Multifunkčné dosky pre zber dát

Prepis

1 Systém zberu dát DAQ data acquisition systems Meranie (a regulácia) v priemysle: Elektrické aj neelektrické veličiny Relatívne pomalé deje (khz, ms) Veľké rušenie a nežiaduce vplyvy Ján Šaliga KEMT FEI TU Košice 016 Čo je multifunkčná doska? Principiálna schéma Viacúčelová doska - modul umožňujúci snímať a generovať analógové a číslicové signály z/do PC Pripojenie k PC: Interná zbernica (PCIe) Merací modulárny systém (PXI, PXIe) USB Ethernet Špeciálne komunikačné rozhranie Pre použitie je potrebný softvér (driver + aplikácia) Univerzálny obyčajne stačí iba overenie základnej funkcie Špeciálny vytvorený podľa aplikácie a požiadaviek užívateľa Typy vstupov a výstupov I. Zemnenie a tienenie 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 1 18bitov 1

2 Diferenčné vstupy Uzemnené vstupy Vysoká odolnosť voči rušeniu vhodné pre malé signály Zložitejšia elektronika a káble Pozor na spoločné napätia ( common mode voltage - na oba vstupy voči GD) presluch CMR, poškodenie vstupu Referenčná zem Referenced single ended ereferenčná zem on-referenced single ended Spojenie výstupov a vstupov 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) Parametre a obvody analógových vstupov doba čela Obvody pri prenose strmých zmien signálov tieto tlmia vyhladzujú Parametre a obvody analógových vstupov vzorkovacia frekvencia (sampling rate) tempo prevodu analógového signálu na číslo (tempo merania analógového signálu) 0.35 až T rd B

3 Vzorkovacia frekvencia Vzorkovacia frekvencia musí byť minimálne dvojnásobkom frekvencie najvyššej zložky obsiahnutej v signáli (yquistova alebo Shannonova podmienka praxi problém Polovica vzorkovacej frekvencie sa nazýva yquistova frekvencia edodržanie yquistovej podmienky - aliasing Signál (zložky) sa objavia po vzorkovaní na iných tzv. aliasingových frekvenciách f alias = ABS(najbližšie.f s f in ) F alias = ABS (100-70) =30 F 3alias = ABS ( ) =30 F 4alias = ABS ( ) =10 Prevod analógového signálu na číslo (kvantizácia) Kvantizačná chyba kvantizačný šum 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 Počet rozlíšiteľných úrovní = -1!!!POZOR vždy pre plný rozsah (Full Scale), t.j. D=FS/( -1) Rozdiel medzi skutočnou a diskrétnou (číslicovou) hodnotou Predpokladá sa rovnomerné rozdelenie pravdepodobnosti Efektívna hodnota kvatizačného šumu: e rms =D/sqr(1) Bodové chybové parametre AČP elinearita AČP - DL a IL Výstupný kód k Reálny AČP Chyba ofsetu Ideálny AČP ežiadúca nelinearita 101 Chýbajúci kód emonotónnosť Chyba zisku Vstupná analógová veličina x(t) [V fs /Q] DL - relatívna chyba Dreal D T( k) T( k 1) skutoňého kvantizačného DL( k) = = 1 kroku pre kód k D D IL relatívna chyba reálnej kvantizačnej úrovne Treal ( k) Tideal( k) IL( k) = = DL( k) IL( k 1) D 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 3

4 Synchronizácia Príklad DL a IL T nom T nom Prevodová charakteristika AČP Deterministický model Výstupný kód k Vstupná analógová veličina x ( t) [ V fs / ] 000 [ k ] = ( k 0, 5 ) V fs pre unipolárny AČP [ ] ( 1 k = k 1 ) V pre bipolárny AČP k = 0, 1,..., -1 fs T[k] - kvantizačná úroveň (prahová úroveň kódu k) V fs celkový (plný) rozsah AČP nominálne rozlíšenie (počet bitov) AČP Pravdepodobnostný model Výstupný kód k P ( k x ) 1 [ ]: T k 1 Deterministická definícia Profil kanála 0 1 1,5 Vstupná analógová veličina x ( t) [ V fs / ] Stochastická definícia Vstupná analógová veličina x ( t) [ V fs / ] P ( k T [ k ]) = P ( k 1 ) T [ k ]) = 0, 5 Testovanie DL a IL Štandardizované metódy IEEE Std , "IEEE Standard for Digitizing Waveform Recorders", IEEE Std. 141, "IEEE Standard for Terminology and Test Methods for Analog-to-Digital Converters koncept Európsky projekt DYAD SMT4-CT98-14, Methods and draft standards for the DYamic characterisation of Analogue to Digital converters, Testovanie DL a IL Štandardizované metódy IEEE Std , "IEEE Standard for Digitizing Waveform Recorders", IEEE Std. 141, "IEEE Standard for Terminology and Test Methods for Analog-to-Digital Converters koncept Európsky projekt DYAD SMT4-CT98-14, Methods and draft standards for the DYamic characterisation of Analogue to Digital converters, Statické štandardizované metódy Založené na pravdepodobnostnom modeli AČP Zdroj taktovacích a riadiacich signálov Dynamické štandardizované metódy Rýchla náhrada statických metód = určenie kvázistatických parametrov (DL, IL,...) prostredníctvom histogramov Určenie dynamických parametrov (SIAD, EOB, THD,...) analýzou záznamu v časovej alebo spektrálnej oblasti Kalibračný zdroj Testovaný AČP Oddeľovací obvod Záznamové zariadenie, napr. logický analyzátor Presný harmonický generátor (DDS) Generátor CLK Riadenie a vyhodnotenie merania - počítač Riadenie a vyhodnotenie merania - počítač + Pásmový priepust Testovaný AČP Oddeľovací obvod Záznamové zariadenie evýhoda: časovo náročné, napr. 1bitový AČP, f s =100kHz ~ 30hodín, f s =10Hz ~ hodín ~ 51rokov Presný harmonický generátor (DDS) Povinné Doporučené Voliteľné podľa potreby Iba pri meraní IMD alebo iných viactónových meraniach Zostava testovacieho pracoviska pre harmonický signál 4

5 Testovanie prostredníctvom histogramov Hustota pravdepodobnosti pre harmonický signál d 1 x 1 p ( x ) = arccos = d x p A p A x Pravdepodobnosť, že na výstupe AČP sa objaví kód k ( 1 V ) fs k [ ] = = V fs k V fs P k d x arcsin arcsin ( ) 1 ) p V k A x p A. 1 1 fs ( ) ( k 1 ) ) 1 Z toho pre ideálny lineárny AČP a ideálny harmonický signál M [ ] V fs k H id k = arcsin p A Porovnanie ideálneho a skutočného histogramu a parametre AČP, napr. ( 1 ) ( ) 1 ) V fs arcsin k 1 A H DL [ k ] = A. [ k ] H [ ] id k H id [ k ] evýhody: - vysoká kvalita a stabilita testovacieho signálu často pri veľmi nízkych frekvenciách, - potreba poznať čo najpresnejšie parametre signálu Vybrané dynamické parametre Pomer signál šum a skreslenie Pomer signál šum Efektívny počet bitov Dynamický rozsah bez rušenia Harmonické skreslenie SR h EOB = log s THD = A SIAD db = 0 log h A 1 rms rms 1 rms = db 10 log H h rms A h h = rms rms SFDR = db 10 log max H h = A 1 A h = & SIAD 1, 76 6, 0 Y ( ) avm f i ( f h ), Y avm ( f sp ) ( Y avm ) 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 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 spektrum M = J zodpovedá skutočnému spektru signálu Výhoda: jednoduché a presné odčítanie a vypočítanie hľadaných parametrov evýhoda: v praxi ťažko realizovateľné f s f i 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 ežiaduci šum Všetky náhodné fluktuácie signálu, ktoré zahmlievajú skutočnú hodnotu (veľkosť) signálu. Zdroje šumu: Tepelný šum každý elektronický prvok, ktorý má fyzikálnu vlastnosť R: (V n ) = 4KTRB [V /Hz] Blikavý (flicker) alebo 1/f šum P prechody v polovodičoch... Šumový prah 5

6 Stratégie potlačenia šumu Precision alebo accuracy? 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 Vlastnosti multiplexerov Odpor v zapnutom a vypnutom stave Doba prepnutia (settling time) Presluchy, šum, parazitné kapacity,... Galvanické oddelenie Bezpečnosť, rôzne potenciály (zeme)... Príklady zapojenia s GO Typy vstupov a výstupov II. Modulačný zosilňovač Analógové výstupy Typicky alebo 4 Typicky 10V v uni alebo bipolárnom režime Vzorkovacia frekvencia až do jednotiek MHz Rozlíšenie typicky 1 16 bitov esymetrické výstupy voči GD v PC 6

7 Typy vstupov a výstupov III. Priame číslicové vstupy a výstupy Skupina vstupov pre snímanie alebo generovanie logických hodnôt (úrovní obyčajne TTL) Programovateľné individuálne po bite alebo skupine (smer, hodnota) iekedy možnosť handshaku a vyrovnávacej pamäte Typy vstupov a výstupov IV. Časovacie vstupy a výstupy (Timer) Meranie časových parametrov číslicových signálov (počet impulzov, frekvencia, perióda, šíka impulzu,...) Generovanie číslicových signálov s danými parametrami (postupnosť impulzov definovanej šírky, striedy,...) Založené na programovateľných čítačoch Systém (softvér) Oscilátor Riad. reg. (W) Stav. reg. (R) Data. reg. (R/W) Source Riadiaca logigka Prepínač OUT CLK čítač (16/4 bitov) Výstup Gate Start/stop Programovanie Driver, konfiguračné utility, vývoj aplikácie Súčasťou dodávky karty býva bezplatný driver a konfiguračná utilita (overenie funkčnosti karty v systéme, defaultné nastavenia) I: Driver: DAQmX Konfigurácia: Measurement and automatisation explorer (MAX) Vývoj aplikácie (operačný systém Windows, Linux, real time): C, ET,... LabVIEW Aplikácia (Windows) Komunikácia s hardvérom cez volanie drivera Aplikácia v LabVIEW: Express DAQ assistant Low level funkcie detailné nastavenie podmienok merania a dynamické zmeny nastavenia počas merania Základná filozofia komunikácie s kartou Vytvorenie úlohy (nepovinné) Výber vstupu/vstupov: V rámci jednej úlohy vždy iba jeden typ (AD, DA, DIO,...) astavenie pripojenia, napr. diff, SE, napäťové rozsahy, vlastné škály, názvy kanálov,... astavenie časovania: Vzorkovanie, Režim snímania (kontinuálne, konečný počet,...) + buffer Synchronizácia triggering Jednoduché softvér/hardvér, post triggering Spustenie úlohy Preberanie/generovanie dát Stop a zrušenie úlohy (vrátenie HW OS) 7

8 Analógový vstup 1. krok Analógový vstup - časovanie Základná konfigurácia: Výber analógových vstupov (konfigurácia v MAX) pre viacero vstupov špeciálny zápis Maximálne napätia a konfigurácia vstupu Pomenovanie Voľba jednotiek a prepočítavacej škály (lineárna) astavenie vzorkovania potrebné iba pri snímaní časového úseku signálu): Režim: kontinuálne, konečný počet Vzorkovacia frekvencia Počet vzoriek (bufer) Zdroj vzorkovacích hodín (intext) Aktívna hrana Analógový vstup - triggering Analógový vstup štart úlohy epoviná funkcia určuje podmienky trigeringu po spustení úlohy Potrebné je vybrať vhodnú verziu (instance) pozor nie všetky karty podporujú všetky možnosti triggeringu vždy viď datasheet a user manual. Príklady: obdoba osciloskopu (na úroveň, od iného vstupu analog/digital, okno,...) Post a pre triggering Pre analógový vstup povinné, ak je potrebné spustiť úlohu po pozastavení (viď Stop) Pozastavenie ale nie zrušenie úlohy cez Stop (viď ďalej). Analógový vstup čítanie vzoriek Analógový vstup - ukončenie Multi instance ikona použivaná pre všetky druhy vstupov cez kartu potrebné vybrať vhodnú verziu a typ dát napr. jedna vzorka, pole z jedného vstupu, pole z viacerých (multiplexovaných) vstupov, dáta vo forme poľa, waveformu, atď. Vstupy (podľa verzie): Timeout Počet vzoriek (default -1 znamená pri kontinuálnom aktuálny počet v bufri, pri jednorázovom počká na naplnenie bufra Pri kontinuálnom snímaní musí byť Read v slučke While, príp. For Vymazanie (zrušenie) úlohy. ásledne môže byť test chyby. Pozor Stop je iba pozastavenie bez zrušenia a úloha môže by znova spustená (pokračovanie) ďalším štartom 8

9 Analógový vstup Property node Analógový vstup - príklad Umožňujú dynamicky meniť podmienky (režim) behu úlohy a nastavovať všetky vlastnosti a parametre (aj nedostupné zo základných ikon) Silný nástroj umožňujúci neobmedzenú manipuláciu s úlohou Analógový výstup Analógový výstup príklad 1 Princíp programovania veľmi podobný analógovému vstupu: Vytvoriť (zvoliť kanál) astaviť časovanie príp. aj triggering Zadať vzorky Odštartovať úlohu Pri kontinuálnom generovaní dodávať priebežne nové vzorky alebo opakovať obsah bufra Zmazať úlohu Analógový výstup príklad Číslicové vstupy - konfigurácia DIO sú programovateľné: Smer Zoskupenie Zoskupenie vstupov do skupiny (group): Všetky DIO do jedného kanála Samostatný kanál pre každý DIO Dôsledok: rôzne formáty výstupu dát 9

10 Číslicový vstup Kontinuálny vstup Číslicový výstup Obdoba vstupu Konečný vstup Counter output Counter vstup Kontinuálne generovanie Meranie frekvencie 10