Placi de Achizitie de Date [PDF]

Zitiervorschau

Master I – Mecanica de Precizie

Datcu Marius

Universitatea POLITEHNICA din Bucuresti Facultatea de Inginerie Mecanica si Mecatonica

S.C.A.I. Placi de achizitie de date

Student: Datcu Marius Master I – Mecanica de precizie

Datcu Marius

Master I – Mecanica de Precizie

Sistemele computerizate de măsurare utilizate pentru semnale analogice se caracterizează prin faptul că un astfel de semnal, purtător de informaţie, este convertit în formă digitală. Toate operaţiile dintr-un sistem de măsurare computerizat sunt efectuate de către componente electronice independente sau aflate sub comanda unui calculator. Un semnal analogic este în fapt o variaţie a unui parametru fizic (presiune, umiditate, temperatură, forţă, etc.) ce aduce observatorului o anumită informaţie despre fenomenul fizic studiat. In general, semnalul analogic cel mai utilizat in cercetarea modernă este semnalul electric (tensiune sau curent electric) având următoarele avantaje: 

reprezintă cea mai comodă formă de vizualizare imediată (folosind voltmetru, ampermetru, osciloscop);



poate fi uşor convertit în semnal digital, preluat de calculatorul electronic şi prelucrat cu ajutorul unor programe speciale.

Principalele componente ale unui sistem computerizat de masurare sunt: 

traductoare;



conditionatoare de semnal;



placi de acizitie de date



software;



computer.

Schema:

Placi de achizitie:

Scopul unei achizitii de date este acela de a masura un fenomen fizic (tensiuni, curenti, temperaturi, presiuni, debite, nivele, sunte etc.). Achizitia de date se bazeaza pe o combinatie de hardware, aplicatie software si un computer (PC sau Notebook) pentru a realiza masuratori. In timp ce partea hardware de achizitie date este definita de cerintele aplicatiei dumneavoastra computer-ul va prelua scopul achizitiei, analizei si prezentarii informatiilor prin intermediul aplicatiei software. Conversiea semnalului purtător de informaţie este efectuată de către o componentă electronică distinctă, numită placă de achiziţie, ce poate fi montată în calculator (imaginea 1) sau conectata la o intrare USB (figura 2).

Master I – Mecanica de Precizie

Datcu Marius

Fig. 1

Fig. 2

Componenta principala a unei placi de achizitie este Convertorulul Analog - Digital. Acesta ataşează o cifră unei tensiuni: de exemplu 0 pentru 0 V, 1024 pentru 3V. Astfel, o mărime fizică oarecare poate fi “vizibilă” pentru un calculator.

Principalele functii ale unei placi de achizitie: 

intrare analogică (măsurarea unui semnal, sub forma unei tensiuni electrice, provenit de la un traductor aflat în sistemul studiat);



ieşire analogică (generarea unui semnal, sub forma unei tensiuni electrice care să comande un element de acţionare din sistemul monitorizat);



comunicaţii digitale (primirea şi emiterea de valori în formă binară, reprezentând date sau coduri ale unor comenzi; comunicaţiile digitale pot fi utilizate şi pentru măsurări sau generări de semnale în cazul în care traductorul sau elementul de acţionare au o funcţionare descrisă de o stare logică binară - comutatoare cu două poziţii, întrerupătoare, relee, etc);



numărare / cronometrare (primirea şi emiterea de semnale în care informaţia este conţinută în numărul de impulsuri din serie sau în frecvenţa acestora).

Majoritatea tipurilor de plăci de achiziţie au toate cele patru funcţii (plăci multifuncţionale).

Factori care afecteazã calitatea semnalului digitizat Când se mãsoarã semnale analogice cu o placã DAQ, trebuie luati în considerare urmãtorii factori care afecteazã calitatea semnalului digitizat: 

intrãri simple (configurare RSE pentru placa de achizitie de tip NI DAQ USB 6008) si diferentiale (mod de configurare diferential),



domeniu,



rezolutie,



ratã de esantionare,



precizie



zgomot.

Intrãrile simple sunt toate raportate la un punct de masã comun. Aceste intrãri sunt folosite când semnalele de intrare sunt de nivel mare (mai mare de 1V), iar egãturile de la sursa de semnal la intrarea analogicã hard sunt scurte (mai mici de 2 m). Dacã nu sunt îndeplinite aceste conditii, canalele de achizitie sunt configurate in modul diferential (fiecare intrare are referinta ei proprie de masã). Este important de amintit faptul ca intrãrile diferentiale reduc sau eliminã erorile de zgomot.

Datcu Marius

Master I – Mecanica de Precizie

Rezolutia reprezinta numãrul de biti utilizati de convertorul analogic digital pentru reprezentarea semnalului analogic (pentru detectia unor variatii mici ale semnalului este necesara o rezolutie mai mare, domeniul fiind impartit intrun numar mai mare de un diviziuni).

Domeniul se referã la nivelele de tensiune minimã si maximã pe care convertorul analogic digital le poate cuantifica. Plãcile de achizitia datelor oferã domenii selectabile (in general 0 la 10 V sau -10 la 10 V), ceea ce permite alegerea domeniul de semnal pentru care convertorul analogic digital va avea o rezolutia disponibilã maximã pentru mãsurarea precisã a semnalului. OBSERVATIE Specificatiile pentru placile DAQ sunt adesea in termeni de cel mai putin semnificativ bit (LSB) – cea mai mica variate de tensiune detectabila. 1 LSD = (domeniu/amplificare)/2n unde n = numar de biti ai convertorului analog digital

Esantionare Procesul de baza al esantionarii consta in preluarea unui semnal anlogic printr-un puls periodic care va permite trecerea semnalului doar atat timp cat pulsul este activ. Semnalul de preluare are pulsuri de inaltime, lungime (dt) si timp de separare (T) constante.

Intervalul de timp T dintre două eşantioane succesive se numeşte perioadă de eşantionare sau interval de eşantionare. Inversa acestei mărimi (1/T=fs) se numeşte viteză sau rată de eşantioanare (eşantioane /secundă) sau frecvenţă de eşantionare (se masoara in Hertz). Rata de esantionare determinã cât de des are loc conversia. O ratã de esantionare rapidã achizitioneazã mai multe puncte într-un timp dat si deci poate forma o reprezentare mai bunã a semnalului original decât o ratã de esantionare lentã.

Teorema Nyquist Toate semnalele de intrare trebuie sã fie esantionate la o ratã suficient de rapidã pentru a reproduce cât mai fidel semnalul analogic. In teorema esantionãrii a lui Nyquist se indica necesitatea esantionarii la o ratã cel putin dublã din frecventa maximã a componentei ce se doreste a fi detectata (de exemplu, pentru semnalele audio de 20 kHz este nevoie nevoie de o placã cu o ratã de esantionare mai mare de 40 kH).

Master I – Mecanica de Precizie

Datcu Marius

Frecvenţa de la jumătatea frecvenţei de eşantionare este cunoscută ca frecvenţă Nyquist. Informatia este transmisa corect numai la frecvente mai mici sau egale cu frecvenţa Nyquist. Frecvenţele de deasupra frecvenţei Nyquist vor fi modificate pentru a apare între 0 şi frecvenţa Nyquist. Frecvenţa aparentă (alias) reprezinta valoarea absolută a diferenţei dintre frecvenţa semnalului de intrare şi cel mai apropiat multiplu întreg al ratei de eşantionare.

Exemplu: Daca pentru masurarea unui semnal cu frecvente de 40 Hz, 80Hz, 120 Hz, se utilizeaza o rata de esantionare fs = 100 Hz (frecventa Nyquist fiind fs/2 = 50 Hz), va fi transmise corect frecventa de 40 Hz, iar celelalte doua sunt falsificate la 20 Hz (f1 = |80-100| = 20 Hz, respectiv |120-100| = 20Hz). Teorema lui Nyquist dă un punct de pornire pentru o rată de eşantionare adecvată. Exista insa situatii in care semnalele de masurat conţin armonici care se găsesc deasupra frecvenţei Nyquist, acestea fiind falsificate şi adăugate la părţile semnalului care sunt eşantionate cu precizie, producând un set de date eşantionate distorsionat.

Zgomotul nedorit distorsioneazã semnalul analogic înainte de a fi convertit în semnal digital. Sursa acestui zgomot poate fi externã sau internã computerului. Pentru reducerea erorii datorate zgomot extern se utilizeaza

conditionãri

convenabile

de

semnal.

De

asemenea,

se

pot

minimiza

efectele

acestui

zgomot

prin supraesantionarea semnalului si apoi medierea punctelor supraesantionate.

Achizitia pe mai multe canale Când se achiziţionează date pe mai multe canale de intrare, rata efectivă de eşantionare pe un canal este invers proportională cu numărul canalelor eşantionate.

Exemplu Daca se achizitioneaza semnale pe 5 canale cu o rata de esantionare de 100 kHz si placa DAQ utilizează scanare continuă, rata efectiva de esantionare este de 20 kHz/canal.

Datcu Marius

Master I – Mecanica de Precizie

Tehnologii de fabricare a placilor de achizitie de date Placile de achizitie de date sunt placi de circuite integrate. Circuitele integrate (CI) se clasifică în -

CI pe scară mică cu până la 100 componente/cip (SSI)

-

CI pe scară medie cu până la 1000 componente/cip (MSI)

-

CI pe scară mare cu până la 10.000 componente/cip (LSI)

-

CI pe scară foarte mare cu până la 100.000 componente/cip (VLSI)

-

CI pe scară ultra mare cu multe sute de mii de componente/cip (ULSI).

În tehnologia de fabricare a circuitelor integrate se disting două direcţiiprincipale: -

tehnologia bipolară - cu componentele realizate în masa unui semiconductor, având la bază joncţiuni p-n

-

.tehnologia MOS - cu componente realizate în masa unui semiconductor, având la bază structura metal-oxidsemiconductor.

Primul procedeu realizează dispozitive cu performanţe mai ridicate, dar aldoilea procedee este mai simplu, ca număr de componente şi operaţii tehnologice. Ambele tehnologii folosesc ca material semiconductor siliciu şi utilizează caprocedeufotoliografierea care constă în realizarea la suprafaţa siliciului, printr-o serie de operaţii fizico-chimice a unui strat protector, cu configuraţia identică cu a circuitului integrat. În acest mod se realizează pe placheta de siliciu componentele si interconexiunile circuitului proiectat. Fluxul tehnologic cuprinde o serie de operaţii specifice: epitaxia, oxidareasuprafeţei la SiO2, mascarea, gravarea, difuzia, separarea cip-urilor şi montarea (încapsularea). Epitaxia este procedeul prin care pe semiconductorul suport se realizează un strat de semiconductor monocristalin, care păstrează orientarea cristalină asuportului, dar prezintă puritate diferită. Mascarea se realizează prin iradiere cu lumină UV, după depunerea prin centrifugare a unui strat fotorezist (material polimeric solubil prin iradiere în UV) şi acoper irea cu fotomască (placă de sticlă pe suprafaţa căreia sunt imprimate desenele cu elemente de circuit, active, pasive şi conexiuni). Gravarea se realizează prin îndepărtarea (prin coroziune chimică)fotorezistului acoperit de fotomască (stratul de SiO2 rămâne descoperit) şi dizolvarea SiO2neacoperit cu acid florhidric rezultând o suprafaţă de siliciu oxidat, cu ferestre (siliciu pur). Difuzia înseamnă doparea siliciului cu impurităţi ca As, P, B, Al, Ga pentrurealizarea joncţiunilor de un anumit tip (implantare ionică prin bombardare cuioni acceleraţi). Separarea cip-urilor se realizează prin tăiere cu un diamant, iar montarea se efectuează prin încapsulare în rame speciale; se conectează la terminalele capsulei printr-un fir de aur. Cip-ul încapsulat se utilizează ca o singură componentă electronică cu funcţie multiplă, prestabilită. În principiu, pe o plachetă de siliciu se realizează concomitent sute de circuite integrate identice, apoi placheta se taie în cipuriidentice (tehnologia standard de fabricare a circuitelor monolitice). Prin noţiunea de cip se înţelege un circuit integrat realizat prin tehnica MOS (metal-oxid-semiconductor). Posibilităţile de realizare a geometriei circuitelor integrate sunt nelimitate.