Elektrotechnika i elektronika (konspekt)

Transkrypt

1 Elektrotechnika i elektronika (konspekt) Franciszek Gołek (golek@ifd.uni.wroc.pl) Wykład 14 i 15 Pomiary

2 Pomiary i testy We wszelakich laboratoriach pomiary i testy są podstawowymi czynnościami, które często mają charakter badań naukowych. Pomiary i testy mają też fundamentalne znaczenie we wszelkich procesach technologicznych zapewniają kontrolę rozmaitych procesów. Zarówno pomiar jak i test wymaga odpowiedniej aparatury pomiarowej i polega na wizualizacji i zapisie określonych wielkości fizycznych. Pomiar jest procesem dostarczającym określonej informacji i jak każdy proces wymaga energii. Pomiarowi mogą podlegać wszelkie zjawiska fizyczne i stany układów fizycznych.

3 Elektronika w metrologii, podobnie jak w wielu innych dziedzinach, dokonuje rewolucyjnego rozwoju pod wieloma względami. Poprawiane są: precyzja, szybkość, automatyzacja i wiele innych aspektów pomiaru. Obecnie niemal wszelkie nieelektryczne wielkości fizyczne są mierzone (bądź monitorowane) poprzez ich konwersję na takie wielkości elektryczne jak: napięcie, natężenie prądu, częstotliwość/okres przebiegu napięcia/natężenia prądu. Konwersji dokonuje się przy pomocy tzw. sensorów (czujników pomiarowych - przetworników) i odpowiednich układów elektronicznych. Sensory pozwalają wykryć i zarejestrować zmiany danej wielkości fizycznej. Sygnał sensora jest, przez odpowiedni układ elektroniczny, zamieniany na sygnał elektryczny (zwykle napięcie) nadający się do zapisu, wizualizacji lub innego wykorzystania np. do automatycznej regulacji jakiegoś procesu.

4 Przykłady sensorów Udoskonalanie i poszukiwanie nowych sensorów stało się odrębną dziedziną naukowo-techniczną zwaną sensoryką. Sensoryka oferuje długą i ciągle rosnącą listę sensorów pozwalających zamieniać poszczególne wielkości fizyczne na sygnały elektryczne. Pomiar temperatury: Termoelement (termopara), bolometr (układ o minimalnej pojemności cieplnej wykonany z nadprzewodnika lub półprzewodnika zmieniający oporność przy zmianie temperatury pod wpływem znikomych ilości ciepła lub promieniowania), termometr oporowy, termistor, bimetale, diody, tranzystory, rezonator kwarcowy, pirometr. Pomiar oświetlenia: Fotodioda, fototranzystor, fotorezystor, fotopowielacz, Pomiary wibracji akustycznych i mechanicznych: Mikrofony (dynamiczne, pojemnościowe, piezoelektryczne), czujniki sejsmometryczne. Pomiar siły: Tensometr, dynamometr, mikrodźwignia z układem optycznym.

5 Pomiar natężenia pola magnetycznego: Cewka indukcyjna, halotron, półprzewodnikowy Gaussotron, kompas. Pomiar ciśnienie: Tensometr na membranie, mikrofon pojemnościowy, głowice ciśnieniowe i próżniowe, barometry. Pomiar przesunięcia: Potencjometr, Indukcyjny czujnik przesunięcia, optyczny czujnik przesunięcia na kodzie kreskowym, laserowy czujnik przesunięcia, piezoelektryczny czujnik przesunięcia. Pomiar stężenia gazu lub toksyn: Rezystor ceramiczny, tranzystor MOSFET, rezonator kwarcowy z warstwą selektywnie sorbującą gaz, komórki elektrochemiczne, układy MOS, przewodzące polimery i chemorezystory, detektory promieniowania i cząstek w spektrometrach. Pomiar wilgotności: Kondensator z dielektrykiem pochłaniającym wodę, układy cienkowarstwowe i rezystory pochłaniające wodę, rezonatory kwarcowe z układem chłodzącym Peltiera. Pomiar promieniowania jonizującego: Licznik Geigera, scyntylatory, komory pęcherzykowe, dozymetry stałociałowe, fotopowielacze, powielacze elektronowe. Prędkość przepływu: Anemometr, Nadajnik/odbiornik ultradźwiękowy, turbinka, czujnik z gorącym drutem, czujnik membranowy. I wiele innych. MEMS (microelectromechanical systems) Są to miniaturowe elektromechaniczne urządzenia wykonywane technologią układów scalonych. Działają jako sensory ciśnienia, przyspieszenia lub innej wielkości fizycznej będąc jednocześnie częścią układu scalonego (sensor na chipe).

6 Pomiar częstotliwości rezonatora kwarcowego spełniającego rolę sensora. W 1959 roku G. Sauerbrey wyprowadził wyrażenie pozwalające korelować zmiany częstotliwości oscylacji kryształu piezoelektryka z masą substancji na nim osadzonej. Zaproponował też metodę pomiaru charakterystycznej częstotliwości i jej zmian polegającą na użyciu kryształu jako elementu generatora, decydującego o jego częstotliwości oscylacji. Przy założeniu, że osadzona masa dodaje się na sztywno do masy rezonującego piezoelektryka (w ilości do 5% masy) Sauerbrey zaproponował równość: gdzie: m zmiana masy, f 0 częstotliwość rezonansowa, f zmiana częstotliwości, A powierzchnia elektrod (cm 2 ), ρ q gęstość kwarcu (2,648 g/cm 3 ), µ q moduł sprężystości poprzecznej kwarcu (dla cięcia AT µ q = 2, g/s 2 cm)

7 Przykładowy układ pomiaru częstotliwości rezonatora kwarcowego spełniającego rolę sensora. W poniższym układzie rezonator Q1 jako sensor może zmieniać częstotliwość oscylacji generatora G1. Zmiana częstotliwości może być wymuszana zmianami np.: a) temperatury Q1, b) zmianami rodzaju ośrodka w którym znajduje się Q1 (ciecz, gaz), c) grubością i strukturą adsorbatu lub osadu na powierzchni Q1. sygnały napięciowe o częstotliwościach f1 i f2 są zdudniane na nieliniowej charakterystyce diody D. Frakcja zdudniania o niskiej częstotliwości f = If1 - f2i jest przekazywana filtrem dolno przepustowym do wzmacniacza na tranzystorze T3. Mierząc zmiany częstotliwość f sygnału wyjściowego o częstotliwościach około 10kHz naprawdę mierzymy zmiany częstotliwości sygnału generatora G1 o częstotliwościach około 10MHz. Tak uzyskujemy zwiększenie względnej dokładności pomiaru zmian f generatora G1 (przy założeniu, że częstotliwość G2 jest stabilna). Sygnał o częstotliwości rzędu 10 khz łatwiej jest rejestrować mikrokontrolerem czy komputerem niż sygnał o częstotliwości rzędu 10 MHz. Wadą tego układu jest wygasanie sygnału generatora G1 przy większym obciążeniu sensora Q1.

8 Generatory wykorzystujące przerzutniki jako wzmacniacze są bardziej stabilne, mają duży zapas wzmocnienia i są mniej wrażliwe na obciążenia sensorów kwarcowych. Godnymi polecenia są tu ultraszybkie przerzutniki LT1016 i poniższy przykładowy układ mikrowagi.

9 Kalibracja sensora.

10 W praktyce pomiar jest czynnością (lub zbiorem czynności), która pozwala stwierdzić, że mierzona wielkość ma (lub miała w określonych warunkach i czasie) wartość liczbową X wybranych jednostek z dokładnością do ± b jednostek. Pomiary dzielimy na dwie grupy: a) Pomiary wielkości elektrycznych (napięcia, natężenia prądu, rezystancji itp.) b) Pomiary wielkości nieelektrycznych zwykle wymagają przetworników (sensorów), które zamieniają wielkości nieelektryczne na elektryczne.

11 Schemat blokowy typowego zastosowania mierników.

12 Konwersja analogowo-cyfrowa Układy A/D (ADC, A/C) zamieniają sygnał analogowy na sygnał cyfrowy. Najważniejsze parametry: 1) Szybkość przetwarzania - może być określona przez: a) czas przetwarzania - określający czas konieczny do jednego całkowitego przetworzenia wartości analogowej na wartość cyfrową, b) częstotliwość przetwarzania - która jest maksymalną częstotliwością z jaką mogą następować kolejne przetworzenia sygnału wejściowego z zachowaniem określonej rozdzielczości i dokładności w całym zakresie przetwarzania, c) szybkość próbkowania - określona przez liczbę próbek, które mogą być przetworzone w jednostce czasu. Ważnym jest aby częstotliwość próbkowania f P 2f max. 2) Rozdzielczość przetwornika - definiowana jest jako liczba bitów słowa wyjściowego, określa zdolność do rozróżniania sygnałów analogowych doprowadzonych do wejścia przetwornika. W przetworniku 8 bitowym możliwe jest 2 8 = 256 różnych wartości. Jeżeli zakres przetwarzanego napięcia wynosi 10V, to wartość najmniej znaczącego bitu (LSB) odpowiada sygnałowi 10V/256 = 39 mv. Znaczy to, że przetwornik może rozróżnić sygnały różniące się od siebie o 39mV. Przetworniki 24 bitowe (2 24 = ) rozróżnia zmiany mniejsze od 1µV. Przy doborze (zakupie) układu A/D pod uwagę bierzemy: a) szybkość, b) precyzję, c) impedancję wejściową, d) zakres wartości przetwarzanych napięć wejściowych. Uwaga. W przetwornikach A/C najczęściej stosowane są kody: BINARNY Z PRZESUNIĘCIEM lub U2.

13 Przykład przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC): (Konwersja z koderem priorytetu) Komputerowa karta pomiarowa oprócz przetwornika ADC zawierają również przetwornik cyfrowo-analogowy (D/A, DAC). Pozwalają one zamieniać liczbę binarną na proporcjonalne do niej napięcie. Poprzez przetworniki możemy komputerowo sterować zasilaczami uzyskując pożądany przebieg napięcia lub prądu. Ważne parametry to: częstotliwość konwersji, liczba bitów (czyli precyzja) i zakres napięć.

14 Przetworniki A/D i D/A (ADC, DAC - analog-to-digital, dygital-to-analog converters). Dla szerokiego wykorzystania komputerów między innymi konieczne jest odpowiednie interfejsowanie umożliwiające wymianę sygnałów (informacji) między komputerem a urządzeniami zewnętrznymi. Zależnie od rodzaju sygnału może być przydatny cyfrowy lub analogowy obwód interfejsowy. Jednak bardzo często zachodzi konieczność konwersji sygnałów analogowych na równoważną im reprezentację cyfrową (A/D), którą łatwo zapisać, zapamiętać i przetwarzać w systemach cyfrowych. W wielu przypadkach zachodzi konieczność konwersji odwrotnej z postaci cyfrowej na analogową (D/A). W rozmaitych procesach pomiarowo kontrolnych czy technologicznych nieodzowne sa konwersje A/D i D/A.

15 Chociaż do konwersji A/D i D/A są dostępne odpowiednie wyspecjalizowane układy to warto poznać elementarne zasady takich konwersji. Specyfikacja przetworników DAC udostępniana przez producentów zawiera: rozdzielczość (czyli minimalna niezerowa wartość napięcia), dokładność, zakres, czas ustalania wyjściowej wartości napięcia, parametry zasilania i pobierana moc. Przykład. Wyliczyć wielkość minimalnego kroku du (rozdzielczość), 8-bitowego przetwornika DAC na zakres U max =10 V. Rozw. du = (U max U min )/(2 8 1) = 10/255 = 39,2 mv. Komentarz. Rozdzielczość zależy od ilości bitów i od wielkości zakresu napięć!

16 Często stosowaną wersją ADC jest układ o podwójnym całkowaniu (schemat na następnej stronie). Napięcie mierzone jest podawane na układ całkujący, w którym przez ściśle określony czas (ściśle określona liczba cykli zegara) ładowana jest wzorcowo stała pojemność. Po tym ustalonym czasie napięcie referencyjne (precyzyjnie ustalone) o przeciwnym znaku jest przykładane do układu całkującego i teraz rozładowywana jest wzorcowa pojemność. Czas rozładowania t 2 t 1 (ilość cykli precyzyjnego zegara), po którym wyjście układu całkującego wraca do zera (Voltów) jest precyzyjnie mierzony. Ładunek na pojemności zgromadzony w czasie t 1 jest proporcjonalny do mierzonego napięcia U x i czasu t 1. Ładunek ten jest oczywiście dokładnie w całości tracony w czasie rozładowania czyli powrotu do 0 V..

17

18 Idea przetwornika A/D typu licznik.

19 Idea przetwornika A/D typu sukcesywnej aproksymacji. Jest szybki bo niewiele cyki zegara prowadzi do zakończenia konwersji.

20 Przetworniki sigma-delta (delta-sigma) to tanie przetworniki ADC o dużej rozdzielczości wykonywany w technologii CMOS (stosowany np. w systemacha super audio ).

21 Przykłady prostych pomiarów wielkości elektrycznych Techniczny pomiar rezystancji polega na jednoczesnym zmierzeniu napięcia na zaciskach rezystora i natężenia prądu w rezystorze a następnie obliczeniu rezystancji z prawa Ohma. Dwa możliwe warianty podłączenia mierników (woltomierza i amperomierza) pokazują rysunki a i b. W przypadku a pomiar napięcia na Rx jest obarczony dodatkowym błędem wynikającym z ze spadku napięcia na amperomierzu A. A w przypadku b pomiar natężenia prądu w Rx jest obarczony dodatkowym błędem wynikającym z prądu płynącego przez woltomierz V. Dysponując amperomierzem i woltomierzem o wewnętrznych rezystancjach przykładowo R A 1Ω i R V 10 6 Ω z łatwością dostrzegamy, że do pomiaru wartości Rx większych od 1000 Ω dokładniejszy jest wariant z rys. a natomiast do pomiaru Rx o wartościach mniejszych od 1000 Ω lepszy będzie wariant b.

22 Pomiar małych oporności Przy pomiarze małych rezystancji bardo ważne staje się wyeliminowanie oporności styków i doprowadzeń. Można to uczynić w układzie z czterema zaciskami (dwoma prądowymi i dwoma napięciowymi) wówczas woltomierz nie łapie niepożądanych spadków napięć na stykach i doprowadzeniach prądu. Dla wyeliminowania sił termoelektrycznych należy w pomiarze zastosować prąd przemienny i wykorzystać wzmacniacz fazo-czuły. (ang. Lock-in amplifier).

23 Cztero-kontaktowa metoda pomiaru rezystancji (właściwej) materiałów półprzewodnikowych Schemat do pomiaru tą metodą pokazany jest na rysunku. Woltomierz V mierzy skok potencjału między dwoma wewnętrznymi z czterech punktów kontaktowych rozmieszczonych w odstępach s na powierzchni materiału badanego. Prąd elektryczny w materiale wymuszany jest obwodem zawierającym dwa zewnętrzne kontakty punktowe. Gdy grubość t materiału jest dużo większa od odstępów elektrod s : t >> s to ρ 2πs(V/I). Gdy grubość t materiału jest dużo mniejsza od odstępów elektrod s : t << s to ρ (πt/ln2)(v/i).

24 Oscyloskopy. Oscyloskopy to najbardziej rozpowszechnione przyrządy przeznaczone do obrazowania sygnałów elektrycznych. Wyróżnia się oscyloskopy analogowe oraz cyfrowe (są też oscyloskopy analogowo-cyfrowe i analizatory sygnałowe). Oscyloskopy służą do obserwacji i rejestracji sygnałów elektrycznych, nawet kilku jednocześnie. Oscyloskop wykorzystywany jest też do badania przebiegów rozmaitych wielkości fizycznych (po ich zamianie na sygnał elektryczny). Oscyloskopy są często stosowane do uruchomiania i diagnozowania nawet bardzo skomplikowanych układów elektrycznych i elektronicznych. W oscyloskopie wyróżniamy cztery podstawowe systemy: system wyświetlania, odchylania w pionie, podstawa czasu i system synchronizacji. Zakończeniem systemu wyświetlania jest ekran lub lampa oscyloskopowa, na której ekranie wyświetlany jest obraz badanych wielkości fizycznych. Schemat blokowy prostego (jednokanałowego) oscyloskopu analogowego wraz ze szkicem lampy oscyloskopowej zamieszczono na rysunku poniżej (następna strona). Dla uzyskania świecenia luminoforu w lampie oscyloskopowej konieczne jest wytworzenie wiązki elektronowej, w której energie kinetyczne elektronów wynoszą kilka do 20 kev. Oznacza to, że w oscyloskopach starszego typu (z lampą oscyloskopową) wytwarzane są napięcia do około 20 kv! Najważniejsze parametry: Rozmiary ekranu, Pasmo częstotliwości, Liczba kanałów, Czas narastania, Rozdzielczość, Czułość, Maksymalne napięcie wejściowe. W oscyloskopach cyfrowych głębokość pamięci i szybkość próbkowania,

25 Analogowy oscyloskop 2-kanałowy. Badany sygnał jest po wzmocnieniu kierowany bezpośrednio do odchylania wiązki elektronowej przemieszczającej się po luminoforze ekranu co powoduje kreślenie świecącej linii obrazującej przebieg sygnału. Mamy tu bezpośrednie obrazowanie sygnału. Cyfrowy oscyloskop 2-kanałowy. Oscyloskop cyfrowy próbkuje sygnał elektryczny, dokonuje konwersji wartości analogowych na cyfrowe przy pomocy przetwornika analogowo-cyfrowego ADC, a następnie zapamiętane cyfrowe wartości wykorzystuje do obrazowania zbadanego sygnału. W oscyloskopach cyfrowych stosowane są ekrany płaskie np. ciekłokrystalicznym LCD.

26 Idea wyświetlania napić doprowadzonych do płytek odchylających lampy oscyloskopowej (Y w pionie i X w poziomie).

27 Uproszczony schemat oscyloskopu

28 Badany sygnał poprzez tłumik o regulowanym tłumieniu dociera do wzmacniacza odchylania pionowego Y, na wyjściu którego uzyskuje się wzmocniony (i ewentualnie uzupełniony o kompensacje składowej stałej) przebieg napięcia sterujący odchyleniem wiązki elektronowej poprzez płytki Y. Dla dokonania pomiaru wielkości napięcia należy pamiętać, że opis przełącznika skokowego (np. 1V/działkę, 10mV/działkę czyli 1V/cm, 10mV/cm itd.) jest aktualny tylko przy skręceniu regulacji ciągłej w pozycję kalibr tj. pozycję kalibracji. Na powierzchni ekranu oscyloskopu znajduje się podziałka w postaci kratek i kresek. Tu jedna działka = 1 cm a nie 2 mm! Opisy przełączników przy gniazdach wejściowych: AC oznacza, że wejście przyjmuje tylko sygnał zmienny (sprzężenie pojemnościowe), DC oznacza, że wejście przyjmuje również składową stałą, GND oznacza, że sygnał jest odłączony a wejście jest zwarte do masy. Aby obraz na ekranie lampy był stabilny tj. aby wiązka elektronowa periodycznie powtarzała ten sam rysunek konieczna jest synchronizacji odchylania poziomego (podstawy czasu) z badanym sygnałem.

29 Zatem część sygnału badanego kierowana jest do układu wyzwalania, który steruje generatorem podstawy czasu i modulacją jaskrawości (tj. intensywności wiązki elektronowej docierającej do luminoforu). Pokrętłem poziom (ang. level lub trigger level) wybieramy wartość napięcia sygnału, przy którym następuje wyzwalanie tj. rozpoczynanie piło-zębnych impulsów dla płytek odchylania poziomego i impulsów prostokątnych podawanych na cylinder Wehnelta (elektroda z otworem otaczająca katodę) dla wypuszczania wiązki elektronowej. W przypadku oscyloskopu wielokanałowego należy odpowiednim przełącznikiem wybrać kanał, z którego pobierany jest sygnał synchronizujący (należy wybrać sygnał najmocniejszy). W przypadku gdy mają być oglądane sygnały bardzo słabe na wszystkich kanałach dobrą synchronizację uzyskamy gdy odpowiedni sygnał podamy na wejście wyzwalania zewnętrznego. Wejście wyzwalania zewnętrznego jest przydatne w badaniach układów cyfrowych i przy obserwacji nieperiodycznych sygnałów.

30 Podstawa czasu może być wyzwalana narastającym zboczem (znak +) lub opadającym zboczem sygnału (znak - ). W śród rodzajów wyzwalania można wymienić: a) normalne, b) automatyczne, c) sygnałem telewizyjnym, d) jednorazowe. Szybkość ruchu plamki w kierunku osi X można zmieniać w szerokim zakresie. Należy pamiętać, że opis przełącznika skokowego (np. 1s/cm czy 10ns/cm itd.) jest obowiązujący tylko przy ustawieniu pokrętła regulacji ciągłej w pozycję kalibr. W oscyloskopach wielokanałowych (zwykle dwu-kanałowych lub czterokanałowych) zastosowane są przełączniki elektroniczne przełączające sygnały z kilu wzmacniaczy wejściowych na jeden wspólny tor sterujący lampą oscyloskopową. Przełączniki te mogą mieć dwa rodzaje pracy: a) praca przemienna (alternating) przełączenie odbywa się podczas ruchu powrotnego plamki; b) praca siekana (chopped) przełączenie odbywa się wielokrotnie podczas każdego kreślenia plamką od lewego do prawego brzegu ekranu. Dla ochrony przed uszkodzeniami należy unikać podawania napięć większych niż kilkadziesiąt V na wejścia oscyloskopu a kabel sieciowy włączać tylko do gniazda z dobrym (tj. sprawnym) uziemieniem.

31 Brak obrazu badanego przebiegu lub plamki na ekranie oscyloskopu może mieć następujące przyczyny: a) pokrętłem przesuwu X lub Y przesunięto obraz poza obszar ekranu; b) przy stałonapięciowym sprzężeniu podano na wejście Y (lub X) sygnał o zbyt dużej wartości składowej stałej; c) podstawa czasu nie jest wyzwalana; d) pokrętło jaskrawości skręcono do minimum. W nowocześniejszych oscyloskopach cyfrowych instalowane są liczne udogodnienia np. a) na ekranie pojawiają się napisy informujące o aktualnych zakresach podstawy czasu, czułości itp.; b) kursory (zwykle dwie pionowe i dwie poziome linie) ułatwiają wyznaczenie czasu trwania wybranego fragmentu badanego przebiegu, jego częstotliwości, fazy oraz zmiany napięcia; c) stosowane są tzw. ekrany dotykowe, u których wybór funkcji oscyloskopu dokonuje się przez dotyk palcem odpowiednio opisanego miejsca na ekranie.

32 Oscyloskop cyfrowy Dzięki szybkim przetwornikom analogowo-cyfrowym budowane są oscyloskopy cyfrowe o częstotliwościach pobierania próbek ponad 1GHz i paśmie przenoszenia ponad 10 GHz. Działanie takich oscyloskopów polega na pobraniu n (np ) próbek i zapisaniu ich w pamięci. Pracę układu kontroluje układ mikroprocesorowy pozwalający na wielostronną analizę badanych sygnałów. Oscyloskopy cyfrowe budowane są również jako karty komputerowe a także jako kieszonkowe (wielkości kalkulatora z ekranem ciekłokrystalicznym) do celów diagnostycznych w warunkach terenowych. Często oscyloskopy konstruowane są jako oscyloskopy analogowo-cyfrowe. Zamiast lampy oscyloskopowej mogą być stosowane kineskopy monochromatyczne lub kolorowe. W oscyloskopach tych dzięki cyfrowym podstawom czasu (zliczanie impulsów zegara kwarcowego) możliwe są bardzo precyzyjne pomiary relacji czasowych badanych sygnałów. Precyzja pomiaru wielkości napięć zależy od długości słowa przetwornika A/D, które często są 8-bitowe i dające dokładność 1/2 8 tj. 1/256 zakresu.

33 W oscyloskopach cyfrowych oprócz obserwacji sygnału na bieżąco można oglądać sygnał zamrożony w pamięci nieprzetworzony lub przetworzony układem mikroprocesorowym w dowolnie pożądany sposób (wygładzony, uśredniony z wielu sekwencji, w postaci diagramu zawartości harmonicznych, zróżniczkowany itd.). W oscyloskopie cyfrowym zbieranie danych może zachodzić niezależnie od chwili wyzwalania i przebieg może być zapamiętany w dowolnej (regulowanej) relacji czasowej do impulsu wyzwalania. Zwykle tzw. rekord rejestracji (tj. n zamrożonych w pamięci próbek) jest wielokrotnie dłuższy od rekordu obrazowania na ekranie. Pozwala to swobodnie obrazować dowolne fragmenty i szczegóły raz zarejestrowanego przebiegu. Oscyloskopy cyfrowe dysponują wieloma funkcjami, których brak w oscyloskopach analogowych. Np. czuwanie (baby-sitting) oscyloskopu tak długo, jak długo nie pojawi się impuls wyzwalający, który spowoduje zamrożenie w pamięci tylko interesującej części ciągle próbkowanego sygnału z wyprzedzeniem czasowym takim jakie zostało z góry ustalone. Należy zaznaczyć, iż wyprzedzenia czasowe ograniczone jest głębokością pamięci natomiast opóźnienie czasowe może być dowolne.

34 Analizatory sygnałowe są to przyrządy, podobnie jak oscyloskopy cyfrowe, wyposażone w pamięć i realizujące wiele funkcji. Najważniejszymi funkcjami są: 1) Uśrednianie sygnału dla polepszenia stosunku sygnał/szum. 2) Przedstawianie zniekształceń przebiegów sinusoidalnych w postaci diagramu zawartości składowych harmonicznych (FFT). Oglądając kształt samego przebiegu zdeformowanej sinusoidy trudno jest ocenić stopień i przyczyny deformacji. Pokazanie wielkości amplitud poszczególnych harmonicznych rozwiązuje ten problem radykalnie. 3) Analiza pasm (np. pasm bocznych zmodulowanej fali nośnej) 4) Przedstawianie ewolucji sygnałów (w różnej skali czasowej). 5) Synteza złożonych sygnałów. 6) Przedstawianie różnorodnych statystyk.

35 Oscyloskop jako przyrząd diagnostyczny

36 Układ Sawyera-Towera służy do badania zjawiska histerezy dielektrycznej dielektryków. Na wejście X oscyloskopu (odchylanie poziome) podane jest napięcie na próbce, z dobrym przybliżeniem bo C >> Cp. Napięcie to jest proporcjonalne do wektora E (natężenia pola elektrycznego) w próbce. Na wejście Y podane jest napięcie na pojemności C. To napięcie jest proporcjonalna do ładunku Q na okładkach kondensatora Cp (z badanym dielektrykiem), a zatem i do wielkości wektora polaryzacji próbki P (P = Q/A). Zamieniając kondensator C opornikiem można badać tzw. pętle prądowe próbek ferroelektrycznych I = I(E).

37 Dla poprawienia stosunku Sygnał/Szum można uczynić badany sygnał periodycznym. Np. periodycznie pobudzamy próbkę otrzymujemy periodyczną odpowiedź próbki. Sygnał pobudzający próbkę musi jednocześnie synchronizować podstawę czasu oscyloskopu cyfrowego. Odpowiedzi są sumowane przez oscyloskop (wszystkie odpowiedzi w tej samej relacji czasowej do impulsu pobudzającego). Przy sumowaniu szumy nie mają szans się kumulować tak jak sygnał synchroniczny.

38 Uwagi o pomiarach i zakłóceniach Zwykle wiedza o naturze źródła sygnału oraz o konfiguracji odpowiedniego układu pomiarowego jest konieczna do osiągnięcia wolnego od zakłóceń pomiaru. Schemat blokowy typowego układu pomiarowego W zasadzie w każdym z przedstawionych na schemacie bloków może pojawić się zakłócenie (tj. niepożądany sygnał zewnętrzny) oraz szumy (generowane przez elementy układu pomiarowego). W laboratoriach najczęściej jednak usiłuje się zredukować zakłócenia poprzez optymalizacje połączeń przenoszących mierzony sygnał (ekranowania, izolacje, stosowanie wejść różnicowych i eliminowanie składowej wspólnej, równoważenie, uziemienie, oddzielanie galwaniczne, detekcja selektywna i fazo-czuła, filtracja itp.).

39 Najczęściej występującymi szumami są szumy cieplne, szumy śrutowe oraz szumy typu 1/f. Szumy cieplne (szumy Johnsona), biorą się z drgań i ruchów cieplnych nośników ładunku. Szumy te opisuje wzór Nyquista: U = (4kTR f) Gdzie: k stała Boltzmanna (1, Ws/K), T temperatura, R rezystancja, f pasmo częstotliwości. Szum śrutowy powstaje przy przepływie prądu zwłaszcza przy przepływie przez złącza półprzewodnikowe. Opisywany jest przez wzór Schottky ego: I s = (2qI f) Gdzie: q ładunek nośnika (tu 1, C), I natężenie prądu, f - pasmo. Szumy 1/f dominują w zakresie niskich częstotliwości. Na tego typu szumy składają się przypadkowe zmiany gęstości ładunku, tzw. pełzanie zera (biorące się z rozmaitych przyczyn: upływności, niestabilne styki, zjawiska elektrochemiczne itp.). Szum ten opisywany jest przez tzw. widmową gęstość mocy S: S = (U/ f) 2 Obniżenie szumów można uzyskać przez dobór odpowiednich (zwykle droższych) elementów niskoszumowych, obniżanie mocy, obniżanie temperatury. Zwykle ważniejszym w eksperymencie jest uzyskanie lepszego stosunku: sygnał/szum. Oczywiście poprawę tego stosunku uzyskuje się również poprzez poprawianie wielkości sygnału użytkowego.

40 Przy pomiarach małych sygnałów nawet komputer czy monitor komputerowy są intensywnym źródłem sygnałów zakłócających. Przed przystąpieniem do eliminowania zakłóceń należy, w miarę możliwości, ustalić i zlokalizować ich źródła (poprzez zwieranie wejść, przemieszczanie elementów itp.). Jednym z najpowszechniejszych źródeł zakłóceń jest szybkie przełączanie dużych prądów (źle sterowane piece - włączenia i wyłączenia grzałek). Inną przyczyną powstawania zakłóceń może być przemieszczanie się przewodu powodujące zmianę strumienia indukcji magnetycznej przenikającego przez dany obwód, co zgodnie z prawem Faradaya prowadzi do powstawania zakłócającej siły elektromotorycznej. Dodatkowe zakłócenia wnosi tutaj efekt tryboelektryczny, polegający na indukowaniu w danym układzie napięcia (dochodzącego do kilkuset miliwoltów) wywołanego przez odkształcanie dielektryka. Pojemnościowe sprzęganie zakłóceń. Walka z tym typem przenikania niepożądanych sygnałów polega na zmniejszaniu pojemności C miedzy źródłem zakłóceń a odbiornikiem. Dobrym środkiem przeciwdziałającym pojemnościowemu sprzęganiu obwodów jest ekranowanie elektrostatyczne. Magnetyczne sprzęganie zakłóceń. Walka z tym typem przenikania niepożądanych sygnałów polega na zmniejszeniu indukcyjności wzajemnej obwodów. Zwykle pola magnetyczne indukują napięcia zakłóceń w pętlach układów elektronicznych.

41 Czasem udaje się zredukować zakłócenie poprzez dodanie sygnału zakłócającego o przeciwnej fazie. Innym razem pomocne staje się stosowanie rozmaitych filtrów przeciwzakłóceniowych. Generalnie należy starać się separować silnie zakłócające kable energetyczne od przewodów pomiarowych. Niekiedy jedynym sposobem pozbycia się zakłóceń w pracowni pomiarowej jest przeniesienie ich źródła (silnika, lasera impulsowego, generatora, pieca itd.) do innego, odpowiednio oddalonego i najlepiej ekranowanego pomieszczenia. Należy unikać uziemiania układu w więcej niż jednym punkcie. Unikamy w ten sposób spadków napięć na kablach uziemiających i pochodzących od znacznych i niekontrolowanych prądów płynących w uziemieniach.

42 Obowiązuje też zasada separacji ziemi czułych układów analogowych od ziemi zakłócających obwodów cyfrowych.

43 Uzmiennianie sygnału z pomocą modulatora Jednym ze sposobów pomiaru słabych i zatopionych w szumach sygnałów stałych lub wolnozmiennych jest tzw. uzmiennianie sygnału.woltomierz mierzy tylko sygnał z wąskiego pasma częstotliwości zawierającego częstotliwość z jaką jest pobudzana próbka (lub jej harmoniczną np. 2f).

44 Pomiar częstotliwości/czasu Częstotliwość f jest wielkością określającą szybkość pojawiania się periodycznych zdarzeń i związana jest z okresem czasu T między tymi zdarzeniami relacją: f = 1/T. Częstotliwość (i czas) jest wielkością, którą potrafimy mierzyć z największą dokładnością nawet lepiej niż 1/10 12 (Amerykański wzorzec cezowy NIST7 wykazuje ).dokładność ± Zapewniają to odscylatory/zegary atomowe (np. cezowy czy rubidowy) oraz kwarcowe. Atomowe wzorce czasu/częstotliwości poprzez komunikację radiową wykorzystywane są do kalibracji rozmaitych oscylatorów i wzorców wtórnych. Kalibracyja poprzez sygnały radiowe stosowana jest w wielu laboratoriach. Drogą radiową kalibrowane są również oscylatory w satelitach GPS i stacjach nadawczych. RiTV Liczniki Mogą mierzyć zarówno częstotliwości sygnałów jak i interwały czasowe między sygnałami (impulsami). W zależności od typu licznika mamy możliwości pomiaru częstotliwości aż do około Hz i interwały czasowe od około do około 10 3 s. Liczniki oczywiście mogą zliczać impulsy przychodzące w nieregularnych odstępach czasowych. Przed kolejnym zliczaniem należy zadbać o tzw. wyzerowanie (reset) licznika oraz zapewnić właściwą amplitudę i kształt zliczanych impulsów. Deformacje impulsów mogą prowadzić do błędów zliczania

45 Woltomierz fazo-czuły (Lock-in amplifier, phase sensitive detector). Woltomierze fazo-czułe (zwane też wzmacniaczami homodynowymi z filtrem dolnoprzepustowym) służą do pomiaru słabych, silne zakłócanych szumem, sygnałów. Sprawdzają się nawet w sytuacji, gdy amplitudy sygnałów zakłócających są o kilka rzędów większe od sygnału właściwego. Zasada działania tych woltomierzy polega na ortogonalności napięć sinusoidalnych o różnych częstotliwościach. Ortogonalność oznacza tu, że iloczyn dwóch sinusoid o różnych częstotliwościach f1 i f2 całkowany (uśredniony) w czasie znacznie dłuższym niż okres każdej z sinusoid wynosi zero. Natomiast, gdy częstotliwości i fazy obu sinusoid są identyczne całka ich iloczynu wynosi połowę iloczynu ich amplitud. Szum o przypadkowych częstotliwościach i fazach (nie zgodnych z sygnałem odniesienia) w wyniku uśrednienia jest eliminowany.

46 Pomiary fazoczułe W tej metodzie mierzony jest sygnał o częstotliwości identycznej z częstotliwością pobudzania f 0 lub jej częstotliwością harmoniczną f n w sposób synchroniczny. To znaczy mierzony jest albo sygnał w postaci jednej składowej zgodnej w fazie z sygnałem odniesienia. Mamy wtedy do czynienia z Lock-in em jednokanałowym. Albo mierzone są dwie składowe: jedna zgodna w fazie z sygnałem odniesienia i druga o przesuniętej fazie o 90º (opóźniona o T/4). Mamy wtedy do czynienia z Lock-in em dwukanałowym. Można jednak przy pomocy regulacji względnego opóźnienia sygnałów doprowadzić do ich idealnej zgodności fazowej (i wyzerować drugą, opóźnioną składową). Lockin wykonuje mnożenie sygnału wejściowego z sygnałem odniesienia a sygnał wyjściowy jest uśrednieniem tego iloczynu w czasie równym dużej wielokrotności okresu sygnału odniesienia. Przy pomocy wzmacniaczy fazo-czułych można badać bardzo słabe sygnał i przesunięcia fazy sygnału (opóźnienia).

47 Wzmacniacz fazoczuły ( Lock-in analogowy podobnie jak i cyfrowy mierzy iloczyn sygnałów: A - sygnał mierzony i B - sygnał odniesienia. Gdy w eksperymencie do pobudzenia próbki stosujemy sygnał ω a jako sygnał doniesienia stosujemy wyższą harmoniczną np. 2ω to uzyskujemy efekt różniczkowania bardzo ważny przy badaniu układów nieliniowych i w różnych rodzajach spektroskopii. Lock-in 2-kanałowy pozwala również śledzić przesunięcie fazowe.

48 Analizatory składu gazu. Analizator z kwadrupolowym filtrem mas. Analizator wyposażony w powielacz elektronowy może mierzyć parcjalne ciśnienia od 10-4 do Torr. Źródłem jonów jest jonizator w którym elektrony (prąd 2 ma, energia 70eV) z rozgrzanej katody są przyspieszane do objętości otoczonej siatką o potencjale około 70 V. Oscylując w obszarze siatki jonizują spotkane tam atomy i molekuły. Powstałe jony aby dostać się do detektora muszą przejść przez otwór w elektrodzie wejściowej i przestrajalny kwadrupolowy filtr mas.

49 Termopary Na złączu dwu różnych metali powstaje mały skok potencjału zależny od temperatury złącza. Takie złącze nazywa się termoparą lub termoelementem. Złącze wykonuje się przez zespawanie lub zgrzanie końcówek cienkich drutów z odpowiednich metali lub stopów. Zwykłe skręcenie końcówek nie zdaje egzaminu. Termopary, w odróżnieniu od wielu innych termometrów, mierzą różnicę temperatur (tj. temperaturę względną) i wymagają dobrze określonego temperaturowo punktu odniesienia aby mierzyć daną temperaturę. Klasyczny układ do pomiaru temperatury składający się z dwu złączy jest pokazany na rysunku (układ różnicowy). Użycie tylko jednego złącza powiększa błąd pomiaru o wartość pochodzącą z niedokładnego określenia temperatury zacisków miliwoltomierza, która staje się temperaturą odniesienia dla takiego układu ( z jedną termoparą ). W przypadku układu klasycznego (tj. termopary różnicowej) wkład do całkowitej mierzonej siły termoelektrycznej, pochodzący od zacisków miliwoltomierza, jest zerowy tak długo jak długo temperatury obu zacisków są sobie równe. Dokładność pomiaru temperatury zwykle wynosi około 1 o C. Warto pamiętać, że każdy termometr mierzy temperaturę własnego sensora. Zatem należy zadbać o zrównanie temperatury złącza z temperaturą próbki. Tzw. kotwiczenie przewodów termopary w temperaturze próbki jest tu bardzo pomocne.

50 Termopara w układzie klasycznym (zwana czasem termoparą różnicowa) generuje siłę termoelektryczną, która jest zwykle monotoniczną funkcją różnicy temperatur złączy. Większą dokładność uzyskuje się przez kalibrację termopary (pomiar napięć termopary w dobrze odtwarzalnych temperaturach) i przybliżenie złożoną funkcją nieliniową (np. wielomianem) zależności temperatury od zmierzonego napięcia termopary. Złącze odniesienia powinno być zakotwiczone w stałej dobrze określonej temperaturze np. w mieszaninie wody z lodem w termosie. Można też zastosować mały pojemnik o stabilizowanej temperaturze i stosować go zamiast wody z lodem. Przy pomiarze napięcia termopary należy pamiętać o zastosowaniu miliwoltomierza o odpowiednio dużej oporności wejściowej by uniknąć błędu wynikającego z obciążenia źródła sygnału o niezerowej oporności wewnętrznej. Należy zaznaczyć iż liczne firmy produkują rozmaite układy i przyrządy do pomiaru temperatury. Termopary dzięki małym rozmiarom złącza pomiarowego i małej pojemności cieplnej preferowane są w pomiarach temperatury małych obiektów i w pomiarach punktowych.

51 Typy termoelementów (termopar), zakres temp. i ich średni wsp. temp. T Miedź Konstantan (tj. CuNi), K, 42 µv/k J Żelazo Konstantan, K, 51.7 µv/k E Chromel (tj. NiCr) Konstantan, K, 60.9 µv/k K Chromel Alumel (tj. NiAl), K, 40.5 µv/k S Platyna Platyna/Rod 10%, K, 6.4 µv/k R Platyna Platyna/Rod 13%, K, 6.4 µv/k B Platyna/Rod 6% Platyna/Rod 30%, K, 6.4 µv/k G Wolfram - Wolfram/Ren 26%, K, D Wolfram/Ren 3% - Wolfram/Ren 25%, K, C Wolfram/Ren 5% - Wolfram/Ren 26%, K, 15µV/K Ważniejsze punkty kalibracyjne. Punkty potrójne: K H 2, K Ne, O 2, K Ar, K Hg, K H 2 O. Oraz K p. topnienia Ga, K p. zestalania In, K p. zestalania Sn, K p. zestalania Zn, K p. zestalania Al, K p. zestalania Ag, K p. zestalania Au.

52 Innym przetwornikiem do pomiaru temperatury jest rezystancyjny termometr platynowy. Jest to uzwojenie drutu z bardzo czystej platyny, której współczynnik temperaturowy wynosi około 0.4% / o C. Odznacza się dużą stałością w czasie a charakterystyki poszczególnych egzemplarzy pokrywają się z krzywą standardową z błędem nie większym niż o C. Stosowane są do pomiaru w zakresie -200 o C do o C. Przy tego typu termometrach należy unikać wpływu oporności styków poprzez stosowanie cztero-kontaktowej metody pomiaru. Niepożądane dodatkowe skoki potencjału występują na zaciskach prądowych, przez które prowadzony jest znany i stabilizowany prąd. Natomiast dokładną wartość skoku potencjału na samym oporniku mierzymy wykorzystując zaciski napięciowe. (Tu obwód woltomierza nie łapie niepożądanych napięć)

53 Pirometry Klasyczny pirometr pozwala na bezkontaktowy pomiar temperatury. Jest to urządzenie umożliwiające obserwowanie żarzącego się obiektu przez lunetkę i porównywanie jego koloru z kolorem świecenia umieszczonego wewnątrz pirometru drucika żarowego. Wartość temperatury odczytuje się ze skali pirometru po doprowadzeniu, w wyniku zwiększania wartości prądu przez drucik żarowy, do jednakowej jasności świecenia drucika i obserwowanego obiektu. Pirometrami optycznymi można mierzyć temperatury w zakresie 750 o C do 3000 o C, z błędem 4 o C przy dolnej granicy zakresu i do 20 o C przy jego górnej granicy. Są produkowane pirometry pracujące w podczerwieni i pokrywające zakres temperatur -30 o C do 5400 o C. Zastosowanie odpowiednich sensorów, układów optycznych (z laserem do korekty współczynnika emisyjności) oraz układów elektronicznych zapewnia automatyczny pomiar po wycelowaniu pirometru na badany obiekt.

54 Fotopowielacz jest wyjątkowo przydatny do pomiaru b. małych natężeń światła. W rurze próżniowej fotopowielacza foton światła padając na fotokatodę (powierzchnię pokrytą metalami alkalicznymi), wytrąca z niej elektron. Elektron przyspieszany polem elektrycznym uderza w kolejną elektrodę, zwaną dynodą, powodując wybijanie elektronów wtórnych. Te ponownie przyspieszane wytrącają dalsze elektrony z kolejnych dynod (typowe ilości dynod: 8 do 16). W rezultacie jeden foton a następnie jeden elektron generuje porcję nawet 10 8 elektronów co pozwala na detekcję nawet pojedynczych fotonów. Impuls napięcia wywołany taką ilością ładunku w jednej chwili docierającego do anody może osiągać wielkość rzędu 10mV i jest dobrze rejestrowany układami elektronicznymi. Do zasilania elektrod fotopowielacza stosuje się zwykle dzielnik napięcia w taki sposób aby między sąsiednimi dynodami panowało napięcie około 100V. Sprawność fotokatod przekracza zwykle 25%. Do wyjścia fotopowielacza podłącza się wzmacniacz z integratorem lub licznikiem. Gdy natężenie światła jest duże i impulsy ładunku na anodzie przestają być dobrze rozdzielone, wtedy zamiast zliczania impulsów mierzy się prąd anody (do pomiaru takiego prądu zwykle stosujemy tzw. uzmiennianie np. przez periodyczne przerywanie wiązki światła - czoperowanie). Należy pamiętać, że nawet w całkowitej ciemności w obwodzie anody fotopowielacza płynie pewien niewielki prąd zwany prądem ciemnym. Powstaje on w wyniku termicznej emisji elektronów z fotokatody i z dynod. Prąd ten można zmniejszyć do wartości poniżej 1 impulsu na sekundę obniżając temperaturę fotopowielacza. Uwaga: fotopowielaczy z doprowadzonymi napięciami zasilającymi nie można wystawiać na światło dzienne, grozi to pogorszeniem parametrów a nawet uszkodzeniem samego fotopowielacza (niszczące są zbyt duże natężenia prądów).

55 Fotopowielacze i powielacze elektronowe. (pierwsze fotopowielacze powstały w latach ) Fotopowielacze zwykle mogą zliczać fotony w szerokim zakresie długości fali 180 nm do 900 nm. Otwarte (bez okienka i nie posiadające własnej próżni ) fotopowielacze umieszczone w badawczych systemach próżniowych mogą być używane do detekcji w znacznie szerszym zakresie - aż do promieniowania rentgenowskiego włącznie. Układ dynod z anodą (bez fotokatody) nazywany powielaczem elektronowym stosowany jest do detekcji elektronów i jonów (obu znaków). Sugnały napięciowe z fotopowielaczy i powielaczy elektronowych są zwykle kierowane do liczników, integratorów lub fazo-czułych woltomierzy (fazo-czuły woltomierz tzw. lock-in stosowany jest przy uzmiennianiu sygnału). W przypadku stosowania licznika lub integratora należy zadbać o to aby amplitudy impulsów były większe od amplitudy szumu tak aby ustalając napięcie progowe detekcji (w obwodzie dyskryminacji licznika lub integratora) miedzy amplitudą szumu a amplitudą sygnału można było rejestrować sygnał bez zakłóceń. Problem ten staje się trudny gdy w laboratorium mamy czynne niektóre typy laserów (Q-switched lasers) lub inne układy niewłaściwie (gwałtownie) przełączające dużą moc jak np. niektóre piece do hodowli roślin. Uwaga: fotopowielacze i powielacze -elektronowe są zasilane wysokimi napięciami rzędu 1-2 kv niebezpiecznymi dla zdrowia i życia (praca przy wysokich napięciach wymaga doświadczenia, nigdy nie pracuj sam!). Przy zestawieniu układu pomiarowego należy sprawdzić kształt i czas trwania pojedynczego impulsu. Groźne są tzw. oscylacje-dzwonienia i zbyt długi czas trwania impulsu. Impulsy możemy kształtować między innymi przez dobór stałej czasowej RC w obwodzie anody i dołączenie dodatkowego tzw. ograniczającego kawałka kabla zakończonego opornikiem o małej oporności (<50Ω). Należy sprawdzić czy czas narostu impulsu na anodzie powielacza jest krótszy od czasu propagacji sygnału przez ten ograniczający kabelek (czas propagacji sygnału przez 0.5m kabla wynosi około 10ns). Powielacze rurkowe. Obecnie do detekcji elektronów i jonów stosowane są powielacze z tzw. ciągłą dynodą tj. powielacze rurkowe CEM (channeltron electron multiplier) szklane i nieco lepsze ceramiczne. Natomiast do wzmacniania obrazu stosujemy płytki MCP owzmocnieniu do 10 4 (Micro channel electron multiplier plates).

56 Fotopowielacze, powielacze i wzmacniacze obrazu. q=cache:dwbihogd148j: ipliers&hl=pl

57 Głowica Bayarda-Alperta Do pomiaru ciśnienia w komorach próżniowych najczęściej stosowane są głowice jonizacyjne Bayarda- Alperta (kiedyś w obudowie szklanej, obecnie metalowej). Gorąca katoda emituje elektrony, które przyspieszane są do anody o dodatnim potencjale (np.+300v). Elektrony jonizują napotkane molekuły gazu resztkowego. Wyprodukowane jony zbierane są przez kolektor o potencjale bliskim 0V. Pomiar tego jonowego prądu pozwala na określanie ciśnień od 10-3 do mm Hg (zanieczyszczenie wnętrza komory przez dotyk palcem wydłuża czas uzyskiwania ciśnienia rzędu mm Hg!)

58 Komputerowe systemy pomiarowe Kluczowym elementem w tych systemach jest tzw. interfejs. W praktyce pomiarowej stosowanych jest wiele systemów interfejsowych, najczęściej: RS-232C, USB, RS-422, RS-485, CAMAC, IEC-625 (GPIB, IEEE-488), IEEE-1394, I 2 C, Bluetooth i komputerowe karty rozszerzeń. Standard RS-232 jest powolnym interfejsem szeregowym obecnie wycofywanym z zastosowań i zastępowanym przez USB. Szybkość transmisji do bodów (stosowane są tu kable z wtyczkami 9 lub 25-pinowymi). Transmisja danych odbywa się szeregowo bit po bicie. Występują tu 2 rodzaje transmisji: synchroniczna i asynchroniczna. Przy transmisji asynchronicznej tylko 7 linii jest używanych (dwie dla danych wysyłanych i odbieranych, cztery dla sygnałów kontrolnych i jedna masy). Transmisja synchroniczna polega na przesyłaniu bloków danych (frame). W bloku po ostatnim bicie poprzedniego znaku wysyłany jest pierwszy bit znaku następnego. Synchronizację zapewniają specjalny znak początku bloku i inny specjalny znak końca bloku. Transmisja synchroniczna jest szybsza od asynchroniczne ale też wymaga bardziej złożonych układów dla poprawnego grupowania bitów w znaki. Asynchroniczna transmisja polega na przesyłaniu pojedynczych znaków. Każdy znak poprzedzany jest bitem startu, bity znaku zaczynają się od bitu LSB. Ponadto po bitach znaku może występować bit zabezpieczenia poprawności transmisji. USB (Universal Serial Bus). Tu szybkości transmisji są znacznie większe 1.5Mb/s do 480Mb/s.

59 RS 232

60 RS 232

61 RS 232

62 Handshaking (potwierdzanie) Są to procedury komunikacji używane w celu: i) zapewnienia, że nadawca i odbiorca są gotowe do transferu danych, ii) powiadomienia odbiorcy przez nadawcę kiedy dane są gotowe, iii) Powiadomienie nadawcy przez odbiorcę, że dane zostały odczytane. Handshaking, przy transmisji równoległej, wymaga dodatkowych linii (np. linii ready for data i data available ).

63 Przykład Handshake w równoległym porcie wejściowym.

64 Porównanie opcji interfejsowych

65 Uproszczony schemat komputera z kartą pomiarową

66

67 Elektrotechnika i elektronika Lista 14. 1) Określ amplitudę i częstotliwość obserwowanego przebiegu wiedząc, że oscyloskop miał włączone zakresy: 2/cm i 0,1 ms/cm. Ustawienie których pokręteł należy sprawdzić? 2) Zaproponuj układ z zastosowaniem oscyloskopu do pomiaru czasu reakcji (opóźnienia) bramki XOR. 3) Który wariant technicznej metody pomiaru rezystancji należy wybrać wiedząc, że Rx wynosi około 100 Ω, natomiast rezystancja amperomierza wynosi 1 Ω, a woltomierza 1 MΩ? 4) Dobierz typ termopary do pomiaru temperatur: a) w otoczeniu 300 K, b) w otoczeniu 2000K, i podaj ich parametry. 5) Dobierz wartości R i C do powielacza elektronowego pracującego w reżimie impulsowym, w układzie do zliczania impulsów o częstotliwości maksymalnej F max = 1 MHz.