Syst é my zberu d át Multifunkčné dosky pre zber dát

1. Systémy zberu dátMultifunkčné dosky pre zber dát Ján Šaliga KEMT FEI TU Košice

2. Čo je SZD (Data Acquisition Systems – DAQ) • Systém umožňujúci snímanie signálov z meraných zdrojov, digitalizáciu, spracovanie, prezentáciu, archiváciu a často aj spätné riadenie meraného procesu

3. Senzory I. • Senzor (snímač, čidlo – sensor, tranducer) – premena fyzikálnej veličiny (teplota, tlak, mechanické napätie, ...) na elektrický signál (napätie, prúd)

4. Senzory II. • Niektoré vyžadujú napájanie – excitáciu, rôzne pomocné obvody, odporovú sieť a pod. • Na výstupe senzora môžu byť rôzne signály, ktoré nesú informáciu v niektorom svojom parametri a musia byť preto vhodne ďalej spracovávané • Analógové signály • Číslicové signály

5. Analógové signály • Úroveň (statický tlak, teplota, ...) • Tvar (zvuk, vibrácie, obraz z kamery, ...) • Frekvencia (analýza reči, telekomunikácie, zemetrasenie, ...) • Nyquistova (shannonova) teoréma • Fourierova transformácia

6. Číslicové (digitálne) signály • Nie je dôležité, aké je presne hodnota signálu ale iba či je v intervale definovanom pre úroveň H alebo L v danom okamihu • TTL úrovne: • L: 0 až 0.8V • H: 2 až 5V • Stav, napr. spínač • Frekvencia(tempo – rate)

7. Úprava signálov (Signal conditioning) • Meranie veľkých alebo malých signálov, súčasné meranie veľkého počtu signálov a pod. vyžaduje pred privedením na PC úpravu signálov (bezpečnosť, šum, ...) • Operácie a funkcie SC • Zosilnenie • Útlm • Izolácia • Doplnenie a budenie mostíkov • Simultánne (súčasné) vzorkovanie • Budenie a napájanie senzorov • Multiplexovanie

8. Realizácia obvodov pre úpravu – predspracovanie signálov

9. Čo je multifunkčná doska? • Viacúčelová doska - modul umožňujúci snímať a generovať analógové a číslicové signály z/do PC • Pre použitie je potrebný softvér • Univerzálny – obyčajne stačí iba overenie základnej funkcie • Špeciálny vytvorený podľa aplikácie a požiadaviek užívateľa

10. Principiálna schéma

11. Príklad reálnej dosky (PCI 6036)

12. Typy vstupov a výstupov I. • Analógové vstupy • Obyčajne napäťové vstupy v multiplexnom režime 8, 16 prípadne aj viac • Rozsah vstupných napätí od cca. 1V do 10V v unipolárnom alebo bipolárnom režime • Elektricky diferenciálne alebo nesymetrické vstupy so spoločnou zemou PC alebo referenčnou analógovou zemou • Max. vzorkovacia frekvencia cca. 1MHz, rozlíšenie typicky 12 – 18bitov

13. Parametre a obvody analógových vstupov – šírka pásma • (Bandwidth) – prenos signálov obvodom s relatívnou zmenou zosilnenia alebo zoslabenia na rôznych frekvenciách menšou ako zvolená hodnota (najčastejšie +/-3dB)

14. Parametre a obvody analógových vstupov – doba čela • Obvody pri prenose strmých zmien signálov tieto tlmia vyhladzujú

15. Parametre a obvody analógových vstupov – vzorkovacia frekvencia • (sampling rate) – tempo prevodu analógového signálu na číslo (tempo merania analógového signálu)

16. Vzorkovacia frekvencia • Vzorkovacia frekvencia musí byť minimálne dvojnásobkom frekvencie najvyššej zložky obsiahnutej v signáli (Nyquistova alebo Shannonova podmienka – praxi problém • Polovica vzorkovacej frekvencie sa nazýva Nyquistova frekvencia

17. Nedodržanie Nyquistovej podmienky - aliasing • Signál (zložky) sa objavia po vzorkovaní na iných tzv. aliasingových frekvenciách falias = ABS(najbližšie N.fs – fin) F2alias=ABS (100-70)=30 F3alias=ABS (2.100-160)=30 F4alias=ABS (5.100-510)=10

18. Prevod analógového signálu na číslo (kvantizácia) Každej hodnote signálu v diskrétnom čase (vzorkovanie) sa priradí číslo – kód (analógová hodnota sa zaokrúhli – kvantuje) pomocou analógovo-číslicového prevodníka (AČP) Rozlíšenie AČP: Definované počtom bitov N Počet rozlíšiteľnýchúrovní = 2N -1 !!!POZOR vždy pre plnýrozsah (Full Scale), t.j. D=FS/(2N -1)

19. Kvantizačná chyba – kvantizačný šum Rozdiel medzi skutočnou a diskrétnou (číslicovou) hodnotou Predpokladá sa rovnomerné rozdelenie pravdepodobnosti Efektívna hodnota kvatizačného šumu: erms=D/sqr(12)

20. Chyba zisku Nežiadúca nelinearita 111 110 Chyba ofsetu 101 Chýbajúci kód 100 011 Nemonotónnosť 010 001 000 Bodové chybové parametre AČP Výstupnýkódk -4 -3 -2 -1 Vstupná analógová veličina x(t) [Vfs/Q] 0 1 2 3 4 Ideálny AČP Reálny AČP

21. Nelinearita AČP - DNL a INL • DNL - relatívna chyba skutoňého kvantizačného kroku pre kód k • INL – relatívna chyba reálnej kvantizačnej úrovne • Dôsledky nelinearity – chybné (nepresné) hodnoty – zväčšenie kvantizačného šumu – zhoršenie rozlíšenia (počet platných bitov menší ako nominálny) • Zistenie reálnych kvantizačných úrovní: • PROBLÉM pri AČP: skutočný AČP sa správa stochasticky – stochastický model AČP

22. Príklad DNL a INL

23. Deterministický model Pravdepodobnostný model Výstupný Výstupný kód k 101 kód k 100 111 110 12 101 1 0 1 2 3 4 Deterministická definícia 100 Vstupná Vstupná Vstupná Profil kanála P ( k | x ) 0 1 1,5 2 analógová analógová analógová - 4 - 3 - 2 - Stochastická definícia 1 x x x ( ( ( t) t) t) veličina veličina veličina 011 N N N [ [ [ V V V /2 /2 /2 ] ] ] fs fs fs 010 = 0 , 5 001 [ ] ( ) - N = + T k k 0 , 5 V 2 pre unipolárny AČP 000 nom fs ( ) [ ] - - N 1 N = - + V T k k 2 1 2 pre bipolárny AČP ( ) ( ) [ ] [ ] ( ) nom fs = + P k T k P k 1 T k N = k 0, 1, ..., 2 -1 [ ]: T k Prevodová charakteristika AČP T[k] - kvantizačná úroveň (prahová úroveň kódu k) Vfs – celkový (plný) rozsah AČP N – nominálne rozlíšenie (počet bitov) AČP

24. Testovanie DNL a INL • Štandardizované metódy • IEEE Std. 1057 - 1994, "IEEE Standard for Digitizing Waveform Recorders", • IEEE Std. 1241, "IEEE Standard for Terminology and Test Methods for Analog-to-Digital Converters koncept • Európsky projekt DYNAD – SMT4-CT98-2214, „Methods and draft standards for the DYNamic characterisation of Analogue to Digital converters“,

25. Testovanie DNL a INL • Štandardizované metódy • IEEE Std. 1057 - 1994, "IEEE Standard for Digitizing Waveform Recorders", • IEEE Std. 1241, "IEEE Standard for Terminology and Test Methods for Analog-to-Digital Converters koncept • Európsky projekt DYNAD – SMT4-CT98-2214, „Methods and draft standards for the DYNamic characterisation of Analogue to Digital converters“,

26. Statické štandardizované metódy • Založené na pravdepodobnostnom modele AČP • Nevýhoda: časovo náročné, napr. 12bitový AČP, fs=100kHz ~ 30hodín, fs=10Hz ~ 300000 hodín ~ 521rokov

27. Dynamické štandardizované metódy • Rýchla náhrada statických metód = určenie kvázistatických parametrov (DNL, INL, ...) prostredníctvom histogramov • Určenie dynamických parametrov (SINAD, ENOB, THD, ...) analýzou záznamu v časovej alebo spektrálnej oblasti Zostava testovacieho pracoviska pre harmonický signál

28. æ ö d 1 x 1 ( ) = = ç ÷ p x 2 arccos p d x 2 A è ø 2 2 p - A x ( ) - N 1 - V k 2 ( ) ( ) fs ( ) æ ö - - N N 1 N 1 - - - 2 V k 2 V k 1 2 1 1 [ ] ç ÷ ò fs fs = = - P k d x arcsin arcsin ç ÷ p N N A . 2 A . 2 2 2 p - ( ) A x è ø ( ) - N 1 - - V k 1 2 1 fs N 2 ( ) ( ) ( ) æ ö - - N 1 N 1 - - - V k 2 V k 1 2 M [ ] ç ÷ fs fs = - H k arcsin arcsin ç ÷ id p N N A 2 A 2 è ø [ ] [ ] - H k H k [ ] = id DNL k [ ] H k id Testovanie prostredníctvom histogramov • Hustota pravdepodobnostipre harmonický signál • Pravdepodobnosť, že na výstupe AČP sa objaví kód k • Z toho pre ideálny lineárny AČP a ideálny harmonický signál • Porovnanie ideálneho a skutočnéhohistogramu a parametre AČP, napr. • Nevýhody: - vysoká kvalita a stabilita testovacieho signálu často pri veľmi nízkych frekvenciách, - potreba poznať čo najpresnejšie parametre signálu

29. A = 1 rms SINAD 20 log dB h rms 2 A = 1 rms SNR 10 log dB H å h - 2 2 A rms h = h 2 h - SINAD 1 , 76 & = - = rms ENOB N log s 2 6 , 02 rms ( ) Y f = avm i SFDR 10 log ( ) ( ) ( ) dB max Y f , Y f avm h avm sp H å 2 A h = = 2 h THD A 1 Vybrané dynamické parametre • Pomer signál – šum a skreslenie • Pomer signál – šum • Efektívny počet bitov • Dynamický rozsah bez rušenia • Harmonické skreslenie

30. Meranie dyn. par. AČP v čase Založené na budení harmonickým signálom a následne na analýze záznamu v časovej Princíp a postup: • Odhad skutočného kvantizačného šumu v zázname porovnaním záznamu so vzorkami ideálneho vstupného testovacieho harmonického signálu získaného spätne aproximáciou zo záznamu v čase. • Trojparametrická metóda - neznáma amplitúda, jednosmerná zložka a počiatočná fáza, presne známa normovaná frekvencia), výhoda: rýchly výpočet explicitného vyjadrenia, nevýhoda: možná veľká chyba ak nie je frekvencia presne známa • Štvorparametrická – neznáma amplitúda, jednosmerná zložka, počiatočná fáza aj normovaná frekvencia, nevýhoda: zložitý iteračný proces s nejednoznačnou konvergenciou • Odhad parametrov testovaného AČP dosadením výsledkov analýzy do definičných vzťahov

31. f M = s J f i Meranie dynamických parametrov AČP v spektrálnej oblasti • Princíp: • Určiť kvantizačný šum, skresľujúce zložky a pôvodný testovací signál v zázname zo spektra získaného pomocou DFT záznamu. • Dosadením do definičných vzťahov určiť parametre testovaného AČP • Koherentné vzorkovanie a vypočítané spektrumzodpovedá skutočnému spektru signálu • Výhoda: jednoduché a presné odčítanie a vypočítanie hľadaných parametrov • Nevýhoda: v praxi ťažko realizovateľné

32. Zvýšenie presnosti AČP - dithering Prevzorkovanie signálu s pridaním šumu alebo psedonáhodného signálu s rovnomerným rozdelením pravdepodobnosti v intervale blízkom 1LSB a následným spriemermením a decimáciou digitalizovaných vzoriek

33. Nežiaduci šum • Všetky „náhodné“ fluktuácie signálu, ktoré „zahmlievajú“ skutočnú hodnotu (veľkosť) signálu. • Zdroje šumu: • Tepelný šum – každý elektronický prvok, ktorý má fyzikálnu vlastnosť R: (Vn)2 =4KTRB [V2/Hz] • Blikavý (flicker) alebo 1/f šum – PN prechody v polovodičoch • ... Šumový prah

34. Stratégie potlačenia šumu • Voliť čo možno najmenšie impedancie na vstupoch a výstupoch signálov • Minimalizovať použitú šírku pásma • Vhodne zemniť, tieniť, použiť vhodné káble, ... • Používať nízkošumové súčiastky na vstupoch • Používať nižšie napájacie napätia • Číslicové spracovanie šumu

35. „Precision“ alebo „accuracy“?

36. Zemnenie a tienenie

37. Diferenčné vstupy Vysoká odolnosť voči rušeniu – vhodné pre malé signály Zložitejšia elektronika a káble Pozor na spoločné napätia ( common mode voltage - na oba vstupy voči GND) – presluch CMR, poškodenie vstupu

38. Uzemnené vstupy Referenčná zem Nereferenčná zem Referenced single ended Non-referenced single ended

39. Vlastnosti multiplexerov • Odpor v zapnutom a vypnutom stave • Doba prepnutia (settling time) • Presluchy, šum, parazitné kapacity, ...

40. Galvanické oddelenie • Bezpečnosť, rôzne potenciály (zeme)...

41. Príklady zapojenia s GO Modulačný zosilňovač

42. Spojenie výstupov a vstupov

43. Zosilňovače v AČR • Operačný zosilňovače v rôznom zapojení

44. Prístrojový zosilňovač

45. Princípy AČP – komparačný (paralelný) AČP Veľmi rýchly – flash – drahý (2N komparátorov a presných rezistorov s presnosťou lepšou ako 2-(N+2)

46. Princípy AČP – kompenzačný (aproximačný) AČP Lacnejší – N presných položiek ale pomalší

47. Princípy AČP – sigma-delta AČP Lacný s veľkou presnosťou, stredná rýchlosť, možné rôzne zlepšenia

48. Potlačenie kvantizačného šumu

49. Potlačenie kvantizačného šumu Opis systému vo frekvenčnej oblasti Pre f blízke 0 šum je blízky 0

50. Princípy AČP – integračný AČP s dvojitou integráciou Pomalý, lacný ale veľmi presný – konvertuje obyčajne nie okamžitú ale strednú hodnotu (nepoužívajú sa vzorkovacie obvody)