Kimyasal sinyaller iki tiptir: (1) Analog sinyaller; sürekli
sinyallerdir, örneğin, pH metreler, moleküler spektroskopi gibi. (2) Digital
sinyaller; kesikli sinyallerdir, örnek olarak radioaktif bozunma, radyasyonun
atomik absorbsiyonu gösterilebilir.
Şekil-18:
(a) Analog ve, (b) digital sinyallerin kıyaslaması
Digital devrelerin, karşıtı olan analog devrelere göre bazı avantajları
vardır: bunlarda,
·
110 V ‘luk güç kaynağından oluşan 60 Hz kadar
çevresel gürültüye karşı hassasiyeti düşüktür.
·
Çok kararlıdır, çekme veya flicker gürültüsünden
daha az etkilenirler.
·
Uzun mesafelerden daha kolay geçerler ve sonraki
işlemler için saklanabilirler; örneğin, Saturn’ün uydu fotoğrafları yeryüzüne
digital olarak gönderilmiş, saklanmış, ve sonra analog bilgiler şeklinde
basılmıştır.
·
Digital bilgiler ve aletler bilgisayarlarla
uyumludur.
İster analog ister digital olsun, her iki halde de önemli
olan bilginin elde edilme mekanizmasına bağlı olmasıdır. Örneğin, sodyum
iyonlarının alevde ısıtılmasıyla çıkan sarı ışın çoğu zaman bir fotodedektör
ile ölçülür. Fotodedektör ışın enerjisini bir aralık içinde sürekli olarak
değişen analog bir elektrik akımına çevirir. Bilindiği gibi bu ışın
kuvantizedir ve bu nedenle her biri bir atomik olay sonucu çıkan ve fotonlar
denilen enerji pulsları şeklinde emitlenir. Tipik dedektör algılama zamanı çok
kısa olduğundan herbir foton saptanamaz. Bunun yerine, verilen bir zaman
aralığındaki sadece ortalama sayı ölçülür. Düşük ışın şiddetinde, yine de, özel
olarak dizayn edilmiş bir dedektörle herbir foton algılanabilir; burada, bir
seri elektrik pulslarından oluşan ve sayılan digital bir sinyal üretilir.
Digital sinyallerin pek çok avantajları vardır. Bu nedenle,
bir analog veya sürekli sinyal digital bir sinyale çevrilerek eşit-büyüklükte
bir seri voltaj pulsları saptanır; bu pulsların sayısı orijinal sinyalin
büyüklüğü ile doğru orantılıdır. Alınan pulslar sonra elektronik olarak sayılır
veya digital halde görüntülenir, veya tekrar analog bir sinyale dönüştürülerek
metrelere veya analog kaydedicilere gönderilir. Her iki durumda da digital
aletlerin en önemli kısmı puls sayıcısıdır.
Tipik bir digital ölçmede, belirtilen sınır koşulları içinde
oluşan sinyalleri saymak için, yüksek-hızlı bir "elektronik sayıcı"
kullanılır.Sinyaller ve sınır koşullarına örnek olarak analitten bir saniyede
emitlenen fotonların veya a
taneciklerinin sayısı, bir mol analit için harcanan titrantın damla sayısı,
veya bir şırıngadan verilen bir mililitre reagent için hareketli motorun adım
sayısı gösterilebilir.
Bu gibi sinyallerin elektronik olarak sayılmasında bunların
önce birbirine eşit voltajda (yaklaşık olarak) bir seri pulsa dönüştürülmesi gerekir. Bu pulslar görüntü
alınması için sayıcı ile bir ondalık sayıya dönüştürülür. Sayma işleminde
sayıları doğrudan ondalık sistemle tanımlamak uygun değildir, çünkü bu sistemde
0 ‘dan 9 a kadar olan rakamlar için 10 değişik elektrik sinyaline gereksinim
vardır. Bu nedenle elektronik saymada ikili sayılar kullanılır; bunda, herhangi
bir sayıyı tanımlamak için sadece iki rakam (0 ve 1) yeterlidir. Elektronik
sayıcılarda sıfır, 0 ±
0.5 V ‘luk bir voltaj sinyali ile, bir ise 5 ± 1 V ‘luk bir voltaj sinyali ile
tanımlanır; veya bunun tersi de olabilir.
Sayıcılar: Şekil-19‘da, bir transduserden birim
zamanda alınan elektrik pulslarını sayan bir cihazın blok diagramı
görülmektedir. Transduserden gelen voltaj sinyali önce bir şekildiriciye girer;
burada küçük taban sinyalleri uzaklaştırırken büyük pulslar, giriş sinyali ile
ayni frekansta, kare dalgalara dönüştürülür. Sinyal çoğu kez bu işlemle
çevrilir. Sonuç sinyal sonra bir girişe girer, burada bir dahili saatten alınan
çıkış sayma süresince geçen zaman aralığını (t) tam olarak belirler. Son olarak
sayıcının ikili sayı sistemli çıkışı bir ondalık sayıya dönüştürülerek okuyucuya
gönderilir.
Sinyal Şekillendiriciler: Bir sinyal şekillendirme devresinde
(Şekil-20) giriş sinyallerini kare dalga şekline çeviren bir voltaj kıyaslayıcı
bulunur (Şekil-20c). Voltaj kıyaslayıcının çıkışı iki voltaj seviyesinden
(yüksek veya düşük; örneğin, +5 V veya, 0 V) birindedir; bu iki seviyeye
"lojik (mantıki) haller" denir. Bu haller arasındaki potansiyel
farkı, tipik olarak, 5V ‘dur. Kıyaslayıcı giriş voltajı Vi, referans
voltaj Vref ‘den büyük olduğunda çıkış lojik hal 1’dedir. Diğer
taraftan, Vi, Vref ‘den küçük olduğunda çıkış lojik hal 0
olur. Kıyaslayıcı sadece Vref ‘den büyük olan sinyallere tepki
verir, taban sinyalindeki dalgalanmaları görmez.
Şekil-19:
Saniyedeki voltaj pulslarını sayan bir sayıcının diyagramı
Şekil-20:
Tipik bir sinyal şekillendirme devresi; (a) devre, (b) giriş sinyali, (c) çıkış
sinyali
İkili
Sayıcılar:
Elektronik sayıcılarda elektrik pulslarını sayan bir seri ikili devre
vardır. Bu devreler açma ve kapama veya 0 ve 1 lojik halleri bulunan elektronik
anahtarlardır. Her çift bir ikili sayının bir rakamını tanımlar (veya 2 ‘nin
bir üst katsayıısını). Seri veya paralel, iki ikili devrenin dört olası çıkışı
vardır, bunlar 0/0, 0/1, 1/0, ve 1/1 dir. Üç ikili devrede bu olasılık 8’e,
dört ikili devrede 16‘ya çıkar. Buna göre n ikili devrenin 2n çıkış
olasılığı bulunur. Uygun ikili sistemlerle bir sayımdaki rakamların sayısı
istenildiği kadar artırılabilir. Yedi ikili devrede 128 hal vardır ve 128 de
bir veya relatif olarak %1 den daha iyi doğru bir sayım alınabilir.
Sayma işleminde kullanılan ikili devrelerin en uygun şekli
çok bilinen "J-K flip-flop" şeklidir (Şekil-21). Bu devre, giriş
sinyali lojik hal 1’den 0‘a değiştiğinde çıkış seviyesini değiştirir; girişin
0‘dan 1‘e değişmesinde ise "çıkışta bir değişiklik olmaz". Flip-flop
devreler diodlar ve/veya transistörlerin uygun bir şekilde birleştirilmesiyle
hazırlanmış anahtarlardır.
Ondalık Sayma: Sayıcıların çoğunda görüntü ikili
sistemde değil, ondalık sisteme çevrilerek verilir. İkili-ondalık çevrimi için
birkaç sistem geliştirilmiştir. Bunlardan en yaygın olanı "ikili kodlu
ondalık sistem" di (BCD; binary coded decimal). Bunda ondalık sistemdeki
herbir rakam, dört ikili sistemle tanımlanır. Bu durumda olası 16 halden sadece
9 ‘u kullanılır. Sistem o şekilde hazırlanmıştır ki, bir 9 sayım alındıktan
sonra ikili devrelerin hepsinin çıkışı sıfıra döner; bu işlem, bir sonraki dört
ikili sistemin ilk ikilisine beslenen son ikilisinden 1 ® 0 geçişiyle gerçekleşir. Ondalık sistemin
bir onlu grubu için dörtlü bir ikili sistem takımına gereksinim olduğundan bir
takıma "onlu sayma birimi (decade counting unit) DCU" veya BCD denir.
(Şekil-22)
Şekil-21:
J-K flip-flop’lu bir ikili sayma devesi
Şekil-22:
Bir ondalık sayıcı (veya, BCD: Binary Coded Decimal ) ve NAND kapının şematik
görünümü
Veri Toplama Sistemleri: Fizik dünyası ve kontrol sinyalleri
genellikle analogdur veya sürekli olarak değişen veriler şeklindedir. Digital
elektroniğin gücünden yararlanabilmek için deneysel ölçme sonuçlarının
analogdan digitale, ve bir laboratuar sisteminin çıktılarını digitalden analog
verilere dönüştürülmesi gerekir. Veri toplama sistemlerinde çeşitli elemanlar
bulunur; örneğin, digital-analog ve analog-digital çeviriciler, ayarlarıcılar
(scaler), saatler gibi. Şekil-23‘de basitleştirilmiş bir veri toplama
sisteminin diyagramı verilmiştir.
Digital-Analog
Çeviriciler (DAC): Metreler, analog kaydediciler gibi aletlerle görüntü almak için
digital sinyaller karşıtı olan analog sinyallere çevrilir. Veriler ikili
digital şekilde ise, bir toplama amplifikatörü kullanılarak analog şekle
dönüştürülebilir. Örneğin, basit bir 4-bit D/A (digital/analog) konverter,
dört-giriş toplama amplifieri ile hazırlanır. (Şekil-24)
Şekil-23:
Bir veri toplama sisteminin şematik görünümü
Şekil-24:
Dört-bit digital-analog konverter (DAC)
Analog-Digital
Çeviriciler (ADC): Analitik cihazlarda kullanılan dedektörlerin çoğunun çıkışı analog
bir sinyaldir. Digital elektroniklerin avantajlarını gösterebilmek için analog
sinyalin digital bir sinyale çevrilmesi gerekir. Bu tip çevirmeler çeşitli
yöntemlerle yapılabilir. Burada voltaj ölçümlerine uygun bir çevirme yöntemi
anlatılacaktır.: Şekil-25’de görüldüğü gibi, 8-bit bir dönüştürücü 256 farklı
8-bit çıkış sinyali üretir; sinyallerin her biri 256 giriş voltajını temsil
eder. Örneğin, bir vananın konumunu gösteren algılayıcı (sensör) voltajının 0 -
5 volt arasında değiştiğini varsayalım; 5 volt 256 parçaya bölündüğünde her bir
voltajdaki artış 0.0195 volt veya yaklaşık olarak 0.2 mV olur. Bu artış,
vananın dönüş değerini gösteren bir ekranda görülür. Girişteki 1 numaralı
örneğin voltajı 1 volttur. 1.00 V / 0.0195 = 51; 51 sayısının ikili sistemdeki
karşılığı = 00110011 dir. Mikroişlemci, 51 sayısının karşılığı ortalama 1.00
volt olacak şekilde programlanır.
Ayarlayıcılar:
Bir sinyalin frekansı bir sayma aletininkinden
büyükse ayarlama işlemine gereksinim olur. Bu durumda sinyal kaynağı ve sayıcı
arasına bir "ayarlayıcı (scaler)" konulur. Ayarlayıcılar
elektromekanik sayıcılarla birlikte kullanılırlar. Bunlar sadece, mesela,
saniyede 100 pulsa tepki verirler.
Saatler: Digital
uygulamaların çoğunda tekrarlanabilirliği yüksek ve doğru olarak bilinen
frekans kaynağı zaman ölçümü ile bir arada kullanılır. Elektronik frekans
kaynakları çoğunlukla, "pizoelektrik etki" gösteren kuvartz
kristallere dayanır. Pizoelektrik kristaller bir elektrik alanına tutulduğunda
mekanik olarak bozulur.
Şekil-25:
Sekiz-bitlik bir analog-digial konvertör
(ADC)
Bunun tersi de olabilir; kristal mekanik bir
kuvvetle bozulursa kristal boyunca bir potansiyel doğar. İletici elektrotlar
arasına sıkıştırılmış ince bir kuvartz levha, elektrotlar bir AC kaynağına
bağlandığında titreşir. Bu titreşimler, kaynaktan gelen akımla etkileşen bir
elektrik akımı oluşturur. Titreşimler ve sinyaller kristalin doğal resonant
frekansında bir maksimuma ulaşır. Resonant frekansı kristalin kütlesine ve
boyutlarına bağlıdır. Bu parametreler değiştirilerek 10 kHz ‘den 10 MHz ‘e kadar
veya daha büyük elektriksel çıkış frekansları elde edilebilir. Bu frekanslar
100 ppm e kadar sabittir. Özel önlemler alınarak doğruluğu 0.1 ppm olan zaman
standartları için kristal osilatörler yapılabilir.
Bir takım ondalık ayarlayıcı ile bir kuvartz
osilatör kullanılarak frekansı örneğin, 0.1 Hz-1 MHz aralığında kademeli olarak
değişebilen bir saat yapılabilir.
Mikrobilgisayarlar ve mikroişlemciler pek çok modern laboratuvar
cihazının ayrılmaz bir parçası olmuşlardır. Bunlar çalışma koşullarını kontrol
ederler, işlem verilerinin ve analitik sonuçların araştırmacıya istenilen
şekilde ulaşmasını sağlarlar. Mikroişlemciler integre devrelerdir; özel
uygulamalar için programlanabilirler. Mikrobilisayarlar ise çalışması
mikroişlemcilerle sağlanan sistemlerdir.
Bir analitik cihaza bir bilgisayar takılması için en az iki
neden vardır:
- Ölçmelerin
kısmen veya tamamen otomatikleştirilmesi.
- Hesaplama
ve veri-toplama yeteneklerinin çok yüksek olması; çok zaman harcayan
matematiksel hesapları çok kısa sürelerde yapılabilmesi.
Bilgisayarlar cihazlara çeşitli şekillerde bağlanabilirler.
Aşağıdaki Şekil-26’da de görüldüğü gibi başlıca üç tür bağlantıdan söz
edilebilir:
Hat dışı bağlantı:Veriler
bir kişi tarafından toplanır ve sonra bilgisayara yüklenerek magnetik teyp,
delgili kartları, veya bir klavye ile işlemler yaptırılır. (Şekil-26a)
Hat üstü bağlantı:
Bu yöntemin hat-dışı yöntemden farkı
cihaz ile bilgisayar arasında doğrudan bir iş ilişkinin sağlanmış olmasıdır. Bu
ilişki elektronik bir "arayüz (interface)" ile sağlanır. Cihazdan
gelen sinyalin şekillendirilmesi, digital hale çevrilmesi, ve depolanması
bilgisayar ile bu arayüzde yapılır. Bu yöntemde bilgisayar, verilerin toplandığı
ve bu verilerin işlenmesi için gereken talimatların yer aldığı kısımdır; bu
düzen hat-dışı işlemde de aynen bulunur. (Şekil-26b)
Hat-içi bağlantı: Cihazın
içinde bir mikrobilgisayar veya bir mikroişlemci bulunur. Burada kişinin görevi
sadece sistemi hazırlamak ve cihazın yaptığı işlemi bilgisayardan geçecek
şekilde yönlendirmektir. Bilgisayarın programı, üretici firması tarafından
yapılmıştır. (Şekil –26c)
Hat-içi ve hat-üstü işlemlerde veri bilgisayara "gerçek
zamanda", yani cihazdan çıkarken iletilir. Çoğu zaman bir cihazın veri
üretme hızı, bilgisayarın veri toplama kapasitesinin sadece küçük bir
fraksiyonunu kapsayacak kadar düşüktür; bu durumda veri toplama arasındaki
periyotlar, bilgilerin çeşitli şekillerde işlenmesinde kullanılır. Örneğin, verilerin
işlenmesi bir konsantrasyon hesaplanması, eğri düzeltme, verinin önceden
toplanmış ve depolanmış verilerle ortalamasının alınması, ve sonucun
çıkarılması ile ilgili olabilir.
Şekil-26:
Bilgisayarın analitik cihazlara bağlanma şekilleri; (a) hat-dışı. (b) hat-üstü,
(c) hat-içi bağlantılar
"Gerçek-zamanda işlemleme"de veri cihazdan
alındığı anda işlenir. Yöntemin iki önemli avantajı vardır:
- Gerekli
veri depolama bölgesinin küçük olmasını sağlar, böylece fazla karmaşık ve
pahalı olmayan bilgisayar kullanılmasına olanak verir.
- Veri
toplama noktaları arasında yeterli zaman bulunduğunda işlenen sinyal,
cihazın parametrelerinin düzeltilerek sonraki sinyallerin daha hassas ve
kaliteli olmasını sağlar.
Mikroişlemciler: Bir bilgisayarın kalbi mikroşlemci
birimidir (MPU). Bir mikroişlemci, bir digital bilgisayarın "merkez işlem
birimi (central processing unit), CPU" denilen aritmetik ve lojik
bileşenidir. Mikrobilgisayarda bu birim bir mikroişlem çipidir. Bir
mikroişlemcide bir kontrol birimi ve bir
aritmetik lojik bulunur. Kontrol birimi hafızada saklanan bir programdan
verilen talimatlarla işlem sırasını kontrol eder. Kontrol ünitesi giriş
aletinden bilgileri, hafızadan da talimatları ve verileri alır, talimatları
uygulamaya uyacak şekilde aritmetik birime çevirir, hesaplamaları yapar, ve
sonuçları aritmetik birimle çıkışa (çoğu kez belleğe) gönderir. (Şekil-27a)
Bir mikroişlemci, on binlerce hatta yüz binlerce transistör,
direnç, anahtar, ve diğer devre elementlerinin birkaç milimetre karelik tek bir
silikon çip üzerine yerleştirilmesiyle hazırlanmış büyük-skalalı bir integre
devredir. Mikroişlemciler ayrıca, analitik cihazlar, otomobil yakma sistemleri,
mikrodalga fırınlar, kasalar, ve elektronik oyun makinelerinin kontrolünde de
kullanılır.
Mikrobilgisayarlar: Mikrobilgisayarlarda bir veya daha
çok sayıda mikroişlemci bulunur. Bunlar, hafıza depolama, zaman ayarlayıcı,
giriş, ve çıkış işlevlerini yapan diğer devre elementleri ile
birleştirilmiştir. Mikrobilgisayarlar (ve tabii mikroişlemciler) analitik
cihazların kontrollerinde ve verilerin işlenmesinde, depolanmasında, ve
görüntülenmesinde geniş bir kullanım alanına sahiptir. (Şekil-27b)
Şekil-27:
(a) Bir Mikroişlemcinin ve, (b mikrobilgisayarın blok diyagramları
