การประยุกต์ใช้ CPLD เพื่อการฟื้นสภาพ
อุปกรณ์วิเคราะห์ความสูงพัลส์แบบหลายช่อง
นายศุภฤกษ์ ลี้ตระกูลพิชิตชัย1 เดโช ทองอร่าม2* กมลทิพย์ พลอยกระจ่าง3
ภาควิชานิวเคลียร์เทคโนโลยี คณะวิศวกรรมศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย
Email: fntdta@eng.chula.ac.th
บทคัดย่อ
งานวิจัยนี้ได้ประยุกต์ใช้ CPLD สำหรับสร้างเป็นวงจรแปลงสัญญาณอนาลอกเป็นสัญญาณดิจิตอล
(เอดีซี) แบบวิลคินสันขนาด 2048 ช่องวัด ที่ความถี่ใช้งาน 100 MHz เพื่อใช้ฟื้นสภาพของอุปกรณ์วิเคราะห์
ความสูงพัลส์แบบหลายช่องที่มีใช้งานอยู่เดิม ซึ่งผลของการนำ CPLD มาประยุกต์ใช้ส่งผลให้ขนาด ความ
ซับซ้อนของวงจร และอัตราการสูญเสียกำลังไฟฟ้าของวงจรเอดีซีลดลง ขณะเดียวกันการทำงานที่ความถี่สูงก็ดี
ขึ้น โดยผลการทดสอบค่าความเป็นเชิงเส้นของการแปลงผันสัญญาณอยู่ที่ R2 = 0.9995 และมีอัตราการแปลผัน
สูงสุดถึง 48.828 kcps ดั้งนั้นจึงทำให้ระบบเอดีซีที่พัฒนาขึ้นมีความเหมาะสมที่จะนำไปใช้ทดแทนเอดีซีของ
ระบบเดิมได้
คำสำคัญ: ซีพีแอลดี เอ็มซีเอ อุปกรณ์วิเคราะห์แบบหลายช่อง และอุปกรณ์วิเคราะห์ความสูงพัลส์
Applying a CPLD for Refurbishment
of a Multi-channel Pulse Height Analyzer
Supalerk Leetragunpichitchai Decho Thong-Aram* Kamontip Ploykrachang
Email: fntdta@eng.chula.ac.th
Abstract
This research applied a CPLD for construction of a 100MHz, 2048 channel, Wilkinson type analog
to digital converter (ADC) circuits for refurbishment of an original multi-channel pulse height analyzer
(PHA) ADC. Introduction of the CPLD could reduce the complexity of the circuits, equipment size and also
the power consumption while the operation speed was increased. The linearity test of the ADC was found to
be excellent with an R2 = 0.9995 and a maximum pulse rate of 48.828 kcps could be converted in this system.
Therefore the developed system was appropriate for replacing the original ADC.
Keywords: CPLD, MCA, Multi-channel analyzer, Pulse Height Analyzer
การประชุมวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีนิวเคลียร์ครั้งที่ 10: 16-17 สิงหาคม 2550
ET11-2
2
บทนำ
ปัจจุบันสถาบันวิจัยและสถานศึกษาต่าง ๆ ได้มีการนำเอาอุปกรณ์วิเคราะห์ความสูงพัลส์
นิวเคลียร์ (Pulse Height Analyzer) เข้ามาใช้งานกันอย่างแพร่หลาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งอุปกรณ์
วิเคราะห์ความสูงแบบหลายช่อง (Multichannel Analyzer) ได้ถูกนำมาใช้กับงานด้านการวิจัยและ
การเรียนการสอนที่มีการประยุกต์ใช้เทคนิคนิวเคลียร์ ซึ่งอุปกรณ์วิเคราะห์ความสูงแบบหลาย
ช่องที่มีใช้งานอยู่ในปัจจุบันได้สั่งนำเข้าจากต่างประเทศมีราคาแพงและบางเครื่องได้ผ่านการใช้
งานมาแล้วเป็นเวลานาน เมื่อเกิดการชำรุดเสียหายจึงทำให้ยากต่อการซ่อมบำรุง เนื่องจากเป็น
เทคโนโลยีที่เก่าที่มีความซับซ้อนของวงจรมากและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิคส์บางตัวก็เลิกผลิตไป
แล้วหรือถ้าส่งซ่อมกับบริษัทผู้ผลิตก็มีราคาซ่อมที่แพงซึ่งอาจทำให้ไม่คุ้มค่ากับการซ่อมบำรุง
ดังนั้นคณะผู้วิจัยซึ่งได้ตระหนักถึงความสำคัญในเรื่องการซ่อมบำรุงเครื่องมือจึงได้มี
แนวคิดที่จะทำการฟื้นสภาพ (Refurbish) อุปกรณ์วิเคราะห์ความสูงแบบหลายช่องที่ผ่านการใช้
งานมานานและเกิดการชำรุดเสียหาย เพื่อให้สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้อีก โดยเฉพาะอย่างยิ่ง
ในส่วนของระบบแปลงสัญญาณพัลส์อนาลอกเป็นสัญญาณดิจิตอลชนิดวิลคินสัน ด้วยการ
ประยุกต์ใช้ไอซีดิจิตอลชนิดโปรแกรมได้ (Complex Programmable Logic Device : CPLD)
มาออกแบบเพื่อใช้ทดแทนในระบบแปลงสัญญาณพัลส์อนาลอกเป็นสัญญาณดิจิตอลชนิดวิลคิน
สันที่มีอยู่เดิม ซึ่งจะทำให้ได้วงจรที่มีขนาดเล็กลง มีการสิ้นเปลืองการใช้กำลังต่ำ มีความซับซ้อน
ทางวงจรลดลงและสามารถตรวจสอบการทำงานของระบบได้ง่ายขึ้น เนื่องจากสามารถ
จำลองการทำงานของวงจรได้บนคอมพิวเตอร์ นอกจากนี้การซ่อมบำรุงในอนาคตก็สามารถ
ทำได้ง่ายขึ้นด้วย
วิธีการ
1. หลักการทำงานของระบบวิเคราะห์ความสูงของพัลส์แบบหลายช่องด้วยเทคนิควิลคินสัน
อุปกรณ์วิเคราะห์แบบหลายช่องด้วยเทคนิควิลคินสันมีการทำงานที่ค่อนข้างซับซ้อน ซึ่ง
ในขั้นตอนการทำงานเริ่มจากการตรวจจับค่าพีคของสัญญาณพัลส์นิวเคลียร์ที่ถูกป้อนเข้ามา
ทางด้านขาเข้า (Input) พร้อมคงค่าชั่วขณะด้วยวงจรพีคดีเทคเตอร์ (Peak Detector) และสเตรท
เชอร์ (Stretcher) เพื่อให้ได้ค่าขนาดของสัญญาณคงที่ขณะทำการแปลงความสูงของพัลส์เป็น
ข้อมูลดิจิตอลที่สอดคล้องกับความสูงของพัลส์ด้านขาเข้าโดยข้อมูลนี้จะถูกใช้เป็นข้อมูลในการ
กำหนดตำแหน่งแอดแดรสของหน่วยความจำ ซึ่งในแต่ละครั้งที่มีการแปลงข้อมูลความสูงของ
พัลส์ใด ๆ เป็นตำแหน่งของแอดเดรสในหน่วยความจำก็จะมีการเพิ่มค่าของข้อมูลในแอดเดรส
การประชุมวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีนิวเคลียร์ครั้งที่ 10: 16-17 สิงหาคม 2550
ET11-3
3
นั้น ๆ ด้วย โดยทั่วไปการแปลงความสูงของพัลส์แบบหลายช่องด้วยเทคนิควิลคินสันมีความเป็น
เชิงเส้นในการแปลงข้อมูลสูง ซึ่งในระยะแรกทำงานที่ฐานความถี่ 10 MHz ปัจจุบันสามารถ
ทำงานด้วยความถี่ฐานเวลาสูงถึง 450 MHz หลักการเบื้องต้นของระบบการแปลงความสูงของ
พัลส์แบบหลายช่องด้วยเทคนิควิลคินสันแสดงดังรูปที่ 1
รู
รูปที่ 1 แผนภาพการทำงานของระบบการแปลงความสูงของพัลส์ด้วยเทคนิควิลคินสัน
2. การพัฒนาวงจรแปลงสัญญาณอนาลอกเป็นดิจิตอลด้วยเทคนิควิลคินสัน
วงจรแปลงความสูงสัญญาณพัลส์อนาลอกเป็นสัญญาณดิจิตอลที่พัฒนาขึ้นเป็นแบบวิลคิน
สันซึ่งใช้ฐานความถี่ 100 MHz มีความละเอียดในการแปลงความสูงพัลส์ขนาด 11 บิต โดยได้
แยกการพัฒนาระบบแปลงสัญญาณนี้ออกเป็น 2 ส่วน คือ ส่วนของการจัดการสัญญาณอนาลอก
และส่วนของการจัดการสัญญาณดิจิตอล
2.1 ส่วนของการจัดการสัญญาณอนาลอก
การออกแบบสร้างวงจรในส่วนนี้ได้ใช้แนวทางและหลักการที่ได้ศึกษามาจากเครื่อง
วิเคราะห์ความสูงของสัญญาณพัลส์แบบหลายช่องของบริษัท Tracor Northern รุ่น TN
1705/1706 ซึ่งในการออกแบบได้เน้นการใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีจำหน่ายในประเทศเป็น
หลัก โดยได้เลือกใช้อุปกรณ์ที่มีสมรรถนะการทำงานสูง การรบกวนสัญญาณต่ำแต่ทำงานได้ดีที่
ความถี่สูงและขณะเดียวกันก็ต้องมีอัตราการสิ้นเปลืองพลังงานต่ำด้วย เมื่อได้คัดเลือกอุปกรณ์
อิเล็กทรอนิกส์ตามสเปคที่ต้องการแล้วจึงนำมาออกแบบเป็นวงจรที่มีการทำงานที่เลียนแบบ
ฟังค์ชันการทำงานของวงจรของบริษัท Tracor Northern แต่ละส่วนดังแสดงในแผนภาพรูปที่ 2
สำหรับแผนภาพของสัญญาณต่าง ๆ ที่ใช้กำหนดการทำงานในส่วนของการจัดการสัญญาณ
อนาลอกตลอดจนสัญญาณควบคุมการทำงานในระบบดิจิตอลที่นำมาใช้ในการออกแบบแสดงได้
ดังรูปที่ 3
การประชุมวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีนิวเคลียร์ครั้งที่ 10: 16-17 สิงหาคม 2550
ET11-4
4
รู
รูปที่ 2 แผนภาพวงจรแปลงสัญญาณพัลส์ในส่วนของสัญญาณอนาลอก
รู
รูปที่ 3 แผนภาพสัญญาณและเวลาต่าง ๆ ที่ใช้เป็นข้อมูลในการออกแบบวงจร
การประชุมวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีนิวเคลียร์ครั้งที่ 10: 16-17 สิงหาคม 2550
ET11-5
5
2.1 ส่วนของการจัดการสัญญาณดิจิตอล
วงจรแปลงสัญญาณพัลส์ในส่วนของการจัดการสัญญาณทางดิจิตอลถูกพัฒนาขึ้นโดย
การนำชิป CPLD (Complex Programmable Logic Device) ซึ่งเป็นไอซีดิจิตอลสมัยใหม่ที่มี
ความเร็วสูงและการสิ้นเปลืองพลังงานต่ำเพียงชิปเดียวมาประยุกต์ใช้แทนวงจรทั้งหมดของ
บริษัท Tracor Northern ซึ่งเดิมใช้ไอซีลอจิกตระกูล TTL และ CMOS โดยชิป CPLD นี้เป็น
อุปกรณ์ที่ได้ถูกออกแบบให้โครงสร้างของวงจรภายในประกอบด้วยวงจรลอจิกพื้นฐานต่างๆ
เช่น AND array OR array และ macrocells จึงทำให้สามารถนำมาออกแบบสร้างเป็นวงจรดิจิตอล
ได้ทั้งแบบวงจรคอมบิเนชั่น (Combination) และ ซีเควนเชียล(Sequential) จึงทำให้ง่ายต่อการ
นำไปออกแบบเป็นวงจรดิจิตอลในรูปแบบต่างๆ นอกจากนั้นยังสามารถจำลองการทำงานของ
วงจรที่ออกแบบไว้ได้โดยง่ายจากโปรแกรมที่ใช้พัฒนาชิป CPLD ของผู้ผลิตบริษัทหลังจากนั้นก็
สามารถโปรแกรมโครงสร้างวงจรทั้งหมดตามที่ได้ออกแบบไว้เข้าไปเก็บภายในชิปของไอซี
CPLD ได้ โดยข้อมูลจะไม่มีการสูญหายแม้จะไม่จ่ายไฟเลี้ยงให้ก็ตาม สำหรับรูปแบบและ
ฟังค์ชันการทำงานของส่วนการจัดการสัญญาณดิจิตอลที่ได้พัฒนาและโปรแกรมลงชิปไอซี
CPLD ที่มีจำหน่ายในประเทศแสดงดังรูปที่ 4
รู
รูปที่ 4 แผนภาพวงจรจัดการสัญญาณในส่วนดิจิตอล
ผลการทดลองและวิจารณ์
1. ขนาดเปรียบเทียบของบอร์ดที่ได้ทำการพัฒนาขึ้นกับบอร์ดของบริษัท Tracor Northern
ขนาดของบอร์ดที่เป็นส่วนของการจัดการสัญญาณอนาลอกที่ได้ทำการพัฒนาขึ้นแสดง
ดังรูปที่ 5ก. โดยที่ขนาดของบอร์ดที่เป็นส่วนของการจัดการสัญญาณดิจิตอลแสดงดังรูปที่ 6ก.
ขณะที่บอร์ดจริงของบริษัท Tracor Northern แสดงดังรูปที่ 5ข. และ 6ข. ตามลำดับ
รูปที่ 6 ขนาดเปรียบเทียบของบอร์ดที่เป็นส่วนของการจัดการสัญญาณดิจิตอล
รูปที่ 5ก. พัฒนาขึ้นเอง รูปที่ 5ข. ของบริษัท Tracor Northern
รู
2. การทดสอบในส่วนของอนาลอก
การทดสอบในส่วนของอนาลอกได้ทำการทดสอบความเป็นเชิงเส้นระหว่างขนาดความ
สูงของพัลส์ขาเข้าขนาดต่าง ๆ กับค่าเวลารันดาวน์ (Run Down Time) ปรากฏผลการทดสอบดัง
แสดงในตารางที่ 1 และรูปที่ 7 โดยรูปแบบตัวอย่างของสัญญาณที่ใช้ในการทดสอบแสดงดังรูปที่
8 จากรูปที่ 8ก. เป็นสัญญาณพัลส์ขาเข้าที่มีขนาดความสูงพัลส์ 5 V และรูปที่ 8ข. คือรูปแบบของ
สัญญาณรันดาวน์ขนาด 10.4 ไมโครวินาที ที่มีความสอดคล้องกับขนาดความสูงพัลส์ด้านขาเข้า
ตารางที่ 1 ขนาดความสูงของพัลส์ขาเข้าขนาดต่าง ๆ กับค่าเวลารันดาวน์
y = 2.0098x + 0.3776
R2 = 0.9995
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
0 2 4 6 8 10 12
ควา
กลุ่มขาแหล่งจ่ายไฟเลี้ยง และสัญญาณนาฬิกา
