[emuch]第26章_分析仪器测量电路、信号处理及计算机应用基础

1、26.1 概论概论 仪器分析的发展和电子学、化学统计学或化学计量学、计算机科学发展密切相关。 它们各分属相对独立学科领域，又相互交叉、渗透、促进，共同导致各种分析仪器总体设计、结构、功能和操作技术的根本变革，且大多与仪器研发、制造有关，基本属于分析仪器范畴。 本章仅讨论与分析仪器有关的几个典型放大、测量器件和电路及信号处理、计算机接口、应用等方面的一些入门知识。 如果基极电流 Ib 作为输入电流，Ic 为输出电流，就是电流放大倍数，它们之间的关系如下： 通过负载电阻 RL 可以把放大了的集电极电流转化为电压 ICRB，从而进行电压放大（电压增益）：cbebcIIIIICECCcLUUI R26

2、.2.1.晶体管放大器晶体管放大器 分析仪器使用过程中，由于温度或电源电压等因素的变化会产生漂移，即在输入端不加入信号时，输出电压也会偏离零值而上下缓慢漂动。漂移是影响分析测量准确性的一个重要因素。为了克服这一缺陷，可采用差分放大器。 运算放大器是一种高增益、宽频带、直流耦合的差分放大器，使用时一般采用负反馈电路。由输入级、中间级、输出级和偏置电路组成。输入级采用差分放大电路。 1. 负反馈的连接 负反馈可以大大提高放大器的稳定性，当输入信号不变，由于放大器参数的变化，使放大倍数有增加或减少时，输出信号增加或减少，反馈信号也增加或减少，使得有效的输入信号减少或增加，从而使放大器达到稳定。 +-

3、RfR1U+U-RPUiI1If图图24- 7 反相输入放大器反相输入放大器UO+ 3. 运算放大器的一些典型用法 3. 运算放大器的一些典型用法 3. 运算放大器的一些典型用法1. 电流的测量电流的测量 2. 电压的测量电压的测量 3. 微分电路微分电路 4. 积分电路积分电路5. 恒电位源恒电位源 6. 恒电流源恒电流源 集成运算放大器大都是采用圆形管壳封装的结构，因为集成电路的用途不同管脚接法不尽相同，所以在测试和使用时，必须查阅集成电路手册或者有关技术资料进行对照和比较，以免搞错而损坏器件。 在缺少专用测试仪器的情况下，通常用万用表的适当直流电压档级，检测集成运算放大器输出端的“零位”

4、、“正位”和“负位”的数值，以判断其质量好坏。26.3.1. 26.3.1. 计算机的基本结构与原理计算机的基本结构与原理26.3.2.1. 26.3.2.1. 概述概述26.3.2.2. 26.3.2.2. 数模模数转换电路数模模数转换电路数模转换器电路：26.3.2.2. 26.3.2.2. 数模模数转换电路数模模数转换电路8位D/A转换器与CPU的典型连接：26.3.2.2. 26.3.2.2. 数模模数转换电路数模模数转换电路模数转换器电路：26.3.2.2. 26.3.2.2. 数模模数转换电路数模模数转换电路模数转换器电路：26.3.2.2. 26.3.2.2. 数模模数转换电路数

5、模模数转换电路ADC0809转换芯片：26.3.2.3. USB26.3.2.3. USB接口电路接口电路 通用串行总线(Universal Serial Bus，USB)是目前为计算机和外设之间提供一种通用的、灵活的、简单易用的连接平台，以方便用户、降低成本，扩展 PC 连接外设的范围。它是一种快速、双向、 同步传输、廉价的并可以进行热拔插的串行接口。 26.3.2.3. USB26.3.2.3. USB接口电路接口电路 通用串行总线(Universal Serial Bus，USB)是目前为计算机和外设之间提供一种通用的、灵活的、简单易用的连接平台，以方便用户、降低成本，扩展 PC 连接外

6、设的范围。它是一种快速、双向、 同步传输、廉价的并可以进行热拔插的串行接口。 26.3.3.1. 计算机在原子吸收光谱分析仪器中的应用计算机在原子吸收光谱分析仪器中的应用 目前的原子吸收、发射光谱仪几乎都配备有计算机系统，利用该系统能对仪器操作条件和被分析元素的各种分析条件，如波长、狭缝宽度、 元素灯电流、光源参数及其正确位置、供气系统的各种参数、分析曲线形状等进行自动选择。其主要功能有：(1) 具备积分仪的全部功能；(2)数据的永久存储； (3)谱图再处理功能；(4)色谱峰打印功能； (5)单通道、双通道数据采集可供选择；(6)液相色谱仪的梯度淋洗程序控制；(7)气相色谱的程序升温控制；(8

7、)超临界流体色谱仪的压力梯度及程序升温控制；(9)智能化色谱软件系统。26.4. 1. 线性插值线性插值 在化学中，有很多参数常以表格的形式表示，如表所示的不同温度下的溶解度。线性插值法的原理如下：设温度t1 和 t2对应的溶解度值分别为 S1和 S2，通过这两点可以建立线性方程，这样就可以很容易求得温度 时对应的溶解度。21112121()iiiSSSSTTTTTTT 对于实际的化学体系，变量与响应之间往往是非线性的，采用线性插值法就会产生一定程度的误差，此时宜采用非线性插值方法。Lagrange (拉格郎日) 插值是较为常用的非线性插值方法。设测量结果如表 26-4 所示，其中 拉格朗日插

8、值的计算公式为： 12mxxx11( )()ijjimmijijxxy xyxx 样条函数插值是一种分段拟合方法，它的一个显著的优点是拟合曲线在各结点处是光滑的，避免了一些方法在结点处拟合效果好但拟合曲线不光滑而产生偏差。 对于随机噪声而言，当测量次数 时噪声的加和为零，所以采用多次测量加和后取平均的方法可在一定程度上消除噪声的影响。 如果对某一响应进行了N次测量，第i次测定的结果为xi，设第i次测量中的噪声为 ，则：i121iNNixxxxNx1222221iNNiNNxNxN 多项式平滑方法是一类常用的分析信号处理方法，其特点是平滑效果好、波形失真小。多项式平滑方法假定信号波形上的某一点与

9、其临近点可用多项式来描述。通过最小二乘法原理可求出该多项式的各参数，并根据多项式计算相应各点的平滑值。平滑后的数据消除了部分叠加在原始数据上的噪声。26.4.5.1. 三点一次平滑法三点一次平滑法 三点一次平滑法采用线性模型来描述信号波形的局部特征。其做法是将某个点与其左右邻近的一个点共三个点建立一个线性模型。26.4.5.2. 五点二次平滑法五点二次平滑法 与上述方法类似，对于等间距的点集，五点二次平滑法将某一点及其左右两边临近的两个点共五个点按二项式模型进行拟合。 对分析信号进行求导，有助于消除背景的影响，并在一定程度上改善分辨率。单一信号及其导数谱重叠信号及其导数谱26.4.7.1. 连

10、续连续Fourier变换变换 对于任意的函数x(t)，按 Fourier 的理论，它可以表示成如下的级数形式其中，01( )(cos( 2)sin( 2)nnnx taanftbnft001( )Tax t dtT02( )cos( 2)nTax tnft dtT02( )sin( 2)nTbx tnft dtT26.4.7.1. 连续连续Fourier变换变换 从上面的式子可以看出，Fourier级数实质上就是用许许多多的正弦和余弦函数的加和来拟合一个实际的函数。这一特点使得Fourier级数成为研究周期函数的有效工具。而通过适当的变换将Fourier级数转换为Fourier积分的形式，就可

11、用于研究非周期函数。经变换后，Fourier级数可表达为2222cos( 2)2sin( 2)2jnftinftjnftinfteenfteenftj2( )jnftkkx tC e26.4.7.1. 连续连续Fourier变换变换 有了这些基本概念后，可以直接给出 Fourier变换的定义。设有时间函数 ，其 Fourier变换表达式为，逆变换为： 2( )( )jnftX fx t edt2( )( )jnftx tX f edf26.4.7.2. 离散离散Fourier变换变换 在实际的测定过程中，我们只能获得信号的一系列采样点，连续变换形式需转换成能处理离散序列的变换形式： 采用上式进行 Fourier 变换所遇到的一个困难是计算量的问题，计算时间是正比于N2。如果N很大，则计算时间很长。直到1965 年，Cooly-Tuke