СОДЕРЖАНИЕ

	ВВЕДЕНИЕ
1	ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
1.1	Методы электрохимических измерений
1.1.1	Кондуктометрический метод анализа
1.1.2	Основные законы и формулы кондуктометрии
1.2	Технические составляющие современного кондуктометрического анализа
1.2.1	ЦАП-АЦП
1.2.2	Усилители
1.2.3	Классификация датчиков и требования, предъявляемые к ним
1.2.4	Поверка датчиков
1.3	Учебно-лабораторный комплекс «Химия»
1.3.1	Модуль электрохимия
1.3.2	Универсальный контроллер
2	ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
2.1	Датчик
2.1.1	Поверка датчика
2.2	Программное обеспечение
2.2.1	Требования к программам
2.2.2	Программа для измерения – Visual Analyzer
2.3	Определение константы и степени диссоциации слабого электролита методом кондуктометрии
2.4	Определение растворимости и произведение растворимости малорастворимых солей (кондуктометрия)
2.5	Определение произведения растворимости малорастворимых солей (потенциометрия)
2.6	Определение среднего коэффициента активности электролита методом потенциометрии
	ВЫВОД
	ПРИЛОЖЕНИЕ
	СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Согласно Закону РК «Об образовании», Концепции образования РК до 2015 года и другим нормативным документам, основная тенденция развития высшего образования сводится к повышению качества подготовки специалистов, развитию инновационного образования, интегрированного с интенсивной научно-исследовательской деятельностью, тесной связи вузовских исследований с потребностями социальной сферы и экономики, совершенствованию образовательных и информационных технологий. [¹]

Современная химия развивается стремительными темпами, плодотворно сотрудничая с физикой, математикой, биологией и другими науками [²].

В целях развития Казахстана, а также для повышения уровня знаний и интереса к химии как к науке среди учащихся школ, специализированных учреждений, а также высших учебных заведений требуется вносить определенные улучшения в программу образования, совершенствуя лабораторные работы путем их компьютеризации. Именно поэтому данная дипломная работа имеет актуальное значение.

Цель работы – компьютеризировать лабораторные работы по электрохимии.

Для достижения цели поставлены следующие задачи:

1. Изучить методики проведения лабораторных работ по электрохимии

2. Разработать датчик для измерения электропроводности растворов

3. Подобрать программное обеспечение к разработанному датчику

4. Провести проверку датчика

5. Разработать методику проведения работ с использованием датчика

6. Проанализировать и охарактеризовать полученные результаты

Объект исследования: лабораторные работы по электрохимии

Предмет исследования: разработанный датчик для измерений электропроводности растворов

Практическое значение данной работы заключается в возможности использования собранного датчика в учебном процессе и в научно-исследовательской деятельности учащихся.

Научная новизна и практическая значимость данной работы:

1. Актуализация проблемы усовершенствования лабораторных работ по электрохимии

2. Научное осмысление данной проблемы имеет важное значение для дальнейшего развития химии, как науки.

При проведении исследования использовались такие методы как: изучение и анализ монографических публикаций и статей, лабораторных работ, составление диаграмм и графиков (математический метод), конкретизация и логическое обобщение полученных данных.

Структура дипломной работы обусловлена предметом, целью и задачами исследования. Работа состоит из введения, 2 основных глав, заключения, списка использованной литературы и приложений.

В введении раскрыты: актуальность данной работы, определены цели и задачи, объект и предмет исследования, указаны используемые методы, научная новизна и практическая значимость.

Теоретическую основу дипломной работы составляют труды таких авторов, как: Плэмбека Дж., Галюса З., Худякова Т.А, Крешкова А.П., Пейтона А.Дж., Волша В., Гёлль П., Виглеба Г.

В первой главе подробно описана общая теория электрохимических измерений. Особое внимание уделяется методам электрохимических измерений, а также датчикам применяемых в этой области.

Во второй главе дипломной работы описаны: внешний вид, материалы, применяемые при изготовлении, характеристики разработанного датчика. Особое место уделено программного обеспечения для корректной работы датчика и фиксированию данных полученных при его использовании.

В заключении подводятся итоги исследования, формируются окончательные выводы по рассматриваемой теме.

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1 ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

1.1 Методы электрохимических измерений

В настоящее время уделяется большое внимание совершенствованию учебно-воспитательного процесса. В преподавании химии должна усилиться роль лабораторных и практических работ, которые способствуют не только формированию практических умений, повышению качества знаний, развитию самостоятельности учащихся, но и усилению политехнической направленности преподавания химии [³].

Большую роль в улучшении процесса обучения и воспитания играют методы экспериментирования.

В химической науке применяют различные методы экспериментирования. Для школы представляют интерес микро-, полумикро- и макрометоды. В условиях школы правомерно сочетание различных методов экспериментирования, которые можно объединить в метод работы с малыми количествами реактивов.

Лабораторные опыты проводят преимущественно в процессе изложения нового материала, с целью подтверждения или исследования свойств веществ, выяснения зависимости свойств от строения [⁴].

В наше время увидеть опыт можно и при использовании современных средств обучения, при этом ни один обучаемый, и даже преподаватель не прикоснётся к реактивам, достаточно будет лишь нажать на кнопку устройства. Это очень удобно при изучении тем «Химическая связь», «Строение атома» и других, подобных этим темам. Однако это не приемлемо при изучении таких тем как «Растворы», «Основные классы неорганических (или органических) соединений» и всех тем, касающихся свойств этих веществ. Ведь многие опыты обучающиеся могут выполнить самостоятельно.

«Химическое превращение, химическая реакция есть главный предмет химии» (Н.Н. Семенов). Отсюда становится ясной важнейшая задача химии - выяснение строения вещества, зависимости свойств вещества от строения, получение вещества с заданными свойствами и выявление рациональных путей управления химическими процессами [⁵, ⁶].

Возвращаясь к выше упомянутым темам («Растворы») можно рассмотреть возможность частичной автоматизации и компьютеризации методов изучения свойств. В частности, интегрированное с ПК оборудование могут быть использовано при изучении электропроводности и некоторых других свойств растворов. Всё это возможно при использовании электрохимических методов анализа.

Электрохимические методы анализа – это совокупность методов качественного и количественного анализа, основанных на электрохимических явлениях, происходящих в исследуемой среде или на границе раздела фаз и связанных с изменением химического состава, структуры или концентрации анализируемого вещества [⁷]. Аналитическим сигналом может служить любой функционально связанный с концентрацией анализируемого раствора и поддающийся правильному измерению электрический параметр (сила тока, сопротивление, потенциал и др.),

Разновидности метода:

• электрогравиметрический анализ (электроанализ),

• внутренний электролиз,

• контактный обмен металлов (цементация),

• полярографический анализ,

• кулонометрия и др.

Суть электрогравиметрического анализа заключается в измерении массы вещества, выделяющегося на одном из электродов. Метод позволяет не только проводить количественные определения меди, никеля, свинца и др., но и разделять смеси веществ [⁸].

Кроме того, к электрохимическим методам анализа относятся методы, базирующиеся на измерении электропроводности (кондуктометрия) или потенциала электрода (потенциометрия). Некоторые электрохимические методы используются для нахождения точки эквивалентности в титровании (амперометрическое титрование, кондуктометрическое титрование, потенциометрическое титрование, кулонометрическое титрование).

Выделяют прямые и косвенные электрохимические методы. В прямых методах используют зависимость силы тока (потенциала и т.д.) от концентрации определяемого компонента. В косвенных методах силу тока (потенциал и т. д.) измеряют с целью нахождения точки эквивалентности в титровании определяемого компонента подходящим титрантом, т.е. используют зависимость измеряемого параметра от объема титранта.

Для любого рода электрохимических измерений необходима электрохимическая цепь или электрохимическая ячейка, составной частью которой является анализируемый раствор.

Электрохимические методы классифицируют в зависимости от типа явлений, замеряемых в процессе анализа. Различают две группы электрохимических методов:

1.  Методы без наложения постороннего потенциала, в основе которых лежит измерение разности потенциалов, которая, в свою очередь, возникает в электрохимической ячейке, состоящей из электрода и сосуда с исследуемым раствором. Данная группа методов называется потенциометрическими. В потенциометрических методах используют зависимость равновесного потенциала электродов от содержания ионов, участвующих в электрохимической реакции на поверхности электродов.

2.  Методы с наложением постороннего потенциала, основанные на измерении:

а) электрической проводимости растворов – кондуктометрия;

б) количества электричества, прошедшего через раствор – кулонометрии;

в) зависимости величины тока от приложенного потенциала – вольт-амперометрия;

г) времени, затрачиваемого на протекание электрохимической реакции – хроноэлектрохимические методы (хроновольтамперометрия, хронокондуктометрию).

В методах этой группы на электроды электрохимической ячейки налагают посторонний потенциал.

Электрохимическая ячейка – основной элемент приборов для электрохимического анализа. В методах без наложения постороннего потенциала она представляет собой гальванический элемент, в котором вследствие протекания химических окислительно-восстановительных реакций возникает электрический ток. В ячейке типа гальванического элемента с анализируемым раствором контактируют два электрода – индикаторный (рабочий) электрод и электрод с постоянным потенциалом – электрод сравнения, относительно которого измеряют потенциал индикаторного электрода. Потенциал индикаторного электрода зависит от концентрации вещества, Специальные приборы, которые служат для измерения разности потенциалов, называются потенциометрами.

В методах с наложением постороннего потенциала используют электрохимическую ячейку. На электродах данной ячейки происходит электролиз – окисление или восстановление вещества, – причиной которого является наложенный потенциал. В кондуктометрическом анализе применяют кондуктометрическую ячейку, в которой замеряют электрическую проводимость раствора. Электрохимические методы можно классифицировать по способу применения. По данной классификации выделяют прямые методы и электрохимическое титрование. В первом случае концентрацию веществ измеряют по показанию прибора, во втором индикацию точки эквивалентности фиксируют с помощью электрохимических измерений. В соответствии с этой классификацией различают потенциометрию и потенциометрическое титрование, кондуктометрию и кондуктометрическое титрование и т.д.

Приборы для электрохимических определений кроме электрохимической ячейки, мешалки, нагрузочного сопротивления включают устройства для измерения разности потенциалов, тока, сопротивление раствора, количества электричества. Эти измерения могут осуществляться стрелочными приборами (вольтметр или микроамперметр), осциллографами, автоматическими самопишущими потенциометрами. Если электрический сигнал от ячейки очень слабый, то его усиливают с помощью радиотехнических усилителей. В приборах методов с наложением постороннего потенциала важной частью являются устройства для подачи на ячейку соответствующего потенциала стабилизированного постоянного или переменного тока (зависит от типа метода). Блок электропитания приборов электрохимического анализа включает обычно выпрямитель и стабилизатор напряжения, который обеспечивает постоянство работы прибора. 

Потенциометрия объединяет методы, основанные на измерении ЭДС обратимых электрохимических цепей, когда потенциал рабочего электрода близок к равновесному значению.

Вольтамперометрия основана на исследовании зависимости тока поляризации от напряжения, прикладываемого к электрохимической ячейке, когда потенциал рабочего электрода значительно отличается от равновесного значения. Широко используется для определения веществ в растворах и расплавах (например, полярография, амперометрия).

Кулонометрия объединяет методы анализа, основанные на измерении количества вещества, выделяющегося на электроде в процессе электрохимической реакции в соответствии с законами Фарадея. При кулонометрии потенциал рабочего электрода отличается от равновесного значения. 

Диэлектрометрия объединяет методы анализа, основанные на измерении диэлектрической проницаемости вещества, обусловленной ориентацией в электрическом поле частиц (молекул, ионов), обладающих дипольным моментом. Диэлектрометрическое титрование используют для анализа растворов [⁹].

Кондуктометрический анализ основан на изменении концентрации вещества или химического состава среды в межэлектродном пространстве; он не связан с потенциалом электрода, который обычно близок к равновесному значению. Остановимся более подробно на данном методе анализа.

1.1.1 Кондуктометрический метод анализа

Кондуктометрия (от англ., conductivity - электропроводность и греч. metreo - измеряю), совокупность электрохимических методов анализа, основанных на измерении электропроводности жидких электролитов, которая пропорциональна их концентрации [¹⁰].

Основанием для кондуктометрических методов анализа служит измерение электропроводности исследуемых растворов. В кондуктометрическом анализе выделяется несколько методов:

• прямая кондуктометрия – метод, который позволяет напрямую определять концентрацию электролита посредством измерения электропроводности раствора с известным качественным составом;

• кондуктометрическое титрование – метод анализа, основанный на определении содержания вещества по излому кривой титрования. Кривую строят по измерениям удельной электропроводности анализируемого раствора, меняющейся в результате химических реакций в процессе титрования;

• хронокондуктометрическое титрование – основано на определении содержания вещества по затраченному на титрование времени, автоматически фиксируемого регистрирующими приборами на кривой титрования.

Все существующие в природе проводники, делятся на три класса в зависимости от механизма переноса электричества при прохождении через них электрического тока:

• электронные,

• ионные

• смешанные.

В электронных проводниках электроны являются переносчиками электрических зарядов. К этому классу относятся металлы, полупроводники, большинство металлических сплавов, углерод и некоторые твердые соли и окислы.

В класс ионных проводников входят газы и электролиты. В них перенос электрических зарядов осуществляется ионами, и прохождение тока сопровождается переносом вещества.

Класс смешанных проводников состоит из веществ, обладающих частично электронной и частично ионной проводимостью. К ним относятся, например, растворы щелочных и щелочноземельных металлов в жидком аммиаке, некоторые жидкие сплавы и соли (сульфид серебра, бромистая медь), характер проводимости которых меняется в определенном интервале температур, и другие вещества.

Область измерений электропроводности электролитов как одна из областей электрохимических измерений охватывает классы ионных и смешанных проводников. К ним относятся следующие типы веществ:

• чистые вещества в твердом состоянии (галогениды серебра, бария, свинца и других металлов), в жидком состоянии (вода, спирты, кислоты и т. д.), расплавленные соли и гидриды;

• растворы одного или нескольких веществ в твердом состоянии, в расплаве, коллоидные и истинные жидкие водные и неводные растворы в неорганических и органических растворителях: окислов, солей кислот, оснований и некоторых элементарных веществ.

Области применения кондуктометрии можно разделить на три большие группы:

Кондуктометрия в физических и физико-химических исследованиях как один из методов исследования строения чистого вещества, растворов и кинетики физико-химических процессов.

Аналитическая кондуктометрия, в том числе и автоматические методы, применяемые, для контроля производственных процессов.

В кондуктометрическом титровании для анализа индивидуальных веществ и разнообразных смесей используются самые различные типы химических реакций: нейтрализации, осаждения и комплексообразования в водных и неводных растворах [¹¹].

При кондуктометрическом титровании электропроводность измеряют после добавления каждой порции титранта. Зависимость электропроводности раствора, от количества добавленного титранта изображают графически. Полученный график называется кривой кондуктометрического титрования. Кондуктометрические кривые имеют излом, соответствующий точке эквивалентности. Однако изменение электропроводности раствора при титровании не всегда происходит линейно. Нелинейный ход кривой титрования имеет место в тех случаях, когда реакция протекает не количественно или же в процессе титрования изменяется степень диссоциации или степень гидролиза веществ, участвующих в реакции.

Кондуктометрическое титрование позволяет использовать и реакции, протекающие не количественно. В этом случае необходимо, чтобы электропроводность изменялась линейно только на отдельных участках кривой титрования до и после точки эквивалентности. Затем продолжают прямолинейные участки кривых титрования до их пересечения и находят точку эквивалентности с достаточно высокой точностью [¹²].

В некоторых случаях при количественном протекании реакции может наблюдаться нелинейность кривой титрования. Такие кривые можно использовать для определения точки эквивалентности только в том случае, если перед точкой эквивалентности проводимость из­менялась линейно.

При использовании автоматических методов кондуктометрического титрования анализ обычно проводится при постоянной скорости истечения титранта и концентрацию определяемого вещества определяют по времени титрования. Такой метод называется хронокондуктометрическим титрованием. При хронокондуктометрическом титровании обычно производится автоматическая запись кривой титрования. В этом случае время титрования можно определить или длиной диаграммной ленты от начала титрования до точки эквивалентности, или по количеству интервалов между точками до излома кондуктометрической кривой. При автоматической записи кривых титрования расширяется возможность применения реакций, сопровождающихся нелинейными изменениями электропроводности раствора в частности для реакций, протекающих не количественно.

Кондуктометрические методы анализа позволяют производить определение в окрашенных и мутных растворах, в присутствии окислителей и восстановителей, ограничивающих, например, применение кислотно - основных индикаторов. При использовании кондуктометрических методов можно производить анализ (как в концентрированных растворах, так и в разбавленных до10^-4 моль/л) [¹³].

Недостатком кондуктометрических методов анализа является отсутствие избирательности при работе с многокомпонентным раствором. Точность определения обычно от 0,1 до 2%.

1.1.2. Основные законы и формулы кондуктометрии

 

Кондуктометрия располагает несколькими законами:

1. В очень разбавленных растворах (предельно разбавленных) эквивалентная электропроводность (λ₀) является постоянной характеристикой раствора, не зависящей от изменения концентрации электролита. Говоря простым языком, это означает, что в разбавленных растворах электропроводность прямо пропорциональна количеству заряженных частиц – ионов.

Для растворов сильных электролитов область предельного разбавления простирается до концентрации 0,0001н, а с небольшой погрешностью можно считать границей предельного разбавления концентрацию 0,001н.

Для расчетов в области больших концентраций существует формула Кольрауша, но ее нельзя использовать для прогноза, поскольку она носит явно эмпирический характер:

λ = λ₀ + K C ^1/2 

2. Предельная эквивалентная электропроводность раствора электролита равна сумме эквивалентных электропроводностей катиона и аниона.

3. Эквивалентные электропроводности подавляющего числа ионов близки друг к другу по величине. Анализ экспериментальных данных показывает, что при 18 ⁰С для катионов λ₀ = 0,0053 ± 0,0019 Ом^-1 м² г-экв^-1 и для анионов λ₀ =0,0055 ± 0,0027 Ом^-1 м² г-экв^-1. При 25 ⁰С λ₀ = 0,0062 ± 0,0023 Ом^-1 м² г-экв^-1 для катионов и λ₀= 0,0064 ± 0,0031 для анионов. Исключение составляют ионы H⁺ , OH^- , , , электропроводности которых аномально высоки:

Таблица 1

Эквивалентная электропроводность

Ион	Эквивалентная электропроводность, λ0, Ом-1 м2 г-экв-1
	18 0С	25 0 С
H+	0,0315	0,03497
1/3	-	0,01009
1/4	-	0,01105
OH-	0,0174	0,01976

4. Температура анализируемого раствора оказывает существенное влияние на измеряемые величины удельной электропроводности. В настоящее время не существует способа удовлетворительного описания влияния температуры на электропроводность. Причина – слишком большое влияние индивидуальной природы растворенных веществ на температурный коэффициент. Известно лишь то, что при повышении температуры на один градус удельная электропроводность раствора в среднем увеличивается на 1–2,5%.

Кондуктометрический метод анализа основан на измерении электропроводности анализируемого раствора. Электропроводностью называют величину, обратную электрическому сопротивлению R. Единицей измерения электропроводности является Ом^-1 или сименс (См). Растворы электролитов, являясь проводниками II рода, подчиняются закону Ома. По аналогии с сопротивлением проводников I рода, сопротивление раствора прямо пропорционально расстоянию между электродами l и обратно пропорционально площади их поверхности S

R = ρS/l

где ρ – удельное сопротивление (Ом ∙ см). При l = 1 см и S = 1 см², имеем R = ρ, следовательно, удельное сопротивление равно сопротивлению 1 см³ раствора, находящегося между двумя параллельными пластинами площадью 1 см², отстоящими друг от друга на 1 см.

Величину, обратную удельному сопротивлению, называют удельной электропроводностью χ = 1/ρ. Удельная электропроводность (См ∙ см^-1) численно равна току (в амперах), проходящему через слой раствора с поперечным сечением, равным единице, под действием градиента потенциала 1 В на единицу длины.

Электропроводность разбавленных растворов электролитов зависит от числа ионов в растворе (т.е. от концентрации), числа элементарных зарядов, переносимых каждым ионом (т. е. от заряда иона), и от скорости движения одинаково заряженных ионов к катоду или аноду под действием электрического поля. С учетом всех этих факторов электропроводящие свойства ионов характеризуют эквивалентной ионной электрической проводимостью (подвижностью).

Эквивалентной электрической проводимостью называют проводимость раствора, содержащего 1 моль эквивалента вещества и находящегося между двумя параллельными электродами, расстояние между которыми 1 см. Ее единицей измерения является См ∙ см² ∙ моль^-1.

Удельная и эквивалентная проводимости связаны соотношением:

l = 1000 χ / с,

где с – молярная концентрация эквивалента, моль ∙ экв/л.

Методы прямой кондуктометрии основываются на том, что в области разбавленных и умеренно концентрированных растворов электрическая проводимость растет с увеличением концентрации электролита.

При проведении экспериментальных исследований зачастую используется градуировочная кривая зависимости электрической проводимости раствора от концентрации тех или иных электролитов (рисунок 1), которая строится заранее по растворам с известной концентрацией электролита. Кондуктометрические измерения позволяют получить информацию главным образом лишь об общем содержании ионов электролита в растворе. Это связано с тем, что значения подвижностей ионов имеют относительно близкие значения. Фактором, заметно ограничивающим применение кондуктометрического метода, является малая избирательность (селективность).

Измерения электрической проводимости растворов широко применяют в титриметрическом анализе для определения точки эквивалентности (кондуктометрическое титрование). В методах кондуктометрического титрования измеряют электрическую проводимость раствора после добавления небольших определенных порций титранта и находят точку эквивалентности графическим методом с помощью кривой в координатах c – χ_{титранта} (удельная электропроводность – объем раствора титранта). Практически в этом методе могут быть использованы такие химические реакции, в ходе которых происходит резкое изменение (обычно возрастание) электрической проводимости после точки эквивалентности (реакции кислотно-основного взаимодействия, осаждения и т. д.).

Рисунок 1 – пример градуировочной кривой зависимости электрической проводимости раствора от концентрации тех или иных электролитов

Токи, имеющие частоту порядка мегагерц и десятков мегагерц, называют токами высокой частоты. При таких частотах в растворе начинают играть роль эффекты молекулярной, или деформационной, и ориентационной поляризации. Поляризация обоих типов вызывает кратковременный электрический ток (ток смещения). Кроме того, поляризация молекул приводит к существенному изменению диэлектрической и магнитной проницаемостей раствора, что открывает новую возможность исследования свойств системы при титровании.

При построении кривой высокочастотного титрования показания прибора откладывают по оси ординат как функцию объема добавленного титранта. Промышленностью выпускаются стандартные высокочастотные титраторы.

В ячейках высокочастотного титрования электроды не соприкасаются с исследуемым раствором, что является одним из существенных достоинств метода.

1.2 Технические составляющие современного кондуктометрического анализа

1.2.1 ЦАП-АЦП

Развитие химической науки и химического эксперимента, в частности, достигло высокого уровня. Сегодня практически невозможно представить направление химического исследования, которое не было бы автоматизировано. На современном этапе возможно проведение любого эксперимента хотя бы частично в автоматическом режиме. Раньше, для более точных измерений, использовались различного рода датчики, pH-метры, полярографы, потенциометры, титрометры и т.д. Сейчас большинство из этих устройств уже не используются, ведь компьютер с небольшим набором датчиков способен заменить несметное количество оборудования. Так называемый «обмен информацией» между датчиками и персональным компьютером производится посредством преобразователей АЦП-ЦАП. Итак, мы можем наблюдать такую картину, что для получения точных данных в ходе измерений на помощь исследователю приходит техника.

Цифровая обработка сигналов - относительно новое направление в электронике. Оно возникло и быстро развилось во второй половине двадцатого века. Цифровые методы, основывающиеся на использовании микропроцессоров, проникли во множество областей радиоэлектроники. Это привело к созданию ранее не существовавших способов обработки сигналов. С помощью программных методов получены такие результаты, которые ранее были достижимы только сложными аппаратными средствами. Одновременно развилась новая технология создания монолитных интегральных схем, объединяющих на одном кристалле аналоговые и цифровые устройства. Такие комбинированные микросхемы и гибкие системы цифровой обработки оказались исключительно перспективными благодаря своей дешевизне, относительной простоте и гибкости. При этом собственно аналоговая электроника, несмотря на совершенствование технологии операционных усилителей, как-то уходила в тень. Сейчас же хорошее знание аналоговой электроники приобретает большее значение, поскольку по мере развития систем цифровой обработки повышаются требования к качеству входных и выходных аналоговых сигналов. По-прежнему необходимо и аппаратное макетирование новых разработок независимо от того, производится ли оно в конструкторском бюро опытным инженером или в институтской лаборатории студентами, находящимися только в начале своего инженерного пути. Программное моделирование аналоговых схем, безусловно полезное и инженерам, и студентам, не заменит того непосредственного опыта, который дают экспериментальные исследования [¹⁴].

Виртуальные приборы (virtual instruments) (компьютерно-ориентированные приборы) - компьютерные программы, исполняющие, с помощью компьютера и относительно несложного оборудования (аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей, сенсоров и исполнительных устройств), функции различных приборов. Виртуальные приборы используют как для замены обычных приборов, так и для реализации уникальных измерений, для которых не существует стандартных измерительных приборов. Взаимодействие программы виртуального прибора с внешним миром, в некоторых случаях, может обеспечиваться стандартными устройствами персонального компьютера, например, звуковой платой, но в большинстве случаев необходимо специальное оборудование. Несложные осциллографы и генераторы сигналов, использующие звуковую плату, вполне пригодны для ознакомления с основами анализа сигналов. Еще одно имеющееся в персональном компьютере устройство - игровой порт может использоваться виртуальными приборами в качестве индикатора замыкания электрических цепей и служить исполнительным устройством, например, виртуального омметра. Для программной реализации более сложных приборов к компьютеру необходимо подключить дополнительное оборудование. В реальном мире физические величины изменяются непрерывно, а компьютер оперирует цифровыми данными, поэтому наиболее важными из дополнительных устройств являются платы аналого-цифрового и цифро-аналогового сопряжения. С их помощью виртуальные инструменты получают информацию от различных датчиков и генерируют сигналы произвольной формы для управления исполнительными устройствами. Виртуальные приборы не только выполняют измерения, они особенно полезны для проведения исследований, требующих сложных воздействий на изучаемые объекты, а также для анализа многомерных откликов непосредственно в ходе эксперимента.[¹⁵]

Существует множество способов для преобразования аналогового сигнала – электрического напряжения или тока, изменяющегося плавно и непрерывно – в поток цифровых данных, представляющих собой дискретную кодированную последовательность импульсов. На практике чаще всего используется аналого-цифровое преобразование с помощью импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). В этом случае процесс начинается с представления непрерывного сигнала в виде последовательности отсчётов, которые берутся через определённый промежуток времени (иначе говоря, с определённой частотой дискретизации). Эту функцию выполняет схема, называемая устройством выборки-хранения. Запоминая мгновенное значение входного сигнала (чаще всего на конденсаторе), это устройство обеспечивает сохранение величины взятого отсчёта на время процесса оцифровки. Процесс оцифровки состоит в представлении амплитуды каждого отсчёта в форме двоичного кодового слова с определённым количеством разрядов. Способ, используемый для выполнения такой оцифровки, и определяет возможности, сложность и цену аналого-цифрового преобразователя.[¹⁶]

Аналого-цифровой преобразователь необходим для преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму, к работе с которой приспособлены цифровые вычислительные машины. С помощью ЦВМ можно обработать любой аналоговый сигнал, если он допускает преобразование в соответствующее аналоговое напряжение, которое затем подают на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП). АЦП представляет собой отдельную интегральную микросхему (или их набор), на вход которой подаётся аналоговое напряжение, а с выхода снимается его цифровое представление в параллельном коде. Выход АЦП может быть организован в простом двоичном или двоично-десятичном коде. Данные в цифровой форме нельзя непосредственно использовать для получения многих аналоговых управляющих сигналов, необходимых при проведении электрохимических измерений (например, для получения входного управляющего напряжения потенциостата). Цифровой выход часто менее удобен для записи выходного сигнала или восприятия оператора, чем те же данные в аналоговой форме. По этим причинам иногда применяют цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). В качестве такого преобразователя используют одну или более интегральных микросхем, на вход которых подают цифровые данные в параллельном коде, а с выхода снимают аналоговое выходное напряжение [¹⁷]. В электронике цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) — устройство для преобразования цифрового (обычно двоичного) кода в аналоговый сигнал (ток, напряжение или заряд). Цифро-аналоговые преобразователи являются интерфейсом между дискретным цифровым миром и аналоговыми сигналами. ЦАП применяется всегда, когда необходимо преобразовать сигнал из цифрового представления в аналоговое, например, в проигрывателях компакт-дисков (Audio CD).

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) – устройство для преобразования цифрового (обычно двоичного) кода в аналоговый сигнал (ток, напряжение или заряд). Цифро-аналоговые преобразователи являются интерфейсом между дискретным цифровым миром и аналоговыми сигналами.

Звуковой ЦАП обычно получает на вход цифровой сигнал в импульсно-кодовой модуляции. Задача преобразования различных сжатых форматов в PCM выполняется соответствующими кодеками.

ЦАП находятся в начале аналогового тракта любой системы, поэтому параметры ЦАП во многом определяют параметры всей системы в целом. Далее перечислены наиболее важные характеристики ЦАП.

Разрядность – количество различных уровней выходного сигнала, которые ЦАП может воспроизвести. Обычно задается в битах; количество бит есть логарифм по основанию 2 от количества уровней. Например, однобитный ЦАП способен воспроизвести два ( ) уровня, а восьми битный – 256 ( ) уровней. Разрядность тесно связана с эффективной разрядностью, которая показывает реальное разрешение, достижимое на данном ЦАП.

Максимальная частота дискретизации – максимальная частота, на которой ЦАП может работать, выдавая на выходе корректный результат. В соответствии с теоремой Найквиста – Шеннона (известной также как теорема Котельникова), для корректного воспроизведения аналогового сигнала из цифровой формы необходимо, чтобы частота дискретизации была не менее, чем удвоенная максимальная частота в спектре сигнала. Например, для воспроизведения всего слышимого человеком звукового диапазона частот, спектр которого простирается до 20 кГц, необходимо, чтобы звуковой сигнал был дискретизован с частотой не менее 40 кГц. Стандарт Audio CD устанавливает частоту дискретизации звукового сигнала 44,1 кГц; для воспроизведения данного сигнала понадобится ЦАП, способный работать на этой частоте. В дешевых компьютерных звуковых картах частота дискретизации составляет 48 кГц. Сигналы, дискретизованные на других частотах, подвергаются передискретизации до 48 кГц, что частично ухудшает качество сигнала.

Монотонность – свойство ЦАП увеличивать аналоговый выходной сигнал при увеличении входного кода.

Динамический диапазон – соотношение наибольшего и наименьшего сигналов, которые может воспроизвести ЦАП, выражается в децибелах. Данный параметр связан с разрядностью и шумовым порогом.