sistem achizitii de date
TRANSCRIPT
PROIECT CIRCUITE ELECTRONICE SISTEM ACHIZITII DE DATE
CUPRINS
Tema proiectare………………………………………………pag. 3
Sisteme achizitii de date………………………………………pag. 3
Amplificator instrumentatie………………………………….pag. 6
Schema si functionare A.i…………………………………….pag. 7
Circuit esantionare&memorare cu TEC……………………pag. 10
Schema si functionare CEM cu TEC………………………..pag. 11
Convertor analogic-digital (CAD)…………………………...pag. 13
Schema CAD………………...……………………………….pag. 14
Functionare CAD……………………………………………..pag. 15
Schema completa SISTEM DE ACHIZITIE DATE……….pag. 16
2
TEMA PROIECTARE:
Sa se proiecteze un sistem de achizitii de date cu :
1 singur canal de intrare
amplificatorul de instrumantatie – asimetric
blocul de esantionare &memorare sa fie realizat cu tranziator TEC
convertorul analogic-digital sa aiba caracteristica rampa liniara
M U A.I. S/H CAD X
Un sistem de achizitii de date are in compunerea sa un multiplexor(MUX), un amplificator de instrumentatie (A.I.), un circuit de esantionare/memorare (S/H) si un convertor analogic- digital (CAD sau CAN (analogic-numeric)).
SISTEME DE ACHIZITIE DE DATE.
Generalitati si Clasificari ale sistemelor de achizitii de date (SAD)
Sistemele de achizitie de date sunt sisteme complexe de supraveghere a unor procese in care intervin, de regula, mai multe marimi fizice. Ele realizeaza prelevarea, prin intermediul unor traductoare adecvate, de semnale analogice sau numerice (in functie de natura traductorului), in scopul memorarii, transmiterii sau prelucrarii informatiei achizitionate.
3
Memorarea poate fi facuta direct sau dupa prelucrarea datelor, pe intervale de timp mai lungi, medii sau scurte. Transmiterea datelor e necesar a fi facuta pe distante mai lungi sau mai scurte. Prelucrarea informatiei poate consta in operatii simple (comparari), pâna la prelucrari matematice complicate (integrari, diferentieri, medieri, calcul de transformate Fourier, etc.). Scopul prelucrarii difera de la caz la caz: comanda unui proces (industrial, militar, de cercetare), sau numai informare asupra evolutiei procesului prin vizualizarea datelor. Operatia cea mai importanta este conversia analog – numerica, realizata cu unul sau mai multe circuite. In functie de tipul aplicatiei mai pot fi necesare si alte circuite analogice de prelucrare. Configuratia si tipurile de circuite utilizate intr-un sistem de achizitie de date – SAD – depind de o serie de factori:
rezolutia si precizia cu care se cere realizarea conversiei A/N; numarul de canale analogice investigate; frecventa de esantionare pe fiecare canal; capacitatea sistemului de prelucrare in timp real a datelor; necesitatea conditionarii (adaptarii) semnalului analogic de intrare.
Datele achizitionate pot fi: analogice (tensiuni, curenti – continue sau alternative) si reprezinta, de
regula, iesirile unor traductoare ce supravegheaza marimile care intervin in procesul condus;
numerice, provenind de la traductoare cu iesire numerica sau de la alte echipamente implicate in desfasurarea procesului.
SAD va fi prevazut deci cu un numar corespunzator de intrari adecvate acestor date:
intrari analogice; intrari numerice.
Alta operatie frecvent intâlnita in SAD este esantionarea si memorarea temporara a esantioanelor prelevate. Frecventa de esantionare se stabileste in functie de:
spectrul de frecventa al semnalelor de intrare; viteza de lucru a convertorului A/N; precizia impusa procesului de prelucrare.
O frecventa minima si care permite determinarea parametrilor statistici ai semnalului este dublul frecventei maxime din spectrul acestui semnal. Daca se cere ca esantioanele prelevate sa reprezinte cu suficienta precizie un semnal continuu de la intrare, fara a mai calcula valori intermediare esantioanelor prelevate, frecventa de esantionare trebuie sa fie de cel putin 8…10 ori mai mare decât frecventa celei mai inalte armonici. Perioada de esantionare nu poate fi mai mica decât timpul de conversie.
4
Inaintea esantionarii, semnalele analogice sunt supuse unor operatii de adaptare cu sistemul de prelucrare, numite generic conditionare. Acestea pot fi:
amplificare/atenuare cu câstig programabil; amplificare cu izolare galvanica; comutare automata a intervalelor de masurare; compresie logaritmica; filtrare; conversie tensiune - frecventa; conversie curent – tensiune.
Clasificari ale sistemelor de achizitie de date: 1. Dupa conditiile de mediu in care lucreaza: sisteme destinate unor medii favorabile (laborator), SAD destinate utilizarii in conditii grele de lucru (echipamente militare,
instalatii telecomandate, anumite procese industriale, etc.). 2. Dupa numarul de canale supravegheate: monocanal, cu una din variantele:
numai circuite pentru conversia directa a semnalului; preamplificator urmat de circuitele de conversie; preamplificator, circuite de esantionare-memorare, urmate de
circuite de conversie; preamplificator, circuite de conditionare a semnalului si una din
variantele anterioare; SAD multicanal in una din variantele:
cu multiplexarea iesirilor unor convertoare analog-numerice, fiecare convertor corespunzând unui canal;
cu multiplexarea intrarilor circuitelor de esantionare-memorare (S/H – sample and hold –engl.);
sisteme de achizitie destinate multiplexarii semnalelor de nivel scazut.
Circuitele de esantionare si memorare reprezintã mijlocul prin care se poate realiza primul pas în conversia datelor - discretizarea.
In acest caz nu este nevoie de multiplexor deoarece avem doar un canel de intrare; multiplexorul fiind un circuit de selectare a canalului dintr-o serie de mai multe canale.
5
AMPLIFICATORUL DE INSTRUMENTATIE:
Amplificatorul de instrumentatie (A.I.) este un amplificator diferential cu performante deosebite: o mare impedanta de intrare, o amplificare finita, stabila si cunoscuta cu precizie (reglata cu ajutorul unui singur rezistor exterior), o buna rejectie de mod comun (CMRR in gama de 100… 120 dB), tensiunea de iesire referentiala la masa.Caracteristica de transfer are expresia: U0=(V1-V2) * f (RG)Schema de functionare a amplificatorului operational:
Decalaj Alimentare
“S” VS
V1 “O”
VR U0 RL
V2
“R”
RG
U0=VS-VR
Caracteristici functionale specifice amplificatorului de instrumentatie sunt: Factorul de amplificare AIn modulele integrate factorul de amplificare A este in general, reglabil intre limitele 1-1000. Fabricantul indica, adesea, eroare de neliniaritate a factorului de amplificare. Tensiunea de decalaj. Curenti de polarizatie.Fabricantul indica tensiunea de decalaj la iesire (offset-ul) (de exemplu, 200mV pentru AD 521). Insa trebuie tinut cant si de deriva acestui parametru cu temperatura (450uV/grad Celsius). Curentul de polarizatie intervine in cazul cand rezistentele surselor de semnal sunt importante. O valoare orientativa pentru acelasi AI , este 80nA, cu o variatie a temperaturii de 1nA/grad Celsius. Impedanta de iesireAre o valoare scazuta, de ordinul 0.09 Rejectia semnalelor de mod comunCMRR(dB)=lg(UCM/Up)
Schema amplificatorului de instrumentatie asimetric:
6
Functionare amplificatorului de instrumentatie:
Schema amplificatorului de instrumentatie cuprinde patru rezistente si doua circuite integrate, amplificatoare operationale J 741 alimentate de la o sursa de
7
curent continuu Vcc=+15 V si Vee=-15 V. Aplificarea semnalului la iesirea amplificatorului de instrumentatie poate fi modificata foarte usor din rezistenta R2, care este de obicei o rezistenta reglabila. Astfel amplificarea este direct proportionala cu valoarea acestei rezistente.
Exemplu :
Rezistenta R2 Amplificarea
8 k ~210 k ~36 k ~1,6
Semnalul de intrare (U vf-Vf ~4V): semnalul de intrare este de la o sursa de tensiune alternativa de amplitudine 2V si frecventa 1000Hz. In cazul sistemului de achizitii de date cu mai multe intrari (2 sau 4 canale), semnalele de intrare in sistem trec intai prin multiplexor (MUX), iar semnalul de iesire al acestuia este chiar semnalul de intrare pentru amplificatorul de instrumentatie. Aici nu este cazul pentru ca exista un singur canal de intrare. (Nu este nevoie de multiplexor).
Semnalul de iesire (U vf-Vf ~ 8V): semnalul de iesire este tot o tensiune alternativa de amplitudine aproximativ 6V dar este in antifaza cu semnalul de intrare. Acest semnal de iesire pentru amplificatorul de instrumentatie v-a fi semnal de intrare pentru blocul urmator adica circuitul de esantionare&memorare.Tensiunea de intrare se aplica pe intrarea neinversoare a amplificatorului operational.
Schema de principiu a unui amplificator de instrumentatie cu trei amplificatoare operationale pune in evidenta doua etaje. Primul etaj asigura o impedanta foarte mare de intrare si posibilitatea de modificare a amplificarii cu ajutorul unui rezistor reglabil. Al doilea etaj este un amplificator diferential cu iesirea referinta la masa.
Semnalul de iesire este in antifaza cu cel de intrare.
8
Daca amplificarea este prea mare adica daca marim rezistorul R2 , spre exemplu R2=35k amplificatorul de instrumentatie intra in limitare. Aceasta limitare apare datorita factorului de amplificare.
CIRCUIT ESANTIONARE& MEMORARE
9
Acest etaj are in compunerea sa un tranzistor cu efect de camp cu rol de
comutator asociat cu un condensator.
Cand tranzistorul (comutatorul) este inchis, tensiunea la bornele
condensatorului urmareste tensiunea de la intrare, iar cand tranzistorul este
deschis condensatorul pastreaza (memoreaza) tensiunea pentru a putea fi utilizata
de un aparat situat in aval (CAD-ul care are nevoie de tensiune fixa pe durata
conversiei ), sau in amonte pentru netezirea semnalului de iesire.
Acesta este un circuit de esantionare si memorare in bucla ce permite rejectia de
mod comun in timpul esntionarii, iesirea fiind fortata sa urmareasca intrarea.
Ca rezultat la bornele condensatorului C, tensiunea, cat timp comutatorul
este inchis este:
u0=ui*A/(A-1)
Intre doua conversii succesive, CEM urmareste variatiile semnalului de
intrare. Inainte de initierea conversiei, CEM este trecut in starea de memorare in
care ofera la iesire valoarea momentana a semnalului de intrare de la sfârsitul
etapei de urmarire. Starea de memorare se mentine pe toata durata conversiei.
Astfel precizia CAN nu este afectata, indiferent de viteza de variatie a semnalului
de intrare si de tipul de CAN folosit.
La esantionare cu o frecventa prea scazuta, in semnalul rezultat apare o
componenta de JF suparatoare, denumita semnal alias, si care trebuie rejectat,
prin filtrarecu un FTJ (filtru trece jos).
muie
Schema circuitului de esantionare memorare:
10
Functionare circuit esantionare memorare:
Acest grafic rezulta pentru o tensiune aleatoare :
11
Pentru semnalul V~2V va rezulta:
Semnalul U~2V: este tensiunea memorata de la bornele condensatorului care
trebuie sa urmareasca tensiunea de intrare.
Semnalul de la iesire U~2V:este tensiunea deja discretizata cu care va fi atacat
convertorul analogic-digital (CAD-ul).
12
CAD ~CONVERTOR ANALOGIC DIGITAL
Convertoare pentru traductoare numerice . Necesitatea traductoarelor cu iesire numerica a crescut odata cu extinderea tratarii proceselor cu calculatoare de proces. Modalitatea cea mai simpla de obtinere a iesirilor numerice consta in conversia analog-numerica a semnalului.
Tipurile cele mai utilizate de CAN sunt : - CAN cu compensare : - cu trepte egale de tensiune; - cu aproximari succesive; - CAN cu conversie directa : - cu conversie in durata; - cu conversie in frecventa. CAN fiind circuite complexe, cu componente de complexitate apreciabila, solutia este mai economica daca se aplica mai multe semnale analogice multiplexate analogic.
Un avantaj il prezinta elementele sensibile care furnizeaza semnale periodice sinusoidale sau impulsuri a caror frecventa depinde liniar de marimea de masurat (tahogeneratoarele, traductoarele de debit cu turbina, elemente sensibile inductive sau capacitive incluse in oscilatoare comandate), rezultând conversia directa in frecventa a marimilor aplicate la intrare.
13
Convertorul analogic digital cu rampa liniara:
Cuprinde un numarator, un comparator si un convertor D/A.
Schema convertorului A-D:
14
Functionarea convertorului A-D:
La fiecare impuls al ceasului (impuls de tact) numaratorul isi mareste continutul cu 1 bit, iar convertorul D/A are la iesirea sa o tensiune Ue liniar variabila in trepte. Numaratorul primeste impulsuri de tact prin poarta pana cand Ue ajunge egala cu Ux. Cand Ue depaseste Ux iesirea comparatorului isi schimba starea blocand poarta. Seria celor “n” iesiri ale numaratorului reprezinta rezultatul conversiei in codul numeric considerat.
15
Functionarea schemei complete adica al sistemului de achizitii:
16
17
Program convertorului analogic-digital:
UCLK STIM(1,1) $G_DPWR $G_DGND
+ CLOCK
+ IO_STM TIMESTEP=5u
+ 0c 0
+ label=loop
+ 1c 1
+ 2c 0
+ 3c goto loop -1 times
URESET STIM(1,1) $G_DPWR $G_DGND
+ RESET
+ IO_STM
+ TIMESTEP=5u
+ 0c 1
+ 4.5c 0
+ 50c 1
+ 54.5c 0
+ 100c 1
+ 104.5c 0
18
Bibliografie :
1. Circuite electronice cu amplificatoare operationale-Sorin Dan Grigorescu
2. Internet : - www.nota10.pub.ro
- www.electronica.pub.ro
- www.bel.utcluj.ro
- www.electronica-azi.ro
3. Laborator Circuite Electronice
19