Introducere

Componenta fundamentală a unui sistem DAQ este o placă DAQ. Acest capitol prezintă diferitele componente ale unei plăci DAQ multifuncţionale şi explică în amănunt componentele de intrare analogică şi cele de ieşire analogică.

3.1 Plăci DAQ cuplate direct

O placă DAQ tipică include unul sau mai multe convertoare analogic-digitale (ADC-uri), convertoare digital-analogice (DAC-uri), porturi I/O digitale şi circuite de numărare/sincronizare (figura 3.1). Aceste componente interfaţează computerul cu lumea reală a semnalelor I/O analogice, digitale şi, respectiv, de sincronizare.

ADC-urile şi DAC-urile măsoară şi, respectiv, generează semnale de tensiune analogică. Semnalele analogice reprezintă fenomene fizice variate ca temperatura, presiunea, deformaţia, viteza ş.a.m.d. Tipic, sunt de interes nivelul semnalului analogic şi variaţia lui în timp.

Un semnal digital are numai două nivele discrete de interes: un nivel 1 (on) şi un nivel 0 (off). Porturile I/O digitale ale unei plăci DAQ conţin, uzual, câteva linii digitale paralele pentru sesizarea şi controlarea multiplelor semnale digitale.

Un semnal timing I/O este un tip special de semnal digital. Semnalele timing I/O constau, în eneral, dintr-o succcesiune de impulsuri digitale şi, uzual, sunt importante lăţimea sau rata (factorul de umplere) impulsurilor. Circuitele Counter/timer măsoară ratele impulsurilor, lăţimile şi întârzierile (decalajul), numără impulsurile şi generează semnale de sincronizare.

Cea mai flexibilă dintre plăcile DAQ cuplate direct este placa cu I/O multifuncţionale. Această placă conţine diferite combinaţii de ADC-uri, DAC-uri, linii I/O digitale şi scheme electrice counter/timer. Conexiunile interplăci cum ar fi magistrala Real-Time System Integration (RTSI) transferă semnale de sincronizare şi declanşare între plăci, permiţând sincronizarea între operaţiile mai multor plăci. Figura 3.2 arată diagrama bloc a unei plăci DAQ multifuncţională.

Figura 3.2. Diagrama bloc a unei plăci DAQ multifuncţionale

Circuite de intrare analogică

Plăcile multifuncţionale măsoară adesea semnale analogice. Pentru a măsura semnale analogice, ADC-ul converteşte nivelul de tensiune analogică într-un număr digital pe care computerul îl poate interpreta. Cum se arată în figura 3.3, schema de intrare analogică cuprinde multiplexorul analogic (mux), amplificatorul de instrumentaţie, circuite de eşantionare şi memorare (S/H), ADC-ul şi buffer-ul first-in-first-out (FIFO) al ADC-ului. Toate componentele joacă un rol vital în a determina cât de rapid poate să achiziţioneze datele schema de intrare analogică.

Multiplexorul analogic, eşantionare şi memorare

Multiplexorul analogic este un comutator care conectează câteva canale de intrare la un amplifi-cator şi un ADC. Soft-ul comandă multiplexorul să conecteze unul din semnalele de intrare la amplificator pentru a fi procesat. Unele ADC-uri cer ca semnalul de intrare să nu se modifice pe durata conversiei. Schema de eşantionare şi memorare memorează valoarea semnalului de intrare la un moment dat până ce ADC-ul face conversia completă. Aceasta realizează o conversie precisă a semnalelor de înaltă frecvenţă.

Amplificatorul de instrumentaţie

Pentru ca ADC-ul să convertească semnalul de intrare cu rezoluţie maximă, semnalul trebuie să fie cuprins într-o gamă specifică. Amplificatorul de instrumentaţie amplifică semnalul de intrare pentru o gamă dorită. Soft-ul sau comutatoare aleg amplificarea sau câştigul amplificatorului de instrumentaţie. Timpul de stabilizare al amplificatorului de instrumentaţie afectează precizia la care se pot eşantiona datele la rate înalte de eşantionare şi câştiguri mari. Figura 3.4 arată caracteristicile timpului de stabilizare pentru un amplificator de instrumentaţie standard. De reţinut că semnalul creşte peste gamă, oscilează şi se stabilizează în interiorul unei game acceptabile a preciziei. Incă odată, timpul luat de semnal pentru a ajunge într-o gamă de precizie este timpul de stabilizare. Amplificatorul trebuie să stabilizeze la ± %V înainte ca ADC-ul să poată eşantiona valoarea. Dacă rata de eşantionare depăşeşte timpul de stabilizare a amplificatorului de instrumentaţie (dacă ADC-ul eşantionează înainte ca amplificatorul de instrumentaţie să fi stabilizat în interiorul unei game acceptabile), datele pot fi incorect eşantionate.

Figura 3.4. Timpul de stabilizare

De exemplu, se consideră o placă DAQ cu două semnale de intrare ca în figura 3.5. Semnalul conectat la un canal (CH0) este de +5V iar al doilea canal (CH1) este de -5V. Acesta este cazul cel mai defavorabil, când mux-ul comută iar amplificatorul de instrumentaţie vede un “salt” de la –5V la +5V. Se presupune că timpul de stabilizare pentru amplificatorul de instrumentaţie este 10 µs. Dacă se încearcă să se eşantioneze mai repede de 10 µs, datele eşantionate pot să nu fie corecte.

Figura 3.5. Efectul semnalelor multiplexate într-un amplificator de instrumentaţie

Figura 3.6 arată forma de undă eşantionată atât mai rapid cât şi mai lent decât timpul de stabilizare. Se demonstrează că ADC-ul digitizează informaţia greşit înainte de stabilizarea amplificatorului de instrumentaţie.

Figura 3.6. Efectul unei eşantionări mai rapide decât timpul de stabilizare al amplificatorului de instrumentaţie

Acest exemplu este o situaţie de caz cel mai defavorabil – amplificatorul de instrumentaţie trebuie să basculeze pe întreaga scală. In cazurile când semnalele de intrare sunt în interiorul a câtorva procente unul din altul, timpul de stabilizare a amplificatorului nu este atât de crucial. De exemplu, se consideră specificaţiile următoare pentru o placă AT-MIO-16X. Această placă de 16-biţi are o rată maximă de eşantionare de 100 kHz. Amplificatorul de instrumentaţie de pe această placă se stabilizează pentru precizia de 16-biţi în 40 µs. Deci, amplificatorul de instrumentaţie se poate stabiliza la ±0,5 LSB† până la 25 kHz (situaţia cazului cel mai defavorabil); totuşi, când canalele de intrare scanate sunt în interiorul a 10% din gama scalei maxime a altuia, schema stabilizează la ±0,5 LSB la o rată de eşantionare de 100 kHz.

Câteva trucuri pentru a reduce efectele timpului de stabilizare:

• Se aranjează semnalele de intrare astfel ca fiecare canal să aibă diferenţe minime de tensiune.

• Se reduc rezistenţa şi capacitatea legăturilor la placa DAQ.

• Se caută o placă cu timp de stabilizare superior. Multe plăci DAQ National Instruments utilizează de obicei amplificatorul de instrumentaţie NI-PGIA, care se stabilizează egal la toate câştigurile. Figura 3.7 compară timpul de stabilizare pentru NI-PGIA cu un amplificator de instrumentaţie off-the-shelf.

Figura 3.7. Timpul de stabilizare pentru NI-PGIA faţă de amplificatorul de instrumentaţie Off-the-Shelf

ADC (convertorul analogic-digital)

Componenta fundamentală a schemei de intrare analogice este ADC-ul. ADC-ul digitizează semnalul de intrare analogic într-o valoare digitală care poate fi stocată temporar într-un FIFO sau trimisă direct în memoria computerului. FIFO-urile stochează, temporar, datele eşantionate pe durata achiziţiilor de înaltă viteză, adaptându-se la aşteptările de întreruperi care pot apare când se transferă datele în memoria computerului.

Plăcile DAQ sunt disponibile cu câteva tipuri diferite de ACD-uri, fiecare cu avantaje şi dezavantaje. Unele din cele mai utilizate ADC-uri sunt cele cu aproximaţii succesive, flash, subranging (half-flash), cu integrare şi modulare delta-sigma.

Aproximaţia succesivă

ADC-ul cu aproximaţii succesive este cel mai popular tip de ADC utilizat pe plăcile DAQ deoarece el este caracterizat de viteză mare şi înaltă rezoluţie la un cost modest. Figura 3.8 arată un ADC cu aproximaţii succesive de 8-biţi.

Figura 3.8. ADC cu aproximaţii succesive

Convertorul cu aproximaţii succesive utilizează o tehnică similară cu determinarea greutăţii unui obiect utilizând greutăţi standard. De exemplu, se consideră existenţa a opt greutăţi – 1/2 g, 1/22 g, 1/23 g, 1/24 g, ... , 1/28 g. Se începe prin plasarea celei mai mari greutăţi pe platan. Dacă platanele nu se echilibrează, se adaugă următoarea greutate cea mai mare. Dacă se dezechilibrează în celălalt sens, se scoate greutatea şi se adaugă următoarea greutate mai mică. Aceasta se face până ce platanele se echilibrează. Prin adunarea greutăţilor care s-au pus pe platan, se determină greutatea obiectului.

Un convertor cu aproximaţii succesive de 8-biţi lucrează într-o manieră similară. Iniţial, SAR-ul setează toţi cei 8 biţi ai DAQ-ului la 0. Apoi, pornind cu cel mai semnificativ bit (MSB), fiecare bit este setat la 1 şi comparatorul compară tensiunea de ieşire. Dacă tensiunea DAC nu depăşeşte tensiunea de intrare bitul este lăsat la 1, altfel, el este setat la 0. După ce toţi cei n biţi au fost testaţi rezultă un cod digital ce reprezintă tensiunea analogică de intrare. Pentru un ADC de 8 biţi, acest proces ia mai puţin de 2 µs. Secvenţa de conversie pentru un ADC cu aproximaţii succesive de 8-biţi este arătată în figura 3.9.

Flash and Half-Flash

Cel mai rapid tip de ADC este ADC-ul flash. Pentru un ADC de n biţi, tensiunea de intrare este aplicată simultan la 2n-1 comparatoare. Cum se arată în figura 3.10, fiecare comparator compară tensiunea de intrare cu tensiunea sa de referinţă determinată de poziţia ei în lanţul de rezistoare. Comparatoarele tripolare sunt spaţiate de 1 LSB de separaţie. Depinzând de tensiunea de intrare, comparatorul fie comută on fie rămâne off. Circuitul de codificare codifică ieşirea comparatoarelor în cod digital.

Datorită costului şi dimensiunii componentelor, ADC-urile flash sunt tipic disponibile numai cu rezoluţie de 8 biţi sau mai mică. ADC-urile half-flash, o variantă a ADC-urilor flash, utilizează o tehnică hibridă care conduce la ADC-uri de cost mai mic, care sunt mai rapide decât oricare alte ADC-uri exceptând flash şi au rezoluţie mai mare.

Figura 3.10. ADC flash

Cu integrare (Pantă dublă)

Alt tip este ADC-ul cu integrare, care apelează la integrare pentru a digitiza semnalul de intrare. Acest tip de ADC are câteva avantaje – rezoluţie înaltă, linearitate bună şi reducerea zgomotului de intrare utilizând medierea. Totuşi, principalul său dezavantaj este rata lentă de conversie. Datorită acestui factor, ADC-urile cu integrare sunt utilizate în principal în multimetrele digitale şi alte dispozitive de măsurare lente.

Modulare Delta-Sigma

Tehnologia de vârf în ADC-uri o constituie ADC-urile cu modulare delta-sigma. Aceste ADC-uri eşantionează la rate înalte, pot realiza rezoluţie înaltă şi au cea mai bună linearitate dintre toate ADC-urile. De exemplu, acest tip de ADC are o rezoluţie de 16 biţi la 48 kS/s fără nelinearitate diferenţială. Tabelul 3.1 arată avantajele şi întrebuinţarea diferitelor tipuri de ADC.

Tabelul 3.1. Avantaje / Intrebuinţarea diferitelor tipuri de ADC

EXERCITIUL 3.1

OBIECTIV: Observarea efectelor timpului de stabilizare a amplificatorului de instrumentaţie. Inainte de a rula acest Demo, se fac următoarele conexiuni şi reglaje pe Demo Box.

• Se conectează ieşirea analogică CH0 la intrarea analogică CH1.

• Se conectează ieşirea analogică CH1 la intrarea analogică CH2.

1. Se deschide şi se rulează VI-ul Settling Time Example.

Ieşirile analogice generează două semnale de c.c. foarte mici (0,098 şi –0,098 V) conectate la canalele de intrare analogică 1 şi 2, respectiv. Datorită semnalului mic, LabVIEW programează placa DAQ pentru amplificare maximă. Semnalele de intrare sunt aproape dar nu depăşesc gama de intrare maximă a plăcii DAQ, când este aplicată o amplificare mare. De exemplu, o intrare de ±0,098 V cu o amplificare de 100 rezultă într-un semnal de 9.8 V, care este cu 0,2 V mai mic decât valoarea maximă a plăcii.

Mai întâi, programul introduce o achiziţie de date fixată la 100 de puncte pentru fiecare canal şi mediază rezultatele pentru a obţine o tensiune de referinţă pozitivă şi una negativă. Curbele +REF şi -REF indică aceste tensiuni mediate. După achiziţionarea valorilor de referinţă, VI-ul achiziţionează 100 puncte la rata de eşantionare pe care o specifică comanda de pe panoul frontal pentru cele două canale, alternând eşantionarea între canale.

2. Se introduce 50.000 în comanda Scan Rate. Se repetă acest proces, incrementând rata de scanare cu 10.000 până se văd erorile timpului de stabilizare. (O eroare a timpului de stabilizare apare când măsurătoarea este mai mică decât +REF sau mai mare decât -REF.) Dacă se obţin erori ale ratei de scanare înainte de a observa erori ale timpului de stabilizare, placa poate să nu permită să se eşantioneze mai repede decât timpul de stabilizare.

3. Se închide VI-ul fără a se salva ceva.

Sfârşitul exerciţiului 3.1

3.2 Parametrii de intrare analogică

Când se măsoară semnale analogice cu o placă DAQ cuplată direct, nu trebuie să consideraţi numai tipul intrării utilizate (intrare simplă, diferenţială, sau NRSE), dar şi următorii factori care afectează calitatea semnalului digitizat: rezoluţia, gama, neliniarităţile şi rata de eşantionare.

Rezoluţia

Rezoluţia este numărul de biţi pe care îl utilizează ADC-ul pentru a reprezenta semnalul analogic. Rezoluţia cea mai înaltă este numărul cel mai mare de diviziuni în care este împărţită gama şi deci cea mai mică variaţie de tensiune detectabilă. Figura 3.11 arată o undă sinusoidală şi imaginea digitală corespunzătoare ei obţinută cu un ADC pe 3 biţi. Un convertor pe 3 biţi (care este rar utilizat dar este un exemplu convenabil) împarte gama în 23 sau 8 diviziuni. Un cod binar între 000 şi 111 reprezintă fiecare diviziune. In mod clar, semnalul digital nu este o bună reprezentare a semnalului original deoarece în timpul conversiei a fost pierdută informaţie. Prin creşterea rezoluţiei la 16 biţi, numărul de coduri ale ADC-ului creşte de la 8 la 65.536 (216) şi se poate deci obţine o reprezentare cu precizie extremă a semnalului analogic.

Figura 3.11. Rezoluţia unui ADC

Gama

Gama se referă la nivele de tensiune minimă şi maximă pe care le poate cuantiza ADC-ul. Plăcile DAQ au game selectabile (tipic 0 la 10 V sau -10 la 10 V), astfel că se poate egala gama de semnal pentru ADC pentru a avea cele mai mari avantaje de la rezoluţia disponibilă pentru măsurarea precisă a semnalului. Gama, rezoluţia şi amplificarea, disponibile pe o placă DAQ, determină cea mai mică variaţie detectabilă în tensiune. Această variaţie în tensiune reprezintă 1 LSB al valorii digitale şi este numită adesea lăţimea codului. Cea mai mică variaţie detectabilă este calculată prin gama de tensiune/(amplificare x 2rezoluţia în biţi). De exemplu, o placă DAQ pe 12 biţi cu o gamă de intrare 0 la 10 V şi o amplificare de 1 detectează o variaţie de 2,4 mV pe când aceeaşi placă cu o gamă de intrare de -10 la 10 V detectează numai o variaţie de 4,8 mV.

De aceea este important să se selecteze corect gama de intrare a plăcii, pentru a corespunde semnalului. Dacă variaţiile semnalului de intrare sunt mai mici decât rezoluţia, trebuie să se amplifice semnalul. De exemplu, dacă se utilizează o amplificare de 10 pe o placă cu o gamă de 10 V şi rezoluţie de 12-biţi, rezoluţia creşte la 244 µV.

Neliniarităţi

Ideal, cum se arată în figura 3.12, lăţimile de cod pentru fiecare diviziune de tensiune sunt aceleaşi şi un grafic al tensiunii funcţie de codul binar este o linie dreaptă.

Figura 3.12. Cod binar ideal funcţie de graficul de tensiune

Nelinearitatea integrală (INL) specificată pentru un ADC arată cât de mult deviază acest grafic de la o linie dreaptă, pe când nelinearitatea diferenţială (DNL) arată egalitatea lăţimilor de cod. Figura 3.13 arată cele două tipuri de nelinearităţi. O bună INL este importantă, deoarece transferul preciziei de la codul binar la tensiune este o chestiune de simplă scalare. O placă cu o bună DNL asigură că citirea tensiunii codate este în intervalul ±0,5 LSB al tensiunii curente a semnalului de intrare.

Figura 3.13. Cod binar funcţie de graficul tensiunii arãtând nelinearitatea

EXERCITIUL 3.2

OBIECTIV: Selectarea gamei şi amplificării corespunzătoare pentru o placă DAQ.

Se presupune un semnal de intrare: 10 mV cu variaţii de 2 mV (de exemplu 8 mV la 12 mV). Placa are setările de intrare 0 la +10 V, ±5 V şi o amplificare de 0,5; 1; 2; 5; 10; 20; 50 şi 100. Ce gamă şi ce amplificare trebuie selectate pentru rezoluţie maximă dacă se utilizează o placă DAQ cu un ADC de 12 biţi?

Se scrie răspunsul ca mai jos:

Gama

Amplificarea

Sfârşitul exerciţiului 3.2

Rata de eşantionare

Rata de eşantionare determină cât de des au loc conversiile A/D. O rată de eşantionare rapidă achiziţionează mai multe puncte într-un timp dat şi de aceea poate forma adesea o mai bună reprezentare a semnalului original decât o rată de eşantionare lentă. Cum se arată în figura 3.14, trebuie să se eşantioneze toate semnalele de intrare la rată suficient de rapidă pentru a reproduce cu fidelitate semnalul analogic.

Figura 3.14. Efectele ratei de eşantionare

Conform teoremei lui Nyquist, trebuie să se eşantioneze la o rată de două ori mai mare decât componenta de frecvenţă maximă din acel semnal. Frecvenţa de la jumătatea frecvenţei de eşantionare este cunoscută ca frecvenţă Nyquist. Teoretic, este posibil de a recupera informaţia din acele semnale numai la sau mai jos decât frecvenţa Nyquist. Frecvenţele de deasupra frecvenţei Nyquist vor fi falsificate pentru a apare între 0 şi frecvenţa Nyquist. Frecvenţa aparentă (alias) este valoarea absolută a diferenţei dintre frecvenţa semnalului de intrare şi cel mai apropiat multiplu întreg al ratei de eşantionare. Figurile 3.15 şi 3.16 ilustrează acest fenomen.

Pentru a exemplifica, se ia ƒs, frecvenţa de eşantionare, de 100 Hz. De asemenea, se presupune că semnalul de intrare conţine următoarele frecvenţe: 25 Hz, 70 Hz, 160 Hz şi 510 Hz.

Cum se arată în figura 3.16, frecvenţele mai mici de 50 Hz, frecvenţa Nyquist (ƒs/2), apar corect. Totuşi, frecvenţele de deasupra frecvenţei Nyquist apar ca false. De exemplu, F1 apare corect; totuşi, atât F2, F3, cât şi F4 au fost falsificate la 30 Hz, 40 Hz şi 10 Hz, respectiv.

Frecvenţa aparentă (Alias) = ABS (Cel mai apropiat multiplu întreg al frecvenţei de eşantionare - frecvenţa de intrare)

Alias F2 = |100 - 70| = 30 Hz

Alias F3 = |(2)100 - 160| = 40 Hz

Alias F4 = |(5)100 - 510| = 10 Hz

Figura 3.17 arată diverse efecte ale eşantionării. In cazul A, unda sinusoidală de frecvenţă ƒs este eşantionată la ƒs. Forma de undă reconstituită apare ca un c.c. Insă, dacă se creşte rata de eşantionare la 2ƒs, forma de undă digitizată are frecvenţa corectă (corespunde numărul de vârfuri), dar apare ca o undă triunghiulară. In acest caz, informaţia de frecvenţă este corectă, totuşi, forma de undă nu este reprodusă corect. Prin creşterea ratei de eşantionare mult peste ƒs, de exemplu 5ƒs, se reproduce mai fidel forma de undă. In cazul C, rata de eşantionare este mai jos de 2ƒs. Aceasta reproduce o formă de undă de o formă şi frecvenţă incorecte.

Figura 3.17. Efectele eşantionării la diferite rate

Determinarea corectă a ratei de eşantionare este adesea foarte critică. Selectând o rată de eşantionare insuficientă se poate ajunge la rezultate incorecte. Există limite practice pentru supraeşantionare. De exemplu, dacă se eşantionează foarte rapid pe durate lungi de timp, ar putea să nu existe destulă memorie sau spaţiu pe hard disc pentru a stoca datele. Cu alte cuvinte, se eşantionează mult mai des decât este necesar.

Adesea este pusă întrebarea “Cât de repede ar trebui să eşantionăm?”. Teorema lui Nyquist dă un punct de pornire pentru o rată de eşantionare adecvată – mai mare de două ori decât cea mai înaltă componentă de frecvenţă din semnal. Totuşi, pentru scopuri practice aceasta este adesea neadecvată. Semnalele reale conţin adesea armonici care se găsesc deasupra frecvenţei Nyquist. Aceste armonici sunt falsificate şi adăugate la părţile semnalului care sunt eşantionate cu precizie, producând un set de date eşantionate distorsionat.

Prevenirea efectului de mascare (Aliasing)

Una din cele mai eficiente metode pentru a preveni efectul de mascare este utilizarea filtrelor trece-jos sau a filtrelor antialiasing. Filtrele antialiasing sunt alese pentru a tăia orice frecvenţă de deasupra frecvenţei Nyquist (jumătate din rata de eşantionare). Filtrul perfect ar trebui să rejecteze toate frecvenţele de deasupra celei Nyquist; însă, deoarece filtrele perfecte există numai în cărţi, trebuie să se facă un compromis între rata de eşantionare şi filtrele de selectare. In majoritatea aplicaţiilor, filtrele pasive unipolare sau bipolare sunt satisfăcătoare. Prin supraeşantionare (5 la 10 ori) şi utilizând aceste filtre, se poate eşantiona adecvat în majoritatea cazurilor. In plus, dacă există interes în special asupra componentelor în frecvenţă ale formei de undă şi mai puţin asupra forma ei, se poate eşantiona la o rată semnificativ mai mică decât rata necesară pentru a determina forma.

Deoarece există limitări practice de cât de repede se poate eşantiona, filtrele antialiasing limitează componentele de înaltă frecvenţă din semnalul de intrare. Filtrele antialiasing elimină orice frecvenţă de deasupra frecvenţei Nyquist. Un filtru perfect antialiasing (figura 3.18) rejectează toate frecvenţele de deasupra celei Nyquist. Deci, se poate utiliza acest filtru pentru a eşantiona la dublul frecevnţei Nyquist fără efect de mascare.

Unele plăci DAQ, cum ar fi NB-A2150, conţin filtre speciale antialiasing, ca în figura 3.20. Deoarece aceste filtre prezintă o foarte abruptă atenuare, se poate eşantiona la două sau de trei ori frecvenţa de tăiere a filtrului.

Figura 3.20. Răspunsul unui filtru antialiasing de pe placa NB-A2150

Canale multiple de eşantionare

Plăcile DAQ pot eşantiona câteva semnale de intrare. Când se achiziţionează date de la câteva canale de intrare, mux-ul analogic conectează fiecare semnal la ADC la o rată constantă. Această metodă arătată în figura 3.21, cunoscută ca scanare continuă, este semnificativ mai puţin scumpă decât a avea un amplificator separat şi un ADC pentru fiecare canal de intrare.

Este important să se înţeleagă două aspecte ale acestei metode care pot împiedica obţinerea rezultatelor adecvate.

• Nu se pot eşantiona simultan mai multe canale.

• Rata efectivă de eşantionare pe un canal este invers proporţională cu numărul canalelor eşantionate.

Deoarece mux-ul comută între canale, este generată o asimetrie între fiecare canal eşantionat. Această metodă este corespunzătoare pentru aplicaţiile unde relaţia de timp dintre punctele eşantionate nu este importantă, sau asimetria este relativ neglijabilă comparată cu viteza de scanare a canalului. In plus, deoarece acelaşi ADC eşantionează mai multe canale în loc de numai unul, rata de eşantionare efectivă a fiecărui canal individual este invers proporţională cu numărul de canale eşantionate. De exemplu, o placă DAQ eşantionând la 200 kHz pe 10 canale va putea eşantiona efectiv fiecare canal la numai 20 kHz.

Pentru acele aplicaţii (cum ar fi analiza fazei semnalelor de c.a.) unde relaţia de timp între semnalele de intrare este importantă, se pot eşantiona simultan canalele de intrare. Plăcile de date capabile de eşantionare simultană utilizează tipic scheme de eşantionare şi memorare pentru fiecare canal de intrare şi un mux analogic conectează unul din semnalele de intrare la ADC pentru procesare.

Figura 3.22. Eşantionare simultană

Pentru a demonstra nevoia pentru o placă DAQ cu eşantionare simultană, se consideră un sistem constând din patru semnale de intrare de 50 kHz eşantionate la 200 kHz. Dacă placa DAQ utilizează scanare continuă, asimetria între canale este de 5 µs (1/200 k), care reprezintă o decalare de 270° (15µs/20µs * 360°) în fază între primul canal şi al patrulea canal. Alternativ, cu o placă de eşantionare simultană cum este EISA-A2000 cu o asimetrie de maximum 5 ns intercanale, decalajul de fază este numai 0,09° (5 ns/20 µs * 360°). Acest fenomen este arătat în figura 3.23.

Figura 3.23. Compararea eşantionării simultane cu scanarea continuă

Scanarea pe interval creează efectul de eşantionare simultană pentru semnale de joasă frecvenţă în timp ce menţinerea costului aduce foloasele scanării continue. Această metodă scanează canalele de intrare la un interval şi utilizează un al doilea interval pentru a determina timpul înainte de repetarea scanării. Canalele de intrare sunt scanate în interval de microsecunde, creând efectul de eşantionare simultană a canalelor de intrare. Scanarea pe interval este corespunzătoare pentru semnale lente ca temperatura şi presiunea. De exemplu, cum se arată în figura 3.24, se consideră un sistem DAQ cu 10 semnale de temperatură. Utilizând scanarea pe interval, se poate seta placa DAQ pentru a scana toate canalele cu 5 µs între canale, apoi se repetă scanarea la fiecare secundă. Aceasta creează efectul de eşantionare simultană a 10 canale la 1 Hz. (Toate cele 10 canale sunt scanate în 50 µs; aceasta fiind nesemnificativ relativ la toate ratele de achiziţie de 1 Hz.)

EXERCITIUL 3.3

OBIECTIV: Observarea efectelor ratei de eşantionare pe semnalul de intrare. Inaintea rulării acestui demo, se fac următoarele conexiuni şi reglaje pe Demo Box.

• Se conectează ieşirea undei sinus la intrarea analogică CH1.

• Se răsucesc toate potenţiometrele de frecvenţă în sens antiorar.

1. Se deschide şi se rulează VI-ul Sampling Rate Example.

VI-ul achiziţionează o formă de undă, calculează spectrul ei de putere şi trasează forma de undă şi spectrul pe un grafic. Spectrul de putere este o măsură a frecvenţelor prezente în forma de undă. Deoarece intrarea este o sinusoidă pură, spectrul de putere afişează frecvenţa undei sinusoidale.

2. Utilizând comanda Sampling Rate, se reducei rata de eşantionare la 500 Hz. De observat că deşi curba în timp apare ca falsă, informaţia de frecvenţă este încă corectă. Apariţia efectului de mascare se face din cauză că numai puţine puncte reprezintă forma de undă. (Deoarece s-a redus rata de eşantionare la jumătate, se reprezintă de două ori mai multe cicluri utilizând acelaşi număr de puncte).

3. Se alege rata de eşantionare puţin mai mult ca dublul frecvenţei observate în spectrul de putere. Se observă că forma de undă în timp devine foarte distorsionată, totuşi, informaţia de frecvenţă este corectă, încă.

4. Se alege rata de eşantionare la 100 Hz. Se observă că deşi forma de undă în timp apare sinusoidală, ea este falsificată prin frecvenţa incorectă afişată în spectrul de putere.

Există câteva concluzii privind rata de eşantionare:

• Dacă interesează informaţia de timp (cum ar fi forma undei), trebuie să se eşantioneze la patru sau cinci ori mai mare decât cea mai înaltă componentă de frecvenţă din forma de undă.

• Dacă forma de undă nu este periodică, trebuie să se supraeşantioneze la aproximativ de 10 ori.

• Dacă interesează numai informaţia de frecvenţă, se poate supraeşantiona în general la două sau de trei ori cea mai înaltă componentă de frecvenţă.

5. Se închide VI-ul fără a se salva ceva.

Sfârşitul exerciţiului 3.3

EXERCITIUL 3.4

OBIECTIV: Observarea diferenţelor între scanarea pe interval şi scanarea continuă. Inaintea rulării acestui demo, se fac următoarele conexiuni şi reglaje pe Demo Box.

• Se conectează ieşirea undei sinus la intrarea analogică CH1 şi CH2.

• Se răsucesc toate potenţiometrele de frecvenţă în sens antiorar.

1. Se deschide şi se rulează VI-ul Interval Scanning Example.

VI-ul achiziţionează forme de undă de la ambele canale şi le trasează pe un grafic. Se observă că formele de undă sunt puţin decalate deşi acelaşi semnal este la intrarea ambelor canale. Aceasta este din cauză că cele două semnale sunt multiplexate la un singur ADC.

2. Se comută Interval Scanning pe ON şi se rulează din nou VI-ul.

Se observă că semnalele apar pe vârfurile fiecăruia ca şi cum cele două canale au fost eşantionate simultan. LabVIEW utilizează eşantionarea pe interval în mod implicit cu plăcile DAQ care suportă scanarea pe interval. Cu scanare pe interval permisă, LabVIEW scanează cele două canale atât de rapid cât poate (9 µs între eşantioane cu placa AT-MIO-16-L-9). Presupunând o rată de scanare de 1 000 pt/s, scanul este repetat la fiecare 1 ms. Deoarece frecvenţa semnalului de intrare este relativ joasă comparată cu rata de conversie A/D, ambele canale apar ca fiind eşantionate simultan. Cu scanare continuă, cele două canale sunt eşantionate la o rată constantă (0,5 ms pe canal) pentru o rată efectivă de scanare de 1 000 pt/s. Intârzierea mai mare între fiecare conversie A/D (0,5 ms în comparaţie cu 9µs) produce decalarea dintre formele de undă.

3. Se închide VI-ul fără a face salvare.

Sfârşitul exerciţiului 3.4

EXERCITIUL 3.5 (Opţional)

OBIECTIV: Inţelegerea specificaţiilor de intrare analogice comune pentru o placă DAQ tipică.

Mai jos sunt câteva specificaţii de intrare analogică pentru o placă I/O multifuncţională AT-MIO-16-5 de la National Instruments.

Sfârşitul exerciţiului 3.5

3.3 Ieşire analogică

In mod obişnuit, elementele de execuţie trebuie comandate cu semnale analogice, apărând astfel necesară conversia digital-analogică a semnalelor. Convertoarele digital-analogice dau la ieşire eşantioane (valori discrete) ale semnalului analogic, potrivit valorii numerice de la intrare. La ieşirea DAC sunt necesare şi filtre, exceptând cazurile în care elementele de execuţie pot realiza şi funcţia de filtrare.

Placa DAQ multifuncţională conţine convertoare digital-analogice (DAC-uri) pentru a genera tensiuni.

Terminologia DAC

Există câteva tipuri diferite de DAC-uri. Totuşi, majoritatea plăcilor DAQ utilizează DAC-uri multiplicatoare. Un DAC multiplicator operează cu o tensiune analogică de referinţă variabilă în loc de o tensiune fixă. Ieşirea DAC-ului multiplicator este proporţională atât cu tensiunea de referinţă analogică cât şi cu intrarea digitală. Pentru DAC-uri sunt remarcate următoarele specificaţii – monotonie, rezoluţie, gamă, linearitate, timp de stabilizare şi viteză de creştere.

Monotonia – Un DAC este monoton dacă ieşirea creşte ca şi intrarea sa. Monotonia este uneori înlocuită de specificaţia nelinearitate diferenţială deoarece DNL mai mic decât 1 LSB este o condiţie suficientă pentru o purtare monotonă.

Rezoluţia – Un DAC pe n-biţi ar trebui să fie capabil de a produce 2n valori de ieşire distincte şi diferite corespunzând cuvintelor binare pe n-biţi. Cea mai mică variaţie de ieşire pe care o poate rezolva un DAC liniar este 2n din domeniul scalei maxime. Rezoluţia la ieşire este similară rezoluţiei la intrare. Este numărul de biţi în cod digital care generează ieşirea analogică. Un număr mai mare de biţi reduce mărimea fiecărui increment a tensiunii de ieşire, prin aceasta făcând posibil să se genereze semnale cu variaţii line.

Gama – gama de ieşire a DAC-ului în volţi. DAC-urile pot fi unipolare sau bipolare.

Linearitatea – deviaţia maximă a curbei de transfer a DAC-ului de la o linie dreaptă ideală.

Timpul de stabilizare şi viteza de creştere lucrează împreună în a determina cât de rapid poate modifica DAC-ul nivelul semnalului de ieşire. Timpul de stabilizare este timpul necesar pentru ieşire să se stabilizeze la precizia specificată. Timpul de stabilizare este uzual specificat pentru variaţii de tensiune pe scală maximă. Viteza de creştere este viteza maximă de variaţie pe care o poate produce DAC-ul pe semnalul de ieşire. De aceea, un DAC cu un timp de stabilizare mic şi o viteză de creştere înaltă poate genera semnale de înaltă frecvenţă, deoarece timpul mic este necesar pentru a varia precis ieşirea la un nou nivel de tensiune.

Figura 3.25. Viteza de creştere

Funcţionarea unui DAC

Cum se arată în figura 3-26, un canal tipic de ieşire analogică pe o placă DAQ constă dintr-un DAC, comutatoare de selectare a tensiunii de referinţă (pot fi configurabile software) şi comutatoare de selectare a ieşirii bipolare/unipolare (pot fi configurabile software). DAC-ul produce o tensiune proporţională cu codul digital de intrare. Tensiunea DAC-ului poate fi configurată pentru a produce fie o ieşire de tensiune unipolară fie o gamă de ieşire bipolară.

Notă: 1 LSB (cel mai puţin semnificativ bit) este incrementul variaţiei de tensiune corespunzător la o variaţie de un LSB în cuvântul de cod digital.

Figura 3-26. Canal tipic de ieşire analogică a unei plăci DAQ

Tipic, placa livrează tensiunea de referinţă (Vref). Totuşi, se poate livra tensiunea de referinţă şi din exterior. De exemplu, se consideră un DAC de 12 biţi cu o tensiune de referinţă internă de 10 V. Gama tensiunii de ieşire este 0 … 9,9976 V în trepte de 2,44 mV pentru ieşire unipolară (figura 3.27) şi o gamă a tensiunii de ieşire de -10 V … +9,951 V în trepte de 4,88 mV pentru ieşire bipolară (figura 3-28).

Figura 3.27. Ieşire DAC unipolară

Figura 3.28. Ieşire DAC bipolară (Utilizând forma Complement faţă de 2

Exemplele anterioare utilizează o tensiune de referinţă internă. Se poate creşte rezoluţia de ieşire prin utilizarea unei tensiuni de referinţă externe. De exemplu, dacă Vref = 5 V, rezoluţia de ieşire creşte la trepte de 1,22 mV pentru unipolar şi trepte de 2,88 mV pentru bipolar.

DAC-uri dublu-bufferate

DAC-urile scot tensiunea în două moduri: imediat ce codul digital este scris la DAC, sau când DAC-ul detectează un semnal actualizat. Al doilea mod (cunoscut ca dublu-bufferare) este uzual folosit pentru generarea formelor de undă. In modul generare formă de undă, noul cod digital scris la DAC nu-şi schimbă valoarea de ieşire până ce nu este aplicat un semnal actualizat la DAC. De aceea, tensiunile pot fi generate la intervale foarte precise.

Figura 3.29. Modul generare formă de undă

Placa DAQ are, tipic, un FIFO pe placă (de exemplu, cu volum de 1024 cuvinte) ca un buffer de date între computerul gazdă şi DAC-uri. Datele sunt transferate în FIFO şi concomitent, datele din FIFO sunt încărcate în DAC înainte de detectarea semnalului de tact.

Pe o placă cum este AT-AO-6, caracteristica de retransmitere a unui FIFO poate încărca repetat datele stocate în FIFO pentru generarea formelor de undă neîntrerupte fără a accesa memoria computerului, sau a utiliza resursele PC-ului cum sunt întreruperile sau DMA. Datele sunt încărcate anterior în FIFO pentru a genera forma de undă. Deşi forma de undă poate fi generată la rate mai rapide, forma de undă este limitată la dimensiunea registrului FIFO.

Figura 3.30. Caracteristica de retransmitere a unui FIFO de DAC

Prin utilizarea aceluiaşi semnal de tact, se pot configura câteva DAC-uri dublu-bufferate pentru tensiuni de ieşire simultane, cum se arată în figura 3.31.

Figura 3-31. Generarea formei de undă

Indepărtarea zgomotului şi a perturbaţiilor

Când semnalele analogice sunt generate din date digitale pot fi generate semnale de înaltă frecvenţă şi perturbaţii. Cum se arată în figura 3.32, perturbaţiile sunt tranzienţi de comutare care apar la ieşire pe durata trecerii unui cod digital. Cea mai mare trecere este jumătate de scală, când DAC-ul comută aproape de MSB şi toate valorile schimbă starea (de exemplu, 0111 la 1000).

Figura 3.32. Perturbaţii

Pentru a produce forme de undă de înaltă calitate, unui DAC trebuie să-i urmeze un filtru Trece-Jos pentru a îndepărta frecvenţele înalte şi orice perturbaţii nedorite. Plăci ca NB-A2100 au filtre analogice Trece-Jos care netezesc forma de undă şi scot semnalele nedorite de înaltă frecvenţă.

Figura 3-33. Scoaterea zgomotului utilizând un filtru Trece-Jos

EXERCITIUL 3.6

OBIECTIV: Utilizarea DAC-urilor pentru a scoate la ieşire o valoare de tensiune la un moment dat. Anterior rulării acestui demo, se conectează ieşirea analogică CH0 la intrarea analogică CH1 de pe Demo Box.

1. Se deschide şi se rulează VI-ul Analog Output 1-Pt Example.

VI-ul scoate o singură tensiune pe canalul de ieşire analogică 0 la fiecare moment la care se apasă butonul Output Voltage. Tensiunea este măsurată utilizând canalul de intrare analogică 1 şi afişată în indicatorul Input Voltage. Digital Code specifică valoarea tensiunii la ieşire utilizând următoarea formulă:

unde codul de intrare se întinde de la –2048 la 2047

Notă: Implicit, NB-MIO-16 şi AT-MIO-16 utilizează tensiunea internă de referinţă de 10 V şi sunt configurate pentru modul bipolar.

2. Se introduc diferite valori pentru Digital Code şi se apasă butonul Output Voltage pentru a scrie codul digital la DAC. In acest exemplu, Output Voltage cheamă funcţia de scriere a tensiunii la DAC. Valoarea tensiunii este scoasă imediat după ce funcţia scrie valoarea la DAC. Cu alte cuvinte, după scrierea valorii la DAC, funcţia trimite un semnal de actualizare pentru a realiza conversia D/A şi produce noua tensiune.

3. Se închide VI-ul fără a se face salvări.

Sfârşitul exerciţiului 3.6

EXERCITIUL 3.7

OBIECTIV: Utilizarea DAC-urilor pentru generarea formei de undă.

Inainte de a rula acest demo, se conectează ieşirea analogică CH0 la intrarea analogică CH1 de pe Demo Box.

1. Se deschide şi se rulează VI-ul Analog Output Wfm Gen Example.

VI-ul generează o formă de undă şi o scoate în mod continuu, utilizând canalul de ieşire analogică 0. VI-ul introduce, de asemenea, forma de undă, utilizând canalul de intrare analogică 1 şi o trasează pe un graph.

2. Se creşte şi se descreşte rata de actualizare. Se observă că frecvenţa formei de undă la ieşire creşte sau descreşte. Comanda ratei de actualizare specifică rata la care DAC-ul scoate tensiunea. Frecvenţa curentă a formei de undă la ieşire depinde de doi factori – numărul de puncte care fac un ciclu şi rata la care sunt scoase punctele.

De exemplu, dacă o perioadă a formei de undă constă din 100 puncte, iar rata de actualizare este de 2,000 puncte/s, frecvenţa formei de undă curente este 20 Hz.

Se poate modifica frecvenţa de ieşire şi prin modificarea dimensiunii buffer-ului. De exemplu, dacă un ciclu (perioadă) al formei de undă constă din 10 puncte şi rata de actualizare este 2.000 pct/s, frecvenţa curentă a formei de undă este 200 Hz.

Compromisul, totuși, este că forma de undă are o rezoluţie mult mai mică. Cu alte cuvinte, trecerea de la un punct la următorul punct este mult mai abruptă.

Când se calculează frecvenţa formei de undă la ieşire, trebuie să se ia în considerare atât dimensiunea buffer-ului cât şi rata de actualizare.

• Dacă dimensiunea buffer-ului este prea mică, forma de undă poate să nu aibă rezoluţie suficientă.

• Dacă rata de actualizare este prea rapidă şi placa DAQ utilizează întreruperi pentru a transfera date de la memorie la DAC, CPU poate cheltui prea mult timp cu întreruperile pentru a deplasa următorul punct în buffer-ul formei de undă şi computerul poate apărea lent sau chiar blocat.

• Pentru rate de actualizare rapide, se va lua în consideraţie o placă care utilizează DMA pentru a deplasa date din memorie la DAC, sau are pe placă un FIFO DAC cu caracteristici de retransmitere.

3. Se închide VI-ul fără a se face salvări.

Sfârşitul exerciţiului 3.7

Rezumat

Plăcile DAQ multifuncţionale includ:

• ADC-uri

• DAC-uri

• Porturi I/O digitale

• Circuite de contorizare/sincronizare

Circuitele de intrare analogică sunt compuse din:

• Multiplexor analogic (mux)

• Amplificator de instrumentaţie

• Scheme de eşantionare şi memorare (S/H)

• ADC

Toate componentele joacă un rol vital în determinarea a cât de rapid poate achiziţiona date schema de intrare analogică. Când se măsoară semnale analogice cu o placă DAQ, trebuie să se ia în considerare nu numai tipul intrărilor de utilizat (simple, diferenţiale sau NRSE), dar de asemenea următorii factori care afectează calitatea semnalului digitizat:

• Rezoluţia

• Gama

• Nelinearităţile

• Rata de eşantionare

Plăcile DAQ multifuncţionale conţin DAC-uri pentru generarea tensiunilor. Multe din consecinţele care se aplică la achiziţionarea semnalelor analogice se aplică de asemenea la generarea semnalelor analogice. DAC-urile scot tensiunea în unul din două moduri:

• Imediat

• Mod de generare formă de undă