Начал плотно задумываться о оцифровке сигналов с ФЭУ.
В инете по теме оцифровки информации почти ноль, только чисто теоретические рассуждения, не дающие никакого практического понимания сути проблемы.
А проблема большая смею я вас заверить товарищи….
С чего-бы начать… ну начнем-ка пожалуй прямо с предусилителя, чего-уж там мелочится. И так, нужен операционный усилитель, это понятно, но какой?! МадМакс в своей статейке про спектрометрию применил LMC7101, открываем ДШ, смотрим, офигиваем от тормознутости этого ОУ (Gain-bandwidth product 0.6 MHZ, Slew rate 0.7V/us) и закрываем ДШ, от греха подальше! Чур меня ЧУР!….
Надо значит замерить необходимые скорости нарастания сигнала, и от этого уже выбирать, берем остро-наточенный щуп и тыкаем в анод и ищем самый резкий фронт, а заодно пытаемся понять каков маштаб катастрофы:
Масштаб проблемы для моего Агилента вообщем-то оказался незначительным, еще-бы, он с его АЦП в 2 Гигасемплов в секунду, с легкостью все измерил и отобразил амплитуду 3,74В. Но когда я этот сигнал отдам на съедение АЦП микроконтроллера, с его жалкими 0.001 Гигасемплами в секунду, будет несколько более печально 
Но вернемся к нашему Slew Rate, ага! Передний фронт = 452 нс, амплитуда = 3.74В
Значит минимально-необходимый Slew Rate = 3.74V/0.452us = 8,8V/us. Значит чутье меня не подвело, мадмаксовская схемотехника нам явно не подходит.
Если учесть что у нас батарейное питание, и ток ОУ должен быть небольшим, по скорости нарастания должен быть запас, ток смещения входов единицы пикоампер, емкости входов пикофарады, напряжение смещения миливольты…. ну вообщем все как обычно, для тех случаев когда надо усилить поток из считанного числа электронов на высокоимпедансном выходе. То нам хорошо подходит OPA353.
Так-же этот ОУ хорош тем что у него очень хорошие показатели по шумам. Но это-же и его проблема Потому-что применяя такой “чистый” ОУ не хочется загубить его потенциал грязным питанием. Поэтому к нему в пару был докуплен еще и “чистый” LDO LT3045, от которого будет запиываться как группа операционных усилителей, так и тракты АЦП-ЦАП, судя по ДШ STM32 они тоже любят питание почище.
С детальками вроде разобрались, теперь самое сложное оцифровка.
Как я и подозревал, скорости АЦП в 1 мегасемпл/сек недостаточно чтоб оцифровать пик выброса с достаточной точностью. т.к. окно оцифровки в этом случае составляет 1 мкс, а судя по осцилограммам, этого недостаточно, т.к. пик сам по себе менее 1 мкс. И окно оцифровки при постоянном преобразовании никогда не попадет точно на шапку.
Тогда в дебрях ДШ и референс-мануала на STM32L1, был отискан выход из положения. Дело в том что АЦП способно запускать “инжектированное” преобразование с высоким приоритетом, по подаче сигнала на определенную ножку МК. От того и будем плясать.
Значит создам систему детекции передних фронтов, которая будет запускать длительное усредняющее преобразование длинной ~2,4 мкс, чтобы поймать всю “шапку” импульса, после чего оцифровать его. В окне 2.4мкс помещается 38 циклов семплования АЦП, этого в принципе должно вполне хватить, чтобы получить среднее значение напряжения в окне оцифровки. А потом уже обрабатывай “сколько влезет”.
Время с момента подачи сигнала до старта оцифровки ~ 250 нс, с учетом задержки и окна в 2.4 мкс, шапка импульса должна нормально захватиться и оцифроваться. Данная догадка была проверена на вспышках в сцинтилляторе с разными энергиями:
Может-быть сделать небольшую линию задержки, чтоб сместить старт оцифровки слегка вправо, наносекунд на 100-150, чтобы можно было уменьшить окно и более прецизионно “встать на максимум”… надо прикинуть насколько это будет проблемно, пойду-ка зачитаю Хорвица и Хилла.
UPD:
Примерную аналоговую компоновку я себе вижу вот так, максимально простой, где ОУ по сути выполняют роли повторителей, с коэффициентом усиления G=1. А амплитуда входного сигнала с ФЭУ будет настраиваться напряжением фотокатода.
Инвертирующий пред-усилитель сигнала с ФЭУ:
Сначала может показаться что коэффициент усиления запределен, “-R7/R6” но учитывая что выход ФЭУ сам по себе очень высокоимпедансен, к R6 добавляется “внутреннее” сопротивление выхода ФЭУ, и коэффициент усиления такой схемы предсказать невозможно, а резистор R7 подбирается экспериментально под каждую конкретную модель ФЭУ, как нагрузочный резистор для Анода. В результате мы получаем простой инвертор. Обычно R6 вообще не ставится, но т.к. у меня стоит стабилитрон, лучше что-бы он все-же был, для снятия нежелательных потенциалов не напрямую с электрода в землю с максимально-возможным током, а через токоограничитель.
Так-же стоит учесть, что ОУ теряет в пропускной способности, когда напряжение инверсного входа пытаются опустить ниже уровня земли( импульс с ФЭУ имеет отрицательную полярность, см. осциллограммы). Поэтому напряжение входов немного надо приподнять над землей(R9 R8), чтобы ОУ быстрее перестраивался при импульсе.
Компоновка на плате максимально плотная, с минимальными трассами по входу “Anode” и экранировкой, что-бы с одной стороны минимизировать паразитную емкость добавляемую к Аноду, а с другой стороны защитить от полей генерируемых трансформатором.
На вычислительной плате будет распологаться детектор переднего фронта, и входной усилитель. А так-же выходной усилитель для вывода синтезированного сигнала с ЦАП на звуковую карту ПК, для выгрузки накопленного и отфильтрованного массива в спектрометрическое ПО, к примеру беккерель монитор.
Детектор фронта и вывод сигнала с ЦАП будут соотв. снабжены цифровыми потенциометрами, чтобы можно было регулировать их параметры (уровень фронта и ослабление) для конкретных задач, без разбора блока.
Может быть можно было-бы обойтись только одним предусилителем, но мне кажется когда пред-усилитель, работающий и без того с сигналами, ток которых на гране фантастики, еще и в добавок нагрузится на вход АЦП с большой частотой преобразования, и соотв. входным сопротивлением АЦП 700 Ом, то это может добавить негативных эффектов.
Надо еще сесть посчитать, вероятно имеет смысл выкинуть индуктивности по питанию ОУ, т.к. они имеют достаточно неплохой коэффициент ослабления шума в по цепи питания (PSRR).
UPD2:
Удалось уменьшить длину экспоненциального шлейфа импульса c 36 до 16 мкс, уменьшением нагрузочного резистора на аноде лампочки. Заодно покажу что бывает, когда приходят импульсы очень часто, и садятся друг-другу на хвосты. Эту ситуацию надо отслеживать и отсекать такие импульсы.
Хардкор продолжается….. следите за новостями 