dr inż. Artur Zieliński Katedra Elektrochemii, Korozji i Inżynierii Materiałowej Wydział Chemiczny PG pokój 311 Politechnika Gdaoska, 2011 r. Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
Cyfrowy świat Autor: Thomas Nugent Zwiad wojskowy http://www.militaryaerospace.com Cyfrowa informacja Cyfrowa sztuka Cyfrowa rozrywka Autor: Jamie Zawinski Cyfrowa nauka 2
Historia Cyfrowe przetwarzanie sygnałów (CPS), czyli digital signal processing (DSP), jest bezpośrednio związane z zastosowaniem komputerów. Pojawienie się komputerów cyfrowych datowane jest na lata 60. Ze względu na koszta zastosowanie technik cyfrowych ograniczone było do kilku obszarów, takich jak RAdio Detection And Ranging, SOund NAviation and Ranging, poszukiwania ropy, obrazowanie medyczne i eksploracja kosmosu. Wniosek patentowy na mikroprocesor został złożony przez Texas Instruments 4 września 1973 r. Wraz z upowszechnianiem się komputerów osobistych, technika cyfrowa zdobyła rynek zastosowań komercyjnych i została okrzyknięta jednym z czołowych rozwiązań kształtujących współczesny świat. 3
Interdyscyplinarny charakter CPS Obrazowanie diagnostyczne (rezonans, USG) Analiza przebiegów EEG i EKG Przechowywanie obrazów medycznych Kompresja danych i głosu Redukcja echa Filtracja Przełączanie rozmów CPS Badania sejsmologiczne Rejestracja danych Analiza widmowa Symulacje i modelowanie Radar Sonar Naprowadzanie Bezpieczna komunikacja Poszukiwania minerałów Kontrola procesów technologicznych Testy nieniszczące CAD i inne narzędzia projektowe 4
Medycyna USG umożliwia uzyskanie obrazu za pomocą sondowania falami ultradźwiękowymi EKG - rejestracja elektrycznej czynności mięśnia sercowego z powierzchni klatki piersiowej w postaci różnicy potencjałów pomiędzy dwiema elektrodami Tomografia pozwala na otrzymanie obrazu przekroju ciała bez konieczności inwazji chirurgicznej. Godfrey N. Hounsfield, Allan M. Cormack, Nagroda Nobla 1979. 5
Wątpliwości Sygnał cyfrowy to przybliżanie linii prostej za pomocą schodków 6
Miernictwo cyfrowe Miernictwo, czyli sztuka wykonywania pomiarów, to niewielki wycinek zagadnień związanych z cyfrowym przetwarzaniem sygnałów. Istotą pomiaru jest zdobycie użytecznych informacji dotyczących badanego obiektu. badania elektrochemiczne mikroskopia tunelowa pomiary mechaniczne 7
Zadania W jaki sposób algorytmy cyfrowego przetwarzania sygnałów mogą być pomocne w realizacji pomiaru? W jaki sposób prawidłowo skonstruować (cyfrowe) stanowisko pomiarowe? W jaki sposób bezpiecznie zastosować techniki cyfrowe, to znaczy żeby nie wprowadzić błędu jakościowego? Jeśli uniknięcie błędu ilościowego nie jest możliwe, to jak zminimalizować jego wielkość? 8
Pojęcia z cyfrowego świata kolor(x,y) pole(x,y,z,t) ph(t) z(x,y) głos(t) Sygnał to nośnik informacji. Sygnał może być rezultatem pomiaru. Informacja zawarta jest w danych powiązanych z pewną dziedziną. Często dziedzinę sygnału stanowi czas, ale nie jest to regułą. 9
Sygnały cyfrowe Sygnały cyfrowe są nieciągłe. W tym przypadku sygnał (obrazek) określony jest w dziedzinie przestrzennej x-y. Dziedzina składa się z pikseli. 10
Sygnały cyfrowe II Wartość sygnału, czyli kolor każdego piksela, nie jest ciągła, a opisywana przez trójkę liczb całkowitych z zakresu 0-255. 11
Sygnały analogowe Dla jadącego samochodu w każdej chwili jego szybkość określona jest pewną funkcją V(t). Wychylenie wskazówki prędkościomierza zmienia się analogicznie do zmian szybkości pojazdu. Rozumienie sygnałów analogowych jako analogii do czegoś ma znaczenie raczej historyczne. Współcześnie pojęcie sygnały analogowe oznacza sygnały zdefiniowane w ciągłej dziedzinie i przyjmujący ciągły zakres wartości. 12
Sygnał cyfrowy z analogowego Rezultatem pomiaru szybkości w określonych odstępach czasu jest ciąg wartości, które można ponumerować wskaźnikiem n. Ponieważ prędkościomierz ma podziałki odczyt musi zostać zaokrąglony. Sygnał cyfrowy powstał z sygnału analogowego w procesie cyfryzacji (digitalizacji). Sygnał cyfrowy to sygnał określony w nieciągłej (dyskretnej) dziedzinie i przyjmujący przeliczalny zbiór możliwych wartości. 13
Cyfryzacja, digitalizacja Sygnał cyfrowy jest mniejszy od swojego ciągłego pierwowzoru. + zajmuje mniej miejsca -- zawiera mniej informacji -Jak zminimalizować szkody wynikłe z utraty informacji? Sygnał cyfrowy istnieje tylko w czerwonych kropkach. Łączenie ich linią jest błędem. 14
Układy Oprócz sygnałów muszą istnieć również byty wykonujące na nich operacje, czyli układy. Mogą mieć one postać fizycznych obiektów, takich jak wzmacniacze, filtry, procesory sygnałowe. Mogą być też tworami wirtualnymi, czyli komputerową realizacją algorytmów matematycznych. filtry analogowe przedwzmacniacz pomiarowy algorytmy realizowane w pamięci komputera procesor sygnałowy EMU10K1 15
Cyfrowy system pomiarowy termopara (czujnik) zamienia wartość temperatury na napięcie elektryczne jeśli termopara posiada liniową charakterystykę najłatwiej jest dokonać przeliczenia wielkości fizycznych komputer zarządza procesem rejestracji sygnału i umożliwia jego obróbkę Monitorowanie temperatury przetwornik analogowo-cyfrowy analog / digital A/D 16
Cyfrowy system pomiarowy II rolę czujnika pełni mikrofon przedwzmacniacz mikrofonowy to przykład układu kondycjonującego. Dopasowuje właściwości sygnału wyjściowego z jednego urządzenia do potrzeb wejścia drugiego Rejestracja głosu przetwornikiem A/D jest karta dźwiękowa Obraz barwy dźwięku jest wynikiem wykonania przez komputer jednego z algorytmów CPS 17
Oprogramowanie Oprócz zaplecza sprzętowego konieczne jest również posiadanie oprogramowania służącego do zarządzania procesem pomiaru cyfrowego, umożliwiającego obróbkę zarejestrowanego sygnału a także jego magazynowanie i odczyt z pliku. Jednym ze zintegrowanych środowisk służących do realizacji powyższych celów jest LabVIEW firmy National Instuments. Przykład rozbudowanego interfejsu urządzenia wirtualnego. Autor programu: Kacper Jurak 18
Podsumowanie Ze względu na swoją powszechną dostępność urządzenia cyfrowe stanowią jedno z podstawowych narzędzi współczesnego inżyniera. Pomiar cyfrowy opiera się na wykorzystaniu specyficznych sygnałów o charakterze nieciągłym (dyskretnym). Istnieją pewne zasady, których należy przestrzegać przy projektowaniu i budowie stanowiska pomiarowego oraz podczas wykonywania rejestracji i analizy danych cyfrowych. 19
Literatura Richard G. Lyons, Wprowadzenie do cyfrowego przetwarzania sygnałów, WKŁ, Warszawa, 2000. D. Świsulski, Systemy pomiarowe. Laboratorium, Wydawnictwo PG, Gdańsk, 2004. J. Szabatin, Podstawy teorii sygnałów, WKŁ, Warszawa, 2000. M. Chruściel, LabVIEW w praktyce, Wydawnictwo BTC, Warszawa, 2008. Tomasz P. Zieliński, Cyfrowe przetwarzanie sygnałów. Od teorii do zastosowań, WKŁ, Warszawa, 2005. 20