Аналого-цифровая аппаратура автоматизированных систем контроля и управления экспериментальными физическими установками

Батраков, Александр Матвеевич

Аналого-цифровая аппаратура автоматизированных систем контроля и управления экспериментальными физическими установками тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

Батраков, Александр Матвеевич АВТОР

доктора технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Новосибирск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2011 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.20 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Аналого-цифровая аппаратура автоматизированных систем контроля и управления экспериментальными физическими установками»

Автореферат диссертации на тему "Аналого-цифровая аппаратура автоматизированных систем контроля и управления экспериментальными физическими установками"

БАТРАКОВ Александр Матвеевич

АНАЛОГО-ЦИФРОВАЯ АППАРАТУРА АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМИ ФИЗИЧЕСКИМИ УСТАНОВКАМИ

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

- 8 ДЕК 2011

НОВОСИБИРСК - 2011

005005313

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

ЗОЛОТУХИН Юрий Николаевич

КООП

Иван Александрович

МЕШКОВ Игорь Николаевич

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ

доктор технических наук, профессор, Учреждение Российской академии наук Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения РАН, г. Новосибирск.

доктор физико-математических наук, Учреждение Российской академии наук Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН, г. Новосибирск.

доктор физико-математических наук, профессор, член-корреспондент РАН,

Объединённый институт ядерных исследований, г. Дубна.

РНЦ «Курчатовский Институт», г. Москва.

Защита диссертации состоится «. » (рягШРьа^2011 г. в «Ш» часов на заседании диссертационного совета Д 003.016.01 Учреждения Российской академии наук Института ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН.

Адрес: 630090, г. Новосибирск-90, проспект Академика Лаврентьева, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Института ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН.

Автореферат разослан «. Ж » ШЗ? 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физ.-мат. наук

А.В. Бурдаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность

Работа современных экспериментальных физических установок невозможна без автоматизированных систем контроля и управления. В функции таких систем входит сбор данных с первичных устройств, обработка и анализ этих данных в реальном времени и выработка в соответствии с результатами анализа управляющих воздействий либо рекомендаций для дальнейших действий оператора. Важным элементом структуры автоматизированных систем управления и контроля является комплекс устройств, преобразующих аналоговые сигналы, несущие информацию о происходящих процессах в форме токов или напряжений, в цифровой код, пригодный для обработки в управляющих компьютерах.

Этот комплекс устройств называется аналого-цифровой аппаратурой и включает в себя как собственно аналого-цифровые преобразователи (АЦП), так и широкий набор аналоговых и цифровых узлов, выполняющих различную предварительную обработку и нормировку сигналов, накапливающих и передающих полученные данные. Такие характеристики аналого-цифровой аппаратуры как точность измерения, разрешающая способность, быстродействие, широкополосность, стабильность определяют эффективность работы не только системы управления, но и установки в целом, а зачастую и принципиальную возможность проведения экспериментов.

Анализ задач, решаемых в системах контроля и управления физическими установками, изучение возможностей созданной в ИЯФ СО РАН аппаратуры свидетельствует о жизненности и полезности разработок, выполненных в предыдущие годы. Вместе с тем, строительство новых и модернизация старых установок, всё возрастающие требования к качеству измерений, возможности современной электроники, специфика многих задач, несомненно, делают актуальным продолжение разработок аналого-цифровой аппаратуры для систем автоматизации физических исследований. Не менее актуальной является и необходимость обстоятельного изучения и грамотного использования этой аппаратуры.

Цель диссертационной работы

Диссертация посвящена исследованию и решению широкого круга проблем, возникающих при создании и использовании аналого-цифровой аппаратуры систем контроля и управления экспериментальными физическими установками. Основные направления работ:

• Анализ задач связанных с измерением широкого набора сигналов на экспериментальных установках, и изучение применимости

различных устройств аналого-цифрового преобразования при решении этих задач.

• Теоретический анализ и практические исследования структурных и схемотехнических решений аналого-цифровой аппаратуры. Разработка методов повышения быстродействия, точности, разрешающей способности и стабильности параметров этой аппаратуры с учётом особенностей работы физических комплексов.

• Создание аналого-цифровых устройств и систем для измерения сигналов в широком амплитудном и временном диапазонах.

• Разработка методик измерений и применения созданной аппаратуры на электрофизических установках.

Личный вклад автора

Личное участие автора в работах, составляющих основу диссертации, является определяющим. Им лично выполнены теоретические исследования структурных и схемотехнических решений приборов, а практическое исследование этих решений проведено под руководством автора. Автор принял непосредственное участие в разработке предложенных им аналого-цифровых устройств для систем автоматизации физических установок. При его определяющем участии предложен и реализован ряд измерительных методик, существенно повысивших качество и эффективность научных исследований.

Научная новизна работы

1. Проведён теоретический анализ и практические исследования структурных и схемотехнических решений аналого-цифровой аппаратуры, найдены оригинальные решения, направленные на повышение быстродействия, точности, чувствительности, помехоустойчивости.

2. Впервые предложена схема построения цифровых регистраторов формы сигналов, отличающаяся функциональной завершённостью и сформулированы принципы построения этого класса приборов.

3. Исследованы проблемы синхронизации цифровых регистраторов процессами физических установок. Разработаны метода синхронизации и схемотехника таймирующих узлов современны высокопроизводительных АЦП.

4. Впервые в стране предложен и применён на практике ряд методи исследования быстропротекающих и, в том числе, аварийны процессов на экспериментальных физических установках.

5. Предложены, исследованы и реализованы принципы построения высокоточных цифровых интегрирующих измерителей импульсных магнитных полей.

6. Предложен и разработан набор унифицированной аппаратуры для прецизионных измерений постоянных магнитных полей, позволивший впервые осуществить комплексный подход при проведении магнитных измерений, стандартизовать методики, оборудование измерительных стендов и программное обеспечение.

7. Найдены структурные и схемные решения электроники, ставшей базовым средством автоматизированных систем управления технологическими установками по производству уникального физического оборудования.

Научная и практическая ценность работы

1. Предложенные принципы построения и найденные решения обеспечили серийное производство всей гаммы разработанной аппаратуры и оснащение этой электроникой экспериментальных установок ИЯФ.

2. Цифровые регистраторы формы сигналов используются в большинстве лабораторий ИЯФ, во многих научно-исследовательских организациях страны, а также работают в составе ряда установок за рубежом. Начиная с 1975 г. общее количество выпущенных модулей превысило 600 единиц, а в пересчёте на «каналы регистрации» - около 1,5 тысяч.

3. Создана и более 10 лет активно используется при изготовлении многополюсных сверхпроводящих устройств уникальная 256-канальная система регистрации срывов сверхпроводимости и идентификации «проблемных» полюсов.

4. Аппаратурой для регистрации аварий и сбоев в работе оборудования оснащены большинство комплексов ИЯФ. Данная методика уже более 30 лет широко применяется на установках Института для выявления ненадёжных элементов и устройств.

5. На базе унифицированной аппаратуры для прецизионных магнитных измерений изготовлено несколько стационарных систем, позволивших реализовать на стендах ИЯФ необходимый набор методик измерения постоянных магнитных полей.

6. Изготовлены мобильные комплекты аппаратуры для магнитных измерений, неоднократно применявшиеся для организации временных стендов как в ИЯФ, так и при выполнении контрактов за

рубежом: в центре SOLEIL (Франция), DESY (Германия), IHI (Япония).

7. Создан ряд систем для автоматизированного управления технологическими стендами в экспериментальном производстве и лабораториях ИЯФ. Стенды применяются для изготовления обычных и сверхпроводящих магнитных элементов, отжиге аэрогеля, полимеризации обмоток, вакуумной пайке. Семь специализированных систем в течение 4-х лет обеспечивали серийное изготовление более 10 тысяч сверхпроводящих Bus-Баг'ов для Большого Адронного Коллайдера (ЦЕРН, Женева).

Основные положения, выносимые на защиту

1. Теоретический анализ и практические исследования структурных и схемотехнических решений аналого-цифровой аппаратуры, в результате которых предложены оригинальные решения, позволившие не только достигнуть необходимого быстродействия, точности, чувствительности, помехоустойчивости, но и сделать аппаратуру адаптируемой к изменяющимся условиям эксперимента.

2. Предложенная схема построения цифровых регистраторов формы сигналов, отличающаяся функциональной завершённостью, а также принципы построения этого класса приборов, на основе которых разработано несколько поколений цифровых регистраторов формы сигналов.

3. Исследование проблем синхронизации цифровых регистраторов с процессами физических установок. Разработанные методы точной синхронизации и соответствующая схемотехника таймирующих узлов современных высокопроизводительных АЦП, позволившие интегрировать приборы на их основе в системы с разнообразными временными диаграммами.

4. Предложенные и реализованные методики исследования быстропротекающих процессов на ускорительных комплексах, плазменных установках, в мощных и высоковольтных устройствах, в криогенном оборудовании.

5. Исследование новых принципов построения интегрирующих измерителей импульсных сигналов, положенных в основу современного поколения точной, многофункциональной электроники для измерений импульсных магнитных полей.

магнитных измерений, стандартизовать методики, оборудование измерительных стендов и программное обеспечение.

7. Структурные и схемные решения электроники технологических стендов, позволившие изготовить надёжно работающее автоматизированное производственное оборудование для промышленного выпуска элементов физических установок.

Апробация диссертации

Основные результаты работы докладывались на многих Всесоюзных, Всероссийских и Международных конференциях, симпозиумах и совещаниях. Из выступлений последнего десятилетия можно отметить доклады на Международных конференциях по ускорителям заряженных частиц АРАС'2001, РАС'2003, ЕРАС'2002, ЕРАС'2008 Международных конференциях по аппаратуре для исследований с синхротронным излучением 5И'2000, 8К1'2006, Российских совещаниях и конференциях по ускорителям заряженных частиц 11иРАС'2002, ЯиРАС'2006, Международных конференциях 1А8ТЕБ «Автоматизация, контроль и информационные технологии» (2005 г., 2010 г.), Российских и Международных конференциях по синхротронному излучению СИ-2000, СИ-2002, 511-2006, 811-2010, Всероссийской конференции «Диагностика высокотемпературной плазмы» (2003 г.), на семинарах в ИЯФ СО РАН.

Публикации

Список научных работ, представляющих основные результаты диссертации, включает 31 публикацию, из которых 12 - в реферируемых изданиях.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы. Объём диссертации составляет 231 страницу, содержащих 131 рисунок, 21 таблицу. Список цитируемой литературы содержит 170 работ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко перечисляются задачи, решаемые аналого-цифровой аппаратурой в автоматизированных системах управления и контроля физическими установками, обсуждается актуальность, формулируются цели диссертационной работы и приводятся положения, выносимые на защиту.

В первом разделе главы 1 аналого-цифровые преобразователи в автоматизированных системах управления и контроля установками ИЯФ СО РАН рассматриваются в историческом аспекте. Отмечено, что работы по использованию ЭВМ для целей управления начались в 1971 году. Первая система была полностью «управляющей», но вскоре в её состав был включен многоканальный АЦП (АЦП-300). Этот прибор может считаться первым аналого-цифровым преобразователем, разработанным и использованным в ИЯФ в системах управления и контроля от ЭВМ. Опыт его использования продемонстрировал, что несмотря на универсальность, один тип прибора не в состоянии решить все проблемы: необходимы устройства, ориентированные на конкретные задачи и соответствующие классы сигналов.

В результате достаточно быстро были выполнены две разработки: прецизионный интегрирующий вольтметр и быстродействующий АЦП на оригинальном для тех лет конвейерном принципе. Интегрирующий вольтметр положил начало серии прецизионных интегрирующих АЦП, а с быстродействующего АЦП, одним из авторов которого является диссертант, начались цифровые регистраторы формы сигналов.

В конце 1970-х годов была начата разработка нового поколения аппаратных средств, которое базировалось на стандарте КАМАК. В 1983 г. в Институте выпускались 44 типа КАМАК-модулей, из которых 15 - аналого-цифровые преобразователи различных типов. Разработанная и изготовленная в тот период аналого-цифровая аппаратура, базирующаяся на стандарте КАМАК, длительное время оставалась, а во многих случаях остаётся и сейчас основным средством измерений в системах автоматизации физических установок ИЯФ.

Стандарт VME, появление которого было инициировано работами по сверхпроводящим вигглерам, в настоящее время стал базовым при построении систем прецизионных магнитных измерений.

С 1990-х годов ИЯФ начал выполнять контракты по серийному, промышленному производству элементов физических установок, и развитие получили системы и аналого-цифровые устройства, предназначенные для использования в технологических производственных стендах. Для этой цели был разработан ряд специализированных устройств.

В последнее десятилетие в ИЯФ, как и во многих ускорительных центрах, стал широко применяться интерфейс, использующий шину CAN bus. Начиная с 2000 г., в Институте разработано большое количество встраиваемых аналого-цифровых устройств, использующих эту шину. Электроника с интерфейсом CAN bus активно используется для построения распределённых систем контроля и управления.

Наряду с распределёнными системами в ряде случаев востребованы современные компактные, функционально насыщенные магистрально-модульные системы, пришедшие в новых установках на смену КАМАК'у. Три года назад в ИЯФ для построения системы управления линейным

индукционным ускорителем стала разрабатываться и использоваться аппаратура в магистрально-модульном стандарте сотрас1РС1 (сРС1). В сРС1 широко используются мезонинные конструкции, позволяющие в относительно малом объёме разместить мощные высокопроизводительные системы.

Проводимые на физических установках исследования, как видно из приведённого выше ретроспективного обзора аналого-цифровой аппаратуры, обеспечиваются разнообразными средствами измерений. Номенклатура этих устройств, их функциональные возможности и необходимые характеристики определялись исходя из анализа решаемых задач и особенностей эксплуатации. Рассмотрение задач, решаемых аналого-цифровой аппаратурой в системах автоматизации различных физических установок, позволило сформулировать требования к разным классам аппаратуры. Этим вопросам посвящён второй раздел главы 1.

В начале раздела обсуждается измерительная аппаратура ускорительных комплексов. Электронное оборудование этих комплексов состоит из нескольких основных подсистем: мощного постоянного электропитания магнитов и линз, импульсных систем, мощных высокочастотных генераторов как непрерывных (в накопителях), так и импульсных (в линейных ускорителях, инжекторах), систем диагностики пучков, технологического оборудования.

Описаны требования к перечисленным подсистемам, включающие допустимые погрешности, амплитудные диапазоны сигналов, быстродействие и широкополосность, количество каналов, необходимость гальванической изоляции, помехозащищённость.

Далее в главе 1 рассматривается аппаратура, применяемая в исследованиях по физике плазмы. Автоматизация термоядерных исследований в проводимых ИЯФ работах с открытыми ловушками имеет ряд специфических особенностей по сравнению с проблемами автоматизации ускорительно-накопительных комплексов. Это связано с тем, что для данных исследований характерны высокоэнергетические, быстропротекающие, неповторяющиеся однократные процессы, что определяет характеристики аппаратуры.

Отмечено, что наиболее представленным на плазменных установках классом аналого-цифровой аппаратуры являются цифровые регистраторы формы сигналов. Отличаясь характеристиками, схемотехническими решениями, интерфейсами, все эти приборы используют один и тот же принцип построения: быстродействующий АЦП объединяется с буферной памятью достаточно большого объёма, в которой накапливаются результаты преобразования, т.е. цифровой эквивалент формы сигнала. В данном разделе сформулированы требования к этому классу аналого-цифровой аппаратуры.

Важным и необходимым направлением деятельности ИЯФ СО РАН в последние полтора десятилетия является выполнение контрактов по разработке и изготовлению в промышленных масштабах элементов экспериментальных установок и физического оборудования. Эта деятельность требует создания различных опытно-производственных установок и стендов, многие из которых оснащаются компьютеризированными системами контроля и управления. Более того, когда изделие начинает выпускаться, необходимо очень тщательно измерять характеристики и сертифицировать каждую единицу произведённой продукции, для чего создаются специфические, весьма сложные и точные автоматизированные средства измерений.

В диссертации приводится два примера таких работ. Первый касается опытно-производственного оборудования для термической обработки элементов и узлов физических установок. Отмечается, что наиболее ответственные задачи разработчика - тщательным образом привести и обработать низкоуровневые сигналы с территориально разнесённых термопар, применяемых в качестве датчиков, а также удовлетворить требованиям эксплуатационно-техническим, вытекающим из необходимости обеспечения надёжной эксплуатации, ремонтопригодности и т.п.

Другой пример использования аналого-цифровой аппаратуры при производстве элементов физических установок - это прецизионное измерение характеристик магнитных элементов. На практике применяется набор методик, позволяющих непосредственно измерять те или иные характеристики. Методики могут базироваться либо на эффекте Холла, либо на эффекте ядерного магнитного резонанса, либо на индукционном методе. Аппаратура для магнитных измерений должна обеспечивать точность на уровне от 5*10"4 до 1*10"6, работая с сигналами нано- и микровольтового уровня

В главе 2 рассматриваются известные типы аналого-цифровых устройств, анализируются особенности их архитектур с точки зрения применимости в системах автоматизации физических установок.

В первом разделе главы формулируется минимальный набор параметров, с помощью которого можно охарактеризовать аналого-цифровые устройства. Автору такой раздел представлялся полезным, т.к. лаконичный и понятный физикам набор параметров электроники даёт возможность проводить достаточно простую первичную оценку применимости того или иного устройства в реальных задачах. Рассмотрены хорошо известные специалистам по электронике параметры, применяемые в метрологической практике. При этом оценку и первичный анализ применимости того или иного прибора предлагается делать на основе достаточно ограниченного набора:

• архитектуры или типа АЦП;

• производительности;

• эффективной разрядности;

• ошибки нуля;

• ошибки масштаба в рабочем частотном диапазоне.

Разумеется, аналого-цифровые преобразователи имеют множество особенностей, отражаемых в более широком, чем предлагаемый, наборе характеристик. Всестороннее и точное описание конкретного устройства требует осознания заметно большего набора параметров. Тем не менее, предлагаемый подход для практических применений вполне эффективен и достаточен.

Далее, в последующих разделах, обсуждаются четыре типа аналого-цифровых преобразователей, кардинально отличающиеся по принципам преобразования и архитектурным решениям: АЦП на основе метода поразрядного уравновешивания, «считающие» АЦП, высокопроизводительные АЦП и SA-преобразователи.

Отмечается, что АПП поразрядного уравновешивания (раздел 2) в течение десятилетий остаются основным и наиболее используемым преобразовательным устройством среди всех типов АЦП. Ограничивать применение АЦП поразрядного уравновешивания следует лишь в случае измерения «зашумлённых» сигналов, где необходимы методы преобразования, основанные на интегрировании.

В интегрирующих преобразователях, которые корректнее называть «считающими» (раздел 3), выходной код получается в результате подсчёта импульсов, частота или количество которых определяются входным сигналом. Наиболее известным и распространённым представителем этого типа преобразователей является АЦП, использующий классический метод двухтактного интегрирования. Высокая точность преобразования в сочетании с эффективным подавлением помех способствуют широкому применению этих устройств в прецизионных системах питания электрофизических установок.

Кроме преимуществ при измерении постоянных и медленно меняющихся напряжений и токов, интегрирование входного сигнала в данном типе преобразователя позволяет использовать его для измерения постоянных магнитных полей с помощью перемещаемых катушек. И ещё одно распространённое применение интегрирующих АЦП - измерение импульсных магнитных полей с помощью индукционного метода.

К высокопроизводительным АЦП (раздел 4) с некоторой долей условности относят устройства, темп выдачи кода в которых превышает 10MSPS. Наиболее известным представителем этой группы является АЦП, образованный линейкой из параллельно включенных компараторов - так называемый параллельный АЦП (Flash ADC). Параллельные аналого-цифровые преобразователи стали фундаментом для двух современных

высокопроизводительных архитектур: конвейерных параллельно-последовательных схем (Pipeline ADCs), ориентированных на получение 1214-16 бит при производительности до 300MSPS, и схем с аналоговой свёрткой сигнала (Folding ADCs), нацеленных на сверхбыстродействие (более 1GSPS) при разрядности 6-8-10 бит.

Применение высокопроизводительных АЦП в системах контроля физических установок весьма разнообразно. Прежде всего, следует отметить аппаратуру для цифровой регистрации быстропротекающих процессов и множество базирующихся на таких регистраторах систем: диагностики пучков в ускорителях, параметров плазмы в термоядерных исследованиях, регистрации рентгеновских изображений, наблюдения аварийных процессов и т.п. В большинстве применений конвейеризация обработки, характерная для высокопроизводительных АЦП, и задержка выдачи отсчёта на несколько тактов непринципиальна. Но в тех случаях, когда необходима быстрая реакция системы на входной сигнал, целесообразно применять полностью параллельные, либо сверхбыстродействующие АЦП. В ускорительной технике таким примером могут служить "bunch-to-bunch" системы подавления неустойчивостей пучка. Такие системы используются на многих ускорительно-накопительных комплексах и источниках СИ.

Архитектура ХА-АЦП (раздел 5) в том виде, в котором она существует в настоящее время, сформировалась к 1970 г. Уникальное качество рассматриваемой архитектуры - достижение сверхвысокой разрядности, не применяя прецизионные компоненты, - привлекло к этим преобразователям внимание специалистов. Сейчас ЕД-АЦП развиваются наиболее динамично по сравнению с остальными преобразователями. Областью применения БД-АЦП могут быть системы, в которых требуются точное (с ошибкой меньше, чем 1/216 ) измерение сигналов в полосе от нуля до нескольких килогерц. В физических применениях, прежде всего это прецизионные системы питания различных элементов установок. Отметим также измерения с помощью датчиков Холла, требующие динамического диапазона 105 - 106. Такие задачи упоминалось в разделе 3, где отмечалось, что интегрирующие преобразователи во многих случаях вытесняются более современными ИД-АЦП. Особенности и возможности 2Д-АЦП объясняют причины этой замены.

В главе 3 описывается аппаратура для измерений мгновенных значений сигналов в импульсных системах. Заметная часть электрофизического оборудования экспериментальных установок работает в импульсном режиме. Преобладающим в общем объёме типом измерений в таких системах являются измерения, выполняемые в строго определённый момент времени, задаваемый рабочим циклом установки. Это могут быть ускоряющие напряжения или поля в магнитных элементах в момент пролёта пучка, напряжения на накопительных конденсаторных батареях импульсных генераторов и т.п.

Наиболее применимы два типа устройств этой направленности. Первый - это измерители значения сигнала в данный момент времени, а второй -измерители интеграла сигнала, «набранного» к данному моменту времени.

Структура измерителей первого типа проста: устройство выборки-хранения (УВХ) необходимого быстродействия и точности и подключенный к нему преобразователь напряжения в код (рис. 1). Входной сигнал подаётся на УВХ, запоминающее мгновенное значение сигнала, которое хранится неизменным до окончания преобразования в код. Сам процесс преобразования в код может быть достаточно медленным по сравнению с временем изменения входного сигнала.

Далее анализируются принципиальные моменты в работе УВХ, построенного по схеме с обратной связью. Этот анализ интересен и полезен в теоретическом плане. Главными задачами при построении УВХ с обратной связью является получение приемлемых динамических характеристик: точного отслеживания быстроменяющегося сигнала и малого времени выборки. Эти параметры определяются видом амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) схемы. Показано, что частота входного сигнала ошибка отслеживания дА и частота единичного усиления усилителя в тракте схемы связаны соотношением: Т7 < • ■ 8А ■

Это соотношение налагает требования на частоту Р\ усилителя, т.е. его АЧХ, если известно в какой полосе частот и с какой ошибкой должно работать УВХ.

Последующее изложение касается оптимизации схемотехнических решений. Описана предложенная автором схема, в которой второй каскад усилителя УВХ одновременно выполняет функции ключа (рис. 2). Это схемотехническое решение впервые использовано в четырёхканальном КАМАК-модуле ЗИИС-4, разработанном в 1980 г. и до сих пор эксплуатируемым на некоторых установках ИЯФ. Найденной приём является весьма удачным и неоднократно применялся в последующих разработках.

триггер

вход

данные

Рис.1. Структура измерителя мгновенных значений сигнала

ЛГ У

Trigger

Рис. 2. Схема, совмещающая во втором каскаде функции усилителя и ключа.

В модуле ЗИИС-4К, разработанном в 1996 г., использована микросхема AD7862, содержащая как АЦП, так и встроенное УВХ. Выполненный на более совершенной элементной базе, этот прибор по всем параметрам превосходит предыдущую разработку.

Во втором разделе главы рассматриваются интегрирующие измерители импульсных сигналов, широко применяемые на ускорительных комплексах для измерения магнитных полей в импульсных элементах в момент пролёта пучка. В качестве датчиков используются стационарные петли различных конструкций, размещаемые в магните, либо пояса, охватывающие шину с током. В ИЯФ основным средством измерения импульсных магнитных полей длительное время являлся КАМАК-модуль БИИП-4, разработанный в 1981 г. В его схеме для преобразования в код используется метод двухтактного интегрирования.

Созданная недавно аппаратура использует цифровой метод получения мгновенного значения интеграла. Обратимся к рисунку 3, поясняющему предложенный метод. До начала интегрирования ключ находится в положении "L". С началом фазы интегрирования ключ переводится в положение "Н" и сигнал через ключ поступает на RC-цепочку, играющую роль фильтра высоких частот.

При поступлении команды на измерение, быстродействующий ключ вновь переводится в .положение L, отсекая сигнал и предотвращая его дальнейшее поступление на RC-цепочку. Вольт-секундная площадь сформированного данным способом «отсечённого» сигнала и является требуемым интегралом, измеренным в соответствующих пределах по времени. Точность синхронизации определяется быстродействием ключа, а

остальная часть схемы, выполняющая вторичное интегрирование, работает с растянутым во времени, относительно низкочастотным сигналом и вследствие этого может быть сделана высокоточной. Причём, вторичное интегрирование разумно выполнять в цифровом виде, получая отсчёты с

Предлагаемое решение привлекательно тем, что даёт возможность существенно повысить точность интегрирования импульсных сигналов. Кроме того, оно обладает ещё целым рядом преимуществ системного характера.

В диссертации обсуждаются теоретические аспекты данной разработки. В частности, анализируется, чем определяется погрешность цифрового метода получения интеграла. На основе анализа формулируется и далее проверяется на модели предположение о связи параметров фильтров в сигнальном тракте и частоты выборок АЦП. Показано, что погрешность метода определяется степенью подавления фильтром частот, кратных частоте выборки АЦП.

] — рсЬ2 егтО 2V —о— pcb2 errl 2V j

Рис. 4. Зависимость абсолютной ошибки интегрирования от времени.

помощью высокоразрядного АЦП и суммируя их.

ч 1

LP Filter

ADCO

Рис. 3. Принцип построения быстродействующего, прецизионного интегратора.

В заключение главы описывается прибор У8БС2, построенный на основе цифрового метода получения интеграла, приводятся несколько наиболее принципиальных характеристик и методики их измерения. Интерес представляет абсолютная ошибка интегрировании, измеренная в вольт*секундах, график которой показан на рис. 4. Для импульса с амплитудой 1 В и длительностью 100 мкс, погрешность измерения составит

5-10~9/ =5-Ю-5, что в 50 меньше, чем при работе классического

/ЮО-НГ* интегратора.

Справедливо заметить, что погрешности, достигнутые в этом приборе, перекрывают требования к таким измерителям в реальной работе на установках. Тем не менее, потенциал предложенного метода делает привлекательным и перспективным продолжение работ по совершенствованию узлов нового прибора с целью применения его для импульсных измерений, требующих высокой точности.

Такие задачи возникли недавно в связи с проектированием новых накопителей-источников СИ, где к ряду импульсных магнитов предъявляются очень жёсткие требования по точности.

В главе 4 рассматриваются различные аспекты разработки цифровых регистраторов формы и в первую очередь - вопросы архитектуры и схемотехники аналого-цифровых преобразователей. Приборы для регистрации формы сигналов всегда были и остаются одним из наиболее востребованных классов измерительных устройств. Создание и широкое внедрение в практику физических исследований такой аппаратуры позволяет реализовать множество эффективных методик исследования процессов, достигая при этом гораздо большей точности получаемых данных.

Рис. 5. Способ построения цифрового регистратора формы сигналов.

Цифровой регистратор формы сигналов включает три элемента (рис. 5). Принцип его работы понятен из рисунка: высокопроизводительный АЦП через определённые промежутки времени выполняет преобразование текущих значений сигнала в цифровой код, оперативное запоминающее

устройство фиксирует поступающие отсчёты, а интерфейсный узел управляет работой АЦП и ОЗУ и связывает прибор с магистралью системы. Такая схема была реализована под руководством автора диссертации впервые в 1974 г. и использовалась на установке «ГОЛ-1».

Данная работа хотя и продемонстрировала перспективность выбранного направления, но вместе с тем выявила и недостатки этой простой архитектуры. Дело в том, что быстроменяющиеся условия физического эксперимента, особенно в термоядерных исследованиях, для которых в первую очередь разрабатывалась новая аппаратура, потребовали гораздо более широких диапазонов сигналов и по амплитудной и по временной шкале. Ещё одна проблема, проявившаяся на первых этапах создания цифровых регистраторов формы - необходимость обеспечения многорежимности устройства. Отмеченные недостатки были преодолены введением в схему дополнительных узлов: программно переключаемого масштабирующего усилителя, многодиапазонного генератора интервалов дискретизации и специального регистра, в котором было сконцентрировано управление всем прибором. На рис. 6, взятом из кандидатской диссертации автора, показана модифицированная схема прибора.

АЦП

ОЗУ

регистр ¿У генератор частот

---5

Запуск

схема запуска

р€ГК01р ь

л}—

Рис. 6. Схема первой версии функционально завершённого цифрового регистратора формы сигналов.

Таким образом, ориентация на физические исследования и учёт их специфики привели к важному принципу, которым автор руководствовался при разработке и всех последующих приборов: цифровой регистратор формы должен быть функционально законченным устройством, содержащим целый набор дополнительных узлов, существенно облегчающих его интегрирование в конкретную измерительную систему.

Далее в 4-й главе описываются два поколения приборов, разработанных под руководством автора. Аналого-цифровые

преобразователи первого поколения практически полностью были выполнены на дискретных компонентах и занимали полную печатную плату модуля КАМАК.

К 1982 г. отечественной промышленностью был освоен выпуск нескольких типов интегральных высокопроизводительных АЦП, а также микросхем памяти различного объёма и быстродействия. Эти обстоятельства инициировали разработку второго поколения аналого-цифровой аппаратуры для регистрации формы сигналов. Ряд оригинальных схем, разработанных для этого поколения приборов, описан в тексте. Одно из структурных решений, предложенных в те годы, касалось унификации цифровых регистраторов. Учитывая, что на одной установке могут использоваться различные модели приборов, весьма целесообразной представлялась стандартизация форматов регистров и унификация внутренней структуры приборов. Модули, поддерживающие стандартизованные форматы, вошли в так называемую «Серию-Б». Эта серия приборов позволила унифицировать и уменьшить объём необходимого программного обеспечения.

Конец 1980-х - начало 1990-х годов для полупроводниковой электроники были отмечены созданием новых технологий, качественно изменивших уровень аналого-цифровой схемотехники. Возможность заметно улучшить параметры многих классов аппаратуры и в том числе цифровых регистраторов формы сигналов, была очень привлекательна. Начиная с 1995 г., под руководством автора диссертации разработан ряд новых устройств, использующих современные компоненты: АБС-810ВХ, АБС-2200, АОС-ЗЗЗ, АБС-200, АБС-502, АЭС-200МЕ.

Отмечается, что при разработке современных приборов необходимо решить три основных задачи. Первая из них - тщательная проработка схемотехники многофункционального аналогового тракта с тем, чтобы «не испортить» характеристики применяемой микросхемы. Вторая задача, которую также необходимо решать предельно аккуратно: тактирование микросхемы АЦП. Для достижения хорошей эффективной разрядности в широкой сигнальной полосе необходимо добиться того, чтобы фазовый шум тактирующего сигнала (джиттер) стал менее 10 пикосекунд. И, наконец, важная задача - разводка печатной платы. Электрически правильно спроектированная схема не будет работать при неудачной топологии печатной платы, неправильном размещении элементов и плохой высокочастотной развязке шин питания.

Для демонстрации как особенностей технических решений, так и возможностей современных регистраторов формы сигналов описываются более детально два прибора из разработок последних лет: АБС-502, разработанный в 2005 г., и АОС-200МЕ, разработанный в 2009 г.

В завершение главы 4 приведена таблица 1, содержащая характеристики и объёмы выпуска разработанных приборов.

Таблица 1. Характеристики и объёмы выпуска разработанных приборов.

Модель Каналов Разряд -ность Производительность Объём ОЗУ (слов) Кол-во Год

АЦП-101 1 10 бит 1 МБРБ 4096 12 >Г) «л II И 1981

АЦП-8100 1 8 бит 8М8Р8 256 8

АЦП-101М 1 10 бит 1 МЭРБ 4096 20

АЦП-8500 1 8 бит 2 МБР8 4096 15

АЦП-101 Э 1 10 бит 1 МБР8 4096 100 «г» о\

АЦП-8508 1 8 бит 20 МБРБ 1024 15 о\ ГО о\

АЦП-1018К 4 мульт. 10 бит 1 МБРБ 4096 250 II и 1982-

АЦП-850 ЭК 4 мульт. 8 бит 20 МБРБ 1024 30

АБС-810 1 8 бит 100 МБРБ 8 к 25 «Г) о о\

АВС-810БХ 2 синхр. 8 бит 100 МБРБ 16 к 35 V© II Оч 1

АЕ>С-2200 4синхр. 10 бит 40 М8Р8 128 к 5 И С>\ 0\

АБС-200 2 синхр. 8 бит 200 М8РБ 256 к 40

АОС-ЗЗЗ 4 мульт. 12 бит 2М8Р8 64 к 60 = 185 о

АБС-502 2 синхр. 12 бит 60 М8Р8 128-к 15 о сч 1

АОС-200МЕ 2 синхр. 12 бит 200 М8Р8 2М 70 о о (Ч

АБС-812МЕ 8 синхр 12 бит 4 МЭР8 2М 15

Возможности разработанной аналого-цифровой аппаратуры, обсуждавшейся в главе 4, её производство в необходимых объёмах обусловили широкое применение этих устройств на плазменных установках, в системах автоматизации ускорительных комплексов, в работах с синхротронным излучением, в исследованиях криогенных устройств, мощных ВЧ-систем и систем питания.

В главе 5 рассматриваются методики применения цифровых регистраторов формы.

В первом разделе главы отмечены наиболее показательные из них. Организация систем с большим количеством как мультиплексированных, так и синхронных каналов - самый распространённый способ применения регистраторов формы. Типичными примерами могут служить диагностические системы в экспериментах по физике плазмы, где полное количество каналов на установке достигает ста и более.

Ещё один распространённый способ - использование регистрации с целью визуализации технологических сигналов - так называемый «пультовой осциллограф», на который по команде оператора могут быть выведены быстроменяющиеся сигналы от различных систем установки. Оперативный визуальный контроль позволяет сделать вывод о нормальном или неправильном функционировании систем, а возможность организации архивов - следить за эволюцией режимов и параметров элементов. Типичное число каналов - не более 4-6.

Большое количество одно- двухканальных версий приборов используется для преобразования сигналов в цифровую форму с целью последующей обработки этих данных, как, например, вычисление интегралов, спектров, дискриминирование по форме и т.п. Как правило, в этом случае цифровые регистраторы являются элементами специализированных, более сложных измерительных устройств и выполняют функцию универсального «оцифровщика» импульсных сигналов. Часто такие системы основаны на специфических свойствах цифровых регистраторов.

Ещё одним ярким примером являются так называемые «сторожевые системы», применяемые в мощных источниках питания, высоковольтных системах, ВЧ-генераторах, сверхпроводящих устройствах. В таких системах аппаратура непрерывно регистрирует необходимые сигналы и останавливает регистрацию при отклонениях от нормальной работы. Анализ предыстории зарегистрированных процессов помогает выявить источник неприятностей. Число каналов в подобных системах может варьироваться от единиц до нескольких сотен.

В последующих разделах 5-й главы приводятся конкретные примеры реализации отмеченных методик.

Особенности применения многоканальной регистрации, рассматриваемые в разделе 2, демонстрирует система детального мониторинга линейного индукционного ускорителя рентгенографического комплекса. Задача системы - получение максимально подробной информации о функционировании элементов ЛИУ, работа которого, учитывая особенности применения этого ускорителя, должна быть особенно надёжна. Наиболее информативными данными, дающими обобщённую характеристику работы большинства элементов установки, являются точные осциллограммы токов и напряжений индукторов, образующих ускорительную структуру. Для получения этих данных необходимо изготовить 200-канальную систему регистрации формы сигналов.

В специализированных системах (раздел 3) методика измерения разрабатывается «под цифровой регистратор» и базируется на его возможностях. В таких системах интерес представляют не осциллограммы, а информация, полученная в результате цифровой обработки зарегистрированных сигналов.

СиШЕНГ

^Г I I I I-

НОИ * 5 * ) о у N <

1 -Г Г ГП^

VI* ШМт Т1СМ. гуу^лс

1 ?Ч4

Рис. 7. Картина тока и положения пучка при захвате в синхротронный режим.

Это демонстрируется на примере трёх систем: измерения динамики нейтронного излучения в экспериментах на установке ГОЛ-3, пооборотной диагностики тока и положения пучка (рис. 7) и «интеллектуальном мониторе» пучка в циклических ускорителях.

В качестве «сторожевой» (раздел 4) описывается система регистрации срывов в многополюсных сверхпроводящих вигглерах. Методика регистрации непредсказуемых по времени возникновения процессов базируется на возможности созданных приборов работать в так называемом режиме «Самописец». Суть этого режима состоит в том, что запись в память происходит длительное время без остановки, циклическим образом: после записи данных в последнюю ячейку перезаписывается первая, вторая и так далее. Процесс обновления организованного таким образом кольцевого буфера продолжается до возникновения события, останавливающего регистрацию. В результате, в памяти после остановки будут храниться данные, предшествующие этому событию, и данные, описывающие само событие. Впервые такой режим был предложен автором диссертации в 1977 г. при создании автоматизированного управления и контроля установкой «Гирокон».

Система регистрации срывов сверхпроводимости была разработана и изготовлена в 2001 г. когда в институте впервые проектировался вигтлер с 49-ю полюсами и полем 3.6 Т для накопителя Е1ейга в Италии. Для реализации описанной методики были использованы три комплекта АОС-ЗЗЗ + МиХ4*(16^1), регистрирующие сигналы на 192 катушках полюсов вигглера. Модули АЕ>С-333 работали в режиме «Самописец», перезаписывая данные до возникновения срыва.

Приведёнными примерами далеко не исчерпываются задачи, решаемые с помощью цифровых регистраторов формы импульсных сигналов. Те несколько систем, что описаны в Главе 5, по мнению автора наиболее наглядно демонстрируют уникальные возможности этих многофункциональных устройств.

В главе 6 рассматривается созданная в последние годы аппаратура для преобразования сигналов нано- и микровольтового диапазона. Такая аппаратура широко востребована в прецизионных системах магнитных измерений, использующих как датчики Холла, так и разнообразные индукционные датчики: катушки, петли, струны и т.п.

Хорошо известны три метода, широко применяемые в практике магнитных измерений: метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР), индукционный метод и использование датчиков Холла. Как достоинства, так и недостатки методов приводят к естественному выводу о разумности их комплексного использования, когда в результате взаимодополнения достигается необходимое качество измерений. Отсюда возникает потребность в унификации аппаратуры магнитных измерений, что даёт возможность комбинировать методики и объединять электронные устройства, создавая комплексные системы различного назначения. Комплект такой унифицированной аппаратуры и методики её применения создавались под руководством автора диссертации.

Первый раздел главы 6 посвящён аппаратуре для измерения постоянных магнитных полей с помощью перемещаемых катушек. Описываются два устройства: интегратор с цифровым выходом и малошумящий усилитель с низким дрейфом. Интегратор с цифровым выходом (VsDC - Volt-Second-to-Digital Converter) изначально проектировался как устройство для применения в стендах с вращающимися катушками, измеряющими мультиполя и положение осей в магнитных линзах. Совокупность требований определила выбор способа преобразования и структуру прибора: двухтактное интегрирование, разрядность 16 бит, встроенный усилитель сигналов с катушек, наличие выходов с этого усилителя и интегратора. Для синхронизации с механическими перемещениями прибор должен быть оснащён развитой старт-стопной логикой.

В тексте главы описываются некоторые детали схемотехники VsDC, методика его тестирования, приводится таблица с параметрами (Табл . 2)..

Как показал сравнительный анализ, разработанный интегратор по совокупности метрологических характеристик, при значительно меньшей стоимости, не уступает прибору PDI 5025, хорошо известному и широко применяемому в зарубежных физических лабораториях для подобных измерений.

Очень часто при работе с подвижной катушкой используют расположенный вблизи неё внешний предварительный усилитель, что позволяет уменьшить наводки на трассу транспортировки сигналов.

Очевидно, что этот усилитель определяет термостабильность и шумовые характеристики всей системы. В главе 6 рассмотрены принципиальные аспекты применения такого усилителя и способ его построения.

Таблица 2. Параметры интегратора с цифровым выходом..

Время интегрирования от 0,02 до Юс

Время преобразования не более 100 мс

Разрядность 15 бит + знак

Рабочее входное напряжение <1В

Диапазоны входных сигналов (мВс): ±10, ±20, ±50, ±100

Разрешающая способность 0,3 ЦУб, 0,6ЦУБ, 1,5^, ЗцУв

Среднеквадратичный шум при ^ - 1с <1Ь8В

Температурный дрейф нуля < 1ЬБВ (20-50°С)

Нелинейность < 1.5Ц5В)

В настоящее время выпускается большое количество прецизионных операционных усилителей. Но вследствие схемотехнических и технологических ограничений усилители обладают либо малыми температурными дрейфами, но достаточно большой величиной собственного шума (например, ЬТС2051: шум в полосе 10 Гц - 2мкВ р-р, дрейф -30 нВ/°С), либо наоборот, являются малошумящими, но с большим температурным дрейфом (например, 1ЛТ128: шум в полосе 10 Гц - 35 нВ р-р, дрейф - 1 мкВ/°С). Однако возможно объединить два вида усилителей таким образом, чтобы усилитель с малым температурным дрейфом (ЦГС2051) компенсировал смещение малошумящего усилителя (1ЛТ128), не внося при этом дополнительных шумов.

Таблица 3: Основные параметры усилителя.

Коэффициент усиления К 20,8

Полоса усиления (по уровню -3 ¿В) Б=40 Нг

Температурный дрейф 40 пУ/°С

Среднеквадратичный шум в полосе 40 Нг 35 пУ

Характерные времена температурных уходов при правильной термоизоляции измеряются десятками секунд, и если ограничить полосу ЦГС2051 десятыми долями герца, можно снизить величину вносимых им шумов до уровня шумов ЬТ1128. Именно такой, «комбинированный» усилитель был разработан для систем с перемещаемыми катушками. Его параметры приведены в таблице 3.

Далее описана методика измерения продольного распределения 1-го интеграла поля в многополюсных вигглерах - показательном примере, в

котором от электронных устройств, входящих в измерительную систему потребовалось достижение предельных параметров.

Во втором разделе 6-й главы рассмотрена созданная несколько лет назад аппаратура для измерения карт магнитных полей с помощью датчиков Холла. Структура Холловской системы в общем виде представлена на рисунке В.

RS-232

О*]' sL

SIGNAL CABLES

I^>NMR PROBE

VME СRATE

OPERATOR

HS sowas.

о о

о s

1:0:

MAGNET POWER SUPPLY

Рис. 8. Структура Холловской системы с унифицированной электроникой в стандарте УМЕ.

В крейте устанавливаются: контроллер В1УМЕ-1, интерфейс УМЕ^ЯБ-232. интерфейс УМЕ<->САК, и три специализированных модуля: аналоговый интерфейс датчиков Холла (УМЕШ1), прецизионный АЦП (УМЕАГ>С16), стабилизатор температуры датчиков (УМЕНТБ). Для установки этой аппаратуры необходимо 7 мест в стандартном 6ЕГ-крейте. Унификация устройств позволяет при необходимости дополнить систему модулями ЯМР-магнитометра, предоставляя возможность оперативной калибровки датчиков Холла. В этом случае необходимо 11 мест.

Далее приведены технические детали и особенности электроники системы, а также параметры аналогового интерфейса датчиков Холла УМЕШЕ определяющего точностные характеристики всего измерительного тракта (табл. 4).

В третьем разделе главы 6 рассмотрена быстродействующая система с двухкоординатными датчиками Холла, ориентированная на измерение многополюсных магнитных элементов. Отмечается, что при измерении магнитных элементов с малым периодом поля (несколько сантиметров), заметную погрешность вносит метод измерения координат датчиков.

Потребности в быстродействующей системе с точным измерением координат возникли сравнительно недавно в связи с заметным увеличением работ по изготовлению в институте тёплых многополюсных магнитных элементов.

Таблица 4. Параметры модуля УМЕШ1.

Количество каналов 32 дифференциальных

Входной диапазон ±250 мВ

Диапазон синфазного сигнала до ±12 В

Коэффициент усиления предусилителя 40,000 -г- 40,002

Дрейф коэффициента усиления ±1 ррш/С°

Шум приведённый к входу 2 мкВ р-р

Дрейф смещения нуля ±30 нВ/С°

Рабочий ток датчиков 99,99б±0,001мА

Дрейф тока ±2 ррт/С°

Габариты 2 М УМЕ

Описана структурная схема и параметры электроники экспериментальной версии системы (табл. 5).

Таблица 5. Параметры электронных устройств системы измерения многополюсных элементов.

Каналов измерения напряжения 2 синхронных

Диапазоны входных сигналов (ручное переключение) ±0,4 В (1Тл); ±1В (2,5 Тл)

Разрядность преобразователя 18 бит

Уровень шумов 35 мкВ р-р, (±0,4 Гс)

Стабильность нуля (при регулярной калибровке) 0,4 мкВ/°С

Стабильность масштаба (при регулярной калибровке) 3*10"6 1/°С

Время измерения/точку 10 мкс

Дискретность измерения расстояния 80 нм

Несинхронность измерения поля и координаты <20мкс

Шестую главу завершает пример комплексного использования аппаратуры: система для юстировки вигглеров-затухателей, изготовленных в ИЯФ для модернизации накопителя РЕТИА-Ш в Гамбурге ("раздел 4). Унификация аппаратуры позволила реализовать все необходимые методики магнитных измерений и провести качественную юстировку вигглеров-затухателей.

Подводя итог работам, рассмотренным в главе 6, можно сказать, что хорошие метрологические характеристики аппаратуры позволяют успешно использовать её для исследования широкого спектра параметров магнитных элементов. Унификация и компактность устройств даёт возможность

создавать многоцелевые стенды как в стационарном исполнении, так и в мобильном варианте.

В главе 7 описана аналого-цифровая аппаратура для автоматизации технологических производственных стендов. Институт ядерной физики разрабатывает и изготавливает большое количество разнообразного физического оборудования как для собственных установок, так и по контрактам с ведущими научными лабораториями. Одной из технологий, широко применяемых при производстве элементов экспериментальных установок, является специальная температурная обработка этих элементов. Такой обработке подвергаются дипольные магниты и сегменты магнитных линз из склеиваемого шихтованного железа, сверхпроводящие катушки из ниобий-олова, аэрогель для Черенковских детекторов, разнообразные обмотки с полимеризуемой изоляцией, детали при высокотемпературной вакуумной пайке и т.п.

Под руководством и при непосредственном участии автора диссертации для Экспериментального Производства и лабораторий ИЯФ создано более десятка автоматизированных систем управления технологическими установками температурной обработки.

В первом разделе рассматриваются технологические установки, размещённые на небольшой площади и в одном помещении. Для их автоматизированного управления хорошо подходят многофункциональные платы, выполненные в конструктиве IBM PC и устанавливаемые на системную магистраль компьютера. Многофункциональные платы содержат устройства аналогового и цифрового ввода-вывода и могут быть «подстыкованы» к управляемым напряжением тиристорным регуляторам, узлам релейной автоматики, мощным контакторам и т.п.

Во втором разделе главы 7 описаны крупные производственные установки. Автоматизированное управление ими требует разработки распределённых систем, что позволяет рассредоточить электронные устройства по всей площади установки, объединив их последовательной линией связи и резко сократив объём проводных соединений. Задача создания распределённых систем автоматизации крупных промышленных установок возникла в связи с выполнением институтом контракта «Разработка и создание сверхпроводящих коммутационных шин для магнитной системы основного кольца коллайдера LHC в ЦЕРН'е». В соответствии с контрактом необходимо было изготовить в течение нескольких лет более 10000 шин 43 разновидностей с размерами до 16 метров.

В главе 7 показано, как построены распределённые системы управления установками по температурной обработке сверхпроводящих шин. Базовыми элементами аппаратных средств являются модули управления, объединяемые в системы с различными конфигурациями при помощи последовательных линий связи. Системы включают в состав до нескольких десятков модулей

управления, разнесённых территориально на 30-40м. Описаны основные технические решения модулей управления, а также рассмотрены вопросы безаварийного функционирования оборудования.

В заключении формулируются научные результаты работы, состоящие в следующем:

1. Проведён анализ требований к измерительной аппаратуре на физических установках ИЯФ, позволивший предложить и разработать набор аналого-цифровых устройств, решающих широкий спектр задач в системах автоматизации научных исследований.

2. Рассмотрены известные архитектуры аналого-цифровых преобразователей с позиций их применимости в автоматизированных системах управления физическими установками. Сформулированы рекомендации по выбору аналого-цифровых устройств, адекватных конкретным физическим задачам.

3. Проведён теоретический анализ и практические исследования структурных и схемотехнических решений аналого-цифровой аппаратуры, найдены оригинальные решения, направленные на повышение быстродействия, точности, чувствительности, помехоустойчивости.

4. Предложена схема построения цифровых регистраторов формы сигналов, отличающаяся функциональной завершённостью. Сформулированы принципы построения этого класса приборов. На основе предложенной схемы разработано несколько поколений цифровых регистраторов формы сигналов. Многие из этих приборов имели рекордные характеристики. Впервые создана специальная аппаратура, методики измерения параметров и настройки быстродействующих регистраторов формы импульсных сигналов.

5. Исследованы проблемы синхронизации цифровых регистраторов с процессами физических установок. Разработаны методы синхронизации и предложена схемотехника таймирующих узлов современных высокопроизводительных АЦП, позволивших легко интегрировать приборы на их основе в системы с разнообразными временными диаграммами.

6. Создан ряд оригинальных методик исследования быстропротекающих процессов, существенно повысивших качество и эффективность научных исследований. В 1977 г. впервые в отечественной практике предложена и реализована уникальная методика цифровой регистрации процессов, непредсказуемых по времени возникновения: аварий в мощных системах питания и ВЧ-системах, срывов сверхпроводимости, высоковольтных пробоев и

т.п. Метод диагностики пучков заряженных частиц, базирующийся на цифровой регистрации и обработке данных в ЭВМ, в СССР был реализован впервые.

7. Предложены и исследованы новые принципы построения интегрирующих измерителей импульсных сигналов. Эти принципы положены в основу современного поколения точной, многофункциональной электроники для измерений импульсных магнитных полей. Найдены оригинальные схемотехнические решения, позволившие создать беспрецедентные по точности и быстродействию приборы.

8. Создан набор унифицированной аппаратуры для прецизионных измерений постоянных магнитных полей, позволяющий не только проводить их на новом, более совершенном научно-техническом уровне, но и стандартизовать методики, оборудование измерительных стендов и программное обеспечение.

9. Разработаны структурные и схемные решения электроники для технологических установок, позволившие создать надёжно работающее, автоматизированное производственное оборудование, обеспечивающее серийное производство в круглосуточном режиме работы.

Основные результаты опубликованы в следующих работах:

1. А.М.Батраков, В.Р.Козак. АЦП для цифровой регистрации однократных импульсных сигналов. // Автометрия №4, 1978, с.59-63.

2. Аульченко В.М., Батраков А.М., Козак В.Р. и др. Система автоматизации эксперимента на термоядерной установке ГОЛ-1: В сб.: Автоматизация научных исследований на основе применения ЭВМ. Тезисы докладов Всесоюзной конференции. Новосибирск, 1979, с.37-39.

3. А.М.Батраков, В.Р.Козак, В.И.Нифонтов. Регистратор однократных импульсных сигналов АЦП-101: Препринт ИЯФ 79-36. Новосибирск, 1979.

4. А.М.Батраков, В.Р.Козак, В.И.Нифонтов. Регистратор однократных импульсных сигналов АЦП-8100: Препринт ИЯФ 79-40. Новосибирск, 1979.

5. А.М.Батраков, А.С.Калинин, И.Я.Протопопов, А.Д.Хильченко. Диагностика впускаемого и циркулирующего пучков с помощью пикап -электродов в накопителе ВЭПП-4. // Труды VII Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. Дубна, 3-5 октября 1979 г., Дубна: ОИЯИ, т.2, с.136-140.

6. Батраков A.M., Каргальцев В.В., Козак В.Р., Купер Э.А. Модули для измерения импульсных параметров: В кн.: Автоматизация научных исследований на основе применения ЭВМ. Тезисы докладов Всесоюзной конференции. Новосибирск. 1981. с.37-39. Н.: 1981.

7. А.М.Батраков, В.Р.Козак. Регистраторы формы импульсных сигналов серии «S». АЦП-8508: Препринт ИЯФ 85-10. Новосибирск, 1985.

8. А.М.Батраков, В.Р.Козак. Регистраторы формы импульсных сигналов серии «S». АЦП-IOIS: Препринт ИЯФ 85-9. Новосибирск, 1985.

9. А.М.Батраков, В.Р.Козак. Регистраторы формы импульсных сигналов серии «S». АЦП-IOISK, АЦП-8508К: Препринт ИЯФ 88-98. Новосибирск, 1988.

10. А.М.Батраков, В.Р.Козак, ЭЛ.Купер, А.В.Нифонтов. Принципы построения и метрологическое обеспечение цифровых регистраторов формы импульсных сигналов. // Автометрия, 1986 г., №4, с.50-63.

И. A.M.Batrakov, E.A.Kuper, A.P.Lysenko et al. Geometric resolution of a linear CCD as an X-ray detector. // NIM A, v.261 (1987), pp.246-248.

12. А.М.Батраков, М.Э.Кругляков, Э.А.Купер и др. Цифровая регистрация однократных быстропротекающих процессов на ускорительно-накопительных комплексах. // Труды XII Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. Москва, 3-5 октября 1990 г., т.1, с. 107-109.

13. A.Batrakov, T.Bolshakov, E.Levichev et al. Beam Position Monitor with the Digital Signal Processing. // Proc. of EPAC 96, Sitges (Barcelona), 10-14 June 1996. Vol.2, p.1579-1581.

14. J.Rothman, R.Michta...A.Batrakov, et al. Self Triggered, Single Turn Beam Position Monitor for Electron Storage Rings. // Proc. of PAC-99, New York, 1999, p.2081-2083.

15. A.N.Aleshaev, A.M.Batrakov, M.G.Fedotov, et al. Methods of research of the detonation and shock wave processes with the help of SR. Possibilities and prospects. // NIM A, 2001, v.470, p.240-244.

16. А.М.Батраков, Б.Р.Карымов, В.Я.Сазанский. Новые модели цифровых регистраторов формы сигналов. // XIII Конференция по ускорителям заряженных частиц. RuPAC-2002, г.Обнинск, 2002.

17. A.Batrakov, B.Karymov, et al. Modern signal shape digitizer at Budker INP. // Proc. of the Second LASTED International conference "Automation, Control and Information technology", June 20-24,2005, Novosibirsk, p.79-82.

18. E.I.Antokhin, A.M.Batrakov, I.N.Churkin et al. Multipoles of the SLS Storage Ring: Manufactoring and Magnetic Measurements. // IEEE Trans, on Applied Superconductivity, March 2002, v.12, Nol, pp.51-54.

19. A.M. Батраков, Б.Р.Карымов, Д.С. Шичков. Автоматизация технологического оборудования для термической обработки узлов физических установок: Препринт ИЯФ 2003-55. Новосибирск, 2003.

20. A.Batrakov, l.Churkin, O.Kiselev, et al. Bending magnets for the SAGA Storage Ring. NIM A v.543 (2005), p.47.

21. A.B.Аржанников, А.М.Батраков, А.В.Бурдаков и др. Экспериментальное исследование динамики нейтронной эмиссии в многопробочной ловушке ГОЛ-3. // Физика плазмы, том 32, №2,2006, с. 113-121.

22. l.Churkin, A.Batrakov, O.Chubar, et al. Elliptical undulator HU256 for Synchrotron SOLEIL: magnetic design, computation and measurements. // IEEE Trans, on Applied Superconductivity, v.16, Issue 2, June 2006, p.l852.

23. A.M.Batrakov, A.N.Dubrovin, I.V.Ilyin et al. Prototype of the permanent magnet wiggler for accelerator Petra III. // NIM A, 2007, v.575, pp.46-49.

24. Batrakov, S. Zverev, I. Ilyin, et al. The new VME - based system for magnetic measurements with Hall sensors: Preprint Budker INP 2007-32. Novosibirsk, 2007.

25. А.М.Батраков, П.Д.Воблый, А.Г.Стешов, И.Н.Чуркин. Измерение магнитных параметров мультиполей специализированного источника синхротронного излучения MLS. // Приборы и техника эксперимента, №1,2008, с.131-135.

26. А.М.Батраков, П.В.Вагин, П.Д.Воблый и др. Аппаратура для прецизионного измерения постоянных магнитных полей с помощью перемещаемых катушек: Препринт ИЯФ 2008-26. Новосибирск, 2008.

27. М. Tischer, К. Balewski, A. Batrakov et al. Damping Wigglers at the Petra-III Light Source. // Proc. of EPAC-2008, Genoa, Italy, 2008.

28. А.М.Батраков, П.Д.Воблый, Г.А.Фатькин. Прототип быстродействующей системы с датчиками Холла для измерений многополюсных магнитных элементов: Препринт ИЯФ 2009-24. Новосибирск, 2009.

29. А.Батраков, П.Логачёв, А.Павленко и др. Система автоматизации линейного индукционного ускорителя рентгенографического комплекса. // Вестник НГУ. Серия: Физика. 2010. Том 5. Вып.З. с.98-105.

30. A.Batrakov, G.Fatkin, I.Ilyin et al. The Structure and Hardware of the Control System for Power Linear Accelerator. // Proc. of the IASTED International conference "Automation, Control and Information technology (ACIT 2010)", June 15-18, 2010, Novosibirsk, Russia, p.164-167.

31. ПЛ.Бак, А.М.Батраков, Р.А.Кадыров и др. Система управления линейным индукционным ускорителем рентгенографического комплекса: структура, аппаратные средства, результаты опытной эксплуатации. // Автометрия, №3, 2011 г. стр. 120-131.

БАТРАКОВ Александр Матвеевич

Аналого-цифровая аппаратура автоматизированных систем контроля и управления экспериментальными физическими установками

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Сдано в набор 16.06 2011 г. Подписано в печать 20.06.2011 г. Формат 60x90 1/16 Объем 1.8 печ.л.,1.5 уч.-изд.л.

_Тираж 100 экз. Бесплатно. Заказ № 18_

Обработано на РС и отпечатано на ротапринте «ИЯФ им. Г.И. Будкера» СО РАН, Новосибирск, 630090, пр. Академика Лаврентьева, 11

Содержание диссертации автор исследовательской работы: доктора технических наук, Батраков, Александр Матвеевич

Введение.

Глава 1. Аналого-цифровая аппаратура в системах контроля и управления физическими установками ИЯФ СО РАН: обзор задач и анализ требований.

1.1. Аналого-цифровая аппаратура в автоматизированных системах контроля и управления установками ИЯФ СО РАН. Краткая история.

1.2. Обзор задач, решаемых аналого-цифровой аппаратурой в системах автоматизации физических установок, и предъявляемые к ней требования.

1.2.1. Аналого-цифровая аппаратура на ускорительных комплексах.

1.2.2. Исследования по физике плазмы.

1.2.3. Производство и измерения элементов физических установок.

Глава 2. Типы аналого-цифровых преобразователей: характеристики и применимость в системах автоматизации физических установок.

2.1. Характеристики аналого-цифровых преобразователей.

2.2. АЦП на основе метода последовательного приближения.

2.3. «Считающие» АЦП.

2.4. Высокопроизводительные аналого-цифровые преобразователи.

2.5. ЕА-АЦП.

Глава 3. Аппаратура для измерения мгновенных значений сигналов в импульсных системах установок.

3.1. Измерители мгновенных значений сигналов.

3.2. Интегрирующие измерители импульсных сигналов.

Глава 4. Высокопроизводительные АЦП и цифровые регистраторы формы сигналов.

4.1. Принципы построения аппаратуры для цифровой регистрации формы сигналов.

4.2. История развития и модели цифровых регистраторов с по 1990гг.

4.3. Современные цифровые регистраторы формы сигналов.

Глава 5. Системы регистрации формы сигналов.

5.1. Задачи, решаемые системами регистрации.

5.2. Многоканальные системы.

5.3. Специализированные системы на базе цифровых регистраторов.

5.4. Системы регистрации аварийных процессов.

Глава 6. Унифицированная аппаратура прецизионных систем измерения постоянных магнитных полей.

6.1. Аппаратура для измерения постоянных магнитных полей с помощью перемещаемых катушек.

6.1.1. Интеграторы с цифровым выходом.

6.1.2. Малошумящие усилители с низким дрейфом.

6.1.3. Примеры систем с перемещаемыми катушками.

6.2. Аппаратура измерения карт полей с помощью датчиков Холла.

6.3. Быстродействующие системы с датчиками Холла для измерения многополюсных магнитных элементов.

6.3.1. Структура быстродействующих систем.

6.3.2. Электроника быстродействующих систем.

6.4. Пример комплексного использования аппаратуры.

Глава 7. Многофункциональные аналого-цифровые устройства и системы для автоматизации технологических производственных установок.

7.1. Аналого-цифровые устройства и системы для локальных технологических стендов.

7.2. Оборудование и распределённые системы для автоматизации крупных технологических производственных установок.

Введение диссертация по физике, на тему "Аналого-цифровая аппаратура автоматизированных систем контроля и управления экспериментальными физическими установками"

Этот комплекс устройств называется аналого-цифровой аппаратурой и включает в себя как собственно аналого-цифровые преобразователи (АЦП)^ так и широкий набор аналоговых и цифровых узлов, выполняющих различную предварительную обработку и нормировку сигналов, накапливающих и передающих полученные данные. Такие характеристики аналого-цифровой аппаратуры как точность измерения, разрешающая способность, быстродействие, широкополосность, стабильность, зачастую определяют принципиальную возможность качественной работы не только системы управления, но и физической установки в целом. Во многих случаях результаты фундаментальных исследований и справедливость различных теорий определяется достоверностью измерений, выполняемых в современных экспериментах с помощью аналого-цифровой аппаратуры.

Большинство систем автоматизации физических установок содержат, как правило, разнообразные аналого-цифровые устройства, решающие задачи в соответствии со своими характеристиками [1]. Весьма показательными в этом плане являются системы управления ускорительно-накопительными комплексами, содержащие аппаратуру, использующую различные принципы преобразования, структурные и схемотехнические решения [2].

В первую очередь это преобразователи, в большинстве своём высокоточные, измеряющие медленно меняющиеся напряжения и токи в системах питания магнитов основного поля и элементов коррекции. Далее следует отметить АЦП, работающие с быстроменяющимися сигналами в импульсных системах ускорителей: инжекторах, системах впуска-выпуска, каналах транспортировки и т.п. Разнообразные диагностические, контрольно-измерительные и «сторожевые» системы построены на базе ещё одного класса преобразовательных устройств - цифровых регистраторов формы сигналов. Заметную часть в аналого-цифровой аппаратуре больших ускорительно-накопительных комплексов составляют различные коммутаторы сигналов, с помощью которых строятся многоканальные системы. К аналого-цифровой аппаратуре можно отнести и такие специализированные устройства, как измерители равновесной орбиты, вакуума, температуры, уровней радиации и т.п.

В ИЯФ СО РАН системы автоматизации ускорительных комплексов исторически возникли как «управляющие», и аналого-цифровые устройства вводились в их состав, т.е. подключались к ЭВМ, на более поздних этапах [3]. В отличие от этого, системы автоматизации термоядерных установок Института изначально возникли как «измерительные», т.е. аналого-цифровые преобразователи с самого начала являлись основными элементами при построении систем. Известные недостатки широко распространённых на плазменных установках в 1970-80-х годах систем с фоторегистраторами, как базового средства измерений, делают понятным, почему работы по автоматизации этих установок в первую очередь были направлены на создание регистрирующей аналого-цифровой аппаратуры [4].

Важным и необходимым направлением деятельности ИЯФ СО РАН в последние полтора десятилетия является разработка и изготовление по контрактам различного физического оборудования и элементов экспериментальных установок: магнитов, линз, вигглеров, ондуляторов, вакуумных элементов, то-ковводов, сверхпроводящих шин и т.п. Институт стал одним из мировых лидеров в разработке и производстве элементов, систем и даже целых физических установок. Разумеется, что для такой деятельности необходимы различные специфические технологии и опытно-производственные установки, реализующие эти технологии.

Решение задач по автоматизированному управлению многими технологическими производственными установками требует создания набора специализированных аналого-цифровых устройств и построенных с их использованием соответствующих систем. Несмотря на то, что метрологические параметры производственного оборудования далеки от уникальных, его эксплуатационные характеристики должны отвечать самым требовательным запросам.

Есть и ещё один аспект масштабного производства физического оборудования: как правило, проектировщики физических установок хотят знать характеристики изготавливаемых элементов с высокой точностью, что даёт им уверенность в работе и облегчает быстрый запуск оборудования. В этой связи в большинстве работ высококачественное измерение различных характеристик изделий является типовым требованием. Для удовлетворения этого требования необходимо разрабатывать весьма сложные и чаще всего прецизионные аналого-цифровые системы.

Создание любого физического комплекса начинается с исследований, выполняемых на относительно небольших экспериментальных стендах, на которых изучаются и проверяются элементы этого комплекса. Автоматизация таких работ выполняется с помощью локальных, «настольных» систем автоматизации. «Настольные» системы автоматизации должны решать небольшие по объёму, но достаточно разноплановые задачи: измерение как «быстрых», так и медленных» токов и напряжений, сбор двоичных состояний, измерение интервалов времени, выработка управляющих сигналов и т.п. Элементная база электроники последних десятилетий открывает широкие возможности при создании подобных многофункциональных устройств и «настольных» систем. В ряде случаев очень привлекательным представляется размещение всех элементов системы на одной электронной плате, устанавливаемой на шину управляющего компьютера или подключаемого к одному из стандартных портов. При наличии небольшой номенклатуры таких плат удаётся достаточно быстро создавать «настольные» системы различного назначения. Подобное оборудование широко представлено на рынке.

В последние годы появление заметного количества коммерческих предложений коснулось не только подключаемых к шине компьютера многофункциональных плат, но и аналого-цифровой аппаратуры, выполненной в таких магистрально-модульных стандартах, как VME, Compact PCI, PCIexpress и т.п., весьма популярных в зарубежных системах автоматизации научных исследований. В России существует ряд фирм, поставляющих универсальные аналого-цифровые модули известных приборостроительных фирм, выполненные в этих стандартах. В такой ситуации всегда приходится делать выбор, что же более разумно: покупать аппаратуру, заказывать её в специализированных фирмах или разрабатывать самостоятельно.

Обсуждение этих вопросов весьма проблематично и ответы на них неоднозначны. Заметим лишь, что для ИЯФ специфика задач, исторически сложившийся приборный парк, необходимые объёмы аппаратуры и финансовые затраты в настоящее время делают малореальным широкое использование покупной универсальной аппаратуры в системах автоматизации существующих и строящихся физических комплексов.

Важен и ещё один аспект данного вопроса: грамотно спроектировать и быстро ввести в действие автоматизированную систему на базе покупной аппаратуры может лишь тот специалист, который добросовестно изучил аппаратные средства автоматизации, а ещё лучше - прошёл школу их самостоятельной разработки. Прежде всего, это касается аналого-цифровых элементов системы, требующих от разработчиков хорошего понимания особенностей первичных преобразователей, способов помехозащищённой транспортировки сигналов, принципов построения АЦП, источников нестабильной работы и прочих подобных вопросов. Разумеется, существует много простых систем с малым быстродействием, невысокой точностью и ограниченным количеством каналов. Такие системы вполне могут строиться на основе «Руководств по применению.» и рекомендаций производителя. Но даже и в них почти всегда находятся элементы, требующие глубокого понимания и профессионального подхода.

Приведённое выше краткое перечисление задач, решаемых с помощью аналого-цифровой аппаратуры в системах контроля и управления физическими установками ИЯФ СО РАН, свидетельствует о жизненности и полезности разработок, выполненных в предыдущие годы. Вместе с тем, строительство новых и модернизация старых установок, всё большие возможности электроники, специфика многих задач, несомненно, делают актуальными продолжение разработок аналого-цифровой аппаратуры для систем контроля и управления. Не менее актуальной является и необходимость обстоятельного изучения и грамотного использования этой аппаратуры.

Как аппаратура, так и системы управления создаются большими коллективами, разрабатывающими и интегрирующими в единое целое различные измерительные и управляющие устройства. Разумеется, автор диссертации принимал участие далеко не во всех работах по созданию и применению аналого-цифровых устройств в ИЯФ. В то же время, широкий спектр аналого-цифровой аппаратуры, разработанной автором и руководимой им группой специалистов, участие в создании заметного количества систем автоматизации физических установок в ИЯФ, использующих разнообразную измерительную технику, дают основания описать сделанные разработки, проанализировать найденные решения и обобщить накопленный опыт в виде законченного научного труда.

Диссертация посвящена следующим вопросам создания и применения аналого-цифровой аппаратуры и измерительных систем на электрофизических установках:

• Анализу задач по измерению разнообразных сигналов на экспериментальных физических установках и обсуждению применимости различных устройств аналого-цифрового преобразования при решении этих задач.

• Теоретическому анализу и практическим исследованиям структурных и схемотехнических решений аналого-цифровой аппаратуры. Разработке методов повышения быстродействия, точности, разрешающей способности и стабильности параметров этой аппаратуры с учётом особенностей работы физических комплексов.

• Разработке серии аналого-цифровых устройств для точной и широкополосной регистрации формы сигналов. Разработке методик и созданию систем цифровой регистрации формы сигналов на электрофизических установках.

• Анализу решений и разработке на основе проведённого анализа аналого-цифровой аппаратуры для измерений мгновенных и интегральных значений импульсных сигналов.

• Разработке и применению аналого-цифровых устройств и автоматизированных систем для прецизионных магнитных измерений.

• Анализу требований к аналого-цифровой аппаратуре для технологических производственных установок и разработке серии специализированных систем для установок Экспериментального производства ИЯФ.

• Разработке методик, созданию стендов и программного обеспечения для исследования и тестирования всей гаммы аналого-цифровой аппаратуры с целью выпуска её в необходимых объёмах и оснащения исследовательских установок ИЯФ.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Теоретический анализ и практические исследования структурных и схемотехнических решений аналого-цифровой аппаратуры, в результате которых предложены оригинальные решения, позволившие не только достигнуть необходимого быстродействия, точности, чувствительности, помехоустойчивости, но и создавать аппаратуру, легко адаптируемую к изменяющимся условиям эксперимента и удобную в использовании.

2. Предложенная структурная схема построения цифровых регистраторов формы сигналов, отличающаяся функциональной завершённостью, а также принципы построения этого класса приборов, на основе которых разработано несколько поколений цифровых регистраторов формы сигналов.

3. Исследование проблем синхронизации цифровых регистраторов с процессами физических установок. Разработанные методы точной синхронизации и соответствующие схемы таймирующих узлов современных высокопроизводительных АЦП, позволившие легко интегрировать приборы на их основе в системы с разнообразными временными диаграммами.

4. Предложенные и реализованные методики исследования быстропроте-кающих процессов на ускорительных комплексах, плазменных установках, в мощных и высоковольтных устройствах, криогенном оборудовании.

6. Разработка систем и комплекта унифицированной аппаратуры для прецизионных измерений постоянных магнитных полей, позволивших реализовать комплексный подход при проведении магнитных измерений, стандартизовать методики, оборудование измерительных стендов и программное обеспечение.

При работе над диссертацией среди прочих использовались оригинальные литературные источники на английском языке. В связи с этим некоторые термины в тексте, имеющие англоязычное происхождение, а также ряд иллюстраций приведен на языке оригинала с соответствующими ссылками.

Заключение диссертации по теме "Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника"

Заключение

Представленный в диссертации материал охватывает более чем 30-летний период деятельности автора, основным направлением которой было создание и использование аналого-цифровой аппаратуры, предназначенной для систем управления и контроля физических установок. Важнейшим результатом этой деятельности является разработка разнообразных аналого-цифровых устройств и систем, измеряющих сигналы в диапазоне напряжений от десятков нано-вольт до десятков киловольт и в диапазоне времён от десятков наносекунд до десятков секунд. Многие из методик, реализованных с помощью разработанной аппаратуры, кардинально изменили способы получения физической информации.

Отмеченный результат потребовал большого объёма как теоретических, так и практических исследований, и поэтому важными итогами являются научные достижения и опыт, полученные в ходе разработок и представленные в публикациях, докладах автора и настоящей диссертации.

Научные результаты работы заключается в следующем:

5. Исследованы проблемы синхронизации цифровых регистраторов с процессами физических установок. Разработаны методы синхронизации и предложена схемотехника таймирующих узлов современных высокопроизводительных АЦП, позволившие легко интегрировать приборы на их основе в системы с разнообразными временными диаграммами.

6. Создан ряд оригинальных методик исследования быстропротекающих процессов, существенно повысивших качество и эффективность научных исследований. В 1977г. впервые в отечественной практике предложена и реализована уникальная методика цифровой регистрации процессов, непредсказуемых по времени возникновения: аварий в мощных системах питания и ВЧ-системах, срывов сверхпроводимости, высоковольтных пробоев и т.п. Метод диагностики пучков заряженных частиц, базирующийся на цифровой регистрации и обработке данных в ЭВМ, в СССР был реализован впервые.

10. Полученные в ходе разработок опыт и знания были востребованы в педагогической деятельности автора и послужили основой при создании лабораторного практикума по изучению аппаратных средств автоматизации научных исследований (ТСАНИ) в Новосибирском Государственном Универсистете.

Созданная аппаратура получила широкое практическое применение в работах на ускорительных комплексах, в исследованиях по физике плазмы, при проведении магнитных измерений, тестировании сверхпроводящих устройств, в системах автоматизации технологических производственных стендов.

Уникальной особенностью деятельности автора по созданию разнообразной измерительной аппаратуры является тесное сотрудничество со специалистами, представляющими многие направления физических исследований. Автор считает важным отметить большую помощь и участие в работах сотрудников лабораторий 1, 3, 5, 6, 8, 9, 10, 11, КБ, ЭП-1, ЭП-2. Не имея возможности отметить личный вклад каждого, автор хотел бы выразить глубокую признательность всем участвовавшим в работе сотрудникам института.

Отдельную благодарность хотелось бы высказать ближайшим коллегам и соавторам, входившим в прошлые годы в «команду» автора и выполнившим ряд совместных пионерских работ: С.И.Байбородину, В.Р.Козаку, А.Д.Хильченко, А.В.Нифонтову, М.Э.Круглякову, Г.М.Загорских, В.В.Шило, А.В.Петрову, М.С.Кочергину. Современные разработки были бы невозможны без плодотворной деятельности сегодняшних коллег автора: В.Я.Сазанского, И.В.Ильина, Д.С.Шичкова, П.В.Вагина, Г.А.Фатькина, А.В.Павленко.

В заключение автор особо хотел бы поблагодарить Э.А.Купера, прочитавшего несколько версий диссертации и высказавшего много ценных замечаний по её содержанию.

Список источников диссертации и автореферата по физике, доктора технических наук, Батраков, Александр Матвеевич, Новосибирск

1. Нифонтов В.И. Автоматизированные системы контроля и управления экспериментальными физическими установками ИЯФ СО АН СССР: Дисс.докт. техн. наук (в форме научного доклада), Ин-т ядерной физики СО АН СССР, Новосибирск, 1984.

2. Э.А.Купер. Структура и аппаратные средства системы управления ускорительно-накопительным комплексом ВЭПП-4: Дисс. Канд.техн.наук, Ин-т ядерной физики СО АН СССР, Новосибирск, 1978.

3. Б.А.Баклаков, В.Ф.Веремеенко, М.М.Карлинер и др. Система питания электромагнита и линз накопителя ВЭПП-3, управляемая с помощью ЭВМ. // Труды III Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. М: «Наука», 1973.

4. Батраков A.M., Байбородин С.И., Хильченко А.Д. Разработка автоматизированной системы измерения плотности плазмы. // В сб.: Работы молодых специалистов, выполненные в ИЯФ СО АН в 1974-1975 годах. Отчёт. ИЯФ СО АН СССР. Новосибирск, 1975.

5. Карлинер М.М., Купер Э.А., Нифонтов В.И., Орешков А.Д., Ощепков Ю.И Система для управления с помощью ЭВМ установкой встречных пучков ВЭПП-3. // Автометрия, 1972, №2.

6. Ю.А.Болванов, Э.А.Купер, В.И.Нифонтов, А.Д.Орешков. Многоканальная широкодиапазонная система для ввода данных в ЭВМ. // Автометрия, №3, 1974г. с.9-15.

7. М.М.Карлинер, Э.А.Купер, А.В.Леденёв, В.И.Нифонтов. Многоканальная прецизионная система для измерения сигналов микровольтового диапазона: В сб.: «Вопросы теории и проектирования преобразователей информации». Киев, 1975, с. 10.

8. С.И. Байбородин., A.M. Батраков, В.И.Нифонтов, А.Д.Хильченко. Многоканальная быстродействующая измерительная система для ввода данных в ЭВМ: В сб.: «Вопросы теории и проектирования преобразователей информации». Киев, 1975, с.11.

9. С.Д.Белов, Б.А.Гудков, М.М Карлинер др. Структура системы автоматизированного управления и контроля накопителя ВЭПП-4. // Труды V Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. Москва. 1976. т. И, с.291-294. М.: 1977.

10. Б.А.Гудков, Э.А.Купер, А.С.Медведко, В.И.Нифонтов. Система измерения вакуума на накопителе ВЭПП-4. // Автометрия, №4, 1978, с. 36-43.

11. Ю.А.Болванов, В.В.Каргальцев, Э.А.Купер, В.И.Нифонтов. Многоканальная система для измерения мгновенных значений импульсных параметров. // Труды 3-го Всесоюзного симпозиума «Проблемы создания преобразователей формы информации». Киев, 1976, с. 117-121.

12. А.М.Батраков, В.Р.Козак. АЦП для цифровой регистрации однократных импульсных сигналов. // Автометрия, №4, 1978, с.59-63.

13. A.M. Батраков, В.Р. Козак, В.И.Нифонтов и др. Приборы для цифровой регистрации однократных импульсных сигналов: В сб.: Автоматизация научных исследований на основе применения ЭВМ. Тезисы докладов Всесоюзной конференции. Новосибирск, 1977, с.39-40.

14. А.М.Батраков, А.С.Калинин, И.Я.Протопопов, А.Д.Хильченко. Диагностика впускаемого и циркулирующего пучков с помощью пикап-электродов в накопителе ВЭПП-4: Препринт ИЯФ 80-167, Новосибирск, 1980.

15. Аульченко В.М., Батраков A.M., Козак В.Р. и др. Система автоматизации эксперимента на термоядерной установке ГОЛ-1: В сб.: Автоматизация научных исследований на основе применения ЭВМ. Тезисы докладов Всесоюзной конференции. Новосибирск, 1979, с.37-39.

16. Е.Н.Дементьев, Н.И.Зиневич, А.С.Калинин и др. Измерение равновесной орбиты в электрон-позитронном накопителе ВЭПП-4. // Труды VI Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. Дубна. 1978. т.1, с.291-294. Д.: 1978.

17. Л.Л.Данилов, П.М.Иванов, Э.А.Купер и др. Устройство для определения характеристик пучка заряженных частиц с помощью вторично-эмиссионных датчиков. // Труды IV Всесоюзного семинара по по линейным ускорителям. Харьков. 1976. т.1, с.23.

18. В.Н.Миронов, В.И.Нифонтов, А.А.Шейнгезихт. Многоканальный регистратор наносекундных интервалов с вводом данных в ЭВМ. // Труды I Всесоюзного совещания по автоматизации научных исследований в ядерной физике. Киев. 1976. т.I.e.23.

19. Ю.Е. Нестерихин, Ю.Н. Золотухин, З.А. Лившиц. Автоматизация: итоги десятилетия. // Автометрия, 1984, №4, с.3-14.

20. Золотухин Ю.Н. Разработка аппаратуры САМАС в Институте Автоматики и Электрометрии: В кн.: Материалы XII Всесоюзной школы по автоматизации научных исследований. Тбилиси, 1978.

21. А.В.Леденёв. Прецизионные измерительные и управляющие системы для ускорителей заряженных частиц. // Дисс.канд. техн. наук. Ин-т ядерной физики СО АН СССР. Новосибирск, 1988.

22. Ю.И.Голубенко, Э.А.Купер, А.В.Леденёв, А.В.Смирнов, Принципы построения многоканальных систем для измерения постоянных напряжений: Тезисы докладов 19-й Всесоюзной школы «Автоматизация научных исследований». Новосибирск. 1985. с.136-137. Н.:1985.

23. А.Е.Плотников, А.А.Шейнгезихт. Регистратор однократных сигналов АФИ-39: Препринт ИЯФ 86-182. Новосибирск, 1986.

24. А.Н.Квашнин, А.Д.Хильченко. Регистратор формы однократных импульсных сигналов Ц9107: Препринт ИЯФ 85-116. Новосибирск, 1985.

25. Батраков А.М. Методы и средства цифровой регистрации формы импульсных сигналов на электрофизических установках. // Дисс.канд. техн. наук. Ин-т ядерной физики СО АН СССР. Новосибирск, 1986.

26. Батраков А.М., Каргальцев В.В., Козак В.Р., Купер Э.А. Модули для измерения импульсных параметров: В кн.: Автоматизация научных исследований на основе применения ЭВМ. Тезисы докладов Всесоюзной конференции. Новосибирск. 1981. с.37-39. Н.: 1981.

27. A.M. Батраков, Б.Р.Карымов, Д.С. Шичков. Автоматизация технологического оборудования для термической обработки узлов физических установок: Препринт ИЯФ 2003-55. Новосибирск, 2003.

28. Ежегодный отчёт 2003. Ин-т ядерной физики СО РАН. Новосибирск, 2004.

29. L.Belova, M.Egorychev, J-L Perinet-Marquet, C.Urpin. The High Current BusBars of the LHC from Conception to Manufacture. // Proc. of RuPAC-2006. September 10-14, 2006. Novosibirsk, Russia.http://accelconf.web.cern.ch/AccelConf/r06/PAPERS/TUHQ01.PDF

30. A.Batrakov, I.Ilyin, G.Karpov et.al. Control and Data Acquisition Systems for High Field Superconducting Wigglers. // NIM, V.A467-468, 2001, p. 10921096.

31. A.Batrakov, S.Zverev, I.Ilyin et al. The New VME-Based System for Magnetic

32. Measurements with Hall Sensors. // Proc. of RuPAC-2006. September 10-14, 2006. Novosibirsk, Russia.http://accelconf.web.cern.ch/AccelConf/r06/PAPERS/THDQ07.PDF

33. В.Р.Козак. Многоканальный прецизионный аналого-цифровой преобразователь в стандарте УМЕ: Препринт ИЯФ 2004-69. Новосибирск, 2004.

34. V.Kozak. Embedded Device Set for Control Systems. // Proc. of RuPAC-2006.1. Novosibirsk, Russia.http://accelconf.web.cern.ch/AccelConf/r06/PAPERS/THDQ05.PDF

35. PICMG 2.0 3.0, Compact PCI Specifications, September 24, 1999.

36. В.Ф.Гурко, А.Н.Квашнин Д.В.Моисеев и др. 32-х канальная синхронная система сбора данных: Препринт ИЯФ 2002-49. Новосибирск, 2002.

37. В.Ф.Гурко, А.Н.Квашнин Д.В.Моисеев, А.Д.Хильченко. Синхронная 128канальная система регистрации импульсных сигналов: Препринт ИЯФ 2003-3. Новосибирск, 2003.

38. High precision measurements of the у, y'and y"-meson masses: Preprint INP 83-84, Novosibirsk, 1983.

39. А.А.Шейнгезихт. Разработка аппаратуры для исследования быстропро-текающих процессов в физическом эксперименте. // Дисс.канд. техн. наук. Ин-т ядерной физики СО АН СССР. Новосибирск, 1989.

40. P.Forck, A.Peters. Beam Diagnostics Challenges and Innovations for FAIR. // Proc. of RuPAC-2006. September 10-14, 2006. Novosibirsk, Russia. http://accelconf.web.cern.ch/AccelConf/r06/PAPERS/THDQ01 .PDF

41. A.Burdakov, A.Arzhannikov, V.Astrelin, et al. Plasma heating and confinement in GOL-3 multimirror trap. // Fusion Science and Technology. Vol.51, No.2T, 2007, p.106-111.

42. А.Д.Хильченко. Аппаратная инфраструктура измерительных и управляющих систем плазменных установок ИЯФ СО РАН. // Дисс.докт. техн. наук. Ин-т ядерной физики СО РАН. Новосибирск, 2010.

43. П.Немытов. Системы питания и управления серии высоковольтных промышленных ускорителей электронов с мощностью выведенного пучка сотни киловатт. // Дисс.докт. техн. наук. Ин-т ядерной физики СО РАН. Новосибирск, 2010.

44. А.Батраков, П.Логачёв, А.Павленко и др. Система автоматизации линейного индукционного ускорителя рентгенографического комплекса. // Вестник НГУ. Серия: Физика, 2010. Том 5. Вып.З. с.98-105.

45. Paul М. Rainey. "Facimile Telegraph System" // U.S. Patent 1,608,527, filed July 20, 1921. http://www.freepatentsonline.com/1608527.pdf

46. Alec Harley Reeves. "Electric Signaling System" // U.S. Patent 2,272,070, filed November 22, 1939. http://www.freepatentsonline.com/2272070.pdf

47. H. Nyquist. Certain Factors Affecting Telegraph Speed. // Bell System Technical Journal, Vol. 3, April 1924, pp. 324-346. http://bsti.bell-labs.com/BSTJ/images^/ol03/bsti3-2-324.pdf

48. H. Nyquist. Certain Topics in Telegraph Transmission Theory. // A.I.E.E. Transactions, Vol. 47, April 1928, pp. 617-644. http://ens.dsi.unimi.it/classici/Nvquist1928.pdf

49. Котельников В.А. О пропускной способности эфира и проволоки в электросвязи. // Всесоюзный энергетический комитет. Материалы к I Всесоюзному съезду по вопросам технической реконструкции дела связи и развития слаботочной промышленности, 1933г.

50. С.Е. Shannon. A Mathematical Theory of Communication. // Bell System Technical Journal, Vol. 27, July 1948, pp. 379-423. Русский перевод в кн.: К.Шеннон. Работы по теории информации и кибернетике. М.: ИЛ, 1963, стр. 243-332.

51. W. R. Bennett. Spectra of Quantized Signals. // Bell System Technical Journal, Vol. 27, July 1948, pp. 446-471.http://www.mit.bme.hu/books/quantization/papers/Bennett.pdf

52. W. M. Goodall. Telephony by Pulse Code Modulation. // Bell System Technical Journal. Vol. 26, July 1947, pp.395-409. http://bsti.bell-labs.com/BSTJ/images/Vol26/bsti26-3-395.pdf

53. R. W. Sears. Electron Beam Deflection Tube for Pulse Code Modulation. // Bell System Technical Journal, Vol. 27, Jan. 1948, pp. 44-57. http://bsti.bell-labs.com/BSTJ/images/Vol27/bsti27-l-44.pdf

54. Frank Gray. "Pulse Code Communication," U.S. Patent 2,632,058, filed November 13, 1947. http://www.freepatentsonline.com/2632058.pdf

55. Oliver В., Pierce J., Shannon C. The philosophy of P.C.M. 11 Proceedings IRE,36, 11 (1948), p.1324. Русский перевод в кн.: К.Шеннон. Работы по теории информации и кибернетике. М.: ИЛ, 1963, стр. 414-432.

56. Преобразование информации в аналого-цифровых устройствах и системах. Под ред. Г.М.Петрова. М.: «Машиностроение», 1973, 360с.

57. А.М.Батраков, В.Р.Козак, В.И.Нифонтов. Регистратор однократных импульсных сигналов АЦП-101.: Препринт ИЯФ 79-36, Новосибирск, 1979.

58. А.М.Батраков, В.Р.Козак, М.Э.Кругляков. Регистраторы формы импульсных сигналов серии «S». АЦП-IOISK, АЦП-8508К.: Препринт ИЯФ 8898, Новосибирск, 1988.

59. John С. Schelling. "Code Modulation Communication System", U.S.Patent 2,453,461, filed 19 June 1946. http://www.freepatentsonline.com/2453461 .pdf

60. Г.А.Фатькин. Разработка аппаратуры для измерения магнитных полей с помощью двухкоординатного непрерывно перемещаемого датчика Холла.: Квалификационная работа на соискание степени магистра. Новосибирский Государственный Университет. Новосибирск, 2008г.

61. Roswell W. Gilbert. "Analog-to-Digital Converter", U.S.Patent 3,281,827, filed May 8, 1957.

62. Прянишников В.А. Интегрирующие цифровые вольтметры постоянного тока. Л.: «Энергия», 1976г.

63. В.Г. Ивкин, И.В. Мозин и др. Аппаратура для магнитных измерений диполей и квадруполей УНК. // Труды IX Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. Дубна, 1984г. Из-во ОИЯИ, Дубна, 1985г., Т1, с.432.

64. В.Н. Корчуганов, С.Ф. Михайлов, И.Н. Чуркии и др. Установка для прецизионных измерений мультиполей SLS.: Препринт ИЯФ 2000-72. Новосибирск, 2000.

65. Е.И. Антохин, A.M. Батраков, П.Д. Воблый и др. Измерительная система 1-го и 2-го интегралов магнитных полей: Препринт ИЯФ 2002-46. Новосибирск, 2002.

66. М. I. Green. Search Coils. // CAS CERN Accelerator School: 11-17 Apr., 1997, CERN 98-05, Geneva, CERN, 1998.

67. В.В.Каргальцев, Э.А.Купер. Блок для измерения импульсных параметров БИИП-4: Препринт ИЯФ 82-48. Новосибирск, 1982.

68. James N. Giles, "High Speed Transistor Difference Amplifier". U.S.Patent 3,843,934, filed January 31, 1973.http://www.fi-eepatentsonline.com/3843934.pdf

69. Джайлс Д., Силлз M. Точный быстродействующий компаратор напряжения. // Электроника, 1972, №21, с.54-62.79. http://www.maxim-ic.com/quickview2.cfm/qvpk/2026

70. Walt Kester. Analog. Digital Conversion. Analog Devices, Inc., 2004.

71. J.O.Edson and H.H.Henning. Broadband Codecs for an Experemental 224Mb/s PCM Terminal. // Bell System Technical Journal, Vol.44, pp. 1887 1940, Nov. 1965.

72. Willard K.Bucklen. A Monolitthic Video AYD Converter. // Digital Video. Vol.2, Society of Motion Picture and Television Engineers, March 1979, pp. 34-42.

73. А.М.Батраков, В.Р.Козак, Э.А.Купер, А.В.Нифонтов. Принципы построения и метрологическое обеспечение цифровых регистраторов формы импульсных сигналов. // Автометрия, 1986г., №4, с.50-63.

74. D.J. Kinniment, D. Aspinall, and D.B.G. Edwards. High-Speed Analog-Digital

75. Converter. // IEE Proceedings, Vol. 113, pp. 2061-2069, Dec. 1966.

76. B. D. Smith. An Unusual Electronic Analog-Digital Conversion Method. // IRE Transactions on Instrumentation. June 1956, pp. 155-160.

77. Arbel A., Kurz R. Fast ADC // IEEE Trans, of Nucl. Sci., 1975, v.NS-22, №1, p.446-451.

78. А.Н.Касперович, Ю.В.Шалагинов. Некоторые вопросы проектирования АЦП с использованием амплитудной свёртки сигналов. // Автометрия, 1978, №4, с.50-58.

79. А.Н.Касперович, Мантуш О.М., Ю.В.Шалагинов. Двухканальная система сбора и регистрации данных для быстропротекающих экспериментов. // ПТЭ, 1977, №¡4, с.86-88.

80. W.Barry et al. Transverse coupled bunch in the ALS. Proc. EPAC-04, London, 1994.

81. S.Khan et al. Comissioning results of the transverse feedback system at BESSY-II. Proc. EPAC-2000, Vienna, Austria.

82. D.Bulfone et al. The ELETTRA Digital Multibunch Feedback System. Proc. EPAC-2002, Paris, France.

83. С. С. Cutler. "Transmission Systems Employing Quantization". U.S. Patent 2,927,962, issued March 8, 1960. http://www.freepatentsonline.com/2927962.pdf

84. Delta Sigma Data Converters. Theory, Design, and Simulations. Edited by S.Norsworthy, R.Schreirer, G.Temes. IEEE Press, IEEE Order Number PC3954.

85. John Corcoran, Ken Poulton. Analog to Digital Converters: 20 years of progress in Agilent oscilloscopes. // Agilent Measurement Journal, Issue 1, 2007, pp. 35-40.

86. В.В.Каргальцев, Э.А.Купер. Блок для измерения импульсных параметров

87. БИИП-4: Препринт ИЯФ 82-48. Новосибирск, 1982.

88. Гоноровский И.С. Основы радиотехники. // Из-во литературы по вопросам связи и радио. М.: 1957г.101. http://www.inp.nsk.su/activitv/automation/device/devicenew/canbus/vsdc2.pdf

89. Гельман М.М., Степанов Б.Н., Филинов В.Н. Дискретные преобразования моноимпульсных электрических сигналов. М.: Энергоиздат, 1975.

90. Байбородин С.И. Быстродействующий аналого-цифровой преобразователь для автоматизированной системы измерения плотности плазмы. // Дипломная работа. НГУ. Новосибирск, 1975г.

91. Хильченко А.Д. Организация оперативного запоминающего устройства для автоматизированной системы измерения плотности плазмы. // Дипломная работа. НЭТИ. Новосибирск, 1975г.

92. Беломестных В.А., Касперович А.Н. Аналого-цифровой преобразователь повышенного быстродействия. // Автометрия, 1973, №3, с. 113-115.

93. Беломестных В.А., Вьюхин В.Н., Касперович А.Н. и др. Конвейерный аналого-цифровой преобразователь. //Автометрия, 1975, №1, с.57-64.

94. Беломестных В.А., Касперович А.Н., Литвинов Н.В. Элементы устройства выборки и хранения для конвейерного АЦП. // Автометрия, 1975, №1, с.115-117.

95. А.Н.Касперович, Мантуш О.М., Ю.В.Шалагинов. Двухканальная система сбора и регистрации данных для быстропротекающих экспериментов. //ПТЭ, 1977, №4, с.86-88.

96. А.М.Батраков, В.Р.Козак, В.И.Нифонтов. Регистратор однократных импульсных сигналов АЦП-8100: Препринт ИЯФ 79-40. Новосибирск, 1979.

97. А.М.Батраков, В.Р.Козак. Регистраторы формы импульсных сигналов серии «S». AUn-850S: Препринт ИЯФ 85-10. Новосибирск, 1985.

98. А.М.Батраков, В.Р.Козак. Регистраторы формы импульсных сигналов серии «S». АЦП-IOIS: Препринт ИЯФ 85-9. Новосибирск, 1985.

99. А.М.Батраков, Б.Р.Карымов, В.Я.Сазанский. Новые модели цифровых регистраторов формы сигналов. // XIII Конференция по ускорителям заряженных частиц. RuPAC-2002. г.Обнинск, 2002.

100. А.М.Батраков, В.Р.Козак, В.И.Нифонтов и др. Цифровые регистраторы импульсных сигналов. Принципы построения и метрология. // V Всесоюзный симпозиум по модульным информационно-вычислительным системам. Кишинёв, 9-11 октября, 1985г., с.20-23.

101. Нифонтов A.B. Стробоскопический АЦП для настройки и тестирования радиосхем: Материалы Всесоюзн. Науч. Студ. Конф. Физика. Новосибирск: НГУ, 1984.

102. Динамические параметры АЦП «ВАРСА-2» и методика их измерения: Научно технический отчёт. ИЯФ СО АН СССР. Новосибирск, 1982г.

103. Динамические параметры АЦП «ВАРСА-4»: Научно технический отчёт. ИЯФ СО АН СССР. Новосибирск, 1984г.

104. A.N.Aleshaev, A.M.Batrakov, M.G.Fedotov, et al. Methods of research of the detonation and shock wave processes with the help of SR. Possibilities and prospects. // NIM A, v.470 (2001), N1/2, pp.240-244.

105. A.B. Аржанников, A.M. Батраков, A.B. Бурдаков и др. Экспериментальное исследование динамики нейтронной эмиссии в многопробочной ловушке ГОЛ-3. // Физика плазмы, том 32, №2, 2006, с. 113-121.

106. J.Rothman, R.Michta.A.Batrakov, et al. Self Triggered, Single Turn Beam Position Monitor for Electron Storage Rings. // Proc. PAC-99, New York, 1999, p.2081-2083.http://accelconf.web.cern.ch/AccelConf/p99/PAPERS/WEA86.PDF

107. A.Batrakov, T.Bolshakov, E.Levichev et al. Beam Position Monitor with the Digital Signal Processing. Proc. EPAC 96, Sitges (Barcelona), 10-14 June 1996. Vol.2, p.1579-1581http://accelconf.web.cern.ch/AccelConf/e96/PAPERS/TUPL/TUP008L.PDF

108. V.P. Cherepanov et al. The VEPP-4M Transverse Bunch by Bunch Feedback System. // Proc. of RuPAC-2006. September 10-14, 2006. Novosibirsk, Russia. http^ccdcmib^

109. П.Л.Храпкин. Особенности управления от ЭВМ Генератора ВЧ ВЭПП-4 на основе ГИРОКОНА: В сб.: Работы молодых специалистов, выполненные в ИЯФ СО АН СССР в 1976 1977гг. Новосибирск, 1978, с. 8789.

110. A.M.Batrakov, E.A.Kuper, A.P.Lysenko et al. Geometric resolution of a linear CCD as an X-ray detector. // NIM A, v.261 (1987), p.p.246-248.

111. Archuleta R., Sanchez L. The DARHT Data Acquisition, Archival, Analysis and Instrument Control System (DAAAC), And Network Infrastructure. // Proc. XXIV Linear Accelerator Conference. Victoria, Canada, 2008. pp. 337339.

112. K.N.Henrichsen. Classification of magnetic measuring methods. // Proc. CERN Accelerator School CAS 98-05, CERN, Switzerland. http://documents.cern.ch/cgibin/setlink?base=cerrLrep&categ=YellowReport&id=98-05.

113. Г.В.Карпов, А.С.Медведко, Е.И.Шубин. Прецизионные магнитометры на основе ЯМР в стандарте VME: Препринт ИЯФ 2004-55. Новосибирск, 2004. http://www.inp.nsk.su/activity/preprints/files/2004055.pdf

114. G.V.Karpov, A.S.Medvedko, E.I.Shubin. Precise magnetometers on base ofpulsed NMR techniques. // Proc. of RuPAC-2006. September 10-14, 2006. Novosibirsk, Russia.http.7/accelconf.web.cern.ch/AccelConf/r06/PAPERS/THDQ08.PDF

115. J.Kvitkovic. Hall Generators. // Proc. CERN Accelerator School CAS 98-05,

116. CERN, Geneva, Switzerland. http ://documents. cern. ch/cgibin/setlink?base=:cernrep&categ-Yellow Report&id^S-OS.

117. R.S. Popovic. Hall Effect Devices. Second Edition, Institute of Physics Publishing: Bristol and Philadelphia.

118. И.Я.Протопопов, Б.В.Левичев. Магнитные измерения датчиками Холла: Рабочие материалы ИЯФ СО РАН. Новосибирск, 2000.

119. Карпов Г.В. Разработка прецизионных магнитометров на основе ЯМРдля накопителей заряженных частиц. // Дисс.канд. техн. наук. Ин-т ядерной физики СО РАН. Новосибирск, 2006.

120. A.Dael. Search coils technics. // Proc. CERN Accelerator School CAS 92-05, CERN, Geneva, Switzerland.http://documents.cern.ch/cgibin/setlink?base=cernrep&categ-Yellow Report&id=92-05.

121. L.Walckiers. The Harmonic-coil method. // CERN Accelerator School CAS 92-05, CERN, Geneva, Switzerland. http://documents.cern.ch/cgibin/setlink?base=cernrep&categ=:Yellow Report&id=92-05.

122. Electronic Fluxmeter EF 14. Technical manual. http://www.magnet-physik.de

123. Precision Digital Integrator PDI-5025. METROLAB Instruments SA. http://www.metrolab.ch/index.php?id=27

124. А.М.Батраков, П.В.Вагин, П.Д.Воблый и др. Аппаратура для прецизионного измерения постоянных магнитных полей с помощью перемещаемых катушек: Препринт ИЯФ 2008-26. Новосибирск, 2008. http://www.inp.nsk.su/activity/preprints/files/2008026.pdf

125. Linear Technology. LTC2051 Datasheet.http://www.linear.com/pc/productDetail.isp?navId::=LTC2051

126. Linear Technology. LT1128 Datasheet.http://www.linear.com/pc/productDetail.jsp?navId:=LTl 128

127. А.М.Батраков, П.Д.Воблый, А.Г.Стешов, И.Н.Чуркин. Измерение магнитных параметров мультиполей специализированного источника синхротронного излучения MLS. // Приборы и техника эксперимента, №1, 2008, с.131-135.

128. A.M.Batrakov, A.N.Dubrovin, I.V.Ilyin et al. Prototype of the permanent magnet wiggler for accelerator Petra III. // NIM A, v.575 (2007), pp.46-49.

129. M. Tischer et al. Damping Wigglers for the PETRA III Light Source. // Proceedings of РАС. Knoxville, 2005, p.2446.

130. Yu.Golubenko, E.Kuper, A.Ledenev and A.Smirnov. Apparatus for multichannel measurements of DC-voltages. // Avtometriya, No4, 1986, p.64. Allerton Press, Inc.

131. A.Batrakov, I.Churkin, O.Kiselev, et al. Bending magnets for the SAGA Storage Ring. NIM A v.543 (2005), p.47.

132. K.M.Schrim, W.Kalbreier, V.Anashin et al. The Bending Magnets for the

133. Proton Transfer Line of CNGS. // IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol.16, Issue 2, June 2006, p. 1869.

134. F.Briquez, O.Chubar, A.Dael, et al. GBI: Magnetic measurement bench triggered by interferometer. // IMMW-14, 26-29 September, Geneva, Switzerland, http://immw2005.web.cern.ch/immw2005.

135. С.И.Зверев, Э.А.Купер, В.К.Овчар, В.Р.Козак. Прецизионный коммутатор сигналов датчиков Холла для системы магнитных измерений: Препринт ИЯФ 2004-71. Новосибирск, 2004. http://www.inp.nsk.su/activity/preprints/files/2004 071 .pdf

136. Switching Handbook. Keithley Instruments, Inc. Third edition, pp.2-11.

137. В.Р.Козак Многоканальный прецизионный аналого-цифровой преобразователь в стандарте УМЕ: Препринт ИЯФ 2004-69. Новосибирск, 2004. http://www.inp.nsk.su/activitv/preprints/files/2004 069.pdf

138. I.Churkin, A.Batrakov, O.Chubar, et al. Elliptical undulator HU256 for Synchrotron SOLEIL: magnetic design, computation and measurements. // IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 16, Issue 2, June 2006, p.1852.

139. Popovic R.S. The vertical Hall-effect device. // IEEE Electron Device Lett. EDL-5, 1984, p.357-358.162. http://www.senis.ch/magneticmeasurement.html

140. Г.Фатькин. Разработка аппаратуры для прецизионного измерения магнитных полей с помощью двухкоординатных датчиков Холла: Квалификационная работа на соискание степени бакалавра. НГУ, 2006г.

141. А.М.Батраков, П.Д.Воблый, Г.А.Фатькин. Прототип быстродействующей системы с датчиками Холла для измерений многополюсных магнитных элементов: Препринт ИЯФ 2009-24. Новосибирск, 2009. http://www.inp.nsk.su/activity/preprints/files/2009 024.pdf

142. М. Tischer, К. Balewski, A. Batrakov et al. Damping Wigglers at the PetraIII Light Source. // Proceedings of EPAC 2008. Genoa, Italy. http://accelconf.web.cern.ch/accelconf/e08/papers/wepc 132.pdf

143. Многофункциональная инструментальная плата LabMaster. Описание аппаратных и программных средств. Новосибирск, 1997г., 37с.

144. A.Batrakov, I.Churkin, O.Kiselev, et al. Bending magnets for SAGA Storage Ring. // NIM A, v.543, (2005), p.47 50.

145. E.I.Antokhin, A.M.Batrakov^kN.Churkin et al. Multipoles of the SLS Storage Ring: Manufactoring and Magnetic Measurements. // IEEE Transactions on Applied Superconductivity, March 2002, Volume 12, Nol, pp.51-54.