分析仪器与计算机的连接

时间：2023-02-13 理论教育版权反馈

【摘要】：然而分析仪器的一些参数，仍需操作人员进行调节。在高智能、全自动的分析仪器中，计算机通过接口电路连接相应的外部设备和分析仪器。分析仪器与计算机之间通过接口连接以发挥各自的特殊作用，使仪器的最大潜能得以展现。可见，计算机与分析仪器相连接的接口，除计算机系统之外，还必须配备具有执行功能的仪表，如温控元件、开关操作元件、参量测量部件等。

2.4.1　分析仪器与计算机的连接

1.连接方式

微机与分析仪器的连接有3种方式，如图2－39所示。

图2-39　微机与分析仪器的连接方式

1）离线模式。如图2－39（a），通过操作人员分别使用分析仪器及微机。操作者从分析仪器中获取实验数据输入到微机，完成如工作曲线拟合与绘制、浓度计算等功能。显然，手工收集和输入数据十分繁琐费时，不能胜任快速系统要求，例如高分辨色谱每秒可出几个峰，人和机械式记录仪的记录就有困难。

2）在线模式。如图2－39（b），操作人员同时控制微机及分析仪器，微机直接从分析仪器中获取数据并进行处理，同时在操作人员指令下向分析仪器发出控制信号。然而分析仪器的一些参数，仍需操作人员进行调节。

3）嵌人模式。如图2－39（c），操作人员只与微机发生联系，将有关样品分析、分析仪器参数等输入微机，分析仪器在微机控制下完成整个分析过程，并获得最终结果。在这种模式中，微机不仅获取数据，而且自动控制并优化分析仪器的各种参数，获得分析结果。

2.分析仪器与计算机接口的一般知识

在高智能、全自动的分析仪器中，计算机通过接口电路连接相应的外部设备和分析仪器。虽然各种分析仪器的结构千差万别，但接口电路却大同小异。接口的作用是将一种仪器的输出量转换成与另一种仪器的输入要求相匹配的形式，而它本身不进行数据的转换或处理。分析仪器与计算机之间通过接口连接以发挥各自的特殊作用，使仪器的最大潜能得以展现。

计算机用于分析仪器的测量和控制主要有3个方面：①给定控制信号和控制顺序；②收集实验数据；③对给出的信号和收集的数据进行处理，包括作图、列表、数学转换和其他信息加工。

图2-40　分析仪器与微机的连接

计算机测量控制系统可以是大型、中型和微型水平，也可用单板机或微处理器和一些存储单元、接口元件组成的专用设备。用接口连接计算机和分析仪器的原理见图2－40。接口主要有：①转换与传递单元。包括模拟－数字（A/D）转换器、数字－模拟（D/A）转换器、电压放大器、电流－电压转换器、信号调节器、采样保持放大器以及多路模拟量开关等。②时钟、控制和逻辑单元。主要由数字钟、逻辑门、触发电路、计数器、施密特触发器、模拟开关等。③驱动接口硬件的相应软件。它为操作接口中各电子器件提供必要的控制。

接口在数据采集及反馈控制过程中的工作原理是，操作者首先确定接口的工作方式，例如，是对某一模拟量进行连续采样，还是对几个模拟量进行巡回采样，因而需编好接口的工作方式程序；将数据采样方式、接口向计算机传递数据方式、数据采样频率等信息送到接口相应的控制寄存器中；然后启动A/D转换器，采集实验数据，待A/D转换器发出“转换结束”信号，使接口中相应的寄存器置于“1”，并把转换后的数据送入接口中的数据寄存器；中央处理单元通过状态寄存器得知转换已经结束，按事先确定的数据传输方式把数据取到运算器或内存中进行数据处理。计算机反馈控制仪器时，接口还需进行D/A转换，将计算机的数字量转换成模拟量来进行。总之，分析仪器的信号都是通过接口电路输入到计算机或输出到其他外部设备。

可见，计算机与分析仪器相连接的接口，除计算机系统之外，还必须配备具有执行功能的仪表，如温控元件、开关操作元件、参量测量部件等。因此，必须解决如何将计算机的数字变成外部设备能识别的模拟信号的问题（数模转换）和如何将探测器得到的模拟量变成能在计算机中处理的数字量问题（模数转换）。

3.模数转换

分析仪器中被测物理量经过传感元件，如光电转换器件、电极等，变为连续变化的电压或电流信号，称之为模拟信号。而在计算机中用作测量、数字控制和处理的信号，以及在系统的传输、运算、处理分析、存储等运行中的信号，都是数字信号。因此，在测试中要将模拟系统中运行的模拟信号转换成数字系统中运行的数字信号。

模拟－数字转换器是将模拟量转换为一定码制的数字量的器件或装置。A/D转换大多是将电压模拟量转换为数字量，也有先将电压转换为时间或频率模拟量后再经计算而得数字量。A/D转换是数字化测量的技术基础，直接影响到测量的准确度、分辨率、测量速度等重要技术指标。

A/D转换器主要有逐次比较和双积分两种类型。在分析仪器与计算机连接时，多用前一种转换器。

（1）逐次比较型A/D转换器

图2-41　逐次比较型A/D转换器的框图

图2－41是逐次比较型A/D转换器的简化框图。它是—个具有反馈回路的闭环系统，其工作原理是由数码设定器给出二进制数，经D/A转换为模拟电压u_f，这个反馈电压作为比较标准电压，与输入的模拟电压u_i在比较器中进行比较，比较结果通过控制器去修正输入到D/A转换器的数字量。这样逐次比较，直到比较器两个输入端的模拟量十分接近（其误差小于一位数字量）为止，此时数码设定器输出的二进制数，就是对应于输入模拟量的数字量。这种方法也称逐次逼近法。它的转换精度主要取决于D/A转换器及比较器的精度。

（2）双积分型A/D转换器

图2－42（a）是双积分型A/D转换电路原理框图。其工作过程分为两步。

图2-42　双积分型A/D转换

1）采样阶段。又称为定时积分阶段。逻辑控制电路将控制开关S与模拟输入电压u_i接通，积分器对u_i进行积分，同时打开时钟脉冲计数门，计数器计数。当u_i为直流电压或缓慢变化的电压时，积分器将输出一斜变电压，图2－42（b）。经过一个固定时间T₁后，计数器达到满限量N₁值，计数器复零，并送出一个溢出脉冲，该溢出脉冲使逻辑控制电路发出信号，将开关S接向与u_i极性相反的参考电压u_R，采样阶段结束。

采样阶段的特点是采样时间T₁是固定的，积分器最后的输出电压u_ox值决定于模拟输入电压u_i的平均值u_iaU。

2）测量阶段。又称为定值积分阶段。当控制开关S接向与u_i极性相反的参考电压u_R后，积分器反方向积分，即积分器输出电压u0值向零电平方向斜变。与此同时，计数器又从零开始计数，当积分器输出电平达到零时，零位比较器动作，发出关门信号。计数器停止计数，并发出记忆指令，记忆下此阶段中计得的数字N₂，可经译码后显示。

测量阶段的特点是被积分的电压是固定的参考电压u_R，因而积分器输出电压的斜率固定，而最终计得的数N₂所对应的积分时间T₂，则决定于u_ox值。定值积分得到的数字N₂就是转换结果。

由上述工作过程可见，输出数字值N₂取决于定时积分阶段积分器最后的输出电压u_ox，而u_ox又决定于模拟输入电压的平均值u_iaU，所以N₂决定于u_iaU。最终的结果表明，计数器输出的数字量正比于模拟输入电平的平均值。

转换过程的波形示于图2－42（b）。由于在转换过程中，积分器输出是两个斜变电压，故又称双斜式积分型A/D转换器。它的电路特点是：①这种转换过程本质上是积分过程，所以是平均值转换，因此对叠加在信号上的交流干扰有较好的抑制能力；②转换速度较慢；③最终转换结果与电路参数R、C无关，可大大降低对R、C的精度要求。

4.数模转换

经数字系统处理的数字信号，常需要将数字信号转换为模拟信号传送给外围设备，用以显示、记录和控制。数字－模拟转换器是将数字量信号转换为电压或电流模拟信号的装置。

D/A转换电路的基本组成为：①电阻网络。它是D/A转换器的主要部件，由温度系数很小的精密电阻组成，以提高转换精度。②基准电源。它的电压精度将直接影响D/A转换电路的转换精度。除了要有一定的精度外，还须有小的纹波系数和小的闪阻，并具有一定的负载能力。③模拟开关。要有小的饱和压降及泄漏电流，开关速度要快。④运算放大器。D/A转换器电路的输出端一般使用运算放大器，它的作用是将电阻网络中各支路电流进行叠加，同时为D/A转换电路提供低的输出阻抗和较强的负载能力。

一个D/A转换器实际上是一种解码电路，实现这种转换的电路主要有权电阻解码网络D/A转换器和T形电阻网络D/A转换器。

（1）权电阻D/A转换电路

权电阻D/A转换电路如图2－43所示。它由许多电阻组成网络，这些电阻的阻值与二进制数码每位的权相关联。权愈大，对应位的权电阻愈小，输出端产生的模拟电流就愈大。网络的输出端接有用运算放大器构成的缓冲器，它可以使输出的模拟电压不受负载变化的影响，又可以改变负反馈电阻R_B来调节转换系数，使之满足实际需要。u_REF为基准电压源。权电阻按2ⁱ位数配置，每只权电阻的一端接有双向开关，二进制数码从低位到高位分别控制双向开关S₀～S_n，当数码为“0”时，开关与地电平相接；当数码为“1”时，开关与基准电源u_REF相连。根据线性电路的叠加原理，可以直接写出由电阻网络流向运算放大器的总电流的通式为

相对应的输出模拟电压为

由上式可知，权电阻D/A转换电路的输出电压，不仅与输入的二进制数码成正比，而且与运算放大器的反馈电阻R_B和基准电压u_REF有关。当调整D/A转换电路的满刻度及输出范围时，往往需要调整这两个参数。

图2-43　权电阻网络D/A转换

（a_i（i＝0，1，2，…，n）为数字量各位代码，a₀为数码最低位，a_n为数码最高位。）

这种转换电路电阻网络中的电阻值是各不相同的，当位数比较多时，阻值的分散性很大。为保证足够的转换精度，对各电阻的阻值要求很精确，这就带来了很大的困难，尤其是对整体集成的电路。

（2）T形电阻D/A转换电路

T形电阻D/A转换电路如图2－44（a）所示。电阻网络中只有R和2R两种电阻，整个网络由相同的电路环节组成。每个环节有两个电阻和一个开关，相当于二进制的一个数码，其中双向开关由该位数码控制。相应的数码为“0”时，开关接地，数码为“1”时，开关接基准电源u_REF。在集成电路中，多采用该种T形电阻网络。