Важным элементом измерительного тракта КРС-спектрометра является преобразователь напряжения в частоту (ПНЧ) с уравновешиванием зарядов - микросхема AD652. Такое внимание к этой микросхеме в данной работе обусловлено тем, что именно метрические свойства ПНЧ определяют все метрические свойства установки, поскольку после ПНЧ вся дальнейшая обработка ведется в цифровом представлении, без накопления погрешности.
В этой микросхеме входное аналоговое напряжение преобразуется в выходную импульсную последовательность, частота которой пропорциональна входному напряжению. Это осуществляется электрической схемой, приведенной на рис.2.
Рисунок 3. Электрическая схема ПНЧ AD652.
Рисунок 4. Диаграмма работы интегратора
В зависимости от выходного сигнала компаратора импульсы тока фиксированной длительности (т. е. с фиксированным приростом заряда) подключаются при каждом изменении тактовых импульсов либо к суммирующему входу, либо к земле, что позволяет поддерживать нулевой средний ток на суммирующем входе. Это принцип уравновешивания [4] (Его особенность заключена в применении конденсатора для отслеживания отношения уровня входного сигнала к эталонному: рис. 2). Счетчик отслеживает число импульсов подключения к суммирующему входу (не более 2млн). Полученное число будет пропорционально среднему входному уровню за это число тактовых импульсов. После того, как сигнал выхода интегратора достигает порога компаратора, выход вентиля AND переходит в верхнее состояние. Ничего не происходит, пока нулевой уровень тактового генератора не попадает на вход триггера. В этот момент, тактовый генератор находится в состоянии нижнего уровня, поэтому триггер не меняет состояние. Когда генератор возвращается в единичное состояние, триггер также переходит в единичное состояние (рис. 4) и дает команду переключателю вычесть из интегратора определенное наперед заданное значение; в этот самый момент, триггер дает команду вентилю AND встать в нижнее состояние выхода. На следующем отрицательном такте генератора, нижнее выходное состояние вентиля AND передается на вход D триггера. Когда генератор возвращается в верхнее состояние, выход триггера переходит в нижнее состояние и дает команду переключателю вернуться в режим интегрирования. В то же самое время триггер дает команду на вход вентилю AND встать в режим высокого уровня.
Импульсы сброса, приложенные к интегратору, имеют длину ровно одного периода генератора, единственный случай, когда могут возникнуть отклонения, это при нагревании, поэтому необходимо качественно подбирать питание микросхемы, во избежание перегрева.
Основные характеристики микросхемы AD652:
· Крутизна преобразования 200 кГц/В
· Ошибка крутизны преобразования 0,25%
· Максимальная выходная частота 2 МГц
· Ошибка линейности 0,01%
· Входной ток 5∙10-9 А
1.4 Концепция двухуровневого управления.
Для управления элементами спектрометра и обеспечения диалога с пользователем была разработана система двухуровневого управления. Верхний уровень – уровень пользователя – реализуется программой для компьютера типа Pentium, написанной в среде Visual Basic 6.0. Нижний уровень – уровень управления оборудованием – реализуется программируемым микроконтроллером (микросхема ATMega128 фирмы Atmel), который имеет цифровые и аналоговые входы и выходы, счетные каналы и другую периферию. Связь между уровнями осуществляется через стандартный порт RS-232.
Необходимость такого разделения объясняется тем, что современные многозадачные операционные системы используют концепцию разделения времени процессора между несколькими выполняющимися приложениями. Это может привести к ситуации, что задача реального времени не сможет вовремя обработать наступившее в системе событие из-за того, что в этот момент исполнялась совсем другая задача.
В данном спектрометре при синхронном сканировании спектра с ПНЧ непрерывно поступают импульсы, и нужно подсчитать их количество в единицу времени. Именно стабильность длительности этой единицы определяет метрические свойства спектрометра. Однако, обеспечить необходимую стабильность в многозадачной системе, какой является Windows, не представляется возможным. Попытка выполнить управляющие действия в среде Windows в лучшем случае приведет к резкому ухудшению точности измерений, в худшем – к потере данных.
При использовании системы двухуровневого управления такая проблема исчезает. На верхнем уровне управления в удобном для пользователя виде задаются следующие параметры:
· текущая длина волны, указанная на механическом барабане монохроматора
· начальная длина волны сканирования спектра
· конечная длина волны сканирования спектра
· экспозиция
· шаг сканирования
Также обеспечивается графическая визуализация измеренных спектров, ведение библиотеки спектров на диске и прочий сервис.
На нижнем уровне управления микроконтроллер выполняет следующие действия:
· получает от ЭВМ информацию о количестве оборотов, которое следует сделать шаговому двигателю, и экспозиции;
· по команде от ЭВМ отрабатывает вращение двигателя;
· по команде от ЭВМ за калиброванное время подсчитывает число импульсов, поступающих на встроенный счетчик с преобразователя напряжение – частота AD652, и сохраняет это значение (интенсивность света) в своей памяти;
· По команде от ЭВМ передает сохраненное значение интенсивности через СОМ-порт;
Режим реального времени обеспечивается тем, что управляющая программа монопольно использует ресурсы микроконтроллера и не прерывается никакими другими процессами. А стабильность временных интервалов определяется кварцевым генератором на частоту 16 МГц, с помощью которого микроконтроллер способен программно-аппаратно формировать произвольные временные интервалы с точностью 10-5.
Таким образом, благодаря разделению управления спектрометром на два уровня, происходящие в недрах Windows процессы не является помехой при сканировании спектра, поскольку критические во времени события микроконтроллер отслеживает автономно.
Немаловажным преимуществом такого подхода является также то, что функции взаимодействия с оборудованием на физическом уровне осуществляет независимый контроллер, связанный с компьютером через стандартный интерфейс. Это значит, что нет необходимости вскрывать компьютер и устанавливать в него дополнительный платы, способные его повредить.
2. Испытания КРС – спектрометра.
В ходе испытаний КРС – спектрометра были сняты спектры комбинационного рассеяния четыреххлористого углерода (рис. 5), ацетона (рис. 6) и дистиллированной воды (рис. 7). Поскольку опыты проводились лишь в целях испытания установки и не несут ничего нового, проанализируем только спектр четыреххлористого углерода. В таблице 1 приведены полученные, а также истинные значения комбинационных сдвигов этих молекул.
|
Молекула |
Стоксовый сдвиг частоты |
Антистоксовый сдвиг частоты |
Истинный КР-сдвиг [5] |
|
CCl4 |
|||
Таблица 1. значения комбинационных сдвигов для молекулы CCl4
Проанализируем полученные данные. Согласно положениям теории комбинационного рассеяния света, стоксовый и антистоксовый сдвиги частот должны быть симметричны относительно релеевской линии [2]. Как следует из полученных данных, отклонение от данного правила довольно стабильно (оно составляет 26 – 29 см-1) и, поэтому, не вызывает сомнения в том, что это линии КР. К тому же, если рассмотреть среднее значение стоксова и антистоксова сдвигов, то получим значения всего на 1,5 см-1 отличающиеся от истинных. Таким образом, мы получили спектральную картину, смещенную относительно истинной на несколько ангстрем. Такое смещение объясняется смещением счетного барабана спектрометра. В дальнейшем стоит задача исключения этой ошибки измерений.
По графикам приближенно была определена чувствительность данного метода получения спектра комбинационного рассеяния. В таблице 2 приведены минимально допустимые концентрации исследованных веществ, при которых сигнал КР еще будет заметен.
|
Вещество |
CCl4 |
CH3 – CO – CH3 |
H2O |
|
Минимально допустимая концентрация |
0,018% |
16% |
8% |
Таблица 2. Чувствительность метода.
Рисунок 5. Спектр четыреххлористого углерода (CCl4).
Рисунок 6. Спектр ацетона (CH3 – CO – CH3)
Рисунок 7. Спектр дистиллированной воды (H2O)
Заключение.
В результате выполнения курсовой работы было сделано следующее:
1. Разработан и собран автоматизированный КРС – спектрометр для наблюдения комбинационного рассеяния в жидкостях с двухуровневым управлением (компьютер – микроконтроллер).
2. Создано программное обеспечение для обоих уровней.
3. Проведено испытание системы сопряжения КРС – спектрометра и ЭВМ путем записи спектров комбинационного рассеяния различных жидкостей.
4. Проведен критический анализ работы спектрометра на основе изучения спектра четыреххлористого углерода.
5. Принято решение о совершенствовании как внешнего вида установки, так и программы визуального оформления для удобного использования в качестве лабораторного практикума.
Список использованной литературы.
1. Сущинский М. М. Спектры комбинационного рассеяния молекул и кристаллов. – М.: Наука, 1969. – 300с.
2. В. Демтредер. Лазерная спектроскопия: основные принципы и техника эксперимента: пер. с англ. / под ред. И.И. Собельмана. – М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1985.– 608 с, ил.
3. http://www.analog.com/ . Voltage – to – Frequency converter AD652.
4. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: Пер. с англ. – Изд. 6-е. – М.: Мир, 2003. – 704с., ил.
5. Кольрауш К. Спектры комбинационного рассеяния: Пер. с нем./ под ред. Г. С. Ландсберга. – М.: Издание иностранной литературы, 1952. – 466 с.
Страницы: 1, 2
