Metod y zpracování fyzikálních měření - 2

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

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

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

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

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

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

7. Nezemněné (pseudodiferenciální) měření - NRSE • Měření napětí na různých vstupech proti společnému referenčnímu vodiči – není přímo spojen sezemí

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

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

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

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

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

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

14. Přenos šumu kapacitní vazbou Přenos šumu induktivní vazbou

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

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

17. Vzorkovací obvod

18. Charakteristiky vzorkovacího obvodu

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

21. Aliasing

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

23. Kvantování

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

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

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

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

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

32. Aliasing