Τεχνολογικό Eκπαιδευτικό Ίδρυμα Kρήτης TMHMA MHXANOΛOΓIAΣ. Δρ. Φασουλάς Γιάννης

Transcript

1 Τεχνολογικό Eκπαιδευτικό Ίδρυμα Kρήτης TMHMA MHXANOΛOΓIAΣ Δρ. Φασουλάς Γιάννης

2 Θα μάθετε: Έννοιες που σχετίζονται με την μετατροπή μεταξύ αναλογικών και ψηφιακών σημάτων Πώς πρέπει να λαμβάνεται το δείγμα ενός σήματος για ψηφιακή επεξεργασία Πώς κωδικοποιούνται τα ψηφιακά δεδομένα Τα βασικά εξαρτήματα ενός A/D μετατροπέα Πώς λειτουργούν οι μετατροπείς A/D και D/A και ποιοι είναι οι περιορισμοί τους Τι μπορείς να κάνεις με τους A/D μετατροπείς; 2

3 Καταγραφή της μετατόπισης με: Αναλογική συσκευή σε Χαρτί (καταγραφέας διαγραμμάτων) Ποτενσιόμετρο και παλμογράφο Μικροεπεξεργαστή ή υπολογιστή (data acquisiton) Συμπαγή αποθήκευση δεδομένων (μαγνητικά μέσα) Μεγαλύτερη ακρίβεια των δεδομένων Χρήση σε συστήματα πραγματικού χρόνου (real bme) Επεξεργασία δεδομένων πολύ αργότερα από το χρόνο που ελήφθησαν Για να είναι δυνατή η εισαγωγή αναλογικών δεδομένων σε ψηφιακά κυκλώματα ή μικροεπεξεργαστή, πρέπει αυτά να μετατραπούν σε ψηφιακές τιμές. 3

4 Καταγραφή δεδομένων με την βοήθεια μικροεπεξεργαστή Θεωρήστε το σήμα ενός αισθητήριου, όπως απεικονίζεται από το αναλογικό σήμα του σχήματος 2.1. Η αποθήκευση των δεδομένων μπορεί να πραγματοποιηθεί χρησιμοποιώντας έναν μικροεπεξεργαστή, ή έναν υπολογιστή. Η συλλογή δεδομένων (data acquisibon) μέσω υπολογιστή, έχει σαν αποτέλεσμα την καταγραφή τους με μεγάλη ακρίβεια επιτρέποντας τη χρήση τους σε συστήματα ελέγχου πραγματικού χρόνου (real bme) όπως επίσης και την επεξεργασία τους πολύ αργότερα από το χρόνο που ελήφθησαν. Για να είναι εφικτή η εισαγωγή αναλογικών δεδομένων σε ένα ψηφιακό κύκλωμα ή μικροεπεξεργαστή, πρέπει αυτά να μετατραπούν σε ψηφιακές τιμές. Το πρώτο βήμα είναι η δειγματοληψία (sampling) και το αποτέλεσμα είναι ένα ψηφιοποιημένο σήμα (digibzed signal), το οποίο αποτελείται από διακεκριμένες τιμές, που αντιστοιχούν σε κάθε δείγμα, όπως φαίνεται στο σχήμα. 4

5 Βήματα μετατροπής αναλογικού σήματος σε ψηφιακό 1. Ορισμός διακεκριμένων χρονικών στιγμών Δt για την αριθμητική αξιολόγηση του σήματος 2. Λήψη δείγματος (sampling) από το αναλογικό σήμα 3. Ψηφιοποιημένο σήμα (digibzed signal) (σχήμα) 4. Ακολουθία αριθμών που προσεγγίζει το αναλογικό σήμα 5. Η χρονική σχέση μεταξύ των ψηφιοποιημένων αριθμών είναι μια έμφυτη ιδιότητα της διαδικασίας και δεν καταγράφεται ξεχωριστά 6. Δημιουργία πίνακα των ληφθέντων σημείων που είναι ικανή να περιγράψει με ακρίβεια το αρχικό αναλογικό σήμα 5

6 Πόσο γρήγορα ή πόσο συχνά πρέπει να γίνεται η δειγματοληψία του αναλογικού σήματος για να επιτευχθεί η ακριβής του αναπαραγωγή μετά την δειγματολυψία; Όσο γρήγορα μπορείτε; ΟΧΙ γιατί απαιτούνται: Ταχύτατα κυκλώματα Πολύ μεγάλα ποσά μνήμης Ο ελάχιστος ρυθμός δειγματοληψίας εξαρτάται από την δεδομένη εφαρμογή ώστε να διατηρούνται όλες οι σημαντικές πληροφορίες του σήματος 6

7 Ο ρυθμός δειγματοληψίας συχνότητα του αναλογικού σήματος: πρέπει να είναι τουλάχιστον διπλάσιος από τη μέγιστη Συχνότητα Nyquist 7

8 Ανάλυση σήματος μέσω μίας σειράς Fourier Αν προσεγγίσουμε το σήμα μέσω μιας σειράς Fourier, τότε f max, είναι η αρμονική συνιστώσα με την μέγιστη τιμή της συχνότητας 8

9 Αν τα δείγματα που λαμβάνονται από το αναλογικό σήμα είναι λιγότερα από όσο πρέπει, τότε παρουσιάζεται το φαινόμενο της επικάλυψης (aliasing), όπου έχουμε την εμφάνιση ενός σήματος διαφορετικής συχνότητας από αυτή που έχει το σήμα εσόδου. 9

10 Πρότυπο 10

11 11

12 12

13 13

14 14

15 15

16 Παράδειγμα 16

17 Παράδειγμα συνέχεια... Τα πρώτα δεδομένα σχεδιάζονται με χρόνο δειγματοληψίας μεταξύ δύο δειγμάτων 0.01 sec (ρυθμός δειγματοληψίας 100 Hz), παρέχοντας μια επαρκή απεικόνιση της κυματομορφή. Το δεύτερο σύνολο δεδομένων σχεδιάζεται με χρόνο δειγματοληψίας 0.75 sec (ρυθμός δειγματοληψίας 1.33 Hz), ρυθμός, που είναι μικρότερος από το διπλάσιο της μέγιστης συχνότητας της κυματομορφής (2 Hz). Τότε το σήμα είναι υποδειγματοληφθέν (undersampled). Η ληφθείσα κυματομορφή αποτελεί λανθασμένη απεικόνιση της αρχικής. 17

18 Θεωρία βαθμιδοποίησης (κβαντοποίησης) Βαθμιδοποίηση : ορίζεται η μετατροπή ενός συνεχούς αναλογικού σήματος σε ένα σύνολο διακριτών καταστάσεων (βημάτων) εξόδου Κωδικοποίηση: είναι η αντιστοίχιση μίας ψηφιακής κωδικής λέξης ή αριθμού σε κάθε κατάστασης εξόδου 5 volt A/D Χαρακτηριστικά των μετατροπέων :Αριθμός bits του μετατροπέα (resolubon) ( ανάλυση του μετατροπέα) (συνήθως 8,10,12 bits ή 256, 1024, και 4096 καταστάσεις εξόδου αντιστοίχως) : Αριθμός πιθανών καταστάσεων εξόδου του μετατροπέα, οι οποίες αριθμούνται διαδοχικά από 0 έως το (Ν- 1) :Αριθμός αναλογικών σημείων απόφασης 18

19 Βήμα αναλογικής βαθμιδοποίησης Βήμα αναλογικής βαθμιδοποίησης (analog quanbzabon size) (σε volt) σημεία απόφασης κωδικοποίηση Καθορίζει την διακριτική ικανότητα του μετατροπέα, δηλαδή το μέγιστο λάθος σε volt. Επίσης ορίζει ότι τα σημεία απόφασης είναι κατανεμημένα στο μέγιστο εύρος του σήματος εισόδου (V max - V min ) ανα Q volt 19

20 Τύποι μετατροπέων Μετατροπέας A/D διαδοχικής προσέγγισης (successive approximabon) Μετατροπέας A/D Flash (flash converter) Μετατροπέας D/A (DAC) κλίμακας αντιστατών ακριβείας (resistor ladder network) 20

21 Εξαρτήματα που χρησιμοποιούνται στην μετατροπή A/D, κάρτες και χαρακτηριστικά τους Υπάρχουν σε κάρτες επέκτασης για PC που υποστηρίζουν διάφορες γλώσσες προγραμματισμού (C, FORTRAN, BVASIC, ). Επίσης οι κάρτες διαθέτουν επιπρόσθετες εισόδους και εξόδους Ι/Ο, μετρητές (counters) και άλλα... Σημαντικά χαρακτηριστικά για την επιλογή μιας κάρτας A/D και D/A: resolubon + max sampling rate Για ένα μετατροπέα με ανάλυση 10 ή 18 bit ο χρόνος μετατροπής είναι της τάξης των nsec. 21

22 Συμπεράσματα Τα σωστά χαρακτηριστικά της συχνότητας του αναλογικού σήματος τα εξασφαλίζουμε με συχνότητα δειγματοληψίας τουλάχιστον αυτής της Nyquist. Τα σωστά χαρακτηριστικά σχετικά με το μέτρο (πλάτος) του αναλογικού σήματος τα εξασφαλίζουμε με ένα αρκετά μικρό χρόνο μετατροπής του A/D μετατροπέα Άλλες σημαντικές παράμετροι στην επιλογή ενός μετατροπέα A/D είναι: το εύρος της τάσης εισόδου, η ανάλυση εξόδου και ο χρόνος μετατροπής 24

23 25

24 Ασκήσεις Μηχατρονικής 31

25 32

26 33