INTR ĂRI / IEŞIRI ANALOGICE ŞI DIGITALE

1. INTRĂRI / IEŞIRI ANALOGICE ŞI DIGITALE Ágoston Katalin Universitatea “Petru Maior” Tg.Mureş

2. Conversia A / D • Condiţionarea semnalului - alimentarea senzorului, filtrare, protecţia intrării, • liniarizare • Multiplexor • Amplificator de instrumentaţie cu câştig programabil • Convertor A/D • Memorie tampon • Circuit de comandă şi control

3. 1. Rezoluţia şi viteza CAD Specificaţii: rezoluţie, acurateţe, viteză  determină performanţele sistemului UIN 10V, 5V, 2.5V, 1.25V  plăci interne PC Instrumente domeniu mai dinamic Nr. de biţi: 8, 10, 12, 16 / la instrumente 18, 24 Ex. n8biţi, UIN 10V  n16biţi, 

4. Concluzii: - intrări bipolare  primul bit  bit de semn - tensiunea max de intrare este mai mic cu q - valoarea medie poate fi zero doar la citiri, intrări bipolare - eroarea de ofset a CAD să elimine erorile de ofset a amplificatorului programabil, mai ales la rezoluţie mică

5. Exemplu: UIN0-10V n8 n 16 Eroarea de amplificare pt. plăci plug-in: 0.01% - 0.05% Eroarea totală depinde de dom. tensiunii de intrare, echipament, mediu Eroarea totală a echipamentului  eroarea cerută pt. măsurare Ex: senzor cu 1% , A/D cu n16biţi NU  ultimul bit influenţat de zgomote

6. 2. Precizia intrării Precizia intrării depinde dar nu este egal cu rezoluţia intrării. Precizia SAD dep. de toate componentele analogice de la intrare (mux, pga, A/D) Precizia se poate exprima prin: precizia absolută / precizia relativă Precizia absolută la un cod de ieşire dat a A/D este diferenţa dintre tensiunea actuală şi tensiunea teoretică necesară producerii acelui cod. Se defineşte pentru un pas. Precizia relativă este abaterea de la valoarea teoretică după calibrarea scării. (full-scale range - FSR) Se defineşte pentru întregul domeniu.

7. Moduri de exprimare şi de calcul a erorii pt. CAD cu 12biţi şi 10V: a) 0.024% din valoarea citită  1bit b) Abaterea totală de biţi 2biţi c) 0.048% din FSR

8. 3. Numărul efectiv de biţi n – numărul de biţi teoretic La o frecvenţă de eşantionare trebuie luate în considerare performanţele în domeniul de frecvenţă ENOB – Effective Number Of Bits Tipuri de erori: nelin., apertură, zgomot, distorsiuni, timp de setare. Neliniaritate: - abaterea de la caracteristica liniară trasată prin zero în direcţia de creştere şi descreştere a amplitudinii. Neliniaritate: - diferenţială şi integrală Nelin. Dif. – deviaţia, abaterea de la lăţimea pasului cuantumului ideal care determină valoarea LSB. Nelin. Integr. – referă la abaterea pe întreg domeniu a tensiunii de intrare. Sisteme multicanale – comutarea este o sursă de erori  semnalul se digitalizează cu orice distorsiune.

9. Trebuie evaluat THD – Total Harmonic Distortion dat pentru un SNR – Signal to Noise Ratio ENOB depinde de SNR, se determină din definiţia pentru SNR. Valoarea teoretică SNR  (6.02n+1.76)dB  n  (SNR-1.76)/6.02 Ex: n12, SNR  74dB,  ENOB (SNRactual -1.76)/6.02 ENOB (74 – 1.76)/6.02  12 Trebuie măsurat SNR cu generator de funcţii cu FFT ENOB (69 – 1.76)/6.02  11

10. 4. Viteza maximă a CAD Viteza depinde de numărul de biţi şi de tipul convertorului, se exprimă în unităţi de timp. Specificaţii se referă la nr. max. de eşantioane care pot fi prelucrate sample/sec, kS/s, MS/s şi NU Hz Sistemele multicanale: sample rate /nr.canale Ex: A/D  100 000sample, MUX 8 canale  1canal  100 000sample 2 canale  50 000sample 8 canale  12 500sample Dacă amplificarea pe canale diferă viteza de eşantionare scade.

11. 5. Tipuri de CAD • CAD cu aproximări succesive • CAD cu integrare – indirect – tensiune / timp - (simplă şi dublă integrare) • CAD paralel – flash converter • CAD serie-paralel • CAD sigma-delta • Parametrii principali: viteză, rezoluţie, imunitate la zgomot, cost

12. Convertor A/D Sigma-Delta Utilizare: sisteme de comunicare, audio, industrial, măsurări de precizie. Singurul convertor care asigură domeniu dinamic şi flexibilitate a semnalului de intrare cu bandă de frecvenţă redusă având cost redus. Mod de realizare: supraeşantionare, modulare -, filtrare digitală, decimare

17. Calculul frecvenţei de eşantionare Ex.1. - se digitalizează un semnal rampă având viteza m u(t)mt - se doreşte ca variaţia semnalului  q - se foloseşte un CAD cu n 10biţi Ex.2. - se achiziţionează o tensiune u0-10V cu o eroare 40mV - viteza de variaţie a semnalului 4000V/s

18. Ex.3. Viteza de variaţie a unui semnal sinusoidal Amplitudinea semnalului este Umax2.12V Frecvenţa semnalului este f 5kHz Perioada semnalului este T 0.2ms Semnalul creşte la valoarea maximă pe durata T/4 0.05ms Viteza de variaţie a semnalului este Se foloseşte un convertor A/D cu 8 biţi, eroarea cu care se măsoară semnalul Frecvenţa de eşantionare va fi

19. 6. Filtre aliasing şi antialiasing Un alias este o componentă falsă de semnal care apare în cazul semnalelor eşantionate la o frecvenţă de eşantionare joasă. Eroarea aliasing apare când semnalul conţine componente cu frecvenţă mai mare ca jumătatea frecvenţei de eşantionare (teorema Nyquist). Ex: - achiziţia pe un canal se face cu 100kS/s, atunci semnalul nu poate conţine componente cu frecvenţă mai mare ca 50kHz, altfel apare componenta falsă la reconstrucţie. - dacă vor fi folosite 8 canale, pe fiecare canal frecvenţa de eşantionare va fi 12.5kHz şi eroarea de aliasing va fi determinat de orice componentă cu frecvenţă mai mare ca 6.25kHz. Eliminare: - frecvenţa de eşantionare cât mai mare - filtru antialiasing înaintea CAD

20. Caracteristica filtrului antialiasing Tipuri de filtre antialiasing: Butterworth, Bessel, Cauer (eliptic) Diferenţe: grad de atenuare, oscilaţii, cât de abruptă este caracteristica

21. Conversia D/A Generarea semnalelor de ieşire. Inversul CAD. Aceleaşi caracteristici, performanţe, proprietăţi Important: la ieşire pot furniza doar câteva mA. Legare cu 4 fire – distanţă CDA şi echipament de testat mare. Se realizează o buclă de reacţie, neafectat de curentul furnizat. KPCI - 3130

22. Interfaţare intrări/ieşiri digitale Succesul comunicării digitale depinde de capacitatea de interpretare stărilor ON/OFF TTL, CMOS, LS-TTL Protecţii la intrare împotriva semnalelor tranziente Comutatoare mecanice

23. Comutatoare mecanice Apariţia impulsurilor false – regim tranzitoriu de durată 1-5ms Erori la citirea semnalului. Eliminare: - soft – citire multiplă până la stabilizarea semnalului – întârziere - hard – utilizarea unui bistabil

24. Semnale cu variaţii lente • Soluţionare: • 1. Mărirea vitezei semnalului • 2. Folosirea comparatorului pentru • detectarea unui anumit nivel de • tensiune. • 3. Pentru o comutare clară la un semnal • lent sau zgomotos se foloseşte • Schmitt triger (histereză). • 4. Prin soft se ignoră schimbările de • stări care apar prea repede faţă de • schimbarea precedentă.

25. Adaptarea nivelului de semnal TTL  0-5V CMOS  0-12V Circuite tampon, porţi inversoare sau neinversoare (CD4049, CD4050)

26. Producerea U şi I mai mare la ieşire • Pentru I15mA – 100mA • NPN tranzistor • Pentru I 100mA • Darlington NPN tranzistor • Relee statice – Solide-state relay • ieşire: 250V d.c. • 280Vef a.c. • intrare: 280V d.c./a.c.

27. Solide-state relay • Avantaje: • mai rapide decât releele mecanice (Tacţiune ns) • nu există părţi în mişcare, durată de viaţă mai mare • operaţie sigură, fără impulsuri multiple • zgomot electric mic la comutare • mic ca dimensiune • silenţios • Dezavantaje: • zgomot electric în stare de conducţie • impedanţă mai mare în stare închisă • impedanţă mai mică în stare deschisă • cuplare falsă la tensiuni tranziente • mai scumpe • crydom.com

28. Izolarea intrării sau ieşirii • Nu este o conexiune electrică, nici punct de referinţă comun între 2 semnale: • - sura de semnal şi sistemul de achiziţie • - SDD şi circuit de comandă • Izolarea se face dacă: • există o diferenţă de potenţial între mese şi sistemul de achiziţii sau • echipament exterior. Dacă diferenţa de potenţial este mare apar • măsurări eronate sau avarie. • echipamentul extern conţine surse de tensiune interne care pot strica SAD • semnalele se iau de pe fiinţe umane • semnalul util este suprapus peste o tensiune de mod comun ridicat • pentru protejarea traductoarelor

29. 1. Izolarea – digitală – se foloseşte barieră optică 2. Izolare – analogică – se folosesc cuplaj inductiv, optic sau capacitiv AD210, AD202 ADuM1100 ISO120

30. Legare la pământ • O masă perfectă înseamnă 0V faţă de pământ şi 0 la orice frecvenţă. • Minimizarea scurgerii de curent: • Folosirea unei singure surse de tensiune de alimentare, cablu, prelungitor, • de lungime corespunzătoare • Toate cablurile să fie în condiţie perfectă cu pin de pământare prezent şi legat. • Folosirea unei singure mese care să fie unic şi central pentru întreg echipament. • La folosirea ecranului acesta să fie legat doar la un capăt la masă. • Cablajul să fie cât mai scurt posibil şi corect