TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií

Číslicové měřicí systémy Multifunkční desky do PC

Učební text

Ivan Jaksch

Liberec

2011

Materiál vznikl v rámci projektu ESF (CZ.1.07/2.2.00/07.0247) Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření, KTERÝ JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY

Multifunkční desky do PC Úvod

Multifunkční desky jsou nejrozšířenějším typem zásuvných desek do PC. Sdružují v sobě funkce vícekanálového analogového vstupu, analogového výstupu, obvykle 2- kanálového, čítače impulsů/ měřiče frekvence, číslicových vstupů a výstupů. Jedním z průkopníků multifunkčních desek je fy National Instruments, která na jejich základě vytvořila širokou škálu virtuálních přístrojů. Zdokonalila jejich parametry garantuje je, desky mají zabudovanou samo kalibraci aj. takže se virtuální přístroj svými parametry blíží k původnímu samostatnému přístroji. Desky jsou vhodné i pro vícekanálový sběr dat i pro řídící systémy.

Blokové schéma jednoduché multifunkční desky:

Dále jsou uvedena bloková schémata 3 multifunkčích desek firmy NI

2


Blokové schéma desky PC-LPM-16 - jednoduchá deska vyvinutá fy NI v roce 1992 - 12-bit. převodník, autokalibrace, 8 linek TLL in a out - nastavení základní I/O adresy přepínači - nastavení úrovně přerušení přepínači - nastavení bipolární, unipolární a rozsahů (5V, 2.5V, 0-10V, 0-5V) přepínači - AT konektor

3


Bloková schémata moderních multifunkčních desek: AT_MIO 16E-10

-

Výkonná deska desky plug and play konektor PCI řízení desky dvěma výkonnými zákaznickými obvody DAQ-STC a DAQ PnP mnoho specialit a možností např. auto kalibrace aj.

4

Multifunkční desky do PC Základní charakteristiky

1.Základní charakteristiky obvodů multifunkční desky 



Analogový multiplexor -charakteristiky - Ron – ohmický odpor mezi výstupem a ardes. vstupem - Ron dif. – rozdíl v Ron mezi vstupy - Ivst, Ivýst - Cin-out, při otevřeném vstupu – kapacita mezi vstupní a výstupní svorkou - fpřepínání - ts – doba ustálení (setting time) - přenosová rychlost – Uvýst/Uvst – závisí na impedanci zdroje a zatížení - přeslech (crosstalk) - Uvýst/Uvst přivedené na rozepnuté vstupy Přístrojový zesilovač s program. zesílením (PGA) - přesnost zesílení - potlačení souhlasných signálů - doba ustálení (setting time) - dynamická charakteristika (pokles o 3dB)

Doba ustálení přístrojového zesilovače multifunkční desky: Definice: Doba ustálení (setting time) je čas od přivedení jednotkového skoku na vstupu do doby, kdy výstupní signál dosáhne plné výchylky se specifikovanou přesností a zůstane uvnitř tohoto specifikovaného rozsahu. Specifikovaný rozsah může být dán kvantizační chybou následného převodníku, tak aby chyba analogového vstup. signálu nebyla po době ustálení větší než ± Q/2.

Procentní chyba jako funkce počtu časových konstant odezvy přístroj. zesilovače s jednoduchým pólem.

5


Schopnost potlačení souhlasných signálů je důležitou vlastností přístrojových zesilovačů a často je to hlavní důvod, proč je přístrojový zesilovač zařazen. Schopnost potlačení souhlasných signálů je dána poměrem potlačení souhlasných signálů (CMRR Common Mode Rejection Ratio), který je definován jako poměr vstupního souhlasného napětí Ucm ku vstupnímu diferenciálnímu napětí Udif, které způsobí stejnou výchylku. Teoreticky by měl podle definice zesílení diferenciálního zesilovače nekonečný. Vlivem rozptylu parametrů a nelinearit je má určitou hodnotu podle kvality přístroj. zesilovače. Podle definice nelze CMRR měřit a tak se využije měření výstupního napětí U out při známém zesílení přístrojového zesilovače K.

CMRR =

U cm U K U cm  cm  U out U dif U out K

U cm K U cm  20 log U out U out K A z tohoto výrazu můžeme spočítat výstupní napětí při známém souhlasném napětí a velikosti CMRR.

a v logaritmické stupnice (dB) CMRR  20 log

 Vzorkovací a paměťový obvod (S/H module) Účelem vzorkovacího a paměťového obvodu je držet konstantní napětí po dobu odběru vzorku. Vzorkovací a paměťový obvod je buď samostatný, nebo součástí převodníku (sampling A/D converter) Základní charakteristiky obvodu jsou znázorněny na následném obrázku

jsou to :  Rozpínací doba Ta (doba apertury)  Neurčitost doby apertury  Ta  ujíždění během pamatovaní doby  průnik

6


Výpočet chyby – pokud by nebyl vzorkovací obvod:

Předpokládáme hormon.signál u(t) = V sin (ω t), největší změna je při průchodu nulou ta … doba odběru vzorku (aperture time) V max. chyba – při průchodu signálu nulou d V  V .sin t t 0  V .. cos.0.t a  V ..t a dt V tedy  .t a  2f .t a V z toho možno vypočítat chybu ta, aby chyba byla v rozsahu 1 bit. Př.: f = 1kHz, n = 10 bitů V 1 1 1 0,001 ta       160.10 9 s 3 3 V 2f 1024 2 .10 2 .10 aby se signál nezměnil o více než 1 bit, doba konverze  160.10 9 s při frekvenci pouze 1kHz, pro vyšší frekvence by se ještě podstatně snížila a to je technicky velmi těžko řešitelné.    

Analogově – číslicový převodník (probrány samostatně v předchozím tématu) Analogový výstup nejčastěji 2, možnosti uzemněný výstup nebo plovoucí Číslicové vstupy, výstupy nejčastěji 8 – 32 bitů vstup/ výstup TTL, některé desky optické oddělení Čítač – časovač jeden až několik vstupů pro čítání pulzů, měření frekvence, výstupy pro vytvoření libovolných programovatelných číslicových průběhů

 Obvody rozhraní Obvody rozhraní obsahují adresový dekodér pro adresování čtecích, zápisových nebo R/W registrů. Dříve byly vyvářeny obvody pro dekódování bázové adresy (horní adresové linky) a dekódování adresy registru, kde byly použity spodní adresové linky A0 – A3 – 16 registrů, nebo A0 – A4 – 32 registrů. Nastavení úrovně přerušení a DMA se provádělo ručně propojkami mezi výstupy přerušení z desky a vstupy přerušení do PC. Dnes mají téměř všechny desky toto nastavení provedené automaticky jsou tzv. Plug and Play.

7

Multifunkční desky do PC Způsoby připojení vstupů

2. Způsoby připojení vstupů: Přístrojový zesilovač může být zapojen třemi způsoby: 1) DIFF (diferenciální zapojení) – dvě linky +PGIA, -PGIA tj. neinvertující a invertující vstup zesilovače ( PGIA – přístrojový zesilovač s programovatelným zesílením) 2) RSE (nesymetrický vstup, reference single ended) – jedna vstupní linka k +PGIA, PGIA spojen s analog. vstupní zemí AIGND 3) NRSE (pseudodiferenciální zapojení, non reference single ended) – jedna vstupní linka k +PGIA, -PGIA spojen se vstupem AISENSE (společná svorka, ale není propojena s analogovou zemí desky) Zdroj signálu může být: a) uzemněný, grounded, ground- referenced) b) plovoucí, floating, (non-referenced) celkem 2x3 = 6 možností Volba připojení vstupů DIFF, RSE, NRSE: podle zdroje signálu. Je-li zdroj uzemněný (ground-ref. signal), vyskytuje se mezi analogovou zemí (AIGND) a zemí zdroje společné (common) napětí. V případě připojení RSE není toto napětí potlačeno!!! 1 a) vstupy DIFF, uzemněný zdroj signálu

Pozn. Správné zapojení potlačení souhlasných signálů, nevýhoda – poloviční počet vstupů oproti RSE, NRSE

8


1 b) vstupy DIFF, plovoucí zdroj signálu

Pozn. Nutné použití bias resistors Rb velikost řádově 100kΩ– proti saturaci přístrojového zesilovače klidovými proudy, je zbytečné připojovat plovoucí zdroj signálu diferenciálně, není chyba, ale nedoporučuje se 2 b) RSE, plovoucí zdroj signálu

Pozn.: Dobré připojení plovoucího zdroje signálu, zde může být zesilovač zapojen v jednoduchém nesymetrickém RSE zapojení, neboť je společná zem a nejsou žádné common signály

9


3 a) NRSE, pseudodiferenciální zapojení, uzemněný zdroj signálu

Pozn.: Výhody: potlačení CMV 2x vyšší počet kanálů proti DIFF Nevýhody: společný konec všech zdrojů signálů- (někdy může vadit)

10


Připojení zdrojů signálů na vstup multifunkční desky (shrnutí):

11

Multifunkční desky do PC Přepínání vstupních kanálů

3. Možnosti přepínání vstupních kanálů: a) kontinuální

b) pseudosimultání

c) intervalové (oba časy Tscan a Tsmp nastavitelné)

Ovladače multifunkčních desek rozlišují: počet vzorků A/Č převodu za sek ( sample rate) a počet odběrů nastavených kanálů za sek ( scan rate – perioda vzorkování). Zhruba možno říci, že max. scan rate je max. sample rate dělený počtem kanálů. Pokud není uvedeno jinak a to platí pro všechny jednodušší funkce sběru dat v NI-DAQ EASY I/O, pak se uživatelsky nastavuje pouze scan rate tj. počet sejmutí nastav.počtu kanálů za sek. a vnitřně mezi kanály je provedeno vzorkování nejvyšší možnou rychlostí - pseudosimultání přepínání. Tím je zaručena co možná nejkratší doba odběru vzorků mezi kanály. Ovladače ve svých nižších funkcích NI-DAQ však umožňují nastavení obou výše uvedených možností.

12

Multifunkční desky do PC Paměť kanálů a zesílení

4. Channel – gain scan memory ( paměť kanálů a zesílení) paměť pro řízení adresace kanálů, zesílení, způsobu připojení vstupů a nastavení převodníku (unip., bipolar). Nastaví se konfigurační utilitou před vlastním měřením – vzorkováním. Výhodou je, že adresy kanálů nemusí být při přepínání posílány z řídícího počítače a tím je zvýšena rychlost vzorkování. Počítač se o tuto činnost nezajímá, vše si řídí deska. Poslední kanál v odběru má nastavenu hodnotu last one na log. 1 a to je povel aby se sled měření kanálů (scan) se opakoval. Nastavení: nastavuje se při konfiguraci desky nebo automaticky z údajů v Měřicím průzkumníku ( Measurement & Automation Explorer – MAX) - adresa kanálu - zesílení - připojení vstupů – SE, DIFF - vstupní rozsah – unipolární, bipolární Důvodem tohoto uspořádání je urychlení přenosu dat, kdy počítač pouze odebírá naměřená data a nestará se o vysílání adres kanálů.

2 bytová možnost paměti kanálů a zesílení rozšiřuje možnost přepínání vstupů pro jednotlivé kanály na SE/ DIFF a také rozsah převodníku unipolar/ bipolar.

13

Multifunkční desky do PC Další druhy desek do PC

5. Spouštěcí obvody (trigger): Možnost spouštění měření patří k důležitým vlastnostem multifunkční desky. Spouštěcí signál – trigger – startuje nebo ukončuje měření. Některé procesy vyhodnocující náhodné děje nepotřebují pevné spouštění, neboť ergodické děje mají stálé statistické vlastnosti. Při měření spekter nás většinou fáze nezajímá. Na druhé straně hledání anomálií v signále na základě jeho velikosti a příslušné spuštění měření při výskytu tohoto jevu vyžaduje přesné spouštěcí obvody. V tomto směru se možnosti jednotlivých desek velmi liší. NI pro tento účel vyvinula obvod DAQ STC, obsahující 10 čítačů/ časovačů, který provádí veškeré časování, řízení, počítání vzorků aj. Nastavení spoušťových obvodů se provádí softwarově a je třeba pečlivě prostudovat ovladač desky a příslušné funkce. Zhruba existují tyto možnosti: - SOFTWARE TRIGGER: nastane při provedení instrukce -

-

EXT. DIGITÁLNÍ TRIGGER: nejčastěji TTL SOFTWARE ANALOG TRIGGER: driver software, umožňující spuštění na úroveň, případně hranu. Sběr dat do kruhového bufferu, při trig se měření zastaví ihned, nebo po určitém počtu vzorků – pre, mid, post trig HARDWARE ANALOG TRIGGER: u dražších desek, rychlejší, vyžaduje D/A převodník a komparátor – viz. spodní obrázek, umožňuje ETS – viz. kap. 6.

Blok řízení spouštění je programován obsahem řídícího registru (zdroj spuštění, způsob spouštění, povolení). Počet měření je řízen čítačem vzorků (Sample count), po načítání je proces měření ukončen. Činnost čítače je spuštěna spouštěcím signálem podle nastavení řízení spouštění. Dalšími režimy jsou post trigger, pre trigger a mid trigger. Měřená data jsou uložena v paměti do kruhového registru definované velikosti, který je po naplnění přepisován. Blokové schéma spouštěcích obvodů. Podle nastavení velikost dat před nebo po triggeru N jsou v kruhovém bufferu uložena data se zpožděním N vzorků, nebo s N vzorky změřenými před příchodem spouštěcího pulsu a nebo částečně před a částečně po příchodu spouštěcího pulsu.

14


Módy analogového spouštění měření:

15


6. ETS (Equivalent Time Sampling) – ekvivalentní časové vzorkování:

tn … n-tý čas zpoždění dn … čas mezi n-tým spouštěním a konverzí A/D  … bod A/D konverze d6 = 0 d1 = d0 + t d2 = d1 + t = d0 + 2t … fs = 1/t Používá se pro digitalizaci periodických signálů. Signál se digitalizuje postupně, v každé periodě jeden vzorek. Perioda vzorkování je dána dobou zpoždění vzorku t a může být mnohem menší tj. ekvivalentní frekvence vzorkování mnohem vyšší než maximální vzorkovací frekvence při odběru v reálném čase. Na deskách je nutný analogový trigger.

16


7. Další druhy desek do PC   

  

desky typu transient recorder (zapis. přechod. jevů), paměť do desítek MB často přímo na multifunkční desce osciloskopické desky – 1000 MS/s, vysoké vzork. rychlosti, flash převodníky desky pro analýzu signálů s analogovými filtry, číslicovými filtry s DSP procesory (patří k nejdražším multif. deskám, vyrábí pouze několik firem např, NI. Obsahují až 8 kanálů současně vzorkovaných (8 sigma-delta převodníků), 24 bitů, dynamický rozsah 110 dB. desky čítačů – 10 program. čítačů 16 nebo 32 bit desky generátorů – gener. libovol. průběhu, 10 MHz, 32 kslov desky číslicových vstupů, výstupů případně reléové desky, až 144 I/O optic. oddělených

--------------------- podle fyz. zaměření ------------------- desky pro přímé měření délek (LVDT, půlmůstek H&B)  tenzometrické desky – 4 můstky, zesilovače  desky pro odměřování pomocí IRC snímačů  desky měření úhlů – IRC, revolver  desky pro řízení krokových motorků

8. Příslušenství k měřicím deskám Vstupy desek se vzhledem k rušení většinou nemohou připojit přímo k měřenému zařízení. Zvláště při větších vzdálenostech a narůstá vf rušení a také síťové rušení vlivem zemnících smyček. Při měřených signálech v řádu desítek mV je rušení již velkou procentuální částí signálu, které je pouze částečně odstraněno přístrojovým zesilovačem. Zejména pro průmyslové účely je vhodné použít předzesilovačů nejlépe s galvanickým oddělením. Používají se následující moduly: - měřicí moduly, řada 5B (6B) - systém SCXI - moduly pro úpravu signálů - zásuvné moduly do desek

Analog Devices – lišta DIN National Instruments IPP Measure, ČR TEDIA, ČR

Efc …

Moduly řady 5Bxx: - moduly vyvinula firma Analog Devices a mnoho výrobců je v licenci vyrábí, nebo vyvinuli další - moduly mají galvanické oddělení - moduly obsahují dolnofrekvenční propust a zdroje ref. napětí pro napájení senzorů

17


Přehled vstupních modulů 5Bxx:

Zapojení vstupního modulu:

18

Multifunkční desky do PC Charakteristiky desky

Charakteristiky multifunkční desky 1. Analogový vstup - počet kanálů - rozlišovací schopnost (počet bitů převodníku) - maximální frekvence vzorkování - zesílení a rozsahy (bipol., unipolar) - vstupní předpětí (při on a off) - způsob přenosu dat (prog. I/O, INT, DMA) - velikost FIFO - velikost paměti channel – gain Přenosové charakteristiky -

AbsoluteAccuracy = Reading · (GainError) + Range · (OffsetError) + NoiseUncertainty

- relativní přesnost - INL (ppm z rozsahu) - DNL ( 0,5 LSB typ,  1 LSB max) - nechybějící kódy - chyba rozvážení (před a po kalibraci) - chyba zesílení Charakteristiky zesilovače - vstupní impedance - vstupní klidový proud - vstupní proud rozvážení (offset) - CMMR (95 – 105 dB) Dynamika - přenosové pásmo - doba ustálení (μs) pro  0,5 LSB,  1 LSB, závisí na impedanci zdroje signálu - systémový šum (ef. hodnota vyjádřená v LSB a nezahrnující kvantizaci) s dither vypnut a dither zapnut Stabilita - teplotní koeficient zesílení (V/C) - teplotní koeficient rozvážení (ppm/C)

2. Analogový výstup - počet kanálů - rozlišovací schopnost - max. frekvence - velikost FIFO - způsob přenosu dat Přenosové charakteristiky - relativní přesnost - DNL

19


- chyba rozvážení - chyba zesílení Výstupní napětí Dynamika - doba ustálení Šum Stabilita

3. Číslicový I/O 4. Spouštění -

zdroje úroveň slope (pozitivní, negativní) rozlišovací schopnost hystereze

5. RTSI

20


Další studijní materiály: 1. Haassz V., akol.: číslicové měřicí systémy, ČVUT 2000 2. ST, HP-Measurement Systems, NI-Tutorial, návody k měřicím deskám 3. Holub, Vedral: Větší rozlišení A/D převodníku pomocí ditheringu, ST 10/1977, str 14-16 4. Data Acquisition Tutorial: NI Instrumentation Catalog str. 3-14-32 5. AT M10 E Serie – User Manual 6. LP – User Manual 7. NI 622x specification, NI , 2007 8. Electronic Instrument Handbook, HP, MC Graw Hill, 1995 9. Datel: Principles of Data Acquisition and Convertion, Datel 1997 10. L. Havlík: Vzorkování v reálném a ekvivalentním čase, ST 2/1997 11. Roztočil a spol.: Dynamic Testing of A/D plug-in boards 12. Pokorný: Dynamická testování zásuvných měřicích desek

Poděkování: Tento text vznikl za podpory projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0247 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měřen. Formát zpracování originálu: titulní list barevně, další listy včetně příloh barevně.

21

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

Recommend Documents