Metody zpracování fyzikálních měření - 2 EVF 112 ZS 2009/2010 L.Přech

Počítačový sběr experimentálních dat II - osnova Typy zdrojů signálu a měřících systémů Šum v měřících systémech Převod analogového signálu na diskrétní a zpět Vzorkování signálu, Nyquistův teorém a aliasing

Typy zdrojů signálu a měřících systémů Většina výstupů čidel po úpravě signálu představuje zdroj napětí Zdroje i měřicí systémy bývají uzemněné nebo plovoucí

Rozdělení zdrojů signálu Uzemněné zdroje Neuzemněné (plovoucí) zdroje Typicky zdroje signálu napájené z elektrické sítě. Země dvou zdrojů nemusí být nutně na stejné potenciálu. Typicky baterie a zdroje napájené z baterie, termočlánky, transformátory, izolační zesilovače atd. I při napojení na stejný rozvod elektřiny v budově rozdíly 10-200 mV. Při špatném propojení více.

Diferenciální měřící systém Měření KCMRR Žádný ze vstupů nepřipojen k pevnému potenciálu (např. zemi) Bateriově napájené měřicí přístroje, systémy s přístrojovými zesilovači (diferenciální zesilovač s velkou vstupní impedancí v obou větvích Ideálně Um = A*(U+ - U-) Napětí přítomné současně na obou vstupech – součtové napětí (common-mode voltage) – ideálně potlačeno, prakticky omezení rozsahu, konečný činitel potlačení součtového napětí Um = A*(U+ - U- ) + A/KCMRR *(U+ + U-)/2 Činitel KCMRR klesá s frekvencí

Uzemněný (opřený o zem) měřící systém - GRSE Měření napětí se provádí proti zemnímu vodiči

Nezemněné (pseudodiferenciální) měření - NRSE Měření napětí na různých vstupech proti společnému referenčnímu vodiči – není přímo spojen se zemí

Měření uzemněných zdrojů 1 Pozor na připojení uzemněných zdrojů k uzemněným měřícím systémům !! chybové napětí Ug -> ss i st šum, působí proud zemní smyčkou, lze tolerovat u zdrojů signálu s velkou amplitudou při nízkoimpedančním spojení zemí

Měření uzemněných zdrojů 2 Lepší připojení k diferenciálním nebo pseudodiferenciálním systémům – rozdíl zemních potenciálů (souhlasné napětí) se neměří Non -

Měření plovoucích zdrojů 1 Součtové napětí nesmí přesáhnout bezpečné meze – u diferenciálních a pseudodiferenciálních zapojení nutno kontrolovat (zbytkové vstupní proudy zesilovačů !) U ss vazby postačí jeden odpor, ale vstupy nevyvážené – větší šum

Měření plovoucích zdrojů 2 U zemněného měřícího systému nevzniká zemní proudová smyčka Pseudodiferenciální vstupy odolnější proti šumu

Elmg. šum v měřících systémech Zdroje šumu – st napájecí přívody (50Hz), počítačové monitory, číslicové obvody, vysokonapěťové a silové zdroje, spínané napájecí zdroje, motory a silové spínače, výboje Přenos – vazba konduktivní (společná zátěž), v. kapacitní (elektrické pole), v. induktivní (magnetické pole), v. radiační (elmg. pole) Přijímač – čidla, přívody k obvodům pro úpravu signálu, vlastní obvody úpravy signálu, přívody k měřicímu systému Potlačení – rozdělení napájecích (silových) a signálových zemí, stínění, zvětšení vzdáleností, balancované diferenciální obvody, …

Nevhodné stínění - zemní smyčka Přenos šumu konduktivní vazbou Nevhodné stínění - zemní smyčka Vhodné zapojení stínění

Přenos šumu kapacitní vazbou Přenos šumu induktivní vazbou

Balancované zapojení Shodná impedance vývodů zdroje a vstupů měřícího systému proti zemi, shodná impedance vodičů proti zemi Šum kapacitní vazbou -> součtový signál

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

Vzorkovací obvod

Charakteristiky vzorkovacího obvodu

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

Aliasing

Charakteristiky A/D převodníku Počet kanálů, způsob připojení zdroje signálu Vzorkovací rychlost Délka vzorku Možnost multiplexování Rozlišení <- počet bitů Rozsah Šířka kódu <- zisk, rozsah, rozlišení Diferenciální a integrální nelinearita, chybějící kódy, relativní chyba, offset, čas ustavení vstupního zesilovače, vlastní šum převodníku, ENOB – efektivní rozlišení v bitech 16bitů 3bity V

Kvantování

Kvantování, kvantovací chyba Přenosová funkce A/D převodníku Kvantovací chyba

Dithering Zvýšení amplitudového rozlišení přidáním malého šumu do analogového signálu před digitalizací a následným průměrováním

Relativní chyba, offset, INL, DNL Ideální charakteristika Skutečná charakt. Integrální nelinearita Diferenciální nelinearita

Vliv nelinearit na přenosovou charakteristiku A/D a D/A převodníku

Charakteristiky D/A převodu Rozsah Čas ustavení výstupu Výstupní rozlišení Rychlost přeběhu Typ reference – pevná reference x násobící D/A Diferenciální a integrální nelinearita, chybějící kódy, relativní chyba, offset, vlastní šum převodníku, ENOB – efektivní rozlišení v bitech

Aliasing