ХМЛ-3 предназначен для измерения слабых световых потоков, съема и обработки информации о люминисценции проб материалов окружающей среды, получаемой с фотоэлектронного умножителя (ФЭУ).

Для выполнения указанных ранее функций в состав прибора входят следующие узлы:

• фотоэлектронный умножитель, помещенный в специализированную темновую камеру;
• высоковольный программируемый источник питания ФЭУ;
• блок входного преобразователя тока ФЭУ с аналого-цифровым преобразователем.
• блок калибровки оптического канала.
• блок управления.

Высоковольтный источник питания ФЭУ

• задающий генератор;
• широтно-импульсный модулятор;
• импульсный фазовращатель.

Задающий генератор формирует тактовые острые импульсы частотой 18 - 20 кГц. Тактовые импульсы поступают на широтно-импульсный модулятор обеспечивают формирование импульсов с частотой следования, определяемой задающим генератором, и длительностью, определяемой величиной постоянного напряжения управления, поступающего с усилителя ошибки рассогласования. Так, при напряжении управления порядка 0 Вольт, ширина импульсов минимальна (вплоть до отсутствия импульсов), а при повышении напряжения управления, ширина импульсов увеличивается. Таким образом узменением величины напряжения управления обеспечивается изменение скважности импульсов в широких пределах.
Важно отметить, что при максимальном значении напряжения управления, импульсы имеют "зазор" для предотвращения возникновения сквозных токов в ключевом усилителе мощности.
Импульсный фазовращатель формирует парафазный сигнал, необходимый для функционирования двухтактного ключевого усилителя мощности. Ключевой усилитель мощности обеспечивает усиление импульсов и формирование импульсов высокого напряжения, поступающих на высоковольтный выпрямитель и емкостной фильтр высокого напряжения. Ключевой Усилитель собран по двухтактной схеме, обладающей низким уровнем импульсных и электро-магнитных помех, что особо важно с учетом близкого расположения высокочувствительных каскадов усиления фототока ФЭУ. Полученное высокое напряжение поступает на ФЭУ и делитель напряжения динодов, конструктивно расположенный внутри темновой камеры в непосредственной близости от ФЭУ.

Входной преобразователь.

Входной преобразователь предназначен для измерения величины тока ФЭУ и измерения других сигналов, информация о величине которых может оказаться полезной пользователю. В состав входного преобразователя входят следующие узлы:

• преобразователь ток-напряжение;
• аналоговый мультиплексор;
• аналого-цифровой преобразователь;
• источник опорного напряжения;
• программируемый делитель напряжения.

Для обеспечения высокой точности функционирования в условиях помех применен прецизионный преобразователь ток-напряжение с коэффициентом преобразования 100 В/мкА. Он собран по схеме ОУ МДМ-типа с интегратором на ОУ. Коэффициент усиления этого ОУ с разорваной ОС составляет более 3 млн.
Применение ОУ МДМ-типа с Т-мостом в цепи обратной связи позволяет обеспечить высокую временную и температурную стабильность параметров при малых собственных шумах преобразователя.
Выходной сигнал преобразователя ток-напряжение поступает на вход аналогового мультиплексора, где сигнал преобразователя совместно с другими контролируемыми аналоговыми сигналами, обрабатывается аналого-цифровым преобразователем.

Аналого-цифровой преобразователь

работает по принципу двойного интегрирования и имеет встроенную систему автокоррекции сдвига нуля преобразователя. АЦП обеспечивает преобразование входного сигнала в 14-разрядный цифровой код. Путем изменения величины опорного напряжения диапазон входных аналоговых сигналов может быть изменен в широких пределах. Так, при опорном напряжении 1.00 Вольт, входной сигнал АЦП может изменяться в диапазоне от -2 до +2 Вольт, при опорном напряжении 0.100 Вольт входной сигнал АЦП может изменяться в диапазоне от -0.2 до +0.2 Вольт, при опорном напряжении 0.010 Вольт входной сигнал АЦП может изменяться в диапазоне от -0.02 до +0.02 Вольт. В общем случае, установка величины опорного напряжения не обязательно должна быть 1.0/0.1/0.01 Вольт.

Допускается установка и любого другого значения, но не более 2.000В.
В этом случае выходной код АЦП связан с величиной входносо сигнала и уровнем опорного напряжения следующей функциональной связью:

Nadc=1000*Uin/Uref, где
Nadc - выходной код АЦП,
Uin - величина входного напряжения АЦП в Вольтах,
Uref - величина опорного напряжения АЦП в Вольтах.

Таким образом, возникает возможность адаптивного изменения полной шкалы преобразования в широких пределах по командам от блока управления в зависимости от величины входного сигнала для получения максимальной точности результата преобразования и изменения полной шкалы в зависимости от результатов предыдущего цикла измерений. Понятно, что для сохранения точности преобразований при смене полной шкалы преобразований особую важность приобретает точность установки опорного напряжения, высокая временная и температурная стабильность параметров преобразователя.
Достижение высокой точности в формировнии трех уровней опорного напряжения, различающихся на два порядка по величине, с сохранением высоких точностных характеристик стандартными методами оказывается достаточно проблематичным и требует неоправданно высоких технических и технологических затрат. Поэтому, данная задача решается программно-аппаратным путем при активном участии блока микропроцессорного управления

Для получения высокостабильных опорных напряжений в состав программируемого источника опорного напряжения преобразователя входит прецизионный источник опорного напряжения, обеспечивающий формирование выходного напряжения 1.334 Вольта и программируемый делитель напряжения, собранный на БИС прецизионного ЦАП с дискретными элементами обрамления. Источник опорного напряжения обеспечивает термостатирование собственных активных элементов, что позволяет формировать выходное напряжение с временным дрейфом порядка 1-2 мкВ/месяц и температурным дрейфом не более 10мкВ/градус.

Программируемый делитель обеспечивает формирование выходных напряжений путем записи во внутренние регистры БИС ЦАП 12-разрядного кода делимого с дискретностью шага установки 0.326 мкВ. БИС прецизионного делителя опорного напряжения имеет дифференциальную нелинейность установки коэффициента деления менее 0.025%, что обеспечивает высокую точность формирования уровней опорного напряжения Uref = 1.000В, 0.100В и 0.010В, устраняет необходимость в каких-либо подстроечных элементах с присущими им шумами, временными и температурными изменениями параметров. В таблице приведены ориентировочные значения коэффициентов, записываемых блоком управления во внутренние регистры программируемого делителя опорных напряжений и соответствующие значения опорных напряжений АЦП.

С учетом возможных временных и температурных дрейфов параметров интегратора АЦП, накопительных емкостей системы автокоррекции нуля АЦП, дрейфа параметров программируемого источника опорного напряжения, столь высокая дискретность установки не являются избыточными. Более того, возможность адаптивного изменения опорного напряжения с высокой точностью позволяет реализовать функцию автоматической калибровки наиболее важных, с точки зрения получения достоверной информации, узлов.
Понятно, что реализовать эту функцию можно только с учетом микропроцессорного блока управления, где эта функция реализована в виде отдельной процедуры, вызывать которую можно в любой произвольный момент времени.

Принцип автоматической калибровки состоит в следующем:

• во внутренние регистры программируемого делителя заносится информация о начальных значениях опорного напряжения и на шине опорного напряжения устанавливается начальное значение опорного напряжения;
• по командам блока управления аналоговый мультиплексор переключает вход АЦП для проведения предварительного цикла автокомпенсации нуля;
• после проведения цикла(ов) автокомпенсации аналоговый мультиплексор переключает вход АЦП на измерение выходного напряжения прецизионного источника опорного напряжения;
• при отсутствии утечек или дрейфа параметров элементов делителя и АЦП, результат измерения должен в точности совпадать с заранее известной величиной выходного напряжения прецизионного источника напряжения (1.334 Вольта).
  При отклонении результатов измерений под управлением блока управления осуществляется изменение состояния программируемого делителя, при этом опорное напряжение изменяется так, чтобы свести к минимуму разницу между измеряемым значением выходного напряжения прицизионного источника опорного напряжения и его известным значением. Так, если измеренное значение выходного напряжения источника опорного напряжения выше, чем должно быть, состояние программируемого делителя увеличивается, что приводит к увеличению опорного напряжения на входе АЦП и, наоборот;
• цикл измерений выходного напряжения источника опорного напряжения повторяется до тех пор, пока измеряемое значение не будет в точности соответствовать заранее известной величине.

Понятно, что реализация этой функции невозможна при построении прибора на "жесткой логике", однако ее реализация позволяет устранить временные дрейфы параметров прибора, связанные со старением отдельных радиоэлектронных компонентов, упростить настройку важнейшего узла прибора - АЦП, максимально автоматизировав эту функцию, и проводя перекалибровку не только при каждом включении прибора, но и в любой момент времени по желанию пользователя, гарантируя ему получение информации с высокой степенью достоверности

Блок калибровки оптического канала.

Калибровка измерительного тракта, осуществляемая во входном преобразователе, не может считаться полной, т.к. она не затрагивает главного чувствительного элемента прибора - собственно ФЭУ. Понятно, что временной и температурный дрейф параметров ФЭУ, приводит к изменению не только темнового тока ФЭУ, но и, что особо заметно, коэффициента усиления фототока ФЭУ. В результате этого не только замена ФЭУ или измерения на различных приборах, но и измерения на одном приборе, разнесенные на существенный для "старения" ФЭУ промежуток времени, будут в значительной степени отличаться друг от друга. Это может привести к несопоставимости данных, полученных при различных условиях. В таком случае необходимо иметь возможность каким либо образом унифицировать данные, полученные при проведении измерений в различных условиях.

Для выполнения этой функции служит блок калибровки оптического канала. В состав блока входят следующие узлы:

• светодиодный излучатель;
• узел установки уровня тока;
• узел стабилизатора тока.

Светодиодный излучатель помещается внутрь темновой камеры так, чтобы часть светового потока от него попадала на оптический вход ФЭУ. Светодиодный излучатель запитывается стабильным током, формируемым узлом стабилизации тока, величина которого задается узлом установки уровня тока. Блок управления записавает во внутренние регисты узла установки уровня тока необходимое значение тока питания светодиодного излучателя.

Включение/выключение светодиодного излучателя осуществляется по отдельным командам блока управления, независимо от команд установки тока. Это позволяет автоматизировать выполнение некоторых важных для получения достоверной информации функций проверки оптического канала.

Установка оптимальной чувствительности ФЭУ.

Известно, что с ростом напряжения питания возрастает одновременно как чувствительность ФЭУ, так и его темновой ток. При этом зависимости чувствительности и величины темнового тока от напряжения питания функционально различны - с некоторого напряжения питания рост величины темнового тока опережает рост чувствительности ФЭУ. Понятно, что, с точки зрения достижения максимального соотношения сигнал/шум, дальнейшее увеличение напряжения питания ФЭУ бессмысленно.

В таком случае мы можем сформулировать алгоритм автоматической установки напряжения питания ФЭУ следующим образом:

1. Ограничимся диапазоном изменения напряжения питания от минимального значения Uo до максимально-допустимого значения Umax.
2. установим начальное значение напряжения питания ФЭУ U(i) и значение тока питания светодиодного излучателя I(led);
3. выключим светодиодный излучатель;
4. зафиксируем величину темнового тока I(zero) при выключенном светодиодном излучателе и учитывать его величину в качестве своеобразного "сдвига нуля" фототока ФЭУ;
5. включим светодиодный индикатор;
6. зафиксируем величину фототока ФЭУ I(light) при включенном светодиодном излучателе;
7. вычислим соотношение I(light)-I(zero)/I(zero) для напряжения питания Ui;
8. изменим величину питающего напряжения Ui на величину шага по напряжению питания Ustep и установим новое значение напряжения питания U(i+1)=U(i)+Ustep;
9. пункты (2)-(8) повторим для всего диапазона напряжений питания ФЭУ от минимального значения Uo до максимально-допустимого значения Umax.

из полученных результатов выберем то напряжение питания ФЭУ U(i), при котором соотношение сигнал/шум I(light)-I(zero)/I(zero) будет максимальным и установим его для проведения последующих измерений.

Понятно, что приведенный алгоритм выбора напряжения питания ФЭУ по максимальному соотношению сигнал/шум не является наиболее оптимальным с точки зрения времени выполнения, однако, как один из возможных алгоритмов реализации данной функции, он наиболее прост в понимании.

Приведем еще один алгоритм, реализующий функцию калибровки коэффициента усиления ФЭУ.

Калибровка коэффициента усиления ФЭУ.

Известно, что самым критичным параметром ФЭУ является коэффициент усиления. Изменение температуры или старение ФЭУ прежде всего сказывается на его коэффициенте усиления. Это приводит к тому, что оказывается невозможным сравнивать результаты, полученные на одном и том же ФЭУ с изменившимся коэффициентом усиления, не говоря уже о сопоставимости результатов, полученных на приборах с различными ФЭУ. Однако, проведя несколько дополнительных операций при калибровке прибора на эталонном источнике света, можно свести к минимуму вероятность получения несопоставимых данных. Для этого при проведении калибровки:

• при проверочных испытаниях прибора на эталонном источнике света при установленном значении напряжения питания ФЭУ фиксируется величина фототока ФЭУ I(def) (скорректированная на величину темнового тока I(zero));
• после окончания поверки и удаления эталонного источника света из темновой камеры, включается светодиодный излучатель и по командам от блока управления изменяется величина тока светодиодного излучателя I(led) в сторону увеличения (или уменьшения) до тех пор, пока величина фототока ФЭУ I(light)-I(zero) от светодиодного излучателя не уравняется с величиной фототока ФЭУ от эталонного источника света I(def);
• после успешного завершения этого цикла, напряжение питания ФЭУ U(i), величина тока светодиодного излучателя I(led) и величина фототока ФЭУ I(light)-I(zero) запоминаются для дальнейшего использования до следующих поверочных испытаний с применением эталонного источника света;

Теперь полученные данные можно использовать для калибровки (стабилизации) коэффициента усиления ФЭУ. Важно отметить, что все последующие операции могут выполняться как при каждом включении прибора и входить в цикл его самопроверки до начала измерений, так и выполняться в любой момент времени по желанию пользователя.

Покажем простейший алгоритм калибровки коэффициента усиления.
Для этого:

1. Установим начальное значение напряжения питания ФЭУ U(i) и значение тока питания светодиодного излучателя I(led);
2. выключим светодиодный излучатель;
3. зафиксируем величину темнового тока I(zero) при выключенном светодиодном излучателе и будем учитывать его величину в качестве своеобразного "сдвига нуля" фототока ФЭУ;
4. включим светодиодный индикатор;
5. зафиксируем величину фототока ФЭУ I(light) при включенном светодиодном излучателе;
6. вычислим соотношение I(light)-I(zero) для напряжения питания Ui; Отличие текущего значения фототока I(light)-I(zero) от того, который фиксировался на выходе ФЭУ при поверочных испытаниях I(def), говорит об изменении по какой-либо причине коэффициента усиления ФЭУ, и, изменяя величину питающего напряжения Ui на величину шага по напряжению питания Ustep, изменим напряжение питания так, чтобы максимально приблизить величину I(light)-I(zero) к исходному значению I(def). Для этого:
   • при I(light)-I(zero) < I(def) увеличим напряжение питания и установим новое значение напряжения питания U(i+1)=U(i)+Ustep;
   • при I(light)-I(zero) > I(def) уменьшим напряжение питания и установим новое значение напряжения питания U(i+1)=U(i)-Ustep;
7. пункты (2)-(6) повторим до тех пор, пока для всего диапазона напряжений питания ФЭУ от минимального значения Uo до максимально-допустимого значения Umax разница в I(light)-I(zero) и I(def) не будет минимальной.

Если в допустимых пределах напряжения питания это условие остается недостижимым, то это говорит о том, что прибор не может автоматически изменением напряжения питания скомпенсировать изменения коэффициента усиления ФЭУ и пользователю останется самому принять решение:

• продолжать проведение качественных измерений (без гарантии количественной сопоставимости результатов с результатами предыдущих измерений), или
• прервать проведение измерений и осуществить поверочные испытания прибора.

В любом случае, пользователю нет необходимости даже подозревать об изменениях параметров ФЭУ вплоть до момента, когда прибор не сможет скомпенсировать самостоятельно этих изменений. Более того, смена вышедшего из строя ФЭУ на новый может не потребовать перекалибровки прибора, если он сможет автоматически изменить напряжение питания ФЭУ так, что сохраниться прежний коэффициент усиления.

Понятно, что считать световой поток от светодиодного излучателя особо стабильным, можно лишь с определенными допущениями и введение системы калибрации оптического канала на светодиодном излучателе не исключает периодической калибровки прибора с использованием высокостабильных генераторов оптических потоков. Однако, малая температурная зависимость интенсивности излучения светодиодных излучателей (от -0.14 до -0.21 %/градус для светодиодных излучателей на GaP) и работа на малых токах инжекции, при которых деградационные явления p-n переходов исчезающе малы, дает основания считать, что такие генераторы световых потоков будут удовлетворять точностным характеристикам прибора на промежутках между проведением калибровок с использованием прецизионных генераторов световых потоков.

Блок управления.

Блок управления предназначен для микропрограммного управления отдельными узлами прибора, синхронизации их совместной работы, получения и предварительной обработки результатов измерения и их передачи внешнему ПК для дальнейшей обработки и визуализации результатов.
Блок управления, кроме того обеспечивает перекодировку макро-команд, которыми обмениваются блок управления с внешним ПК, в набор микро-команд управления отдельными узлами и блоками прибора. Эти команды могут иметь внутреннюю структуру различной сложности, но их главное назначение - упростить процедуру обмена пользователя с прибором, перевести диалог с пользователем с уровня "как делать" на уровень указаний "что сделать" не требуя знаний в программно-аппаратной реализации каждой из применяемых функций. К набору команд можно отнести:

простые макро-команды:

• осуществить начальную установку параметров в исходное состояние;
• включить аналоговый мультиплексор для измерения сдвига нуля АЦП;
• включить аналоговый мультиплексор для измерения фототока ФЭУ;
• включить аналоговый мультиплексор для измерения высоковольтного источника питания ФЭУ;
• включить аналоговый мультиплексор для измерения опорного напряжения;
• произвести измерение сигнала на входе АЦП;
• установить величину выходного напряжения высоковольтного источника питания ФЭУ;
• включить \ выключить источник питания ФЭУ;
• установить величину питающего тока светодиодного излучателя;
• включить \ выключить светодиодный излучатель;

Примеры программной реализации простых команд представлены ниже:

Пример управления светодиодным калибратором

Пример выполнения начальной инициализации прибора

сложные макро-команды:

• провести калибровку АЦП входного преобразователя и уровней опорного напряжения;
• оптимизировать напряжение питания ФЭУ по наилучшему соотношению сигнал/шум;
• провести регулировку коэффициента усиления оптического канала;
• провести измерение величины фототока ФЭУ в течение заранее заданного интервала времени;
• проводить измерение фототока ФЭУ с настоящего момента до поступления команды на прекращение измерений;

Понятно, что перечисление сложных макро-команд не является исчерпывающим. По мере необходимости, часто повторяющиеся последовательности простых команд и более сложные конструкции могут быть объединены в отдельные модули с присвоением им статуса макро-команды.

Доступ к начальным установкам программного (и аппаратурного) обеспечения обеспечивается через скрытое от пользователя меню настроек, имеющего следующий вид:

Эксплуатация трех опытных образцов показала высокую надежность работы блока, жизнеспособность предложенных алгоритмов калибровки оптического канала.

При разработке высоковольтного программируемого источника питания и узла программируемого преобразователя ток-напряжение использовались разработки, полученные в ходе исследований и эксплуатации анализатора высоковольных p-n переходов, разработанного ранее.