Transcript INTRĂRI / IEŞIRI ANALOGICE ŞI DIGITALE Ágoston Katalin Universitatea “Petru Maior” Tg.Mureş Conversia A / D • Condiţionarea semnalului - alimentarea senzorului, filtrare, protecţia intrării, liniarizare • Multiplexor •

INTRĂRI / IEŞIRI
ANALOGICE ŞI
DIGITALE
Ágoston Katalin
Universitatea “Petru Maior” Tg.Mureş
Conversia A / D
• Condiţionarea semnalului - alimentarea senzorului, filtrare, protecţia intrării,
liniarizare
• Multiplexor
• Amplificator de instrumentaţie cu câştig programabil
• Convertor A/D
• Memorie tampon
• Circuit de comandă şi control
1. Rezoluţia şi viteza CAD
Specificaţii: rezoluţie, acurateţe, viteză  determină performanţele sistemului
n 1
U IN
 N   ak  2k
U REF
k 0
UIN 10V, 5V, 2.5V, 1.25V
 plăci interne PC
Instrumente domeniu mai dinamic
Nr. de biţi: 8, 10, 12, 16 / la instrumente 18, 24
Ex. n8biţi, UIN 10V 
n16biţi,

U IN
q n
2
20 20

 78.125m V
8
2
256
20
q  16  1.22m V
2
q
Nr. biţi
8
10
12
16
256
1024
4096
65536
0-10V
39.06mV
9.765mV
2.441mV
152.59V
0-5V
19.53mV
4.883mV
1.221mV
76.29V
10V
78.12mV
19,53mV
4.883mV
305.2V
5V
39.06mV
9.765mV
2.441mV
152.59V
2.5V
19.53mV
4.883mV
1.221mV
76.29V
1.25V
9.76mV
2.441mV
610.35V
38.15V
9.96V
9.99V
9.9976V
9.99985V
Nr. stări de ieşire
Tensiunea max de intrare 0-10V
Concluzii: - intrări bipolare  primul bit  bit de semn
- tensiunea max de intrare este mai mic cu q
- valoarea medie poate fi zero doar la citiri, intrări bipolare
- eroarea de ofset a CAD să elimine erorile de ofset a amplificatorului
programabil, mai ales la rezoluţie mică
er 
Exemplu: UIN0-10V
n8
n 16
10
q
 39m V
256
q  0.152m V  152V
x
100
xmas
0.039V
er1 
100  0.39%
9.96V
152106 V
er 2 
100  0.00152%
9.96V
Eroarea de amplificare pt. plăci plug-in: 0.01% - 0.05%
Eroarea totală depinde de dom. tensiunii de intrare, echipament, mediu
Eroarea totală a echipamentului  eroarea cerută pt. măsurare
Ex: senzor cu 1% ,
A/D cu n16biţi
NU  ultimul bit influenţat de zgomote
2. Precizia intrării
Precizia intrării depinde dar nu este egal cu rezoluţia intrării.
Precizia SAD dep. de toate componentele analogice de la intrare (mux, pga, A/D)
Precizia se poate exprima prin: precizia absolută / precizia relativă
Precizia absolută la un cod de ieşire dat a A/D este diferenţa dintre
tensiunea actuală şi tensiunea teoretică necesară producerii acelui cod.
Se defineşte pentru un pas.
Precizia relativă este abaterea de la valoarea teoretică după calibrarea scării.
(full-scale range - FSR)
Se defineşte pentru întregul domeniu.
Moduri de exprimare şi de calcul a erorii pt. CAD cu 12biţi şi 10V:
a) 0.024% din valoarea citită  1bit
 0.024 1 
precizia  10V  
 12   4.8m V
100
2 

b) Abaterea totală de biţi 2biţi
precizia  2  q  2 
10V
 4.8mV
12
2
c) 0.048% din FSR
precizia  10V 
0.048
 4.8mV
100
3. Numărul efectiv de biţi
q
U IN
2n
n – numărul de biţi teoretic
La o frecvenţă de eşantionare trebuie luate în considerare
performanţele în domeniul de frecvenţă
ENOB – Effective Number Of Bits
Tipuri de erori: nelin., apertură, zgomot, distorsiuni, timp de setare.
Neliniaritate: - abaterea de la caracteristica liniară trasată prin zero în direcţia de
creştere şi descreştere a amplitudinii.
Neliniaritate: - diferenţială şi integrală
Nelin. Dif. – deviaţia, abaterea de la lăţimea pasului cuantumului ideal care
determină valoarea LSB.
Nelin. Integr. – referă la abaterea pe întreg domeniu a tensiunii de intrare.
Sisteme multicanale – comutarea este o sursă de erori  semnalul se digitalizează
cu orice distorsiune.
Trebuie evaluat THD – Total Harmonic Distortion dat pentru un
SNR – Signal to Noise Ratio
ENOB depinde de SNR, se determină din definiţia pentru SNR.
Valoarea teoretică
SNR  (6.02n+1.76)dB  n  (SNR-1.76)/6.02
Ex: n12, SNR  74dB,  ENOB (SNRactual -1.76)/6.02
ENOB (74 – 1.76)/6.02  12
Trebuie măsurat SNR cu generator de funcţii cu FFT
ENOB (69 – 1.76)/6.02  11
4. Viteza maximă a CAD
Viteza depinde de numărul de biţi şi de tipul convertorului,
se exprimă în unităţi de timp.
Specificaţii se referă la nr. max. de eşantioane care pot fi prelucrate
sample/sec, kS/s, MS/s
şi NU Hz
Sistemele multicanale:
sample rate /nr.canale
Ex:
A/D  100 000sample, MUX 8 canale  1canal  100 000sample
2 canale  50 000sample
8 canale  12 500sample
Dacă amplificarea pe canale diferă viteza de eşantionare scade.
5. Tipuri de CAD
• CAD cu aproximări succesive
• CAD cu integrare – indirect – tensiune / timp - (simplă şi dublă integrare)
• CAD paralel – flash converter
• CAD serie-paralel
• CAD sigma-delta
Parametrii principali: viteză, rezoluţie, imunitate la zgomot, cost
Tip
Viteza max.
Rezoluţie
Imunitate la
zgomot
Cost
CAD aproximări
succesive
10kHz – 1MHz
mediu
6-16 biţi
Mic
Redus
10Hz – 30Hz
mică
12-24 biţi
Foarte bun
Redus
1MHz- 500MHz
rapid
4-8 biţi
Nu
Ridicat
Până la 1MHz
mic, mediu
16 biţi
Mare
Redus
CAD integrare
CAD flash
CAD sigmadelta
Convertor A/D Sigma-Delta
Utilizare: sisteme de comunicare, audio, industrial, măsurări de precizie.
Singurul convertor care asigură domeniu dinamic şi flexibilitate a semnalului
de intrare cu bandă de frecvenţă redusă având cost redus.
Mod de realizare: supraeşantionare,
modulare -,
filtrare digitală,
decimare
Calculul frecvenţei de eşantionare
Ex.1.
- se digitalizează un semnal rampă având viteza m u(t)mt
- se doreşte ca variaţia semnalului  q
U
- se foloseşte un CAD cu n 10biţi
q  max
m  Te  q  f e 
vmax
Ex.2.
210
m vmax

q
q
 du 
 
 dt  max
fe 
vmax
m

U max
q
210
- se achiziţionează o tensiune u0-10V cu o eroare 40mV
- viteza de variaţie a semnalului 4000V/s
q  40 mV 
U max 10
10V
n


2

 n  8bit
n
n
2
2
40 mV
vmax 4000V / s
fe 

 100kHz
q
40m V
Ex.3.
Viteza de variaţie a unui semnal sinusoidal

ut   2 1.5  sin 2    5 103  t

Amplitudinea semnalului este Umax2.12V
Frecvenţa semnalului este f 5kHz
Perioada semnalului este T 0.2ms
Semnalul creşte la valoarea maximă pe durata T/4 0.05ms
Viteza de variaţie a semnalului este
v
U max
2.12V
3


42
.
4

10
V / s  42400 V / s
3
t
0.05 10 s
Se foloseşte un convertor A/D cu 8 biţi, eroarea cu care se măsoară semnalul
q
U max 3V

 0.0117V  11.7 mV
8
2
256
Frecvenţa de eşantionare va fi
fe 
v 42400V / s

 3.624MHz
q
11.7m V
6. Filtre aliasing şi antialiasing
Un alias este o componentă falsă de semnal care apare în cazul semnalelor
eşantionate la o frecvenţă de eşantionare joasă.
Eroarea aliasing apare când semnalul conţine componente cu frecvenţă mai mare
ca jumătatea frecvenţei de eşantionare (teorema Nyquist).
Ex: - achiziţia pe un canal se face cu 100kS/s, atunci semnalul nu poate conţine
componente cu frecvenţă mai mare ca 50kHz, altfel apare componenta
falsă la reconstrucţie.
- dacă vor fi folosite 8 canale, pe fiecare canal frecvenţa de eşantionare va fi
12.5kHz şi eroarea de aliasing va fi determinat de orice componentă
cu frecvenţă mai mare ca 6.25kHz.
Eliminare: - frecvenţa de eşantionare cât mai mare
- filtru antialiasing înaintea CAD
Caracteristica filtrului antialiasing
Tipuri de filtre antialiasing: Butterworth, Bessel, Cauer (eliptic)
Diferenţe: grad de atenuare, oscilaţii, cât de abruptă este caracteristica
Conversia D/A
Generarea semnalelor de ieşire.
Inversul CAD.
Aceleaşi caracteristici, performanţe, proprietăţi
Important: la ieşire pot furniza doar câteva mA.
Legare cu 4 fire – distanţă CDA şi echipament de testat mare.
Se realizează o buclă de reacţie, neafectat de curentul furnizat.
KPCI - 3130
Interfaţare intrări/ieşiri digitale
Succesul comunicării digitale depinde de capacitatea de
interpretare stărilor ON/OFF
TTL, CMOS, LS-TTL
Protecţii la intrare împotriva semnalelor tranziente
Comutatoare mecanice
Comutatoare mecanice
Apariţia impulsurilor false – regim tranzitoriu de durată 1-5ms
Erori la citirea semnalului.
Eliminare: - soft – citire multiplă până la stabilizarea semnalului – întârziere
- hard – utilizarea unui bistabil
Semnale cu variaţii lente
Soluţionare:
1. Mărirea vitezei semnalului
2. Folosirea comparatorului pentru
detectarea unui anumit nivel de
tensiune.
3. Pentru o comutare clară la un semnal
lent sau zgomotos se foloseşte
Schmitt triger (histereză).
4. Prin soft se ignoră schimbările de
stări care apar prea repede faţă de
schimbarea precedentă.
Adaptarea nivelului de semnal
TTL  0-5V
CMOS  0-12V
Circuite tampon, porţi inversoare sau neinversoare (CD4049, CD4050)
Producerea U şi I mai mare la ieşire
• Pentru I15mA – 100mA
NPN tranzistor
• Pentru I 100mA
Darlington NPN tranzistor
• Relee statice – Solide-state relay
ieşire: 250V d.c.
280Vef a.c.
intrare: 280V d.c./a.c.
Solide-state relay
Avantaje:
• mai rapide decât releele mecanice (Tacţiune  ns)
• nu există părţi în mişcare, durată de viaţă mai mare
• operaţie sigură, fără impulsuri multiple
• zgomot electric mic la comutare
• mic ca dimensiune
• silenţios
Dezavantaje:
• zgomot electric în stare de conducţie
• impedanţă mai mare în stare închisă
• impedanţă mai mică în stare deschisă
• cuplare falsă la tensiuni tranziente
• mai scumpe
crydom.com
Izolarea intrării sau ieşirii
Nu este o conexiune electrică, nici punct de referinţă comun între 2 semnale:
- sura de semnal şi sistemul de achiziţie
- SDD şi circuit de comandă
Izolarea se face dacă:
• există o diferenţă de potenţial între mese şi sistemul de achiziţii sau
echipament exterior. Dacă diferenţa de potenţial este mare apar
măsurări eronate sau avarie.
• echipamentul extern conţine surse de tensiune interne care pot strica SAD
• semnalele se iau de pe fiinţe umane
• semnalul util este suprapus peste o tensiune de mod comun ridicat
• pentru protejarea traductoarelor
1. Izolarea – digitală – se foloseşte barieră optică
2. Izolare – analogică – se folosesc cuplaj inductiv, optic sau capacitiv
AD210, AD202
ADuM1100
ISO120
Legare la pământ
O masă perfectă înseamnă 0V faţă de pământ şi 0 la orice frecvenţă.
Minimizarea scurgerii de curent:
• Folosirea unei singure surse de tensiune de alimentare, cablu, prelungitor,
de lungime corespunzătoare
• Toate cablurile să fie în condiţie perfectă cu pin de pământare prezent şi legat.
• Folosirea unei singure mese care să fie unic şi central pentru întreg echipament.
• La folosirea ecranului acesta să fie legat doar la un capăt la masă.
• Cablajul să fie cât mai scurt posibil şi corect