Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Kybernetizace experimentu I NEVF 127 LS 2010/2011 L.Přech.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Kybernetizace experimentu I NEVF 127 LS 2010/2011 L.Přech."— Transkript prezentace:

1 Kybernetizace experimentu I NEVF 127 LS 2010/2011 L.Přech

2 Úvod do analogového a číslicového zpracování dat a řízení experimentu - osnova Fyzikální experiment a úloha počítače v něm Základní schéma počítačem řízeného experimentu Analogové a digitální zpracování dat Převod neelektrických veličin na elektrický signál a zpět (čidla a akční členy) Úprava analogových signálů (operační zesilovače – opakování) Vzorkování, kvantování, spektrum signálu, Nyquistovo kriterium

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

4 Počítač jako automatické registrační zařízení Ruční nastavení x,  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 nastavení x,  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 Počítač Sběr dat, řízení výstupů Úprava signálů Akční členy Čidla Fyzikální veličiny

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

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

9 Spojitý vs. digitální svět - číslicový počítač – pracuje s diskrétní informací Digitální signály Přímé měření/řízení –digitální vstupy/výstupy (jedno- a vícebitové logické signály) –čas - frekvence, perioda, délka pulsu, střída signálu, fáze 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

10 Analogové zpracování signálu Analogový signál upravujeme přímo analogovými elektronickými obvody Očekávané změny amplitudy a fáze zpravidla závisejí na frekvenci, kmitočtové charakteristiky nastaveny hodnotami pasivních součástek – málo flexibilní

11 Číslicové zpracování signálu Výhody číslicového zpracování Méně komponent, deterministické stabilní chování, širší uplatnění Větší šumová odolnost, menší závislost na napájení, teplotě atd. Jednoduché přeladění filtrů, filtry s menšími tolerancemi, možnost self-testu Možnost implementace adaptivních filtrů ANALOG INANALOG OUT Finite Impulse Response Filter Číslicově- analogový převodník (DAC) Vzorkování (S/H) a analogově- číslicový převodník (ADC) Digitální zpracování (DSP) Rekonstrukční filter Anti-aliasing filter

12 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

13 Příklad - termočlánek Přímý převod energie –termoelektrická napětí U o = U 1 (T ref )+ U 2 (T) – U 3 (T ref ) T ref T U1U1 U3U3 U2U2 UoUo Citlivost 7 – 50  V/°C Rozsah voltmetru Zesílení vst. zesilovače Rozlišení v bitech známe

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

15 RTD - odporové teploměry (např. Pt) 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 )

16 Můstkové zapojení – RTD, tenzometry 3-drátové zapojení RTD ve Wheatstonově můstku – protilehlé větve R G1, R G2 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

17 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

18 Další příklady 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 ISIS X 4 20

19 Porovnání některých čidel ČidloElektrické vlastnostiPožadavky na úpravu signálu termočlánek Malé výstupní napětí, nízká citlivost, nelineární výstup Referenční teplotní čidlo pro kompenzaci studeného konce, velké zesílení, linearizace odporový teploměr Malý odpor (typ. 100  ), nízká citlivost, nelineární výstup Proudové buzení, 3-, 4-drátové zapojení, linearizace integrované teplotní čidlo Vysokoúrovňový výstup (~V), linearitaZdroj napájení, malé zesílení tenzometr Malý odpor, nízká citlivost, nelineární výstup Napěťové n. proudové buzení, vysoké zesílení, můstkové zapojení, linearizace, kalibrace bočníků čidlo s proudovým výstupem Proudová smyčka (4 – 20 mA typ.)Přesný rezistor termistor Odporové čidlo, vysoký odpor a citlivost, velmi nelineární Napěťové n. prodouvé buzení s referenčním rezistorem, linearizace aktivní akcelerometrVysokoúrovňový výstup (~V), linearitaZdroj napájení, malé zesílení Kapacitní manometrKapacita závislá na tlaku (malé hodnoty) Buzení střídavým proudem, můstkové zapojení nebo oscilátor LVDT Střídavé napětíBuzení střídavým proudem, demodulace, linearizace

20 Obecné funkce obvodů pro úpravu signálu 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, vf filtry) –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

21 Operační zesilovač Operační zesilovač je širokopásmový diferenciální zesilovač se stejnosměrným vstupem, s velkým vstupním odporem R i řádu stovky kΩ až několika MΩ, s malým výstupním odporem řádu 100 Ω a velkým zesílením větším než Operační zesilovač byl původně používán jako základní jednotka analogových počítačů, diferenciálních analyzátorů sestavená z diskrétních prvků (tranzistory, odpory atd.). S rozvojem hybridních a později monolitických integrovaných obvodů se stal operační zesilovač samostatnou jednotkou, elektronickým prvkem. Původně používán v analogových počítačích, pro základní aritmetické operace sečítání, odečítání, dělení a násobení a rovněž pro integraci analogových signálů. Dnes uplatnění v řadě dalších elektronických obvodů jako stejnosměrné i střídavé zesilovače, komparátory, elektronický vzorkovací obvod (analogová paměť), klopné obvody a generátory signálů, aktivní filtry, převodníky z analogového signálu na číselnou hodnotu a naopak.

22 Ideální operační zesilovač – definice Zesílení ideálního operačního zesilovače v otevřené smyčce A a vstupní odpor Ri jsou nekonečně velké. Výstupní odpor Ro je nulový. I + = I - = 0 Nemá ofset ani drift. –Ofset = nenulový výstupní signál při zkratovaných a uzemněných vstupních svorkách –Drift = změna ofsetu s časem a teplotou. Vliv součtového signálu je nulový, tj. činitel potlačení součtového signálu K CMR → ∞. Zesiluje rovnoměrně signály všech frekvencí včetně nulové; je to tedy stejnosměrně vázaný zesilovač. Výstupní úroveň nezávisí na napájení, rozkmit E o není omezen. Jako zesilovač s velkým zesílením není operační zesilovač prakticky použitelný bez záporné zpětné vazby. Teorie ideálního operačního zesilovače je tak v podstatě teorií jeho zpětné vazby. E o = A(E + - E - ) + A/K CMR (E + + E - )/2

23 Reálný operační zesilovač Skutečné (reálné) OZ se liší od ideálních –Početní chyby – konečné hodnoty A, Ri, Ro –Statické chyby Ofset, drift, vstupní proudy a jejich nesymetrie, teplotní závislost Závislost výstupu na součtovém vstupním signálu Závislost výstupu na napájení Omezení rozkmitu výstupu, saturační napětí –Dynamické chyby Závislost A na kmitočtu, změna fáze výstupního signálu s kmitočtem Konečná rychlost přeběhu –Šumová složka ve výstupu (vnitřní zdroje i zesílení šumu na vstupu)

24 Základní zapojení OZ – invertující zesilovač Pro ideální OZ (E i = 0, i s = 0) Pro obecné pasivní prvky

25 Základní zapojení OZ – neinvertující zesilovač Pro ideální OZ (E i = 0, i s = 0) Pro obecné pasivní prvky

26 Základní zapojení OZ – napěťový sledovač Pro ideální OZ (E i = 0, i s = 0)

27 Vliv zpětné vazby OZ βA < 0 záporná ZV (A* 0 kladná ZV (A*>A) βA → 1 nestabilní zapojení (A* → ∞) |A| → ∞ … UoUo A β UiUi βUoβUo U´ i Zesílení id. OZ s uzavřenou ZV smyčkou je dáno jen parametry ZV

28 Porovnání ideálního a reálného OZ Základní zapojení s ideálním OZ Základní zapojení s reálným OZ A – zesílení OZ s otevř. smyčkou, β – koef. zpětné vazby z výstupu na vstup, např. pro invertující zapojení

29 Porovnání ideálního a reálného OZ Konečné zesílení v otevřené smyčce A: Nenulový výstupní odpor R v, odpor zátěže R L

30 Statické chyby OZ a jejich kompenzace

31 Rychlost přeběhu

32 Šum operačního zesilovače

33 Bodeho diagram

34 Stabilita zesilovače

35 Rozdílový zesilovač s OZ

36 Rozdílový-součtový zesilovač

37 Zesilovač pro můstek

38 Proudové a výkonové posílení výstupu OZ

39 Nelineární prvky ve zapojeních s OZ

40 Funční měniče

41 Obvod ideální diody

42 Obvod absolutní hodnoty

43 Vrcholový detektor

44 Vzorkovací obvod

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

46 Vzorkovací obvod

47 Charakteristiky vzorkovacího obvodu

48 Obsahuje-li frekvenční spektrum signálu složky s frekvencí větší než Nyquistova frekv. (f N =f V /2), neurčuje výstupní signál vzorkovacího obvodu jednoznačně průběh signálu na vstupu:

49

50 Aliasing

51

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

53 Modulační zesilovač

54 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


Stáhnout ppt "Kybernetizace experimentu I NEVF 127 LS 2010/2011 L.Přech."

Podobné prezentace


Reklamy Google