Hoofdstuk 5: Signaalverwerking Natuurkunde VWO 2011/2012
www.lyceo.nl
Hoofdstuk 5: Signaalverwerking
Natuurkunde
1. Mechanica
2
2. Golven en straling
3. Elektriciteit en magnetisme
4. Warmteleer
Rechtlijnige beweging
Trilling en golf
Elektrische stroom
Gas en vloeistof (SE)
Kracht en moment
Licht
Elektromagnetisme
Thermische processen (SE)
Arbeid en energie
Elektromagnetisch spectrum (SE)
Inductie en wisselstroom (SE)
Kromlijnige beweging
Radioactiviteit
Signaalverwerking (SE)
www.lyceo.nl
Signalen 3. Elektriciteit en magnetisme Elektrische stroom
•
•
3
Elektromagnetisme
Inductie en wisselstroom
Signaal verwerking
Er zijn twee soorten signalen: – Continu
kunnen alle waarde aannemen
– Discreet
kunnen een beperkt aantal waarden aannemen
Binaire signalen Binair
Decimaal
100000
25 = 32
010000
24 = 16
001000
23 = 8
000100
22 = 4
000010
21 = 2
000001
20 = 1
Voorbeeld Zet 010110 om in een decimaal getal: 0 20 +1 21 +1 22 +0 23 +1 24 +0 25 =21
Zet 74 om in een binair getal:
1 26 +0 25 +0 24 +1 23 +0 22 +1 21 +0 20 =1001010 www.lyceo.nl
Regelsystemen •
Meetsysteem
voert een meting uit
•
Stuursysteem
voert na de meting een handeling uit
•
Regelsysteem
voert na de meting een correctie uit
– Meet‐ en stuursysteem
Meten
Verwerken
Uitvoer
Verwerken
Uitvoer
– Regelsysteem
Meten
Omgeving terugkoppeling 4
www.lyceo.nl
Sensoren •
Een sensor meet een grootheid en geeft afhankelijk van die grootheid een spanning af
•
De belangrijkste eigenschappen zijn: – Lineariteit
uitgangsspanning is een lineaire functie van de te meten grootheid
– Meetbereik
het gebied waarin de sensor gebruikt kan worden
– Gevoeligheid
steilheid ijkdiagram
– Nauwkeurigheid
mate waarin gemeten en werkelijke waarde overeenkomen
Usensor
Usensor
T(°C) 5
T(°C) www.lyceo.nl
Sensorgevoeligheid •
Gevoeligheid is de steilheid van het ijkdiagram
•
Uitgangsspanning verandert bij een kleine verandering van de te meten grootheid
•
Steile diagram ‐> grote gevoeligheid: – een kleine verandering kan goed worden gemeten
Usensor
ΔU
ΔT T(°C) 6
www.lyceo.nl
Elementaire verwerkers •
Continu signaal
kan alle waarden aannemen
•
Discrete signaal
beperkt aantal waarden (alleen “1” en “0”)
•
Ingangsspanning – Laag (0 V < U < 1,5 V) of hoog (3,8 V < U < 5,0 V) – Maximaal 1 draad per ingangsaansluiting
•
Uitgangsspanning – Hoog of laag – Uitgangssignaal van ene verwerker is ingangssignaal van volgende – Meerdere aansluiting per uigang mogelijk
7
www.lyceo.nl
Elementaire verwerkers
Uin
1
Invertor
is de ingang 1, dan is de uitgang 0 en vice versa
&
EN‐poort
uitgang is alléén 1, als beide ingangen 1 zijn
1
OF‐poort
minstens één ingang 1, uitgang ook 1
+ ‐
Q
hoger is dan de referentiespanning (Uref)
Uref
Set Reset
8
Comparator uitgang is 1, als de ingangsspanning (Uin)
M
Q
Geheugencel set geeft 1, de uitgang (Q) blijft ook 1. Als de Reset 1 wordt, zal de uitgang (Q) 0 worden www.lyceo.nl
Signaalwoorden
Uin
1
Invertor
omgekeerde, niet
&
EN‐poort
allebei, beide, tegelijk
1
OF‐poort
minimaal 1 voorwaarde
Comparator
(bijna) altijd na een sensor!
+ ‐
Q
vergelijken
Uref
Set Reset
9
M
Q
Geheugencel
blijven, onthouden
www.lyceo.nl
AD‐omzetter •
Analoog‐digitaal omzetter zet een analoog (continu) signaal om in een discreet signaal
•
De ingangsspanning bepaalt de uitgangswaarde:
continu
– Elke uitgang kan een “1” of een “0” zijn.
AD omzetter discreet
– Dit geeft de binaire code (0000, 0001, 0010, 0011, etc..)
•
Belangrijkste eigenschap is het aantal bits van de AD omzetter: – Het aantal bits bepaalt het aantal uitgangswaarden – Een n bits AD‐omzetter heeft 2n uitgangswaarde (de grootste waarde is 2n‐1) – Het ingangssignaal wordt opgedeeld in 2n stapjes – Bij een bereik van 0V tot 5V is de stapgrootte: ΔU =
10
5 2n www.lyceo.nl
AD‐omzetter Een 3‐bits AD‐omzetter Wat is de binaire uitgangswaarde bij T = 42,5 °C?
Voorbeeld 5 5 = = 0,625 V 2n 23
Bepaal de stapgrootte
ΔU =
Bepaal Usensor
Aflezen voor 42.5 °C
Bereken de uitgangswaarde
Uitgang =
Altijd naar beneden afronden!
011
Usensor 2,1 = = 3,36 ΔU 0,625
Usensor
0 11
1
2
3 T (C )
www.lyceo.nl
Teller •
Tel pulsen – de te tellen pulsen komen hier met een bepaalde frequentie binnen
•
•
Tellen aan/uit
tel pulsen
– Ingang hoog
er wordt geteld
– Ingang laag
tellen stopt
– Niet aangesloten
er wordt geteld
8 4 2 1
tellen aan/uit reset
Reset – teller gaat terug naar nul bij een hoog (1) signaal
•
Binaire uitgangen – 0 = 0, 20 = 0001, 21 = 0010 22 =0010, etc.
12
www.lyceo.nl
Stappenplan Hoe ga ik te werk?
Onderstreep alle eisen (signaalwoorden) waaraan de schakeling moet voldoen – Teken daarbij de bijbehorende verwerkers
Kijk goed naar de situatie – Wanneer moet er een hoge spanning gegeven worden en wanneer moet er een lage spanning gegeven worden?
Sluit stap voor stap de draden aan – Begin bij de draden waar je zeker van bent
Maak het schakelschema compleet Controleer je schakelschema door al de situaties te bekijken!
13
www.lyceo.nl
Tips & Tricks •
Lees de vraag goed, onderstreep de signaalwoorden en schrijf de voorwaarden over
•
Kijk of je circuit voldoet aan de (gestelde) voorwaarden – Loop de situaties goed na – Test je circuit
•
Bij het bepalen van een AD‐omzetter uitgangswaarde, rond altijd omlaag af!
•
Zet altijd de verwerkers in je schakeling die je denkt nodig te hebben
•
Controleer of alles is aangesloten – Maximaal 1 aansluiting per ingang! – Sluit alles aan, ook als het niet goed is: je maakt altijd kans op punten!
14
www.lyceo.nl
