Сысоев Информационные технологии в физических исследованиях Лабораторный практикум 2009
.pdf«ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛГИИ В ФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ»
Лабораторный практикум
Москва 2009
Федеральное агентство по образованию РФ
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
«ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ»
Лабораторный практикум
Москва 2009
УДК 543.51(075)
ББК 35я7
И 20
Информационные технологии в физических исследованиях:
Лабораторный практикум./ А.А. Сысоев, А.А. Сысоев, С.С. Потешин, В.П. Иванов, Е.Е. Сильников. – М.: НИЯУ МИФИ, 2009. – 108 с.
Лабораторный практикум посвящается рассмотрению основополагающих подходов к автоматизации масс-спектрометрических устройств, применяемых в различных областях физических исследований. Приведены описания трех лабораторных работ по информационным технологиям в физических исследованиях. Пособие предназначено для студентов специальности «Физика кинетических явлений»
Рекомендовано редсоветом НИЯУ МИФИ в качестве учебного пособия.
Рецензент профессор В.М. Немчинов
© Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», 2009
ISBN 978-5-726-1159-6
Редактор Е.Н. Кочубей
Подписано в печать 20.07.2009. Формат 60х84 1/16 Изд. № 003-1. Печ.л. 6,75. Уч.-изд.л. 6,75. Тираж 100 экз. Заказ №
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ». Типография НИЯУ МИФИ. 115409, Москва, Каширское шоссе 31
С О Д Е Р Ж А Н И Е
Введение......................................................................................... |
4 |
Лабораторная работа 1 |
|
Ввод и обработка аналоговых сигналов в микроЭВМ................... |
5 |
Лабораторная работа 2 |
|
Запись масс-спектров с помощью цифрового осциллографа |
|
TDS5034B..................................................................................... |
39 |
Лабораторная работа 3 |
|
Автоматизация узлов лазерного времяпролетного |
|
масс-спектрометра с использованием персонального |
|
компьютера................................................................................... |
69 |
Лабораторная работа 4 |
|
Программный комплекс лазерного времяпролетного |
|
масс-спектрометра ЛАМАС 10.................................................... |
94 |
3
ВВЕДЕНИЕ
Интенсивное развитие цифровой и компьютерной техники, позволило практически во всех отраслях науки и промышленности успешно решать задачи максимальной автоматизации приборов, установок, технологических процессов и т.п. В случае автоматизации сложных объектов возможно как управление ими, так и получение информации о них в целом, их элементах, в том числе и обработка этой информации. Профессиональный подход к таким задачам не мыслим без понимания функционирования основных компонент систем автоматизации и их возможностей. В значительной степени это относится к масс-спектральным приборам, которые в последнее время выпускаются как высокоавтоматизированные аналитические устройства
Обычно обязательными составляющими систем автоматизации сложных объектов являются средства преобразования аналоговой информации в цифровую (АЦП – аналого-цифровые преобразователи) и цифровой информации в аналоговую (ЦАП – цифроаналоговые преобразователи). Определенную особенность имеют АЦП и ЦАП, предназначенные для компьютерной обработки высокоскоростных аналоговых сигналов (f 200-300 МГц). По этой причине преобразованию таких сигналов в цифровую форму и их первичной обработке уделено в данном практикуме повышенное внимание. В частности, рассматривается регистрация импульсных высокочастотных сигналов с помощью высокоскоростного АЦП и многоканального цифрового осциллографа.
Два других аспекта, связанных с автоматизацией сложных экспериментальных объектов, фиксируют внимание на аппаратных и программных средствах автоматизации. В качестве объекта автоматизации выбран лазерный времяпролетный масс-спектрометр. Описанные средства автоматизации, демонстрируемые в конкретном приложении, могут иметь более широкое применение. При некоторых модификациях описываемые в практикуме аппаратные и программные средства могут применяться и для автоматизации других приборов и установок.
4
Лабораторная работа 1
ВВОД И ОБРАБОТКА АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ В МИКРОЭВМ
Цель: изучение возможностей аналого-цифровых преобразователей при регистрации быстро меняющихся аналоговых сигналов.
1.1.АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ
ИЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Процесс автоматизации в той или иной области техники и промышленности включает следующие необходимые этапы: получение сигнала от контролируемого датчика, определение соответствия контролируемой величины/сигнала требуемому значению, выдачу корректирующего сигнала на восстановление данной величины или изменение ее в заданном направлении. Контролируемой величиной может быть давление, температура, напряжение или любая другая физическая величина. Такая величина с помощью специального датчика преобразуется в электрический сигнал по известному закону. Сигнал, величина которого меняется во времени, называется динамическим сигналом. Динамический сигнал можно описать как функцию времени. Непрерывные сигналы, изменяющиеся по мере того, как происходят изменения в (непрерывных) физических процессах, называют аналоговыми сигналами.
Поскольку обработку и формирование скорректированного сигнала для исполнительного элемента осуществляют, как правило, компьютеры в цифровом виде, а сигналы с датчика и предназначенного для исполнительного элемента являются аналоговыми, преобразование аналогового входного сигнала в цифровую форму и цифрового сигнала в аналоговую форму осуществляют АЦП и ЦАП. Процесс преобразования сигнала с непрерывным множеством значений в сигнал с дискретными значениями называется квантованием и реализуется с помощью АЦП. Любые аналогоцифровые преобразователи действуют не мгновенно, поскольку процедура преобразования требует некоторого времени (следующее преобразование в последовательности преобразований
5
возможно только тогда, когда выполнено предыдущее); производится взятие выборки сигнала, поэтому свойство непрерывности во времени теряется. Сигналы, дискретные по величине и во времени называют цифровыми сигналами. АЦП и ЦАП представляют собой электронные схемы (микросхемы), применяемые для указанных выше преобразований, соответственно, в цифровую и аналоговую формы.
Вместе с тем, в реальных устройствах в случае аналогоцифрового преобразования сигнала необходимо использование еще ряда вспомогательных интерфейсных устройств. Поэтому серийно выпускаются полномасштабные аналого-цифровые преобразователи, часто называемые «плата АЦП», которые включают весь комплекс необходимых элементов.
Следует также заметить, что схемотехнически при построении некоторых типов микросхем АЦП в качестве одного из главных элементов используют ЦАП. Поэтому вполне логичным является первоначально рассмотреть принципы построения ЦАП, их схемы и важнейшие характеристики.
1.1.1. Цифро-аналоговые преобразователи
ЦАП генерируют выходную аналоговую величину, соответствующую цифровому коду, поступающему на вход преобразователя. Смысл такого преобразования заключается в выработке на выходе напряжения U, пропорционального входному двоичному числу N. Используют двоичное представление числа N в виде:
n 1
N a0 20 a1 21 ... an 1 2n 1 ai 2i ,
i 0
где а0, а1, …, аn-1 – соответствуют разрядам двоичного числа (ноль или единица), n – максимальный разряд двоичного числа. Тогда U(N), можно записать следующим образом:
|
|
|
|
|
|
|
N |
|
|
|
Umax |
|
n 1 |
|
i |
|
|
n 1 |
||||||
U(N) Umax |
|
|
|
|
|
ai 2 |
|
Ui ai , (1.1) |
||||||||||||||||
Nmax |
|
|
n 1 |
1 |
|
|||||||||||||||||||
где |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
i 0 |
|
|
|
|
|
i 0 |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
2i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U |
i |
U |
max |
|
|
|
|
|
|
|
Umax |
|
U |
max |
K |
. |
(1.2) |
|||||||
|
|
n 1 |
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
2 |
1 |
|
2 |
n i |
|
|
|
i |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6
Таким образом, из формулы (1.1) видно, что операция преобразования сводится к суммированию некоторых напряжений Ui , ко-
торые получаются делением эталонного напряжения Umax с помощью резистивного делителя с коэффициентами деления, определяемыми значением Ki. Из суммы исключаются те Ui, для которых ai = 0. В качестве электронных ключей используют как ключи напряжения с невысоким быстродействием, так и более быстродействующие токовые ключи.
Для реализации преобразователя в соответствии с формулой (1.1) используют два вида ЦАП:
-с двоично-взвешенными резистивными цепями;
-с резистивной матрицей R - 2R. Задача преобразования решается,
если в схеме с двоично-взвешенными резисторами (рис. 1.1) используются следующие значения номиналов резисторов:
Rn 1 R,
Rn 2 2R, ..., Ri 2n i 1 R,...,
R0 2n 1 R.
В этом случае через каждый резистор течет ток
Ii |
Umax |
|
Umax , |
|
Ri |
R2n i 1 |
|
а ток через все резисторы составляет
Рис. 1.1. Схема ЦАП с двоич- но-взвешенными резисторами (Клi – электронные ключи)
|
|
|
Umax |
|
|
|
|
Umax |
Umax |
n 1 |
(n i 1) |
|
2Umax . |
|||
|
|
Imax |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
n 1 |
|
|
n 1 |
R |
|
R |
||||||||
|
|
|
Ri |
|
R 2n i 1 |
|
i o |
|
|
|||||||
|
|
|
i 0 |
|
|
|
|
|
i 0 |
|
|
|
|
|
|
|
Если считать Y R |
1 |
R 1 2n i 1 проводимостью i-го участка, |
||||||||||||||
|
|
|
i |
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
1 |
n 1 |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
то Ysum |
2 (n i 1) |
|
|
– суммарная проводимость всех сопро- |
||||||||||||
R |
R |
|
||||||||||||||
|
i 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
тивлений. Следовательно, Ki = Yi/Ysum = 1/2n–i. Сравнивая это выражение с (1.2), приходим к выводу, что выбранный делитель обеспечивает требуемое преобразование. Поскольку электронная схема
7
ЦАП обеспечивает сложение токов, обусловленных разными разрядами двоичного числа, то на ее выходе устанавливают операционный усилитель, включенный в режиме усилителя тока. В этом случае целесообразно выбирать R = 2Rос. Основная формула расчёта напряжения на выходе:
|
|
|
a |
0 |
|
a |
|
a |
n 1 |
|
|||
U |
вых |
UR |
|
|
|
1 |
... |
|
|
. |
|||
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
ос R |
|
2R |
2 |
n 1 |
R |
|
||||||
|
|
|
|
0 |
|
0 |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
ЦАП с двоично-взвешенными резистивными цепями исторически появились первыми, так как они наиболее простые для расчёта. Однако они имеют серьезный недостаток, так как требуют использования сопротивлений большого номинала прецизионной точности. В связи с этим они не получили широкого распространения.
Наибольшее распространение в интегральных схемах ЦАП получила схема с многозвенной резистивной матрицей R - 2R. На рис. 1.2 представлено инвертированное включение матрицы R - 2R с токовыми ключами. В интегральных и гибридных микросхемах ЦАП для повышения нагрузочной способности на выходе используют операционный усилитель, как это показано на рис. 1.2. Для
схемы R - 2R |
коэффициенты деления равны |
Ki |
|
2 |
/2 |
n i |
. Следова- |
|||||
3 |
|
|||||||||||
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
тельно, U |
|
|
U |
|
, что является недостатком, |
поскольку для |
||||||
max |
|
0 |
||||||||||
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
схемы с двоично-взвешенными резисторами Umax U0 .
Рис. 1.2. ЦАП с многозвенной резистивной матрицей R - 2R
8
ЦАП с резистивной матрицей R - 2R оказались намного проще в исполнении, дешевле и надёжнее. В таких ЦАП используются сопротивления всего го двух номиналов, что значительно снижает требования к точности их исполнения по сравнению с предыдущим ЦАП. Принцип действия этих ЦАП проще понять, если представить их схему в развёрнутом виде. Очевидно, что на выходе токовых ключей токи будут иметь одинаковые значения, соответственно суммарный ток на выходе всегда будет пропорционален числу, закодированному в двоичном коде с помощью переключателей. Для того чтобы выходящий сигнал не зависел от устройства, которое управляется данным ЦАП, используется операционный усилитель, обладающий постоянным входным сопротивлением, которое много меньше R. Так для операционного усилителя с параллельной
обратной связью RвхОУ Rос , где k – коэффициент усиления
1 k
операционного усилителя.
Характеристики и параметры ЦАП. Передаточная характе-
ристика (характеристика преобразования, рис. 1.3) определяет соответствие (с точностью до погрешности квантования) значений входного цифрового кода и выходной аналоговой величины. Передаточная характеристика задаётся набором точек.
Рис. 1.3. Передаточная характеристика ЦАП
9