Základy elektroniky 1 - Úvod do analogového a číslicového zpracování dat

1. Základy elektroniky1 - Úvod do analogového a číslicového zpracování dat L.Přech, KFPP 9.11.2011

3. Model fyzikálního experimentu • Stanovujeme závislost veličiny y na veličiněx při daném parametru  (např. závislost proudu vzorkem na napětí při určité teplotě) • Obvykle opakovaná měření pro diskrétní hodnoty xi j , určování střední hodnoty a odhad chyby • x,  nastavované nebo implicitně závislé na čase x(t) (t)

4. Počítač jako automatické registrační zařízení • Ruční nastaveníx,  resp.x(t) (t) • Automatický zápis hodnot (t) y(t) • Vyhodnocení a zpracování často až po ukončení zápisu Využíváme rychlost registračního systému!

5. Počítačově řízený experiment • Automatické nastaveníx,  resp.x(t) (t) • volně dle programu – automatické měření • s cílem stabilizovat nebo řídit y nebo  - regulace • Automatický zápis hodnot (t) y(t) • Vyhodnocení a zpracování obvykle během měření

6. Základní schéma systému sběru dat a řízení experimentu Fyzikální veličiny Akční členy Sběr dat, řízení výstupů Úprava signálů Počítač Čidla

7. Elektrické povahy napětí proud odpor, vodivost, indukčnost, kapacita magnetické pole kmitočet, fáze perioda, střída impulzy, události Spojité nebo diskrétní (v hodnotě nebo čase) Neelektrické teplota poloha a pohyb, zrychlení, síla vlhkost, tlak osvětlení, optické záření hmotnost chemické složení …. Fyzikální veličiny Veličina vyjádřena časovým průběhem signálu - elektrické veličiny

8. Akční členy topné elementy zdroje světla ventily motory elmg. cívky …. Čidla termočlánky, termistory fotodiody průtokoměry, vakuometry snímače polohy a pohybu, tenzometry a akcelerometry Hallovy sondy vlhkoměry detektory částic .... Převod elektrických veličin na neelektrické a zpět

9. Analogové signály Přímé, převod A/D a D/A napětí (proud) Nepřímé – mezipřevod na časové veličiny nebo napětí/proud často pro ostatní elektrické veličiny: odpor/vodivost, kapacita, indukčnost Spojitý vs. digitální svět - číslicový počítač – pracuje s diskrétní informací Digitální signály • Přímé měření/řízení • digitální vstupy/výstupy (logické signály) • čas – frekvence, perioda, délka pulsu, střída signálu, fáze

10. Rozdělení převodníků neelektrických veličin • Přímý převod energie neelektrické veličiny – vlastní zdroj elektromotorické síly • elektromagnetické, termoelektrické, fotoelektrické, piezoelektrické, Hallův jev, … • Pasivní převodníky – potřebují vnější elektrický zdroj • využívají závislost elektrické vlastnosti čidla na měřené veličině – magnetorezistivita, elektrický odpor na teplotě, indučnost na poloze jádra, … • Zpětnovazební pasivní převodníky – zpětná vazba udržuje rovnováhu mezi měřenou veličinou a protipůsobícím elektrickým signálem

11. Příklad - termočlánek • Přímý převod energie • termoelektrická napětí Uo = U1(Tref)+ U2 (T) – U3(Tref) Rozsah voltmetru Citlivost 7 – 50 V/°C Zesílení vst. zesilovače Rozlišení v bitech U1 T známe Uo U2 U3 Tref

12. Převodník polohy (úhlu): Posuv jezdce -> proměnný odpor -> napětí Drátkový termoanemometr: Rychlost proudění -> míra ochlazování -> teplota -> odpor -> napětí Příklad - pasivní převodníky Wheatstonův můstek

13. Malý odpor, typ. 100  Malá citlivost ~0.4/°C 2-drátové měření – málo vhodné – úbytek napětí na přívodech 4-drátové zapojení – lepší, na měřicích přívodech pro napětí minimální úbytek 3-drátové zapojení – vhodné pro můstky (Wheatstonův ) RTD - odporové teploměry (např. Pt)

14. Můstkové zapojení – RTD, tenzometry • 3-drátové zapojení RTD ve Wheatstonově můstku – protilehlé větve RG1, RG2 kompenzují odpor přívodů • Tenzometry v můstku – poloviční nebo úplný můstek – zvýšení citlivosti měření • Použití tenzometrů: • jejich odpor závisí na mechanickém napětí • použití též jako převodníky jiné síly – zrychlení, tlak, vibrace

15. Příklad – čidlo se zpětnou vazbou • Drátkový termoanemometr: • zpětná vazba udržuje můstek vyvážený -> stabilizace odporu (teploty) sondy (výstupní napětí)2~ teplo ztrácené na sondě ~ rychlost proudění

16. LVDT (lineární napěťový diferenciální transformátor) Měření lineárního posunu – rozdílná vazba do sekundárního vinutí L a P Čidla s interním převodem na proudovou smyčku 0-20 nebo 4-20 mA Další příklady IS 20 4 X

17. Porovnání některých čidel

18. Zesílení analogových signálů Změny vst. signálu vhodně pokrývají rozsah ADC – zvětšení rozlišení, citlivosti, zvýšení poměru S/N Útlum Úprava velikosti velkých signálů (vysoké napětí...) Filtrace Snížení šumu v určité části spektra (např. 50, 60 Hz) Zabránění aliasingu (Nyquistův teorém) Izolace (optická, transformátory) Přerušení zemních smyček, snížení šumu, zabránění poškození zařízení, oddělení obvodů s nebezpečným napětím Multiplex Přepínání ADC mezi více kanály, volba způsobu připojení signálu Současné vzorkování více kanálů Buzení snímačů, můstková zapojení, 3- a 4- drátová měření Kompenzace studeného konce termočlánku Obecné funkce obvodů pro úpravu signálu

19. Další funkce – synchronní detekce Synchronní detekce je technika zpracování signálu, která: • umožňuje separovat i velmi slabý signálv silném šumu - např.: • příjem signálů v radiotechnice • zpracování signálu se silným rušením • vyžaduje referenční signáls přesně danou frekvencí a fází budí fyzikální proces moduluje měřenou veličinu Výstupní signál Synchronní detektor - harmonický nebo obdélníkový signál

20. Úvod do synchronní detekce

21. Další funkce • Komprese dynamiky signálů • Bell µ-255 • Linearizace signálu (častěji sw) • Úprava digitálních signálů • Převod úrovní, hystereze vstupů, galvanická izolace(optická nebo transformátorová), výkonové zesílení, buzení relé a stykačů

23. Typy zdrojů signálu a měřících systémů • Většina výstupů čidel po úpravě signálu představuje zdroj napětí • Zdroje i měřicí systémy bývají uzemněné nebo plovoucí

24. Uzemněné zdroje Neuzemněné (plovoucí) zdroje Rozdělení zdrojů signálu Typicky zdroje signálu napájené z elektrické sítě. Země dvou zdrojů nemusí být nutně na stejné potenciálu. Typicky baterie a zdroje napájené z baterie, termočlánky, transformátory, izolační zesilovače atd. I při napojení na stejný rozvod elektřiny v budově rozdíly 10-200 mV. Při špatném propojení více.

25. Diferenciální měřící systém Měření KCMRR • Žádný ze vstupů nepřipojen k pevnému potenciálu (např. zemi) • Bateriově napájené měřicí přístroje, systémy s přístrojovými zesilovači (diferenciální zesilovač s velkou vstupní impedancí v obou větvích • Ideálně Um = A*(U+ - U-) • Napětí přítomné současně na obou vstupech – součtové napětí (common-mode voltage) – ideálně potlačeno, prakticky omezení rozsahu, konečný činitel potlačení součtového napětí Um = A*(U+ - U-) + A/KCMRR *(U+ + U-)/2 • Činitel KCMRR klesá s frekvencí

26. Uzemněný (opřený o zem) měřící systém - GRSE • Měření napětí se provádí proti zemnímu vodiči

27. Nezemněné (pseudodiferenciální) měření - NRSE • Měření napětí na různých vstupech proti společnému referenčnímu vodiči – není přímo spojen sezemí

28. Měření uzemněných zdrojů 1 • Pozor na připojení uzemněných zdrojů k uzemněným měřícím systémům !! chybové napětí Ug -> ss i st šum, působí proud zemní smyčkou, lze tolerovat u zdrojů signálu s velkou amplitudou při nízkoimpedančním spojení zemí

29. Měření uzemněných zdrojů 2 • Lepší připojení k diferenciálním nebo pseudodiferenciálním systémům – rozdíl zemních potenciálů (souhlasné napětí) se neměří Non -

30. Měření plovoucích zdrojů 1 • Součtové napětí nesmí přesáhnout bezpečné meze – u diferenciálních a pseudodiferenciálních zapojení nutno kontrolovat (zbytkové vstupní proudy zesilovačů !) • U ss vazby postačí jeden odpor, ale vstupy nevyvážené – větší šum

31. Měření plovoucích zdrojů 2 • U zemněného měřícího systému nevzniká zemní proudová smyčka • Pseudodiferenciální vstupy odolnější proti šumu

32. Elmg. šum v měřících systémech • Zdroje šumu – st napájecí přívody (50Hz), počítačové monitory, číslicové obvody, vysokonapěťové a silové zdroje, spínané napájecí zdroje, motory a silové spínače, výboje • Přenos – vazba konduktivní (společná zátěž), v. kapacitní (elektrické pole), v. induktivní (magnetické pole), v. radiační (elmg. pole) • Přijímač – čidla, přívody k obvodům pro úpravu signálu, vlastní obvody úpravy signálu, přívody k měřicímu systému • Potlačení – rozdělení napájecích (silových) a signálových zemí, stínění, zvětšení vzdáleností, balancované diferenciální obvody, …

33. Přenos šumu konduktivní vazbou Nevhodné stínění - zemní smyčka Vhodné zapojení stínění

34. Přenos šumu kapacitní vazbou Přenos šumu induktivní vazbou

35. Balancované zapojení • Shodná impedance vývodů zdroje a vstupů měřícího systému proti zemi, shodná impedance vodičů proti zemi • Šum kapacitní vazbou -> součtový signál -> na rozdílové hodnotě Vm se neprojeví šum signál ~

36. Číslicové zpracování signálu • Digitalizace – 3 fáze • Vzorkování vzorkovací obvod • Kvantování vlastní A/D převodník • Kódování

37. Vzorkovací obvod

38. Vzorkovací obvod - realizace • Sample and hold

39. Detektor špiček

40. Charakteristiky vzorkovacího obvodu

41. Obsahuje-lifrekvenční spektrum signálu složky s frekvencí větší než Nyquistova frekv. (fN=fV/2), neurčuje výstupní signál vzorkovacího obvodu jednoznačně průběh signálu na vstupu:

43. Aliasing

44. Charakteristiky A/D převodníku • Počet kanálů, způsob připojení zdroje signálu • Vzorkovací rychlost • Délka vzorku • Možnost multiplexování • Rozlišení <- počet bitů • Rozsah • Šířka kódu <- zisk, rozsah, rozlišení • Diferenciální a integrální nelinearita, chybějící kódy, relativní chyba, offset, čas ustavení vstupního zesilovače, vlastní šum převodníku, ENOB – efektivní rozlišení v bitech 16bitů 3bity V

45. Kvantování

46. Kvantování, kvantovací chyba Přenosová funkce A/D převodníku Kvantovací chyba

47. Dithering • Zvýšení amplitudového rozlišení přidáním malého šumu do analogového signálu před digitalizací a následným průměrováním

48. Relativní chyba, offset, INL, DNL Offset Ideální charakteristika Skutečná charakt. Integrální nelinearita Diferenciální nelinearita

49. Vliv nelinearit na přenosovou charakteristiku A/D a D/A převodníku

50. Charakteristiky D/A převodu • Rozsah • Čas ustavení výstupu • Výstupní rozlišení • Rychlost přeběhu • Typ reference – pevná reference x násobící D/A • Diferenciální a integrální nelinearita, chybějící kódy, relativní chyba, offset, vlastní šum převodníku, ENOB – efektivní rozlišení v bitech