Сопряжение спектрометра с персональным компьютером

Министерство общего и профессионального образования РФ

СЫКТЫВКАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Физический факультет

Кафедра радиофизики и электроники

КУРСОВАЯ РАБОТА

Сопряжение спектрометра с персональным компьютером

Научный руководитель: ____________ Карпушов Е.А.

Исполнитель: ____________ Шипилов Д.А.

Сыктывкар,1998

Порт ввода-вывода.

Порт ввода-вывода предназначен для передачи цифрового кода с компьютера в ЦАП. На элементах D1.1-4,D2.1-3,D3 выполнен дешифратор адреса использующий старшие 6 бит адресного пространства ввода-вывода компьютера , сигнал AEN(Address Enable- разрешение адреса) -при вводе - выводе должен иметь низкий уровень,стробы:-IOR(I/O Read)-строб чтения данных из устройства ввода - вывода (устройство ввода- вывода должно выставлять свои данные при активизации сигнала -IOR и снимать их при снятии -IOR .Этот сигнал вырабатывает устройство занимающее магистраль.);-IOW(I/O Write)-строб записи данных в устройство ввода-вывода (устройство ввода-вывода должно принимать данные по положительному фронту сигнала -IOW. Этот сигнал так - же вырабатывает устройство занимающее магистраль.)

Для избежания конфликтов с другими устройствами, используется используется настраиваемый перемычками адрес (возможен выбор 5 битов адреса с А4 по А8, А9 постоянно равен 1). На элементах “при равенстве двух” происходит настройка адреса. На один из входов каждого из этих элементов подается адресный сигнал, а на другой подается высокий или низкий уровень в зависимости от положения перемычки, т.е. от выбранного адреса. При таком способе дешифрации возможно свободное изменение адреса в диапазоне от 200Н до 3F0H(с шагом 10Н).

С выхода микросхемы D3 сигнал выбора поступает на элемент D2.4 ,включенного в режиме инвертора , и дальше ,на коллекторе транзистора VT1 вырабатывается сигнал отрицательной полярности -I/O CS16(I/O Cycle Select- выбор цикла для устройства ввода вывода), служащий для сообщения компьютеру о необходимости работы в шестнадцатиразрядном режиме.(при его отсутствии - восьмиразрядный обмен) Этот же сигнал используется для разрешения включения выходов трехстабильных двунаправленных буферов D5, D6, а так - же смешивается со строб - сигналами IOR и IOW на элементах D4.1-2. Сигнал с элемента D4.1 поступает на вход выбора направления передачи микросхем D5, D6. Трехстабильные двунаправленные буфера (элементы D5, D6) предназначены для буферизации шины данных компьютера. Микросхема D7 служит для передачи управляющих сигналов чтения и записи и младших 4 бит адреса, которые предназначаются для дальнейшей дешифрации при подключении дополнительных устройств.

Постановка задачи.

Для проведения физических экспериментов на кафедре радиофизики и электроники Сыктывкарского Государственного Университета потребовался спектрометр с электромагнитом обеспечивающем магнитное поле с индукцией от 0 до 700 мТл и управляемый с компьютера. Для этого был предоставлен спектрометр ЯМР фирмы TESLA модели BS467. Так как электромагнит этого спектрометра предназначен для работы на постоянном поле с индукцией 1.4 Тл ,то возникла необходимость доработать блок питания и систему стабилизации таким образом, чтобы обеспечить установку при помощи персонального компьютера магнитного поля в пределах от 0 до 700 мТл с дискретностью не более 0.2 мТл и со стабильностью не хуже 0.01 мТл. Эту задачу решил Мижгородский Б. В. в своей дипломной работе, т.е. он

1. переработал блок питания электромагнита для установки необходимых пределов изменения магнитного поля

2. разработал систему стабилизации поля

3. разработал устройство сопряжения с компьютером, состоящее из двух блоков: порт ввода-вывода и блок ЦАП.

Моя задача сводится к тому ,чтобы разработать устройство считывания данных для того ,чтобы можно было контролировать изменение поля при управлении электромагнитом с компьютера, т.е. послав некий сигнал на электромагнит мы должны получить отклик который впоследствии можно будет обработать на компьютере.

Ниже приведена структурная схема будущего устройства сопряжения.1-Компьютер, 2-порт ввода-вывода,3-ЦАП,4-усилитель,5-Электромагнит,6-измеритель магнитной индукции Ш1-9,7-усилитель,8-АЦП,9-порт ввода-вывода.

ЯМР BS457

9 8 7

6

1

2 3 4 5

Принцип работы схемы.

После того как АЦП выдаст данные, на RS Триггер поступит взводящий сигнал (вход S) и сформирует на шине ISA сигнал прерывания IRQ (Interrupt Request - запрос прерываний) , сигнал должен удерживаться до начала обработки процессором запрошенного прерывания, как только этот сигнал поступает на шину процессор распознает его , и предоставляет адрес .

На дешифраторе адреса происходит распознавание адреса. Если на вход дешифратора поступил адрес 381h вместе с сигналом IOR, тогда после их распознавания, формируется сигнал CS1 управляющий регистром номер 1 (RG) а также сигнал управляющий направлением передачи у двухстороннего шинного формирователя организованного таким образом, чтобы при подаче на его вход низкого уровня сигнала передача данных осуществлялась от АЦП к шине,а в случае высокого уровня сигнала от шины ISA к ЦАП.

После распознания адреса и сигнала IOR , триггер должен выключиться за счёт подачи управляющего сигнала (на вход R) RS триггера.

После чего сигнал, сформированный АЦП, поступающий на вход регистра, сохраняется ,а затем попадает в двунаправленный шинный формирователь, который будет передавать данные от АЦП в шину.

В случае прихода адреса 380h вместе с сигналом IOW ,будет сформирован другой сигнал CS2, управляющий регистром номер 2 (RG), тогда данные пришедшие из шины ISA пройдут через двунаправленный шинный формирователь , регистр и попадут на ЦАП.

Построение селектора адреса.

Одной из функций выполняемых устройством сопряжения (УС) , является селектирование или дешифрация адреса. Эту функцию выполняет узел, называемый селектором адреса, который должен выработать сигналы, соответствующие выставлению на шине адреса магистрали кода адреса, принадлежащего данному УС, или одного из зоны адресов данного УС. Обобщенная схема селектора адреса для УС , работающего как устройство ввода-вывода приведена ниже:

Здесь шина А -шина адреса магистрали, шина AS -внутренняя шина УС, на которой присутствует код, сравниваемый с адресом магистрали(может отсутствовать), ADR -выходные сигналы селектора адреса ,формируемые при обращении по магистрали к данному УС.

Совсем не обязательно дешифровать все линии адресной шины магистрали. Часто для упрощения схемы УС удобно часть этих линий отбросить , не заводить на селектор адреса. При этом важно , чтобы адреса проектируемого УС не перекрывались с адресами, занятыми другими устройствами компьютера. Наиболее часто отбрасывают младшие разряды адреса. По стандарту ISA , устройства ввода-вывода адресуются 16 разрядами адресной шины А0..А15 , но большинство плат расширения работают только с А0..А9 ,поэтому обычно нет смысла обрабатывать разряды А10..А15.

Кроме сигналов приведенных выше ,на рисунке , на селектор адреса часто подают сигнал AEN, который при этом используется для запрещения выработки выходных сигналов. То есть если по магистрали идет прямой доступ к памяти , то устройство ввода - вывода должно быть обязательно отключено от магистрали и не должно реагировать на выставляемые на шине адреса коды.

Принцип действия спектрографа

Спектрометр BS467A работает на фиксированной частоте 60 Мгц и с постоянным магнитным полем с индукцией 14092 Гаусс. Все необходимые частоты для записи спектра, протонной стабилизации и многократного резонанса создаются с помощью модуляции магнитного поля сигналами низкой частоты. Снятие

спектра осуществляется в верхней боковой модуляционной полосе по методу непрерывной развертки модуляционной частоты.

Спектрометр оснащен системой трехкаскадной стабилизации условий резонанса. Первый каскад стабилизации -

это стабилизатор тока, с которым сопряжен второй каскад -стабилизатор магнитного потока, так называемый суперстабилизатор . Третий каскад стабилизации - это система

внешней и внутренней протонной стабилизации.

Спектрометр имеет два независимых канала -внутренний канал для снятия спетра и внутренней протонной стабилизации и внешний канал для внешней протонной стабилизации. Частью внутреннего канала является сигнальный канал ,который включает в себя все цепии их элементы управления, необходимые

для обработки сигнала спектра. Оба канала работают с однокатушечной системой снятия сигнала ядерного резонанса , причем на внутреннем канале сигнал передатчика компенсируется во входном предварительном усилителе .

Приемники обоих каналов - это приемники прямого усиления с детектированием на частоте 60 Мгц.

Спектрометр оснащен автоматической коррекцией однородности поля по оси У. Автоматика работает по принципу

проходного дифференциального снятия кривой зависимости амплитуды резонансной линии от тока коррекции У.Рабочая частота автоматической коррекции составляет 1 Гц.

На рисунке дана блок-схема спектрометра. Измеряемый образец установлен в зонде 1,находящемся в однородном магнитном поле. Поле создается в воздушном зазоре между полюсными наконечниками электромагнита 29, обмотка возбуждения 30 которого питается от стабилизированного источника питания 26.

Измеряемый образец облучается радиочастотным полем, создаваемом в катушке, питаемой сигналом ВЧ частотой 60 Мгц , снимаемой с генератора 4. Сигнал ядерного резонанса снимается той -же катушкой и усиливается в предварительном усилителе ВЧ 2. Катушка образца находится в головке 1. Сильный сигнал генератора в предварительном усилителе компенсируется для того, чтобы он не проходил в последующие цепи внутреннего канала. Компенсация устанавливается с помощью элементов управления “Настройка”.

Резонансный сигнал далее обрабатывается в приемнике внутреннего канала, который образован усилителем ВЧ 3 и синхронным детектором 6.Детектор управляется опорным сигналов 60 Мгц от генератора 4, причем фаза сигнала устанавливается в регуляторе фазы 5.

Сигнал после детектирования содержит частотные составляющие ,частота которых равна частотам модуляции. Сигнал усиливается в усилителе НЧ 7 и подается через НЧ синхронные детекторы 8,14 и 15. Детектор 8 управляется частотой генератора качающейся частоты 11 или частотой от генератора НЧ 13. Сигнал после детектирования подается на вход усилителя постоянного тока 9, коэффициент усиления которого регулируется ручкой на панели. Усилитель можно переключить в режим интегрирования. Выход соединен с самописцем 10.

Генератор качающейся частоты 11 работает в диапазане частоты 2-3.6 кГц. Его частота управляется положением каретки по оси Х самописца 10 с помощью линейного стержневого потенциометра 18, движок которого механически сопряжен с кареткой самописца. Генератор 13 работает работает в режиме декаплера(высокостабильный генератор модуляционной частоты ,плавно регулируемой в пределах 2-3 кГц) и его частота устанавливается вручную.

Детектор 15 работает в цепи внутренней протонной стабилизации и управляется частотой 2 кГц генератора 16. Фаза опорного сигнала установлена по сигналу дисперсии. Напряжение ошибкидетектора 15 подается на вход усилителя суперстабилизатора 25 и на катушки внутренней протонной стабилизации 31 установленные на головке, которые обеспечивают компенсацию быстрых помех в магнитном поле.

Суперстабилизатор образован приемными катушками 32 с большим количеством витков, расположенными на полюсах электромагнита, усилителем сигнала отклонения 25, ко входу которого подключены приемные катушки и компенсационными катушками 33,расположенными так-же на полюсах магнита и подключенными к выходу усилителя отклонения. Изменения магнитного потока индуцируют напряжение в приемных катушках ,которое усиливается и подается в компенсирующие катушки с такой фазой ,чтобы поле , вызываемое компенсационными катушками действовало против первичного изменения магнитного поля. Выходное напряжение суперстабилизатора подается на вход стабилизатора тока в источнике 26 , в результате чего значительно уменьшается нагрузка суперстабилизатора и увеличивается его динамический диапазон.

Детектор 14 дает сигнал для автоматической коррекции У. Он так-же управляется сигналом генератора 13, фаза которого установлена по поглощению. Сигнал детектора 14 подается в блок управления коррекций однородности поля 28, где он обрабатывается цепями автоматической коррекции У. Токи отдельных коррекций из блока 28 подаются в систему корректирующих катушек 19, расположенных на торцах полюсных наконечников.

Модуляция магнитного поля обеспечивается с помощью модуляционных катушек 34 на зонде, которые питаются сигналом от модулятора 12. На вход модулятора поступают сигналы от генератора качающейся частоты 11, от декаплера 13 и от генератора внутренней протонной стабилизации 16. В головке 1 установлен внешний образец , который возбуждается сигналом 60.019 Мгц от генератора 4. Резонансный сигнал одновременно с сигналом генератора обрабатывается во внешнем канале спектрометра, который образован предварительным усилителем ВЧ 17 , усилителем ВЧ 20 и детектором 21. Низкочастотная составляющая сигнала усиленная усилителем 22, обрабатываетя детектором 23. Детектор управляется сигналом от генератора 24, частота которого 17544 Гц.

Сигнал с генератора 24 одновременно подается в зонд на модуляционную катушку внешнего образца. На эту катушку одновременно подается корректирующий ток постоянного напряжения, величина которого устанавливается ручкой “Сопряжение”.Внешняя стабилизация работает с нижней боковой полосой. Изменением тока корректируется разность напряженности магнитного поля внешнего образца по отношению к полю стандарта в измеряемом образце. Этой коррекцией обеспечивается одновременно выполнение резонанса внешнего и внутреннего стандартов и, следовательно, возможность совместной работы обеих систем стабилизации. Напряжение ошибки на выходе синхронного детектора 23 подается на вход суперстабилизатора 25. Для обеспечения частотной стабильности генераторов внутренней 16 и внешней 24 протонной стабилизации оба генератора синхронизированы с помощью частотного делителя 35 от кварцевого генератора 4.

Воздушная турбинка , которая обеспечивает вращение образца, приводится в движение сжатым воздухом от источника 27.

Панель управления температурным зондом 36 поддерживает температуру измеряемого объекта, равную установленному значению.

Блок-схема спектрометра.

1. Зонд.

2. Предварительный усилитель ВЧ внутреннего канала.

3. Усилитель ВЧ внутреннего канала.

4. Генератор ВЧ.

5. Регулятор фазы.

6. Синхронный детектор ВЧ.

7. Усилитель НЧ.

8. Синхронный детектор НЧ.

9. Усилитель постоянного тока и интегратор.

10. Самописец.

11. Генератор качающейся частоты.

12. Модулятор.

13. Генератор НЧ.

14. Синхронный детектор НЧ для автоматической коррекции У.

15. Синхронный детектор НЧ для внутренней стабилизации.

16. Генератор 2 кГц.

17. Предварительный усилитель ВЧ внешнего канала.

18. Стержневой потенциометр.

19. Система корректирующих катушек.

20. Усилитель ВЧ внешнего канала.

21. Детектор ВЧ внешнего канала.

22. Усилитель НЧ.

23. Синхронный детектор НЧ.

24. Генератор 17544 Гц.

25. Усилитель суперстабилизатора.

26. Стабилизированный источник питания электромагнита.

27. Источник сжатого воздуха для привода турбинки.

28. Управление коррекцией однородности.

29. Электромагнит.

30. Обмотка возбуждения электромагнита.

31. Катушки внутренней протонной стабилизации.

32. Приемные катушки суперстабилизатора.

33. Компенсирующие катушки суперстабилизатора.

34. Модуляционные катушки.

35. Делитель частоты.

36. Панель температурного зонда.

Принцип работы схемы.

Триггер взводят и он формирует на шине ISA сигнал прерывания IRQ (Interrupt Request - запрос прерываний) , сигнал должен удерживаться до начала обработки процессором запрошенного прерывания, как только этот сигнал поступает на шину-процессор распознает его , и предоставляет адрес .

На дешифраторе адреса происходит распознавание адреса. Если распознался адрес 381h вместе с сигналом IOR (он же R), т.е. на логический элемент “И” придут два сигнала высокого уровня, соответственно на его выходе так-же будет сигнал высокого уровня который задействует регистр (RG) сигналом CS.

После чего сигнал с АЦП поступит в регистр, там он сохраняется ,а затем попадает в двунаправленный шинный формирователь, который будет работать справа - налево и данные уходят в шину.

После распознания адреса , триггер автоматически должен выключиться , и сигнал IRQ прекратится. Для этого на триггер , на выход R, подать сигнал(если на вход R подать сигнал - на выходе 0, если на вход S подать сигнал то на выходе 1).После этого пойдет передача блока данных.

Допустим распознался адрес 380h , если в этот момент поступает сигнал IOW(он же W) ,тогда выберется второй регистр. Сигнал будет передаваться с шины ISA через двунаправленный шинный формирователь ,через регистр на ЦАП.

Заключение.

В результате выполнения данной курсовой работы было проделано следущее:

1. Ознакомление с принципом работы схемы ЦАП из дипломной работы Мижгородского Б.В.

2. Разработка общей структурной схемы устройства сопряжения на АЦП.

3.Изучение двоично-десятичной и двоично-шестнадцатиричной системы перевода чисел.