kybernetizace experimentu i n.
Download
Skip this Video
Loading SlideShow in 5 Seconds..
Kybernetizace experimentu I PowerPoint Presentation
Download Presentation
Kybernetizace experimentu I

Loading in 2 Seconds...

play fullscreen
1 / 86

Kybernetizace experimentu I - PowerPoint PPT Presentation


  • 126 Views
  • Uploaded on

Kybernetizace experimentu I. N EVF 12 7 L S 201 1 /20 12 L.Přech. Úvod do analogového a číslicového zpracování dat a řízení experimentu - osnova. Fyzikální experiment a úloha počítače v něm Základní schéma počítačem řízeného experimentu Analogové a digitální zpracování dat

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about 'Kybernetizace experimentu I' - malana


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
kybernetizace experimentu i

Kybernetizace experimentu I

NEVF 127

LS 2011/2012

L.Přech

vod do analogov ho a slicov ho zpracov n dat a zen experimentu osnova
Úvod do analogového a číslicového zpracování dat a řízení experimentu - osnova
  • Fyzikální experiment a úloha počítače v něm
  • Základní schéma počítačem řízeného experimentu
  • Analogové a digitální zpracování dat
  • Převod neelektrických veličin na elektrický signál a zpět (čidla a akční členy)
  • Úprava analogových signálů (diody, tranzistory,operační zesilovače – opakování)
  • Vzorkování, kvantování, spektrum signálu, Nyquistovo kriterium
model fyzik ln ho experimentu
Model fyzikálního experimentu
  • Stanovujeme závislost veličiny y na veličiněx při daném parametru  (např. závislost proudu vzorkem na napětí při určité teplotě)
  • Obvykle opakovaná měření pro diskrétní hodnoty xi j , určování střední hodnoty a odhad chyby
  • x,  nastavované nebo implicitně závislé na čase x(t) (t)

měření „bod po bodu“

po ta jako automatick registra n za zen
Počítač jako automatické registrační zařízení
  • Ruční nastaveníx,  resp.x(t) (t)
  • Automatický zápis hodnot (t) y(t)
  • Vyhodnocení a zpracování často až po ukončení zápisu

Využíváme rychlost registračního systému!

po ta ov zen experiment
Počítačově řízený experiment
  • Automatické nastaveníx,  resp.x(t), (t)
    • volně dle programu – automatické měření
    • s cílem stabilizovat nebo řídit y nebo  - regulace
  • Automatický zápis hodnot (t), y(t)
  • Vyhodnocení a zpracování obvykle během měření
z kladn sch ma syst mu sb ru dat a zen experimentu
Základní schéma systému sběru dat a řízení experimentu

Fyzikální veličiny

Akční členy

Sběr dat, řízení výstupů

Úprava signálů

Počítač

Čidla

fyzik ln veli iny
Elektrické povahy

napětí

proud

odpor, vodivost, indukčnost, kapacita

kmitočet, fáze

perioda, střída

impulzy, události

Spojité nebo diskrétní (v hodnotě nebo čase, digitální signály)

Neelektrické

teplota

poloha a pohyb, zrychlení

vlhkost, tlak

osvětlení

hmotnost

chemické složení

….

Fyzikální veličiny

Veličina vyjádřena časovým průběhem signálu - elektrické veličiny

p evod elektrick ch veli in na neelektrick a zp t
Akční členy

topné elementy

zdroje světla

ventily

motory

elmg. cívky

….

Čidla

termočlánky, termistory

fotodiody

průtokoměry, vakuometry

snímače polohy a pohybu, tenzometry a akcelerometry

piezoelektrické snímače tlaku

Hallovy sondy

vlhkoměry

detektory částic

krystalové snímače (rychlost napařování, teplota,…)

Převod elektrických veličin na neelektrické a zpět
spojit vs digit ln sv t slicov po ta pracuje s diskr tn informac
Analogové signály

Přímé, převod A/D a D/A

napětí (proud)

Nepřímé – mezipřevod na časové veličiny nebo napětí/proud

často pro ostatní elektrické veličiny:

odpor/vodivost, kapacita, indukčnost

Spojitý vs. digitální svět - číslicový počítač – pracuje s diskrétní informací

Digitální signály

  • Přímé měření/řízení
    • digitální vstupy/výstupy

(jedno- a vícebitové logické signály)

    • čas - frekvence, perioda, délka pulsu, střída signálu, fáze
analogov zpracov n sign lu
Analogové zpracování signálu

Analogový signál upravujeme přímo analogovými elektronickými obvody

  • Očekávané změny amplitudy a fáze zpravidla závisejí na frekvenci, kmitočtové charakteristiky nastaveny hodnotami pasivních součástek – málo flexibilní
slicov zpracov n sign lu

Číslicově-analogový převodník (DAC)

Vzorkování (S/H) a analogově-číslicový převodník (ADC)

Digitální zpracování (DSP)

Rekonstrukční filter

Anti-aliasing filter

Finite Impulse Response Filter

ANALOG IN

ANALOG OUT

Číslicové zpracování signálu

Výhody číslicového zpracování

  • Méně komponent, deterministické stabilní chování, širší uplatnění
  • Větší šumová odolnost, menší závislost na napájení, teplotě atd.
  • Jednoduché přeladění filtrů, filtry s menšími tolerancemi, možnost self-testu
  • Možnost implementace adaptivních filtrů
analogov elektronick obvody
Analogové elektronické obvody

analogové< > číslicové obvody

spojité a nespojité signály

lineární a nelineární

(popsané lineárními a nelineárními diferenciálními rovnicemi)

podle použitých prvků – lineární např. R, L, C …

nelineární např. transistory,diody

pasivní a aktivní prvky

spojování a řazení prvků v elektronických obvodech

paralelní a sériové spojování

hlediska navazování v obvodech (druhy vazeb,oddělení,výkonové přizpůsobení)

z kladn z kony
Základní zákony

Ohmův zákon U=RI

(obecněplatný pro impedance)

1.Kirchhoffův

uzlové proudy

2.Kirchhoffův

smyčková napětí

ostatní – princip superpozice, (odezva lineárního obvoduna několik vstupních signálů je dán součtem jednotlivých odezv)

Theveninův a Nortonův teorém

dvojp ly jednobrany
Dvojpóly (jednobrany)

1-brany a 2-brany

aktivní > < pasivní

aktivní

ideální zdroj napětí a)

“ proudu b)

některé diody

pasivní

odpor

definice R=U/I

prvek rezistor

náhradní obvod (zapojení)

vliv vývodů a pouzder

teplotní závislost

dvojp ly jednobrany1
Dvojpóly (jednobrany)

kapacita

definice

prvek kondensátor

náboj Q

energie

impedance Z (admitance Y)

(zobecněný Ohmův zák.)

náhradní obvod (zapojení)

vektorový diagram

dvojp ly jednobrany2
Dvojpóly (jednobrany)

indukčnost

definice

prvek cívka

energie

impedance Z

(zobecněný Ohmův zák.)

náhradní obvod (zapojení)

vektorový diagram

dvojp ly jednobrany3
Dvojpóly (jednobrany)

odpory řízené neelektrickou veličinou

termistor (záporný teplotní koeficient) – použití pro snímání teploty,teplotní stabilizaci v obvodech

posistor (kladný teplotní koeficient) – ochrana prvků před nadměrnými proudy,termostaty k udržování konstantní teploty

fotoodpor – velikost ohmického odporu závisí na světle

obvody s diskr tn mi polovodi ov mi sou stkami
Obvody s diskrétními polovodičovými součástkami

Diody

pn přechod,VA charakteristika v prvním kvadrantu,souvislost prahového napětí Ud se šířkou zakázaného pásu

Ge,Si,Schottky,GaAsP,SiC

diferenciální odpor

grafická konstrukce detekce rf napětí na diodě

rekombinace nosičů náboje omezuje rychlost usměrnění či sepnutí přechodu

nelineární prvek

dal typy diod
Další typy diod

Zenerova dioda –použití ve stabilisačních obvodech,zdrojích napětí,omezovače atd

Zenerův a lavinový jev

> teplotní koeficient,šum

dynamický odpor

LED a foto diody – přeměna elektrického proudu na světlo a opačně (indikace,displeje,použití v optočlenech,světelné závory, zabezpečovací technika aj.)

Detekční diody

ty p ly dvojbrany
Čtyřpóly (dvojbrany)

aktivní

transistory bipolární a unipolární

pasivní

transformátory,kmitočtové filtry

transistory bipol rn
Transistory bipolární

Základní aktivní prvek analogové i číslicové techniky

V analogových obvodech použití pro zesilování signálů,spínání

Fyzikální model-struktury NPN,PNP-dvě vodivostní struktury

2 druhy nosičů náboje-majoritní a minoritní

Elektrické parametry stejnosměrné a střídavé

Nelineární prvek - výhodné graficko-matematické řešení

Střídavé parametry – nejčastěji používané „h-parametry“ slouží pro návrh obvodů pomocí maticového počtu

Stejnosměrné parametry – smysl a význam nejlépe patrné z obrázku tzv. voltampérových charakteristik

bipol rn transistor va charakter
Bipolární transistor-VA charakter.

Stejnosměrné VA charakteristiky bipolárního transistoru

> par.UC IC / IB

> > par. IB IC / UC

> par.UC IB / UB

> > par.I B UC /UB

bipol rn versus cmos technologie
Bipolární versus CMOS technologie

Unipolární tranzistory mají velký vstupní odpor, řádu 1014 Ohmu, tudíž pro jejich řízení nepotřebujeme výkon. Tento aspekt se příznivě odrazí zejména v konstrukci logických obvodů, kde s velkou hustotou integrace u bipolárních technologií strmě narůstá příkon (a tím teplo) obvodu.

pracovn bod
Pracovní bod

Soubor stejnosměrných parametrů,udávající jednoznačně polohu ve VA charakteristikách (obvodu)

Může být ovlivněn neelektrickými parametry

Nastavení a stabilizace

Pracovní bod diody:

pracovn bod transistoru
Pracovní bod transistoru

Základní zapojení transistoru v obvodu s rezistory určujícími polohu pracovního bodu

Metody řešení vícesmyčkových obvodů-aplikace Ohmova a Kirchhoffových zákonů

pracovn bod transistoru1
Pracovní bod transistoru

Teplotní závislost pracovního bodu

Metody stabilizace-použití teplotně závislých prvků , nebo volba obvodových prvků v zapojení

zesilova e
Zesilovače

Stejnosměrné zesilovače

Přenos ss signálů-možnost ovlivnění posunem ss pracovního bodu

Symetrické zapojení pro kompenzaci – tzv. diferenciální stupeň

Základní zapojení pro tzv. operační zesilovače

Hlavní parametry drift,ofset

U vícestupňových zesilovačů stabilita

zesilova e1
Zesilovače

Příklad vícestupňového zesilovače s galvanickou vazbou mezi stupni,velmi vhodnou pro možnost integrace (OZ)

Lze použít jako zesilovač stejnosměrných i střídavých signálů

Základní parametryzesilovačů-zesílení,vstupní a výstupní odpor, kmitočtová a fázová charakteristika,drift,výkon

zesilova e p enos
Zesilovače - přenos
  • Očekáváme:
  • věrnost přenosu (výstupní signál má stejný tvar jako vstupní) – poměr harmonických složek signálu by se měl zachovávat, neměl by se měnit jejich fázový posuv => modulová a fázová frekvenční charakteristika konstantní
  • běžné střídavé zesilovače
    • vysoké frekvence - zesílení klesá s rostoucí frekvencí díky vnitřním paralelním kapacitám (např. Millerova kapacita bip. tranzistoru)
    • Nízké frekvence – zesílení klesá s poklesem frekvence díky použití sériových kapacit ve vazbách
  • přenosové pásmo FBW = FHI – FLO (body s poklesem zesílení o -3dB, tj. 1/√ 2)
bodeho diagram

0dB

-3dB

+45°

-45°

Bodeho diagram

Bodeho diagram

Modulová a fázová frekvenční charakteristika jednostupňového střídavého zesilovače

bodeho diagram1
Bodeho diagram

Vícestupňové zesilovače

Logaritmické modulové (dB) a fázové charakteristiky jednotlivých stupňů se sčítají

  • 1 stupeň – 20dB/dek, posuv +/- 90deg
  • 2 stupně – 40dB/dek, posuv +/- 180deg
  • 3 stupně – 60dB/dek, posuv +/- 270deg

Kritické pro možnost oscilací

S počtem stupňů se zužuje přenosové pásmo

zesilova e zp tn vazba stabilita
Zesilovače-zpětná vazba, stabilita

Pojem zpětné vazby

Kladná a záporná

Vliv vazby na zesílení,kmitočtovou charakteristiku a stabilitu

Nyquistovo kriterium stability

Zpětná vazba jednoznačně definuje zesílení

Možnost změny zpětné vazby

U2= A0*(U1+ * U2)

A=A0/(1+ A0) ~ 1/ 

ro z d len va z eb dle z apojen k v stupu
Rozdělení vazeb dle zapojeník výstupu

Napěťová vazba

Proudová vazba

výstupní odpor

klesá

roste

ro z d len va z eb dle p ipojen ke vstupu
Rozdělení vazeb dle připojeníke vstupu

Seriová vazba

Paralelní vazba

vstupní odpor

roste

klesá

z porn zp tn vazba
Záporná zpětná vazba
  • Záporná ZV
  • rozšiřuje přenosové pásmo, snižuje zkreslení
  • zlepšuje stabilitu zesílení (  vs. A0)
  • modifikuje vst./výst. impedanci
kladn zp tn vazba oscil tory
Kladná zpětná vazba-oscilátory

Oscilátor s T – článkem (harmonický sinusový průběh)

Stupeň vazby se řídí potenciometrem

Oscilátor s trafo-vazbou (neharmonický obdélníkový průběh)

Oscilátor-multivibrátor využívající nabíjení-vybíjení RC členů

opera n zesilova
Operační zesilovač
  • Operační zesilovač je širokopásmový diferenciální zesilovač se stejnosměrným vstupem, s velkým vstupním odporem Ri řádu stovky kΩ až několika MΩ, s malým výstupním odporem řádu 100 Ω a velkým zesílením větším než 104.
  • Operační zesilovač byl původně používán jako základní jednotka analogových počítačů, diferenciálních analyzátorů sestavená z diskrétních prvků (tranzistory, odpory atd.). S rozvojem hybridních a později monolitických integrovaných obvodů se stal operační zesilovač samostatnou jednotkou, elektronickým prvkem.
  • Původně používán v analogových počítačích, pro základní aritmetické operace sečítání, odečítání, dělení a násobení a rovněž pro integraci analogových signálů.
  • Dnes uplatnění v řadě dalších elektronických obvodů jako stejnosměrné i střídavé zesilovače, komparátory, elektronický vzorkovací obvod (analogová paměť), klopné obvody a generátory signálů, aktivní filtry, převodníky z analogového signálu na číselnou hodnotu a naopak.
ide ln opera n zesilova definice
Ideální operační zesilovač – definice
  • Zesílení ideálního operačního zesilovače v otevřené smyčce A a vstupní odpor Ri jsou nekonečně velké. Výstupní odpor Ro je nulový. I+ = I- = 0
  • Nemá ofset ani drift.
    • Ofset = nenulový výstupní signál při zkratovaných a uzemněných vstupních svorkách
    • Drift = změna ofsetu s časem a teplotou.
  • Vliv součtového signálu je nulový, tj. činitel potlačení součtového signálu KCMR→ ∞.
  • Zesiluje rovnoměrně signály všech frekvencí včetně nulové; je to tedy stejnosměrně vázaný zesilovač.
  • Výstupní úroveň nezávisí na napájení, rozkmit Eo není omezen.
  • Jako zesilovač s velkým zesílením není operační zesilovač prakticky použitelný bez záporné zpětné vazby. Teorie ideálního operačního zesilovače je tak v podstatě teorií jeho zpětné vazby.

Eo = A(E+ - E-) + A/KCMR (E+ + E-)/2

re ln opera n zesilova
Reálný operační zesilovač
  • Skutečné (reálné) OZ se liší od ideálních
    • Početní chyby – konečné hodnoty A, Ri, Ro
    • Statické chyby
      • Ofset, drift, vstupní proudy a jejich nesymetrie, teplotní závislost
      • Závislost výstupu na součtovém vstupním signálu
      • Závislost výstupu na napájení
      • Omezení rozkmitu výstupu, saturační napětí
    • Dynamické chyby
      • Závislost A na kmitočtu, změna fáze výstupního signálu s kmitočtem
      • Konečná rychlost přeběhu
    • Šumová složka ve výstupu (vnitřní zdroje i zesílení šumu na vstupu)
z kladn zapojen oz invertuj c zesilova
Základní zapojení OZ – invertující zesilovač
  • Pro ideální OZ

(Ei = 0, is = 0)

  • Pro obecné pasivní prvky
z kladn zapojen oz neinvertuj c zesilova
Základní zapojení OZ – neinvertující zesilovač
  • Pro ideální OZ

(Ei = 0, is = 0)

  • Pro obecné pasivní prvky
vliv zp tn vazby oz

Ui

U´i

A

β

βUo

Vliv zpětné vazby OZ
  • βA < 0 záporná ZV (A*<A)
  • βA > 0kladná ZV (A*>A)
  • βA → 1 nestabilní zapojení (A* → ∞)
  • |A| → ∞ …

Uo

Zesílení id. OZ s uzavřenou ZV smyčkou je dáno jen parametry ZV

porovn n ide ln ho a re ln ho oz
Porovnání ideálního a reálného OZ
  • Základní zapojení s ideálním OZ
  • Základní zapojení s reálným OZ

A – zesílení OZ s otevř. smyčkou, β – koef. zpětné vazby z výstupu na vstup, např. pro invertující zapojení

porovn n ide ln ho a re ln ho oz1
Porovnání ideálního a reálného OZ
  • Konečné zesílení v otevřené smyčce A:
  • Nenulový výstupní odpor Rv, odpor zátěže RL
rozd len p evodn k neelektrick ch veli in
Rozdělení převodníků neelektrických veličin
  • Přímý převod energie neelektrické veličiny – vlastní zdroj elektromotorické síly
    • elektromagnetické, termoelektrické, fotoelektrické, piezoelektrické, Hallův jev, …
  • Pasivní převodníky – potřebují vnější elektrický zdroj
    • využívají závislost elektrické vlastnosti čidla na měřené veličině – magnetorezistivita, elektrický odpor na teplotě, indučnost na poloze jádra, …
  • Zpětnovazební pasivní převodníky – zpětná vazba udržuje rovnováhu mezi měřenou veličinou a protipůsobícím elektrickým signálem
p klad termo l nek
Příklad - termočlánek

Rozsah voltmetru

  • Přímý převod energie
    • termoelektrická napětí

Uo = U1(Tref)+ U2 (T) – U3(Tref)

Citlivost 7 – 50 V/°C

Zesílení vst. zesilovače

Rozlišení v bitech

U1

T

známe

Uo

U2

U3

Tref

p klad pasivn p evodn ky
Převodník polohy (úhlu):

Posuv jezdce -> proměnný odpor -> napětí

Drátkový termoanemometr:

Rychlost proudění -> míra ochlazování -> teplota -> odpor -> napětí

Příklad - pasivní převodníky

Wheatstonův můstek

rtd odporov teplom ry nap pt
Malý odpor, typ. 100 

Malá citlivost ~0.4/°C

2-drátové měření – málo vhodné – úbytek napětí na přívodech

4-drátové zapojení – lepší, na měřicích přívodech pro napětí minimální úbytek

3-drátové zapojení – vhodné pro můstky (Wheatstonův )

RTD - odporové teploměry (např. Pt)
m stkov zapojen rtd tenzometry
Můstkové zapojení – RTD, tenzometry
  • 3-drátové zapojení RTD ve Wheatstonově můstku – protilehlé větve RG1, RG2 kompenzují odpor přívodů
  • Tenzometry v můstku – poloviční nebo úplný můstek – zvýšení citlivosti měření
  • Použití tenzometrů:
    • jejich odpor závisí

na mechanickém napětí

    • použití též jako

převodníky jiné síly –

zrychlení, tlak, vibrace

p klad idlo se zp tnou vazbou
Příklad – čidlo se zpětnou vazbou
  • Drátkový termoanemometr:
    • zpětná vazba udržuje můstek vyvážený -> stabilizace odporu (teploty) sondy

(výstupní napětí)2~ teplo ztrácené na sondě ~ rychlost proudění

dal p klady
LVDT (lineární napěťový diferenciální transformátor)

Měření lineárního posunu – rozdílná vazba do sekundárního vinutí L a P

Čidla s interním převodem na proudovou smyčku 0-20 nebo 4-20 mA

Další příklady

IS

20

4

X

obecn funkce obvod pro pravu sign lu
Zesílení analogových signálů

Změny vst. signálu vhodně pokrývají rozsah ADC – zvětšení rozlišení, citlivosti, zvýšení poměru S/N

Útlum

Úprava velikosti velkých signálů (vysoké napětí...)

Filtrace

Snížení šumu v určité části spektra (např. 50, 60 Hz, vf filtry)

Zabránění aliasingu (Nyquistův teorém)

Izolace (optická, transformátory)

Přerušení zemních smyček, snížení šumu, zabránění poškození zařízení, oddělení obvodů s nebezpečným napětím

Multiplex

Přepínání ADC mezi více kanály, volba způsobu připojení signálu

Současné vzorkování více kanálů

Buzení snímačů, můstková zapojení, 3- a 4- drátová měření

Kompenzace studeného konce termočlánku

Obecné funkce obvodů pro úpravu signálu
slicov zpracov n sign lu1
Číslicové zpracování signálu
  • Digitalizace – 3 fáze
    • Vzorkování vzorkovací obvod
    • Kvantování vlastní A/D převodník
    • Kódování
slide79
Obsahuje-lifrekvenční spektrum signálu složky s frekvencí větší než Nyquistova frekv. (fN=fV/2), neurčuje výstupní signál vzorkovacího obvodu jednoznačně průběh signálu na vstupu:
dal funkce synchronn detekce
Další funkce – synchronní detekce

Synchronní detekce je technika zpracování signálu, která:

  • umožňuje separovat i velmi slabý signálv silném šumu - např.:
    • příjem signálů v radiotechnice
    • zpracování signálu se silným rušením
  • vyžaduje referenční signáls přesně danou frekvencí a fází

budí fyzikální proces

moduluje měřenou veličinu

Výstupní signál

Synchronní detektor

- harmonický nebo obdélníkový signál

dal funkce
Další funkce
  • Komprese dynamiky signálů
    • Bell µ-255
  • Linearizace signálu (častěji sw)
  • Úprava digitálních signálů
    • Převod úrovní, hystereze vstupů, galvanická izolace(optická nebo transformátorová), výkonové zesílení, buzení relé a stykačů