（电力电子与电力传动专业论文）电压型时间标度谱仪.pdf

at i m es c a l e s p e c t r o m e t e rw i t hv o l t a g e t y p e m a j o r ：p o w e re l c c t r o n i o sa n dp o w e r d r i v e * n a m e ：w e iw e b x i o a g s u p e r v t s o r ：a s s o e i a t op r o f c h e nm i n a b s t r a c t a c o m p u t e rc o n t r o la u t o m a t i c a l l y , h i g h 印目e da n dh i g hp r e c i s i o nt i m es c a l e s p e c t r o m e t e rw i t hv o l t a g et y p ei sd e v e l o p e ds u c c e s s f u l l y , i ti su s e dt oi d e a b et h e r e l a t i o n s h i po ft i m ea n dt h es a m p l e sv o h a g eo fc a p a c i t o r st m d e r g o i n gc h a r g eo g d i s c h a r g e t h ec a p a c i t o r sa r em a d eo f d i e l e c t r i cm a t e r i a l s a n8 9 s 5 2t y p em o n o l i t h i c c o n t r o lu n i ti sd e s i g n e dt oc o n t r o l st h e1 4 - b i tm o n o l i t h i ca dc o n v e r t e rt o 七a 目 t h ev o l t a g e t h ei p * a s u r el a l l g ci n c l u d e sf o u rs c a l e sw h i c ha r e 型9 v - 士0 9 v , ：9 0 m v a n d 9 m v a l lt h es c a l e sc a nb es e tm a m m l l yo rc h a n g e da u t o m a t i c a l l ya c c o r d i n gt o t h ev o l t a g e t h ei r a t r u m e ma d o p t su n e q u a lt i m ei n t e r v a ls a m p l i n gt e c h n i q u e 2 4i m t i a l s a m p l i n gt i m ei n t e r v a l so r l b es e l e c t e d ，t h es h o r t e s ts a m p l i i | gt i m ei n t e r v a li so 5 i i s w h i l et h el o n g e s ts a m p t i i l gt i m ei n t e r v a li s2 5 s t h ed a t an u m b e r so fi n i t i a ls a m p l i n g s e g m e n tc a l s ob es e l e c t e d , s u c ha s1 0 。2 0 。5 0o r1 0 0 a tt h ee n do ft h ei n i t i a l s a m p l i n gs e g m e n t , t h es a m p l i n gt i m ei n t e r v a li ss e tt ob e1 0t i l so f t h el a t e s to a n ds oo n u n t i l i t i s i n c r e a s e d t o5 s , l o s o r 2 5 s a f t e r t h a t ，t h es u m p t i n g t i m e i n t e r v a l w i l lr i o te l m g e a y l o n g e r t h r o u g h t o t h ee n d o f t h e m e a s u r e m e l l t t h e m e l m t r o d d a t a a r es a v e di nt w om e m o r y r e g i s t e r , w h i c hc a l ls t o r e3 2 7 6 8d e c i m a ln u m b e r si nt o t a l t h ed a t ac 阻b es e n tt on l 矗s l e fc o m p u t e ra n dd i s p l a y e do l lt h es f $ r l ld u r i n gt h e m e a s u r e m e n t t h ei n s t r u m e n ti su s e dt ol q a s t t l et i mr e l a t i o n s h i po ft i m ea n dv o l t a g eo fa c o m m e r c i a lp o l y p r o p y l e n ec a p a c i t o ru n d e r g o i n gc h a r g ea n dd i s c h a r g e d t h er e s u h s i n d i c a t et h a tt h ec 1 1 a r g i a ga n dd m h a r g i n gg u f v eo fac e r t a i nc a p a c i t o rmd i f f e r e n t n e v e ni ft h em e a s u r e m e n tc o n d i t i o n sa y en o tc h a n g e d i tp r o v e so n c ea g a i nt h ew i d e e x i s t e n c eo fs l o wp o l a r i z a t l o ne f f e c t i nd i e l e c t r i cm a t e r i a l s h e r e ，t h er ce 打c u i t e q u a t i o n s a l en o tr e l i a b l ea n yn 1 0 r e b ye x p a n d m gt h es o t t w a r ef u n c t i o n ，t h ei n s t r u m e n t c a l lh ed e v e l o p e dt om e u r e t i n yc u r r e n t ，a n dt h ep r e c i s i o ni sc l o s et o1 0 1 3 丸 k e yw o r d ：t i m es c a l es p e c t r o s c o p y , d i e l e c t r i c s p e c t r o s c o p y , d a t as a m p l 啦 s y s t e m ，s l o wp o l a r i z a t i o ne f f e c t ，1 1 1 1 1 慢效应的发现 第t 章绪论 二十世纪七十年代，热释电效应在技术上的重要应用引起了注意i l ，热释电 体在室温下能检出i 旷o c 的微小温度变化闭热释电测量的是温度变化引起样品 表面释放的电荷此时的电子技术已可研制出感量不大于1o ”c 的数字式电荷 仪；其相对误差不超过1 0 4 级 3 1 。这种电荷仪可稳定地连续工作数天，其应用导 致发现慢热释电效应【4 l 。 经精心设计导热良好的样品盒将热释电体从一个恒温槽迅速移至不同温度 的另一恒温槽后，可以保证样品在不超过十分钟时间内建立新的平衡温度。但在 此后数小时乃至数天内仍可观察到样品还在释放电荷热释电流的衰减如此之 慢，故称之为慢热释电效应；而称能紧随温度变化的部分为快热释屯效应。由此 自然产生的两个新问题是：第一，慢热释电效应是否普遍存在；第二，外电场或 外力的阶跃变化是否也可引起电极化的快和慢效应。无选择性地对各种单晶和陶 瓷的普查结果证明：快和慢效应在热释电体中是无例外地普遍一起存在的口j 。 1 9 8 3 年，还证明了介电t 6 j 和e 电p 1 效应中也同时存在快和慢效应。 在非平衡态热力学中，体系依靠其内部热运动而趋向平衡态的过程称为弛 豫。非平衡态热力学给出的弛豫规律只适用于快效应，但完全不适用于慢效应的 衰减过程。因此，慢效应反映了体系中还存在某种尚未为人所知的动力学过程。 经过大量的实验研究，到1 9 9 1 年才能确认慢效应和样品中存在的各种空间电荷 有关，这也包括铁电体表面的自发极化屏蔽电荷。从而，实验正式进入到研究和 体系自由边界有关的问题。实验表明，这些电荷处于微观的束缚极化子态田。 8 0 年代研究慢效应的过程中，还发现了频域方法的一个先天的困难。如果 用频域方法研究热力学的发展，则因它将物性参数描述为复数唧，热力学变量都 成了复数；而态函数成为复变函数，这是很复杂的问题。因此，必须找寻频域以 外的方法。 1 9 8 7 年，研制了用来将慢效应和快效应分开的时域介电谱仪f 1 0 j ；开始了用 时域参数来描述快效应和慢效应l i i l 。早期，“时甸标度”曾沿用习惯称为“时域 实验证明，傅罩叶变换介电谱学中频域和时域方法的等效性，只对快效应成立； 1 在慢效应中，频域和时域方法并不等效。慢效应涉及的是非马尔可夫过程。这不 仅在物理学方面，而且在数学上也是一个新问题。因此，后来将“时域”更严格 地改称为“时间标度”；而在只讨论快效应时才使用时域这个习惯术语。 时域介电谱仪用于研究t g s 的铁电相变时，观察到铁电屏蔽电荷激发的慢 极化讯号。从而开始了对电介质的自由边界提供的效应的定量研究。仪器用 于z n o 陶瓷时，发现慢极化的贮能效应；这是一种历史记忆效应，证明了慢 效应确属于物理学过去未曾涉及的非马尔可夫过程问题。这是物理学中的霞要基 本问题。物理学的摹本公理是因果律；它要求未来决定于过去，但过去不受未来 的影响。自牛顿以来的物理学都近似地把因果律简化为：未来可以由初条件完全 决定，而不必考虑过去的全部历史。 时域方法比频域方法更为广泛，前者既可用于快效应，也适用于研究慢效应 【1 4 】；后者只适用于快效应，推广用于慢效应时会碰到许多原则性困难。1 9 9 5 年 提出了微分时域谱学方法【”】，使得按响应时间区分宏观体系中不同微观机构的 贡献时有更好的分辩能力。方法用于聚合物f l q 和液体【j ，】，表明慢极化效应柬源 于电介质的二级和三级结构带着束缚空问电荷或局域偶极矩的运动。为统一解释 慢效应，将有机物结构分级的概念在数学上严格化后推广到无机物；从而建立了 表面束缚檄化子偶的模型理论【1 8 l 。成功地解释了实验观察到的各种慢效应的衰 减规律。理论预言的新结果也相继为专门设计的实验所证实。其中，特别有意义 的是关于线型参数1 1 9 1 和响应时间口0 1 的理论结果的实验证明；慢效应和样品的形 状尺寸有关，已经成为现实的问题。 关于慢极化效应，可以简单叙述为介电常数，严格地应是所谓静态介电常数 s 。；因为热力学本身并未对建立热平衡所需的时间作任何规定。已有做过的实验 和理论分析将证明丘可分解为快介电常数钿和慢介电常数气两部分之和。一般 地比值毛肚在1 0 。至1 0 2 范围；但发现水，甘油和玻璃有气斗士。无限大的 正或负决定于边界的性质。在其他著作中嘲，只知道# 。的存在而认为t = 知p 。 遵从物理学现有的各种原理。但熟知的许多物理原理却对处理s ，显得无能为力。 例如麦克斯韦方程在频率不太高时，分布参数的描述方法过渡为集中参数的方 法，这时就得到r l c 的线性电路方程。若认为c = 钿知c o ，则电路方程讵确。 2 若定义 c = t = ( 知+ 8 l ) s o c o ， ( 1 i ) 则即使频率低至1 0 气k ，电路方程也是不正确的这时，只能回到关于 q = ( + e d s o c o u ( 1 2 ) 的原始的定义。注意到气可以比知大上百倍，其中未为所知的效应是可观的 其实慢效应并不一定慢，它经常和快效应同时出现：只是慢效应建立热平衡 所需时问要比快效应长得多，过程也要复杂得多。时域方法研究外电压u 作瞬 问跃变后，含介质的电容器中电荷量q 随时间，的变化规律。这是更为基本的方 法。只有在气= 0 时，时域方法才能通过傅里叶变换和频域方法等价。气0 时， 这种变换不再正确；此时频域方法的意义显得不明确，但时域方法的物理意义仍 是很具体的 对电介质材料的大量实验证明了频域和时域是不等效的两种独立研究方法； 从而导致形成了物理学中存在的慢效应这一全新的概念，井建立了慢极化效应的 微观动力学理论【1 9 1 。5 0 年以来，非平衡态统计热力学理论证明了宏观物质对外 加作用的线性响应必能用频域方法描述，从而可将物性参数写为频率的复函数。 然而慢效应不遵从现有统计热力学原理，故不能用频域方法而只能用时域方法描 述【1 9 1 。 1 2 电压型时间标度谱仪研制的目的与意义 运动控制系统研究的是运动过程中的系统控制的问题，电压、电流的数据采 集则是其中的一方面，而本文研制的电压型时间标度谱仪就是典型的应用。 在电介质慢效应研究中，时域测量中常需要测量时间从0 i p s 至数天跨度达 到1 0 个数量级，大小从i o v 至1 d “v 跨度达7 个数量缓的电压信号。如果采用 等问隔采样方式，必将产生大量的数据，这对设备的存储要求很高，同时也不利 于实验数据的处理。根据实验研究的具体情况，随着时间的推移，采集到的实验 数据变化非常微小。综合各种要求。必须采用非等蒯隔采样才能够实现。而现有 的采集系统大多为等时阃问隔采样、采样速度较慢，采样精度较低，难以满足研 究慢效应的要求，时问标度谱仪采用的是非等间隔、高精度和高速的数据采集系 3 统。时问标度谱仪的成功研制解决了这一问题，为实验研究提供了良好的工作平 台。 作者所在的集体已经成功的研制了a p p l e 机控制的电压型时间标度谱仪 口”、i b m 机控制的电压型”1 和电流型时间标度谱仪1 2 3 】。它可以用于研究快和慢 效应，从而分辨出静态介电常数中不同微观机构提供的成分 。已有的时问标 度谱仪，其采样的最小时间间隔为3 0 i t s ，电压测量是小感量为0 4 8 8 i t v ( 数字 化后的1 ) ，最大量程为1 0 0 0 v ，覆盖7 个数量级，能够适应当时实验需要。 但是，随着科学技术的发展，计算机更新换代迅猛，a p p l e 机控制的电压 型时间标度谱仪采用的是软磁盘驱动器技术，软磁盘驱动器已经越来越少用了， 取而代之的是硬盘驱动器。硬盘驱动技术比软盘驱动器技术先进，质量更好，得 到了广泛的应用，可保存更多的实验数据。该a p p l e 机操作系统为d o s ，软件 控制不方便，不利于现代实验员操作。更是甚至，该类a p p l e 机已经淘汰了， 很多配件难以购买更换。i b m 控制的电压型和电流型时1 1 日j 标度谱仪虽然采用了 硬盘驱动技术，但是其控制软件需要在t u r b oc2 0 的环境下运行，并且操作不 简便。 同时，随着科学研究的发展，特别是纳米技术的发展，电容型元器件越柬越 小型化，使得元器件表现电容值越来越小这就客观上要求提高实验设备的采样 精度和速度。 计算机、软件、单片机以及多机通信技术的发展，可以使得控制软件操作简 便，简化复杂的电子线路技术，使得实验设各自动化，大大提高了实验的工作效 率。综合实验室在介电测量方面已有的技术，研制用同一台计算机实现各种电介 质测量的仪器，即时间标度谱仪口“。采用多机通信技术，实现主控计算机控制 单片机，通过单片机控制多台实验仪器按照具体要求自动化工作。实验过程中或 者结束后，可以通过主控计算机控制外围设备，如绘图仪，打印机等处理实验数 据。电压型时间标度谱仪是其中的电压通道，用于采集实验中的电压信号。新型 的电压型时间标度谱仪成功研制，为实验员提供了友好的软件控制界面，提高实 验设各的自动化程度、采样的速度和量化的精度，解决了电介质材料研究带来的 新问题，采用了多机通信技术，为仪器的功能扩展提供了方便。 图i l 为新型电压型时间标度谱仪原理方框图，其工作原理：_ 丰控计算机 软件设置控铝4 指令，通过r s 4 8 5 串行总线发送给单片机。单片机接收到指令后， 按照指令要求控制电压型时间标度谱仪，设置电压型时问标度谱仪的工作参数， 同时，使其处于允许测量状态。当外部触发源触发时，进入测量状态。具体工作 如下： 从样品中采集电压信号，自动换挡电路根据电压信号，选择最优的档位，使 得输入 o 转换器的信号最佳。输入信号增益共有l ，x1 0 ，x1 0 0 ，x1 0 0 0 四个挡位，对应的测量量程为：9 v ，0 9 v ，9 0 m v ，_ 4 - 9 m y 。a d 转换器以 恒定的采样时问问隔o 5 邺采集数据，外围电路控制数据存储器r a m 读入所需 时刻的采集数据。实验过程中，采集到数据可以送回计算机实时显示。实验结束 之后，通过计算机发送控制指令，取回实验数据。 较以前的堤备。新型时间标度谱仪做了如下改进： 1 ，控制软件采用了多机通信技术，为实验设备的整合提供了方便。多机通 信中，主控计算机还可以同时控制电流型时同标度谱仪、函数发生器、电压放大 器、脉冲触发器和电流发生器等，这些仪器可以产生测量所需的各种信号。原有 的时间标度谱仪采用的是计算机单机通信技术，因而同一台计算机上控制软件同 一时间只能控制一台仪器，同时也不利于实验设备功能的扩展。当需要扩展实验 设备功能时，需要重新开发控制软件，效率低。采用了多机通信技术可咀实现同 一台计算机上控制软件可以同时控制多台实验仪器。若需要扩展设备功能，只需 简单扩展相关的软件功能，提高了开发的效率。同时采用了多机通信技术可以方 便多台仪器协同工作。 2 ，采用单片机控制技术，简化了复杂电子线路技术，可实现多机通信，使 得实验设备自动化。已有的时间标度谱仪虽然也采用自动化技术，但不利于实验 设备的扩展、协同工作等。采用单片机技术，通过设置单片机通信中断响应等功 能可以很方便的实现一台计算机与多台单片机的通信。主控计算机发送指令呼叫 要控制的实验仪器，相应的实验仪器应答，建立通信，同时也可以实现多台实验 设备协同工作。主控计算机通过发送指令控制单片机，通过控制单片机对应引脚 的高低电平，使得单片机外孱设备按照实验要求工作。新型电压型时问标度谱仪 采用了单片机控制技术，可以实现实验过程中自动计数采集到的实验数据个数、 方便的把实验数据实时发送回计算枫并波形显示。通过单片机的控制还可以选择 2 4 种不同的采样时问间隔等。 3 ，有2 4 种不同的采样时问问隔可供选择，最小可达0 5 1 a s ，最大可达2 5 s ， 提高了采样的速度。根据实验的具体情况可以选择等间隔或者非等间隔采样。采 用 e 等刚隔采样，采样段的采样个数为1 0 ，2 0 ，5 0 或1 0 0 。已有的时间杯度谱 仪1 2 3 1 采样最小时间问隔为3 0 1 t s ，采样段的采样个数单一。随着科研的发展，需 要提高采样的速度，同时，为了便于实验数据处理，希望采样段的采样个数能够 根据不同实验的具体情况灵活选择。新型电压型时间标度谱仪，提高了采样速度， 最小的采样时间间隔可以达到o 5 r t s ，同时有多种采样段的采样个数可供选择， 便于实验数据处理。 4 ，采用了1 ，1 0 ，x 1 0 0 ，1 0 0 0 前旨放大电路，可以实现手动或自动 换挡，采用1 4 位的a i ) 转换器，电压测量最小感量为0 1 5 3 t v ，最大量程9 v 。 提高了采样量化的精度。已有的时间标度谱仪电压测量最小感量为o 4 8 8 t v 。 新型的电压型时间较以前仪器提高了两倍多的精度，采集到数据更为精确。可以 根据实验的具体需要设置换挡控制电路的控制信号实现手动或者自动换挡。 5 ，实验过程中，实验数据可以同步存储干数据存储器r a m 中，最多可存 储数据3 2 7 6 8 个。已有的时间标度谱仪硬件电路中没有设置数据存储器，所有的 采样点都足实时的发送回主控计算机，这就形成了实验过程中，主控计算机与仪 器之间不断的处于通信状态。有时，实验时间可能多达几天，而随着时间的推移， 采样点的时问问隔越来越长，这就产生了主控计算机长期间处于等待数据状态。 而主控计算机长期处于工作状态，不利于其工作寿命。为了改变这种状况，采用 了数据存储器，实验过程中，实验数据可以同步的保存到数据存储器中，此时主 控计算机与电压型时间标度谱仪没有任何联系，计算机可以进行其它的工作或者 关闭。当需要取回数据或者想获知采集的数据等情况时，可以通过主控计算机发 送控制指令获取相关信息。实验过程中可以通过指令，获取数据存储器中的实验 数据进行实验处理或者波形显示。3 2 7 6 8 个数据存储量最大可l = i 满足实验工作9 天的数据量，足够满足实验研究的要求。 匝蜷恹剐瞻g氍避嚣量苗科增删酬嚣_【_【匝 1 3 本论文所完成的工作 l ，完成了电压型时间标度谱仪的研制； 2 ，对电压型时间标度谱仪进行安装，调试与标定； 3 ，编写了供时问标度谱仪的控制软件和单片机控制程序： 4 ，用研制成功的电压型时问标度谱仪测量了商用聚丙烯电容充放电电压 随时间的变化关系，发现在其它所有测量条件保持不变的情况下，同一 样品的充放电f ) 曲线是不重合的。再次证明了电介质材料中普遍存在 慢极化效应，此时r c 电路方程不再适用。 第2 章电压型时间标度谱仪的软硬件结构 综合实验室在介电测量方面已有的技术，设计了一台多机通信系统，可以产 生多种介电测量要用到的信号，进行多种介电测量，如：极化效应，压电效应， 热释电效应等。系统总线采用r s - 4 8 5 ，易于扩展，主要的技术问题均通过软件 方法解决，组成的仪器为时间标度谱仪。 2 1 多机系统设计思想 设计思路：首先给每台仪器分配一个号码，主控计算机发送要控制的仪器号 码，所有的仪器接收此号码并与本机号码比较，如果一致，则表明主控计算机控 制要该仪器，此时该仪器与主控计算机建立通信。主控计算机发送指令给被控仪 器，被控仪器根据指令执行相应的工作。考虑到系统的扩展，主控计算机软件采 用多机通信技术，仪器采用单片机控制技术。图2 一i 为多机通信系统结构图。 图2 - - 1 系统结构图 i n t e l s 0 5 1 系统的串口工作在模式3 下，是可变波特率的9 位数据异步通讯方 式，格式如下， 1 0 停止一 o 起始位 一数据位卅校驻位 图2 2i n t e l 8 0 5 l 的串行口工作模式3 每发送或接收一帧数据为1 1 位：一位起始位( o ) ，8 位数据位，1 位附加校 验位和一位停止位( 1 ) 。其中附加校验位在非多机通信系统中是作为奇偶检验位， 发送数据时由串行寄存器s c o n 中的t b 8 产生，接收端自动将该位传送到s c o n 中的r b 8 中。在多机通信系统中，可以将该位设置为“l ”或者0 来区分地 址帧或数据帧。 由上文提到的设计思路，可以这样设置多机通信系统：每个m s c - - 5 1 控制 系统即从机，处于“听号”状态。此时，它们的串行控制寄存器s c o n 中的s m 2 设霞为“1 ”，采用中断响应模式。当接收到一帧信息的第9 位r b $ 为“1 ”时， 即接收到地址帧信号，各从机中断响应，并与本机号码相比较，如相符，则令其 s c o n 中的s m 2 为0 ，该从机便与主机联通，准备接收由主机发来的命令或 数据信息，而其它从机s m 仍为“l ”。当接收到一帧信息的第9 仿r b 8 为“o ” 时，中断屏蔽，不响应串行通信信息。主控计算机在发送命令或数据时，由程序 将第9 位数据置为“0 ”。此时，只有s m 为0 的从机接收命令或数据信息， 从而实现了地址帧与数据帧的分离，主控计算机与多台单片机顺利实现多机通 告。 电压型时间标度谱仪是时间标度谱仪中的电压通道1 2 4 1 。电压型时问杯度谱 仪设计思想：系统由两个部分组成，即硬件和软件。首先，采用一个可以手动或 者自动换挡的输入信号放大电路，将从样品取得的电压信号放大为最适合的电压 信号，传给a d 转换器，a d 转换器以2 m h z 的频率采集传来的电压信号。另 外，频率为2 m h z 的晶振产生一个基本时钟信号c l k l ，可编程逻辑器件控制基 本时钟信号c l k l 的导通或者关断，由分频器产生2 4 种的采样时间间隔，根据 实验的需要可以等问隔或者非等间隔读取a d 转换器采集到的实验数据，并同 时保存于数据存储器中。单片机程序控制谱仪的工作，所有指令均由主控计算机 控制。 2 2 硬件实现 硬件原理图、实物图、硬件电路板器件对应表见附录部分，实物图中已经标 出了各个功能模块及各个元件编号。整个硬件电路主要包括单片机控制、通信部 分和功能模块部分。 2 2 1 单片机控制部分 单片机是整台仪器的控制核心，控制系统如图2 3 所示系统采用a t m e l 公司生产的低电压，高性能c m o s8 位单片机a t 8 9 s 5 2 。a t 8 9 s 5 2 能很方便盼 实现多机串口通信。为了实现多机通信，在仪器扩展中，前端控制都需要采用该 类型的单片机。 r o ! t m s 9 1 ：d $ 2 图2 - - 3 单片机控制系统图 主控计算机发送指令控制单片机对应引脚置高低位，使得下位机各个功能模 块实现相应的功能。各个引脚的功能如表2 - - l 所示： 袭2 一l 单片机控制系统各引脚功能表 引脚功能备注 e v p p 接高电乎，c p u 执行内部 程序存储器中的指令 x l 振荡器反相放大器的及时钟发生器为： 内部时钟发生器的输入1 1 0 5 9 2 m h z 的石英振荡 端 器 勉振荡器反相放大器的输 出端 r e s e t 复位输入端当振荡器工作时，该引脚 出现两个机器周期以上 高电平将使单片机复位 r x d 串行输入口接收主控计算机的控制 指令 珊 串行输出口发送信号或实验数据给 主控计算机 i n t o 低电平时，测量允许与触发信号o n 、地址生 成器部分的地址最高位 a 1 5 控制系统工作 i n l i 选择等间隔采样或非等“1 ”允许变换，“0 ”禁 问隔采样止变换 t 0 计算已采集到的数据个 数 p 1 0 ，p 1 r l ，p 1 2控制十进制分频器，共8 级 p 1 3 ，p i 4 控制分频器，使得输出按所得频率为2 m h z ，1 m h z 输入信号频率的1 ，或4 0 0 k h z 2 或5 分频 p 1 6 ，p 1 7控制每个采样段采样个 数，共有1 0 点段，2 0 点 ，段，5 0 点段和1 0 0 点 段四种变换格式 p 2 0 ，p 2 1 ，p 2 2 ，p 2 3控制输入信号增益，共有当p 2 3 为低电平时系统 1 。1 0 ，1 0 0 ，x自动选择最优增益 1 0 0 0 ，四个挡位 1 2 4 ，p 2 5 与p 0 端口共同作用读地 址存储器 p 2 6 ，p 2 7与p o 端口共同作用读数 据存储器 2 2 2 通信部分 该部分实现了计算机和单片机之间的通信，包括命令和数据接收。m a x 4 8 5 接口芯片是m a x i m 公司的一种r s - - 4 8 5 芯片，r s - - 4 8 5 总线允许导线上一个发 送器驱动3 2 个负载设备，通过电平转换器实现与r s - - 2 3 2 的转换，电平转换器 采用m a x 3 2 。 m a x 4 9 5 芯片内部含有一个驱动器和接收器。r 和d 端分别为接收器的输 出端和驱动器的输入端，与单片机连接时只需分别与单片机的r x d 和t x d 相 连即可；r e 和d e 端分别为接收和发送的使能端，当r e 为逻辑0 时，器件处 于接收状态；当d e 为逻辑1 时，器件处于发送状态，因为m a x 4 8 5 工作在半 双工状态，所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可；a 端和b 端分 别为接收和发送的差分信号端，当a 引脚的电平高于b 时，代表发送的数据为1 ； 当a 的电平低于b 端时，代表发送的数据为0 。同时将a 和b 端之间加匹配电 阻，一般可选1 k q 的电阻。图2 4 为m a x 4 8 5 与单片机串口的连接电路图。 图2 5 为电平转换器连接图。 图2 4m a x 4 $ 5 与单片机串口的连接电路图 图2 5 电平转换器连接图 2 2 3 功能模块部分 图2 6 为电压型时间标度谱仪的整体时序图。功能模块包括时钟信号发生 器、除法分频器、十进制八级分频器、采样时间间隔换挡、a d 地址发生器，数 据存储器r a m 、d 转换器和输入信号增益控制等八部分组成。整台仪器的时 钟控制都是严格按照该时序图设计的，a d 操作、单片机操作时间各占基本时钟 2 m h z 的半个周期。时钟信号c l k i 、c l k 2 分别控制地址脉冲即数据存储器r a m 的地址信号和r a m 的写脉冲。通过控制测量允许信号e n 、地址生成器部分的 地址最高位a 1 5 和外部触发信号o n ，使得仪器能够按照实验要求工作。 匝世富n匝 一。习一孽 罗 錾攀娶 1 时钟信号发生器 时钟信号发生器为谱仪提供基本的时钟信号。时钟信号发生器采用2 m h z 的白其晶振。时钟信号发生器的方框图如图2 - - 7 所示，其中7 4 h c l 0 2 5 】与非门， 与2 m h z 的石英晶振共同作用，产生一个2 m h z 基本时钟信号c l k l 。经过r c 电路和非门器件7 4 l s l 4 1 2 5 1 产生一个落后于c l k i 四分之一周期的信号c l k 2 。 c l k ic l k 2 十十 2 m i ：古妥蠹蒹_ i i 磊 7 4 h c 。i ，j i 云i 磊_ ；石再：；i | l j 一一 o z lu 3 3 u 1 2 图2 7 时钟信号发生器的方框图 使用一个可编程逻辑器件u 3 9 可咀起到开关的作用，如图2 8 所示。各时 钟信号满足以下规则： r a m r ：= c l o c k( c l k 2 触发) ，由c l k 2 的下降沿触发。 0 = e n + 0 n + a 1 5 ( e n 应在o n 之前置“0 ”) c l k i l k l 0 c i ，r = q 由其内部逻辑规定可以看出当且仅当 c l k l 正常工作； e n ( 由i n t 0 控制，称为“测量允许”) ，为低电平； o n ( 外部触发信号，由外围设备控制) ，为低电平； a 1 5 ( 地址生成器部分的地址最高位，即要求内存地址达到最大时，该位有 效) ，为低电平。 c l k i 信号才可以通过并以c l k l 的形式传到下级电路。 该规则同样作用于c l r 信号的输出：在测量过程中，c l r 端总保持低，但 当内存地址达到最大，c l r 会因a t 5 变为高电平而变回高位，反作用于a d 地 址发生器的地址脉冲，使得内存地址不再累加。 该规则也作用于r a m - - r 信号的输出：r a m - - r 信号经过一个微分电路输 给数据存储器r a m 。微分电路使得r a m 总是读状态，当需要写入数据时，才 给r a m 一个写信号。当内存地址达到最大时，r a m - - r 变回高电平。 封e n 蓁匿 叫程l ：= ：二 o n 逻i n 口 叫梧l ” a 1 5 嚣r + c l k 叫i 荐件 图2 8 可编程逻辑器件控制方框图 2 ，除法分频器 除法分频器是对基本的时钟信号2 m h z 进行除1 ( 2 m h z ) ，除2 ( 1 m h z ) 和除5 分频( 4 0 0 k h z ) 。通过单片机的p 1 3 和p i 4 端1 3 控制选择器7 4 h c l 5 1 f ”! 选择从分频器7 4 h c 3 9 0 | 2 5 1 输出的时钟信号。如图2 9 所示。 2 m h z ：l k l l m h z 分频器 4 0 0 k h z 选择器 7 4 h c 3 9 0 控 7 4 h c l 5 l ：l r 制二： 端 u 3 2 图2 9 除法分频器闰 3 ，十迸制八级分频器 十进制八级分频器是由七块二进制计数器7 4 h c l 6 0 口5 1 的芯片组成，实现输 入时钟信号频率逐级递减一个数量级的功能。如图2 一1 0 所示。 c l o c k lc l o c k , 2c l o c k 3 c l o c k 4 c l o c k 5c l o c k 6c l o c - x 7c l o c k 8 图2 1 0 十进制八级分频器图 阁w m 引盯i l 一服娥嘲 时钟信号c l o c k l c l o c k 8 经过一块8 选l 选择器7 4 h c l 5 1 ，得到时钟 信号c l o c k 。单片机的的p i 0 ，p i 1 ，p 1 2 控制选择器7 4 h c l 5 1 的控制，选通 信号。网时通过“l o a d ”端控制采样时间m 隔逐级递增。 4 ，采样时间间隔换挡 考虑到测试样品的特性未知，为适合平缓和急剧的采样参数，采样时间间 隔采用丁手动换挡和自动换挡两种方式。如图2 1 l 所示。 手动换挡：时钟信号发生器采用2 1 v l h z 的晶振产生一个基本的时钟信号，经 过除法分频器、十进n a , 级分频器可以产生o ，5 9 s ，1 p s ，2 5 1 a s ，5 脚，1 0 9 s ，2 5 1 , t s ， 5 0 9 s ，1 0 0 p , s ，2 5 0 p _ s ，5 0 0 p s ，l m s ，2 5 m sr5 m s ，1 0 m s ，2 5 m s ，5 0 m s ，l o o m s 。 2 5 0 m s ，5 0 0 m s ，1 s ，2 5 s ，5 s ，1 0 s ，2 5 s 等2 4 种采样时间间隔。采样过程中， 可以通过主控计算机软件控制根据需要选择采样时间间隔。 自动换挡；在 等间隔采样时，通过软件控制也可以实现自动换挡。选定自 动换挡之后，采样段的个数不变，完成起始采样段后，采样时问间隔将按1 0 倍 递增后继续采样。当采样时间间隔增大至5 s ，1 0 s 或2 5 s 后不再增大，直至测量 结束。电压型时问标度谱仪采用了四种不同的挡位：1 0 点假，2 0 点，段，5 0 点 段，1 0 0 点做，具体采用何种挡位，可以根据实验要求进行选择。 u 3 1 ，u 3 2u 3 6 u 3 7 图2 一l l 采样时间问隔手动，自动选择方框图 5 ，a d 地址发生器 a d 地址发生器为数据存储器r a m 提供地址信号，由四块四位二进制同步 计数器7 4 h c l 6 1 和两块缓冲器7 4 h c 3 7 3 t 2 5 i 组成。根据外部时钟信号c l o c k ， 地址自动加一，根据系统要求可以产生3 2 7 6 8 个地址。如图2 一1 2 所示。 样隔+ 采同一 择问一选时一 黔i 一 一 数岵 一 凇组 厂一妒 蒜 一 葱 一k p l一一一一一一 一 c 一 型 一四位二进制 缓冲器 t 同步计数器 7 4 h c l 6 1 7 4 h c 3 7 3 u 1 5 u 1 8u 1 9 u 2 0 图2 1 2a d 地址发生器方框图 6 ，数据存储器r a m 数据存储器r a m 由两块6 2 2 5 6 十六位存储器组成，用于存储从a d 转换器 输出的采集数据。外围电路包括单片机p o 端口产生的读存储器电路和读a d 转 换器采集数据电路。如图2 一1 3 所示。 图2 1 3 数据存储器r a m 方框图 7 ，a d 转换器 a d 转换器是电压型时间标度谱仪的核心部分。a d 转换部分是由两个放大 器a d 8 0 4 7 组成的差分放大电路、一个十四位的a d 转换器a i y ：y 2 4 3 和两块8 位三态d 型锁存器7 4 h c 3 3 组成。 a d 9 2 4 3 脚 是a d 公司生产的一种3 m t i z 的单电源工作的1 4 位模拟转换器 ( a d c ) 。它采用低成本、高速度的c m o s 处理技术和新颖的结构以便兼顾高分 辨率与高速度的性能。它是一个完整单片a d c 电路，片内有高性能、低噪声的 取样保持放大器和一个可编程的基准电源。器件采用带有数字输出误差校正的多 级流水线型结构，保证在整个工作温度范围内不丢码。a i y ) 2 4 3 单个输入时钟就 能完全控制转换过程，数字输出采用直接二进制编码格式。a d 9 2 4 3 在内部定时 电路中希j 用了它的时钟的两个边沿。a d 取样模拟输入信号是在时钟的上升沿。 - 1 9 在时钟的低电平期闻，输入取样保持放大器( s h a ) 处于取样状态，在时钟的高 电平期间，它处于保持状态。 a d 9 2 4 3 的输入级有很大的灵活性，对于各种不同输入，它的差动输入结构 允许组成单端的或差动的输入接口。本系统a d 转换器的前置电路采用差分放 大电路，如图2 1 4 所示。当外部信号v 0 2 输入时，经由两个a d 8 0 4 7 构成的 差分放大电路之后，接入转换器a d 9 2 4 3 的v i n a 和v i n b ，理想的情况下满足 v i n a n b 一2 v 0 2 。转换器采用内部的基准电压2 5 v 。 m n 图2 1 4 d 转换器的前置电路图 8 、输入信号增益控制 输入信号增益控制主要包括输入信号放大电路和增益自动选择两个部分，输 入信号放大电路由两个1 3 v 的限雎二极管、两个放大器o p 0 7 2 ”、l f 3 5 6 2 5 1 和两 个选择器a d 7 5 0 3 组成，如图2 1 5 所示。选择器a i ) 7 5 0 3 的选通端口a 2 、a 1 、 a 0 分别与单片机的p 2 0 、p 2 1 、p 2 2 端口褶连，当p 2 3 端口为高电平，通过给 单片机的p 2 0 、p 2 1 、p 2 2 端口置位可以使得输入信号咀1 、1 0 、1 0 0 、 1 0 0 0 放大，以满足采样输入信号的要求，具体设置如表2 2 所示。 表2 2 放大倍数对应表 p 2 2p 2 1p 2 0 放大倍数 o oo l o 0l 1 0 0 10 1 0 0 o1 l l 0 0 0 l0o1 0 0 0 1o l i 0 0 0 ll o 1 0 0 0 l1l1 0 0 l o 注r 。1 ”代表高电平，“0 ”代表低电平。 其工作原理：输入信号v i 在精密电阻斟、置5 、旯6 和放大器o p 0 7 的作用下 实现了第一级放大，在精密电阻r 7 、r 8 、r 9 和放大器l f 3 5 6 的作用下实现了第 二级放大，各精密电阻标称值如表2 - - 3 所示。 表2 3 各精密电阻标称值表 电阻编号电阻值 尉9 k q 足5 9 0 0 q 肺1 0 0 0 r 79 k q 月8 9 0 0 0 r 9 i o o o 增益自动选择主要由两个比较器t l 0 $ 4 、两个或非门7 4 h c 4 0 0 2 1 2 m 、一个或 门7 4 h c 4 0 7 2 2 s 、一个计数器7 4 h c l 9 3 2 5 1 和一个八三态门缓冲器7 4 h c 2 4 4 2 s ! 组 成。通过调整可变电阻v r 3 和v r 4 的阻值大小可以使得输出电压v 0 2 限定在 【o 8 v 9 v 】和【一9 v , - o s v l 。通过设置单片机8 9 s 5 2 的p 2 3 为低电平，实现对输入信 号的增益自动选择。系统将根据输入信号，选择最优的放大倍数图2 一1 6 为自 动控制放大原理图。其工作原理：当信号v 0 2 的电压大于9 v 时，比较器t l 0 9 4 将产生从+ 1 0 v 跳变为一1 0 v ，负电平送到或门7 4 h c 4 0 7 2 的一端，和或非门 7 4 h c 4 0 0 2 共同作用，在时钟信号c l o c k 为低电平的时候产生一个低电平，送 至计数器7 4 h c l 9 3 的向下计数端d n ，输出计数减一。7 4 h c l 9 3 输出的状态送 至三态门缓冲器7 4 h c 2 4 4 ，7 4 h c 2 4 4 的输出端反作用于选择器a d 7 5 0 3 的选通 端口a 2 、a i 、a 0 ，使得放大倍数降一个数量级。同样的原理，当信号v 0 2 小于 0 s v 时，经过比较器t l 0 8 4 ，或门7 4 h c 4 0 7 2 产生一个低电平送至计数器7 4 h c l 9 3 的向上计数端u p ，输出计数加一。7 4 h c