2.1 BAZELE ACHIZIȚIEI DE DATE (DAQ)

Scopul unui sistem DAQ este de a măsura un astfel de fenomen fizic ca lumină, temperatură, presiune sau sunet. Un sistem DAQ include următoarele blocuri:
• Traductor
• Semnal
• Condiționarea semnalului
• Dispozitiv DAQ
• Software la nivel de driver și la nivel de aplicație

Cu aceste cinci elemente de bază, puteți aduce fenomenul fizic pe care îl doriți să măsurați în computer pentru analiză și prezentare.

2.2 TRADUCTOARE

Achiziționarea semnalului este procesul de conversie a fenomenelor fizice în date pe care computerul le poate folosi. O măsurare începe cu utilizarea unui traductor pentru a converti un fenomen fizic într-un semnal electric. Traductoarele pot genera semnale electrice pentru a măsura lucruri precum temperatura, forța, sunetul sau lumina. Următorul tabel listează câteva traductoare comune.

Tipuri de traductoare

Traductoarele sunt utilizate pentru o varietate de nevoi, cum ar fi măsurarea temperaturii, presiunii și debitul fluidului. Consultați ni.com/sensors pentru mai multe informații despre traductoare și de unde să le obțineți.

Diferitele traductoare au cerințe diferite pentru conversia unui fenomen fizic într-un semnal măsurabil. De exemplu, un detector de temperatură rezistiv (RTD) are nevoie de un curent de excitație pentru a măsura temperatura. Un termocuplu nu are nevoie de curent de excitație, dar are nevoie de compensarea joncțiunii reci. Mărcile tensometrice utilizează o configurație de rezistoare numită punte Wheatstone pentru a măsura deformația. Înainte de a stabili nivelul sistemului, ar trebui să știți dacă traductorul are ceva cerințe speciale. Contactați furnizorul traductorului pentru mai multe informații despre modul de utilizare corectă a traductorului.

2.3 SEMNALE

Cu ajutorul unui traductor, convertiți un fenomen fizic într-un semnal. Nu toate semnalele sunt măsurate în același mod, deci trebuie să clasificați semnalul ca digital sau analogic.

După ce clasificați semnalul, decideți ce tip de informații doriți din acel semnal. Posibilele tipuri de informații pe care le puteți obține de la un semnalele sunt starea, rata, nivelul, forma și frecvența.

Notă: Această discuție despre semnale presupune că obțineți semnalul. Dar, majoritatea punctelor se aplică și generării unui semnal. Diferența dintre achiziționarea și generarea unui semnal este că nu aveți nevoie de analiză atunci când generați un semnal cu o frecvență specifică.

Semnale analogice

Spre deosebire de semnalele digitale, un semnal analogic poate fi la orice nivel de tensiune în raport cu timpul. Deoarece un semnal analogic poate fi în orice stare în orice moment, aspectele fizice pe care doriți să le măsurați diferă de cele ale unui semnal digital.

Informații despre semnal analogic

Puteți măsura nivelul, forma și frecvența unui semnal analogic, așa cum se arată în ilustrația următoare.

• Nivel — Măsurarea nivelului unui semnal analog este similar cu măsurarea stării unui semnal digital. Diferența este că un semnal analogic poate să fie la orice nivel de tensiune, dar un semnal digital este fie 0 V, fie 5 V.

• Formă - Măsurarea formei semnalului este adesea importantă deoarece semnalele analogice pot fi în orice stare în raport cu timpul. De exemplu, o undă sinusoidală are o formă diferită de cea a unui dinte de ferăstrău. Măsurarea formei unui semnal poate duce la analiza altor aspecte ale semnalului, cum ar fi ca valori de vârf, pantă sau integrare.

• Frecvență — Măsurarea frecvenței unui semnal analogic este similară cu măsurarea ratei unui semnal digital. Totuși, nu puteți măsura în mod direct frecvența unui semnal analogic. Trebuie să realizați analiza software a semnalului pentru extragerea informațiilor despre frecvență, de obicei cu o transformată Fourier.

Nivelul majorității semnalelor nu se schimbă prea mult în raport cu timpul. Totuși, de obicei trebuie să măsurați semnalul cu un nivel ridicat de acuratețe. Prin urmare, aveți nevoie de un dispozitiv DAQ cu o rezoluție înaltă, dar nu o rată de eșantionare ridicată. Folosind o varietate de traductoare, puteți măsura tensiunea unei surse de alimentare, temperatura unui rezervor de amestecare, presiunea în interiorul unui furtun sau sarcina pe o componentă a unei mașini, după cum se arată în figura următoare.

Când măsurați forma unui semnal, trebuie să cunoașteți relația acelui semnal în raport cu timpul. Unele semnale se schimbă rapid în timp. Majoritatea aplicațiilor în care măsurați forma necesită, de asemenea, un nivel ridicat de acuratețe. Prin urmare, aveți nevoie de un dispozitiv DAQ cu o rezoluție înaltă și o rată de eșantionare ridicată.

Exemple de măsurare a formei sunt abundente în domeniile medical, electronic și auto și variază de la măsurarea bătăilor inimii, la măsurarea unui semnal video, la măsurarea vibrației unui arc. După ați dobândit semnalul, îl puteți analiza pentru a extrage informațiile specifice de care aveți nevoie despre formă.

De exemplu, atunci când măsurați tensiunea arterială, vă preocupă valoarea de vârf. Dar, la răspunsul circuitului rezistor-condensator (RC), sunteți mai preocupat de modul în care variază amplitudinea în timp, așa cum se arată în figura următoare.

Odată ce ați obținut semnalul în raport cu timpul (grafic de timp), utilizați analiza software pentru a converti semnalul din grafic de timp în grafic de frecvență. LabVIEW oferă analiza software necesară, așa cum se arată în figura următoare.

Semnale digitale

Un semnal digital are doar două stări posibile - ON (High logic) sau OFF (Low logic). Un semnal digital este adesea denumit ca semnal Transistor-to-Transistor Logic (TTL). Specificațiile pentru un semnal TTL definesc un nivel de tensiune între 0 și 0,8 V ca low logic și un nivel de tensiune între 2 și 5 V ca high logic. Majoritatea dispozitivelor digitale acceptă un semnal compatibil TTL.

Informații despre semnal digital

Puteți măsura doar două aspecte ale unui semnal digital: starea și rata.

• Starea — Un semnal digital are doar două stări posibile: ON sau OFF. Unul dintre aspectele unui semnal digital pe care îl puteți măsura este dacă starea este ON sau OFF.

• Rata - Un semnal digital schimbă, de asemenea, starea în raport cu timpul. Celălalt aspectul al unui semnal digital pe care îl puteți măsura este rata sau modul în care semnalul digital schimbă stările în timp.

Considerați următorul exemplu de măsurare a stării unui semnal digital.

Să presupunem că aveți un comutator pe care doriți să îl monitorizați. Acest comutator pornește sau oprește o lumină. În exemplul de mai sus, când comutatorul este deschis, măsurați 0 V (OFF). Când comutatorul este închis, măsurați 5 V (ON). Măsurând starea semnalului digital, puteți determina dacă lumina este aprinsă sau oprită.

Priviți acum la următorul exemplu pentru măsurarea ratei unui semnal digital.

Să presupunem că aveți un motor și doriți să determinați cât de rapid se învârte arborele motorului. Un encoder (codificator) este un traductor care poate converti mișcarea rotativă a arborelui motorului într-un semnal digital. Când un codificator se rotește, produce două semnale digitale. Fiecare semnal digital este o serie de stări alternative ON sau OFF, numită tren de impulsuri. Pentru fiecare increment de rotație, veți obține un impuls. Creșterea rotației depinde de codificator. De exemplu, DAQ Signal Accessory pe care îl utilizați în acest curs are un codificator care oferă 24 impulsuri pe rotație. Puteți măsura rata unuia dintre trenurile de impulsuri pentru a determina cât de rapid se rotește arborele. Puteți măsura ambele trenuri de impulsuri pentru a determina nu numai cât de rapid se rotește arborele, ci și direcția în care se rotește.

Exercițiul 1-1 VI-ul Signals Example

Obiectiv: să măsoare starea, rata, nivelul, forma și frecvența unui semnal.

1. Efectuați următoarele conexiuni și reglaje pe DAQ Signal Accessory:
   a. Conectați unda pătrată de la Function Generator la analog input 1. b. Rotiți butonul Frequency Adjust cât mai jos posibil. Asigurați-vă că Frequency Range este setată la 100 Hz - 10 kHz.

2. Deschideți VI-ul Signals Example situat în directorul C:\Exercises\LabVIEW DAQ. Acest VI măsoară starea, rata, nivelul, forma, și frecvența undei pătrate pe care ați conectat-o ​​la intrarea analogică 1, așa cum se arată în următorul panou frontal.

3. Rulați VI-ul.

4. Schimbați controlul Signal Class în Digital On/Off făcând clic pe butonul de incrementare din stânga comenzii. LED-ul Pulse State (ON/OFF) ar trebui să pâlpâie.

Notă: Conectați unda pătrată la un canal de intrare analogic, nu la o linie digitală. Prin urmare, acest exemplu nu detectează starea semnalului pe baza definiției TTL că 0 V la 0,8 V este OFF și 2 V la 5 V este ON. În schimb, acest exemplu citește orice valoare sub 2,5 V ca OFF și orice valoare peste 2,5 V ca ON.

5. Schimbați controlul Signal Class în Digital Pulse. Indicatorul Pulses Counted ar trebui să crească.

Notă: Ați conectat unda pătrată la un canal de intrare analogic, nu la un contor. Prin urmare, acest exemplu nu numără impulsurile prin detectarea frontului unui semnal ca un contor. În schimb, incrementează indicatorul Pulses Counted de fiecare dată când semnalul crește peste 2,5 V.

6. Schimbați controlul Signal Class în Analog DC făcând clic pe butonul de incrementare din stânga comenzii. Diagrama semnalului DC ar trebui să afișeze puncte care sunt fie la 0 V, fie la 5 V. Graficul nu afișează forma sau frecvența semnalului, doar nivelul. Când măsurați nivelul unui semnal, semnalul se trasează de-a lungul unei axe temporale, pe care nu o vedeți când măsurați starea semnalului. Când achiziționați nivelul unui semnal, viteza de achiziție nu este la fel de importantă ca acuratețea măsurării. Prin urmare, acest exemplu folosește o achiziție temporizată-software pentru a măsura nivelul undei pătrate.

7. Schimbați controlul Signal Class în Time Domain făcând clic pe butonul de incrementare din stânga comenzii. Graficul domeniului timp ar trebui să afișeze trenul de impulsuri. Pentru a achiziționa forma semnalului, rata de achiziție trebuie să fie foarte rapidă. Pentru a obține o rată de achiziție suficient de rapidă pentru a dobândi forma undei pătrate, acest exemplu folosește un achiziție temporizată-hardware.

8. Schimbați controlul Signal Class în Frequency Domain făcând clic pe butonul de incrementare din stânga comenzii. Graficul domeniului frecvență ar trebui să aibă un vârf mare la aproximativ 100 Hz. Amintiți-vă că pentru a obține frecvența undei pătrate este necesară analiza software. LabVIEW calculează spectrul de putere al undei pătrate și îl trasează pe grafic. Un spectru de putere este o modalitate de a măsura frecvențele prezente într-un semnal.

9. Opriți și închideți VI. Nu salvați modificările.
Sfârșitul exercițiului 1-1

2.4 PREZENTAREA GENERALĂ A CONDIȚIONĂRII SEMNALULUI

Nu puteți conecta întotdeauna semnalul direct la un dispozitiv DAQ. Este posibil să fie necesar să modificați semnalul pentru a-l face potrivit să fie măsurat de un dispozitiv DAQ.

Condiționarea semnalului este una dintre cele mai importante tehnologii din sistemele de măsurare și automatizare. Aceasta oferă interfața dintre semnale/senzori și sistem de măsurare. Cu condiționarea semnalului front-end National Instruments, veți integra numeroase tehnologii într-o singură platformă, crescând numărul și tipurile de măsurători pe care le puteți efectua. În funcție de viteza de achiziție, tipurile de semnale/senzori și numărul de canale pentru aplicația dvs., alegeți din sistemele de condiționare a semnalului SCXI sau SCC de la National Instruments.

Alegeți platforma și arhitectura Signal Conditioning eXtensions for Instrumentation (SCXI) atunci când trebuie să automatizați o aplicație cu un număr mare de canale sau dezvoltarea unui sistem care necesită rate de achiziție ridicate. SCXI este un sistem dovedit în utilizare de ingineri și oameni de știință din 1991 și include mai mult de 25 de module.

Sistemul National Instruments Signal Conditioning Components (SCC) este ideal pentru sistemele portabile care necesită număr de canale de la mic la mediu. Puteți alege dintre mai mult de 30 de module de numărare cu un singur și dual-canal.

Consultați ni.com/sigcon pentru mai multe informații despre Produse SCXI și alte echipamente de condiționare a semnalului National Instruments.

Majoritatea traductoarelor au nevoie de un fel de hardware extern pentru a-și îndeplini sarcina. De exemplu, detectoarele de temperatură rezistive au nevoie de un curent de excitație, iar mărcile tensometrice au nevoie de o configurație de rezistoare numită punte Wheatstone. Condiționarea semnalului este procesul de măsurare și manipulare semnale pentru a îmbunătăți acuratețea, izolarea, filtrarea și așa mai departe.

Pentru a măsura semnalele de la traductoare, trebuie să le convertiți într-o formă pe care un dispozitiv DAQ o poate accepta. De exemplu, tensiunea de ieșire a celor mai multe termocuple este foarte mică și susceptibilă la zgomot. Prin urmare, trebuie să amplificați ieșirea termocuplului înainte de a o digitaliza. Această amplificare este o formă de condiționare a semnalului. Tipurile comune de condiționarea semnalului include amplificarea, liniarizarea, excitația traductorului și izolare.

Figura 1-1 prezintă câteva tipuri comune de traductoare și semnale și condiționarea semnalului necesară fiecăruia.

Amplificarea

Amplificarea este cel mai comun tip de condiționare a semnalului. Amplificarea semnalelor electrice îmbunătățește acuratețea semnalului digitalizat rezultat și reduce efectele zgomotului. Un exemplu comun este semnalul de la un termocuplu, care produce o tensiune în gama de milivolți.

Dacă trimiteți semnalul de la un termocuplu direct la un dispozitiv DAQ, o variație de un grad sau două de temperatură ar putea să nu fie detectată de sistem. Dar, dacă amplificați semnalul, aveți un semnal care este mai bine potrivit pentru gama dispozitivului DAQ. Puteți amplifica semnalul fie pe dispozitivul DAQ sau extern.

Amplificați semnalele de nivel scăzut la dispozitivul DAQ sau modulul SCXI (etichetat ca amplificatorul extern din Figura 1-2) situat cel mai aproape de sursa de semnal pentru a crește raportul semnal-zgomot (SNR). Pentru cea mai mare exactitate posibilă, amplificați semnalul astfel încât gama maximă de tensiune să fie egală cu gama de intrare maximă a convertorului analogic-digital (ADC).

Dacă amplificați semnalul la dispozitivul DAQ, semnalul este măsurat și digitalizat cu zgomot care ar fi putut intra în firul de legătură, care scade SNR. Dar, dacă amplificați semnalul aproape de sursa de semnal cu un modul SCXI, zgomotul are un efect mai puțin distructiv asupra semnalului și reprezentarea digitalizată este o reflectare mai bună a semnalului original de nivel scăzut.

Consultați site-ul web National Instruments la ni.com/info și introduceți cod info exd2hc pentru mai multe informații despre semnale analogice.

Sfat: Există mai multe moduri de a reduce zgomotul:

• Utilizați cabluri ecranate sau o pereche de cabluri răsucite.
• Minimizați lungimea firului pentru a minimiza zgomotul preluat de firele de legătură.
• Păstrați firele de semnal la distanță de cablurile de putere AC și de monitoare pentru a reduce zgomotul de 50 sau 60 Hz.

Raport semnal-zgomot

SNR este o măsură a cât de mult zgomot există într-un semnal în comparație cu semnalul în sine. SNR este definit ca nivelul de tensiune al semnalului împărțit la nivelul de tensiune al zgomotului. Cu cât SNR este mai mare, cu atât mai bine. Așa cum se arată în în tabelul următor, SNR este cel mai bun atunci când semnalul este amplificat doar extern și cel mai rău atunci când semnalul este amplificat doar pe dispozitivul DAQ.

Alte tipuri de condiționare a semnalului

Există mai multe alte tipuri de condiționare a semnalului.

• Linearizare - Multe traductoare au un răspuns neliniar la modificări ale fenomenelor fizice pe care le măsurați. De exemplu, o schimbare în tensiune de 10 mV pentru un termocuplu nu este de obicei o schimbare de 10 grade. Majoritatea traductoarelor au tabele de liniarizare care arată cum se scalează transductorul. Se poate face liniarizarea traductorului fie în hardware fie software. LabVIEW poate liniariza nivelele de tensiune de la traductoare, astfel încât să puteți scala tensiunile la fenomenele măsurate. LabVIEW oferă funcții de scalare pentru a converti tensiunile de la mărci tensometrice, RTD-uri, termocuple și termistoare.

• Excitație traductor - Sistemele de condiționare a semnalului pot genera excitație, pe care unele traductoare o necesită pentru funcționare. Mărcile tensometrice și RTD-urile necesită tensiune externă și, respectiv, curenți pentru a excita circuitele lor în măsurarea fenomenelor fizice. Acest tip de excitație este similar cu un radio care are nevoie de energie pentru a primi și decoda semnale audio.

• Izolare - Un alt mod obișnuit de a utiliza condiționarea semnalului este izolarea semnalele traductorului de la computer din motive de siguranță. Cand semnalul pe care îl monitorizați conține vârfuri mari de tensiune care ar putea deteriora computerul sau dăuna operatorului, nu conectați semnalul direct la un dispozitiv DAQ fără un anumit tip de izolare. De asemenea, puteți utiliza izolarea pentru a vă asigura că diferențele între potențialele de masă nu afectează măsurătorile de la dispozitivul DAQ. Când nu raportați dispozitivul DAQ și semnalul la același potențial de masă, poate apărea o buclă de masă. Buclele de masă pot provoca o reprezentare inexactă a semnalului măsurat. Dacă diferența de potențial între masa semnalului și masa dispozitivului DAQ este mare, pot apărea daune în sistemul de măsurare. Utilizarea modulelor SCXI izolate elimină bucla de masă și se asigură că semnalele sunt exact măsurate.

• Filtrare - Puteți utiliza filtrarea pentru a elimina porțiuni nedorite din semnal. Majoritatea zgomotului este creat de alimentarea cu curent alternativ - de exemplu, sursa de alimentare a computerului sau luminile aeriene. Zgomotul apare la aproximativ 60 Hz. Utilizați o filtru low-pass cu o frecvență cutoff mai mică de 60 Hz pentru a elimina zgomotul din semnal. Puteți utiliza filtrarea în hardware sau software.

Rezumat

Un sistem DAQ este format din cinci componente:

• Traductoarele transformă un fenomen fizic într-un semnal măsurabil.
• Semnalele pot fi digitale sau analogice. În funcție de semnal, puteți
măsurați starea, rata, nivelul, forma sau frecvența.
• Condiționarea semnalului facilitează măsurarea semnalelor cu un dispozitiv DAQ.
• Hardware DAQ
• Software DAQ