinearitu, která vyjadřuje změny zesílení zesilovače ve vztahu ke střední hodnotě zesílení v dynamickém rozsahu zesilovače. Z fyzikálního hlediska integrální nelinearita způsobuje nelinearitu na ose energií a diferenciální nelinearita, která je úměrná derivaci integrální nelinearity, ovlivňuje energetickou rozlišovací schopnost, tj, ostrost jednotlivých maxim měřeného spektra. Všechny takovéto charakteristiky lze proměřovat simulačními experimenty. Ukázka první analýzy práce signálového zesilovače je uvedena na obrázku 22 z aplikace digitálního osciloskopu, kdy je možné jednoduše porovnat vstupní (kladný) a výstupní (záporný) impulz ze zesilovače. Zde uvedený zesilovač svou podstatou zesiluje a invertuje vstupní signál.
18
7.
Ovládání modulu sbRIO
Jedná se o moderní programovatelný modul NI sbRIO obsahující programovatelné pole pro realizaci výkonově a časově náročných algoritmů zaznamenávajících a zpracovávajích naměřená data. Modul lze použít pro simulaci generování pulzů z detektorů, simulaci vícekanálových měření, prostředky pro vytvoření koincidenčních a antikoincidenčních měření, generování synchronizačních signálů. Lze také např. testovat rychlé provádění kódů, vytvářet deterministické úlohy, vykonávat paralelní běh aplikací apod. Fotografie modulu sbRIO je na obrázku 29, detaily k přístroji jsou uvedeny v dokumentu [5].
... Obrázek 29: Modul National Instruments sbRIO-9642.
Základní kód pro ovládání modulu a jednoduché generování a zpracování průběhů. Sekvence příkazů pro nastavení generování a analýzu signálu. Možná realizace vzdáleného systému, řízení přes webový prohlížeč. Podobně jako u předchozích úloh, všechny níže diskutované vytvořené programy (VI) jsou vytvořeny v rámci samostaného LabVIEW projektu, kdy tentokrát není cílovým zařízením (kde běží kód) počítač, ale právě modul sbRIO. Okno tohoto projektu je zobrazeno na obrázku 30. V projektu jsou zahrnuty také jednotlivé vestavěné moduly analogových a digitálních vstupů a výstupů, které lze využít v základních i pokročilých úlohách.
7.1. Generování impulzů Na následujícím obrázku 31 je zobrazen kód základního programu pro generování impulzů z analogového výstupu modulu. Na obrázku 32 je čelní panel tohoto programu. V kódu je použita funkce pro generování kontinuálních pulzů s definovanou délkou a frekvencí, výstupní signál je vedený na terminál analogového výstupu. Takto generovný signál je snímán vytvořeným vzorovým programem pro digitální osciloskop, čelní panel programu je na obrázku 33.
7.2. Zpracování impulzů Na následujícím obrázku 34 je zobrazen kód snímání signálu na analogovém vstupu modulu. Na obrázku 35 je čelní panel tohoto programu. Vstupní signál je vedený z terminálu analogového vstupu do grafu.
19
... Obrázek 30: Okno LabVIEW projektu VIJF-sbRIO.
... Obrázek 31: Kód základního programu pro generování průběhů z modulu sbRIO.
... Obrázek 32: Čelní panel programu generátoru.
20
... Obrázek 33: Kód základního programu analýzy signálu z osciloskopu.
... Obrázek 34: Kód základního programu pro snímání a zpracování signálů modulem sbRIO.
21
... Obrázek 35: Čelní panel programu analýzy.
22
8.
Použitá literatura
[1] Jiri Pechousek (2011). Application of Virtual Instrumentation in Nuclear Physics Experiments, Practical Applications and Solutions Using LabVIEW™ Software, Folea Silviu (Ed.), ISBN: 978-953-307650-8, InTech, http://www.intechopen.com/articles/show/title/application-of-virtual-instrumentationin-nuclear-physics-experiments [2] Teorie VIJF. http://fyzika.upol.cz/cs/system/files/download/vujtek/texty/vijf.pdf [3] Abdel-Aal, R.E. (1993). Simulation and Analysis of Nuclear Physics Instrumentation Using the LabVIEW Graphical Programming Environment. e Arabian Journal for Science and Engineering, Vol. 18, No. 3, 365-382. [4] Šeda, J., Sabol, J., Kubálek J. (1977). Jaderná elektronika. SNTL, Praha. [5] Seznam přístrojů. http://fyzika.upol.cz/cs/system/files/download/vujtek/texty/vijf-pristroje.pdf
... 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 23
