Сысоев Информационные технологии в физических исследованиях Лабораторный практикум 2009

Федеральное агентство по образованию РФ

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

«ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ»

Лабораторный практикум

Москва 2009

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:

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

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:

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 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