VLASTNOSTI KOMPONENT MICÍHO ETZCE -ÍSLICOVÁÁST

Transkript

1 VLASTNOSTI KOMPONENT MICÍHO ETZCE -ÍSLICOVÁÁST 6.1. Analogovíslicový pevodník 6.2. Zobrazovací a záznamové zaízení

2 6.1. ANALOGOVÍSLICOVÝ PEVODNÍK Experimentální metody pednáška 6 Napájecí zdroj Sníma pevod na el. naptí - úprava velikosti - filtr analogov íslicový pevodník A/D zobrazení záznam princip analogovíslicového pevodníku kvantování vzorkování vícevstupový A/D pevodník píklady provedení A/D pevodník

3 PRINCIP ANALOGOVÍSLICOVÉHO PEVODNÍKU Informace v analogové form v ase spojitá Informace v íslicové form v ase nespojitá Sníma pevod na el. naptí - úprava velikosti - filtr analogov íslicový pevodník A/D analogov íslicový pevodník (A/D pevodník) pevádí spojitou analogovou informaci na nespojitou (diskrétní ) íslicovou informaci je charakterizován potem bit pevodníku maximální vzorkovací rychlost

4 íslicová informace = dvojková soustava desítková soustava = 10 cifer Poet rozlišitelných úrovní x = 10 n kde - 10 je poet cifer (základ íselné soustavy) - n poet ád nap. 3 ády staí na rozlišení 1000 úrovní (0-999) 1000 = Experimentální metody pednáška 6 dvojková soustava = 2 cifry PRINCIP ANALOGOVÍSLICOVÉHO PEVODNÍKU Poet rozlišitelných úrovní x = 2 n kde - 2 je poet cifer (základ íselné soustavy) - n poet ád (bit) nap. 10 ád staí na rozlišení 1024 úrovní 1024 = 2 10 ád se ve dvojkové soustav oznauje jako bit, tj. poet bit = poet ád bity úrovn = = = = =

5 v elektronických obvodech lze jednoduše realizovat: zdroj naptí urité úrovn spína soutový zesilova komparátor (porovnání dvou naptí) Experimentální metody pednáška PRINCIP ANALOGOVÍSLICOVÉHO PEVODNÍKU z tchto komponent je složen i AD pevodník soutový zesilova (zesílení 1) vstupní el. naptí komparátor a ízení spína zdroje naptí s úrovnmi odstup ovanými mocninami dvou výstupnííslicová informace spínae (poet zdroj a spína = poet bit A/D pevodníku, zde tedy 4 bitový pevodník) nejastjší a nejrychlejší princip pevodu plení intervalu

6 ANALOGOVÍSLICOVÝ PEVODNÍK - KVANTOVÁNÍ Kvantování je transformace spojité úrovn signálu na diskrétní hodnoty píklad: 4 bitový pevodník (2 4 tj. 16 úrovní), vstupní rozsah 15V = =14 15V jakoukoliv hodnotu vstupního naptí v tomto pásmu vyhodnotí pevodník jako 0 vstupní el. naptí jakoukoliv hodnotu vstupního naptí v tomto pásmu vyhodnotí pevodník jako =3 0010=2 0001=1 0000=0 as KVANTOVÁNÍM DOCHÁZÍ KE ZTRÁT INFORMACE v tomto píklad nejsme schopni rozlišit úrove menší než 1V tj. všechny zmny analogového signálu menší než 1V jsou AD pevodem ztraceny

7 ANALOGOVÍSLICOVÝ PEVODNÍK - KVANTOVÁNÍ íslo n 1 2 n celkem 2 n úrovní u MAX vstupní naptí u max. chyba pevodu u MAX = n kvantovací chyba (relativní chyba) K = 1 rozlišitelnost r u = 2 n u MAX 1 u MAX u MAX 1 1 = 2 2 n u MAX

8 ANALOGOVÍSLICOVÝ PEVODNÍK - VZORKOVÁNÍ Vzorkování je transformace signálu spojitého v ase na posloupnost vzork jakákoliv zmna hodnoty vstupního naptí mezi vzorky nebude pi A/D pevodu zaznamenána t 1 t 2 t n as vzorkování probíhá v asových okamžicích t n = T*n, kde T je perioda vzorkování n = 1, 2, 3, 4,. 1 pevrácená hodnota periody vzorkování je vzorkovací frekvence f VZORK = [Hz, s] T VZORKOVÁNÍM DOCHÁZÍ KE ZTRÁT INFORMACE jakákoliv zmna analogového signálu mezi dvma vzorky je AD pevodem ztracena

9 ANALOGOVÍSLICOVÝ PEVODNÍK - VZORKOVÁNÍ volba vorkovací frekvence maximální hodnota daná možnostmi (konstrukcí) pevodníku minimální hodnotu uruje Shanonnv teorém nebo pípustná velikost dynamické chyby zvolená frekvence by mla být mezi maximální a minimální hodnotou - kompromis mezi množstvím dat a ztrátou informace Shanonnv 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 dje lze vzork. frekvenci odvodit z max. rychlosti zmny signálu

10 ANALOGOVÍSLICOVÝ PEVODNÍK - VZORKOVÁNÍ Nedodržením shanonnova teorému pi vzorkování vznikne ALIASING jev reálný signál místa vzorkování signálu zmený výsledek kivka proložená zaznamenanými vzorky nemá s realitou žádnou souvislost je bezpodmínen nutné dodržet f VZORK > 2* f MAX

11 ANALOGOVÍSLICOVÝ PEVODNÍK - VZORKOVÁNÍ Anti Aliasing filtr analogov anti íslicový aliasing pevodník filtr A/D 1 0 Dolní propust propustí zadrží f = 0,5 f vzork f moderní A/D pevodníky mají na vstupu antialiasing filtr je to dolní propust, jejíž frekvence zlomu se automaticky nastaví na polovinu zvolené vzorkovací frekvence nepropustí do A/D pevodníku frekvence, které neodpovídají Shanonnovu teorému pokud se taková frekvence ve vstupním signálu vyskytne je zadržena a pevodník nemí nic je lepší nemit nic, než nesmysl

12 ANALOGOVÍSLICOVÝ PEVODNÍK - VZORKOVÁNÍ urení minimální vzorkovací frekvence podle dynamické chyby lze použít pro periodické i neperiodické signály perioda vzorkování 2 hodnota signálu se mní zde došlo k pekroení kvant. úrovn 1 0 výstup pevodníku zstavá mezi vzorky konstantní, výstupní hodnota se zmní až pi dalším vzorku po tuto dobu narstá odchylka mezi realitou a údajem pevodníku (signál je už v úrovni 1, ale pevodník o tom neví a stále dává hodnotu 0, protože k novému zmení vstupní hodnoty dojde až v ase daném periodou vzorkování) as dynamická chyba = odchylka reality od údaje pevodníku

13 ANALOGOVÍSLICOVÝ PEVODNÍK - VZORKOVÁNÍ urení minimální vzorkovací frekvence podle dynamické chyby nemá-li dynamická chyba být vtší než relativní (kvantovací) chyba, musí být perioda vzorkování menší než doba, za kterou se vstupní naptí zmní o hodnotu kvantovací chyby 1 1 u MAX 2 2 n T du ( dt ) MAX tj. musíme vzorkovat tak rychle, aby se signál pi své nejrychlejší zmn nestihl zmnit o vtší hodnotu, než polovinu kvantovací úrovn píklad: 12ti bitový pevodník, vstupní rozsah 10V signál se mní max. rychlostí 5V/s = 4096 úrovní na 10V rozsahu kvantovací úrove = 10/4096 = 0,0025V a kvantovací chyba je polovina, tedy 0,00125V pi max. rychlosti zmny 5V/s se signál o hodnotu 0,00125V zmní za 0,25 ms vzorkovat musíme každých 0,25 ms, tj. vzork frekvence je 4 khz

14 ANALOGOVÍSLICOVÝ PEVODNÍK - VZORKOVÁNÍ urení minimální vzorkovací frekvence podle požadované chyby nepotebujeme li mit tak pesn, lze do výpotu použít libovolnou hodnotu chyby nap. je-li relativní chyba pedchozí analogovéásti vtší než kvantovací chyba, mžeme vyjít z ní stejný píklad: 12ti bitový pevodník, vstupní rozsah 10V signál se mní max. rychlostí 5V/s ale navíc pedchozí analogováást pracuje s relativní chybou 1% A/D pevodník nemusí pracoval zbyten pesn, tj. nevadí, když dynamická chyba bude vtší než kvantovací, staí, když se píliš nezhorší celková chyba (chyby seriových komponent se sítají) - analogováást má rel. chybu 1% z 10V, tedy 0,1V, takže pokud následný pevodník bude pracovat s dynamickou chybou nap. 0,1% (0,01V), zhorší se výsledek jen na 1,1% proto pi max. rychlosti zmny 5V/s se signál o hodnotu 0,01V zmní za 2 ms tedy aby dynamická chyba nepekroila 0,1%, staí vzorkovat každé 2 ms, tj. vzork. frekvence je 500 Hz

15 ANALOGOVÍSLICOVÝ PEVODNÍK S VÍCE VSTUPY každý vstup vlastní A/D pevodník vstupy se postupn pepínají na jeden A/D pevodník výhoda: vzorek všech vstup ve stejném ase nevýhoda: vysoká cena výhoda: nízká cena nevýhoda: vstupy nejsou navzorkovány ve stejném ase

16 ANALOGOVÍSLICOVÝ PEVODNÍK S VÍCE VSTUPY Pevodník s multiplexovanými vstupy údaj na pevodníku nap. 200 ks/s ~ samples (vzork)/sekundu na všech kanálech T vzorkovací perioda (nap. 1 ms) Nap. 1/ = 5s as tj. 1 kanál 200 ks/s 2 kanály každý 100kS/s 10 kanál každý 20kS/s Zmená data: as[ms] kanál 1 kanál 2 kanál ,2 28,3 14,3 1 14,8 15,2 18,5 2 16,1 6,8 21,3!!! Ztráta informace o as. posunu mezi kanály kanál 1 je men v uvedených asech kanál 2 je ve skutenosti zmen v asech 0,005 1,005 2,005 kanál 3 je ve skutenosti zmen v asech 0,01 1,01 2,01

17 ANALOGOVÍSLICOVÝ PEVODNÍK S VÍCE VSTUPY Pevodník s multiplexovanými vstupy Extrémní píklad: pevodník 200 ks/s míme 2 kanály rychlostí 100 ks/s 1/ = 5s as as[s] kanál 1 kanál ,2 28, ,8 15, ,1 6,8 T vzorkovací perioda je 10 s kanál 1 je zmen v uvedených asech kanál 2 je ve skutenosti zmen v asech tj. o 50% v ase jinde, než je interpretováno v obdržených datech!!!!! POZOR NA LEVNÉ PEVODNÍKY S MULTIPLEXOVANÝMI VSTUPY PROVOZOVANÉ NA HRANINÍCH RYCHLOSTECH

18 PÍKLADY PROVEDENÍ A/D PEVODNÍK Experimentální metody pednáška 6 karty do PC s A/D pevodníky do USB jednoduchá instalace, max. rychlost daná datovým tokem pes USB vestavné v PC (sbrnice PCI, užívají DMA), vyšší rychlosti pi více kanálech multiplexované i synchronní provedení vícevstupové (nejastji 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 pivádíme naptí jen jedné polarity, ztrácíme polovinu rozsahu (tj.vlastn 1bit z celkového potu bit) pokud použijeme diferenciální zapojení vstup, snižuje se jejich poet na polovinu

19 PÍKLADY PROVEDENÍ A/D PEVODNÍK Experimentální metody pednáška 6 píklad zapojení použití karty do PC s multiplexovanými vstupy 2/4 vstupy, rozsahy ±10V ±5V ±2V ±1V AI 0 GND AI 2 AI 1 GND AI 3 SENSE + zesilova 1,2,5,10x - + zesilova 1,2,5,10x - + zesilova 1,2,5,10x - + zesilova 1,2,5,10x - A/D režim RSE (referenced single ended) 4 samostatné vstupy vstupy oproti referennímu vstupu SENSE režim NRSE (nonreferenced single ended) 4 samostatné vstupy vstupy oproti zemi GND režim DIFFERENTIAL 2 diferenciální vstupy (v tomto režimu pepína ped A/D spíná jen zelené zesilovae)

20 PÍKLADY PROVEDENÍ A/D PEVODNÍK karty do PC s A/D pevodníky Experimentální metody pednáška 6 4/8 vstup, multiplex 12ti bitový A/D 10kS/s 4 100,- K 8 vstup, multiplex 16ti bitový A/D 1,2MS/s ,- K 8/16 vstup, multiplex 16ti bitový A/D 250kS/s ,- K 4 vstupy, synchronní 16ti bitový A/D 1,2MS/s ,- K

21 PÍKLADY PROVEDENÍ A/D PEVODNÍK Experimentální metody pednáška 6 jedno i výcevstupové prmyslové A/D pevodníky urený pro montáž do rozvad (DIN lišta) vtšinou pro jeden konkrétní typ snímae vtšinou obsahuje i vstupní analogovou ást (zesilova, filtr)

22 6.2. ZOBRAZOVACÍ A ZÁZNAMOVÉ ZAÍZENÍ Experimentální metody pednáška 6 Napájecí zdroj Sníma pevod na el. naptí - úprava velikosti - filtr analogov íslicový pevodník A/D zobrazení záznam

23 ZOBRAZOVACÍ A ZÁZNAMOVÉ ZAÍZENÍ Experimentální metody pednáška 6 poet cifer (desetinných míst) displaye by ml odpovídat pesnosti pedchozího etzce píklad: mení síly v rozsahu 1kN, pesnost etzce (relativní chyba) je 1% relativní chyba je tedy 10N, rozlišitelnost cca 20N v kn staí 3 místa v N 4 místa a poslední je trvale 0 0,56 kn 0560 N

24 ZOBRAZOVACÍ A ZÁZNAMOVÉ ZAÍZENÍ mnoho rzných možností: Experimentální metody pednáška 6 PC se softwarem pro zobrazování a záznam dat ke zobrazení a záznamu dat využívá prostedky PC innost je ízena speciálním softwarem je vázán na konkrétní typ HW (karty s A/D pevodníkem) jednoúelový nebo univerzální (uživatelsky modifikovatelné prostedí) micí ústedny na bázi PC kompaktní zaízení (PC s micí kartou, vstupní zesilovae v jedné skíni) vetn softwaru pro mení a záznam velmi asto komplexní nastavení všech parametr (i analogovéásti) pomocí softwaru automatická identifikace sníma (TEDS) další pokroilé funkce (záznam dat a obrazu )

25 ZOBRAZOVACÍ A ZÁZNAMOVÉ ZAÍZENÍ Funkce TEDS Experimentální metody pednáška 6 Transducer Electronic Data Sheet elektronický katalogový list snímae sníma obsahuje ip, na kterém jsou uloženy veškeré údaje o snímai rozsah, citlivost, napájení, údaje o kalibraci, normalizovaný formát záznamu a komunikace (IEEE 1451) použití systémem PLUG and PLAY záznamové zaízení vybavené systémem TEDS pete údaje ze snímae a automaticky nastaví všechny parametry

26 ZOBRAZOVACÍ A ZÁZNAMOVÉ ZAÍZENÍ Experimentální metody pednáška 6 micí ústedny na bázi jednoipových procesor lehce penosné kompaktní zaízení pro mení a záznam dat vtšinou vetn analogovéásti asto omezená možnost typ pipojitelných sníma (jednoúelové zaízení) vetn softwaru pro mení a záznam velmi asto komplexní nastavení všech parametr (i analogovéásti) pomocí softwaru asto bateriové napájení asto pipojitelné k PC pro dlouhodobou archivaci a zpracování dat

27 ZOBRAZOVACÍ A ZÁZNAMOVÉ ZAÍZENÍ Experimentální metody pednáška 6 prmyslové systémy jednoúelové systémy funkce daná výrobcem nebo uživatelsky modifikovatelná (pipojením k PC) display bez záznamu nebo s omezenou kapacitou záznamu (nap. 100 údaj) lze i velkokapacitní záznam dat (bez mechanických prvk, FLASH pamti) lze propojovat s nadazenými systémy (PC, PLC, )