univerzitet sv.kiril И metodij -skopjetempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/cm predavanja...mno`estvo...

74
Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa Str.1 /74 UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ-SKOPJE FAKULTET ZA ELEKTROTEHNIKA I INFORMACISKI TEHNOLOGII Prof. d-r Qup~o Arsov BELE[KI ZA PREDAVAWA PO PREDMETOT KOMPJUTERIZIRANI MEREWA Skopje, 2007

Upload: others

Post on 13-Mar-2020

17 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.1 /74

UNIVERZITET “SV.KIRIL И METODIJ”-SKOPJE FAKULTET ZA ELEKTROTEHNIKA I INFORMACISKI TEHNOLOGII

Prof. d-r Qup~o Arsov

BELE[KI ZA PREDAVAWA PO PREDMETOT

KOMPJUTERIZIRANI MEREWA

Skopje, 2007

Page 2: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.2 /74

1.VOVED

1.1 CEL I SODR@INA NA PREDMETOT

1.2 OP[TO Vo sekojdnevnata praktika i vo `ivotot opkru`eni sme so fizi~ki procesi, kako vo tehni~kite taka i vo biolo{kite i drugi sistemi, pri {to postojano se javuva potreba za sledewe (nadzor, monitoring) i upravuvawe na ovie procesi. Zaradi ova se neophodni informacii za fizi~kite veli~ini zna~ajni za procesite. Ovie informacii gi dobivame so merewata. So ogled deka naj~esto fizi~kite veli~ini koi ne interesiraat ne se lesno dostapni i ednostavni za merewe (odnosno za sporeduvawe so veli~ina-edinica od ist rod), kako osnovni elementi na mernite sistemi se javuvaat setilata, koi fizi~kata veli~ina koja ne interesira ja pretvoraat vo druga podostapna i poprakti~na za merewe. Obi~no toa se elektri~nite veli~ini. Elektri~nite merewa vo odnos na drugite imaat zna~ajna prednost poradi visokata to~nost, brzoto i lesno ot~ituvawe na elektri~nite instrumenti, relativno maloto vlijanie na nadvore{ni (nesakani) faktori, kako i mo`nosta za obrabotka i prenos na dale~ina na elektri~nite signali.

Pri mereweto na nekoja fizi~ka veli~ina, neophodno e da se postigne odreden kvalitet i to~nost, zavisno od celta na mereweto. Zaradi ova e neophodno da se poznavaat site faktori koi vlijaat na mernata to~nost na izbraniot meren ured. Isto taka, {to e ~estopati dosta slo`eno, neophodno e da se poznavaat i ocenuvaat me|usebnite vlijanija na merniot ured i fizi~kiot sistem. Imajki gi vo predvid poremetuvawata na fizi~kiot sistem predizvikani od merniot ured, mo`e da se ka`e deka idealni merewa se nevozmo`ni, odnosno fizi~kite veli~ini mo`eme da gi izmerime i poznavame sekoga{ so nekoja neodredenost. Ova postojano treba da se ima na um i mernite rezultati sekoga{ mora kriti~ki da se posmatraat bez ogled na metodot i mernata instrumentacija so koi se dobieni.

Eden od najva`nite i najizrazeni pravci vo razvojot na merewata e razvojot na kompjuterizirani merni sistemi. Pri {to pod poimot meren sistem se podrazbira mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii, soedineti so cel da se dobijat, prenesat i obrabotat, i prika`at ili memoriraat podatoci za mernite veli~ini. Kompjuteriziranite merni sistemi se opremeni so kompjuter ili mikroprocesor, ~ija zada~a e da se upravuva tokot na informaciite vo sistemot, kako i da se obrabotat i prika`at ili memoriraat mernite podatoci. Taka kompjuterot ili mikroprocesorot se pojavuvaat vo uloga na kontrola i upravuvawe na merniot sistem. Vakvite merni sistemi se digitalni.

Kompjuteriziranite merni sistemi se {iroko implementirani vo sekojdnevnata praktika. So ogled na ra{irenosta na personalnite kompjuteri vo industriskata i laboratoriskata praktika, realizacijata na kompjuterizirani merni sistemi ne mora da se zasnova na nabavka na poseben kompjuter , tuku e mo`no koristewe na

Page 3: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.3 /74

postojnite. Ova e osobeno va`no i ekonomi~no koga se raboti za povremeni potrebi za merewe. Kaj ednostavnite merni sistemi koi se sostojat od eden meren ured i eden kompjuter kako sistemski kontroler, ovie mo`nosti zna~at i golema za{teda vo realizacijata na sistemot.

1.3 MERNI SIGNALI

Za sledewe i analiza za procesite koi se slu~uvaat okolu nas i eventualno deluvawe na niv, neophodni se informacii za osobinite na procesite, odnosno za fizi~kite veli~ini. Ovie informacii gi dobivame vo oblik na merni signali.

Kako {to e ve}e ka`ano, site fizi~ki veli~ini ne mo`at da se merat direktno. Indirektnoto merewe na fizi~kite veli~ini se bazira na funkcionalnite, matemati~ki ili statisti~ki vrski me|u veli~inata {to ne interesira i veli~inata koja e dostapna za merewe. Ovie vrski se nao|aat so teoriska analiza i izveduvawe matemati~ki model ili eksperimentalno. Merniot signal {to go dobivame vo op{t slu~aj ne e rezultat samo na vlijanieto na fizi~kata veli~ina {to e predmet na mereweto-merna veli~ina, tuku na golem broj fizi~ki veli~ini prisutni vo procesot na formirawe i transformacija na signalot. Zna~i dobieniot meren signal e kompleksen, i neophodna e negova analiti~ka i numeri~ka obrabotka za izdvojuvawe na korisniot signal, koj ni dava informacija za mernata veli~ina. Za ova e potreben matemati~ki aparat za opi{uvawe i analiza na mernite signali.

Obi~no signalite se delat vo dve golemi grupi: deterministi~ki i stohasti~ki (slu~ajni). Determinira~kite mo`at pri sekoj eksperiment da se povtorat re~isi istovetno i mo`at analiti~ki da se opi{at so soodvetna matemati~ka formula.

Stohasti~kite signali se od slu~ajna priroda, pri povtorno snimawe ne mo`e da se povtori signalot, ne mo`e da se predvidi i matemati~ki da se izrazi. Vakvata podelba ne mo`e strogo da se zema bidej}i i deterministi~kite signali naj~esto sodr`at slu~ajni poremetuvawa. Ponatamu signalite se delat na stacionarni i nestacionarni, stacionarnite na periodi~ni i neperiodi~ni i.t.n.

Slika 1 Podelba na signalite

signali

deterministi~ki

stohasti~ki

stacionarni

stacionarni

neperiodi~ni

periodi~ni

neergodi~ni

ergodi~ni

Page 4: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.4 /74

Za da mo`e da se prou~uva merniot signal neophodno e toj da se poznava (snimi) vo dovolno dolg vremenski period, {to e o~igledno na primerot od slika 2.

Edna od najva`nite karakteristiki na signalite e srednata vrednost definirana so:

( ) ( )U t t T T u t dtSt

t T

1 11

1

1

, + =+

∫ (1)

kade t1 e po~etnata vrednost, a T intervalot vo koj se odreduva srednata vrednost. Druga va`na statisti~ka veli~ina kaj slu~ajnite signali e avtokorelacionata funkcija:

( ) ( ) ( )R t T u t u t dtt

t T

11

1

1

,τ τ= ++

∫ (2)

Stacionarni se onie signali kaj koi mo`e da se odredi interval T, takov da srednata vrednost i avtokorelacionata funkcija na signalot se konstantni nezavisno od po~etnoto vreme t1.

Srednata vrednost na slu~ajniot meren signal za celoto traewe bi bilo:

U u tt

u t dtS t

t

= =→∞ ∫( ) lim ( )1

0

(3)

^esto, signalot se deli na stati~ka i dinami~ka komponenta, pri {to se prou~uva obi~no dinami~kata komponenta:

u0(t) = u(t) - uS, (4)

koja ima nulta sredna vrednost.

Srednata kvadratna vrednost na slu~ajniot signal e definirana so:

U u tt

u t dtef t

t2 2 2

0

1= =

→∞ ∫( ) lim ( ) (5)

a efektivnata vrednost

U U U tef ef= =2 2 ( ) (6)

Jasno e deka kaj stacionarnite signali ovie veli~ini ne zavisat od vremeto.

Lesno mo`e da se poka`e deka va`i relacijata

U U u t Uef S S U2

02 2 2= + = +( ) σ (7)

kade σU u t202= ( ) pretstavuva sredna kvadratna vrednost na dinami~kata

komponenta na signalot, sredno kvadratno odstapuvawe ili varijansa.

Kako bi se merele ovie veli~ini?

Principielno srednata vrednost bi se realizirala preku instrumentot na slika 3.

Page 5: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.5 /74

Slika 3 Principielno re{enie za merewe na srednata vrednost na signalot

u(t) ui usu t dtt

( )0

ΔzΔt Δt

Ut

__i

Δ

Me|utoa prakti~nite instrumenti za merewe na srednata vrednost mesto integrator i stepen za delewe, koristat niskopropusen filter. Propusniot opseg na filterot, odnosno vremenskata konstanta, moraat da bidat uskladeni so brzinata na promenata na slu~ajniot signal. Na vakov na~in se dobiva signal pribli`no ednakov na srednata vrednost (slika 4).

Slika 4 Sistem za merewe na sredna vrednost na signalot so niskopropusen filter

NFfilter

analogenili digitaleninstrument

u(t)

Kaj analognite indikatori so podvi`en kalem ulogata na NF filterot ja ima mehani~kiot podvi`en sistem.

Principielnata {ema za merewe na efektivnosta vrednost bi bila kako na slika 5.

Slika 5 Principielna {ema za merewe na efektivna vrednost na signal

dobivawesrednavrednost

korenu-vawe

u(t) u (t)2 u (t)ef2

u (t)ef2

u (t)efkvadri-rawe

Za merewe na efektivnata vrednost na periodi~ni i pribli`no periodi~ni signali se koristat ednostavni instrumenti sostaveni od ispravuva~ i NF filter (slika 6).

Page 6: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.6 /74

Slika 6 Merewe na efektivna vrednost na periodi~ni i pribli`no periodi~ni signali

NFfilter

u(t) u Ui ef≈u(t)

Zna~ajna karakteristika na slu~ajnite signali e i funkcijata na amplitudska raspredelba p(u) koja e definirana so verojatnosta signalot da bide vo intervalot u, u + du

P u u du p u du( , ) ( )+ =

Mnogu slu~ajni signali kako {to se {umovite vo otpornicite i poluprovodnicite imaat Gausova funkcija na amplitudskata raspredelba. Gausova raspredelba imaat i slu~ajnite gre{ki pri mereweto. Mo`e da se doka`e deka vo kolku nekoj signal pretstavuva rezultanta od golem broj nezavisni signali so pribli`no isto vlijanie, raspredelbata na amplitudata na rezultantniot signal te`i kon Gausova vo kolku brojot na vlijatilnite veli~ini te`i kon beskone~nost. Pri ova raspredelbite na vlijatelnite veli~ini mo`at da bidat proizvolni. Vaka mo`e da se tretiraat {umovite vo otpornicite ili na primer slu~ajnite gre{ki.

Srednata kvadratna spektralna gustina ja dava raspredelbata na srednata kvadratna vrednost na signalot po frekvencii. Kaj periodi~nite signali va`i

U u t u tef i ii

2 2 2= = ∑( ) ( , )ω

kade ui2(ωi, t) se harmonicite na signalot. Kaj slu~ajnite signali koi imaat

kontinualen spektar

U u t S def2 2

0= =

∫( ) ( )ω ω

kade e S(ω) srednata kvadratna spektralna gustina.

Osven ovie funkcii, za dobivawe dodatni informacii za sistemot i fizi~kite procesi, se koristat i drugi metodi na analiza na signalite, kako na primer frekventnata analiza koja ni dava frekventen spektar na dadeniot oblik na signalot.

Za koja od poznatite metodi na spektralna analiza }e se odlu~i zavisi od oblikot, frekventnoto podra~je i priroda na signalot, (na primer metodata na tesnopojasni filtri ili na furieva transformacija na avtokorelacionata funkcija ili sli~no).

Page 7: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.7 /74

1.4 KONFIGURACIJA I STRUKTURA NA MEREN URED I MEREN SISTEM Za da se vr{i nadzor i/ili upravuvawe na procesot neophodno e da se izgradi ured/sistem za dobivawe informacii so koi }e se opi{e sostojbata i dvi`eweto na zna~ajnite parametri koi zadovolitelno go opi{uvaat sistemot. Dobivaweto na informacii se realizira vo oblik na merewe na veli~inite vo procesot.

Merewata mo`at da se izveduvaat najednostavno so instrument koj ima analogen ili digitalen izlez, ili pak e potrebno da se napravi natamo{na obrabotka na informacioniot signal, {to nalaga kompleksen meren ured/sistem. ^esto merniot sistem e avtomatiziran vo pogolem ili pomal obem.

Najednostavniot primer na blok {ema na meren ured e daden na slika 7.

Slika 7 Blok {ema na meren sistem

mereweproces

referentnavrednost

xi x xi - meren signal na veli~inataxp

x xp - prikaz na veli~inata

Informaciite od procesot doa|aat vo merniot sistem kako vlezni merni signali. So ogled deka mereweto prestavuva sporeduvawe so referentnata vrednost na soodvetnata veli~ina, merniot sistem bara da se dade taa vrednost {to go ovozmo`uva mereweto. Od kvalitetot na ovaa referentna vrednost zavisi osnovnata to~nost na mereweto.

Podatocite od merniot ured gi dobivame vo oblik na analogno poka`uvawe, digitalno poka`uvawe, zapis na lenta, na osciloskop.

Po pravilo signalite koi izleguvaat od procesot se analogni. Od analogen karakter se i elementite od merniot sistem koi gi zemaat signalite od procesot. Ponatamu obrabotkata mo`e da e bilo analogna, bilo digitalna.

Funkcionalnata {ema na meren ured bi bila prika`ana na slika 8.

Slika 8 Funkcionalna {ema na meren sistem

neelektri~naveli~ina

elektri~ensignal

referentnavrednost

procesmerenpreobra-zuva~

obrabotka,prilagodu-vawe

smeta~kioperacii prenos

memorija,prikaz

1. 2. 3.

4.

5.

Osnovni edinici/moduli na merniot ured bi bile:

Page 8: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.8 /74

1. Edinica za zemawe i preobrazba (trancducer) na meren signal. Ovaa edinica se sostoi od eden ili pove}e merni setila (sensor) so koi se dobivaat elektri~ni signali proporcionalni na veli~inite koi se merat.

2. Edinica za obrabotka i prilagoduvawe (signal conditioning), kade signalite se poja~uvaat i prilagoduvaat vo standarden naponski i struen signal.

3. Edinica za smeta~ki operacii, koja vr{i obrabotka na dobienite informacii. Ovde e potrebna i referentna vrednost za normalnata sostojba na sistemot.

4. Edinica za prenos koja ovozmo`uva kabelski ili bez`i~en prenos na informaciite, pri {to e mo`na modulacija, kodirawe i sl.

5. Edinica za memorirawe i prika`uvawe na podatocite

Pri avtomatizacija na procesite merno-upravuva~koto kolo go so~inuvaat: merniot sistem, regulatorite i izvr{nite organi.

So razvojot na tehnologijata skoro potpolno se preminuva na merno-upravuva~ki lanci vo koi se koristat mikroprocesori za obavuvawe na slo`ena obrabotka na mernite signali (slika 9).

Slika 9 [ema na mikroprocesorski meren sistem

preobra-zuva~i imostovi

merenaveli~ina

veli~inakoja seupravuva

konvertormultiplekser

mikroprocesor interfejsmemorija iprogrami

disk tastatura indikator

izvr{niorgani interfejs

kontrola isinhronizacija

zasiluvawe iprilagoduvawe

A/D

Mikroprocesorot vo gornata {ema e izvonredno elasti~en i efikasen element koj ni dava golemi mo`nosti, zavisno od priklu~uvaweto na razli~ni periferiski edinici i izvr{ni organi, preku koj se upravuva procesot sprema odnapred zadaden program.

Eden od glavnite problemi pri proektiraweto i koristeweto na merniot sistem e organizacijata na tokot na informaciite vo sistemot. Za ova se osnovni dva kriteriumi:

- Na~inot na prenos vo sistemot: seriski, bit po bit, ili paralelen, koga informacijata se prenesuva vo forma na pove}ebitni zborovi. Spored ovoj kriterium, postojat sistemi so seriski interfejsi i paralelni interfejsi.

Page 9: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.9 /74

- Na~inot na izmenata na informaciite pome|u uredite vo sistemot vo pogled na konfiguracijata na uredite: linearna, yvezdasta ili vo red.

Na slika 1.1 prika`ani se merni sistemi so linearna, yvezdasta i redna konfiguracija. Naj~esto koristena e linearnata konfiguracija kade izmenata na instrukciite pome|u uredite se realizira isklu~ivo preku magistralata za podatoci na sistemot.

SLIKA 1.1

Linearnata konfiguracija e elasti~na bidej}i ovozmo`uva lesna promena na strukturata na sistemot preku dodavawe ili isklu~uvawe na uredi ili preku izmena na mestata na odredeni uredi vo odnos na drugite.

Konfiguracijata vo oblik na yvezda bara odreden broj na multibitni vlezovi vo kompjuterot ednakov na brojot na uredi vo sistemot. Prednost na ovaa konfiguracija e toa {to nema potreba od adresirawe na uredite bidej}i tie se povrzani na odredenite kompjuterski vlezovi. Promenata na strukturata na vakov sistem e te{ka i ponekoga{ nevozmo`na ako ima potreba od pogolem broj na uredi.

Najmalku elasti~na e rednata konfiguracija vo koja {to edinstveno sosednite uredi mo`at da si go promenat mestoto. Vakva konfiguracija ponekoga{ se koristi vo ednostavnite merni sistemi so definitivno definiran na~in na tokot na informaciite.

Vo razgleduvaweto na konfiguraciite na merniot sistem, bi trebalo da se ima vo vid deka mnogu od mernite sistemi se sostojat od samo dva uredi: kompjuter ( kontroler) i meren instrument, taka da problemot na knfigurirawe na sistemot ovde ne se javuva.

Eden meren sistem proektiran za merewe razli~ni fizi~ki golemini bi se sostoel od slednive funkcionalni moduli:

Page 10: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.10 /74

- Setilo ili mno`estvo od setila ( meren preobrazuva~) ~ija zada~a e merenite fizi~ki veli~ini da gi preobrazat vo promena na elektri~ni veli~ini.

- Modul za obrabotka na merniot signal, kade signalite od merniot preobrazuva~ se obrabotuvaat (poja~uvaat, transformiraat, kompenziraat i doveduvaat vo standardni oblici i granici.)

- Analogno digitalen konvertor koj analognite elektri~ni veli~ini gi preobrazuva vo digitalni signali.

- Mikroprocesor ili kompjuter so softver i memorija.

- Aktuatori ( izvr{ni organi) ili generatori na test signali.

- Uredi za prika`uvawe ili memorirawe na informaciite ( displej na digitalen meren instrument ili monitor na kompjuterot) kako i razli~ni mediumi za pametewe na informaciite.

Eden tipi~en meren sistem e prika`an na slika 1.2.

SLIKA 1.2

Treba da se naglasi deka merniot sistem ~esto, osobeno vo industrijata e del od mernoupravuva~ki sistem. Ovde mernite podatoci se koristat za nadzor - monitoring na sostojbata, za dijagnostika na objektite i za upravuvawe so objektite.

Poslo`en meren sistem mo`e da bide analiziran so hierarhiska struktura.

Page 11: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.11 /74

SLIKA1.3

Na najnisko nivo se mernite podsistemi vo odredeni proizvodni prostorii ili laboratorii. Podatocite od ovie podsistemi se pra}aat vo glavniot kontroler na merniot sistem ( prika`ano na slika 1.3). Glavniot kontroler na sistemot gi dobiva po~etno obrabotenite merni podatoci i pra}a komandi za izvr{uvawe na mernata postapka na mernite instrumenti vo podsistemite. Glavniot kontroler na merniot sistem mo`e da ima memoriski edinici i displej. Kompjuterot ne bi bil efikasno iskoristen vo podsistemite. Kako glaven kontroler vo merniot sistem mo`e da se javat: SUM, PC, MAC, ili sli~na klasa kompjuteri koi mo`at da bidat programirani za sinteza i slo`ena obrabotka na mernite podatoci, kako i za nivno prika`uvawe. Interfejs sistemite na razli~ni nivoa na hierarhija na merniot sistem mo`e da bidat spored razli~ni interfejs standardi.

Vo primerot prika`an na slika 1.3, sekoj podsistem e sostaven spored stanadardot za paralelen interfejs IEEE-488. Podsistemite se povrzani -soedineti vo sistem so pomo{ na Local Area Netvork ( LAN), Ethernet tip so seriski prenos. Za realizacija na vakva konfiguracija kompjuterot vo podsistemot mora da bide opremen so IEEE-488 interfejs karti~ka i Ethernet mre`na katri~ka. Nekoi interfejs standardi ( na pr. Profibus ili VXI ) ovozmo`uvaat gradba na hierarhiski sistemi vo ramkite na eden interfejs sistem.

1.5 INTERFEJS SISTEM

Op{to primenuvan kriterium za podelba na mernite sistemi e na~inot na prenos na digitalnite poraki vo sistemot ( podatoci, adresi i komandi ) odnosno seriski ili paralelen prenos. Interfejs sistemot obezbeduva povrzuvawe i programirano podesuvawe na uredite prika~eni na magistralata. Soglasno so ovoj kriterium mernite sistemi se delat vo:

- Merni sistemi so seriski interfejs,

- Merni sistemi so paralelen interfejs,

Page 12: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.12 /74

Naj~esto koristeni interfejs sistemi vo komjuteriziranite merni sistemi se RS - 232 seriskiot interfejs i IEEE-488 paralelnit interfejs (isto {to i IEC - 625, HPIB, ili GPIB ).

Zna~ewe na interfejs sistemot

Postoi termin na interfejs sistem, kako i termin samo interfejs, {to ima po{iroka i potesna smisla, respektivna. Ovie termini se definirani vo standardite. Spored standardot, “inerfejs e povrzuvawe pome|u razgleduvaniot sistem i drug sistem, ili povrzuvawe pome|u uredite na eden sistem, niz koe pominuva informacijata “. Interfejs vo potesna smisla e samo povrzuva~ko kolo ( t.e., povrzuvawe signali od TTL kola so signali od CMOS kola ), ili prilagoduvawe na binarni signali kodirani so naponski nivoa ( t.e. logi~ka 0 - 0 V, logi~ka 1- 4,5V ) za binarni signali kodirani so frekfencija ( t.e. logi~ka 0 - 2200 Hz , logi~ka 1- 1200 Hz ). Terminot interfejs sistem ima po{irok smisol i zna~i “zbir od mehani~ki, elektri~ni i fukcionalni komponenti neophodni vo procesot na razmena na infornacii pome|u uredite “. Ova bi pofatilo “ kabli, priklu~nici, prenosnici na signal, priemnici na signal, interfejs funkcii so nivni logi~ki opis, liniski signal, vremenski relacii kako i pravila za kontrola “ . Protokolite za prenos i programite za kontrola koi se odnesuvaat na rabotata na sistemot isto taka pripa|aat vo interfejs sistemot. Vo sekojdneven govor ~esto terminot interfejs e koristen namesto terminot interfejs sistem. Zaradi toa i vo predavawata }e se joristi toj termin. No treba da se naglasi deka interfejs sistemot go dava ( definira) procesiraweto samo na onie signali koi se prenesuvaat preku nekoja interfejs magistrala. Drugite signali vo merniot sistem vklu~uvaj}i gi i osnovnite merni signali, analogni ili digitalni, ne se tretiraat, definiraat ili standardiziraat so interfejs standardot.

Interfejs magistrala

Signalite preneseni niz edna interfejs magistrala op{to se narekuvaat interfejs poraki. Interfejs porakite se delat na podatoci i instrukcii. Podatocite ne se rezultat samo na merewata (merni podatoci), tuku i setirawe na instrumentite (merni podra~ja, granici za alarmite, setirawe na napojuvaweto, setirawe na oscilatorite, na~in i nivo na reakcija na osciloskopite i dr.) Instrukciite pak vo interfejs sistemot se delat vo komandi i adresi.

Sekako, organizacijata na interfejs magistralata zavisi od vidot na interfejsot. Magistralite za paralelen interfejs se pokompleksni. Liniite na paralelnata magistrala se podeleni vo grupi koi isto se narekuvaat magistrali. Edna posebna magistrala na paralelnata interfejs magistrala e sekoga{ podato~nata magistrala. Podato~nata magistrala sodr`i od 4 linii ( Centronics ) do 64 linii ( PXI ). Sinhrozacionata magistrala sodr`i linii za vremensko usoglasuvawe pome|u ispra}aweto i priemot na podatoci. Kontrolnata magistrala ( ili magistrala za upravuvawe so interfejsot) sodr`i linii nameneti za prenos na kontrolni signali. Kontrolni signali vo merniot sistem se: signalot za resetirawe, signalot za pauza, komandite za izvr{uvawe na

Page 13: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.13 /74

mereweto, komandite za generacija na signali i dr. Namenata na adresnata magistrala e definirana so nejzinoto ime. Niz ovaa magistrala se prenesuvaat binarnite adresi. Adresite se pra}aat na onie uredi koi treba da izvr{at komandi ( komandite se dadeni na kontrolnata magistrala). Pobrzo adresirawe se ostvaruva koga brojot na liniite vo adresnata magustrala e ednakov na brojot na vklu~enite instrumenti vo sistemot. Vo takov slu~aj, adresiraweto e izvedeno so metodot “ 1 od n “. Vo poedini sistemi so paralelen interfejs, organizacijata na interfejs magistralata mo`e `na~ajno da se razlikuva od opi{anata. Na primer vo CAMAC sistemot postojat dve zasebni podato~i magistrali, sekoja so 24 linii. Me|utoa vo IEEE- 488 sistemot, podato~nata magistrala slu`i za prenos na podatoci i za prenos na adresi.

Magistralata kaj seriskiot interfejs mo`e da ima dve ili pove}e linii. Porakite koi se prenesuvaat se organizirani spored pravila i standardi nare~eni komunikacioni protokoli. Vo ramkite na porakata e sodr`ana adresata na prima~ot i poleto so podatocite, taa isto sodr`i pole so kontrolni bitovi, kako i CRC bitovi za proverka na validnosta. CAN i MicroLAN merno upravuva~kite sistemi imaat sli~na magistrala za podatoci. Nasproti misleweto deka seriskiot interfejs ima dve linii, seriskata magistrala mo`e da ima i do 35 linii, kako {to e toa kaj RS -449. Ova se vo najgolem broj kontrolni linii, no nekoi od niv se isto za podaroci (za priem na podatoci, za prenos na podatoci, ili za vtor kanal). Magistralata na RS- 232C seriskiot interfejs sodr`i 22 linii. Eliminacijata na nekoi kontrolni i sinhronizacioni funkcii ovozmo`uva namaluvawe na liniite vo ovoj interfejs do 5, i vo najprosta verzija duri do 2.

Funkcii na interfejsot

Vo eden meren sistem so linearna konfiguracija interfejsot bi gi imal slednive funkcii:

- Funkcii na prilagoduvawe. Funkciite na prilagoduvawe se sostojat od procesirawe na signalite {to se pra}aat sprema interfejs magistralite ili {to uredot gi prima od magistralite, vo standardna forma vo interfejs sistemot. Mo`e da se ka`e deka ovie kola, del od interfejs sistemot, se interfejsite vo potesna smisla na terminot.

- Sinhronizacioni funkcii. Sinhronizacijata pretstavuva koordinacija na prenosot na podatocite so vremeto, koja se pravi za da se prilagodi brzinata na prenos na podatociteso brzinata na priem. Vo mernite sistemi naj~esto se koristi asinhron prenos so davawe na potvrda. Drug vid na prenos e sinhroniot prenos.

- Funkcii na korekcija na gre{ka. Korektnosta na prenosot na podatoci vo sistemot se proveruva. Otkrivaweto gre{ka vo primenite podatoci od edno pole ~esto postavuva barawe za povtorno pra}awe na poleto ili negovi delovi, soglasno so postapkata za avtomatsko povtorno pra}awe na odredeniot fajl so podatci, poznato kako ARQ. Ova bara prethodno storirawe na podatocite vo bafer register. Ova e isto taka neophodno koga postojat mali razliki vo brzinata na priem i brzinata na prenos na

Page 14: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.14 /74

podatocite. Vo slu~aj na nesinhroniziran prenos, primenite podatoci se stavaat vo bafer register na prima~ot, i sqamo posle toa se ~itaat.

- Upravuva~ki funkcii. Funkciite na upravuvawe se sostojat vo kontrola na mereweto i obrabotkata na podatocite soglasno so prethodno memorirani programi i postapki. Posebno, ovaa funkcija go regulira dostapot do podatocite preneseni od prenosnicite do magistralata. Se re{ava redosledot na nastanite vo slu~aj na konfrontacii, se doveduvaat uredite od sistemot vo po~etna sostojba ( resetirawe).

Uredite vklu~eni vo meren sistem zna~i moraat da imaat posebni elektronski kola koi {to ovozmo`uvaat realizacija na navedenite funkcii na interfejsot. Taka, ovie uredi se pokomleksni od uredite koi ne se nameneti odnosno adaptirani za rabota vo sistem. Ova se odnesuva isto taka i na kompjuterite koi rabotat kako kontroleri vo merniot sistem.

1.6 KOMPJUTEROT VO MERNITE SISTEMI

Kompjuterska arhitektura

Raste~kata va`nost na mernite sistemi zasnovani na kompjuter e rezultat na {irokoto koristewe na kompjuterite i softverot. Personalniot kompjuter, ili RS, vo standardna konfiguracija mo`e da raboti kako kontroler na ednostavni merni sistemi. Mo`nostite za kontrola na merniot sistem se dobieni so povrzuvawata i drajverite na RS - 232 ili Centronics interfejsot konvencionalno vgradeni. Kontrolata na merniot sistem so drugi interfejsi bara dodavawe na dodatna karti~ka ili kontrolerski modul vo kompjuterot. Funkciite na RS vo merniot sistem bi bile:

- Funkcii na upravuvawe na sistemot ( kontroler na merniot sistem),

- Funkcii na procesirawe na podatoci, koristej}i kompjuterki programi kako {to se Excel ili Matlab,

- Funkcii na opslu`uvawe na perifernite uredi, kako {to se monitorite i tastaturite,

- ^uvawe na podatoci,

- Mo`nosti za kontrola na prenosot na podatocite na dale~ina ( t.e preku internet).

Vo slu~aj na meren sistem koj namesto kompjuter ima mikroprocesor, pove}eto od ovie funkciibi morale da bidat ispolneti vo sistemot, no ponekoga{ samo vo potesno podra~je. Posebno, postavuvaweto na periferni uredi kako {to se tastaturata, monitorot kako i ~uvaweto na podatocite, se osnovni vo sekoj meren sistem. Obrabotkata na podatocite isto taka e mnogu prepora~liva.

Mestoto na priklu~uvawe na interfejs karti~kata vo kompjuterot e mnogu va`no od aspekt na brzinata na procesirawe na podatocite. Kolku podaleku e interfejs karti~kata od procesorot ( vo kompjuterskata arhitektura), tolku pobavna }e bide komunikacijata so nea i pobavna }e bide rabotata na samata karti~ka. Modularnata struktura na modernite RS ovozmo`uva priklu~uvawe na dodatni kola ( karti~ki, memorii ), kako i periferni uredi na razli~ni mesta vo

Page 15: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.15 /74

kompjuterskite magistrali. Na slika 1.4 e prika`an poednostaven blok dijagram na mati~nata plo~a na RS i raspredot na kompjuterskite magistrali, zaedno so rasporedot na priklu~kite izvedeni od proizvoditelot za priklu~uvawe dodatni ili eksterni uredi. Na slikata 1.4 ne se prika`ani nitu magistralite nitu portite koi ne se va`ni za merniot sistem, nitu e golemo - ID magistralata ( za Hard diskovite i CD), nitu SCSI magistralata, nitu PS2 priklu~nicite za tastatura ili gluv~e, nitu priklu~nicite za Floppy Disk. Dodatni kompjuterski plo~ki se priklu~eni vo priklu~nicite vnatre vo kompjuterot vo prostor obezbeden za taa cel, vo takanare~eni slotovi. Nadvore{nite uredi se priklu~eni na priklu~nici ( konektori spred vidot na interfejsot) vgradeni vo kompjuterskata kutija.

Magistrali i paralelni {emi vo kompjuterot

Najva`noto integrirano kolo na kompjuterot, procesorot, e povrzano so ostanatiot del od kompjuterot so predna magistrala ili frontalna magistrala ( FSB). Povrzan na FSB {inata, Chipset 1 integriranoto kolo e kontroler na RAM memorijata i ke{ memorijata. Chipset 1 e interkonektor pome|u FSB magistralata i osnovnata magistrala na kompjuterot - PCI magistralata. Ke{ot e mnogu brza memorija na procesorot koja slu`i za ~uvawe na naj~esto koristenite instrukcii i podatoci, so cel da se zabrza procesiraweto na informacijata. Chipset 2 integriranoto kolo na mati~nata plo~a od kompjuterot doa|a pome|u PCI magistralata i ISA magistralata - vtorata po va`nost magistrala vo kompjuterot. Mnogu va`no kolo vo strukturata na kompjuterot e vlezno/izlezniot kontroler. Ovoj kontroler ima drajveri za ovie interfejs sistemi ~ii {to priklu~nici se postaveni na kompjuterskata kutija: seriskiot interfejs RS -232 i paralelniot interfejs IEEE – 284 ( Centronics). Interkonekcijata za periferni komponenti ( PCI magistrala ), ima 32 bitna podato~na magistrala, kontrolirana so ~asoven signal so frekfencija od 33 MHz , {to ovozmo`uva brzina na prenos na podatoci od 132 MBps, ili vo slu~aj na 66 MHz ~asovnik, brzina od 264 MBps.

Tabela 1.1

Page 16: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.16 /74

Me|utoa, visoki brzini mo`e da se dobijat samo kaj seriskiot prenos, {to podrazbira deka edno adresirawe na prima~ot na podatoci e prosledeno so prenos na podatoci so bilo koj obem. Snimaweto na cel zbor ( 32 bita), takanare~en edine~en zapis, bara najmalku 2 ciklusi, dodeka ~itaweto na cel zbor e posporo: toa bara tri ciklusi. Prenosot na celi zborovi odi so brzina od 44 ili 66 MBps. Podato~nata magistrala na PCI magistralata mo`e da se pro{iri do 64 bita. Osnovnite parametri na magistralite se prika`ani vo tabela 1.1.

Vo kompjuterskata arhitektura najblisku do procesorot e postavena PCI magistralata i taka brzinata na prenos kaj nea e najgolema. Vo tabelata ne e poka`ana FSB magistralata na koja nema priklu~eno dodatni uredi osven {to mo`e da se priklu~i dodatna RAM memorija. Tri do {est lota PCI uredi se izvedeni na mati~nata plo~a na kompjuterot. Na slika 1.5 prika`ana e mati~na plo~a na RS so slotovi za PCI uredi i slotovi za ISA uredi. Kompjuterskite karti~ki so visoka rabotna brzina se priklu~eni na PCI magistralata, vklu~uvaj}i tuka interfejs karti~ka, merni karti~ki i vlezno/izlezni karti~ki.

Kako primer, za merewe mo`e da se priklu~at na PCI magistralata slednive kompjuterski karti~ki proizvedeni od National instruments:

- LAN karti~ka , ( naj~esto Eternet karti~ka )

- PCI- GPIB karti~ka na IEEE - 488 interfejs kontroler

- PCI – 485 kontrolerska karti~ka za RS – 485 seriski interfejs so 2 do 8 vleza

- PCI – CAN kontrolerska karti~ka za meren sistem so CAN seriska magistrala

- NI 5911 karti~ka za analogno digitalen konvertor (vlezno/izlezna karti~ka )

- PCI – DIO -24 karti~ka za akvizicija na podatoci ( DAQ), pove}e kanalna vlezno/izlezna karti~ka

- Osciloskopska karti~ka koja slu`i za virtuelen osciloskop

- PCI - 1422 karti~ka, 16 bitna karti~ka za ADC za vizuelni signali

Page 17: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.17 /74

Slika 1.5

Kompjuterski karti~ki od drugi proizveduva~i na merni uredi, na primer Keithley, isto taka mo`e da se nabavat i da se priklu~at na PCI magistralata. Novost vo mernata tehnologija se modularnite merni sistemi, PCI ekstenzii za instrumentacija (PXI) so PCI magistralata kako interfejs magistrala. PCI magistralata e izvedena vo RS, vo mo}ni RS kako i vo rabotnite stanici. Taka so kompjuterite od ovie klasi mo`e da se sostavi meren sistem so interfejs plo~ka ili PCI merna plo~ka.

ISA, magistralata ima 16 bitna podato~na magistrala kontrolirana so ~asovnik so frekfencija 8 MHz. So ogled deka prenosot na podatoci na ISA magistralata bara najmalku dva ciklusi ( a ~esto duri 8 ciklusi), gornata brzina na prenos so ISA magistralata e do 8 MBps, ili so drugi zborovi toj e 32 pati po spor otkolku brzinata na prenosot so PCI magistralata. Taka gornata brzina na rabota na mernite sistemi koi ja koristat ISA magistralata e poniska otkolku kaj sistemite so PCI magistralata.

Na ISA magistralata mo`e da se priklu~at razli~ni tipovi na kompjuterski karti~ki za merni sistemi:

- AT – GPIB ( od NI ) ili KPC – 488 (od Keithley ),IEEE - 488 interfejs kontrolerska karti~ka

- AT – 485 (od NI), RS – 485 interfejs kontroler so 2 do 8 vleza

- AT – 232 (od NI), RS -232 interfejs kontroler so 2 do 16 vleza ( RS obi~no ima 2 RS – 232 vgradeni vleza)

- AT – CAN ( od NI ), kontrolerska karti~ka za meren sistem so CAN magistrala so 1 do 2 vleza

- Izlezno/vlezni katri~ki so ADC i DAC, ( primer NI 5102 ( od NI )

Page 18: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.18 /74

Chipset 2 go kontrolira univerzalniot seriski bas ( USB), so brzina na prenos od 480 Mbps ( USB 2.0). Vo mernite sistemi so laptop kontroler osnovni se parametrite na PCMCIA magistralata.

PCMCIA magistralata e vgradena vo ovaa klasa na kompjuteri. Ovaa magistrala be{e vovedena vo 1989 godina so cel da se priklu~at dodatni memoriski karti~ki kon laptop kompjuterot. Vo 1994 godina be{e voveden CART BUS standard so parametri sli~ni na PCI magistralata. Osnovni razliki pome|u PCMCIA magistralata i CART BUS se sostojat vo prodol`uvaweto na dol`inata na zborot na podatoci od 16 bita na 32 bita, zgolemuvaweto na frekfencijata na ~asovnikot na basot do 33 MHz. Vo noviot standard (CART BUS ) se zadr`ani dimenziite i 68 - pinski priklu~nici od PCMCIA. Seu{te e vo upotreba imeto PCMCIA za magistralata i priklu~nicite, kako i kompjuterskite plo~ki koi gi ispolnuvaat uslovite na CART BUS standardot. Napojuvaweto na PCMCIA karti~kite e so 3,3 V . PCMCIA priklu~nicata seu{te slu`i za priklu~uvawe na dodatni memoriski karti~ki ili dodatni hard diskovi na laptopot. Ponatamu na ovie priklu~nici bi mo`ele da se priklu~at slednive merni uredi vo forma na PCMCIA karti~ki: interfejs karti~ka ( IEEE – 488, RS -232C, CAN ), DAQ ( merna karti~ka) so ADC i DAC, modem karti~ka za telefonija i modem za bez`i~na telefonija. Standardnite dimenzii na PCMCIA karti~kite se: do`ina 85,6 mm i {iro~ina 54 mm , dodeka debelinata mo`e da bide 3,3 mm, 5 mm ili 10,5 mm.

Univerzalna seriska magistrala ( USB)

Mernite sistemi ~esto pati se ednostavni i se sostojat od eden instrument i eden kompjuter. Vo vakov slu~aj mo`e da se koristi seriskiot interfejs RS – 232C, koj {to e vgraden vo sekoj RS. Osnovno ograni~uvawe kaj sistemite so ovoj interfejs e gornata brzina na prenos koja {to e pomala od 20 kbps koga dol`inata na liniite e 15 m, i pomala od 115 kpbs koga dol`inata na prenosot e pomala od 1,5 m. Prenosot na podatocite vo kompjuterskite sistemi i vo kompjuteriziranite merni sistemi mo`e da se ostvari so brzini zna~ajno povisoki od ovie vo RS-232C interfejsot.

USB i IEEE – 1394 ( Fire Wire ) kreiraat nov metod vo dodavwe i dostap na periferni edinici, {to go poednostavuva konfiguriraweto i pro{iruvaweto na sistemot od korisni~ka gledna to~ka. USB univerzalnata seriska magistrala ovozmo`uva brzina na prenos do 480 Mbps ( USB 2.0). USB e vgraden vo RS kako ilaptop. U{te pogolemi brzini na prenos do 800 Mbps mo`e da se dobijat so koristewe na IEEE – 1394 seriskata magistrala, koja ve}e nekolku godini se vgraduva vo kompjuterite. Od gledna to~ka na merniot sistem postoi kvalitativna razlika pome|u RS-232C seriskiot interfejs i IEEE – 1394 seriskata magistrala, ili USB seriskata magistrala. Razlikata e {to RS-232C interfejs sistemot e pokompleksen vo pogled na elektri~nite i mehani~kite parametri, organizacionite pravila, i protokolite za prenos. Dodeka, USB seriskata magistrala ili IEEE – 1394 seriskata magistrala se nameneti najpove}e za prenos vo eden pravec na digitalni podatoci ( i prenos vo dvata pravci na komandi ) vo kompjuterot za kratki rastojanija, koi se dvi`at od polovina do nekolku metri. Soglasno, USB magistralata mo`e da se koristi za prenos na merni podatoci, me|utoa vo standardnite resursi na kompjuterskite operativni sistemi nema

Page 19: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.19 /74

softver za meren sistem so USB. Osobinite na IEEE – 1394 magistralata se po pove}enamenski i taka taa podobro se vklopuva vo gradbata na meren sistem. Spojkite na USB i IEEE – 1394 magistrali se koristat vo mernite sistemi za povrzuvawe na slednite instrumenti:

- Interfejs karti~ka koja zaedno so kompjuterot gradi interfejs kontroler. Na primer GPIB-USB ili GPIB- 1394 tip na karti~ka od NI. So niv mo`at da se realiziraat funkciite na kontroler na IEEE – 488 sistem.

- DAQ karti~ka, koja sodr`i ADC i ~esto DAC. DAQ karti~kata so RS i program kreira virtuelen meren instrument.

Koga site spojki na glavnata magistrala se vgradeni vnatre vo RS, na USB priklu~okot ili IEEE – 1394 mo`at da se priklu~at drugi uredi kon kompjuterot, vklu~uvaj}i DAQ karti~ka. USB magistralata ja ima vo sekoj RS ili laptop, kako i pove}e USB priklu~oci so cel da se povrzat razli~ni periferni uredi kon kompjuterot. USB osiguruva standardizacija na kablite za povrzuvawe na uredite so kompjuterot i obezbeduva komunikacija so niv preku mal broj na vlezno/izlezni adresi. Opremata za USB koja e na raspolagawe se sostoi od host kontroler, USB koncentratori, i USB uredi kako {to e prika`ano na slika 1.6 . Ovaa oprema mo`e da se priklu~i na USB priklu~okot vo kompjuterot. Pra}aweto i priemot na podatoci od konkreten USB ured ne e mo`no da se inicira od uredot tuku e rezultat na periodi~no kontaktirawe na site uredi od strana na glavniot kontroler. USB koncentratorot e istovremeno i distributer i zasiluva~ na signalot. Na primer Hub 4 na slikata 1.6 ja ima funkcijata na poja~uva~. Vo USB se mo`ni 4 na~ini na prenos na podatocite:

- Kontrolni prenosi koi se pravat posle priklu~uvaweto na nov USB ured na USB magistralata so cel da se konfigurira uredot.

- Interrapti, povrzani so periodi~nata proverka na spori uredi ( tastaturi).

- Masiven prenos na podatoci, primenet vo slu~aj na uredi so neredovna komunikacija no so visoka brzina ( pe~ata~i ili digitalni kameri).

- Izohroni prenosi, kaj uredite koi rabotat vo realno vreme ( CD ~ita~i, se prenesuvaat podatoci vo asinhronen mod, me|utoa pauzite pome|u poedini znaci moraat da bidat integral do multipli od ciklusot na bitovite. Ova bara dobra sinhronizacija na transmiterot i prima~ot.

Page 20: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.20 /74

Slika 1.6

Osobinite na USB se slednive:

- Eden tip na interapt i edno mesto so USB adresa,

- Mo`nost za priklu~uvawe do 127 uredi,

- Eden tip na priklu~ok i kabel za USB uredite - USB kabelot e ~etvoro`i~en: dve signalni linii ( za diferencijalen prenos na eden signal) i dve `ici za napojuvawe, maksimalnata dol`ina na kabelot e 5 m,

- Mala brzina na prenos, pomala od 1,5 Mbps ( standard USB 1.0). So standardot USB 2.0 voveden 2000 godina , srednata brzina e 12 Mbps , a visokata pomala od 480 Mbps .

- Priklu~uvaweto e “ plug and play “ mod,

- Mo`nost za napojuvawe na perifernite USB uredi od kompjuterot preku magistralata. USB vlezot vo kompjuterot sodr`i napojuvawe so napon 5 V, so mo`nost za optovaruvawe o,5 A za nadvore{nite uredi.

Prakti~noto “ plug and play “ priklu~uvawe rezultira vo neosetlivost na kompjuterot pri vklu~uvawe i isklu~uvawe na USB uredite na magistralata. Posle takva promena na konfiguracijata na sistemot, nema potreba kompjuterot da se restartira. Startot ( inicijalizacijata) na USB magistralata od kompjuterot sledi avtomatski. Za vreme na inicijalizacijata na kompjuterot ili glavniot kontroler, USB sistemot dava 7 bitna adresa na USB uredot i prima podatoci za prenosniot mod i brzinata. Binarnite signali vo USB magistralata se prenesuvaat so par `ici D + i D- . Razlikata na potencijalot mome|u `icite vo magistralata go ima slednovo zna~ewe:

- Logi~ka 1 za D+ - D- pogolemo od 200 μV

- Logi~ka 0 za D+ - D- pomalo od 200 200 μV

Page 21: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.21 /74

Vo stacionarna logi~ka sostojba naponot na D+ ili D- linijata mora da bide povisok od 0, 8 V. Za vreme na prenosot na kodirani znaci ili broevi, bitovite se prenesuvaat po~nuvaj}i od najmalku zna~ajniot bit ( LSB).

Na slika 1.7 prika`ani se tri tipa na USB priklu~nici. Opisot na liniite vo USB priklu~nicite e prika`an vo tabela 1.2.

Slika 1.7

Tabela 1.2

Standardot USB 1.1 ne se koristi kako interfejs magistrala vo mernite sistemi zaradi malku povisokata brzina na prenos ( 12 Mbps ), sporedeno so sistemot so RS – 485 seriski interfejs ( 10 Mbps ). Drugite parametri na signalot kaj USB 1.1 se duri polo{i od signalite kaj RS – 485 sistemot.

USB priklu~okot mo`e da slu`i za priklu~uvawe interfejs karti~ka na kompjuterot ( IEEE – 488 interfejs karti~ka) kako {to e prika`ano na slika 1.8.

Slika 1.8

Kako rezultat na priklu~uvaweto na takva kartia~ka kompjuterot stanuva interfejs kontroler na IEEE – 488. Poedinite uredi prika~eni na USB sistemot mo`e da razmenuvaat podatoci vo parovi, so razli~ni brzini na prenos za sekoj par. Visoka brzina na prenos na podatoci preku USB seriskata magistrala mo`e

Page 22: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.22 /74

da se dobie samo koga i dvata uredi koi {to komuniciraat eden so drug se opripremeni za takva brzina na prenos. Najvisokata brzina na prenos vo USB, koja dostiga 480 Mbps se koristi sega za razmena na podatoci pome|u memoriskite diskovi, ili za ~itawe DVD diskovi. USB 2.0 mo`e da se koristi kako magistrala na merniot sistem so dobri dinamiki, kako {to e prika`ano na slika 1.9. USB 2.0 vlezovite se opremeni za:

- Osciloskopi od seriite TDS 6000 i 7000 ( Tektroniks)

- Osciloskopi od seriite WAV surfer 400 i 6000 ( Lekroy)

- Pove}e tipovi spektralni analizatori proizvedeni od ROHDE i SCHWARZ.

- Osciloskopi Infinium 54800 i generatori 33220 e proizvedni od Agilent Technologies.

Slika 1.9

Kompjuteriziraniot meren sistem so USB magistrala mo`e da ima pove}e instrumenti otkolku instalirani USB vlezovi vo kompjuterot bidej}i e mo`no da se postavat koncentratori vo bilo koja to~ka USB mre`ata. Mo`e da se o~ekuva deka razvojot na USB opremata }e bide sleden so razvoj na softver za merni sistemi so USB magistrala. Mnogu tipovi na pe~ata~i mo`e da se kontroliraat od kompjuterot preku USB magistrala vgradena vo pe~ata~ot do Centronics interfejsot ili na negovoto mesto.

IEEE – 1394 seriska magistrala

Seriskata magistrala so visoka brzina na prenos be{e razviena od Apple vo 1986 godina pod ime Fire Wire . Vo 1995 godina ovaa magistrala e standardizirana pod ime IEEE – 1394 ( drugi imiwa na ovaa magistrala se iLink ili Digital Link ). IEEE – 1394 magistralata ispolnuva funkcija sli~na na USB magistralata. Me|utoa taa e nameneta za uredi koi {to baraat povisoki brzini na prenos kako {to se digitalni kameri, DVD ~ita~i, merni instrumenti i navigacioni ili medicinski instrumenti. Standardite IEEE – 1394 i USB se komplementarni, no ne me|usebno menlivi. Ponovite kompjuteri se opremeni so vlezovi od dvete magistrali. Drajverite za niv se sodr`ani vo operativniot sistem na kompjuterot.

IEEE – 1394 magistralata obezbeduva najvisoka brzina na prenos od site seriski interfejs standardi.

- 400 Mbps vo osnovnata IEEE – 1394 a verzija,

Page 23: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.23 /74

- 800 Mbps vo IEEE – 1394 b verzijata.

Se raboti na podobruvawe na IEEE – 1394 b verzijata so cel da se podigne brzinata na prenos do 3,2 Gbps. Za vaka visoki brzini na prenos bi bile neophodni opti~ki kabli. Ovaa magistrala e nameneta kako za modulite instalirani vo RS kutijata taka i za uredite povrzani na RS so kabel.

Se koristat tri tipa na IEEE – 1394 priklu~nici: 9 pinska, 6 pinska i 4 pinska, prika`ani na slika 1.10. Opisot na liniite e daden vo tabela 1.3.

Slika 1.10

Tabela 1.3

Osobinite na IEEE – 1394 seriskata magistrala se:

- Eden tip na interapt i edno adresno mesto

- Mo`nost za priklu~uvawe do 63 uredi

- Visoka brzina na prenos. Pomala od 800 Mbps

- Instalacija “Plug and play”

- Eden odbran tip na priklu~ok i kabel za IEEE – 1394 uredite; kabelot e obi~no 6 `ilen: 4 signalni linii i 2 `ici za napojuvawe. Priklu~okot ovozmo`uva napojuvawe so mo}nost do 45 W, so max 1,5A i 30 V. Samo 9 pinskite i 6 pinskite spojki mo`at da nosat napojuvawe, dodeka 4 pinskite nemo`at.

Generalno strukturata na IEEE – 1394 mre`ata e vo oblik na drvo ( do 64 uredi ). Maksimalnata dol`ina na poedina sekcija od kabelot e do 4.5m. Do 16 IEEE – 1394 uredi mo`at da bidat povrzani vo lanec, {to dava do`ina na magistralata ednakva na 67 m za sekoj lanec, smetaj}i so maksimalna dol`ina na sekoja kablovska sekcija.

Page 24: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.24 /74

Protokolot na prenos vo IEEE – 1394 sistemot e organiziran vo tri nivoa: nivo na transakcii, nivo na vrski i fizi~ko nivo, kako {to e poka`ano na slika 1.11. Vo IEEE – 1394 magistralata mo`ni se dva vida na prenos:

- asinhronen,

- izohronen

Slika 1.11

So "Plug and play” instalacijata vo IEEE – 1394 sistemot ne e potrebno restartirawe na kompjuterot posle povrzuvaweto na nov ured na IEEE – 1394 magistralata, ili pak pri isklu~uvaweto na uredot. Za vreme na inicijalizacijata na IEEE – 1394 sistemot se vr{i i negova samokonfiguracija. Pri ova uredite dobivaat nivni identifikacioni broevi i ID adresi. Vo glavata na prenesuvaniot fajl na podatoci se vklu~eni: brojot na priemnikot na podatocite (ID na destinacijata) i brojot na ispra}a~ot na podatocite (ID izvorot).

Sprotivno na USB sistemot, kade upravuva~kata funkcija ja ima glavniot kontroler na USB magistralata, IEEE – 1394 sistemot nema superiorni uredi. Site IEEE – 1394 uredi imaat isti prava vo pristapot na magistralata i razmenata na podatocite. Ova ne isklu~uva programirawe na eden od uredite, na primer na kompjuterot, da dobie po~esti barawa za podatoci od drugite uredi. Nekoi proizvoditeli na merni instrumenti ve}e prpoizveduvaat povisoka klasa na instrumenti opremeni so drajver i priklu~ok za IEEE – 1394 magistralata. IEEE – 1394 magistralata mo`e isto taka da se koristi kako sistemska magistrala vo meren ured koj se sostoi od pove}e moduli postaveni vo edna kutija.

Page 25: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.25 /74

2. СЕТИЛА И MERNI PREOBRAZUVA^I

2.1.OP[TO

Kako {to e ka`ano vo воvеdot, merniot preobrazuva~ (setilo, senzor), strukturata na merniot sistem i dinamikite vo sistemot se glavnite aspekti na verodostojnoto merewe.

Vo op{t slu~aj merniot preobrazuva~ se nao|a vo nehomogena i nestacionarna sredina pri {to se javuvaat me|usebni vlijanija (slika 10a).

Ovie vlijanija ne se so ista golemina, nekoi se pogolemi, nekoi zanemarlivi, no sekoga{ postojat. Zna~i, setiloto bi trebalo da se nabquduva kako element so pove}e vlezovi i izlezi (sliika 10b).

Slika 10 Senzor - a) vlijanie na okolinata; b) pretstavuvawe; v) pojava na spregi

senzor

vlezovi

izlezi

okolina E

a) b) v)

vlezovi izlezi

xysenzor

vlezovi

senzor

sakan sakan

nesakan nesakan

izlezi

Samo eden od pove}eto vlezovi e mernata veli~ina, odnosno veli~inata koja e objekt na merewe. Drugite vlezovi se nesakani, bidej}i tie pridonesuvaat kon poremetuvawe na izlezniot signal, odnosno do pojavata na {umovi ({umot e bilo koj nesakan signal pome{an so baraniot signal na izlezot). Sekako, nesakaniot signal mo`e vo nekoe drugo merewe da bide tokmu signalot {to se bara.

Samo eden izlez e signal. Toa e izlezot {to odgovara na mernata veli~ina. Pri ova treba da se ima vo vid i mo`nosta od pojava na razni spregi, {to {ematski e prika`ano na slika 10v.

Kako {to okolinata deluva na senzorot, taka i senzorot deluva na nea menuvaj}i ja sostojbata na okolinata vo blizinata na negovite granici. Ovoj “efekt na optovaruvawe” nastanuva poradi transferot na energija pome|u senzorot i okolinata, i eventualnite strukturni promeni. Mereweto, koe pretstavuva prenos na informacii pome|u senzorot i okolinata, mora da bide pridru`eno, so transfer na energija. Isto taka jasno e deka lokalnite uslovi, odnosno strukturata na mediumot mo`at da se promenat zaradi prisustvoto na probata za merewe. Ovoj efekt mo`e da bide pogolem ili pomal, no toj e neizbe`en, taka da “perfektno” merewe e nevozmo`no. Toa bi bilo mo`no ako (1) “senzorot ne e tamu” i (2) odzivot na senzorot e momentalen.

2.2.FIZI^KI ZAKONI

Ako sakanata vlezna veli~ina, mernata veli~ina ja ozna~uvame so D, i site drugi vlezovi U se nesakani i se potencijalen izvor na {um, vo op{t slu~aj fizi~kiot zakon koj ja povrzuva izleznata veli~ina Y so vleznite veli~ini mo`e da se izrazi so relacijata

Page 26: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.26 /74

Y f D U= ( , ) (1)

kade D i U se nezavisni promenlivi.

Vo po~etnata sostojba va`i:

Y f D U0 0 0= ( , ) (2)

Promenata na vleznite veli~ini }e dade

Y Y Y f D D U U= + = + +0 0 0Δ Δ Δ( , ) (3)

Kade Δ e kone~na promena na veli~inite, a “0” indeksot ja ozna~uva po~etnata stacionarna sostojba na vele~inite, pri {to mo`e da se zeme deka Y0 e doterano no 0 pred da po~ne mereweto. So razvoj vo Taylor-ov red se dobiva

( ) ( )Δ Δ Δ Δ Δ Δ ΔYf

DD

fU

UD

fD

DU

fU

UU

fD

D UD

fU

= + +⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

+⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

+⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

+ +∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

∂∂0 0 0

2

0

2

0 0

12

12

12

12

K (4)

Sekoj od ovie ~lenovi na desna strana go poka`uva efektot na eden vlez vrz senzorot i ima fizi~ko zna~ewe. Za pove}eto merni procesi ~lenovite od povisok red mo`at da se zanemarat.

Vo prva aproksimacija ravenkata go dava odnosot signal/{um za linearna rabota

Δ Δ ΔY fD

D fU

U= +∂∂

∂∂0 0

(5)

Izlezot ima dva ~lena, sakan del: signal od mernata veli~ina D, i soodvetniot parcijalen izvod koj pretstavuva osetlivost na signalot, i nesakan del: so

dadena osetlivost ∂fUΔ 0

na {umot

Visok odnos signal/{um se dobiva ako e

∂∂

∂∂

fD

D fU

U0 0

Δ Δ⟩⟩ (6)

Ova e ispolneto ako e

∂∂

∂∂

fD

fU

⟩⟩0 1ο

∂∂

fU

= 0 2ο

ΔU = 0 3ο

Δ ΔD U⟩⟩ 4ο

1ο Uslovot zna~i preobrazuva~ot da bide osetliv na merenata veli~ina, a relativno neosetliv na vlezovite na {um. Kako ovie osetlivosti se smetaat vo okolinata na rabotnata to~ka, eden metod na podobruvawe na odnosot signal/{um bi bil i so adekvaten izbor na rabotnata to~ka.

2ο Ovoj uslov isto taka mo`e da se dostigne so soodveten izbor na rabotnata to~ka

Page 27: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.27 /74

3ο Ovoj uslov se dostignuva do odreden stepen so metodi na redukcijata na {umot.

4ο Uslovot ΔD >> ΔU zna~i merenata veli~ina e mnogu pogolema od vlezot na {umot. Signalot mo`e samo do odreden stepen da se zgolemi kaj nekoi pasivni senzori so zgolemuvawe na mo}nosta na napojuvaweto. Me|utoa, ne mo`e da se smeta deka vlezot na signalot e inherentno pogolem od vlezovite na {umot.

Ako ravenkata (3) se pregrupira i se nabquduvaat i ~lenovite od vtor stepen,

Δ Δ Δ Δ ΔY fD

DD

fD

DU

fD

D U= + ⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

+ ⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

∂∂0 0

2

0

12

12

(7)

mo`e lesno da se voo~i deka ~lenovite od vtor red gi pretstavuvaat promenite vo osetlivosta na signal. Vtoriot ~len gi dava promenite zaradi porastot na samiot vlez na signal, ΔD. Taka senzorot ima odreden linearen interval i stanuva nelinearen posle toa, no se gleda deka senzorot e inherentno

nelinearen. Tretiot ~len ja dava promenata na ∂∂

YD 0

zaradi ΔU. Ova se narekuva

obi~no “drift”, kako na primer “driftot” vo elektronskiot poja~uva~ zaradi promena na temperaturata na ambientot. Op{to driftot ne e seriozen problem, bidej}i instrumentot (preobrazuva~ot) mo`e da se stabilizira. Dolgotrajniot drift se dava i vo spesifikacijata na preobrazuva~ot.

Kaj preobrazuva~ot mo`at da nastanat i ireverzibilni efekti, odnosno toj da ne se vra}a vo prvobitnata sostojba pri odstranuvaweto na vlezovite. Ova go dava efektot na minatoto vrz karakteristikite na preobrazuva~ot. Me|utoa nekoi ireverzibilni efekti se {iroko koristeni za merewe na maksimalnite i kumulativni vrednosti na merenata veli~ina. Zna~i, ako merenata veli~ina predizvikuva kaj eden objekt promeni koi mo`at da se detektiraat, objektot e potencijalen senzor za taa veli~ina. Tie promeni mo`at da bidat razli~ni, sakanata e signal, a nesakanata {um ili o{tetuvawe.

2.3.STATI^KI KARAKTERISTIKI

Osobinite na elementot mo`at da se prika`at grafi~ki, kako edna kriva ili kako familija krivi. Ovie krivi na kalibracija, dobieni pod stati~ki uslovi se narekuvaat stati~ki karakteristiki na preobrazuva~ot.

Vo kolku se raboti za zavisnost y=f(x) se odreduvaat parovi na vrednosti (x, y), a ako e na primer y=f(x1, x2) se dobiva familijata krivi po x1 zemaj}i go x2 kako parametar. Instrumentot e linearen vo kolku karakteristikata e prava linija. Naklonot na pravata ni ja poka`uva osetlivosta na instrumentot. Nezavisna linearnost ozna~uva deka maksimalnata devijacija na izlezot y od kalibracionata linija e nezavisna od ot~ituvaweto kako na slika 11a.

Page 28: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.28 /74

Slika 11 a) nezavisna linearnost; b) proporcionalna linearnost

a) b)

izlez

vlez

Y% odpolnata skala

izlez

vlez

Y% od~itaweto

Proporcionalna linearnost prika`ana na slika 11b ozna~uva deka devijacijata e konstanten procent od aktuelnoto ot~ituvawe. Me|utoa mo`e da se pravi i kombinacija vo dolniot del da se postigne proporcionalna, a vo gorniot del nezavisna linearnost. Za dobivawe na kalibracionata linija naj~esto se koristi metodot na najmali kvadrati. Linearnosta e po`elna, bidej}i taa gi poednostavuva merewata. Me|utoa taa ne zna~i i poto~no, poprecizno ili poosetlivo merewe.

Driftot, koj nastanuva pri promena na karakteristikite se reperkuira kako drift na nulata (slika 12a) i drift na osetlivosta (slika 12b). Elementot e nelinearen vo kolku izlezot ne e proporcionalen na vlezot. Nalinearnosta kaj preobrazuva~ite }e predizvika izobli~uvawe i vo op{t slu~aj e nepo`elna.

Slika 12 a) drift na nulata; b) drift na osetlivosta

a) b)

izlez

nominalnalinija

drift drift

nominalnalinija

vlez

izlez

vlez

Zasituvawe nastanuva koga veli~inata na vlezot ja nadminuva linearnata oblast na instrumentot. Ekstremen slu~aj na zasituvaweto bi bilo ograni~uvaweto (slika 13).

Page 29: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.29 /74

Slika 13 a) zasituvawe; b) ograni~uvawe

a) b)

izlez

vlez

linearnaoblast

izlez

vlezlinearnaoblast

Isto taka mo`e da se javi efektot na povratno zasituvawe, histerezis, mrtva zona i rezolucija, prika`ani na slika 14.

Slika 14 a) prazen od; b) histerezis; v) mrtva zona; g) rezolucija

izlez

vlez

izlez

vlez

izlez

vlez

izlez

vlez

a) b) v) g)

Osven amplitudsko izobli~uvawe vo slu~ajot na nelinearna karakteristika, (1) vo kolku karakteristikata e nesimetri~na na izlezot se dobiva i konstanten ~len, (2) a vo kolku karakteristikata ne pominuva niz nula se dobiva i fazno pomestuvawe.

^esto karakteristikata se linearizira so nao|awe na prava linija koja vo okolinata na rabotnata to~ka ja aproksimira krivata. So drugi zborovi nelinearniot sistem se pretstavuva so pomo{ na linearen model za ograni~ena oblast okolu rabotnata to~ka.

Naj~esto linearizacijata se vr{i so razvivawe vo Tajlorov red.

2.4.PODELBA NA MERNITE PREOBRAZUVA^I

Preobrazuva~ite {iroko se klasificiraat kako aktivni i pasivni. Aktivniot preobrazuva~ go detektira vlezniot signal i generira izlezen signal zavisno od fizi~kiot zakon, pritoa toj ne bara pomo{na energija.

Pasivnite preobrazuva~i se impedansno zasnovani tie baraat pomo{en vlez (nositel) za rabota. Nivnite izlezi zavisat od karakteristikite na nose~kiot signal, i mo`no e da se modificira signalot za da se potisne {umot ili pak zaradi prenos na signalot. Energijata na izlezot kaj pasivnite preobrazuva~i e glavno od nose~kiot signal. Ovde za razlika od aktivnite preobrazuva~i mo`e da se postigne pogolema mo}nost na izlezniot signal, a isto taka ovde e pomala

Page 30: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.30 /74

tendencijata za optovaruvawe na izvorot na informacii. Vo ovaa grupa na preobrazuva~i spa|aat: otpornite preobrazuva~i, fotootpornici, kapacitivni, induktivni i drugi.

Dodeka vo aktivni spa|aat: fotoelementite, termoelementite, piezoelektri~nite preobrazuva~i i drugi.

Mo`ni se i drugi podelbi na preobrazuva~ite na analogni i digitalni; na parametarski, generatorski, frekventni i sli~no.

ПОНАТАМУ ОПИС НА РАЗНИ СЕТИЛА

Page 31: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.31 /74

Page 32: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.32 /74

3. PREOBRAZUVA^I NA MERNITE SIGNALI

3.1 OP[TO

Izleznite signali od preobrazuva~ite na mernite signali, bilo da se naponski ili strujni, moraat da gi zadovolat utvrdenite dogovori vo pogled na amplitudata i vremenskata promena. Ovie signali se analogni ili digitalni. Analogni se naj~esto naponite i struite koi se dobivaat od mernite preobrazuva~i. Izlezot na preobrazuva~ot na merni signali e naponski ili struen izvor, taka da izlezniot napon, odnosno struja, ne zavisat od optovaruvaweto. Isto taka preobrazuva~ na merni signali mo`e da bide izvor na vozdu{en pritisok, {to go upravuva vleznata veli~ina i e nezavisen od optovaruvaweto. Izleznite signali mo`at da bidat ednonaso~ni ili naizmeni~ni so kostantna frekvencija, a promenliva amplituda i faza.

Preobrazuvaweto na mernite signali vo analogen mod vklu~uva poja~uvawe, manipulacija, filtrirawe, modulacija/demodulacija i dinami~ka kompenzacija. Vo analogen mod vrednosta na informacijata e odredena so preciznata veli~ina na signalot.

Preobrazuvaweto na mernite signali vo digitalen mod, so pomo{ na digitalni smeta~i ili mikroprocesori e re~isi bez ograni~uvawe. Ovde signalot e vo binarni impulsi i preciznata vrednost na impulsot ne e bitna. Informacijata se dava samo so ON/OFF sostojbi i se dodeka tie mo`at da se identifikuvaat taa ne mo`e da se izgubi. Taka kako dodatna prednost na upotrebata na digitalni smeta~i za obrabotka na podatocite, digitalniot prenos im dava i visoka tolerancija za razni signali na {um. Prenosot so opti~ki vlakna e relativno nov, no ekstremno va`en za natamo{en razvoj na merno upravuva~kite sistemi.

Modernite merno upravuva~ki sistemi rabotat vo hibriden mod, koj e kombinacija na analogen i digitalen . Najpove}eto merni preobrazuva~i se analogni bidej}i, fizi~kite veli~ini se kontinualni funkcii. Ovie analogni signali se pretvoraat vo digitalni za ~uvawe i/ili obravotka vo kompjuter. Zaradi ra{irenata upotreba na digitalna oprema, digitalnite merni preobrazuva~i stanuvaat se popopularni. Za primena vo upravuva~kite sistemi digitalnite signali povtorno se pretvoraat vo analogni i se vodat vo izvr{nite organi.

Elementite koi se upotrebuvaat vo preobrazuva~ot na merni signali mora da bidat kompatibilni. Za analognata oprema glaven problem vo kompatibilnosta e slagaweto na impedansite za da se odbegne optovaruvawe ili za da se prenese maksimalna mo}nost. Kaj digitalnata oprema kompatibilnosta (interfacing) na opremata i softverot e mnogu pokompleksno pra{awe i treba da go re{avaat specijalisti.

3.2 OPERACIONI POJA^UVA^I

Elektri~nite signali od analognite merni preobrazuva~i se naj~esto so nizok intenzitet i/ili mala mo}nost, zatoa tie se poja~uvaat pred ponatamo{nata obrabotka ili prenos. Operacionite poja~uva~i se koristat {iroko kako

Page 33: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.33 /74

elementi za gradba na instrumenti. Na slika 15a prika`an e operacionen diferencijalen poja~uva~ so golemo poja~uvawe vo otvoreno kolo, za ednonaso~en re`im.

Slika 15 a) operacionen diferencijalen poja~uva~ vo otvoreno kolo;b) idealiziran operacionen zasiluva~

Vab

Vb

Va

Va

VbVo

Vo

aa

b

b

Va

Vab

AVab

Vb

Vo

( )

( )

+

a) b)

Poja~uva~ot obi~no se koristi vo zatvoreni kola, {to }e bide poka`ano podocna. Vlezot so invertirawe e ozna~en so (-), {to zna~i deka Va i V0 se so razli~ni znaci. Va i Vb mo`at da bidat pozitivni ili negativni. Karakteristikite na ideliziran operacionen poja~uva~ prika`an na slika 15b se

1. Simetri~ni vlezovi

2. Vlezni strui 0, odnosno impedansite na a i b vlezot se beskone~ni

3. Izlezna impedansa 0

4. Poja~uvaweto na Vab e beskone~no za site frekvencii

5. Kako e V0 = AVab, kade A = ∞ , a V0 e kone~en, sledi Vab = Vb - Va = 0 ⇒ Va = Vb

Operacionen poja~uva~ e generalno vo forma na integrirano kolo (IC) Popularniot eftin tip 741 operacionen poja~uva~, se sostoi od 20 tranzistori. Ima izgled kako na slika 16.

Slika 16 operacionen poja~uva~ vo vid na ~ip (741)

1

8

2

73

64

5 V+ V ±15V≈Vo V ±10Vo max≈

NC

V-

Realnata karakteristika na operacionite zasiluva~i se dobiva od {emata na slika 17a koja pretstavuva linearen model

Kade:

Zi - vlezna impedansa

Zcm - impedansa na modovite

Z0 - izlezna impedansa,

a izlezniot napon e V0 = AVd

Karakteristikata na poja~uvaweto e dadena na slika 17b.

Page 34: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.34 /74

Slika 17 Realen operacionen poja~uva~ - a) ekvivalentna {ema; b) karakteristika

Zi Vo

+

Zo

AVd

Zcm

Vd

Zcm

a

b

A

102

102

10 104

106

1

104

106

Hz

otvoreno kolo

zatvoreno kolo

a) b)

Ednonaso~noto poja~uvawe e 106 i opa|a okolu 3dB na 10Hz. Sprema toleranciite na izrabotuva~ot, vlezovite ne se idealno simetri~ni, {to zna~i ako e Vab = 0 sepak postoi vlez (VOS = 2mV), V0 mo`e da se dotera na nula so pomo{ na ednostavni nadvore{ni kola. Isto taka postojat mali vlezni strui koi se pribli`no ednakvi. Karakteristikite na operacioniot zasiluva~ 741 tip bi bile

Ednonaso~no poja~uvawe 2 x 105

Vlezna impedansa 2 MΩ

Izlezna impedansa 70 Ω

Napon na napojuvawe ± 15 V

Izlezna struja na kratok spoj 20 mA

CMMR 80 dB )( cmo

cm

VVV

od=

Osnovni kola

Op{to operacioniot poja~uva~ se koristi vo kola so zatvorena sprega kako na slika 18. Za vakov slu~aj zemaj}i I1 = If + Ia i Ia ≈ 0 se dobiva

V VZ

V VZf

a a1

1

0 0−

=−

+ , Va ≈ 0

VV

ZZ

f0

1 1= −

Kako, nema ograni~uvawa za Z ova ja opi{uva op{tata prenosna funkcija.

Page 35: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.35 /74

Slika 18 Osnovno kolo na operacionen poja~uva~

Z1Vi

Vo

I1

If

Zf

a

b

Integrator (slika 19a)

Ako se zeme f

f CjZ

ω1

= , a Z1 = R1

se dobiva: ∫−=⇒−= dttvRC

tvCRjV

V

ff

)(1)(110

11

0

ω

Slika 19 a) integrator; b) integrator so stabilizacija

R1V1

Vo

Cf

R1V1

Vo

Rf

Cf

a) b)

Golemiot otpor Rf se dodava zaradi stabilizacija (slika 19b), odnosno ovozmo`uva otekuvawe, taka da integratorot ne gi integrira malite vlezovi zaradi neramnote`a. Najmalata frekvencija na vlezot treba da e pogolema od:

ω =1

R Cf f

Diferenciator (slika 20a)

Ako se zeme Zj C1

1

1=

ω, Zf = Rf

se dobiva tdvd

RCvRCjVV

ff1

1011

0 −=⇒−= ω

Page 36: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.36 /74

Slika 20 a) difrencijator; b) difrencijator so stabilizacija

Rf

V1

Vo

C1

R1 C1V1

Vo

Rf

Cf

a) b)

Zaradi visokofrekventnite {umovi koi mnogu bi se poja~ale na izlezot, se dodavaat mala kapacitivnost Cf i mal otpor R1 (slika 20 b)

Sobira~ Prika`an e na slika 21.

Slika 21 Sobira~

R2

R1

I1

I2 IfV2

V1

Vo

Rf

Sli~no mo`e da se izvede integrira~ki ili diferencira~ki sobira~.

Neinvertira~ki poja~uva~ prika`an e na slika 22a.

Slika 22 a) neinvertira~ki poja~uva~; b) predzasiluva~

R1

Vi

Va

Vb

Vo

Rf

Vi

Vo

b

a

a) b)

kako e VR

VR R

a

f1

0

1=

+

se dobiva VV

RR R

a

f0

1

1=

+

Za V V V VRR

Va b if

i≈ = ⇒ = +⎛

⎝⎜

⎠⎟0

11

Page 37: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.37 /74

Za R1→∞, Rf=0 ⇒ V0=Vi se dobiva element za sledewe na naponot ili predpoja~uva~ (slika 22b).

Vo instrumentacijata se koristat mnogu tipovi poja~uva~i. Mo`at da se nabavat kako kompletni edinici ili kako IC elementi.

Kako poja~uva~i na elektricitet (elektri~en polne`) se koristat so piezoelektri~nite merni preobrazuva~i. Modelot na piezoelektri~en preobrazuva~ e generator na elektri~en naboj q(t) paralelno vrzan so kondenzator Cd slika 23a.

Slika 23 Piezoelektri~en pretvoruva~ - a) model; b) ekvivalenten pretvoruva~

a) b)

g(t) Cd

+g(t) Cd CS Vin

+

preobrazuva~ kabel

Koga na piezoelektri~niot kristal se primeni mehani~ka deformacija se generira elektri~en naboj na povr{inata na kristalot. Za frekvencii pod rezonantnata, q(t) e proporcionalno na mehani~kata deformacija na kristalot. Izlezot od preobrazuva~ot se zema so kabelot, koj ima kapacitet Cs. Ekvivalentniot izvor kaj vlezot na poja~uva~ot na elektricitet e daden na slika 23b.

)(1 tqCC

Vsd

in ⋅+

=

Poja~uva~ot na elektri~en polne` pretstavuva eden integrator so operacionen poja~uva~ (slika 24).

Slika 24 Poja~uva~ na elektri~en polne`

C +Cd S Cf

Vi

Va

Vo

+

)(1)(1

)(1

1

000 tq

CVVCC

CV

CCj

CjZZ

VV

finsd

f

sd

f

in

f

in

−==+−=⇒

+

−=−=

ω

ω

Taka izlezot od poja~uva~ot zavisi samo od Cf. Izlezot ne zavisi od kapacitivnosta na senzorot Cd ili od dol`inata na kabelot, nitu pak od nivnite

Page 38: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.38 /74

promeni. Vo praksa treba da se vodi smetka deka osetlivosta na piezoelektri~niot senzor zavisi od temperaturata. Isto taka se vr{i stabilizacija na operacionite poja~uva~i so dodavawe golem otpor Rf paralelno so Cf.

Poja~uva~ za kapacitiven preobrazuva~ prika`an e na slika 25. Promenliviot kondenzator vo serija so otpornik R e napojuvan so ednonaso~en napon V.

Slika 25 Poja~uva~ za kapacitiven preobrazuva~

C R Cf

VVa

Vo

Ako vleznata struja se zanemari toga{ q=CV i q=Cf V0; dq=VdC + CdV i dq=Cf dV0 Za dV=0 se dobiva: dV V

Cdc

f0 =

Aktivni filtri pretstavuvaat kombinacija na R, C elementi i poja~uva~i. Op{tata {ema prika`ana na slika 26 mo`e da se koristi za simulirawe na prenosnata funkcija na filter.

Slika 26 Op{ta {ema na aktiven filter

Vi Vo

B

A

Prika`aniot integrator pretstavuva eden vid niskopropusen filter. Dodeka diferenciatorot pretstavuva visokopropusen filter. Sli~ni se niskopropusniot filter na slika 27a, a i visokopropusniot filter na slika 27b.

Slika 27 a) niskopropusen filter; b) visokopropusen filter

Vi VoVi Vo

a) b)

Page 39: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.39 /74

Mostovi

Vinstonov most za diferencijalni merewa e prika`an na slika 28a.

Ako se zeme R1= R2= R3= R4= R i ako mostot e po~etno balansiran, za mali promeni od ramnote`nite uslovi se dobiva:

)4)(konst.( 3210 RRRR

VV

i

Δ−Δ−Δ+Δ= .

Vako izlezen signal se dobiva samo pod uslov promenite da se mali.

Slika 28 a) Vinstonov most; b) aktiven Vinstonov most

a) b)

Vi

Vo Vref

Vo

Vo1

Vo2

R1

R2

Rref

Rref

R4

R3

Namesto ovoj most mo`e da se koristi koloto na slika 28b. Izlezite na poja~uva~ite se V01 i V02. Izlezot V0=V01-V02 mo`e da se meri so diferencijalen poja~uva~ ako se bara izlez so eden kraj. Glavna prednost na koloto e {to ne e ograni~eno na mali promeni na otpornosta i e linearna za neramnote`ni uslovi. Otpornostite R kaj koloto na operacionite poja~uva~i se relativno povisoki od onie za normalni primeni na otpornite lenti. Mo`e lesno da se poka`e deka izlezot V0=V01-V02 e:

)(13241

0 RRRRRV

V

refref

−−+=

Merewe na napon i struja

Kolata so operacioni poja~uva~i mo`at da se koristat za da se popravi to~nosta kaj multimetrite za napon i struja. Vleznata otpornost Ri na voltmetar mo`e da se zgolemi za nekolku reda na golemina so pomo{ na operacionen poja~uva~ za sledewe na naponot.

Za merewe ednonaso~ni ili preodni naponi signalot mo`e da se zema od izlezot na elementot za sledewe.

Za merewe naizmeni~ni naponi so multimer, se vr{i ispravawe taka da multimerot ot~ituva sredna vrednost (slika 29a).Lo{a strana e {to, (1) diodite ne se idealni i (2) vleznata otpornost na mera~ot e relativno niska. Mo`e da se koristi {emata so operacionen poja~uva~ (slika 29b)., kade se koristi mosten

Page 40: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.40 /74

ispravuva~ i operacionen zasiluva~, koj idealno gi napojuva diodite, a vleznata otpornost e ekstremno golema.

Slika 29 Merewe na naizmeni~ni naponi a) so dioden ispravuva~; b) so idealen naso~uva~

a) b)

Va-c

Rs

Rsm

Ra-c

Rm

Vleznata otpornost Ri na eden idealen ammetar e nula, no koloto prika`ano na slika 30a mo`e da ne zadovoluva, osobeno za merewe slabi strui kako na primer od fotonaponski element. Osetliv “ammetar” e strujno naponskiot konvertor prika`an na slika 30b.

Optovaruvaweto e minimalno bidej}i energijata za vodewe na izlezot ja dava operacioniot poja~uva~, namesto strujniot izvor. Padot na naponot po “ammetarot” e od redot na 1mV bidej}i a e virtuelna masa. To~nosta na mereweto se poprava za red na golemina.

Slika 30 a) ommetar; b) strujno naponski konvertor

a) b)

Ro

Veg

Rm

+

i if

Veg

Vo+ a

b

3.3 POVRZUVAWE NA PASIVNI SETILA Ima razli~ni tipovi pasivni setila kaj koi tipi~no mernata veli~ina mo`e da predizvikuva promena na otpornosta, kapacitivnosta ili induktivnosta . 3.3.1 Otporni~ki setila Ima mnogu tipovi na setila kaj koi za merewe se koristat promeni vo nivnata elektri~na otpornost (magnetni ili hemiski otpornici, termistori itn). Vo slu~aj na linearno otporni~ko setilo, izleznata otpornost Rx mo`e da bide izrazena vo zavisnost na osnovnata otpornost Ro (koga merniot signal e 0) i negovata promena so vrednost X, prika`ano so izrazot (1):

Page 41: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.41 /74

R x =R o (1+X) (1)

X idealno zema vrednost od 0 do -1, taka {to izlezot od setiloto prima celosen otporni~ki opseg so otpornost koja pa|a na nula koga vlezniot signal e na maksimum. Vo praktikata linearnite potenciometri vo pozicija na setila pokrivaat idealen opseg od 0 do -1. Taka {to izrabotkata na koloto za povrzuvawe zavisi od o~ekuvaniot opseg na X. Koga imame golemi promeni na otpornosta ednostaven most ili delitel mo`e da bide iskoristen za procesirawe na signalot od setilata.

Sl. 2 Delitelsko kolo (koga x e golemo)

Na sl. 2 e prika`an ednostaven potenciometar kade standarden referenten otpornik R ref e postaven vo serija so setilo so nepoznata otpornost R x . Naponot

na izlez V out e vo relacija so R x i e daden so izrazot (2):

V out =refx

xref

RRRV

+ (2)

vkupnata funkcija na preobrazba A=x

out

RV

i e pribli`no linearna koga R x <<R ref i

vo ovoj slu~aj se dobiva izrazot (3):

A=refx

ref

RRV+

=refo

ref

RXRV

++ )1( (3)

i ~uvstvitelnosta na naponskiot delitel e dadena so izrazot (4):

S=x

out

dRdV

= 2)( refx

refref

RRRV

+ (4)

Page 42: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.42 /74

^uvstvitelnosta opa|a brzo koga Rx e pribli`no Rref {to e prika`ano na sl. 3. Maksimalna ~uvstvitelnost se dobiva koga Rx<<Rref, no izlezot ne e linearna funkcija koga x e golemo. Za linearni senzori, maksimalnata ~uvstvitelnost se dobiva so ravenkite (1) i (4), pri {to so V ref =V o se dobiva izrazot (5):

S max = 2)2( XRV

o

ref

+ (5)

tamu kade {to parcijalnata promena na X e mala okolu 1%, gre{kata na ~uvstvitelnosta presmetana so ravenkata za S max e prifatliva so grani~na

vrednost od 0,5%, no tamu kade {to X e so golema vrednost }e bide potrebno da se koristi golem referenten otpornik ili da se kompenzira nelinearniot izlez na signalot od setiloto.

Idealno

Otpornost

^uv

stvi

teln

ost,

S

Sl. 3 ^uvstvitelnost na delitelot Naponskite deliteli se mnogu ednostavni za upotreba, no imaat nekolku nedostatoci: 1. Tie ne se mnogu ~uvstvitelni na mali promeni X. 2. Izlezniot napon V out zavisi ne samo od vleznata otpornost na sledniot ured

tuku mnogu pove}e od temperaturata na samoto setilo, no koristej}i aktiven delitel kade referentniot element e ist so setilniot element mo`e da se otstranat nedostatocite. Problemot na slaba ~uvstvitelnost mo`e da se otstrani so koristewe na Vitstonov most, koj e prika`an na sl. 4, toj sodr`i konstanten napon V ref i kolo

od ~etiri otpornici R 1 , R 2 , R 3 i R x . Mostot obi~no se koristi vo ramnote`a, no

mo`e da se koristi i kako neuramnote`en. V out mo`e da se uramnote`uva ra~no

ili avtomatski so otpornost R 1 . R 2 i R 3 go odreduvaat zasiluvaweto na koloto.

Izlezniot napon e daden so izrazot (6):

V out =V ref ])()(

[21

1

3 RRR

RRR

x

x

+−

+ (6)

koga e vo ramnote`a V out =0, ottuka 2

1

3 RR

RRx = . ^uvstvitelnosta na mostot mo`e da

bide definirana kako odnos na mostniot izlezen napon i promenata na

Page 43: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.43 /74

otpornosta na setiloto, podelena so napon na napojuvawe. Za idealen most ~uvstvitelnosta e dadena so izrazot (7):

S=)2(

1

2

2

1

RR

RRX

++ (7)

so maksimalna vrednost od 4X

koga 2

1

RR

=1.

Sl. 4 Vitstonov most Mostot ~esto se korisi kako neuramnote`en, kako na sl. 5 koga |x|<<1. Vo ovoj slu~aj otpornostite R 2 , R 3 imaat osnovna vrednost R o , a R 1 e slepo setilo.

Izlezniot napon e daden so izrazot (8):

V out =

21

11(2 X

Vref

−− ) (8)

Izlezniot napon e pribli`no linearen vo odnos na delumnata promena na otpornosta, pa koga X e malo go dobivame izrazot (9):

V out = XVref

4 (9)

Koristeweto na slepo setilo R 1 vo mostot dava odli~na kompenzacija od nelinearno setilo so temperaturnata zavisnost, ova e osobeno va`no za hemiskite setila. Izlezot od takov most mo`e da bide procesiran, na primer so diferencijalen zasiluva~ za postignuvawe na soodveten napon. Izlezniot napon e daden so ravenkata (10) vo slu~aj koga x<<1:

Page 44: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.44 /74

V out =-45

6

5

6 XVRR

VRR

ref−=Δ (10)

Potrebna e golema vlezna impedansa i mala temperaturna ~uvstvitelnost na koloto.

Sl. 5 Neuramnote`en Vitstonov most so kompenzacionen element Kapacitivni setila Vo nekoi tipovi na setila za merewe se koristat promeni vo reaktansata (kapacitivnosta ili induktivnosta) na setiloto. negovata otpornost. Kapacitivnosta C na setiloto e dadena so izrazot (11):

C=Vq

(11)

Kapacitivnosta na setiloto zavisi od geometrijata na elektrodite i dielektri~niot materijal staven me|u niv. Za plo~est kondenzator va`i izrazot (12):

C=ε o ε r dA (12)

kade ε o e dielektri~na konstanta na vakuumot, ε r e relativna dielektri~na

konstanta na materijalot pome|u plo~ite, A e povr{inata na plo~ite dodeka d e nivnoto rastojanie. Sekoj fenomen na promena na dielektri~nata konstanta, povr{inata ili rastojanieto na plo~ite }e predizvika promena vo kapacitivnosta δC. Ovaa promena mo`e da se definira so diferencijalna ravenka (13):

Page 45: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.45 /74

δC= dAddC

,εδε + ddA

dC,ε Aδ + Add

dC,ε dδ (13)

Mehani~koto pomestuvawe na edna elektroda vo odnos na druga mo`e da predizvika ili promena na rastojanie δd ili promena na efektivnata povr{ina δA. Ovoj princip e eksploatiran vo razli~ni mehani~ki mikro setila koi koristat promena na kapacitivnosta vo ednostavno izlezno kolo. Dielektri~nata konstanta na nekoi materijali varira so temperaturata i mo`e da se koristi kako funkcija na preobrazba vo setilata. Setilata so promenliva kapacitivnost mo`e da se postavat vo kapacitiven naponski delitel. Izlezniot napon e vo relacija so vlezniot napon V ref , kapacitivnosta na setiloto C x i

referentnata kapacitivnost C ref i e daden so izrazot (14):

V out =refx

xref

CCCV

+ (14)

Sl. 6 Naponski delitel so kapacitivno setilo Na slikata 6 e prika`ana izvedba na kapacitiven naponski delitel.

Sl. 7 Naizmeni~en kapacitiven most

Page 46: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.46 /74

Na slikata 7 se prika`ani dve izvedbi na mostovi, edniot vo koj impedansata na kapacitivnoto setilo se ekvivalentira so seriska, a vo drugoto so paralelna vrska na nepoznatiot kapacitet C x i otpornosta R x . Idealno, R x pri seriska

vrska e nula, a pri paralelna vrska e beskone~en, no vo praksa vrednosta mora da se izmeri. I tuka mo`e da se koristi slepo setilo za kompenzacija na temperaturnata promena:

Serija C x = 14

2 CRR

i R x = 12

4 RRR

Paralela C x = 14

2 CRR

i R x = 14

2 RRR

Problemati~no e koga kapacitivnosta na setiloto e mnogu mala (10 pF/m). Vo toj slu~aj pri izvedbata treba da se reducira efektot na kabelska kapacitivnost, vo slu~aj na siliciumski mehani~ki mikrosenzori kapacitivnosta e mala, pa posebno vnimanie treba da se obrne na tehnologijata. Mo`ni re{enija se so integrirawe na mostnite kola i setilata so ednostaven ~ip so upotreba na CMOS tehnologija za proizvodstvo na FET zasiluva~i, so mala vlezna kapacitivnost i visoka vlezna otpornost. Induktivni setila Induktivnosta na setiloto e dadena so izrazot (15):

L=NdidΦ (15)

kade {to N e broj na namotki, F e magneten fluks, a i e struja niz namotkite. Magnetnomotornite sili (mmf) se ednakvi na Ni i taka induktivnosta e vo

relacija so reluktansata R l = ΦNi

i e dadena so izrazot (16):

L=lR

N 2

(16)

Magnetnata reluktansa na sistemot e analogna so elektri~nata otpornost. Vkupnata reluktansa na namotkata, koja ima napre~en presek A i dol`ina l so μ o -

magnetna permeabilnost na vozduh, μ r -relativna magnetna permeabilnost na `elezno jadro e dadena so ravenkata (17):

R l =oo

o

ro Al

Al

μμμ+ (17)

Page 47: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.47 /74

kade vtoriot ~len ja vklu~uva dol`inata na magnetnite silovi linii na poleto niz vozduhot l o so napre~en presek A o . Najgolemiot del od induktivnite setila ja

menuvaat reluktansata vo funkcija od magnetnoto pole. Ima dva tipa na promena kaj setilata: -edni koi ja menuvaat dol`inata na magnetnata silova linija vo vozduhot l o i -

drugite koi ja menuvaat magnetnata permeabilnost. Induktivnite setila najmnogu se koristat pri reducirawe na efektot na rasturni magnetni poliwa i promeni na temperaturata. Induktivnite setila imaat golema linearnost (0,5 %). LVDT-linearen promenliv diferencijalen transformator e baziran na promena na me|usebnata induktivnost me|u primarnata namotka i dvete sekundarni namotki kako i feromagnetnoto jadro koe se nao|a vo niv, primerot e prika`an na slika 8. Izlezniot napon e daden so ravenkata (18):

V out =(M 1 -M 2 )dtdip (18)

kade razlikata na me|usebnite induktivnosti (M 1 -M 2 ) poka`uva brza i linearna promena na dvete strani na centralnite magnetni pozicii vo jadroto. Vo praktikata izlezniot napon zavisi od frekvencijata na vlezniot napon kako i od vleznata otpornost (10 k Ω ). Izlezniot napon ~esto ne e nula vo centralnata pozicija poradi razlikite vo namotkite i negovata to~nost mo`e da e temperaturno zavisna. Sl. 8 Linearen promenliv diferencijalen transformator Kako {to e ka`anao ponapred, elektri~niot izlez od setilata voobi~aeno ima potreba od nekoi formi na procesirawe ili preobrazba pred da se koristat od nekoj drug ured. Modulot za obrabotka na merniot signal pome|u setiloto i sistemot za obrabotka na podatoci se vika interfejs. Glavna uloga na interfejsot e da go zasili neobraboteniot signal vo nivo koe e prakti~no za upotreba. Vtorata uloga na interfejsite e reducirawe na {umot so prikladno filtrirawe.Treto, interfejsite snabduvaat so energija. Karakteristikite na

Page 48: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.48 /74

setilata se opredeleni so stabilnosta na interfejsot vo postignuvawe na stabilno napojuvawe. ^etvrto, se koristat za koregirawe na nekoi nedostatoci na setilata, na primer, mo`e da se vovede linearizacija na izlezot od setiloto vo odnos na vlezot. Petto, interfejsite mo`e da imaat sposobnost da proizvedat kontrolen signal odnosno predupreduva~ki signal pri nizok napon. Kone~no, interfejsot mo`e da go podgotvi signalot za prenos kon drug ured. Formite za prenos na podatoci se analogna struja ili napon, frekventna modulacija i digitalen prenos. Prifatlivo e da se upotrebuva signal od (1-10)V za prenos na kratki rastojania, koga analogniot signal ima potreba da patuva na dolgi rastojania, strujnoto kolo e najsoodvetno, (4-20) mA struja e industriski standard i signalot mora da e vo tie ramki. Frekventna modulacija Vo nekoi tipovi setila korisno e da se konvertira signalot od setilata vo frekvencija pred da se izvr{i prenosot. Konverzijata od analogen napon vo frekvencija bara precizno merewe so komercijalni frekvenciski broja~i. Nekoi setila imaat potreba od frekvenciski signal za modulacija, na primer rezonantnoto siliciumsko mehani~ko setilo raboti so osnovni frevencii od kHz do MHz i mo`e da obezbedi visoko nivo na ~uvstvitelnost pri mereweto. Vo slu~aj koga imame pove}e setila upotrebeni zaedno, analogniot vlez mo`e da bide multipleksiran so cel namaluvawe na potrebniot kabel. So toa se reducira kompleksnosta i brojot na interkonekciski kabli, a so toa i tro{ocite. Ovoj sistem mo`e da se upotrebi za procesirawe signali od golema grupa na setila,. iako baraweto za golema brzina na seriskoto procesirawe mo`e da nalo`i koristewe na drugi uredi. Na slikata 9 e prika`an interfejs so preobrazuva~ na napon vo frekvencija.

Vlez

Setilo Preobrazuva~

Frekventen izlez

Sl. 9 Interfejs so preobrazuva~ na napon vo frekvencija

3.4 DIGITALNI TEHNIKI

Digitalnite elementi bi mo`ele da se podelat vo tri grupi: gejtovi, flip-flopovi, i funkcionalni logi~ki elementi.

Digitalnite elementi i tehniki ne mora da se poistovetuvaat so digitalnite smeta~i i elektronski elementi. Tie {iroko se koristat vo industrijata za prekinuvawe, smetawe i upravuvawe. So napredokot na integriranite kola

Page 49: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.49 /74

neophodno e samo osnovno znaewe za razbirawe i koristewe na digitalnite tehniki. Problemot se reducira na izbor na soodvetni IC logi~ki komponenti i izbor na kolo za da se ispolni dadena zada~a.

Logi~kite gejtovi selektivno propu{taat daden vlezen signal zavisno od namenata. Postojat tri osnovni logi~ki gejta AND, OR i NOT (slika 31).kako i nivni komplementni NAND, NOR (slika 32)..

Slika 31 AND RDL(I) gejt - a) logika; b) izvedba v) {ematsko ozna~uvawe

R

A

B

CD1

5V

D2

A

V R

BC

AB

C

a) b) v)

Slika 32 OR RDL NOT(ILI) gejt - a) logika; b) izvedba v) {ematsko ozna~uvawe g) (invertor)

R

A

B

CD1

5V

D2

a) b) v) g)

A

B

V R

CAB

C

A

A

A

A

Flip Flopovite se osnovni elementi na digitalnite ma{ini. Osnovna funkcija kaj niv e da storiraat (pamtat) eden bit binarna informacija na logi~ko nivo 1 ili 0. No mo`at da izvr{uvaat niza zada~i kako {to e broeweto i multipleksiraweto. Za op{ta upotreba poekonomi~no e da se koristat IC namesto gejtovi i flip flop diskretni komponenti.

SR flip flopot e prika`an na slika 33a.

D - tip flip flop e daden na slika 33b.

Slika 33 a) flip-flop; b) flip-flopSR D

S Q

R Qvlezovi izlezi

S R0 00 11 01 1

QQ01NU

D Q

T Qvlezovi izlezi

QQD

T01

a) b)

Koderi - dekoderi

Page 50: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.50 /74

Koderite slu`at za pretvorawe na analogna koli~ina vo digitalen kod. Dodeka dekoderite imaat obratna funkcija. Na slika 34 e prika`an eden koder na agolot.

Slika 34 Koder na agolotsvetlina foto}elii

1001

1111

Multiplekseri - demultiplekseri

Multiplekserot e selektor. Toj gi selektira podatocite od paralelni vlezovi i gi vodi na seriski izlez. Demultiplekserot e distributer - obraten sistem na multiplekserot. Kru`niot prekinuva~ na slika 35a,b mo`e da slu`i kako multiplekser i demultiplekser.

Slika 35 a) multiplekser; b) demultiplekser; v) elektronski multiplekser

vlez

ovi

izlez

izl

ezivlez

a) b) v)

S Q

R Qselektor

kanal 1

kanal 2

izlez

Primer za eden elektronski multiplekser so SR flip flop e daden na slika 35v.

(S/H) kola - ovie kola zemaat i privremeno ~uvaat vrednost na nekoj analogen signal za natamo{no procesirawe, kako vo digitalnite multimeri. Najprost primer e daden na slika 36a.

Sli~no mo`e da se napravi so koristewe FET prekinuva~ na slika 36b.

Page 51: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.51 /74

Slika 36 a) odbira~ ( ); b) kolo ( )sampler sample-hold S/H

vi vo

vo

vi

t

V

vi

vo

C

FET

prekinuva~

vo

samplemode

vi

t

V

a) b)

Koga FET e provoden Vi go polni kondenzatorot, a V0 go prati vlezot. Koga ne e provoden, C ne mo`e da se prazni zaradi mnogu golemata vlezna impedansa na operacioniot poja~uva~. Taka go ~uva sempliraniot napon.

Broja~i Elektronskite broja~i osven vo laboratorija se koristat kako komponenti vo instrumentite, kako primer vo analogno/digitalnite konvertori.

3.4.1 Analogno/digitalni i digitalno/analogni konvertori

Мерниот сигнал кој што се појавува на излезот од сетилото е аналогна големина, која што се опишува со континуирана функција, вообичаено временска променлива x(t). За да се обработат мерните сигнали во компјутреските системи, аналогните сигнали мора да се конвертираат во дигитални, кои се зачувуваат како бинарни зборови. Оваа конверзија е можна со аналогно-дигиталните конвертори (ADC). Обратната операција, позната како дигитална-аналогна конверзија е исто така неопходна (DAC). 3.4.1.1 Семплирање (земање на примероци) и квантизација 3.4.1.1.1 Семплирање Аналогно-дигиталната кконверзија на променливиот сигнал x(t) вклучува два процеси: - семплирање: земање на примероци на сигналот во специфични временски

моменти - квантизација: доделување на секој примерок вредност X од конечен број на

вредности N, на којшто е поделен опсегот за конверзија. После семплирањето аналогниот сигнал станува дискретен сигнал, а после квантизацијата станува дигитален. Во процесот на семплирање, периодот на земање на примероци е Ts, времето помеѓу последователните примероци, е обично константно. Овој тип на семплирање е познато како униформно семплирање. Во напредните мерни системи, некогаш е потребно и променлив период на

Page 52: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.52 /74

семплирање. Тогаш периодот на семплирање зависи од динамиката на мерената големина x(t). Фреквенцијата на семплирање е дефинирана со релацијата fs=1/Ts. После семплирањето, x(t) се претставува со група од вредности {x(kTs)}, земени во временски периоди Ts, како што е покажано на сликата 3.4.11(а,б). Ефикасноста на конверзија побарува семплирањето да се извршува колку што може поретко, односно со најмала можна фреквенција на семплирање.

Фреквенцијата на семплирање треба да биде доволно висока за да овозможи доволен број на примероци за да се репродуцира сигналот во аналогна форма. Теоремата на Шенон ја одредува фреквенцијата на семплирање за сигнал со горна фреквенција fu, што е сигнал со спектар ограничен на фреквенција fu: X(f>fu)=0. според оваа теорема, фреквенцијата на семплирање fs не смее да биде помала од двапати од горната фреквенција на спектарот на семплираниот сигнал.

fs>2*fu Фреквенцијата fs дефинирана со теоремата за семплирање се нарекува Најквистова фреквенција. Спектралните карактерстики на реалните сигнали често се исти како карактеристиките на нископропусни филтри со горна фреквенција fu.

fs>2,5*fu Најчесто овие две релации не се исполнети. Според тоа, репродукцијата на дискретниот сигнал зачувана во вакви услови води во изобличен аналоген сигнал. Појавата на изобличувања предизвикани од ниската фреквенција на семплирање е наречена ефект на степен (aliasing). За да се елиминира оваа појава, некои DAQ имаат влезни нископропусни филитри, или antialiasing филтри. Функцијата на овој филтер е да се ограничи фреквентниот опсег на семплираниот сигнал на опсег од 0 до 0.4fs. Идеалниот процес на семплирање би побарал импулси на семплирање со време еднакво на нула. Реалните импулси на семплирање се подолги, Ti>0. семплирањето на сигналот со спектар од 0 до fu, со импулси на семплирање од fs, време Ti и амплитуда А, е еднаква на амплитудната модулација, кадешто секвенцата на импулсите на семплирање е модулиран носечки брам, а x(t) е модулиран сигнал. Резултатот на оваа операција е спектар на сигналот после семплирањето како што е покажано на сл 3.4.12.

Page 53: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.53 /74

Сликата б го прикажува спектарот на сигналот после семплирањето со фреквенција fs, којашто ги исполнува условите на теоремата на семплирање. Сликата в го покажува спектарот на семплираниот сигнал со многу мала фреквенција, што предизвикува aliasing. Додека се конвертираат брзи сигнали, корисно е да се задржи примерокот додека се земе сleдниот примерок. Оваа задача се извршува со S&H колото. Задржаниот аналоген сигнал се квантизира, при што времето на квантизација е обично подолго од времето потребно за исцртување на примерокот. Користењето на S&H колата овозможува намалување на динамичките грешки којпшто се појавуваат за време на A/D конверзијата на брзите сигнали. S&H колото може да биде одделно аналогно инегрирано коло вградено во мерните системи или дел од еден интегриран ADC. Функционалната шема на S&H колото е прикажано на сл. Семплиарниот напон е поврзан преку преклопник на уредот за задржување, што е капацитет со мала пропустливост.

Во S&H колата , операциските засилувачи функционираат како сепаратори. Операциониот циклус на S&H колото се состои од семплирна фаза Ti, што е време на аквизиција на семплираниот сигнал, и фаза на задржување Th, што пак е времето кога семплираниот влезен напон се задржува од капацитетот и се појавува на S&H излезот. Главните параетри на S&H колата се: - Време на аквизиција – време од почетокот на семплирањето на импулсот до

времето потребно за сетирање на вредноста на излезниот напон со прифатлива грешка. Грешката е обично во опсег од 0.005% до 0.2%.

- Мод за задршка, што резултира од прaзнењеto на kondenzatorot во фазата на задршка, изразенo во волти во секунда.

Типични параметри за AD781 S&H интергираното коло се време на аквизиција 600 ns, мод за задршка 0.01 nV/ns, влезна импеданса 50 ΩM , и влезна капацитивност 2pF. 3.4.11.2 Квантизација

Page 54: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.54 /74

Квантизацијата се состои од доделување на секој примерок одредена вредност X од конечен број N вредности на којшто е поделен опсегот за конверзија. Опсегот од 0 до Xmax е поделен на N интервали

qN

XXX =

−= minmaxΔ

т.н квантизациски интервал q. Вредноста X доделена на секој примерок се претставува со одереден код. Најчесто квантизацсикиот интервал е даден како дигитаелн збор, обично бинарен број напишан во природен бинарен код:

00

11

22

11 22...22 aaaa n

nn

n ++++ −−

−−

Каде што n е бројот на битови на дигиталниот збор, и a може да прими вредност 0 или 1. Во дигиталниот збор, 1−na е најзначајниот бит, додека 0a е најмалку значајниот бит. Сликата 3.4.14 покажува два начина на одредување на квантизациските интервали. Сликата а покажува квантизирање на напонот во опсег од VV 0min = до VV 8max = во н-битен дигитален сигнал. Квантизирањето е со 3-битен дигитален збор. Според тоа бројот на кванти е 82 =n и сите квантзациски интервали ја имаат истата ширина еднаква на квантот q:

12

082 3

minmax =−

=−

= n

VVq

Се чини дека овој метод на одредување на интервалот е најсоодветен. Меѓутоа тоа не е точно ако се гледа грешката на квантизацијакоја е неизбежна. Грешката на квантизација qVΔ е разликата помеѓу аналогната вредност digV од дигиталната

претстава и аналогната вредност на мерената вредност inV , како што е покажано на сл. 3.4.14. qVΔ е даден со релацијата:

indiganadigq VVVVV −=−= logΔ (3.4.15)

Page 55: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.55 /74

На сликата 3.4.14 (а) квантот q=1V. Во влезниот напонски опсег од 1V до 2V, вредноста на грешката на квантизација се менува од 0=qVΔ за VVin 1= до qVq −=Δ

за inV , што е крајна вредност за границата на квантот 2V. Во целиот опсег на квантизација, грешката на квантизација се менува периодично од 0 до – q со периода q. Друг метод за делење на опсегот на конверзија на квантизациски интервали е прикажан на сл.3.4.14б. тука бројот на квантизациски интервали е исто така n2 , но ширината на интервалите не е иста. Вредноста на квантот се пресметува според зависноста:

VVV

q n 14,112

0812 3

minmax =−

−=

−=

Првиот и последниот квантизациски интервал се еднакви на q/2, а останатите интервали се еднакви на q. Со користење на релацијата (3.4.15) лесно е да се пресмета дека во целиот A/D опсег на конверзија, грешката на квантизација се менува периодично од – q/2 до q/2, со период q. Грешката на квантизација добиена на овој начин е двапати помала од грешката добиена во претходниот случај. Па според тоа. Овој начин на одредување на грешката на квантизација и граница на квантизација се користи во ADC. 3.4.12 Дигитално-Аналогни конвертори 3.4.12.1 Pараметри на дигитално-аналогните конвертори DAC конверторите се користат за конвертирање на влезниот дигитален сигнал { 0121 ..... aaaa nn −− } во излезен аналоген сигнал V, чија што вредност е одредена со вредноста на дигиталниот сигнал.

( ) ( )minmax0

01

12

22

21

1 222.....22 VVaaaaakV nn

nnx −××+×+×++×+×= −

−−

Каде што ak е влезниот бит , 1−na е најзначајниот (MSB) бит, 0a е најмалкузначајниот (LSB) бит, minV и maxV се најниската и највисоката вредност од излезниот напонски опсег соодветно, додека kx е коефициентот на конверзија. Основните метролошки параметри на DAC конверторите се:

1. резолуција на конверзија, дефинирана ккао број на состојби на влезниот дигитален збор, еднаков на бројот на аналогни вредносто на излезниот сигнал. Бројот N е одреден од бројот на бити n на влезниот збор: nN 2= . Обично велиме дека конверторот има резолуција од n бити, не N состојби. Во пракса n е од 4 до 24 бити. Апсолутната резолуција на конверторот резултира од бројот на состојби N и опсегот на излезниот сигнал. Според тоа, апсолутната резолуција resVΔ е еднаква на квантот q за конверторот за излезниот напонски опсег од minV до maxV и n-битна резолуција.

qVV

NVV

V nres =−

=−

=2

minmaxminmaxΔ

2. точност на конверторот, дефинирана со апсолутна или релативна грешка.

Апсолутната грешка eVΔ е разликата помеѓу реалната вредност realV на

Page 56: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.56 /74

излезниот аналоген сигнал и очекуваната вредност idealV на сигналот, idealreale VVV −=Δ . Апсолутната грешка е најчесто дадена со бројот LSB.

Релативната грешка на конверторот се пресметува како однос помеѓу апсолутната грешка и влезниот опсег на сигналот:

minmax VVVe

−=

Δδ

Точноста на конверторот е секогаш полоша од неговата резолуција. rese VqV ΔΔ =>

Точноста на конверторот резултира од линеарната грешка (т.н инетгрална нелинеарност), диференцијална нелинеарност, грешка на засилувањето и грешка на оффсет. Резолуцијата на DAC може да биде подобра од неговата точност за неколку бити. Но ваквата висока резолуција е некогаш безкорисна, со оглед дека функцијата на конверторот е да продуцира аналоген сигнал чија вредност е точно одредена од влезниот дигитален сигнал.

3. време на смирување е временскиот интервал од моментот на промена на влезниот сигнал до сетирaњето на излезниот аналоген сигнал, со точност еднаква на една половина од квантот 0.5 q. Максималната промена на дигиталниот сигнал би требало да предизвика максимална промена на аналогниот сигнал – промена од <000…00> до <111…11> или од <111…11> до <000…00>.

Во DAC со висока резолуција, времето на смирување е дефинирано како време од моментот на промена на влезниот дигитален сигнал до сетирањето на излезниот аналоген сигнал, со точност од %01,0± , %001,0± . Времето на смирување е дадено во нано или микросекунди. 4. D/A брзина на конверзија, дефинирана како број на периоди на конверзија во

секунда, претпоставувајќи дека се исполнети условите за конверзија. D/A брзiната на конверзија е дадена во примероци по секунда. Постојат конвертори со отпорнички делители и конвертори со модулација на времетраењето на импулсот.

3.4.12.2 DAC со отпорнички делители

Page 57: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.57 /74

Сликата 3.4.16 го покажува блок дијаграмот на DAC со отпорнички делител. DAC се состои од референтен напонски извор refV , група на аналогни преклопки, мрежа на

отпорници поврзани со напонскиот извор refV преку аналогните преклопки, и влезен

бафер каде што се зачувува n-битниот дигитален збор. DAC излезниот сигнал е или излезна струја outI или излезен напон outV . Конверторот од струја во напон е често вклучен во DAC, иако не е секогаш неопходен. Отпорничката мрежа работи ккао напонски или струен делител. Коефициентот на делење е сетиран со налогните преклопки. Аналогните преколпки користени во конверторот се обично електронски преклопки, бидејќи времето за подесување на електронските преклопки е од неколку реда на големина пократко отколку кај електромеханичките преклопки. Електромеханичките клучеви, пак имаат многу мала отпорност на преклопката за затворање onR , и многу голема вредност за отпорноста на преколпката за отворање

offR . Па според тоа се користат во мнофу прецизни DAC којшто имаат прифатливо

време на конверзија од ред на неколку милисекунди.

Отпорностите onR и offR на електронската преклопка строго зависат од

температурата, влезниот напон и напонот на извор на колото. На пример типичната вредност на отпорноста onR е Ω100 за CMOS 4066 електронска преклопка, и Ω5 за ADG 451 преклопник. Во обата случаи приближната вредност за offR е од ред на

големина Ω1010 . Сликата 3.4.17 го покажува дијаграмот на DAC со тежинска отпорничка мрежа, каде што тежината е еднаква на n2 . Влезниот бафер не е вклучен во дијаграмот. Системот го конвертира 8-битниот дигитален збор 01234567 aaaaaaaa во излезен напон

outV , каде што a7 е MSB. Логичката состојба на секој бит ak на влезниот збор е претставена со една од двете можни отпорнички конекции. Конекцијата на отпорникот на референтен напонски извор, реализирана со аналоген преклопник претставува логичка единица, додека потенцијалот отпорник- маса претставува логичка нула. Струјниот проток преку тежинскиот отпорник на k-тата позиција е еднаков на RV k

ref 2/ (k- тиот тежински отпорник). Сумата на струите од

отпорниците е аналогна струја outI пропорционален на влезниот дигитален сигнал.

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +++++++=

Ra

Ra

Ra

Ra

Ra

Ra

Ra

RaVI refout 706152433425167 2

12

12

12

12

12

12

11

Page 58: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.58 /74

Каде што ak е логичката вредност на k-тиот бит. Вредноста на ak може да биде 1 или 0. напонот outV на излезот од операцискиот засилувач којшто функционира како струјно-напонски конвертор е пропорционален на струјата outI , и според тоа со влезниот дигитаелн збор 01234567 aaaaaaaa .

outIout IRV ⋅−=

Овој конвертор многу ретко се користи, бидејќи е многу тешко да се постигнат добри параметри. Исто така точноста на конверторот зависис од точноста на тежинските отпорници. Технолошкиот процес на продукција на отпорничката мрежа на ваков опсег на вредности (на пример ΩkR 10 = и ΩMR 50019 = ), каде што точноста од 0,1% е многу тешко да се постигне. Опсегот на вредности на прецисните отпорници на DAC е многу помала во кола со тежински отпорници и струен делител како што е покажано на сл. 3.4.18.

Page 59: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.59 /74

тежинските отпорници во струјниот делител се поделени во групи од четири, кадешто вредностите на отпорниците во секоја група се R, 2R, 4R и 8R соодветно. Во 8-битен DAC со струен делител, излезната струја 1I од првата група на отпорници тече во главниот струен јазол, и само една шеснаетсина од 2I тече во јазелот, поради операцијата на струен делител dd RR 15/ . За конвертор со голем број на бити, има 4 отпорнички групи, чијашто тежинска излезна струја се додава на главниот јазел во колот, при што излезната струја е денаква на:

4321 40961

2561

161 IIIII out +++=

Точноста на тежинските отпорници во DAC со струен делител зависи од точноста на тежинските отпорници како и од точноста на Rd во струјниот делител. Односот на максималната и минималната вредност на отпорниицте е 8/8 =RR , независно од бројот на бити n на конверторот, еднаков на бројот на отпорници n. Основното DAC Коло со отпорничка мрежа е конвертор со R-2R ланец од мрежа како што е покажано на сли.3.4.19. излезниот напон на отпорничкиот ланец од конверторот прикажан на сл. 3.4.19 е refout VV 5.0= за дигитален влезен збор <1000> со

MSB=1, refout VV 25.0= за <0100>, и refout VV 0625.0= за <0001>.

На пример за <0011> влезен збор, излезниот напон refout VV 1875,0= , и за <1111> ,

излезниот напон refout VV 9375.0= . Според тоа, аналогниот излезен напон на 4-битниот DAC може да има 16 вредности од 0V до 0,9375V, со квант q=0,0625V.

Постои голема разлика помеѓу отпорничките вредности во колото со R-2R ланец и колото со тежински отпорници. R-2R мрежниот ланец се состои од отпорници од само две вредности, R и 2R, што го поедноставува процесот на продукција на отпорниците. Отпорноста 2R се постигнува со сериска врска на два отпорници R. Карактеристичната особина на R-2R ланецот е неговата константна отпорност еднаква на 2R. DAC со R-2R отпорнички ланец е значаен бидејчи се можни најразлични модификаии на овој конвертор. Една од можните реализации е прикажана на сл.3.4.110. На ова коло излезниот напон outV е пропорционален со продуктот од влезниот напон inV и дигиталниот збор < 01234567 aaaaaaaa >. Товарот на излезниот напонски извор е константен и еднаков на R. Според тоа, влезниот напон не се

Page 60: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.60 /74

менува според дигиталниот влезен збор и според тековната состојба на преклопниците во колото. Ова е значаен фактор за висока точност на DAC.

Друга модификација на конверторот е прикажана на сл. 3.4.111. за да се намали времето на смирување на DAC, се користи колото прикаано на сл.3.4.112.

3.4.12.3 DAC со PDM Полесно е да се направат дигитално-аналогни конвертори со PDM како интегрирани кола отколку мрецизна отпорничка мрежа. Слика3.4.113 го покажува блок дијаграмот на еден ваков конвертор. Конверторот прикажан на сл се состои од еден 8-битен влезен бафер, дигитален компаратор, n-битен бинарен бројач, референтен напонски извор refV , нископропусен филетр и давач на такт импулси.

Page 61: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.61 /74

Дигиталниот компаратор го споредува влезниот збор A: < 123...... aaaan > со бинарен бројач на излезниот збор B: < 123...... bbbbn > . Излезната логичка вредност од компараторот е единица за случај кога А има поголема вредност од B, и логичка вредност нула кога А има помала или еднаква вредност на B. Напонското ниво претставувајќи ја логичката 1 мора да биде точно дефинирано. Тоа е еднакво на референтен напон refV . Дигиталниот излез на бинарниот бројач претпоставува логички вредности од <0..000> до <1…111>. За цел период pT , што е одредено со

фреквенцијата на давачот на такт импулси и капацитет n2 на бинарниот бројач, компараторот продуцира импулси со време xT , пропорционално на влезниот дигитален збор 123...... aaaan . Нископропусниот филтер го продуцира DAC излезниот аналоген сигнал што е резултат на барање просечна вредност на импулсот xT . Функцијата на конверзија е дефинирана со реклацијата:

refp

xnnout V

TT

kaaaakV 21211 .... == −

Функцијата на нископропусниот филетр е да ги елиминира алтернативните компоненти на исмпулсниот сигнал. Првата хармонична фреквенција е ps Tf /1= . Динамиката на DAC зависи од временската константа на нископропусниот филетр. Колку е повисока горната гранична фреквенција на нископропусниот фичтер толку е помала временската константа. DAC може да имаат подобра динамика ако фреквенцијата на излезниот сигнал на компараторот е поголема од ps Tf /1= . Овој ефект може да се постигне ако бинарниот бројач на компараторското коло се замени со псеудослучаен броен генератор (PNG) ккао што е покажано на сл.3.4.114

Page 62: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.62 /74

Блок дијаграмот е сличен на оној прикажан на сл. Со таа разлика што тука е вклучен PNG блок. PNG продуцира серија на дигитален сигнал со периода pT , со услов дека во рамките на една периода секој можен дигитаелн збор се генерира само еднаш, како во бинарниот бројач. Наместо бинарно кодирани броеви: B=2, 3, 4, 5, 6,…., што успешно се појавуваат кај бинарниот бројач како дигитални зборови, PNG продуцираат зборови ккао B=1, 22, 5, 2, 17, 8, ….За влезниот дигитален збор A, што е бинарна претстава на нумеричката вредност 5, и за бинарниот излез на бројачот B, што е бинарна претстава на нумеричките вредности 0, 1, 2, 3, или 4, дигиталниот компаратор продицира логичка 1. за наредните излезни вредности на бројачот покажува вредност нула. За истиот влезен збор A=5 и излезот на генераторот B=1, 22, 5, 2, 17, 8, дигиталниот компаратор продуцира логичка вредност 1 за B=1, и логичка 0 за B=22 и за B=5, потоа логичка 1 за B=2, и логичка 0 за B=17 и за B=8. наместо еден долг импулс, дигиталниот компаратор продуцира два кратки импулси. Анализата на DAC со PDM покажува дка во коло со PNG, ширината ∑ iT на

излезниот импулс е еднаква на ширината на импулсот xT во DAC со бинарен бројач. Основната фреквенција на сигналот во DAC со PNG е повисока, и динамиката на нископропусниот филтер ккао и на целиот конвертор од сл. 3.4.113 може да биде поголема. Функцијата на конверзија на DAC со PNG е дадена со:

refi

innout V

TT

kaaaakV ∑== − 21211 ....

3.4.12.4 Интегрирани DAC Табелата 3.4.11 ги покажува парамтерите на високо-брзинските DAC. Дигиталниот контролен сигнал е поврзан со DAC паралелно или сериски. Во систем со голем број на спори DAC , контролните сигнали може да се испраќаат со дво-жичана или три-жичана сериска магистрала.

Page 63: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.63 /74

Сликата 3.4.115 ги покажува DAC контролирани од ваквите магистрали. Треба да се забели дека магистрала не вклучува жица која е поврзана на маса. Дво-жичната магистрала ја носи DAC адресата. Табелата 3.4.12 покажува пример на прецизен DAC. Дигиталните потенциометри се состојат од други аналогни групи на DAC.

Дигиталните потенциометри се интегрирани кола, што вклучуваат отпорнички делител, електронска преклопка, и контролно коло. Дигитален влезен сигнал ги контролира преклопките, и бројот на потребни отпорници може да се вклучат внатре во дигитлните потенциометри. Кога механичките потенциометри се заменуваат со дигитални се зголемува доверливоста на електронските уреди. Табелата 3.4.13 ги покажува интегрираните дигитални потенциометри понудени од Analog Devices. Повеќе типови од интегрирани дигитални потенциометри вклучуваат повеќе од еден DAC.

Page 64: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.64 /74

не е само отпорноста таа што може да се контролира од дигиталниот сигнал. Maxim нуди исто така и програмабилен капацитет – едно интегрирано коло MAX1474. Ова е тип на DAC. Во MAX1474, капацитивноста може да се подеси во опсег од 6,4 до 13,3pF, со чекор од 0,22pF и точност од 15%. Колото се контролира со серија од влезни импулси.

3.4.13 Аналогно-дигитални конвертори 3.4.13.4.11 A/D методи на конверзија ADC се користат за конверзија на аналогната вредноста на физичката големина во дигитална форма. Физичката големина е најчесто напон. Според методот на конверзија, ADC се поделени на: - интегрирани конвертори (двојни склопови и конвертори со V/f конверзија), - конвертори со сукцесивна апроксимација - директни конверори (познати како флеш конвертори) - делта-сигма конвертори - стохастични конвертори, имплусно-ширински конвртори и.т.н еден од најзначајните ADC се интегрирани ADC поради добрата атенуација на интерференцијата. Конверторите со сукцесивна апроксимација се карактеризираат со многу мала грешка на конверзија. Па според тоа, се користат во мтреолошките лаборатории. Флеш конверторите се карактеризираат со кратко време на конверзија

Page 65: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.65 /74

и се користат кај конверзијата на видео сигнали ккао и на други брзи сигали. Делта-сигма конверзијата овозможува висока резолуција, особено при конвертирањето на континуирани сигнали. Делта –сигма конверторите се користат за кодирање на акустични сигнали. Импулсно-њиринските конвертори се карактерзираат со едноставна метода на конверзија и се способни за продуцирање на нелиенарни дигитални скали. Според тоа се користат за мерење на амплитуда на акустичен сигнал во скала во децибели. Најзначајните параметри на ADC се: - резолуција или битски број на излезниот сигнал - време на конверзија или брзина на конверзија - грешка на конверзија - аналоген напонски влезен опсег. Тоа е врв-до врв влезен напон којшто мора да

се примени на конверторот за да се постигне одговор на целата скала. 3.4.13.4.12 Конвертори со двојно интегрирање

За нивна реализација се употребува AD конвертор кој го користи принципот на двојно интегрирање, конверзија на напон во време (Dual Slope Integrating).

На сл. 3.4.116 е дадена шема со која е илустриран принципот на конверторот со двокосинско интегрирање.

Сл. 3.4.116. Принципска шема на AD конвертор со двокосинско интегрирање

Електронската преклопка EP, при постоење на соодветен стартен импулс на G, овозможува мерениот напон UX во t = t0 да биде влезен напон на интеграторот. Ако UX = const, напонот на излезот од интеграторот ќе биде:

10

0

11 tRCU

dtURC

U Xt

X == ∫ (6.18)

За t1 =T1 конечно, фиксно времетраење на интегрирањето, напонот на излезот од интеграторот ќе биде:

Page 66: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.66 /74

110 TRCU

UU X== (6.19)

Ако по завршување на интервалот на интегрирање T1, со соодветен импус на G, електронската преклопка се префрли во позицијата 2, тогаш, напонот со констант-на и позната вредност UN, (овој напон е со обратен поларитет во однос на мерениот) ќе биде влезен напон во интеграторот. Тоа значи дека излезниот напон на интегра-торот линеарно ќе се намалува, започнувајќи од вредноста U1. Неговата вредност ќе изнесува:

RC

ttUUU N

110

−−= (6.20)

Овој напон во време t = t2 (t2 – t1 = T2) ќе достигне вредност нула. Моментот ко-га кога овој напон има вредност нула се детектира со компаратор K, кој пак управува еден склоп - блок за управување. Блокот за управување генерира соодветен сигнал со кој електронската преклопка EP се поставува во неутрална положба, со што завр-шува циклусот на преобразба.

Имајќи ги предвид изразите (6.19) и (6.20), за услови кога напонот U0 ќе до-стигне вредност нула, важи:

RCT

UTRCU

NX 2

10 −= (6.21)

Од изразот (6.21) следи изразот (6.22) кој ни покажува дека мерениот напон UX се преобразува во време T2:

N

X

UUTT 12 = (6.22)

На сл. 3.4.117 прикажани се временските дијаграми на опишаниот принцип на преобразба на напон во време. Мерењето на интервалот Т2, согласно со постапката за дигитално мерење интервал на сликата е пополнет со импулси од кварцно кон-тролиран осцилатор со позната периода Т0.

Сл. 3.4.117. Временски дијаграм на претворба напон во време

U0

U1

UX T0

UN

T1 T2

t0 t1 t2

t

Page 67: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.67 /74

Согласно со постапката за мерење временски интервал се добива:

0

1

0

2

TT

UU

TT

NN

X ⋅== (6.23)

Реализацијата на решението за мерење напон, според изразот (6.23) може да се поедностави доколку временскиот интервал T1 се формира од кварцно контроли-раниот осцилатор преку фреквентен делител. Тоа значи дека T1 = nT0, па изразот (6.23) ќе го поприми обликот искажан со изразот (6.24).

N

X

N

X

UU

nTnT

UU

N =⋅=0

0 (6.24)

Блок структура на дигитален волтметар според опишаната постапка е прика-жана на сл. 6.18

Сл. 3.4.118. Блок структура на волтметар со двојно интегрирање

Мерниот циклус содржи два такта (T1 и T2). За време T1 се интегрира мерениот напон UX, а за време на вториот такт T2 се интегрира напонот UN. Редоследот на процесите се синхронизирани од блокот за управување. Излезните сигнали 1, 2 и 3 се формираат во блокот за управување и служат за управување на електронската преклопка EP, за ресетирање на бројачот B пред вториот такт и за управување на логичкиот блок.

Од изразот (6.24) се гледа дека резултатот на мерење не зависи ниту од RC константата на интеграторот, ниту од фреквенцијата на осцилаторот f0. Тоа е причи-на за атрактивноста на ова решение, затоа што на ваков начин се одбегнати грешки-те поради евентуална нестабилност на осцилаторот, односно интеграторот. Исто та-ка, ова решение се карактеризира со потиснување на инфлуентни шумови (пречки) од влијанија на сигнали на пречки од разни напони со индустриски фреквенции (50Hz). Имено, за време на интервалот T1, кога се врши интегрирањето на мерениот напон, инфлуентните пречки ќе бидат со ист број позитивни и ист број негативни по-лупериоди, а со тоа средната вредност на шумот ќе биде нула. Од овие причини ин-тервалот T1 се одбира да биде цел број пати од периодата на сигналите на пречки. Дигиталните волтметри со двојно интегрирање, поради исклучително добрите кара-ктеристики, широко се распространети во практиката. Класата на точност е од редот на 0,1. Склоповите прикажани на сл. 6.18 во испрекинатата контура се градат во ин-

–UX

+UN

BLOK ZAUPRAVUVAWE

∫ K B

f0/nf0

1 2

3EP

Page 68: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.68 /74

тегрирана техника како еден чип. Тоа битно го поедноставува нивното производство, а волтметарот има мал број надворешни компоненти. 3.4.13.4.13 Конвертори со конверзија од напон во фреквенција (V/f) Интегриран ADC со напон-фреквенција конверзија е исто така наречен ADC со балансирање на напојувањето. Овој тип на ADC се состои од два независни дела: V/f конвертор и коло за дигитално мерење на фреквенција. Сликата 3.4.121 го покажува принципот на A/D конверзија. Мерениот напон xV е поврзан за интеграторот, што пак е дел од V/f конверторот. Како резултат на примената xV , кондензаторот C се полни, предизвикувајќи промена на напонот на излез од интеграторот. Кога излезниот напон на интеграторот ќе стане еднаков на нивото на референтниот напон, излезот на компараторот се менува од логичка нула во логичка единица. Компараторот го тригерира моностабилниот мултивибратор, којшто генерира импулси со временска должина dT . Овој импулс предизикува празнење на кондензаторот во колото на интеграторот. После празнењето, кондензаторот се полни повторно до вредност refV , со што го активира компараторот. Со тоа, циклусот на конверзија од напон во фреквенција се повтроува.

Брзината на полнење на кондензаторот зависи од вредноста на xV според тоа за 1xV полнење-празнење циклусот се случува на повисока брзина отколку за 12 xx VV < . Излезниот сигнал на компараторот се применува на колото за формирање, а потоа се проследува на колото за мерење на фреквенција. Во ова коло, фреквенцијата се мери за време на референтно време за броење refT . Бројот xN на импулсите избројани од бројачот е дигиталниот резултат на мерената фреквенција. Ова е исто така крајниот резултат на A/D конверзијата. во еден циклус на конверзија, електричното полнење chQ на кондензаторот е еднакво на излезниот поток dQ .

Page 69: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.69 /74

dch QQ = , ∫=xT

xch dtiQ0

, ∫=dT

rd dtiQ0

Амплитудата kV на празнење на импулсите е константна. Се претпоставува дека xV константно за време на еден мерен циклус:

dkr

xxi

TVR

TVR

11= ,

Каде што xT е циклусот на конверзија, xf е фреквенцијата на конверзија, dT е должината на импулсот на празнење.

kr

dx

i

x VRT

VRT

=

xkdi

rx V

VTRR

f =

xrefx fTN =

xkid

rrefx V

VRTRT

N =

од релацијата следи дека точноста на A/D Конверзијата во конверторот зависи од константната вредност на полнење dQ , празнење на кондензаторот . вредноста dQ е одредена од kV , dT и rR . Референтниот интервал refT и времетраењето на празнење на импуслот dT може да се добие со делење на фреквенцијата на тактниот импулс. Потоа односот refT / dT е константна вредност ,еднаква на 1k :

xk

rx V

VRR

kN1

1=

Конверторот прикажан на сл. 3.4.122 е уште едно можно решение.

Page 70: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.70 /74

74121 моностабилниот мултивибратор ја извршува функцијата на компаратор и како генератор на единечен импулс. Транзисторот служи како аналоген преклопник. Негативниот влезен напон наполнет до влезниот напон на конверторот предизвикува полнење на кондензаторот на интеграторот па напонот се зголемува на излезот на засилувачот. Кога излезниот напон на операцискиот засилувач ќе ја достигне граничната вредност од просечно 1,5V, мултивибраторот генерира импулс со должина .2lnmpi CRT = 3.4.13.4.14 ADC со SAR Постојат различни начини на споредба на конвертираниот напон со квантизирано референтно ниво, што води кон развој на два типа на ADC. Тоа се: - конвертори со сукцесивна апроксимација, или ADC со регистар со сукцесивна

апроксимација (SAR). - Директни ADC (познати и како флеш конвертори). Блок дијаграмот на ADC со SAR е прикажан на сл. 3.4.123.4.1 споредбата на мерениот напон xV со компензираниот напон 0V е процедура чекор по чекор. Мерењето со користење на овој метод на конверизја е објаснет на сл3.4.123б. Изворот на компензираниот напон 0V е DAC. Дигиталниот влезен сигнал за DAC е бинарна состојба на бројачот вклучен во контролниот блок, како што е покажано на сл.3.4.123а. состојбата на бинарниот бројач е пренесена на бафер.

Според состојбата на бројачот, DAC постапно го генерира напонот 0V , со чекор на квантот 0Vq Δ= . Напонот 0V расте на почетокот, се до монетот на изедначување на напоните xVV =0 . Откако компараторот ќе го сигнализира моментот на изедначување на напоните, бројачот застанува. Состојбата на бројачот е дигитално мерење на конвертираниот напон xV .

qNVNV xx ×=×= 00 Δ за xVV =0

qV

N xx = ,

Page 71: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.71 /74

Главниот недостаток на овој конвертор е времето на промена на конверзија кое што зависи од вредноста на мерениот напон. Вкупното време на конверзија е содржано во интервал од Tk до kTNT ×= max , каде што Tk е времетраењето на еден чекор на апроксимација. Онверзијата се случува на начин на тежинска комензација. Бројот на чекорите на конверзија е константен и еднаков на бројот на бити n, во излезниот збор. Кога ADC се користи во дигитален волтметар, излезниот збор на конверторот се претставува во бинарно кодиран децимален код (BCD) наместо природен бинарен код. На пример, за волтематар со 3 дигитен дисплеј, бројот на чекори е 3x4=12. Сликата 3.4.123ц го покажува компензираниот напон за време на првите четири чекори од конверзијата, што ги води првите четири во декаден излезен напон. Во првиот чекор се добива регулиран напон refVV 8,00 = . Компараторот испраќа информација до контролното коло дека xVV >0 . Контролното коло предизвикува напонот 0V да стане нула. Во вториот чекор од конверзијата компензирачкиот напон е еднаков на refVV 4,00 = . Со оглед дека xVV <0 , напонот refVV 4,00 = останува. Во третиот чекор, компензираниот напон се зголемува за refV2,0 , но ова зголемување подоцна се изедначува на нула. Конечно во четвртиот чекор, компензираниот напон се зголемува за refV1,0 , и овој инкремент не е нула после споредбата. Па според тоа првиот децимален дигит на резултатот на конверзија 0101 е бинарно кодиран:

refrefrefref VVVV 1,012,004,018,00 ×+×+×+× Во следните четири чекори, напонот 0V се зголемува сукцесивно за refV08,0 , refV04,0 ,

refV02,0 и refV01,0 . Како резултат го добиваме вториот бинарно кодиран децимален дигит на мерениот резултат. Чекорите на сукцесивна конверзија се состојат во зголемување за илјада, десет илјади итн; делови од референтниот напон, што водат кон третиот, четвртиот итн; децимален дигит на мерениот резултат. Конверторите со сукцесивна апроксимација се користат во најточните дигитални волтметри. Мерната грешка на овие волтемтри е во опсег од 0,05% до 0,001%. 3.4.13.4.15 Флеш конвертори Конверторите со директно кодирање имаат парна виоска брзина на конверизја. Во некои технички извори, флеш конверторите не се сметаат за конвертори со компензација, туку сочинуваат посебна група. Сликата 3.4.124 го покажува блок дијаграмот на флеш конверторите. Менерниот напон xV се носи на неинвертирачките влезови од аналогните компаратори. Квантизираниот референтен напон се носи на инвертирачките влезови, на следниот начин. 1V еднаков на 1q се носи на (-) влезот на К1 компараторот. 2V еднаков на 2q се носи на (-) влезот на К2 компараторот. Напонот којшто се носи на (-) влезовите на компараторите со сукцесивна апроксимација се зголемува со сукцесивна мултипликација за q. Референтниот напон refV еднаков на qNVN ×= се носи на (-) влезот од KN компараторот. Логичките вредности на излеот од компараторот зависи од моменталната вредност на xV . Излезните сеигнали на компараторот се декодираат во декодерот и се испраќаат во баферот, со временски чекор одреден од контролното коло.

Page 72: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.72 /74

Брзината на конверзија во ова коло е ограничено од оперaцијата на компaраторите. Временската брзина на најбрзите компаратори е помала од 1ns. Резолуцијата на флеш конверторите зависи од бројот на компаратори во колото на конверторот. Конвертираниот напон во n- битни зборови дефинира N Компаратори, и обезбедува

n2 дигитализирани нивоа на xV . 12 −= nN

Излезниот збор на флеш конверторите е обично од шест до осум бити, не повеќе од десет бити. 10-битен збор побарува 10231210 =− аналогни компаратори. Ако се споредат метролошките параметри на конверторите со сукцесивна апроксимација и флеш конверторите, првите имаат најголема точност додека втроите пак најголема брзина. Комбинација на двата методи на конверзија со компензација овозможува развој на половина-флеш конвертор, којшто е конвертор со сериско-паралелна компензација. 3.4.13.4.16 Делта - Сигма ADC Сликата 3.4.125 го покажува блок дијаграмот на овој конвертор. Поимот делта-сигма доаѓа од одземањето(делта) на сигналите и додавањето (сигма) на серија од одземените резултати.

Page 73: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.73 /74

Конверторот е базиран на принципот на компензација на електричен полнеж во кондензаторот C. Се претпоставува дека позитивниот напон еднаков на 1V се носи на влезот на конверторот, и преклопникот P се отвора. Кондензаторот C се полни, интеграторот доведува негативен напон, и логичка единица се појавува на излезот од компараторот. Оваа логичка вредност се појавува на излезот од флип-флопот. Импулсите на тактот со фреквенција fcl поминуваат низ логиката порта G1 и се бројат во бројачот. Секој импулс на тактот го затвора прекинувачот P за време Ti. Преклопкникот го пврзува негативниот референтен напон на влезот на интеграторот. Под влијание на серијата на негативни напонски импулси, кондензаторот се празни а излезот на интеграторот води во позитивен напон. Овој позитивен напон предизвикув компараторот да доведе логичка нула, што се појавува на излезот од флип-флопот и ја затвора портата за импулсите на тактот. Во статичка состојба висок влезен напон резултира во поголемо полнење на кондензаторот и повисок број на импулси на празнење. Бројачот ги брои овие импулси во фиксни интервали на рефрентното време. како резултат, се постигнува вреднист Nz, којашто е пропорционална на мерениот напон xV . Вредноста на фреквенцијата на такт генераторот е важен параметар на делта-сигма компараторот. Оваа вредност треба да биде најмалку 100 пати повисока од Најквистовата фреквенција, што следи од теоремата на Шенон

sCL ff 100> Во делта-сигма конверторите лесно се зголемува резолуцијата на конверторот. Во интегрирани делта-сигма конвертори, резолуцијата може да биде висока 24 бити. Табелата прикажува приказ на параметрите на интегрирани ADC. Фреквенцијата на конверзија е дадена како број на примероци во секунда.

Page 74: UNIVERZITET SV.KIRIL И METODIJ -SKOPJEtempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/CM predavanja...mno`estvo od materijalni resursi, organizaciski resursi, programi za obrabotka na informacii,

Prof. d-r Qup~o Arsov, Kompjuterizirani merewa, Bele{ki za predavawa

Str.74 /74