VLASTNOSTI KOMPONENT MICÍHO ETZCE -ÍSLICOVÁÁST

Experimentální metody – p ednáška 6 Vlastnosti komponent m icího et zce

VLASTNOSTI KOMPONENT M ICÍHO ET ZCE - ÍSLICOVÁ ÁST

• 6.1. Analogov íslicový p evodník • 6.2. Zobrazovací a záznamové za ízení


6.1. ANALOGOV

ÍSLICOVÝ P EVODNÍK Napájecí zdroj

Sníma

p evod na el. nap tí - úprava velikosti - filtr

analogov íslicový p evodník

• 6.1.1. princip analogov íslicového p evodníku • 6.1.2. kvantování • 6.1.3. vzorkování • 6.1.4. vícevstupový A/D p evodník • 6.1.5. p íklady provedení A/D p evodník

A/D

zobrazení záznam


6.1.1. PRINCIP ANALOGOV

ÍSLICOVÉHO P EVODNÍKU

Informace v analogové form v ase spojitá

Sníma


Informace v íslicové form v ase nespojitá

analogov íslicový p evodník A/D

• analogov – íslicový p evodník (A/D p evodník) p evádí spojitou analogovou informaci na nespojitou (diskrétní ) íslicovou informaci je charakterizován • po tem bit p evodníku • maximální vzorkovací rychlost




• íslicová informace = dvojková soustava desítková soustava = 10 cifer Po et rozlišitelných úrovní x = 10n kde - 10 je po et cifer (základ íselné soustavy)

- n po et ád

nap . 3 ády sta í na rozlišení 1000 úrovní (0-999) 1000 = 103

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 … 99 100 101 102 … 998 999 1000

dvojková soustava = 2 cifry 0 1 10 11 100 101 110 111 1000 1001 1010 1011 1100 …

Po et rozlišitelných úrovní

x = 2n

kde - 2 je po et cifer (základ íselné soustavy)

- n po et ád (bit )

nap . 10 ád sta í na rozlišení 1024 úrovní 1024 = 210 ád se ve dvojkové soustav ozna uje jako bit, tj. po et bit = po et ád bity úrovn = 256 8 28 10 = 1024 10 2 12 = 4096 12 2 16 216 = 65536 24 224 = 16777216




• v elektronických obvodech lze jednoduše realizovat: zdroj nap tí ur ité úrovn spína sou tový zesilova komparátor (porovnání dvou nap tí) vstupní el. nap tí

zdroje nap tí s úrovn mi odstup ovanými mocninami dvou

spína e (po et zdroj a spína = po et bit A/D p evodníku, zde tedy 4 bitový p evodník) nej ast jší a nejrychlejší princip p evodu p lení intervalu

z t chto komponent je složen i AD p evodník sou tový zesilova (zesílení 1) komparátor a ízení spína

výstupní íslicová informace


6.1.2. ANALOGOV

ÍSLICOVÝ P EVODNÍK - KVANTOVÁNÍ

• Kvantování je transformace spojité úrovn signálu na diskrétní hodnoty p íklad: 4 bitový p evodník (24 tj. 16 úrovní), vstupní rozsah 15V

15 14 13

15V

1111=15 1110=14 vstupní el. nap tí

4 3 2 1 0

0011=3 0010=2 0001=1 0000=0

jakoukoliv hodnotu vstupního nap tí v tomto „pásmu“ vyhodnotí p evodník jako 0

jakoukoliv hodnotu vstupního nap tí v tomto „pásmu“ vyhodnotí p evodník jako 1

KVANTOVÁNÍM DOCHÁZÍ KE ZTRÁT INFORMACE v tomto p íklad nejsme schopni rozlišit úrove menší než 1V tj. všechny zm ny analogového signálu menší než 1V jsou AD p evodem ztraceny

as


6.1.2. ANALOGOV

ÍSLICOVÝ P EVODNÍK - KVANTOVÁNÍ

íslo 1 2n

100

1 2n

1 2

011

celkem 2n úrovní

010 001 000 uMAX

max. chyba p evodu uMAX =

1 2

1 u 2n MAX

kvantovací chyba (relativní chyba) rozlišitelnost ru =

1 n

2 –1

vstupní nap tí u

uMAX

K=

uMAX uMAX

=

1 2

1 2n


6.1.3. ANALOGOV

ÍSLICOVÝ P EVODNÍK - VZORKOVÁNÍ

• Vzorkování je transformace signálu spojitého v ase na posloupnost vzork

jakákoliv zm na hodnoty vstupního nap tí mezi vzorky nebude p i A/D p evodu zaznamenána

t1 t2 vzorkování probíhá v asových okamžicích tn= T*n,

tn

as

kde T je perioda vzorkování n = 1, 2, 3, 4, ….

p evrácená hodnota periody vzorkování je vzorkovací frekvence f VZORK = VZORKOVÁNÍM DOCHÁZÍ KE ZTRÁT INFORMACE jakákoliv zm na analogového signálu mezi dv ma vzorky je AD p evodem ztracena

1 T

[Hz, s]


6.1.3. ANALOGOV


volba vorkovací frekvence • maximální hodnota daná možnostmi (konstrukcí) p evodníku • minimální hodnotu ur uje Shanonn v teorém nebo p ípustná velikost dynamické chyby • zvolená frekvence by m la být mezi maximální a minimální hodnotou - kompromis mezi množstvím dat a „ztrátou“ informace Shanonn v teorém (http://cs.wikipedia.org/wiki/Shannon v_teorém)

vzorkovací frekvence f VZORK > 2* f MAX

( tj. minimáln 2 vzorky na periodu)

as

• toto minimum lze použít jen pro periodický signál • pro neperiodické, jednorázové d je lze vzork. frekvenci odvodit z max. rychlosti zm ny signálu


6.1.3. ANALOGOV


Nedodržením shanonnova teorému p i vzorkování vznikne ALIASING jev reálný signál

místa vzorkování signálu „zm ený“ výsledek

• k ivka proložená zaznamenanými vzorky nemá s realitou žádnou souvislost • je bezpodmíne n nutné dodržet

f VZORK > 2* f MAX


6.1.3. ANALOGOV


Anti Aliasing filtr analogov anti íslicový aliasing p evodník filtr A/D

1

0

Dolní propust

propustí

zadrží

f = 0,5 fvzork

f

• moderní A/D p evodníky mají na vstupu antialiasing filtr • je to dolní propust, jejíž frekvence zlomu se automaticky nastaví na polovinu zvolené vzorkovací frekvence • nepropustí do A/D p evodníku frekvence, které neodpovídají Shanonnovu teorému • pokud se taková frekvence ve vstupním signálu vyskytne je zadržena a p evodník nem í nic • je lepší nem it nic, než nesmysl


6.1.3. ANALOGOV


ur ení minimální vzorkovací frekvence podle dynamické chyby • lze použít pro periodické i neperiodické signály perioda vzorkování

2 hodnota signálu se m ní

1 zde došlo k p ekro ení kvant. úrovn

0 výstup p evodníku z stavá mezi vzorky konstantní, výstupní hodnota se zm ní až p i dalším vzorku

po tuto dobu nar stá odchylka mezi realitou a údajem p evodníku (signál je už v úrovni „1“, ale p evodník „o tom neví“ a stále dává hodnotu „0“, protože k novému „zm ení“ vstupní hodnoty dojde až v ase daném periodou vzorkování)

as

dynamická chyba = odchylka reality od údaje p evodníku


6.1.3. ANALOGOV


ur ení minimální vzorkovací frekvence podle dynamické chyby nemá-li dynamická chyba být v tší než relativní (kvantovací) chyba, musí být perioda vzorkování menší než doba, za kterou se vstupní nap tí zm ní o hodnotu kvantovací chyby T

1 1 u MAX 2 2n du dt

( )

MAX

• tj. musíme vzorkovat tak rychle, aby se signál p i své nejrychlejší zm n „nestihl“ zm nit o v tší hodnotu, než polovinu kvantovací úrovn • p íklad: 12ti bitový p evodník, vstupní rozsah 10V signál se m ní max. rychlostí 5V/s

.

212= 4096 úrovní na 10V rozsahu kvantovací úrove = 10/4096 = 0,0025V a kvantovací chyba je polovina, tedy 0,00125V p i max. rychlosti zm ny 5V/s se signál o hodnotu 0,00125V zm ní za 0,25 ms vzorkovat musíme každých 0,25 ms, tj. vzork frekvence je 4 kHz


6.1.3. ANALOGOV


ur ení minimální vzorkovací frekvence podle požadované chyby • nepot ebujeme – li m it tak p esn , lze do výpo tu použít libovolnou hodnotu chyby • nap . je-li relativní chyba p edchozí analogové ásti v tší než kvantovací chyba, m žeme vyjít z ní • stejný p íklad:

12ti bitový p evodník, vstupní rozsah 10V signál se m ní max. rychlostí 5V/s ale navíc p edchozí analogová ást pracuje s relativní chybou 1%

A/D p evodník nemusí pracoval zbyte n p esn , tj. nevadí, když dynamická chyba bude v tší než kvantovací, sta í, když se p íliš nezhorší celková chyba (chyby seriových komponent se s ítají) - analogová ást má rel. chybu 1% z 10V, tedy 0,1V, takže pokud následný p evodník bude pracovat s dynamickou chybou nap . 0,1% (0,01V), zhorší se výsledek jen na 1,1% proto p i max. rychlosti zm ny 5V/s se signál o hodnotu 0,01V zm ní za 2 ms tedy aby dynamická chyba nep ekro ila 0,1%, sta í vzorkovat každé 2 ms, tj. vzork. frekvence je 500 Hz


6.1.4. ANALOGOV

ÍSLICOVÝ P EVODNÍK S VÍCE VSTUPY

každý vstup vlastní A/D p evodník

vstupy se postupn p epínají na jeden A/D p evodník

výhoda: vzorek všech vstup ve stejném ase

výhoda: nízká cena

nevýhoda: vysoká cena

nevýhoda: vstupy nejsou navzorkovány ve stejném ase


6.1.4. ANALOGOV


P evodník s multiplexovanými vstupy • údaj na p evodníku nap . 200 kS/s ~ 200 000 samples (vzork )/sekundu na všech kanálech Nap . 1/200000 = 5 s

as T vzorkovací perioda (nap Zm ená data:

as[ms] 0 1 2

kanál 1 10,2 14,8 16,1

kanál 2 28,3 15,2 6,8

kanál 3 14,3 18,5 21,3

tj. 1 kanál 2 kanály

200 kS/s každý 100kS/s

10 kanál

každý 20kS/s

. 1 ms)

!!! Ztráta informace o as. posunu mezi kanály kanál 1 je m en v uvedených asech 0 1 kanál 2 je ve skute nosti zm en v asech 0,005 1,005 kanál 3 je ve skute nosti zm en v asech 0,01 1,01

2 2,005 2,01


6.1.4. ANALOGOV


P evodník s multiplexovanými vstupy Extrémní p íklad: • p evodník 200 kS/s • m íme 2 kanály rychlostí 100 kS/s 1/200000 = 5 s

as[ s] 0 10 20

as T vzorkovací perioda je 10

50% v

kanál 2 28,3 15,2 6,8

s

kanál 1 je zm en v uvedených asech kanál 2 je ve skute nosti zm en v asech tj. o

kanál 1 10,2 14,8 16,1

0 5

10 15

20 …. 25 …..

ase jinde, než je interpretováno v obdržených datech

!!!!! POZOR NA LEVNÉ P EVODNÍKY S MULTIPLEXOVANÝMI VSTUPY PROVOZOVANÉ NA HRANI NÍCH RYCHLOSTECH


6.1.5. P ÍKLADY PROVEDENÍ A/D P EVODNÍK • karty do PC s A/D p evodníky • do USB – jednoduchá instalace, max. rychlost daná datovým tokem p es USB • vestav né v PC (sb rnice PCI, užívají DMA), vyšší rychlosti p i více kanálech • multiplexované i synchronní provedení • vícevstupové (nej ast ji 4, 8, 16, 32 kanál ) • asto více vstupních rozsah (nap . ±10V ±5V ±2V ±1V) • prakticky vždy vstupní rozsah symetrický • asto lze kanály použít samostatn nebo vždy dvojici jako diferenciální vstup • pokud na vstup p ivádíme nap tí jen jedné polarity, ztrácíme polovinu rozsahu (tj.vlastn 1bit z celkového po tu bit ) • pokud použijeme diferenciální zapojení vstup , snižuje se jejich po et na polovinu


6.1.5. P ÍKLADY PROVEDENÍ A/D P EVODNÍK • p íklad zapojení – použití karty do PC s multiplexovanými vstupy • 2/4 vstupy, rozsahy ±10V ±5V ±2V ±1V AI 0 GND AI 2

+

zesilova 1,2,5,10x

+

zesilova 1,2,5,10x

AI 1 GND AI 3

+

zesilova 1,2,5,10x

-

+

zesilova 1,2,5,10x

SENSE

A/D

-

-

• režim RSE (referenced single ended) • 4 samostatné vstupy • vstupy oproti referen nímu vstupu SENSE • režim NRSE (nonreferenced single ended) • 4 samostatné vstupy • vstupy oproti zemi GND • režim DIFFERENTIAL • 2 diferenciální vstupy •

(v tomto režimu p epína p ed A/D spíná jen „zelené“ zesilova e)


6.1.5. P ÍKLADY PROVEDENÍ A/D P EVODNÍK • karty do PC s A/D p evodníky

4/8 vstup , multiplex 12ti bitový A/D 10kS/s 4 100,- K

8 vstup , multiplex 16ti bitový A/D 1,2MS/s 52 100,- K

8/16 vstup , multiplex 16ti bitový A/D 250kS/s 12 500,- K

4 vstupy, synchronní 16ti bitový A/D 1,2MS/s 120 000,- K


6.1.5. P ÍKLADY PROVEDENÍ A/D P EVODNÍK jedno i výcevstupové pr myslové A/D p evodníky • ur ený pro montáž do rozvad (DIN lišta) • v tšinou pro jeden konkrétní typ sníma e • v tšinou obsahuje i vstupní analogovou ást (zesilova , filtr)


6.2. ZOBRAZOVACÍ A ZÁZNAMOVÉ ZA ÍZENÍ Napájecí zdroj

Sníma


analogov íslicový p evodník A/D

zobrazení záznam


6.2.1. ZOBRAZOVACÍ A ZÁZNAMOVÉ ZA ÍZENÍ

• po et cifer (desetinných míst) displaye by m l odpovídat p esnosti p edchozího et zce p íklad: m ení síly v rozsahu 1kN, p esnost et zce (relativní chyba) je 1% relativní chyba je tedy 10N, rozlišitelnost cca 20N v kN sta í 3 místa

0,56 kN

vN

4 místa a poslední je trvale 0

0560 N


6.2.1. ZOBRAZOVACÍ A ZÁZNAMOVÉ ZA ÍZENÍ mnoho r zných možností: • PC se softwarem pro zobrazování a záznam dat • ke zobrazení a záznamu dat využívá prost edky PC • innost je ízena speciálním softwarem • je vázán na konkrétní typ HW (karty s A/D p evodníkem) • jednoú elový nebo univerzální (uživatelsky modifikovatelné prost edí)

• m icí úst edny na bázi PC • kompaktní za ízení (PC s m icí kartou, vstupní zesilova e v jedné sk íni) • v etn softwaru pro m ení a záznam • velmi asto komplexní nastavení všech parametr (i analogové ásti) pomocí softwaru • automatická identifikace sníma (TEDS) • další pokro ilé funkce (záznam dat a obrazu )


6.2.1. ZOBRAZOVACÍ A ZÁZNAMOVÉ ZA ÍZENÍ Funkce TEDS • Transducer Electronic Data Sheet – elektronický katalogový list sníma e • sníma obsahuje ip, na kterém jsou uloženy veškeré údaje o sníma i • rozsah, citlivost, napájení, údaje o kalibraci,… • normalizovaný formát záznamu a komunikace (IEEE 1451) • použití systémem PLUG and PLAY • záznamové za ízení vybavené systémem TEDS p e te údaje ze sníma e a automaticky nastaví všechny parametry


6.2.1. ZOBRAZOVACÍ A ZÁZNAMOVÉ ZA ÍZENÍ • m icí úst edny na bázi jedno ipových procesor • lehce p enosné kompaktní za ízení pro m ení a záznam dat • v tšinou v etn analogové ásti • asto omezená možnost typ p ipojitelných sníma (jednoú elové za ízení) • v etn softwaru pro m ení a záznam • velmi asto komplexní nastavení všech parametr (i analogové ásti) pomocí softwaru • asto bateriové napájení • asto p ipojitelné k PC pro dlouhodobou archivaci a zpracování dat


6.2.1. ZOBRAZOVACÍ A ZÁZNAMOVÉ ZA ÍZENÍ • pr myslové systémy • jednoú elové systémy • funkce daná výrobcem nebo uživatelsky modifikovatelná (p ipojením k PC) • display bez záznamu nebo s omezenou kapacitou záznamu (nap . 100 údaj ) • lze i velkokapacitní záznam dat (bez mechanických prvk , FLASH pam ti) • lze propojovat s nad azenými systémy (PC, PLC,…)

VLASTNOSTI KOMPONENT MICÍHO ETZCE -ÍSLICOVÁÁST

Recommend Documents