При разработке автоматизированных систем контроля технологических процессов или средств автоматизации научных исследований обычно используются аналого-цифровые преобразователи промышленного изготовления, либо изготовленные специально для решения поставленной задачи. Стоимость таких устройств обычно не менее 200-300 долларов, что составляет значительную часть расходов на решение задачи. В то же время в любом современном компьютере есть АЦП, имеющий довольно неплохие характеристики по быстродействию и точности – звуковая плата. Обычная звуковая плата может оцифровывать входной сигнал по 2 каналам одновременно с частотой от 8000 до 48000 выборок в секунду и точностью преобразования до 16 разрядов. В некоторых приложениях эти АЦП могут использоваться непосредственно, если спектр регистрируемых сигналов не выходит за пределы диапазона звуковых частот: 20 Гц – 22 кГц. Достаточно подать регистрируемые сигналы на линейный вход платы, а все остальные проблемы решаются программно. Для этого в составе операционных систем имеется динамически загружаемая библиотека API-функций MMSYSTEM.DLL, функции которой и позволяют получать данные от АЦП звуковой платы. Для демонстрации возможностей использования АЦП звуковой платы привожу 3 программы, которые позволяют наблюдать входные сигналы и их спектры, а также задерживать входной сигнал. Программы не требуют установки и могут работать даже в ОС Windows v.3.1. Описания программ нет, но их несложно освоить опытным путем.
Однако для большинства приложений требуется регистрация сигналов с постоянной составляющей, т.е. спектр сигнала начинается с 0 Гц. Обычная звуковая плата имеет на входе элементы развязки, но главное препятствие состоит в наличии в ее составе цифрового фильтра, ограничивающего снизу частотный диапазон регистрируемых сигналов. В большом количестве задач требуется регистрация медленных процессов, верхняя граница спектра которых не превышает нескольких десятков герц. Для решения задач регистрации таких сигналов предлагается использование модулятора входных сигналов частотой 50 Гц (частота питающей сети, что заодно и предотвращает влияние наводок с этой частотой). Модулятор может быть выполнен по любой схеме, на конкретной реализации мы останавливаться не будем. Кроме того схема должна привести уровни входных сигналов к величине ~ 0.5 вольт, которые можно подавать на линейный вход звуковой платы. Для выделения модулирующего сигнала из зарегистрированных данных используется целый ряд цифровых преобразований:
Выделение тренда (непериодической составляющей сигнала). Используется метод скользящего среднего, так что прореживания точек сигнала не происходит, только подавляется составляющая сигнала частотой 50 Гц.
Вычитание тренда из сигнала. Таким образом выделяется периодическая составляющая частотой 50 Гц. Это нужно, чтобы компенсировать переходные процессы в модуляторе, сделанном по схеме, не предполагающей подавление постоянной составляющей модулированного сигнала.
Взятие абсолютной величины периодической составляющей и усреднение полученного сигнала за период 50 Гц.
Таким образом, мы получаем оцифрованный сигнал, отражающий сигнал на входе модулятора, пропущенный через фильтр НЧ с окном 50 Гц, причем частота точек равняется исходной (в своих программах я использовал частоту 8000 выборок в секунду).
Далее приводится описание программы, использующий описанный метод регистрации сигналов.
Программа регистрации спектров ЭПР EPRMM v.3R предназначена для регистрации и отображения в графическом виде спектров ЭПР, полученных на спектрометре, связанном с компьютером посредством стандартной звуковой платы, используемой в качестве аналого-цифрового преобразователя, измеряющего сигнал частотой 50 Гц, промодулированный по амплитуде сигналом ЭПР и установленной платой генератора развертки, а также для выполнения замеров по времени.. Программа имеет следующие возможности:
Позволяет выбирать режим отображения спектральной зависимости ЭПР как от магнитного поля в Гауссах, так и от величины g-фактора, для чего вводится значение частоты СВЧ-поля.
Позволяет устанавливать значение поля в центре развертки, ширину и скорость развертки поля, количество регистрируемых точек, шаг между точками (множитель). При этом автоматически вычисляется длительность прямого хода развертки, длительность записи спектра и ширина регистрируемого спектра.
Позволяет управлять режимами остановки развертки поля, устанавливая их как после окончания прямого хода, так и обратного.
Обеспечивает регистрацию амплитуды спектра по любому из 2 каналов звуковой платы.
Условия запуска регистрации спектра могут содержать до 2 последовательно происходящих событий, что позволяет запускать регистрацию при прохождении линии спектра.
Условия запуска могут контролироваться по любому из 2 каналов регистрации, что позволяет использовать для привязки спектра дополнительные приборы типа измерителя магнитной индукции.
Позволяет задавать значение магнитного поля в точке привязки, т.е. в точке спектра, в которой выполняются условия запуска.
Позволяет задавать отступ назад по времени начала регистрации спектра от точки привязки, т.е. регистрировать предысторию до момента запуска. Максимальная длительность предыстории – до 2 минут. Отступ задается в единицах магнитного поля.
Позволяет регистрировать опорный спектр, а затем вычитать его из регистрируемых спектров, что обеспечивает возможность учета влияния тары образца и т.п.
Позволяет корректировать опорный спектр, умножая его на задаваемый коэффициент, что позволяет учесть ослабление сигнала, увеличившееся в результате помещения в резонатор образца.
Дает возможность накопления спектра за заданное количество запусков.
Позволяет организовать циклический запуск накопления с настройкой паузы между сканами для исключения влияния обратного хода развертки.
Позволяет отображать процесс регистрации и накопления на графике.
В таблице может регистрироваться несколько (до 23) спектров при одинаковых условиях регистрации, что может использоваться при исследовании зависимостей от температуры, концентрации и т.п.
Имеется возможность проведения автоматических измерений по программе с запуском каждого замера в заданное время.
Позволяет сохранять спектральную зависимость от магнитного поля в виде текстового файла для последующей обработки другими программами.
Позволяет проводить замеры по времени сигнала ЭПР при установке поля на максимум линии спектра.
Сохраняет все возможности обработки, предоставляемые средой Excel 2000, т.е. возможности цифровой обработки, редактирования спектров, распечатки результатов.
Программа содержится в файле электронной таблицы Excel 2000. Для работы программы на компьютере должна быть установлена звуковая плата, поддерживающая ввод аудиоданных в режиме стерео 16 бит с частотой выборок 8000/с и не менее 32 Мб ОЗУ. Из программного обеспечения должен быть установлен редактор электронных таблиц Excel 2000 из состава Microsoft Office 2000. Программа использует библиотеки APIGID32.DLL и DLPORTIO.DLL, поэтому эти файлы должны находиться в каталоге \WINDOWS\SYSTEM. При настройке микшера сигналов звуковой платы в качестве источника сигналов для записи выбирается линейный вход, а его чувствительность устанавливается в соответствии с измеряемыми сигналами.
