К вопросу об использовании блоков ЦАП с таблично

К вопросу об использовании блоков ЦАП с таблично
задаваемым выходным напряжением для управления
магнитными элементами HITS
Мамкин В.Р., т.4284
Требования к блоку ЦАП
К настоящему моменту просматривается три возможных системы комплекса HITS, где
необходимо использовать ЦАП с таблично задаваемым выходным напряжением (далее –
TDAC). Кратко рассмотрим предварительные требования к блоку TDAC по каждой из
этих систем.
Первая система – магнитные элементы бустера, где TDAC должен задавать
напряжение коррекции синхронно с циклами ускорения длительностью 100 ms. Во время
фазы ускорения, которая длится 50 мс, TDAC должен отработать таблицу с
ориентировочным количеством точек – 1000 и интервалом между точками 50 мкс.
Необходимые требования по стабильности, предъявляемые к TDAC, составляют 10E-4
или 100 ppm.
Вторая система – управление сканирующим магнитом. Во время сеанса облучения
необходимо создать развертку из 100 кадров по 100 строк, каждая из 100 точек. Время
перехода от одной точки к другой составляет 1 мс. Долговременная стабильность (т.е.
повторяемость от сеанса к сеансу облучения) должна составлять 100 ppm, тогда как
кратковременная стабильность (отклонения во время сеанса облучения), по всей
видимости, должна быть 10 ppm (прояснить?) ???. Таким образом, TDAC должен иметь
память на 1000000 точек.
Третья система – система электронного охлаждения. С помощью электронного
охлаждения планируется менять энергию выпускаемого пучка, по всей видимости,
изменяя ее от кадра к кадру развертки. Требования к TDAC здесь такие же, как во втором
случае.
Можно отметить, что во всех трех системах от блока TDAC требуется синхронная
работа с остальными элементами управления комплексом. По этой причине TDAC должен
иметь вход аппаратного старта, который подключается к общей системе синхронизации.
Наличие аппаратного входа синхронизации является обязательным.
В качестве кандидатов на место TDAC рассматривались как выпускаемые в ИЯФе
изделия серии CANDAC разработки Козака В.Р., так и промышленные образцы.
Модули CANDAC имеют достаточную стабильность и разрешение, однако без
значительных доработок не могут быть использованы для решения описанной задачи. К
таким доработкам относятся, например, установка дополнительной внутренней памяти,
добавление входа аппаратной синхронизации, значительная переработка микропрограммы
блока. Кроме того, при значительном объеме таблиц и ограниченной пропускной
способности шины CAN мы лишаемся возможности динамической загрузки таблиц,
например, от кадра к кадру. Так как сценарий сканирования еще окончательно не
устоялся, это обстоятельство может стать серьезным препятствием.
Среди значительного разнообразия промышленно выпускаемых модулей можно
выделить несколько классов устройств. В различных форм-факторах выпускаются
генераторы сигналов произвольной формы (AWG). Эти устройства, как правило, содержат
на плате ЦАП, значительную память для хранения отсчетов и имеют аппаратный вход
синхронизации. Однако тенденции таковы, что производители AWG основной акцент
делают на расширение полосы генерируемых сигналов, в ущерб разрядности и
стабильности. Так, эффективная разрядность (т.е. с учетом шумов и искажений) подобных
устройств не превышает 8-10 бит. Кроме того, AWG выделяются значительной
стоимостью на канал, которая составляет 5000$ и более.
Структура ЦАП и модель работы
Наиболее подходящими на роль TDAC устройствами можно считать ЦАПы с
наличием небольшого FIFO на плате и подключаемые к быстрой шине PCI (см. рисунок).
DMA
CPCI
data
irq
FIFO
Control
DAC
Sync Input
Output
Размер FIFO, как правило, составляет 8-16 Кбайт. ЦАП является периферийным
устройством для компьютера, поэтому работа с ним выглядит следующим образом.
1. В памяти компьютера выделяется область произвольного размера для таблицы
отсчетов (Буфер)
2. В плате ЦАП настраивается контроллер DMA для вывода из Буфера в FIFO
3. DMA контроллер стартует программно и заполняет FIFO содержимым отсчетов из
Буфера
4. ЦАП ожидает прихода синхроимпульса, после чего следующий отсчет выбирается
из FIFO и подается на выход.
5. По мере опустошения FIFO, контроллер DMA загружает в него следующие
фрагменты из Буфера
6. После вывода Буфера целиком, плата ЦАП выставляет прерывание на шину,
сигнализируя о конце работы ???
Данная архитектура имеет следующие преимущества:
1. Размер таблицы может быть неограниченно большим, т.к. таблица хранится в
оперативной памяти компьютера
2. Для обслуживания периодических процессов, буфер в оперативной памяти можно
закольцевать
3. Все процессы, кроме инициализации, происходят на аппаратном уровне. Тем
самым исключаются непредсказуемые программные задержки
4. Чтение из основной памяти компьютера происходит пакетами, что исключает
жесткие временные требования к шине передачи данных
К недостаткам можно отнести то обстоятельство, что ЦАП географически привязан к PCI
контроллеру, что увеличивает протяженность аналоговых трасс. Далее будет показано,
что этот негативный фактор можно обойти.
В числе производителей TDAC рассматривались фирмы Kontron, Adlink, Advantech, NI. С
учетом общих подходов к системе управления HITS, выбор делался среди устройств CPCI
с размерами платы 3U.
Характеристики PXI-6733
Предлагаемое к рассмотрению устройство – PXI-6733 производства National Instruments.
Ниже приведены основные характеристики ЦАП.
Число каналов
Разрешение
Размер FIFO
Вход синхронизации
DMA
Выходной диапазон
Время установки (+- 1LSB)
Уровень внутренних шумов, Un
Интегральная нелинейность
Диф. нелинейность
Смещение нуля
Ошибка масштаба
Дрейф нуля, Uo
Дрейф масштаба, Kg
Дрейф опорного источника, Kr
Долговременный дрейф (за
1000 часов)
8
16 бит
16384 отсчета
+
+
- 10В..+10В
2.8 мкс
80 мкв RMS
+-2.2 LSB
+- 1 LSB
+- 168 мкВ
+- 30 ppm
35 мкВ/C
6.5 ppm/C
0.6 ppm/C
15 ppm
Отдельно остановимся на вопросах стабильности.
Требуемая кратковременная стабильность (10 ppm) должна быть достигнута на время
сеанса облучения, т.е. на несколько минут. За это время окружающую температуру можно
считать постоянной, поэтому основной вклад в погрешности вносят только внутренние
шумы ЦАП, которые составляют Un = 80 мкВ или 4 ppm относительно полной шкалы
ЦАПа.
В более долговременной шкале необходимо обеспечить повторяемость результатов на
уровне 100 ppm. Примем, что изменения температуры dT окружающей среды составляют
не более 3C.
Тогда напряжение ошибки составит:
Ue = Un + dT * Uo + dT * Kg * Uout + dT * Kr * Ur
Где,
Un = 80 мкВ – внутренние шумы ЦАП
Uo = 35 мкв/C – дрейф нуля
Kg = 6.5 ppm/C – дрейф масштаба
Uout = 10В – выходной диапазон
Kr = 0.6 ppm/C – дрейф опорного источника
Ur = 5В – напряжение опорного источника
С учетом приведенных значений
Ue = 389 мкВ или 20 ppm от полной шкалы ЦАП
Для сравнения, вес младшего разряда ЦАП 300 мкВ.
Преобладающий вклад в ошибку вносит дрейф масштаба.
Подключение внешнего оборудования
Одно из преимуществ устройств CANDAC – возможность интеграции с источником
питания. При этом минимизируется длина аналоговых трасс, связь же с ЦАПом
осуществляется по защищенному цифровому каналу. В случае TDAC предполагается
поступить также. При этом CPCI шасси будет устанавливаться в стойку с источником
питания, а контроллер через оптокабель будет подключаться к управляющему серверу
(см. рисунок).
Стойка ИП
Сервер
PXI-6733
DAC
Шасси CPCI
PXI-8336
контроллер
PCI-8336
контроллер
Fiber
Link
Для этих целей предлагается использовать пару контроллеров PСI/PXI-8336 производства
National Instruments. Контроллер PCI-8336 представляет собой PCI плату,
устанавливаемую в сервер и преобразующую PCI шину в последовательный вид с
дальнейшей передачей через оптику. В шасси CPCI устанавливается ее партнер – PXI8336, реализующий комплиментарные функции и играющий роль контроллера CPCI
шасси. В то же шасси устанавливается ЦАП, который подключается уже короткой
аналоговой линией к источнику питания. При этом с точки зрения сервера, плата ЦАП
находится в его локальном адресном пространстве.
Возможны различные вариации данной схемы. Во-первых, к одному серверу может
быть подключено несколько стоек источников питания. Во-вторых, источники могут быть
подключены по цепочке. Для удешевления может быть использован не оптический, а
медный кабель (соответственно, контроллеры PXI-PCI-8331).
Стоимость оборудования
ЦАП PXI-6733 2500$
Набор PXI-8336+ PCI-8336 4700$ (оптический линк)
Набор PXI-8331+ PCI-8331 2500$ (медный линк)