Сысоев Информационные технологии в физических исследованиях Лабораторный практикум 2009

только каналы 1 или 2 включены без оцифровки в эквивалентном времени. Прибор использует ресурсы свободных каналов для проведения выборки по используемым каналам. Чередование позволяет увеличить частоту дискретизации и длину записи.

Запуск синхронизации. Событие запуска устанавливает нулевую точку отсчета времени в записи сигнала. Все данные записи сигнала располагаются по времени относительно этой точки. Осциллограф постоянно набирает и удерживает достаточное количество отсчетов, чтобы сделать запись той части сигнала, которая пришла до начала запуска (той части осциллограммы, которая отображается на экране слева от точки запуска, то есть до момента запуска). Когда происходит событие запуска, прибор начинает собирать отсчеты для построения части сигнала, зарегистрированной после запуска (отображается на экране после или правее точки запуска). После начала определенного запуска прибор не начнет другой запуск до завершения регистрации данных и истечения времени задержки.

Типы запуска. Осциллограф поддерживает очень большой набор способов запуска начала развертки. Основной, наиболее часто используемый при записи спектров – запуск по фронту. Событие запуска по фронту сигнала происходит, когда источник синхронизации проходит заданный уровень напряжения в указанном направлении (нарастание или снижение напряжения сигнала). Остальные типы запуска чаще используются для сложной настройки аппаратуры.

2.2.3. Программное обеспечение

Осциллограф работает под управлением специально настроенной версии операционной системы Windows2000. Стандартная программа для осциллографа включает в себя мощный измерительный комплекс, программно и аппаратно оптимизированный для быстрой визуализации полученных осциллограмм на экране и быстрой их записи в компьютер.

Вместе с осциллографом, помимо стандартной программы, поставляется следующее программное обеспечение и драйверы, которые еще больше расширяют возможности осциллографа как регистрирующей системы.

60

TekVISA — интерфейс программирования под Windows (API). Документация включает описание и примеры программирования измерительных приложений для Visual BASIC, C и C++.

Драйверы Plug-and-play — обеспечивают поддержку National Instrument’s LabVIEW и LabWindows на внешнем ПК, к которому подключен TDS5000.

TekVISA Control (TVC) — ActiveX элемент, обеспечивающий легкий доступ к TekVISA для интеграции в приложения Microsoft Windows.

Excel и Word Toolbar — обеспечивает прямой доступ к осциллограммам и автоизмерениям осциллографа с инструментальной панели Excel/Word.

VXI-11 server — интерфейс программирования для LAN подключения в не-Windows среде.

IVI Drivers — обеспечивает поддержку нового и существующего программного окружения с помощью стандартных программ-

ных средств типа LabVIEW, LabWindows/CVI, MATLAB, Visual BASIC, and C/C++.

Report Generator (генератор отчетов) — позволяют пользователю создавать шаблоны отчетов, содержащих осциллогроаммы, настройки прибора результаты измерений и другую информацию с экрана с помощью «клика» мышки.

LabVIEW и MATLAB — пробные 30-дневные версии + демонстрационные программы, демонстрирующие возможности отображения и анализа данных при совместной работе LabVIEW и MATLAB с осциллографом.

Software Developer’s Kit (SDK — набор разработчика ПО) — CD-диск, на котором размещена книга «Getting Started With OpenChoice™». SDK включает документацию, программные средства и примеры для программирования с TDS5000.

ВЫПОЛНЕНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

Выполнение лабораторной работы направлено на получение навыков работы с современными средствами регистрации массспектров, а также на изучение влияния основных характеристик осциллографа на точность отображения модельного массспектрометрического пика. В лабораторной работе осваиваются

61

простые операции с осциллографом TDS5034B: визуализация сигнала, масштабирование сигнала средствами временной развертки и усиления, масштабирование изображения импульса на экране, измерение характеристик пика по масштабной сетке и встроенными автоматическими средствами измерения осциллографа и ряд других.

Возможности осциллографа позволяют менять следующие важнейшие для записи масс-спектра характеристики: полосу пропускания, шаг дискретизации, динамический диапазон. Это позволяет увидеть влияние основных параметров регистрирующей системы на качество отображения регистрируемых импульсов. К решаемым задачам в работе относятся:

1)измерение формы пика с разной полосой пропускания тракта усиления;

2)выбор оптимального шага дискретизации для записи спектра;

3)изучение влияния количества накопленных спектров на соотношение сигнал/шум. Измерение скорости суммирования спектров;

4)измерение динамического диапазона регистрирующей системы в одно- и многоканальном режиме.

Описание аппаратуры для записи масс-спектров и ее подготовка к работе

Для выполнения лабораторной работы используемая следующая аппаратура: генератор импульсов Г5-54, цифровой осциллограф TDS5034B и разветвитель сигнала (РС). РС – это небольшой блок, который монтируется на входные разъемы осциллографа. Блок имеет один вход и 3 выхода и служит для распараллеливания входного сигнала на 3 канала осциллографа. РС-2 используется для увеличения динамического диапазона осциллографа в задаче 4. РС-1 – вспомогательное устройство для упрощения измерения передаточной характеристики.

Генератор служит для эмуляции масс-спектров. Генератор выдает одиночный прямоугольный импульс, у которого могут изменяться период следования, длительность, амплитуда, полярность и задержка относительно синхроимпульса. Для эмуляции масс-

62

спектра при помощи ручек регулировки устанавливаются следующие параметры импульса:

длительность ...................................	70–100 нс (минимальная ),
период .............................................	80 мкс,
задержка...........................................	50 мкс,
амплитуда.........................................	1 В.

Задержка Период Длительность

Вкл

Рис. 2.10. Соединение генератора и цифрового осциллографа для записи формы импульса

Подготовка аппаратуры к выполнению лабораторной работы производится следующим образом:

1.Подключить генератор к осциллографу, как показано на рис.

2.10.

2.Включите осциллограф и генератор, для чего нажать кнопку “on” на лицевой панели осциллографа и включить тумблер «Вкл» на лицевой панели генератора.

3.Установить на генераторе параметры импульса, указанные

выше.

4.После загрузки Windows запустить программу интерфейса осциллографа, путем нажатия левой клавиши мыши на расположенную на рабочем столе иконку “TekSkope”.

По умолчанию загружаются уже готовые настройки для выполнения лабораторной работы и на экране должна появиться осциллограмма импульса. Если этого не происходит, надо войти в меню

63

Fail>Recal> и в появившемся диалоговом окне выбрать кнопку “SETUP”. Далее загрузить файл установок «Лабораторная 2». Осциллограф готов к работе.

Внизу экрана отображаются основные параметры записи спек-

тра. Они должны быть следующие:
масштаб по вертикали для канала 1 (Ch1) ...	100 мВ,
масштаб по горизонтали ..............................	4 мкс,
	125 выборок/с,
	8 нс/шаг,
уровень запуска синхронизации....................	A Aux 140 мВ.

Здесь 4 мкс – длина записываемого спектра, 125 выборок/с – частота дискретизации, 8 нс/шаг – период дискретизации; A Aux 140 мВ – запуск от внешнего импульса синхронизации на уровне

140 мВ.

Задание 1. Измерение параметров шумовой дорожки с разной полосой пропускания тракта усиления

Цель – изучение влияния полосы пропускания на параметры записанного спектра. Генератор выдает импульсы с невысокими частотными характеристиками, влияние полосы пропускания будет рассматриваться на примере шумовой дорожки.

Порядок выполнения:

1)увеличьте масштаб по вертикали, чтобы шумовая дорожка была хорошо видна;

2)левой кнопкой мыши отмасштабируйте шумовую дорожку, чтобы было видно отдельные пики;

3)нажимая кнопку “SINGLE” измерьте длительность и амплитуду нескольких пиков из шумовой дорожки;

4)измените полосу пропускания воспользовавшись меню

Vertical>Bandwidth…на 150 МГц;

5)повторите п. 3;

6)повторите п. 4. изменив полосу пропускания на 20 МГц;

7)повторите п. 3.

По результатам измерений строятся два графика: амплитуды пиков и длительности от полосы пропускания.

64

Задание 2. Выбор оптимального шага дискретизации для записи спектра

Цель – изучение влияния шага дискретизации на форму записываемого пика.

Порядок выполнения:

1)загрузите файл установок осциллографа под именем «лабораторная 2 задание 2. » (см. подготовка к работе),

2)левой кнопкой мыши отмасштабируйте пик, чтобы он занимал почти весь экран,

3)нажимая кнопку “SINGLE” измерьте 5 раз длительность и амплитуду пика,

4)измените частоту дискретизации вращением ручки «RESOLUTION» на группе управления «HORIZONTAL». Повторяя п.3 измеряйте характеристики пика,

5)убедитесь, что с увеличением шага дискретизации пик поч-

ти пропадет.

По результатам измерений строятся два графика: амплитуды пиков и длительности от полосы пропускания.

Задание 3. Изучение влияния количества накопленных спектров на соотношение сигнал/шум

Цель – наглядно увидеть, как с накоплением спектров увеличивается полезный сигнал, который в одиночном спектре находится на уровне шума.

Порядок выполнения:

1)переключите сигнальный разъем на генераторе с выхода «1:1» на «1:100» и нажмите нижнюю кнопку переключения предела выходной амплитуды – кнопка включения делителя сигнала

(рис. 2.11);

2)масштабируя пик мышкой, убедитесь, что он едва превышает шумы;

3)загрузите файл установок осциллографа под именем «лабораторная 2 задание 3». При этом на экране появляется еще одна осциллограмма, которая отображает усредненный сигнал;

4)измените число усредненных спектров, воспользовавшись меню «……»;

65

5) повторите операцию 4 для усреднения по 100, 500, 1000, 5000 спектров и измеряйте для каждого случая ширину шумовой дорожки и амплитуду пика.

Задержка Период Длительность

Вкл

Канал 4

Разветвитель 2

Кнопка

включения

Разветви делителя тель 1

Рис. 2.11. Соединение генератора и цифрового осциллографа с увеличенным динамическим диапазоном

По результатам измерений строится график зависимости соотношения сигнал/шум от количества накопленных спектров, а также аппроксимирующая кривая.

Задание 4. Измерение динамического диапазона регистрирующей системы в одно и многоканальном режиме

Цель – измерение линейности передаточной характеристики регистрирующей системы в режиме многоканальной регистрации спектров.

Порядок выполнения:

1)подключите разветвитель 1 и разветвитель 2 сигнала к осциллографу, как показано на рис. 2.10. К разветвителю подключите сигнальный кабель с генератора;

2)на генераторе должна быть нажата нижняя кнопка предела выходной амплитуды (с синей полосой), кабель подключен к разъему «1:100»;

66

3)установите минимальную амплитуду импульса на выходе генератора;

4)загрузите файл установок осциллографа под именем «лабораторная 2 задание 4». При этом на экране появятся две осциллограммы: оранжевая – отображает общий усредненный по 10 спектрам сигнал от 3-х каналов АЦП, а синий – сигнал с канала 4. Справа на дисплее автоматически выводятся амплитуды показываемых сигналов;

5)снимите зависимость амплитуды на итоговой осциллограмме от амплитуды с 4-го канала. Увеличивайте амплитуду сигнала с генератора до тех пор, пока сигнал не выйдет за пределы динамического диапазона РС (на осциллограмме он не перестанет увеличиваться). Каждый раз прибавляя примерно ¼ предыдущей амплитуды. При необходимости переключайте кабель с «1:100» на «1:10» и «1:1», предел амплитуды сигнала переключается кнопками. На каждом шаге измеряйте амплитуду импульса на итоговой осциллограмме и в спектре на 4-ом канале.

По результатам измерений строятся:

1)график амплитуды импульса на итоговой осциллограмме от амплитуды импульса в спектре на 4-ом канале.

2)вычисляется интегральная нелинейность.

Контрольные вопросы

1.Каково назначение высокоскоростных цифровых запоминающих осциллографов?

2.Какие общие компоненты являются составляющими структурной схемы ЦЗО?

3.Какие возможности и ограничения имеются у ЦЗО при записи масс-спектров?

4.Какой принцип используется для расширения динамического диапазона многоканальных цифровых осциллографов при регистрации импульсных сигналов в широком диапазоне амплитуд?

5.Приведите структурную схему цифрового осциллографа

TDS5034B.

67

6.Назовите важнейшие характеристики и их численные значения цифрового осциллографа TDS5034B.

7.Какие функциональные возможности имеет осциллограф

TDS5034B?

8.Какие различия в алгоритме использования TDS5034B в ручном и программном режиме?

9.Какие функции выполняет программное обеспечение

TDS5034B?20

68

Лабораторная работа 3

АВТОМАТИЗАЦИЯ УЗЛОВ ВРЕМЯПРОЛЕТНОГО МАСС-СПЕКТРОМЕТРА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА

Цель: изучение цифровых средств для автоматизации лазерного времяпролетного масс-спектрометра и выполняемых ими функций.

3.1. ПРИНЦИПЫ АВТОМАТИЗАЦИИ РАБОТЫ МАСС-СПЕКТРОМЕТРОВ

Интенсивное развитие компьютерной и микропроцессорной техники стимулирует стремление к максимальной автоматизации приборов и установок практически во всех отраслях науки и промышленности. В процессе автоматизации решаются многочисленные различные задачи, которые можно условно классифицировать следующим образом: а) вычислительные; б) управленческие; в) информационные. При этом можно обеспечить управление как объектами, так и технологическими процессами. В случае автоматизации объектов возможно как управление ими, так и получение информации об объектах или его элементах, в том числе и обработка этой информации.

В данной работе рассматривается автоматизация лазерного времяпролетного масс-спектрометра ЛАМАС-10-2. При автоматизации масс-спектрометрических приборов с помощью вычислительной техники, как правило, решаются следующие задачи:

автоматическое включение и выключение массспектрометра;

настройка прибора и оптимизация режимов его работы;

сбор и накопление масс-спектральной информации;

диагностика узлов и параметров масс-спектрометра;

первичная обработка масс-спектров (подавление шума, сжатие информации, вычисление интенсивностей пиков и т.п.);

вторичная обработка масс-спектров (получение конечного результата, например, определение состава образца).

69