Blok akwizycji sygnałów pomiarowych

Transkrypt

1 Blok akwizycji sygałów pomiarowych C1 C UK UK Muliplekser aalogowy C UK PP US A C C1-C czujiki, UK układ kodycjoowaia, PP - układ próbkująco pamięajacy, A/C - przeworik aalogowo-cyrowy, US - układ serujący Kodycjoowaie sygału - wsępa ormalizacja sygału aalogowego - dososowaie posaci i zakresu zmieości sygału do ormy wymagaej a wejściu przeworika A/C. Zadaia układów kodycjoowaia: wyworzeie odpowiediego poziomu sygału wyjściowego dopasowaego do zakresu wejściowego przeworika A/C, izolacja galwaicza sygału wejściowego od układów pomiarowych, ograiczeie pasma częsoliwościowego sygału, usuięcie zakłóceń liearyzacja, przełączaie sygałów aalogowych z czujików pomiarowych. 61

2 Przykłady kodycjoowaia sygałów z czujików: ermopary - wzmaciaie, liearyzacja, kompesacja emperaury zimych końców, czujiki ermorezysacyje - zasilaie, liearyzacja, mosek esomeryczy - zasilaie moska, wzmaciaie, liearyzacja, rówoważeie moska, przeworiki piezoelekrycze - wzmaciaie ładuku, idukcyjościowe czujiki położeia LVDT - zasilaie prądem zmieym, liearyzacja, demodulacja. UKŁADY KONDYCJONOWANIA SYGNAŁÓW Wzmaciacze Fukcje wzmaciacza w sysemie pomiarowym wzmocieie sygału, dopasowaie impedacji, przewarzaie sygału apięciowego w prądowy i odwroie, specjale ukcje przewarzaia jak sumowaie, całkowaie, różiczkowaie sygałów, separacja źródła od obciążeia, 6

3 Paramery wzmaciacza: 1. Wzmocieie u r u 1 u u r / u r / u r u c (u 1 +u )/ u wy u wy1 u wy u r u 1 -u u wy u wy1 -u wy u wy u wy1 u wy wzmocieie różicowe: k ur u u wy r u cos wzmocieie sygału współbiezego: k uc u u wy C u r C 0. Współczyik łumieia sygału współbieżego (Commo Mode Rejecio Raio): CMRR 0log 3. Szerokość pasma. 4. Impedacja wejściowa i wyjściowa. 5. Wejściowy prąd i apięcie iezrówoważeia. 6. Wsp. emp. wejściowego apięcia iezrówow. 7. Wsp. zmia wejśc. ap. iezrów. od zmia ap. zasilaia. 8. Maksymala prędkość zmia apięcia wyjściowego 9. Maksymale apięcie wejściowe różicowe. 10. Maksymale wspóle apięcie wejściowe. 11. Napięcie zasilaia, pobór mocy, zakres emperaury pracy. k k ur uc 63

4 Wzmaciacze: 1. prądu przemieego (szerokopasmowe lub selekywe),. prądu sałego. Niedoskoałości wzmaciaczy prądu sałego: iesałość wzmocieia, szumy włase, dry apięciowy i prądowy, zależość wzmocieia od częsoliwości. Wzmaciacz pomiarowy: u we R G R 1 R 1 R R R R u wy duża impedacja wejściowa, iska wyjściowa, wysoki współczyik CMRR, u R wy 1 kur 1+ uwe RG 64

5 Wzmaciacz z izolacją galwaiczą - umożliwia galwaicze oddzieleie sygału wejściowego i wyjściowego oraz układu pomiarowego od źródła zasilającego. Ma zaczą impedację wejściową i bardzo małą impedację wyjściową Wzmaciacz z przewarzaiem zapewia iską warości wejściowego apięcia iezrówoważeia (apięcia oseu) a akże małą warości współczyika emperaurowego wejściowego apięcia iezrówoważeia. MODULATOR DETEKTOR U WE Wzmaciacz prądu zmieego U WY Geeraor ali ośej Wzmaciacz elekromeryczy charakeryzuje się bardzo małymi prądami polaryzującymi, a ogół miejszymi od 1pA używay do przewarzaia bardzo małych sygałów prądowych a duży sygał apięciowy. Wzmaciacz programowaly - programowo moża zmieiać wzmocieie (p. od 1 do 1000V/V). 65

6 Tłumiki sygałów elekryczych - sosuje się w przypadku sygałów przekraczających dopuszczaly zakres zmia a wejściu odbiorika. C 1 u we R 1 R u wy u we R 1 R C u wy Dzielik apięciowy u współczyik łumieia: a u R 1C1 RC Dzielik apięciowy skompesoway we R + 1 we R R u we R 1 R R 1 u wy R O łumik rezysorowy ypu T R 1 R O a 1 a + 1 R R O a a 1 Filry - wydzielają z całego dosępego widma - sygał użyeczy. Filry mają co ajmiej jedo: pasmo przepusowe - o małym łumieiu pasmo zaporowe - o dużym łumieiu. 66

7 Filr doloprzepusowy x 0 K() y 0 Filr góro-przepusowy x 0 K() y 0 Filr pasmowo-przepusowy x 0 K() y d?g Filr pasmowo-zaporowy x 0 K() y d?g 67

8 Filracja aalogowa pozwala a: wyselekcjoowaie użyeczych w dziedziie częsoliwości pasm sygału ilracja góro, dolo i pasmowo-przepusowa, pasmowo-zaporowa. polepszeie sosuku sygału do szumu, uikięcie aliasigu, usuięcie redu ilracja góroprzepusowa, aalizę częsoliwościową. Podsawowe zadaia sawiae ilrom w układach pomiarowych o elimiacja szumów i uikięcie zw. zjawiska aliasigu, czyli akładaia się widm przy przewarzaiu A/C. Wyróżiamy ilry: pasywe - budowae z elemeów R, C, akywe - budowae z użyciem wzmaciaczy operacyjych. R Biery ilr u we C u wy doloprzepusowy I rzędu C R 1 R u we u wy Akywy ilr góroprzepusowy I rzędu 68

9 Właściwości ajczęściej sosowaych ilrów doloprzepusowych: Filry Buerworha: ajbardziej płaska charakerysyka w paśmie przepusowym, duża sromość charakerysyki w paśmie przejściowym. Filry Czebyszewa: ajwiększa sromość charakerysyki zaalowaia w paśmie przepusowym, Filry Bessela: liiowa charakerysyki azowa w paśmie przepusowym, łagody spadek charakerysyki. 69

10 Mulipleksery - układy umożliwiający aprzemiee podłączeie wielu wielkości mierzoych - do jedego układu pomiarowego. Muliplekser składa się z kluczy, kórymi mogą być: przekaźiki koakroowe - mała szybkość przełączeń do kilkuse herców, mała rezysacja w saie zamkięcia (50 00mΩ) i bardzo duża w saie owarcia (poad 10GΩ), klucze półprzewodikowe - duża szybkość przełączeń do kilkuse MHz, duża rezysacja w saie zamkięcia (50 000Ω) i duża w saie owarcia. Koiguracje muliplekserów: we 1 we 1 we we we 3 we 4 wy we 3 we 4 wy we we jedoprzewodowe dwuprzewodowe 70

11 PRZETWARZANIE ANALOGOWO CYFROWE Przewarzaie ciągłego sygału aalogowego y() a sygał cyrowy polega a: dyskreyzacji sygału w czasie ( próbkowaie ), dyskreyzacji warości próbki ( kwaowaie ), zapisaiu skwaowaej warości próbki kodem cyrowym (kodowaie). Próbkowaie sygału aalogowego x() - pobraie i zapamięaiu chwilowej warości sygału aalogowego x(k). Próbki sygału aalogowego pobierae są a ogół w rówych odsępach czasu T p.. Orzymujemy zaem ciąg próbek x( k k T p ), dla k 1,,...,. T p - okres próbkowaia, p 1/ T p - częsoliwość próbkowaia. 71

12 y() a y Dla sygału: y()a si(π ) Skończoy czas a, w kórym wykoywae jes próbkowaie sygału y(), azyway czasem aperury powoduje iepewość ampliudową y pomiaru, gdy w ym czasie zachodzi zmiaa sygału. moża określić jaki powiie być czas aperury a, aby zachować założoą dokładość przewarzaia. Błąd ampliudowy przy maksymalej szybkości zmia ego sygału wyosi: dy y a d max Poieważ prędkość zmia y() jes rówa: dy d π A cos(π ) π więc, przyjmując, że błąd odiesioy do pełego zakresu zmia sygału ma być miejszy od ε dop : ε dop y A π A A a π moża określić miimaly czas aperury: π Np.: Jeżeli 1kHz i ε dop 0,1%, o wymagay czas aperury a 310s. a ε dop a A 7

13 Reprezeacja częsoliwościowa sygałów Sygał okresowy x()x(+t) moża przedsawić w posaci szeregu składowych rygoomeryczych, kórych częsoliwości są wielokroościami pulsacji podsawowej ω π π / T : gdzie: c + x( ) a 0 + c cos( ω0 + ϕ ) 1 a b widmo ampliudowe sygału x(), b ϕ arcg widmo azowe sygału x(), a x() c T ϕ Współczyiki a, b wyzacza się ze wzorów: α Τ/ x() cos(ω0)d Τ Τ/ b T/ T T/ 01,,,..., Sygał okresowy ma widmo dyskree. x() si (ω )d 0 73

14 Bardzo ważą rolę w prakyce odgrywa w posać zespoloa szeregu Fouriera: x j A e ω 0 ( ) kórego współczyiki A oblicza się z zależości: A 1 T / j ω T T / x( ) e Obie posacie szeregu Fouriera są ze sobą związae zależościami: arg( A a ) arg c A jb 0 d b arcg a ϕ Wielkości A azywae ampliudami zespoloymi -ej harmoiczej moża zapisać w posaci: A A e jϕ A x() ϕ T 74

15 W przypadku sygału ieokresowego x() rakuje się go sygał okresowy, kórego okres T dąży do ieskończoości, i orzymuje się w rozwiięciu Fouriera zamias dyskreej sumy, sumę ciągłą (całkę) ieskończeie małych składowych harmoiczych: x( ) 1 j ω ω X ( ) e dω π jω x( e d X ( ω ) ) X(ω) - widmo częsoliwościowe ukcji x() x() X(ω) ω x() X(ω) - przekszałceie Fouriera X(ω) x() - odwroe przekszałceie Fouriera Przedsawieie ukcji w dziedziie czasu lub w dziedziie częsoliwości określa daą ukcję jedozaczie. Dlaego ie ma zaczeia czy day sygał jes mierzoy w dziedziie czasu czy częsoliwości. Sygał ieokresowy ma widmo ciągłe. 75

16 Zmiay częsoliwościowe sygału a skuek zby małej częsoliwości próbkowaia 76

17 Rozważmy sygał ciągły : x( ) si(π 0) W wyiku próbkowaia ego sygału z częsoliwością p 1/ T p orzymujemy ciąg próbek: x Poieważ: x( T ) si( 0 T ) p π p 0,1, Κ si( ϕ ) si( ϕ + πm) m 0, ± 1, ± Κ więc możemy zapisać: x si( π Tp + πm) si(π ( 0 + m ) T 0 p Tp Jeżeli m jes wielokroością, z m k o: x si( π Tp) si(π ( 0 + k ) T 0 p p Ozacza o, że orzymay ciąg próbek x może reprezeować ieskończeie wiele sygałów siusoidalych o częsoliwościach określoych wzorem: k ( 0 + k ) k 0, ± 1, ± Κ p ) ) p6 Hz 1 Hz 7 Hz -5 Hz 77

18 Wyika sąd, że widmo dowolego ciągu próbek sygału zawiera okresowe powieleia orygialego widma sygału próbkowaego. Okres między powieleiami jes rówy p. X() Widmo sygału x() X() Widmo ciągu próbek x p p p Twierdzeie Shaoa-Koielikowa o próbkowaiu: Jeżeli widmo sygału x() jes ograiczoe od góry do częsoliwości max, o x() może być jedozaczie odworzoy z ciągu swoich próbek x jeżeli: p max Jeśli sygał wejściowy ie ma ograiczoego pasma częsoliwości do p / o próbkowaie sygału ciągłego ze sałym okresem Tp jes źródłem aliasigu, czyli akładaia się a siebie powórzeń jego widma. X() Aliasig -3/ p - p / p / 3/ p 78

19 Zapobiec aliasigowi moża poprzez ilrację sygału aalogowego przed próbkowaiem ak, aby ograiczyć jego widmo do częsoliwości ie większej iż p /. X() K() X 1 () - p / p / - p / p / Filr ayaliasigowy - p / p / X 1D () -3/ p - p / p / 3/ p Filracji ayaliasigowej igdy ie ależy zaiedbywać, poieważ awe sosując częsoliwość próbkowaia, spełiającą waruek Shaoa- Koielikowa, ie możemy mieć 100% pewości, że sygałowi ie owarzyszą zakłóceia o częsoliwości przekraczającej p /. Należy wyraźie zazaczyć, że zasosowaie ilracji cyrowej ie może zapobiec aliasigowi, poieważ eek e powsaje wcześiej - a eapie próbkowaia. 79