第四章        仪器各个部份工作过程

第一节    仪器如何定位波长起始点


        当波长驱动步进电机快速返回波长起点时，图6.4.1中的零级光斑和出射狭缝相切，此时波长转动扇形齿轮上的挡光片切断光电耦合器的光路，光电耦合器输出(图6.4.2中的Detect_0order信号)低电平(0.5~1V)，此信号经8155送到微处理器8031，8031认为检测到了波长起点位置，微处理器控制步进电机单步正转寻找零级光。

    
第二节    仪器如何定位波长

        仪器进行波长定位，必须先找到零级光，在确定了零级光后，根据光栅光谱的特性，其他谱线的位置就可以确定了。
        仪器在找到波长起始点后，开始寻找零级光。微处理器对步进电机的控制电路如图6.4.3。
如图6.4.3所示，步进电机的电源是通过单色器内的波长长限微动开关由24V电源供给的。当单色器内的扇形齿轮触动微动开关时，微动开关（图6.4.3中的SW4）断开，步进电机停止转动。

注: 这个设计可能有点问题，因为此时步进电机虽然停止了转动，但是由于微动开关一直处于断开状态，步进电机也不能再工作，微处理器也控制不了步进电机，波长传动机构处于“死机”状态，只能打开机盖手动调节了。

  
        步进电机由微处理器控制，单步正转寻找零级光，当大约在400步内找到大于零级光能量设定值时（图6.4.4，约4V左右，电压/频率转换器输出频率对应的电压，从图6.4.4可以看出，零级能量分布图有个峰值，可以根据此峰值确定零级光中心线位置），微处理器根据零级光光谱的对称特性进行步数计数，确定步进电机从波长起始位置到零级光处的起始步数。由于光栅光谱中一级光谱中的各个谱线和零级光光能量最大处的间距固定（如图6.4.1中零级光中心线和290nm谱线的间距）。从而，在确定了零级光起始步数后，以零级光为起步，步进电机由微处理器输出与波长正弦关系（由光栅方程可知是正弦关系）的脉冲步进数，每步进1步约0.1nm，微处理器则以0.1nm为单位进行步数记忆，一级光谱各个谱线对应的步进数存储在数据存储器6264中，从而实现仪器全波长的波长自动定位。

注：由于波长定位的步进数存储在SRAM中，关机后，RAM中的数据丢失所以每次开机后，得重新进行波长定位。

  
第三节    仪器如何全波长自动调整100%基线


        仪器在确定了光栅光谱1级光谱各个谱线的步进数（各个谱线的位置）后，开始执行100%线校正。100%线每1nm校正一点。·
         由于光源、光栅、反射镜、光电管光谱灵敏度的影响使仪器光谱能量分布存在很大差异，为了是在各个波长情况下仪器的能量达到平衡及实现阻抗变换，仪器设置了阻抗转换级与自动增益控制级组成的前置放大级。


一。阻抗转换级

        由于光电管的内阻高达几百MΩ,所以用高输入阻抗运算放大器CA3140(输入阻抗高达1.5TΩ)接成一电压跟随器，以变换光电管的高输出阻抗，实现阻抗匹配，如图6.4.5。




二。自动增益控制

        自动增益控制由运算放大器OP07，集成模拟开关4051组成。经上面阻抗匹配电路输出的信号，送到增益放大器OP07进行放大，给A/D转换器提供合适的输入电压。
        OP07作为放大环节，其闭环输入电阻及反馈电阻由R10~R15复合组成，如图6.4.6。通过模拟开关4051的不同开、关状态，得到6组不同的输入电阻及反馈电阻，开关档位越高其分压越大，反馈量越小，增益越大（见图6.4.6中4051状态逻辑真值表），控制开关档位就达到了自动增益控制。模拟开关4051的选择端A、B、C由微处理器8031的P1.4、P1.5、P1.6输出控制。


        微处理器根据仪器在每个波长条件下测定经V/F转换后的能量判断是否达到一限定值，如能量太小，增益控制器就加大倍率，从K1级到K6级，当测得能量值太大时，就减小倍率值，从K6到K1逐级降低，从而达到自动增益控制目的，使仪器在全波长范围内100%大致相同。
       自动增益控制是在“参比“槽位完成的，当槽位为“样品”槽位时，增益不变，从而输出的T值经VFC转换后送微处理器与100%值比较，输出T%。

三。电压/频率转换级


电压/频率转换芯片VFC32的特性如图6.4.7，对应某一输入电压，就有相应大小频率的脉冲输出。



        微处理器内有两个十六位定时计数器T0和T1,仪器利用定时器T0作为精确定时，利用T1作为计数器连接VFC32的输出段Fout，如图6.4.7。微处理器每隔40ms读一次计数器，读后清零，如下表1。这样根据40ms内计数的脉冲数，就可以换算出输入电压大小。



        从表6-4-1可以看出，脉冲数越大，对应的输入电压越大，表明光电管接收的光能量越大，透过率越大。

        显然，增大8031计数的脉冲数的方法有2个，增大VFC32输出频率，表6-4-1所示；另一种是可以延长计数时间，如果我们从40ms增大到80ms呢，显然对相同的频率，脉冲数增大一倍，通过软件的方法，增大对信号的分辨率，如表6-4-2所示。增大计数时间是8031通过软件实现的，所以表6-4-2这种方法又叫软件增益。

  

        仪器一方面通过4051控制灵敏度倍率1~32倍，另外通过软件实现放大倍率1~8 倍，共256倍，保证仪器在全波长范围内100%大致相同。如果256倍，光能量仍不能在合适的值时，仪器判定光能量太低。