Сысоев Информационные технологии в физических исследованиях Лабораторный практикум 2009

30

Рис. 1.20. Функциональная схема платы ЛА-н05

Схема защиты (рис. 1.21) построена на базе двух резисторов с суммарным сопротивлением R = 50 Ом (30 Ом + 20 Ом) и двух диодов с подключенными к ним источниками питания ( 15 В). Программируемый аттенюатор состоит из схем деления, усиления и аппаратного смещения входного сигнала для обоих каналов 0 и 1, которые позволяют привести в соответствие входные диапазоны платы к рабочему диапазону АЦП. Напряжение смещения задается дискретно и имеет 255 уровней, что позволяет плавно изменять характеристику преобразования одного АЦП или обоих одновременно.

Рис. 1.21. Схема защиты АЦП от перенапряжения

После прохождения программируемого аттенюатора сигнал поступает через схему выбора режима на вход одного из АЦП. Предусмотрена возможность работы платы ЛА-н05 в одноканальном режиме с удвоенной частотой преобразования 200 МГц. Для этого служит схема выбора режима 100 или 200 МГц на входе АЦП. Выбор режима осуществляется программно, при этом если выбран режим 200 МГц (одноканальный режим канал 0), то плата становится одноканальной (вход 0 канал), и оба АЦП работают попеременно. Суммарная частота дискретизации платы ЛА-н05 удваивается до 200 МГц. АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровую форму (цифровые данные). Цифровые данные с выхода АЦП поступают через буфер и регистр данных в ОЗУ платы, откуда могут быть считаны с помощью контроллера МХ и схемы ввода/вывода в компьютер.

Аналоговые входы платы имеют защиту от перегрузок по напряжению ±15 В и отключаемый режим дифференцирования входного сигнала. При включенном дифференцировании пропускается

31

только переменная составляющая входного сигнала, при отключенном дифференцировании пропускаются переменная и постоянная составляющие входного сигнала.

Основное назначение многофункционального контроллера АЦП (МХ на рис. 1.20) – согласование работы АЦП с внутренним ОЗУ. Контроллер АЦП управляет режимом запуска преобразования и использования ОЗУ. Он состоит из высокостабильного задающего кварцевого генератора с тактовой частотой 100 МГц, схемы задания частоты дискретизации, счётчика адреса и схемы задания объёма предыстории. Контроллер АЦП позволяет:

-выбирать частоту дискретизации с внешнего разъёма XP2 или кратную частоте высокостабильного кварцевого генератора с частотой 100 МГц, расположенного на плате ЛА-н05. Возможно задание частоты от 6 кГц до 100 или 200 МГц в одноканальном режиме

скоэффициентом деления, кратным 2;

-задавать объём предыстории ОЗУ;

-согласовывать работу каналов АЦП с внутренним ОЗУ. Генератор тактовой частоты АЦП может быть внешний или

внутренний. Внешним генератором тактовой частоты АЦП является ТТЛ-совместимый сигнал, подаваемый на разъем XP2, внутренним источником служит кварцевый генератор. Внешняя тактовая частота может использоваться для согласования момента запуска АЦП с какими-либо внешними устройствами. Схема синхронизации позволяет синхронизировать работу платы по уровню от одного из аналоговых каналов или воспользоваться внешним сигналом с разъёма XP1.

Циклическое внутреннее ОЗУ содержит 256К слов на каждый канал. Объём используемого ОЗУ может быть программно уменьшен до 2К слов. Порядок работы ОЗУ следующий. После прихода команды пуска преобразования данные с АЦП циклически (непрерывно) записываются в выбранную часть ОЗУ, которая называется предысторией. Пока выбранный объём предыстории не заполнен, синхроимпульсы блокируются и не обрабатываются. После того, как предыстория заполнена и пришёл синхроимпульс, начинает записываться часть ОЗУ за вычетом объёма предыстории. Эта часть ОЗУ называется историей. Теперь данные каждого канала могут быть считаны в память компьютера. При этом сначала идут данные предыстории, а затем истории.

32

Порядок чтения данных из регистров обеспечивается фрагментом программы чтения на языке Си. Схема ввода/вывода данных в компьютер полностью совместима с протоколом ISA-16 IBM PC и содержит необходимые внутренние регистры для управления платой. Плата ЛА-н05 для управления основными режимами имеет СБИС, конфигурация которой загружается программно. Для её работы необходим загрузочный программный модуль. Он должен запускаться непосредственно перед работой с платой или во время загрузки компьютера, а также отдельный модуль загружается при смене режима дискретизации.

В случае записи масс-спектральной информации плата АЦП работает в режиме внешнего запуска, чтобы согласовать момент ее запуска с каким-либо внешним устройством, например, с моментом ионизации во времяпролетном масс-спектрометре.

При построении регистрирующих систем с большим динамическим диапазоном существуют два пути. Первый из них предполагает один сигнальный выход с детектора и использование двух параллельно установленных усилителей, работающих от одного входного каскада. Второй путь предполагает применение комбинированного детектора, в котором сигналы выводятся с двух ступеней с различными коэффициентами усиления.

Два параллельно работающих АЦП оцифровывают аналоговый масс-спектр с частотой fвыб = 100 МГц. По сигналам с тактового генератора в СОЗУ1 и СОЗУ2 переписывается информация из соответствующего АЦП. При окончании оцифровки полного массспектра система регистрации выставляет процессору запрос на запись информации в ОЗУ компьютера. При готовности процессора происходит перекачка информации в память компьютера. Сбор и накопление масс-спектрометрических данных в описанной системе регистрации предусматривает два режима. В первом режиме все масс-спектры записываются индивидуально в один файл, и каждый из них может быть выведен на экран монитора отдельно. Во втором

– масс-спектры из двух каналов записываются в два файла, а затем обрабатываются с целью получения одного итогового массспектра, но в большем динамическом диапазоне.

33

Основные технические характеристики рассмотренной платы АЦП:

Число аналоговых входов ...........................			2 синхронных однополюс-
			ных канала АЦП
Параметры входа.........................................			1 МОм, 3О пФ
Входной сигнал ...........................................			Переменный или перемен-
			ный и постоянная состав-
			ляющая
Полоса пропускания (–3 дБ)........................			100 МГц
Диапазоны входного напряжения...............			±5 В; ±2,5 В; ±1В; ±0,5 В
Максимальное входное напряжение...........			±5 В
Защита по напряжению аналоговых
входов (при включенном питании)...........			±15 В
Объем буфера памяти..................................			256 Кбайт (128 Кбайт на
			канал)
Обмен данными между прибором и ПК .....			Программный ввод/вывод
			или по прерыванию IRQ
Тип АЦП......................................................			Параллельный
Разрешение..................................................			10 бит
Время преобразования	................................		10 нс
Максимальная частота дискретизации .......			100 МГц в двухканальном
			режиме
Запуск АЦП.................................................			От внутреннего кварцевого
			генератора или синтезатора
			частоты (опция), от внеш-
			ней тактовой частоты
				Таблица 1.3
Статические параметры аналого-цифрового канала
Вид искажений		Типовое значение		Максимальноезначение
Дифференциальная		±0,1 м.з.р.		±0,3 м.з.р.
нелинейность
Интегральная нели-		±0,2 м.з.р.		±0,4 м.з.р.
нейность
Ошибка сдвига		±0,3 м.з.р.		±1,0 м.з.р.
Собственный шум пла-		±0,1 м.з.р.		±0,2 м.з.р.
ты (СКО)

34

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

Задание на выполнение лабораторной работы. В процессе выполнения лабораторной работы каждый студент должен решить следующие задачи:

1)ознакомиться с теоретической частью работы и используемыми измерительными средствами;

2)провести цикл измерения постоянного напряжения от постоянного источника питания при разных его уровнях и построить передаточную характеристику;

3)оценить по результатам измерений основные метрологические характеристики платы АЦП (погрешность линейность передаточной характеристики, шумы);

4)произвести измерения параметров прямоугольных импульсов при разных его длительностях;

5)оценить точность отображения прямоугольных импульсов при разных соотношениях их длительности и длительности шага дискретизации

6)определить зависимость отношения сигнал/шум в зависимости от числа накопленных импульсов.

Для выполнения задания необходимо произвести измерения напряжения от регулируемого источника питания с помощью платы АЦП и цифрового вольтметра Щ1516. Поскольку погрешность измерений цифрового вольтметра составляет 0.01 %, то он может быть принят за эталонный. Далее строится зависимость показаний АЦП от показаний цифрового вольтметра. Полученная зависимость эквивалентна передаточной характеристике платы АЦП.

Вцикле измерений (4–5) на вход платы АЦП подаются прямоугольные импульсы разной длительности (100 – 500 нс). После записи импульсов в память ПК производятся оценки длительности фронтов импульсов, колебания плоской вершины импульса. Для оценки искажений импульсов в качестве эталона необходимо использовать форму того же импульса, записанную с помощью эталонного цифрового осциллографа (TDS5034B).

Врежиме накопления прямоугольных импульсов необходимо оценить отношение сигнал/шум. Для этого выбирается число накапливаемых импульсов 10, 100, 1000, 10000. Далее вычисляется за-

35

висимость отношения сигнал/шум от числа накопленных импульсов и сравнивается с рассчитанными теоретически.

Описание устройств и программного обеспечения. В работе используется следующее оборудование: Плата ЛА н05, вставленная в один из ISA слотов материнской платы, регулируемый источник постоянного напряжения Б5-43, цифровой вольтметр Щ1516, генератор прямоугольных импульсов Г5-54 и программное обеспечение. Основные характеристики применяемых устройств следующие.

Источник питания Б5-43:
Выходное напряжение............................................	0–15 В
Стабильность ..........................................................	0,1 %
Питание - сеть.........................................................	220 В
Цифровой вольтметр Щ1516:
Диапазон измеряемых напряжений........................	0–1000 В
Погрешность измерения.........................................	0,01 %
Питание – сеть ........................................................	220 В
Генератор прямоугольных импульсов Г5-54:
Длительность импульса..........................................	0,1 – 1 мс
Амплитуда импульсов ............................................	0–50 В
Частота следования ................................................	0,05 – 10 кГц
Питание – сеть ........................................................	220 В

Программное обеспечение для управления платой ЛА-н05 составлено в среде MS DOS.

ВЫПОЛНЕНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

Краткие сведения по технике безопасности. Все необходи-

мые переключения производятся при выключенных приборах. Все приборы должны быть надежно заземлены.

Порядок включения приборов. На первом этапе выполняются измерения постоянного напряжения. Необходимо с помощью имеющихся на стенде проводов подключить к плате ЛА-н05 выход постоянного напряжения источника питания Б5-43. Одно ответвление с выхода Б5-43 соединить со входом вольтметра Щ1516. Проверить наличие заземления всех приборов. Ручки регулировки вы-

36

ходного напряжения установить в положение, соответствующее минимальному выходному напряжению. Переключатель диапазона измеряемых напряжений вольтметра Щ1516 установить в положение, соответствующее максимально измеряемой величине. После этого включить тумблеры питания Б5-43 и Щ1516. Через 1-2 мин включить компьютер, найти программу sh_ras.exe и запустить ее, нажав клавишу «Enter».

Выполнение измерений. Измерения проводят для разных диапазонов напряжений. В каждом диапазоне измеряется 8-10 точек. Диапазоны измерений выбираются следующие: 0,1 В, 0,2 В. При произведении отсчетов с помощью вольтметра Щ1516 диапазон измерений выбирают с таким расчетом, чтобы на цифровом табло вольтметра было максимальное число значащих цифр (максимальная точность измерений).

По окончании измерений постоянного напряжения приборы Б5-43 и Щ1516 отключаются и к входу платы ЛА-н05 подключается выход генератора Г5-54. Далее регулировкой амплитуды импульса на экране дисплея ПК устанавливается импульс примерно на половину размера экрана. Далее импульс фиксируется в памяти ПК. На следующем этапе с помощью диалогового окна производится установка и запуск программы в режиме накопления для числа накопленных импульсов 10, 100, 1000, 10000. После получения результирующих файлов они будут готовы к обработке.

Обработка результатов измерений. По полученным данным должны быть построены таблицы результатов измерений и передаточная характеристика платы АЦП. Вычисленные метрологические характеристики также представляются в виде таблицы. В отчете приводятся твердые копии прямоугольных импульсов, а также результаты их обработки.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.В чем состоит аналого-цифровое преобразование сигналов и какова его роль при выполнении измерений?

2.Для чего предназначен ЦАП, и каков принцип его действия?

3.Какие существуют типы АЦП, и каков принцип их построения?

37

4.Какие имеют особенности АЦП для высокоскоростного преобразования сигналов?

5.Какие элементы являются необходимыми и каково их назначение в АЦП, построенных, как платы расширения ПК для преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму?

6.Перечислите основные характеристики АЦП.

7.Какую имеет структуру стандартная плата АЦП ЛА-н05?

Список рекомендуемой литературы

1.Алексенко А. Г., Шагурин И. И. Схемотехника. – М.: Радио и связь, 1990. § 11.1 11.4.

2.Быстродействующие интегральные микросхемы ЦАП и АЦП и измерение их параметров/ Под. ред. А.-Й.К. Марцинкявичюса, Э.-А. К. Багданскиса. – М.: Радио и связь, 1988. Гл. 2.

38

Лабораторная работа 2

ЗАПИСЬ МАСС-СПЕКТРОВ С ПОМОЩЬЮ ЦИФРОВОГО ОСЦИЛЛОГРАФА TDS5034B

Цель: изучение возможностей высокоскоростного цифрового осциллографа TDS5034B при регистрации быстро меняющихся аналоговых сигналов.

2.1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

ОРЕГИСТРИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВАХ

Долгое время большие возможности времяпролетной массспектрометрии сдерживались отсутствием быстрых средств записи масс-спектров. Появление быстродействующих АЦП, мощных и доступных компьютерных средств послужило сильным толчком в совершенствовании времяпролетной масс-спектральной техники. В настоящее время предлагается широкий выбор высокоскоростных цифровых средств регистрации спектров на основе АЦП: платы расширения, которые вставляются в компьютер в шину PCI или ISA, цифровые осциллографы и комбинации цифрового осциллографа с компьютером.

Цифровые запоминающие осциллографы (ЦЗО) – мощное и гибкое средство для записи и исследования сигналов, в том числе и спектров. Пользователю предоставляются удобный набор аппарат- но-программных инструментов для мониторинга (наблюдения), измерения временных и амплитудных параметров, регистрации как случайных (однократных), так и периодических сигналов. Осциллограф основан на комбинации АЦП, компьютера и специального программного обеспечения. Технические параметры цифровых осциллографов практически полностью зависят от параметров платы АЦП. Как правило, все органы управления выведены на экран монитора ПК.

Среди выпускаемых разными фирмами приборов, осциллограф TDS5034B представляет собой на данный момент одно из наиболее совершенных устройств. В нем объединены элементы

39