Dwukanałowy licznik TTL EURO

1.1. Konstrukcja i zasadnicze właściwości

Dwukanałowy licznik TTL EURO został skonstruowany jako uniwersalny moduł pomiarowy działający pod kontrolą sterownika Eurodriver. Licznik może być wykorzystany w układach doświadczalnych i pomiarowych
w których zachodzi potrzeba zliczania sygnałów w postaci impulsów TTL. Wyróżniającą cechą konstrukcji licznika jest to iż posiada on dwa identyczne, synchronicznie bramkowane tory zliczania co umożliwia wykonywanie precyzyjnych pomiarów różnicowych lub porównawczych. Istotną cechą konstrukcji licznika pożądaną w eksperymencie naukowym jest możliwość bardzo szybkiej zmiany konfiguracji z poziomu programu sterującego, duża pojemność obu torów zliczania, szeroki i ciągły zakres zmian czasu bramkowania oraz możliwość szybkiego odczytu i przesyłania wyników zliczeń pod kontrolą programu. Typowym zastosowaniem modułu jest zliczanie impulsów z dwu fotopowielaczy w zadanym interwale czasu, bądź też zliczanie impulsów w rejestrze A do chwili osiągnięcia zadanego stanu w rejestrze B.

Rysunek 2. Schemat blokowy panelu licznika

Licznik został skonstruowany w postaci modułu dołączonego do magistrali EURO działającego pod pełną kontrolą programową procesora sterownika EURODRIVER. Podstawowe procedury programowej obsługi licznika takie jak inicjowanie określonej konfiguracji, wybór czasu bramkowania, inicjowanie kolejnej operacji zliczania oraz odczyt rezultatu zliczania zostały umieszczone w pamięci EPROM jako funkcje standardowe
o numerach ???3,4,5. Jednakże gdyby funkcje te okazałyby się niewystarczające
w konkretnym zastosowaniu, użytkownik może określić własny scenariusz pomiaru w formie procedury dla procesora INTEL 8031 zainstalowanego
w sterowniku EURODRIVER .

Rysunek 3.

1.2. Podstawowe parametry techniczne:

Dwa niezależne rejestry zliczające A i B o pojemności:

A - 40 bitów, B - 24 bity z odczytem stanu na magistrali EURO.

Maksymalna częstotliwość impulsów wejściowych TTL - 25-30 MHz.

Układ bramkujący kontroluje jednocześnie wejścia obu rejestrow A i B.

Sygnał bramki generowany programowo przy pomocy EURODRIVERA lub też podawany z zewnętrznego źródła na gniazdo Start/Stop.

Możliwość dołączenia dwóch przedwzmacniaczy impulsów o łącznym poborze prądu do 100 mA +5V i -5V.

Dodatkowe wejście i wyjście TTL odczytywane i sterowane programowo.

Stan gotowości i otwarcia bramki sygnalizowany wskaźnikami LED.

1.3. Szczegóły techniczne konstrukcji licznika

W konstrukcji modułu zostały wykorzystane, zintegrowany port równoległy INTEL 8255 oraz licznik INTEL 8253 (8254). Impulsy wejściowe są wstępnie zliczane w dwu jednocześnie bramkowanych 8 bitowych rejestrach A i B zbudowanych na scalonych licznikach dwójkowych SN74LS92 i dalej
w 16 bitowych licznikach 0, 1 i 2 układu INTEL 8253 (8254). Sygnał bramkujący oba kanały jest generowany programowo w procesorze EURODRIVERA Intel 8031 przy wykorzystaniu wewnętrznego zegara taktującego kontrolowanego kwarcem o nominalnej częstotliwości 11.0592 lub 12 MHz, podzielonej przez stały współczynnik 12.

Przed rozpoczęciem pomiaru moduł licznika powinien być zainicjowany przez ustalenie trybu pracy portów równoległego 8255, portu timera 8253 oraz trybu pracy całego modułu. W trybie standardowym liczniki 0 i 2 portu 8253 pracują w modzie 2, jako dwa szeregowo połączone rejestry zliczające 4 starsze bajty w kanale A, natomiast licznik 1 portu 8253 działający również w modzie 2 zlicza 2 starsze bajty w kanale B. Rejestry 0 i 1 portu równoległego 8255 programowane są jako wejścia przez które odczytujemy stan obu 8 bitowych liczników wstępnych określających najmłodszy bajt obu rejestrów A i B. Starsze bity D7 - D4 rejestru 2 wykorzystane są jako wyjścia sterujące trybem pracy licznika, natomiast bity młodsze D3 - D0 jako wejścia z których można odczytać jego chwilowy status. Poszczególnym bitom rejestru 2 zostały przypisane następujące funkcje:

PC7 - wyjście - wizualna indykacja gotowości - żółta dioda LED.

PC6 - wyjście - bit sterujący na złączach CANNON 9 - do wykorzystania.

PC5 - wyjście - określa tryb bramkowania :

stan Hi - z wewnętrznego źródła - EURODRIVER

stan Lo - sterowanie sygnałem zewnętrznym

PC4 - wyjście - nie wykorzystany - aktywny stan Hi.

PC3 - wejście - bit statusu na złączach CANNON 9 - do wykorzystania.

PC2 - wejście - aktualny stan na wejściu kanału 2 - do celów diagnostycznych.

PC1 - wejście - ditto w odniesieniu do kanału 1.

PC0 - wejście - stan sygnału bramkującego - stan Hi otwarta bramka

stan ten jest również wskazywany czerwoną diodą LED.

Do podłączenia ewentualnych przedwzmacniaczy impulsów oraz w celu zaimplementowania licznika w bardziej rozbudowanych układach pomiarowych na płycie czołowej zostały umieszczone dwa równolegle połączone złącza CANNON 9 na które zostały wyprowadzone następujące sygnały i napięcia:

P1 - poziom odniesienia sygnałów sterujących i poziom zero zasilania.

P2 - plus 5 V napięcia zasilania, maksymalne obciążenie do 100 mA.

P3 - Nie wykorzystany

P4 - stan sygnału bramkującego, stan Lo - otwarta bramka.

P5 - stan gotowości, stan Lo - gotowy.

P6 - minus 5 V napięcia zasilania, maksymalne obciążenie do 100 mA.

P7 - zewnętrzny sygnał bramkujący kanał 1, aktywny stan Lo.

P8 - dodatkowy sygnał statusu, do dowolnego wykorzystania.

P9 - dodatkowe wyjście sterujące, do dowolnego wykorzystania.

2. Zliczanie impulsów o rozkładzie Poisson'a

Rysunek 4. Schemat układu

T - czas trwania impulsu

ρ - intensywność impulsów wejściowych

τ - czas otwarcia bramki

Δ t - rozdzielczość licznika

Prawdopodobieństwo pojawienia się n impulsów w przedziale czasu τ wyraża się zależnością :

- oczekiwana ilość impulsów na wejściu licznika w przedziale czasu τ.

Ilość zliczeń wyraża się zależnością :

jeżeli Δt << T wtedy

Rysunek 5. Zależność ilości zliczeń od oczekiwanej ilości impulsów na wejściu licznika w przedziale czasu τ.

TEST

1 - ustalamy intensywność impulsów wejściowych

ρ ≈ 15 impulsów / sekundę

2 - dokonujemy pomiaru N dla różnych wartości T ,

po 50 pomiarów przy τ = 10 s

a ) T = 100 μs,

b ) T = 500 μs,

c ) T = 1 ms,

d ) T = 2 ms,

e ) T = 4 ms,

f ) T = 8 ms.

3 - na wejście licznika doprowadzamy sygnał o takiej samej intensywności ρ ale nieznanej wartości czasu trwania impulsów T

4 - wyznaczyć czas T z zależności :

3. Układ pomiarowy i wykonanie ćwiczenia:

Liczniki impulsów są jednym z najczęściej spotykanych elementów układów pomiarowych. Pomiary częstotliwości i czasu wykonywane przy pomocy liczników należą w istocie do najdokładniejszych pomiarów jakie można obecnie zrealizować w nauce i technice. Z tego powodu często układ pomiarowy konstruujemy tak aby bezpośrednio mierzoną wielkością był czas lub częstotliwość, które można dokładnie zmierzyć przy pomocy liczników. Często dla wyeliminowania zakłóceń stosujemy metody różnicowe w których istotnym warunkiem jest użycie licznika dwu i więcej kanałowego przy zachowaniu możliwie pełnej symetrii i synchronizmu układu bramkującego.

Zadanie pomiarowe ma zademonstrować kilka typowych konfiguracji
w których wykorzystujemy liczniki. W tym celu został skonstruowany układ rozdziału sygnałów pomiarowych przedstawiona na rysunku 6.

Rysunek 6. Schemat układu pomiarowego

1

8

---