MERILNI SISTEM SPEKTRALNEGA ANALIZATORJA S FIKSNO NAMEŠČENIMI FOTOPOMNOŽEVALKAMI Iztok Kramberger, Mitja Solar Fakulteta za elektrotehniko računalništvo in informatiko, Univerza v Mariboru, Maribor, Slovenija Kjučne besede: atomska spektroskopija, monokromator, analogno-digitalni pretvornik, optične komunikacije, mikrokrmiinik, programirna logična vezja, USB vodilo Izvleček: Predstavljena je sodobna zasnova merilnega sistema analizatorja ultravijoličnega svetlobnega spektra. Merilni sistem je predstavljen za spektralni analizator z 64 fiksno nameščenimi fotopomnoževalkami. Pri tem smo: - razvili, za krmiljenje visoke napetosti na fotopomnoževalkah, vezje z digitalnimi potenciometri in tokovno-napetostnimi pretvorniki, - uporabili smo optične vodnike med posameznimi stopnjami ter USB povezavo z osebnim računalnikom, - uporabili programirna logična vezja in mikrokrmilnike v posameznih delih merilnega sistema. Posebno skrb smo namenili nadzoru delovanja sistema in avtokalibraciji. Tako zasnovan merilni sistem je primeren za avtomatizirano meritev svetlobnega spektra z možnostjo dodatne obdelave izmerjenih vrednosti s programskimi orodji na osebnem računalniku. Dodana je možnost nadzora spektralnega analizatorja preko spleta. The Spectral Analyzer Measurement System with Fix Placed Photomultiplier Tubes Key words: spectrometer, atomic spectroscopy, monochromator, analog-to-digital converter, optical communication, microcontroller, programmable logic devices, USB bus, plug Splay Abstract: Design and implementation of 64-channel spectral analyzer measurement system for ultraviolet spectrum of light is presented. The basic idea was to build a versatile measurement system for spectral analyze in atomic spectroscopy employment using of up-to-date digital and communication solutions. A basic structure and schematic drawing of an atomic spectral analyzer with 64-photomultipliers is presented in Figure 1 and 2. Figure 3 shows a monochromator. The first step in the spectral measurement system an attenuator system with high-voltage power supply system and attenuator module is presented. The next step is analog-to-digital measurement module with an analog-to-digital input module and system controller module. Analogue current-to-voltage converter, voltage-to-frequency converter and frequency-to-digital converter are in the structure of input analog-to-digital module. Figures 7, 8 and 9 present individual converters. All of 64-channels are connected to two digital measurement modules with 32-channels per module. The digital modules are connected to the system controller. The system controller is presented with a block diagram on Figure 10 and contains a microcontroller ATmegal 03. Its serial and parallel ports are used for communication with digital module, LCD bus, LCD display and USB bus for communication with a personal computer. At the same time, the ATmegal 03 is connected to a temperature and vacuum sensor with analogue inputs, to FLASH memory programmer with SPI bus and with a serial bus UART to an attenuator module. The high-voltage module and analog-to-digital module are isolated with fibre-optic communication from system controller and attenuator module. Four fibre-optic lines are used from analog-to-digital module to digital module. Measurement acquisition is carried out in two steps. The first step is the initialization of all system modules. In the attenuator system, the high-voltage for power supply of photomultiplier tubes are set to the initialization state. All digital counters in digital modules are set to the reset state. High-voltage on photomultiplier tubes and reset of digital counter on the digital module is set. Measurement value in the second step is acquired. For increasing reliability of measurement system an auto calibration function in both steps of measurement acquisition is used. In Figure 13, the schematic drawing of multilevel model for communication between user and measurement system is showed. The user can use the system methods and objects. They are represented in Tables 1 and 2. In the results, transfer function and error function of analog-to-digital module, analog-to-digital and digital module together, transfer function of vacuum and temperature sensor and transducer, transfer function of high-voltage regulator, current limiting characteristic of high voltage regulator and transfer function of attenuator module are presented. 1 Uvod Spektrometn so selektivni instrumenti grajeni za analiziranje posameznega področja elektromagnetnih valov. Spektroskopija se uporablja na primer za analize materialov, ki jih ne smemo uničiti (dragocene slike), materialov, ki niso dostopni (zdravila v zaprtih stekleničkah), pri analizi preveč oddaljenih objektov (raziskovanje zvezd) in podobno. Pri tem se spektroskopija ne omeji samo na vidno svetlobo ampak zajame elektromagnetna valovanja širše, kot so rentgenski žarki, ultravijolična in infrardeča svetloba. Eno od področji spektralne analize je atomska spektroskopija, ki raziskuje zgradbo snovi. Po načinu delovanja ločimo atomsko: - emisijo, - absorbcijo in - fluorescenco. Pri atomski emisiji analiziramo vir svetlobe (plamen). Pri atomski absorbc-iji se del svetlobe iz širokopasovnega vira absorbira v plamenu in opazujemo neabsorbirane komponente svetlobe. Pri atomski fluorescenci pa se pod vplivom dodatnega vira pojavijo v plamenu posamezne stimulirane komponente svetobe. Predstavili bomo merilni sistem spektrometra za analizo ultravijolične svetlobe, ki je uporaben za vse tri načine delovanja /1,2,3/. 2 Zgradba atomskega spektrometra Atomski spektrometer ima: virsvetlobe na vhodu, monokro-mator z uklonsko mrežico ali prizmo /2,6/ za razdelitev spektra na komponente, fotopomnoževalne vakuumske elektronke in merilni sistem. Merilni sistem /1,13,16/ vsebuje: vhodne ojačevalnike, analogno-digitalne pretvornike, mikrokrmilnike in komunikacijska vezja za povezavo z osebnim računalnikom. ^ vir svetjobe Slika 1. Figure 1. ojsčavatnlk A/D pret/otriik mSkrokfinfinik osebni raöynalfiik Splošna zgradba atomskega spektralnega analizatorja. Basic structure of an atomic spectral analyzer. Slika 2. Figure 2. Blokovna shema atomskega spektralnega analizatorja s 64 fotopomnoževalkami. Shematic drawing of atomic spectral analyzer with 64-photomultipliers. 2.1 Monokromator Konkavno zrcalni monokromator proizvajalca spektrometrov Thermo Electron Corporation (ARL model 31000 z 2160 (režami/mm)) vsebuje: primarno režo, konkavno uklonsko mrežico, po principu Rowland-ovega kroga nameščene sekundarne reže in fiksno nameščene fotodetektorje (fotopomnoževalne cevi). Pri tem je razmestitev Paschen-ova /3/, ki odpravi rabo gibajočih delov. Prednost uklon-ske mrežice pred prizmo je v njeni enakomerni porazdelitvi svetlobe na posamezne spektralne komponente, slabost pa prekhvanje pasov. Monokromator lahko deluje v vakuumskem ali zračnem načinu. V vakuumskem načinu delovanja ni absorbcije svetlobe, zato je ta način primeren za ultravijolično svetlobo valovnih dolžin od 170nm do 400nm. V zračnem načinu pa opazujemo svetlobo iz vidnega spektra v območju od 250nm do 61 Onm. Pri spremembi načina delovanja moramo zamenjati uklonsko mrežico. Sekundarne reže so nameščene kot maske pred fotodetektorji in zagotavljajo osvetlitev detektorjev z ozkim pasom svetlobe - spektralno črto. Row!atid-ov krog Ohlä|9 Sekundarna reže Nomnata ukionske mrežice Foto-detektoiji Driolo ' ' sekundarnih rež Ukionska mrežica Slika 3. Figure 3. Monokromator. Monochromator. 2.2 Fotodetektor Za detektorje svetlobe so uporabljene fotopomnoževalne vakuumske elektronke - IP27 podjetja Hamamatsu /4/. Fotopomnoževalka IP27 vsebuje devet dinod in pri najvišji napajalni napetosti 1250\/zagotovi tokovno ojačenje 10^. Pri tem naj anodni tok ne preseže 100|iA. Za napajanje dinod je uporabljena veriga devetih uporov velikosti 300kt2. 2.3 Atenuatorski sistem Atenuatorski sistem omogoča izbiranje želene vrednosti napajalne napetosti ločeno za vsako fotopomnoževalko, s čimer nastavljamo ojačenje. Pri višji napajalni napetosti je ojačenje fotopomnoževalke večje in pri enaki intenzivnosti vpadle svetlobe dobimo večji izhodni anodni tok. Ojačenja posameznih fotopomnoževalk je potrebno nastavljati z ozi-rom na zahteve spektralne analize. Napajanje fotopomnoževalk i VIsoko-napetoctni:'* napajairiik At-3nustorski Atenuatofski Krmilnik : ______ rnodul 1 mod t j! 8 atenuatorjov ; ^ Glavni program v mikrokrmilniku ob sprejetem pravilnem ukazu izvede nastavitev želenih vrednosti napajalnih napetosti fotopomnoževalk. Ob sprejetju nerazumljivega ukaza ali ob nepravilnih parametrih ukaza krmilnik atenuatorjev o napaki obvesti sistemski krmilnik, ki glede na tip napake ustrezno reagira. Slika 4. Atenuatorski sistem. Figure 4. The attenuator system. Atenuatorski sistem napaja 64 fotopomnoževalk in je sestavljen iz: visokonapetostnega napajalnika, krmilnika atenuatorjev in osmih atenuatorskih modulov z osmimi izhodi. 2.3.1 Visokonapetostni napajalnik fjopiiialni teaksisini vrjrfniki fctC'p'rjmno^Rvrill.. NAP£TC«"mi REGUUTOR TKANSFORMATOR O- O— -Ep- USMf!RNfK GtADIl.NI Čl.EN STAß)l.!2AT0R ..... „I. -crH DREME Siika 5. Figure 5. Napajainik. Power suppiy system. Omrežna napetost je priključena na transformator, ki ima na sekundarni strani navitji z napetostjo 200V in 400V /7/. Iz napetosti 200V je z napetostnim regulatorjem HIP560G /5/ dobljena napetost -85V za napajanje anod fotopomnoževalk. Posamezna anoda je vezana preko upora velikosti 10k£2 na Millerjev integrator. Le-tega odlikuje velika linearnost. Iz 400 V izmenične napetosti dobimo iz dvovalnega množilnika enosmerno napetost velikosti 1074V, ki jo visokonapetostni stabilizator zmanjša na 1015V. Stabilizirana napetost 1015 V je potrebna za napajanje dinod fotopomnoževalk. Napetostni stabilizator napetosti s tokovno zaščito je narejen z diskretnimi elementi in zagotovi ustrezno napetost za breme z upornostjo do 19,1kß. 2.3.2 Atenuatorski modul Blokovna shema atenuatorskega sistema je podana na sliki 6. Izbira velikosti napajalne napetosti je izvedena s krmilnikom atenuatorjev /8/. Za vsako od 64 fotopomnoževalk je izvedena ločena krmilna stopnja z digitalno spremenljivimi upori DS1267 /9/. V enem digitalno spremenljivem uporu sta dva osem-bitna uporovna delilnika, s katerimi nastavljamo referenčno napetost za napajanji dveh fotopomnoževalk. Za krmilnik atenuatorjev je uporabljen Atmelov RISC mikrokrmilnik AT90S8515 v CMOS tehnologiji. V mikrokrmilniku vgrajen asinhron zaporedni vmesnik je uporabljen za komunikacijo s sistemskim krmilnikom. Povezava s sistemskim krmilnikom je izvedena po dveh optičnih vodnikih. .t, ■iSv--11GDV i-ipyjiih; J\i icini niki fotor (Tin je 11 T Kanal 1 in 2 Atenuatorski nnodul loi I g K j Rg"! I N Stopnji k ItenäSdigtSinr nay.civ!;!'-' iiPü'' Kanal 7 in a Slika 6. Blokovna shema atenuatorskega modula. Figure 6. Block diagram of the attenuator modul. Iz krmilnika atenuatorjev se željena digitalna vrednost zaporedno vpiše v register digitalnega uporovnega delilnika. Z nastavljeno upornostjo izbiramo napetost na vhodu na-petostno-tokovnega pretvornika. Napetostno-tokovni pretvornik je izveden z operacijskim ojačevalnikom in visokonapetostnim tranzistorjem BUX85. Na visokonapetostnem uporovnem delilniku dobimo napajalne napetosti za posamezne dinode fotopomnoževalke /1,7/. 2.4 Analogno-digitalni merilni modul Merilni sistem spektralnega analizatorja je zgrajen iz: a) štirih vhodnih modulov z: 16 analognimi vhodi, ana-logno-digitalnimi pretvorniki izvedenimi z napetostno-frekvenčnimi pretvorniki, vezjem za združevanje in izbiranje kanalov (multiplekser); b) dveh digitalnih merilnih modulov z 32 kanali in c) modula sistemskega krmilnika. Analogni vhod vsebuje tokovno-napetostni pretvornik/23/ s prenosno funkcijo opisano z enačbo: L) = - kin • U, kjer je kin = R2 + Rs = 2 ■ 10® /£2/. Pričakovano območje vhodnih tokov je od O do -2,5 |iA, celotno vhodno območje pretvornika pa od O do -5|iA in izhodno Uizh od O V do +10 V. Izbran operacijski ojačevalnik TL072 ima visoko vhodno upornost (JFET tranzistorji), nizek šum, majhna mirovna vhodna tokova in vhodni ničelni tok. Napetostno-frekvenčni pretvornik je izveden z integriranim vezjem LM331 /20/. Prenosna funkcija napetostno-frekvenčnega(U/f) pretvornika je podanavizrazu: f = kufU = 20(kHz/V)Uizh. Za območje vhodnih napetosti od O do VHODNI TOK o--E: VHODNA NAPETOST (Uvh) lOk _B(Z -SÖ tSND +Ubat , 7J1) TL072 c5fTD -12V lOOn SflD IZHODNA NAPETOST ( Uizh ) Slika 7. Tokovno-napetostni pretvornik. Figure 7. The current-to-voltage converter 10V je območje izhodniln frekvenec je od O do 200kHz. V primeru, ko bo vhodni tok v tokovno-napetostni pretvornik večji od -2,5(iA, bo Uiz>5V in bo izhodna frekvenca večja od 100 kHz. •H" _pi loofc 'lOOn T h gnd (3rd gno Slika 8. Figure 8. Napetostno-frekvenčni pretvornik. The voltage-to-frequency converter. Tako je za povezavo med vhodnim modulom in sistemskim krmilnikom dovolj povezava s tremi optičnimi vodniki za vsakih 16 kanalov, Uporabljeni soThoshibini digitalni optični povezovalni moduli TORX173 /18/ in TOTX173 /19/. Celotni 16-kanalni združevalnik in izbiralnik je izveden v programirljivem logičnem vezju Lattice ipsLSI1016 /17/. 2.5 Digitalni merilni modul Dva digitalna merilna modula, z 32 merilnimi kanali na modul, sprejemata merilne signale iz štirih analognih merilnih modulov. Digitalni merilni modul ima dve p rog ram i rij Ivi polji logičnih vrat AT40K20LV/21 / z 2x16 = 32 merilnimi kanali. V statični RAM vezja AT40K20LV se ob vklopu vpiše konfiguracijska nastavitev iz EEPROM pomnilnika AT17LV512 /22/. V AT40K20LV vezjih se najprej izvrši razdruževanje sprejetih signalov na posamezne kanale, nato pa se preveri za vsak kanal prekoračitev zgornje meje toka iz fotopomnoževalke -2,5fiA. Ker se signal v analog-no-digitalnem modulu vzorči s frekvenco 200kHz, bo ob nastopu največje vrednosti vhodnega toka -2,5)iA na izhodu prisoten impulz v vsakem drugem okviru 16-bitne besede. V primeru večjega toka od -2,5)iA se bo impulz pojavil v vsakem podatkovnem okvirju. V tem primeru se izmerjena vrednost izloči. V naslednji meritvi se zmanjša napajalno napetost fotopomno-ževalke in s tem njeno tokovno ojačen-je. Po izbranem časovnem intervalu lOs predstavlja vsebina števca vsoto merjenih vhodnih impulzov, ki je pre-mosorazmerna z vhodnim tokom. Pri -2,5)iA toka dobimo: (1 impulz/10|j,s)x1 Os = 10® impulzov. Impulze prešte-je 20-bitni števec (2^°=1048576). Vrednost 20-bitnega števca za posamezni kanal se poveča s pozitivno fronto prenešenega impulza. Da bi zmanjšali število povezav med posameznimi kanali in sistemskim krmilnikom, je na vhodnem modulu dodano vezje za združevanje in izbiranje kanalov. To vezje zajema hkrati vrednosti iz izhodov 16 U/f pretvornikov v taktu CLK1 vvzporedno-zaporedni register. Med dvema impulzoma za zajem pa drugi del vezja sinhrono z uro CLOCK zaporedno odda na treh linijah: signal ure za sinhronizacijo CLK1, 16-bitne podatke posameznega kanala in okno FRAME oziroma okvir, v katerem so poslani podatki posameznega kanala (slika 9). «ijinli p.Bko/MitvoiOvEKO Ü.) ÜVEK1',) .......... : st»,J»iL!ig(»!jRE5EIin5T»RTISIOP iT-3l45i)fc f-3,2MHz T=S|.is: l'-'2001Jl»REÄ0iiiCS Slika 10. Figure 10. Digitalni merilni modul. The digital measurement modul. Naslovne linije AO do A5 so uporabljene za dekodiranje kanalov, A6 za naslavljanje posameznega integriranega vezja FPGA, A7 pa za naslavljanje digitalnega merilnega modula. CSO do CS31 so interne naslovne linije po dve na kanal, ker je vodilo 16-bitno in sta potrebni po dve 16-bitni besedi za 20-bitni rezultat. Z CS32 je naslovljen vektor prekoračitve. 2.6 Sistemski krmilnik Sistemski krmilnik s svojim programom povezuje implementirane module spektralnega analizatorja v funkcionalno celoto. LCD priiskl Pfogrami: C 800 £ m > o. >N O C 600 C C o C > a o 400 o O) z 200 0 50 100 150 8-bttna digitalna vrednost Slika 19. Figure 19. Prevajalna funkcija atenuatorskih modulov. Transfer function of the attenuator moduis. 4 Sklep Vodilna podjetja, ki izdelujejo atomske spektrometre, so Advance Research Laboratories (ARL), Perklin Elmer in Hewlett Packard. Ker je število spektrometrov v uporabi relativno majhno glede na druge merilne sisteme, je posodabljanje merilnih sistemov počasno. V prispevku smo predstavili možnosti realizacije 64-kanalnega merilnega sistema namenjenega za spektralno analizo ultravijoličnega svetlobnega spektra. Ugotovili smo, da je z novimi rešitvami možno izgraditi učinkovite merilne sisteme, pri tem pa je dodana: - komunikacija s svetlobnimi vlakni med posameznimi moduli merilnega sistema, ki zagotovi galvansko ločitev med stopnjami, - hitra komunikacija med merilnim sistemom in osebnim računalnikom preko USB vodila, - upravljanje z merilnim sistemom preko spleta. Programska oprema v merilnem sistemu omogoča hitro prilagajanje spektralne analize za različne tipe analize. Pri tem je nastavljanje ojačenja fotopomnoževalk neposredno z mikrokrmilnikom samo ena od prednosti predlagane posodobitve analizatorja spektra. 5 Literatura /1 / I.Kramberger. Izgradnja merilnega sistema spektralnega analizatorja s fiksno nameščenimi fotokatodaml. magistrsko delo, Univerza v Mariboru, FERI Maribor, Nov 2000. /2/ R.C.Denney. A dictionary of Spectroscopy, MacmWWan Reference Books, 1982. /3/ M.Born, E.Wolf. Principles of Optics. Cambridge University Press, 1980. /4/ Hamamatsu Photonics. Photomultipller Tubes. Eiectron Tubes Center, Japan, 1998. /5/ Harris Semiconductor. HIP5600, Thermally protected high voltage linear regulator. 1998. /6/ E.B.Brown. Modem Opf/cs. Reinhold Publishing Corporation, London, 1965. /7/ N. Rajh. Visokonapetostni napajalnik, diplomsko delo, Univerza v Mariboru, FERI Maribor, Maj 2000. /8/ A. Munda. Krmilnik visokonapetostnega napajalnika, diplomsko delo, Univerza v Mariboru, FERI Maribor, Feb 2001. /9/ Dallas Semiconducton DS1267, Dual digital potentiometer chip., 1999. /10/ G.Eddon, H.Eddon. Programming Components with Microsoft Visual Basic 6.. 1998. /11/ Microsoft Corporation. P\ug and Play for Windows 2000. Redmond USA, 1999. /12/ P.W.Atkins, M.J.Frazer, M.J.CIugstnon, R.A.Y.Jones. Kemija -Zakonitosti in uporaba. Tehniška založba Slovenije, 1995. /13/ R.D.Beaty, J.D.Kerber. Concepts, Instrumentation and Techniques in Atomic Absorption Spectrophotometry. Perklin Ele-mer, 1993. /14/ Atmel Corporation./^TMega 103/103L, 1998. /15/ Philips Semiconductors. PDIUSB12 USB Interface device with parallel bus, Januar 1999. /16/ C.f.Coombs, ir. Electronic Instrument handbook. McGravi^-Hill, 2000. /17/ Lattice Semiconductor Corp.: ispLS11016 High-Density Programmable Logic, 1997. /18/ Toshiba: Fiber optic Receiving Module T0RX173, 1997. /19/ Toshiba: Fiber optic Transmiting Module TOTX173, 1997. /20/ National Semiconductor: LM331 Precision Voltage-to-Frequen-cy Converter, 1994. /21/ Atmel: AT40K FPGAs with FreeRAM, 1999. /22/ Atmel: FPGA Configuration E2PR0M Memory, 1998. /23/ T, Pukšič. Tokovno-frekvenčni pretvorniki z digitalnim števcem. diplomsko delo. Univerza v Mariboru, FERI Maribor, Maj 2000. Iztok Kramberger, Mitja Solar Fakulteta za elektrotehniko računalništvo in informatiko Univerza v fVlariboru Smetanova 17, 2000 Maribor, Slovenija iztok.kramberger@uni-mb.si^mitja.solar@uni-mb.si Prispelo (Arrived): 08.09.2003 Sprejeto (Accepted): 25.02.2004