Programy CAD w praktyce inŝynierskiej

Transkrypt

1 Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Politechniki Łódzkiej Programy CAD w praktyce inŝynierskiej Wykład VI Systemy pomiarowe dr inż. Piotr Pietrzak pietrzak@dmcs dmcs.pl pok. 54, tel dmcs.p..p.lodz.pl

2 Systemy kontrolno-pomiarowe A. Chwaleba, M. Poniski, A. Siedlecki: Metrologia elektryczna, WNT, Warszawa 2000

3 Ogólna struktura systemów kontrolno-pomiarowych MONITORING/NANDZÓR/STEROWANIE AKWIZYCJA DANYCH POMIAROWYCH Wzorzec pomiarowy Bufor danych Kryteria stanu, wartości graniczne Kondycjonowanie Przetwarzanie analogowo - cyfrowe Układy przetwarzania i analizy informacji pomiarowej Układy kontroli i porównywania z wielkościami zadanymi Pamięć programu Układ sterowania Pamięć danych Użytkownik Czujniki Nadzorowany obiekt

4 Systemy kontrolno-pomiarowe definicja System pomiarowy stanowi zbiór odpowiednio zestawionych i zorganizowanych środków technicznych (przyrządów, czujników i przetworników pomiarowych), objętych wspólnym sterowaniem wewnętrznym lub zewnętrznym, których zadaniem jest zbieranie informacji pomiarowych, przetwarzanie ich, archiwizacja a niekiedy także interpretacja.

5 Ogólna struktura systemów kontrolno-pomiarowych

6 Komunikacja w systemach kontrolno-pomiarowych Ekspert wewnętrzny Pomieszczenie kontrolne Serwer lokalnej bazy danych Ekspert zewnętrzny Ocrona dostępu Ochrona dostępu Sieć lokalna Sieć globalna Ekspert zewnętrzny Bramka wyjściowa Autonomiczny system nadzoru Sieć telefoni komórkowej Modem Sieć telefoniczna Bramka wyjściowa Autonomiczny system nadzoru

7 Komunikacja w systemach kontrolno-pomiarowych SIEĆ IEEE Procesor sieciowy (NCAP) IEEE IEEE Moduł interfejsu czujnika inteligentnego (STIM) Moduł interfejsu szyny czujników (TBIM) Czujnik Czujnik Czujnik Czujnik Model obiektu czujnika inteligentnego IEEE Czujnik pracujący w trybie mieszanym (MMT) Norma IEEE1451

8 Sposoby realizacji wielokanałowych systemów pomiarowych z próbkowaniem sekwencyjnym Czujnik 1 Czujnik 2 Czujnik n... Komutator Blok kondycjonowania sygnałów wejściowych Układ próbkująco - pamiętający Przetwornik analogowo - cyfrowy Blok przetwarzania i analizy danych pomiarowych Czujnik 1 Blok kondycjonowania sygnału wejściowego Układ próbkująco - pamiętający Przetwornik analogowo - cyfrowy z próbkowaniem jednoczesnym z wieloma przetwornikami A/C Czujnik 2 Blok kondycjonowania sygnału wejściowego Układ próbkująco - pamiętający Przetwornik analogowo - cyfrowy... Komutator Blok przetwarzania i analizy danych pomiarowych Czujnik n Blok kondycjonowania sygnału wejściowego Układ próbkująco - pamiętający Przetwornik analogowo - cyfrowy Czujnik 1 Blok kondycjonowania sygnału wejściowego Układ próbkująco - pamiętający z próbkowaniem jednoczesnym z jednym przetwornikiem A/C Czujnik 2 Blok kondycjonowania sygnału wejściowego Układ próbkująco - pamiętający... Komutator Przetwornik analogowo - cyfrowy Blok przetwarzania i analizy danych pomiarowych Czujnik n Blok kondycjonowania sygnału wejściowego Układ próbkująco - pamiętający

9 Wielokanałowe systemy pomiarowe komutatory Przełączniki źródła sygnału noszą nazwę komutatorów. W zależności od konfiguracji wewnętrznych łączników (kluczy) rozróżniamy multipleksery analogowe (wielu wejściom przyporządkowane jedno wyjście) oraz klucze analogowe (jednemu wejściu przyporządkowane jedno wyjście). Obecnie, komutatory produkowane są w postaci monolitycznych układów półprzewodnikowych. W zależności od zastosowanej technologii, rolę łączników pełnią w nich tranzystory polowe (ang. Junction Field Effect Transistor, JFET), polowe z izolowaną bramką (ang. Metal Oxide Semiconductor - FET, MOSFET) albo układy komplementarne tranzystorów polowych MOS (ang. Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS). Łączniki półprzewodnikowe w porównaniu z łącznikami mechanicznymi (np. kontaktronami) odznaczają się większą niezawodnością oraz szybkością działania. Czas ich eksploatacji w przeciwieństwie do łączników mechanicznych jest praktycznie nieograniczony. Sterowanie nimi jest prostsze, a moc konieczna do ich wysterowania - mniejsza. Dodatkowo wymiary geometryczne komutatorów półprzewodnikowych w porównaniu z wymiarami większości ich mechanicznych odpowiedników są niewielkie.

10 Wielokanałowe systemy pomiarowe komutatory Niestety klucze półprzewodnikowe posiadają mniejszą rezystancję w stanie wyłączenia oraz większą rezystancję w stanie załączenia. Przykładowo, wartość rezystancji dren-źródło tranzystora MOS ze wzbogacanym kanałem typu n, który może pełnić rolę klucza analogowego w stanie wyłączenia sięga R OFF =10GΩ. W stanie załączenia rezystancja ta spada do wartości R ON =25 100Ω. Fakt ten może być przyczyną pojawiania się błędów przy podłączeniu wyjścia klucza do układu o małej wartości rezystancji (spadek napięcia na R ON ). Pomimo niewielkiej wartości, pojemność kanału tranzystora w stanie wyłączenia może być przyczyną występowania sprzężenia pomiędzy wejściem a wyjściem klucza. Drogą kompromisu, ograniczenie wpływu powyższych zjawisk wymaga dołączenia wyjścia komutatora półprzewodnikowego do układu o rezystancji wejściowej z zakresu 1kΩ 100kΩ. W przypadku użycia prostych komutatorów półprzewodnikowych należy pamiętać o zachowaniu właściwych relacji pomiędzy wartościami napięć sygnałów sterujących a wartościami sygnałów wejściowych (U GS U T ).

11 Podstawowe funkcje obwodów kondycjonowania Obwody kondycjonowania muszą zapewnić prawidłową współpracę przyrządu lub systemu z określonym typem przetwornika, w sposób nie powodujący utraty informacji ważnej z punktu widzenia danego zastosowania. Należy pamiętać, że każdy typ czujników podłączanych do systemu pomiarowego stawia obwodom kondycjonującym inne wymagania. Do podstawowych funkcji obwodów kondycjonowania należą: zabezpieczenie wejść układu, wzmacnianie, filtracja, przesuwanie składowej stałej sygnału.

12 Podstawowe funkcje obwodów kondycjonowania zabezpieczenie wejść W chwili podłączania czujnika do układu w silnie zakłóconym środowisku, w wyniku przepływu ładunku zgromadzonego w pojemności przewodów może nastąpić uszkodzenie układów wejściowych systemu elektronicznego. Negatywne skutki mogą wywołać także uszkodzenia kabli, czy niewłaściwe podłączenie czujnika. Są to powody, dla których wymagane jest, stosowanie zabezpieczeń wejść sygnałowych przyrządów. Stosowane zabezpieczenia muszą być w stanie uchronić przyrząd lub system pomiarowy przed uszkodzeniem, ale nie mogą wpłynąć negatywnie na jakość pomiarów.

13 Podstawowe funkcje obwodów kondycjonowania zabezpieczenie wejść Najczęściej stosuje się zabezpieczenia diodowe (diod Zenera, Schottky ego) lub zrealizowanych w oparciu o warystory. Jako dodatkowe zabezpieczenie często używane są transoptory lub wzmacniacze izolacyjne. W przypadku przepięcia mogą one ulec uszkodzeniu, jednak stanowią bardzo skuteczne zabezpieczenie pozostałej, bardziej kosztownej części układu. Należy pamiętać, że transoptory cechuje wysoka niestabilność parametrów oraz nieliniowość charakterystyki, co ogranicza zakres ich stosowania (należy stosować układy ze sprzężeniem zwrotnym). Coraz częściej jako zabezpieczenia wbudowane w układy scalone stosuje się obwody złożone z tranzystorów typu MOSFET.

14 Podstawowe funkcje obwodów kondycjonowania - wzmacnianie Wzmacniacze wstępne (przedwzmacniacze) stosowane w torze pomiarowym pozwalają zwiększyć amplitudę sygnału wejściowego, zmniejszając jednocześnie wpływ szumów wprowadzanych przez kolejne analogowe bloki układu. Dzięki odpowiednio dobranej wartości współczynnika wzmocnienia, przedwzmacniacze mogą przeprowadzać normalizację czułości czujnika (np. z 1,7mV/jednostkę na 100mV/jednostkę), co ułatwia określenie zmierzonej wartości oraz przeprowadzanie późniejszych obliczeń. Wzmacniacze wstępne często stanowią także układ dopasowujący impedancję źródła sygnału do obwodów układu pomiarowego. Bardzo ważną funkcją procesu wzmacniania jest dopasowanie zakresu zmian mierzonego sygnału do zakresu przetwarzania użytego przetwornika analogowo-cyfrowego (A/C). Od tego zależy rozdzielczość przetwarzania, jego dynamika, dokładność, a także minimalizacja wpływu błędów przetwornika na wynik pomiaru. Ostateczny zakres zmian sygnału doprowadzonego do wejść przetwornika A/C ustala najczęściej wzmacniacz wyjściowy bloku kondycjonowania.

15 Funkcje wzmacniacza w systemie pomiarowym POZYTYWNE wzmocnienie sygnału dopasowanie poziomów napięć dopasowanie impedancyjne porównanie sygnałów sumowanie sygnałów automatyczna regulacja wzmocnienia modulacja generacja sygnałów NEGATYWNE ograniczenie pasma przenoszenia zmiana przesunięcia fazy sygnału na wyjściu względem wejścia wprowadzenie zakłóceń własnych (szumy, U 0, I 0, I wej, R wyj ) zależność parametrów od czasu, napięcia zasilania, temperatury i innych

16 Podstawowe funkcje obwodów kondycjonowania filtracja (1) Filtracja jest jednym z elementów formowania sygnału, do którego zaliczane są wszelkie operacje zmiany jego zależności względem czasu, częstotliwości lub innego sygnału (przesuwniki fazy, detektory wartości maksymalnej, średniej, skutecznej, układy całkowania, różniczkowania itp.) Ogólnie można stwierdzić, iż podstawowym zadaniem filtrów stosowanych w systemach pomiarowych jest ograniczenie pasma częstotliwości badanych sygnałów i wydzielenie składowych znajdujących się w żądanym paśmie częstotliwości. Należy pamiętać, że filtry wprowadzają przesunięcie fazy sygnału wyjściowego względem sygnału wejściowego, przy czym bardzo często wartość tego przesunięcia jest różna dla składowych o różnych częstotliwościach.

17 Podstawowe funkcje obwodów kondycjonowania filtracja (2) W przypadku współpracy bloku kondycjonowania z przetwornikami o nieliniowej charakterystyce częstotliwościowej (amplitudowej lub fazowej), stosowanie filtru umożliwia linearyzację odpowiedzi czujnika. Ograniczenie górnego zakresu pasma jest także niezbędne z punktu widzenia procesu przetwarzania sygnału analogowego na postać cyfrową. Zgodnie z twierdzeniem Shannona, sygnał musi być próbkowany z częstotliwością przynajmniej dwa razy większą od maksymalnej częstotliwości przetwarzanego sygnału. Niespełnienie tego wymogu powoduje zniekształcenie częstotliwościowego widma amplitudowego przez składowe sygnału o częstotliwościach większych od połowy częstotliwości próbkowania. Zjawisko to nosi nazwę aliasingu. Obustronna redukcja pasma częstotliwości (filtr pasmowoprzepustowy), pozwala obniżyć wpływ zakłóceń i szumów zarówno o niskich, jak i wysokich częstotliwościach, negatywnie wpływających na dokładność pomiaru.

18 Przetwarzanie sygnału na postać cyfrową Głównym zadaniem układów przetwarzania analogowo-cyfrowego jest przekształcanie sygnału analogowego na równoważny sygnał cyfrowy. Przetwarzanie ciągłego sygnału analogowego na sygnał cyfrowy można podzielić na trzy zasadnicze procesy: próbkowanie, kwantowanie, kodowanie. Sygnał analogowy Sygnał cyfrowy Proces technologiczny Przetwornik Analogowo-cyfrowy Komputer

19 Przetwarzanie sygnału na postać cyfrową - próbkowanie Próbkowanie zwane inaczej dyskretyzacją jest realizowane poprzez pobieranie w określonych odstępach czasu próbek wartości sygnału wejściowego w sposób umożliwiający jak najwierniejsze odtworzenie tego sygnału. Analizując proces próbkowania przyjmuje się próbkowanie okresowe o okresie T S i częstotliwości f S =1/T S. Proces próbkowania jest równoważny operacji iloczynu przebiegu wejściowego przez ciąg impulsów próbkujących o jednostkowej amplitudzie d(t kt S ). Wartość uzyskanych w ten sposób próbek sygnału x(t) można wyrazić równaniem: X S (kt S ) = x(kt S ) d(t kt S ) W procesie próbkowania konieczne staje się określenie minimalnej częstotliwości próbkowania, dla której możliwe jest odtworzenie sygnału wejściowego x(t) na podstawie próbek.

20 Przetwarzanie sygnału na postać cyfrową Wartość minimalnej częstotliwości próbkowania określa twierdzenie Shannona, które mówi, że przebieg ściśle dolno-pasmowy jest całkowicie określony przez próbki pobierane z częstotliwością, co najmniej dwukrotnie większą od maksymalnej częstotliwości występującej w widmie próbkowanego sygnału. W przypadku, kiedy warunek ten nie jest spełniony odtworzony przebieg ulega zniekształceniu (w odniesieniu do oryginalnego). Jest to spowodowane nakładaniem się widm sygnału po próbkowaniu (ang. aliasing) W celu uniknięcia tego zjawiska należy zwiększyć częstotliwość próbkowania lub ograniczyć pasmo sygnału próbkowanego. Przy obecnym stanie techniki wytwarzania układów scalonych, w praktyce często stosuje się znacznie większe częstotliwości impulsów próbkujących, uzyskując w ten sposób tzw. nadpróbkowanie sygnału.

21 Przetwarzanie sygnału na postać cyfrową Sygnał wyjściowy przetwornika A/C jest reprezentowany za pomocą kodu cyfrowego, będącego zbiorem stanów dwójkowych (zer i jedynek logicznych). W praktyce stosowanych jest wiele rodzajów kodów cyfrowych. Do zapisu liczb dodatnich stosowane są tzw. kody unipolarne, np.: naturalny kod dwójkowy, zapis dziesiętny kodowany dwójkowo BCD (ang. Binary Coded Decimal). Do zapisu liczb dodatnich i ujemnych stosuje się tzw. kody bipolarne, np.: znak moduł, przesunięty kod dwójkowy, uzupełnień do 2, uzupełnień do 1, kod Graya.

22 Przetwarzanie sygnału na postać cyfrową Rozdzielczość Jest określona jako najmniejsza wartość sygnału wejściowego rozróżnialna przez przetwornik. Jeśli jest wyrażona w miliwoltach, można wyznaczyć ją z zależności: gdzie: U FS nominalny pełny zakres przetwarzania, n liczba bitów słowa wyjściowego. Rozdzielczość często jest wyrażana w najprostszy sposób jako liczba bitów n słowa wyjściowego przetwornika.

23 Parametry przetworników A/C Błąd kwantyzacji Jest następstwem procesu kwantowania, w którym wejściowemu sygnałowi analogowemu U IN zostaje przyporządkowany cyfrowy sygnał n, wybrany ze skończonego zbioru przedziałów kwantowania q. Powoduje to niejednoznaczność pomiędzy sygnałem analogowym a cyfrowym wyrażoną błędem kwantyzacji. Charakterystyka przetwarzania przetwornika 3-bitowego Zmiany wartości błędu kwantyzacji w funkcji napięcia wejściowego U IN dla przetwornika 3-bitowego

24 Przetwarzanie sygnału na postać cyfrową Nominalny pełen zakres przetwarzania Jest wartością napięcia przetwarzanego U FS =q2 n, odpowiadającą maksymalnej wartości słowa wyjściowego ( ) powiększonej o 1. Rzeczywisty zakres przetwarzania Jest wartością napicia przetwarzanego U INmax =q(2n-1), odpowiadającą maksymalnej wartością słowa wyjściowego ( ). Dokładność bezwzględna przetwornika Jest określana jako różnica między teoretyczną i rzeczywistą wartością napięcia wejściowego U IN, powodującą powstanie na wyjściu określonej wartości cyfrowej, przy czym wartość U IN wyznacza się jako punkty środków przedziałów kwantowania na idealnej i rzeczywistej charakterystyce przetwarzania. Dokładność względna Jest określana jako wartość dokładności bezwzględnej odniesionej do pełnego, nominalnego zakresu przetwarzania i wyrażana jest w procentach lub w częściach wartości najmniej znaczącego bitu.

25 Przetwarzanie sygnału na postać cyfrową Nieliniowość całkowa Jest określana jako maksymalne, względne odchylenie ( U IN ) max rzeczywistej charakterystyki przetwarzania n=f(u IN ) od charakterystyki idealnej, stanowiącej prostą, łączącą skrajne punkty zakresu przetwarzania. Charakterystykę rzeczywistą wyznacza się jako linię łączącą środki przedziałów napicia UIN, odpowiadających kolejnym wartościom cyfrowym na wyjściu przetwornika. Nieliniowość całkowa jest określana liczbowo jako:

26 Przetwarzanie sygnału na postać cyfrową Nieliniowość różniczkowa Jest określana poprzez wyznaczenie różnicy między sąsiednimi wartościami napięcia wejściowego U IN, powodującymi zmianę słowa wyjściowego o wartość najmniej znaczącego bitu (LSB). Nieliniowość różniczkowa jest podawana w procentach jako maksymalne względne odchylenie tej różnicy od jej wartości średniej w całym zakresie przetwarzania lub wyrażana jest w ułamkach wartości LSB, co należy rozumieć jako ułamek wartości analogowego przedziału kwantowania q odpowiadającego 1 LSB.

27 Przetwarzanie sygnału na postać cyfrową Błąd przesunięcia zera Jest określany przez wartość przesunięcia U IN0 rzeczywistej charakterystyki przetwornika względem charakterystyki idealnej, przechodzącej przez punkt zerowy. Jest on zazwyczaj wyrażony w jednostkach napięcia wejściowego.

28 Przetwarzanie sygnału na postać cyfrową Zakres dynamiczny przetwornika można obliczyć jako stosunek pełnego nominalnego zakresu przetwarzania 2nq do wartości przedziału kwantowania U q FS n =20 log2 = 6, 02 db Stosunek sygnału do szumu (S/N) można obliczyć jako stosunek wartości maksymalnej sygnału równej 2nq do wartości skutecznej szumu kwantyzacji SNR db σ 2 = 10log = 6,02n+ 10,79+ 10logσx σ 2 x 2 e Maksymalna częstotliwość próbkowania jest liczbą trudną do zdefiniowania. Można przyjąć następującą definicję: maksymalna częstotliwość próbkowania to taka częstotliwość, przy której zakres dynamiczny przetwornika analogowo-cyfrowego, mierzony w paśmie Nyquista, maleje o 3dB lub 1/2 bitu. n

29 Przetwarzanie sygnału na postać cyfrową Czas akwizycji to czas, jaki upływa od chwili wystąpienia impulsu sterującego do chwili, w której wartość napięcia na kondensatorze wejściowego układu próbkująco-pamiętającego osiągnie (z określoną dokładnością) wartość napięcia doprowadzonego do wejścia tego układu. Czas apertury odnosi się do wejściowego układu próbkująco-pamiętajcego i określa czas, który upływa między impulsem sterującym a chwilą, w której rzeczywiście następuje zapamiętanie próbki.

30 Klasyfikacja metod przetwarzania a/c

31 Właściwości poszczególnych metod przetwarzania a/c Metoda bezpośredniego porównania (przetworniki typu flash) Najszybsza metoda przetwarzania A/C (15 do 300MSpS) Rozdzielczość 4 do 10 bitów Krótki czas apertury nie wymagają stosowania układów SH Metoda kompensacji wagowej Dobra dokładność Rozdzielczość 8 do 12 bitów Duża szybkość (1µs 50µs) Krótki czas apertury nie wymagają stosowania układów SH Wrażliwa na występowanie zakłóceń szpilkowych Obserwowane są nieliniowości charakterystyki przetwarzania Niekiedy występuje błąd gubienia kodów Metoda przetwarzania napięcia na częstotliwość Rozdzielczość do 12 bitów Szybkość przetwarzania 1µs 100µs Liniowa charakterystyka przetwarzania (rzędu 0,01% do nawet 0,002%) Częstotliwościowy sygnał wyjściowy może być w prosty sposób uśredniony

32 Właściwości poszczególnych metod przetwarzania a/c Metoda jednokrotnego całkowania Ograniczona dokładność ze względu na parametry kondensatora i komparatora Wysoka rozdzielczość Równomierny rozkład poziomów porównania Metoda dwukrotnego całkowania Bardzo duża dokładność (brak wrażliwości na stałość parametrów podzespołów wewnętrznych) Rozdzielczość 10 do 18 bitów Wolna Implementowane procedury automatycznego zerowania Wymagane jest rozdzielenie zasilania obwodów analogowych i cyfrowych oraz zapewnienie właściwej filtracji napięć zasilających (przenikanie zakłóceń) Przy właściwym doborze czasu przetwarzania umożliwia wyeliminowanie wpływu zakłóceń sieciowych

33 Właściwości poszczególnych metod przetwarzania a/c Metoda Sigma - Delta Rozdzielczość do 24 bitów Wolna Liniowa charakterystyka przetwarzania Częstotliwość próbkowania wielokrotnie przekracza częstotliwość Nyquista (Energia szumów skupia się w tym przypadku w zakresie wyższych częstotliwości, co pozwala na ich stosunkowo łatwe odfiltrowanie) Uśrednia sygnał wejściowy odporność na zakłócenia impulsowe Duża wartość współczynnika odstępu sygnał-szum (nawet do 120dB)

34 Podstawowe kryteria wyboru przetwornika rozdzielczość szybkość przetwarzania dokładność zakres wartości napięć sygnału wejściowego (unipolarne, bipolarne) rodzaj układu wejściowego (różnicowy, z multiplekserem, z układem próbkująco-pamiętającym) rodzaj interfejsu wyjściowego (szeregowy, równoległy, czy w prosty sposób można podłączyć układ do mikrokontrolera, czy wyprowadzony jest sygnał przerwania) wartości napięć zasilających pobór prądu wartość oraz sposób podłączenia źródła napięcia odniesienia (czy jest wbudowane i czy można podłączyć zewnętrzne) wartość impedancji wejściowej wymiary obudowy cena