Лабораторный КРС-спектрометр (стр. 2 из 3)

Для оцифровки полученного таким способом напряжения используется интегрирующий преобразователь напряжение – частота (ПНЧ), специализированная микросхема AD652 фирмы Analog Devices. Сочетание УПТ+ПНЧ позволяет измерять как постоянные, так и меняющиеся во времени сигналы, и даже импульсные. Полученный частотный поток поступает на счетчик микроконтроллера. Количество импульсов, накопленное за определённый фиксированный интервал времени, и образует отсчёт измеряемого сигнала, который через стандартный COM-порт передается в ЭВМ.

Для управления шаговым двигателем использован штатный заводской блок управления шагового двигателя (БУШД). Однако, логика управления двигателем в БУШД нами отключена, и он используется только как источник питания обмоток двигателя. Логика управления двигателем реализована в микроконтроллере.

Таким образом, спектрометр представляет собой автоматизированную экспериментальную установку, которая является совокупностью спектральной и измерительной аппаратуры, а также компьютера.

Рисунок 2. Блок схема КРС - спектрометра

1.3 Преобразователь напряжение – частота AD652.

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.