Информационные технологии в физических исследованиях. Лабораторный практикум

«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

СОДЕРЖАНИЕ

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 И ЦИФРО-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  2 0  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: U ( N )  U max 

n 1 n 1 N U i  n max  a  2  U i  ai , i N max 2 1  1 i  0 i 0





(1.1)

где U i  U max 

2i 2

n 1

U max  U max  K i .  1 2n  i 

6

(1.2)

Таким образом, из формулы (1.1) видно, что операция преобразования сводится к суммированию некоторых напряжений U i , которые получаются делением эталонного напряжения U max 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  2 R, ..., Ri  2n i 1  R,..., R0  2 n 1  R.

В этом случае через каждый резистор течет ток Ii 

U max U max ,  Ri R 2 n  i 1

Рис. 1.1. Схема ЦАП с двоично-взвешенными резисторами (Клi – электронные ключи)

а ток через все резисторы составляет I max 

U max n 1

U max



n 1

 Ri

R

i 0

Если считать



 2 ni1

U max R

n 1

 2 ( ni1)  io

2U max . R

i 0

Yi Ri1

 R 1  2n i 1 проводимостью i-го участка,

n 1 то Ysum  1  2 ( n  i 1)  2 – суммарная проводимость всех сопро-

R i 0

R

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  a a U вых  URос  0  1  ...  n n11  . R 2 R0   0 2 R0 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 2 схемы R - 2R коэффициенты деления равны K i  / 2n  i . Следова3 тельно, U max 

2 U 0 , что является недостатком, поскольку для 3

схемы с двоично-взвешенными резисторами U max  U 0 .

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 R обратной связью RвхОУ  ос , где k – коэффициент усиления 1 k операционного усилителя. Характеристики и параметры ЦАП. Передаточная характеристика (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

Коэффициент передачи Kп характеризует усреднённый наклон передаточной характеристики и имеет размерность, определяемую как размерность входного сигнала/бит. Погрешность коэффициента передачи ΔKп – разность между идеальными и реальными значениями коэффициента передачи (или значениями предела шкалы). Погрешность смещения нуля Iсм.0 – выходной сигнал, соответствующий нулевому входному цифровому коду. Дифференциальная нелинейность Nдиф=Nдиф макс – отклонение разности двух аналоговых сигналов, соответствующих последовательной смене кодов от значения, соответствующего единице младшего значащего разряда. Измеряется в процентах или долях шага квантования Характеристики и параметры, описывающие динамические свойства ЦАП. Время установления выходного сигнала tуст (см. рис. 1.4) – интервал времени от момента изменения входного цифрового кода на 50 % до момента, при котором выходной сигнал окончательно войдёт в зону установившегося состояния Iвых=I0±∆I, соответствующего допустимому отклонению от номинального значения.

Рис. 1.4. График установления выходного сигнала 10

Время задержки tзд – интервал времени от момента изменения входного цифрового кода на 50 % до момента изменения выходного сигнала на 10 % от его установившегося значения. Время нарастания tн – интервал времени от момента достижения выходным сигналом уровня 10 % от его установившегося значения до момента достижения уровня, наименьшего номинального значения. Типичные значения этого параметра для микросхем различных серий следующие: 572ПА2 – tн = 15 мкс; Л1108ПА1 – tн = = 0,4 мкс; К118ПА1 – tн= 20 нс. Одним из важнейших элементов ЦАП является токовый «ключ», представленный на рис. 1.5. От скорости его срабатывания зависят такие характеристики ЦАП, как время задержки tзд, время нарастания tн и время установления стационарного состояния tуст. Опорное напряжение на базе VT2 создается цепочкой VD1, R3. Резистор Rэ выполняет функцию Рис.1.5. Схема токового ключа генератора тока, так как Rэ >> R1, R2. Когда напряжение Uу, подаваемое на базу VT1, меньше опорного ток протекает по цепи R3, VT2, Rэ. Если напряжение Uу больше опорного происходит коммутация тока, и ток протекает по цепи R1, VT1, Rэ. Время переключения токового ключа обычно меньше аналогичной величины для ключа напряжения, так как транзисторы VT1 и VT2 не насыщаются. 1.1.2. Аналого-цифровые преобразователи сигналов АЦП преобразуют непрерывный (аналоговый) электрический сигнал в дискретную цифровой форму. В процессе преобразования аналогового сигнала можно выделить несколько этапов: 1) дискретизация аналогового сигнала – выделение из непрерывного временного интервала временных точек, разделяющих время на периоды (шаги) дискретизации . Этим точкам соответствует ряд определенных (дискретных) значений аналогового сигнала; 11

2) квантование сигналов (выборка значений) – все сигналы указанного в п. 1 ряда квантуются (делятся) с заданным шагом квантования, причем в случае нецелочисленного деления производится округление с потерей остатка. Максимальное число квантов ставят в соответствие заранее заданному напряжению (например, 5 В). Потеря остатка от деления является максимальной неустранимой погрешностью – погрешность квантования; 3) кодирование в двоичный код – преобразование полученного числа квантов, соответствующих каждому измеряемому сигналу/напряжению в двоичный код. Классификация АЦП. К настоящему времени известны различные методы преобразования электрического сигнала/напряжения в цифровой код. В основу одного из вариантов классификации АЦП положен принцип, по которому происходит обработка аналогового сигнала (рис. 1.6). В соответствии с этим принципом все АЦП делятся на три группы, в которых используется: 1) параллельное преобразование– получение всего цифрового кода одновременно, 2) последовательное и 3) последовательно-параллельное – поочередное получение кода или его частей.

Рис. 1.6. Классификация АЦП 12

Циклический АЦП последовательного счета. АЦП включает в себя генератор тактовых импульсов (ГТИ), элемент логического умножения «&», двоичный счетчик, ЦАП, компаратор напряжений K (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Структурная схема циклического АЦП последовательного счета

При подаче импульса «пуск» на вход счетчика его содержание обнуляется, а подаваемый со счетчика нулевой код формирует на выходе ЦАП нулевой сигнал Uпреобр = 0. Данный сигнал на входе операционного усилителя, работающего в режиме компаратора, при ненулевом входном напряжении на другом его входе приводит к формированию на выходе компаратора высокого уровня (логическая «1»). При подаче логической «1» на один из входов микросхемы «И» прямоугольные импульсы от ГТИ проходят на выход микросхемы, а следовательно, поступают на вход счетчика импульсов. Счетчик производит счет этих импульсов и выдает на выходах Q0, Q1, …Qn-1 двоичный код числа сосчитанных на каждый момент времени импульсов. На выходе ЦАП значение Uпреобр ступенчато возрастает по мере счета импульсов (рис. 1.8.). Когда Uпреобр превысит Uвх (Uпреобр ≥ Uвх), компаратор переходит в другое устойчивое состояние, а на его выходе появляется логический «0». В ответ элемент «&» прекращает пропускать импульсы с тактового генератора ГТИ, и показания счетчика фиксируются, т.е. выходы X0, X1, …, Xn-1 выдают код, соответствующий аналоговому значению Uвх. Новый цикл преобразования начинается при подаче импульса «пуск». 13

Рис. 1.8. Временная диаграмма циклического АЦП последовательного счета

Ui , где Ui – величина напряжения, h соответствующая полученному двоичному коду, h – шаг квантования (напряжения). Максимальное значение (Ui/h)макс = 255 для восьмиразрядных АЦП, т. е. в неблагоприятных случаях T достаточно велико, что существенно замедляет оцифровку сигнала. Поэтому данная схема почти не используется, но, являясь самой простой реализацией АЦП, полезна для понимания принципа его работы. Циклический интегрирующий АЦП. Особенностью интегрирующих АЦП (рис. 1.9) является высокая помехоустойчивость, которая достигается увеличением времени преобразования: составляющая помехи интегрируется за время, много большее ее периода.

Время дискретизации T  

Рис. 1.9. Структурная схема циклического интегрирующего АЦП 14

Но нежелательным следствием является снижение быстродействия АЦП, если помеха сетевая. Для представленной на рис. 1.9 схеме АЦП двойного интегрирования. преобразование осуществляется в два этапа: интегрирования и счета. В начале первой стадии ключ S1 замкнут, а ключ S2 разомкнут. На интегратор И поступает напряжение Uвх. Время интегрирования входного напряжения t1 постоянно; в качестве таймера используется кольцевой счетчик с коэффициентом пересчета Kсч – отношение времени интегрирования к периоду счетчика, то есть количество импульсов за время интегрирования:

K сч 

t1 t такт

 t1  f такт  N max .

Принцип данного АЦП мало отличается от предыдущего. Так как в схеме есть накопительная ёмкость, то сигнал, поступающий на один из входов интегратора на операционном усилителе, постепенно возрастает, как только он сравняется с аналоговым сигналом по величине, дальнейшие действия будут такими же, что и в предыдущем АЦП. По окончании времени интегрирования t1 на выходе интегратора И напряжение Uс составляет: t1

U вх.ср K сч 1 U и (t1 )  U вх (t )dt   . RC f такт RC

 0

В этот момент времени происходит переключение ключей (S1 размыкается, S2 замыкается), а на вход И подается Uоп (противоположное по знаку Uвх). Время интегрирования второй стадии t2 определяется уравнением: 1 U и (t1 )  RC

t1  t2

 U оп (t )dt 0 , t1

то есть интегрирование заканчивается, когда Uс становится равным нулю. На рис. 1.10 представлены два случая для двух значений Uвх (сплошная и пунктирная линии). Поскольку время зарядки от входного сигнала фиксировано (t1 = const), напряжение на емкости в конце этапа зарядки линейно связано с Uвх. 15

Рис. 1.10. Временная диаграмма интегрирующего АЦП

Вместе с тем, скорость перезарядки емкости от Uоп является константой, а следовательно, как это видно из рис. 1.10, время полной зарядки и разрядки линейно связано с Uвх. Так, при Uвх2 = = 0,5Uвх1 имеем t22 = 0,5t21. Время t2 определяется через показание счетчика (коэффициент пересчета для 2-й стадии): n t2  2 , f такт где n2 – показания счетчика за период t2. В итоге зависимость показания счетчика на второй стадии от среднего значения анализируемого сигнала (Uвх.ср.) имеет вид: U вх.ср K сч n2  . U оп Из этой формулы следует, что отличительной особенностью метода двойного интегрирования является то, что ни тактовая частота, ни постоянная интегрирования RC, ни порог срабатывания компаратора не влияют на результат. Необходимо только потребовать, чтобы тактовая частота в течение времени t1 + t2 оставалась 16

постоянной, что легко достижимо на временах преобразования, характерных для серийных АЦП. Следящий АЦП последовательного счета (рис. 1.11). Заменой обычного счетчика на реверсивный в схеме циклического АЦП удается уменьшить период дискретизации. Изменение в алгоритме преобразования сигнала наглядно видно из временной диаграммы этого типа АЦП (рис. 1.12).

Рис. 1.11. Структурная схема нециклического АЦП последовательного счета («следящий»)

Рис. 1.12. Временная диаграмма нециклического АЦП последовательного счета 17

Принцип действия такого АЦП следующий. На первом шаге квантования Т1 порядок его работы аналогичен циклическому АЦП (см. рис. 1.12), а затем при переключении компаратора за счет инвертора и второго логического элемента «И» направление счета реверсивного счетчика меняется на обратное. Таким образом, в отличие от обычного циклического АЦП, у реверсивного вход состоит из двух каналов, построенных на логических элементах 1«И» и 2«И». Если у обычного циклического АЦП после достижения соотношения Uпреобр = Uвх, происходит сброс показаний счетчика и процесс нарастания Uпреобр начинается от нулевого значения Uпреобр, то в нециклическом АЦП меняется только направление счета. В итоге схема «следит» за сигналом, что позволяет уменьшить период дискретизации для гладкой зависимости Uвх(t), что в случае слабо изменяющегося сигнала является очевидным преимуществом. Однако здесь нет строгой синхронизации во времени такой привязки по времени. АЦП с поразрядным уравновешиванием. Число в системе исчисления с меньшей разрядностью может быть аналитически представлено в системе исчисления с большей разрядностью (например, двоичная в десятичной) как сумма вкладов каждого разряда в отдельности: n

 ail i i0

где i – разряд, ai – значение весового коэффициента i-го разряда («0» или «1»), li – “вес” текущего разряда. Алгоритм перевода числа из одной системы (с большей разрядностью) в другую (с меньшей разрядностью) можно осуществить двумя способами (на примере числа 10112 = 1110, см. табл.1.1). В первом способе мы сравниваем остаток от целочисленного деления числа на значение разрядов, начиная со старшего. Так, при делении числа 11 на 8 получаем 1 и 3 в остатке. Но 8 в двоичной системе исчисления есть 1 в четвертом разряде, которая и присваивается в двоичном числе. При делении остатка 3 на значение числа в старшем последующем разряде дает частное меньше единицы, поэтому в третьем разряде двоичного числа присваивается 0, и т.д. 18

Таблица 1.1 Пояснения к операциям, проводимым в АЦП по тактам № такта

1-й способ

2-й способ

11/8 = 1 (3 в остатке) (11–8)/4 = 0 (11-8)/2 = 1 (1 в остатке) (11–8–2)/1 = 1 (0 в остатке)

11/8 = 1 (3 в остатке) 11/(8 + 4) = 0 11/(8 + 2) =1 (1 в остатке) 11/(8 + 2 + 1) = 1 (0 в остатке)

Двоичная система 1 0 1 1

Во втором способе исходное число делится на сумму «весов»/значений разрядов (также в порядке убывания). Если сумма разрядов меньше исходного числа – к сумме прибавляется значение/вес следующего разряда, а если больше делимого, то результат деления обнуляется.

Рис. 1.13. Блок-схема АЦП с поразрядным уравновешиванием

Аналогичный 2-му способу алгоритм применяется для оцифровки аналогового сигнала. На рис. 1.13 представлена блок-схема, основным элементом которой является регистр последовательного приближения (РПП). РПП с каждым тактовым импульсом последовательно присваивает разрядам, начиная со старшего, значения «1». Так, для восьмиразрядного регистра первым двоичным числом будет 1000 0000. Если цифровой сигнал после преобразования в АЦП оказывается меньше аналогового, о чем будет свидетельствовать состояние компаратора, то «1» в текущем разряде сохраняется; в противном случае – заменяется на «0». Далее, при втором такто19

вом импульсе РПП выдаст сигнал 1100 0000. Для случая, представленного на рис. 1.14 во втором старшем разряде будет записан 0. При третьем тактовом импульсе по такому же принципу будет записана 1 в 3-м разряде, и т.д. Количество операций получения одного дискретного значения пропорционально разрядности n – этим определяется основное преимущество данной схемы – быстродействие. Естественно, что в Рис. 1.14. Временная диаграмма АЦП процессе преобразования в предес поразрядным уравновешиванием лах одного шага оцифровки сигнал должен изменяться незначительно. Для повышения надежности необходимо применять устройство выборки/хранения (см. разд. 2). АЦП параллельного преобразования. Одна из наиболее быстродействующих схем АЦП параллельного типа представлена на рис. 1.15.

Рис. 1.15. Структурная схема параллельного АЦП 20

n

АЦП содержит делитель напряжения ДН, задающий 2 –1 уровней квантования. С делителя напряжения потенциалы, соответствующие каждому уровню квантования подаются на входы 1 соответствующих компараторов. Входной сигнал Uвх подается на входы 2 тех же компараторов. Сравнение аналогового сигнала производится одновременно со всеми уровнями квантования напряжения n 2 –1; где n – разрядность АЦП. Так, для 8-ми разрядов это 255, а для 16 – 65535 элементов. Поэтому для данной схемы характерна сложность изготовления, а отсюда и высокая стоимость. На выходе цепочки компараторов устанавливается N логических «1» или «0», т.е. N – количество уровней квантования, соответствующих входному напряжению: Uвх = UмзрN, а Uмзр = Uмах/(2n – 1) – минимальный уровень квантования (равный одному младшему значащему разряду). Преобразователь кода (ПК) принимает комбинацию 2n–1 сигналов «1» или «0» и формирует на их основе в двоичном коде. Появление первых изменений сигнала на выходе ПК происходит быстрее процессов установления стабильного состояния, определяемых неидеальностью элементов. Например, «0» – у уровню сигнала соответствует 0–0,3 В, «1» – 2,7–3 В, а значения напряжения между этими пределами – состоянию «неопределенно». Поэтому используется внешний сигнал «запись», срабатывающий по истечении времени преобразования, с целью сохранения стабильных установившихся значений данных. На практике, для достижения высокого разрешения, используют несколько параллельных АЦП (последовательно-параллельные АЦП) по причине дороговизны многоразрядных схем. В этом случае, одна схема проводит грубую оцифровку, а вторая определяет значение аналогового сигнала более точно. Основные метрологические характеристики АЦП. Погрешность между напряжением и полученным цифровым эквивалентом определяется двумя составляющими: дискретизацией и квантованием. Шифрование не вносит искажений. Погрешность дискретизации можно свести к пренебрежимо малой величине при выполнении условия: частота дискретизации вдвое больше максимальной частоты в спектре «неискаженного» аналогового сигнала, разложенного с помощью преобразования Фурье на суперпозицию гармонических функций (теорема Котельникова). Погрешность кван21

тования определяется квантовым шумом, который по модулю меньше половины абсолютной разрешающей способности (т.е. шага квантования). Это является характерной особенностью преобразования непрерывной функции в дискретную. Поэтому погрешность может быть уменьшена только увеличением разрядности АЦП. Основные характеристики АЦП (в зависимости от назначения АЦП – точное или высокоскоростное измерение) делятся на: 1) СТАТИЧЕСКИЕ – при выполнении точных измерений; 2) ДИНАМИЧЕСКИЕ – при высокоскоростных измерениях. К статическим характеристикам АЦП относятся:  количество разрядов n (разрядность) – определяет количеn ство уровней квантования (2 –1) и, как следствие, шаг квантования и квантовый шум;  абсолютная разрешающая способность, также шаг квантования, или единица младшего значащего разряда (е.м.р.) – среднее изменение напряжения, эквивалентного повышению кода на двоичную 12, которая является единицей измерения остальных характеристик;  абсолютная погрешность преобразования в конечной точке шкалы – определяется отклонением реальной передаточной характеристики от идеальной (оговоренной для данного прибора), то есть разницей (в е.м.р. или процентах) между максимальными напряжениями – аналоговым и эквивалентом двоичного кода;  напряжение смещения нуля – определяет максимальное значение входного напряжения, при котором АЦП выдает 02;  нелинейность – определяет изменение передаточной характеристики в целом. Отклонение реального значения напряжения от идеального, соответствующего цифровому коду, определяется отношением реального шага квантования к идеальному (строго одинаковому для всех шагов);  дифференциальная нелинейность – определяет изменение отдельных шагов квантования. Определяется разностью (в е.м.р. или %) реального шага квантования и идеального. По знаку этого параметра можно судить о монотонности передаточной характеристики; 22

 динамический диапазон – отношение максимального и минимального входного напряжения, являющихся эквивалентами двоичного кода максимального числа («11…11»2) и минимального («00…01»2). Характеризует максимально достижимое на данном АЦП отношение сигнал/шум, при линейной передаточной характеристике. К динамическим характеристикам АЦП относятся:  максимальная частота дискретизации – определяет максимальную частоту дискретизации, при которой сигнал будет восстановлен корректно по полученным на выходе АЦП двоичным кодам (см. погрешность дискретизации);  время преобразования – определяет время выхода схемы АЦП на стабильный режим при подаче на вход прямоугольного скачка напряжения. Важнейшие метрологические характеристики АЦП. 1. Передаточная характеристика (характеристика квантования) связывает значение цифрового выходного кода преобразователя с входным значением аналогового сигнала с точностью до погрешности квантования (рис. 1.16).

Рис. 1.16. Передаточная характеристика АЦП 23

2. Коэффициент передачи Kп характеризует усреднённый наклон передаточной характеристики и имеет размерность, определяемую как бит, делённый на размерность входного сигнала. 3. Погрешность коэффициента передачи ΔKп – величина, характеризующая отклонение среднего значения реального коэффициента передачи от идеального (т.е. фиксированного по всей шкале). 4. Погрешность смещения нуля Xсм.0 – погрешность, характеризующая параллельный сдвиг всей передаточной характеристики относительно идеальной при нулевом значении цифрового кода на выходе. 5. Нелинейность – относительное отклонение усреднённой (сглаженной) передаточной характеристики относительно идеальной прямой. Сравнение разных типов АЦП. На рис. 1.17 показаны возможности основных архитектур АЦП по разрешению в зависимости от частоты дискретизации. Таким образом, оценив частотный спектр и динамический диапазон сигнала, который необходимо оцифровывать, можно сделать приблизительный выбор наиболее подходящего типа АЦП. Промежуточное положение между АЦП последовательного и параллельного типа занимают последовательно-параллельные АЦП (на рисунке не показаны) и применяются, когда необходим компромисс между быстродействием и ценой.

Рис. 1.17. Разрешение различных АЦП в зависимости от частоты дискретизации 24

Следует отметить достоинства и недостатки основных типов АЦП. Как уже отмечалось, наиболее быстродействующими из них являются АЦП параллельного типа. К главным их недостаткам следует отнести сложность изготовления, большую потребляемую мощность и дороговизну. Более просты в изготовлении, а следовательно, и дешевле (по сравнению с АЦП параллельного типа) последовательно-параллельные (многоступенчатые, многотактные и конвейерные). Но, к сожалению, они имеют и меньшее быстродействие. Наиболее простые и дешевые АЦП – последовательного типа (следящие, поразрядного уравновешивания). Хотя они могут иметь высокую разрядность, быстродействие их не высоко. Интегрирующие АЦП (двойного интегрирования, сигма-дельта АЦП) обладают высокой помехозащищенностью, имеют низкую стоимость, но быстродействие их также не высоко. 1.2. АНАЛОГО-ЦИФРОВОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ И ЗАПИСЬ СИГНАЛОВ В ЭВМ 1.2.1. Структурная схема устройств преобразования и записи аналоговой информации в цифровую Рассмотренные выше АЦП и ЦАП являются главными элементами при реализации функций преобразования и записи аналоговой информации в цифровой форме. Однако для успешной реализации указанной функции необходимо использовать еще ряд дополнительных важных элементов, без которых задачу решить нельзя. На рис. 1.18 представлена типичная структурная схема канала преобразования и записи аналоговой информации в цифровой форме. Входной сигнал поступает на усилитель (обычно с задаваемым программно коэффициентом усиления). Это необходимо для расширения динамического диапазона измеряемых аналоговых сигналов. Далее усиленный сигнал подается на устройство выборки/хранения (УВХ). Основная функция УВХ – выборка в заданные моменты времени и фиксация текущего значения амплитуды входного сигнала, а также его хранение в течение всего цикла (шага дискретизации) преобразования в цифровую форму. Как правило, выборка осуществляется в начале шага дискретизации, а время вы25

борки обычно составляет примерно 1/10 от длительности шага дискретизации. Существуют две причины, вызывающие необходимость применения УВХ. Во-первых, АЦП работает не мгновенно, а требуется некоторое время для преобразования аналогового сигнала в цифровую форму. Это время несколько меньше шага дискретизации. Во-вторых, за время преобразования аналоговый сигнал может изменяться (особенно для высокочастотных сигналов).

Рис. 1.18. Структурная схема канала преобразования и записи аналоговой информации в цифровой форме: У – усилитель, УВХ – устройство выборки/хранения, АЦП – аналого-цифровой преобразователь, СОЗУ – сверхоперативное запоминающее устройство, И – интерфейс, ПК – персональный компьютер, ПО – программное обеспечение

Устройство выборки/хранения. Устройство в определенные моменты времени, определяемые тактовыми импульсами, выбирает из меняющегося аналогового сигнала мгновенные значения измеряемой величины и подает их на выход (в нашем случае – на вход АЦП) в виде постоянного сигнала в течение всего шага дискретизации. УВХ в упрощенном виде показано на рис. 1.19. Полевой транзистор 2N3819 позволяет конденсатору С зарядиться до мгновенного значения входного напряжения за очень короткое время в каждом импульсе выборки. В интервале между импульсами выборок ключ на полевом транзисторе разомкнут (транзистор заперт) и заряд удерживается на конденсаторе вследствие применения операционного усилителя с входными полевыми транзисторами, имеющими большое входное сопротивление. В готовых схемах выборки и хранения применяются специальные МОП-транзисторы с малым сопротивлением в открытом состоянии, обеспечивающие быстрый заряд/разряд, а также усилители с большим входным со26

противлением и малым смещением, чтобы избежать спада напряжения на конденсаторе за время хранения.

Рис. 1.19. Схема устройства выборки/хранения (УВХ)

Сверхоперативное запоминающее устройство. Одним из важных элементов устройства преобразования и записи аналоговой информации в цифровую форму является сверхоперативное запоминающее устройство (СОЗУ). Особенно это важно при записи высокочастотных сигналов. Прямая запись данных в компьютер здесь не возможна из-за недостаточного быстродействия компаратора. Специальная организация памяти СОЗУ позволяет записывать информацию со скоростью 1 Гбайт/с и даже выше, что намного порядков выше скорости записи непосредственно в компьютер. Интерфейс. Обмен информацией между СОЗУ и персональным компьютером (ПК), безусловно, требует использования специального интерфейса (И). Интерфейс должен удовлетворять, с одной стороны, требованиям, обычно предъявляемым при подключении внешних устройств к ПК, с другой – могут быть и специальные требования. Частично специфика работы устройств преобразования и записи аналоговой информации в цифровой форме может быть отражена в программном обеспечении (ПО). 27

Генератор тактовых импульсов. В рассматриваемых каналах должен быть предусмотрен высокостабильный генератор тактовых импульсов. Такой генератор необходим для синхронизации работы всех элементов канала преобразования и, в первую очередь, для задания шага дискретизации АЦП. Стабилизация частоты в таких генераторах обычно производится с помощью кварцевых элементов. 1.2.2. Стандартные платы АЦП В настоящее время имеется широкий набор средств цифровой обработки масс-спектральной информации. В первую очередь, это касается серийных плат АЦП, предназначенных для работы в составе ПК. Среди них есть и достаточно высокоскоростные и имеющие высокую разрядность преобразования. Для примера в табл. 1.2 представлены некоторые из выпускаемых в настоящее время плат АЦП двух ведущих российских производителей, таких, как центр АЦП ЗАО «Руднев–Шиляев» и L–Card. Также в таблице приведены параметры ультрабыстродействующей платы на шине PCI ЛА-н1PCI, низкочастотные прецизионные на шине PCI ЛА-1,5PCI-14, L-761, L-791 и среднего быстродействия на шине PCI L-783. Таблица 1.2 Основные характеристики серийных плат АЦП Характеристика ЛА-н1PCI ЛА-1,5PCI-14 L-761 Разрядность 8 14 14 Частота дискре1 ГГц 400 кГц 125 кГц тизации Время преобра1 нс 2,5 мкс 8 мкс зования Погрешность