. MEILNI INSTMENTI Merilni instrument sestavlja več merilnih členov v skupnem ohišju. Deli so večinoma elektronski (izhaja iz besede elektronka prvotni osnovni sestavni del), zato govorimo tudi o elektronskih merilnih instrumentih. Splošno so sestavljeni iz: analognega pretvornika pretvorimo električne (napetost, tok, upornost...) in neelektrične veličine (tlak, temperauro,...) v enosmerno napetost. analogno-digitalnega pretvornika, enote za obdelavo podatkov, prikazovalnika ali indikatorja (kazanje dobljene vrednosti). MI -
vhodna veličina resnična vrednost vmesna veličina grobi podatki zajem in priprava signalov analogni merilni pretvornik primerjava, A/D merjenje primerjava z enoto obdelava podatkov rekonstruirani podatki prikaz prireditev podatkov izhodna veličina izmerjena vrednost Slika. Merilni instrument povezava in prenos na nadzornik preko vodila Preprostejši merilni instrumenti nimajo vseh delov ali pa so okrnjeni (npr.: jim manjka vodilo ali vodilo ter obdelava podatkov ali celo A/D pretvornik in imajo samo pripravo signala ter indikator). MI -
Pri pretvornikih uporabljamo elektronske sestavne dele: ojačevalniki, filtri, modulatorji, oscilatorji, integrirana vezja itd. Analogno-digitalni pretvorniki so lahko napetostni, tokovni, kapacitivni itd. Z digitalizacijo pa dobimo tudi možnost obdelave, pomnenja in prenosa izmerjenih vrednosti. Vključitev mikroprocesorja omogoča programirljivost: nadzor merilnega postopka, spreminjanje območij, izbor vrste merilne veličine itn. Prikazovalniki: številski (digitalni) in rasterski prikazovalnik. MI - 3
Lastnosti: Za delovanje potrebuje instrument pomožni vir električne energije, vpliv priključitve instrumenta na merilni objekt je manjši kot pri električnem instrumentu. Ojačevalniki in atenuatorji povečajo območje merilne veličine. S filtri zajamemo samo del frekvenčnega prostora in zmanjšamo vpliv motenj. Visoka frekvenčna meja ( 0GHz). MI - 4
5. Osnovni aktivni gradniki za obdelavo in prireditev signalov Osnovni aktivni gradniki v merilnih sistemih so napetostni in tokovni izvori. Ti so lahko neodvisni ali odvisni (krmiljeni). idealni neodvisni napetostni izvor: i ( t) u 0 ( t) t u u(t) idealni neodvisni tokovni izvor: i 0 ( t) i( t) u (t) ( ) ( t) neodvisno od i ( t) u 0 ( t) i ( t) neodvisno od u ( t) i 0 MI - 5
Krmiljeni izvori: napetostno krmiljeni napetostni izvor: u vh i vh ( t) ( t) 0 k u vh i iz ( t) napetostno krmiljeni tokovni izvor, tokovno krmiljeni napetostni izvor, tokovno krmiljeni tokovni izvor. u iz ( ) t iz ( t) k u ( t) neodvisno od ( t) u vh i iz MI - 6
.. Operacijski ojačevalnik Pri izgradnji krmiljenih izvorov se uporabljajo aktivni električni elementi kot sta tranzistor in operacijski ojačevalnik v linearnem delu karakteristike. Idealni operacijski ojačevalnik je posebni primer napetostno krmiljenega napetostnega izvora z zelo velikim ojačenjem k. i vh ( t) 0 u vh ( t) k u vh u iz ( t) k u vh ( t) neinvertirajoči vhod idealni op. oj. Slika. Idealni operacijski ojačevalnik: k ; i 0 vh Z vh uvh ivh ; u iz neodvisna od i iz Z iz 0 invertirajoči vhod u iz MI - 7 ( t)
ealni operacijski ojačevalnik principielno sestavljata dva enaka tranzistorja v mostični vezavi, kjer se njuna nelinearna karakteristika linearizira. u vh u iz nap ( t) nap u vh neinvertirajoči vhod u vh u vh u vh ( t) invertirajoči vhod Slika.3 ealni operacijski ojačevalnik: k < ; i vh w 0 Z vh < ; u iz odvisna od i iz Z iz w 0 op. oj. nap nap u iz ( t) MI - 8
Operacijski ojačevalnik ojačuje razliko napetosti na neinvertirajočem in invert. vhodu ( u ) iz k uvh k uvh uvh zato ga imenujemo tudi diferenčni ojačevalnik. u vh u vh neinvertirajoči vhod u vh ( t) 3 invertirajoči vhod nap 7 op. oj. 4 nap 6 u iz ( t) Slika.4 Diferenčni ojačevalnik Če je obema vhodoma dodana enaka motilna napetost jo z diferenčnim ojačevalnikom izločimo. u iz ([( ) ( )]) ( u u k u u ) k vh vh vh vh MI - 9
Teoretično vsak operacijski ojačevalnik brez povratne zanke deluje kot primerjalnik (comparator). u k u k u u u u u vh ( t) neinvertirajoči vhod invertirajoči vhod u iz ( t) iz stanje 0 Funkcija primerjalnika: u iz... stanje '' za u > u u... stanje '0' za u < u iz vh u iz Slika.5 Primerjalnik ( t) stanje ( ) u vh ( t) MI - 0
.. Zmanjšanje pogreška z uporabo povratne zanke Če želimo zmanjšat vpliv karakteristike ojačevalnika (nelinearnost itd.), uporabimo povratno zanko (feedback). Del ali celotni izhodni signal se preko k F pripelje nazaj k vhodnemu signalu in zanko zapremo (closed loop). uvh pozitivna povratna zanka k u iz negativna povratna zanka k F Slika.6 Povratna zanka Pozitivna povratna zanka je tedaj, kadar povratni signal deluje v isto smer kot vhodni (povečuje signal, oscilacije). Negativna povratna zanka je tedaj, kadar povratni signal deluje v nasprotno smer kot vhodni (stabilizira). MI -
poraba negativne povratne zanke v merilnem sistemu u vh uiz k k F u vh u vh u vh,o.o. u vh op. oj. Slika.7 poraba negativne povratne zanke v merilnem sistemu Vpliv negativne povratne zanke na skupno karakteristiko ojačevalne stopnje: k uiz k ( uvh kfuiz ) uiz uvh k kf Ker je ojačenje k veliko, je k k >> F : k F u iz u iz & u vh - k F določa obnašanje sistema! k F MI -
Primer neinvertirajočega napetostnega ojačevalnika: u vh,n.o. u vh op. oj. u vh,o.o. u vh u iz, o.o. u iz,n.o. Slika.8 Neinvertirajoči napetostni ojačevalnik u u k iz, o.o. F u u - vh iz iz,n.o. u k >> u 0, iz vh, o.o. u u & vh, n.o. vh u - vh k u iz n.o. & u k vh,n.o. >> kf MI - 3
Primer invertirajočega napetostnega ojačevalnika: u vh,n.o. u vh u vh,o.o. u vh op. oj. iz, o.o. u Slika.9 Invertirajoči napetostni ojačevalnik u iz,n.o. u u iz, o.o. iz,n.o. k >> u 0, u iz vh, o.o. - vh u vh u & 0 k F u u - vh iz u u vh, n.o. vh,n.o. vh,n.o. u & u iz u vh,n.o. & - u vh & 0 uiz uvh,n.o. u iz kn.o. & uvh,n.o. k F MI - 4
u vh Primer tokovno napetostnega ojačevalnika. Shemo invertirajočega napetostnega ojačevalnika uporabimo za ojačenje tokovnega signala in pretvorbo v napetostni izhod. i vh i i vh,o.o. u vh,o.o. op. oj. Za vozlišče napišemo: i u iz i k >> u 0 Slika.0 Tokovno napetostni ojačevalnik i 0 i & i vh vh,o.o. i 0 & vh,o.o. Če je u vh, o.o. & 0, potem je i vh & uvh in zapišemo: uiz i & & i vh uiz & ivh i vh, o.o. vh, o.o. 0 vh MI - 5
Primer napetosto tokovnega ojačevalnika. Shemo invertirajočega napetostnega ojačevalnika uporabimo za pretvorbo v tokovni izhod. u vh i vh i vh,o.o. u vh,o.o. op. oj. i iz k >> u 0 vh, o.o. Slika. Napetostno tokovni ojačevalnik i vh, o.o. 0 Podobno kot v prejšnjem primeru zapišemo: Ker je i vh & uvh in zapišemo: iiz & uvh Če ojačevalnik ni izkrmiljen, je izhodni tok neodvisen od upora. i i iz & ivh MI - 6
aznovrstnost elektronskih merilnih instrumentov je velika: elektronski voltmetri, elektronski osciloskopi, univerzalni elektronski števec, itn. MI - 7
. Elektronski voltmetri Delitev na: analogne, odklon kazalca je análogon merjene veličine. kvantizacijo dobimo z odčitanjem določitvijo položaja kazalca na skali. digitalne. prikazuje vrednost v številski obliki. Obe vrsti imata v pretvorniku podobne sestavne dele, ki proizvajajo enosmerni signal proporcionalen merjeni veličini. ali delitev na: enosmerne in izmenične. MI - 8
.. Analogni elektronski voltmeter Slika. Blokovna shema voltmetra za merjenje enosmerne napetosti Osnovna shema je setavljena iz: vhodnega atenuatorja, ojačevalnika, prikazovalnika. MI - 9
... Enosmerni elektronski voltmeter Slika.3 Preprost enosmerni analogni elektronski voltmeter Lastnosti: Vhodna upornost je odvisna od uporovne verige (tipično 0 MΩ) in neodvisna od območja. atenuator je praktično neobremenjen (FET tranzistor) MI - 0
in služita za nastavitev ničle in polnega odklona (občutljivosti). Takšen voltmeter ni primeren za merjenje zelo nizkih enosmernih napetosti. ker se spreminja ničelna točka imamo lezenje ali drift. Vzroki so: temperaturna odvisnost, spreminjanje napajalne napetosti, staranje elementov itn. MI -
ešitev problema je lahko z ojačevalnikom, ki uporablja razsekalec (chopper amplifier). Slika.4 Blokovna shema voltmetra za merjenje nizkih enosmernih napetosti Enosmerna napetost se najprej pretvori v izmenično () z razsekalcem - modulatorjem. Izmenični ojačevalnik (3) ne ojačuje enosmernih in nizkofrekvenčnih signalov. Ojačan signal se na koncu usmeri (4) v enosmerno vrednost - demodulira. Preklaplanje krmili krmilni člen (5). MI -
Za razsekanje se uporabljajo različna stikala: tranzistorska in fotouporovna, kapacitivne diode, magnetno spremeljivi upori. Slika.5 Voltmeter za nizke enosmerne napetosti s fotouporovnim razsekalcem MI - 3
Fotoupore F do F 4 osvetljujeta tlivki T in T (plinski elektronki) z bliski. ko prevaja tlivka T, prevajata fotoupora F in F 4 (sta osvetljena), ko prevaja tlivka T prevajata fotoupora F in F 3, frekvenca preklapljanja je reda 00 Hz. oscilator je galvansko ločen in ne povzroča motenj. pred ojačevalnikom imamo izmenično napetost - modulacija, ki se ojača. na izhodu ojačevalnika imamo obraten proces - demodulacija. izhodni filter je nizkoprepusten ovojnica signala MI - 4
Obstajajo tudi ojačevalniki, kjer se z merjeno enosmerno f ). napetostjo modulira nosilni sinusni signal ( ( ) izhodiščna frekvenca mora biti vsaj 0 krat večja kot je najvišja frekvenca merjenega signala. MI - 5
... Izmenični elektronski voltmetri z odzivom na srednjo vrednost Pri merjenju izmenične napetosti z voltmetri, ki se odzivajo na srednjo vrednost, razlikujemo dva tipa prireditve signala: a. izmenično napetost najprej ojačimo in potem usmerimo odklon je ponavadi odvisen od usmerjene vrednosti izmenične napetosti (polnovalno usmerjanje), b. izmenično napetost najprej usmerimo in potem ojačimo odzivanje na temensko vrednost, MI - 6
a. Polnovalno usmerjanje Voltmetre ponavadi umerimo v efektivnih vrednostih izmenične napetosti če ni sinus sistematski pogrešek b. Voltmeter, ki se odziva na temensko vrednost MI - 7
...3 Izmenični elektronski voltmeter z odzivom na efektivno vrednost Obstaja še tretji tip elektronskih voltmetrov, ki se odzivajo na efektivno vrednost izmenične napetosti. kažejo pravilno ne glede na faktor oblike in temenski faktor uporablja se termoelektrični pret. - termopretvornik Slika.8 Blokovna shema voltmetra za merjenje efektivne vrednosti napetosti MI - 8
Signal gre preko atenuatorja () in širokopasovnega ojačevalnika () na ogrevno nitko termopret. (3); Nizko vrednost enosmerne napetosti termopretvornika je potrebno ojačiti (4). Enosmerna napetost je propocionalna moči dovedenega toka oz. kvadratu toka kvadratična skala; MI - 9
Lineariziramo jo z uporabo še enega termopretvornika v povratni zanki: Termoelementa sta vezana v protistiku. Slika.9 Voltmeter za merjenje efektivne vrednosti napetosti z linearno skalo Napetost na vhodu ojačevalnika je praktično nič, kadar sta efektivni vrednosti izmeničnega toka na T-3a in enosmernega toka na T-3b enaki. za enakost poskrbi ojačevalnik z zelo velikim ojačenjem! MI - 30
...4 Popolna elektronska realizacija izmeničnega voltmetra z odzivom na efektivno vrednost Najbolj pogosto se uporablja popolna elektronska realizacija definicije: u - koren povprečja kvadratov (rms) napetost kvadriramo, povprečimo s filtrom in korenimo (kvadratna funkcija v povratni zanki ojač.) Slika.0 Pretvornik za merjenje efektivne vrednosti napetosti z analognim postopkom MI - 3
poraba elektronskih analognih voltmetrov za izmenične napetosti: Pozorni moramo biti, na kateri parameter se odzivajo; v mislih moramo imeti tudi časovni potek napetosti. Trenutne vrednosti so lahko precej večje kot povprečja merjene napetosti (usmerjena ali efektivna vrednost) in pride do nasičenja v pretvorniku. povpreček ni več točen! podaja se mejna vrednost temenskega faktorja. MI - 3
.. Digitalni elektronski voltmeter vhodna veličina resnična vrednost vmesna veličina grobi podatki slabitev in ojačenje napetosti analogni pretvornik A/D pretvornik merjenje primerjava z enoto obdelava podatkov rekonstruirani podatki prikaz prireditev podatkov izhodna veličina izmerjena vrednost povezava in prenos na nadzornik preko vodila Slika. Digitalni elektronski voltmeter MI - 33
... Vhodna stopnja elektronskega voltmetra Voltmetri imajo ponavadi le dve vhodni sponki, med katerima je upornost (impedanca pri izmeničnih razmerah): V I V V Pogosto je negativni vhod ((-), skupna točka, common, pri izmeničnih voltmetrih) ozemljen. Tudi merjeni vir ima notranjo upornost in upornost veznih vodnikov ni enaka nič. MI - 34
Če je ozemljen tudi vir, imamo posplošeno nadomestno vezje: Slika. Ozemljen vhod voltmetra Kadar sta točki A in B na istem potencialu, je voltmeter z ozemljenim vhodom najboljši način. MI - 35
V splošnem točki A in B nista na istem potencialu! voltmeter je ozemljen krajevno drugje kot merjeni vir, po zemlji tečejo tokovi omrežne frekvence, med točkama A in B imamo sofazno napetost! Slika.3 Blodeči zemeljski tokovi vir sofazne napetosti MI - 36
Zemeljski tok i z povzroči na zemeljski upornosti napetosti: i s z z z padec ker deluje na oba vhoda ( in -) z isto fazo (v isto smer), se imenuje sofazna. MI - 37
MI - 38 Kot motilna napetost se prenese na vhod voltmetra v dveh korakih: ker je b a n V >>, teče ves motilni tok po vodniku b, in imamo: z b b s b ker je a n V >>, dobimo vso napetost na vhod: b b V a n V m z b b s m
Sofazno napetost (točka nižjega potenciala ni na potencialu zemlje) povzročajo tudi različne priključitve voltmetra v vezje: uporovni delilnik, mostič, itn a) b) Slika.4 Merilna vira s sofazno napetostjo Če bi uporabili ozemljeni voltmeter, bi bila meritev grobo popačena. MI - 39
MI - 40 a) b) Slika.5 Nadomestni vezji za uporovni delilnik in mostič V primeru delilnika (a) je na vhodu voltmetra namesto 0 za sofazno napetost povečana napetost: 0 0 0 s V
a) b) Slika.5 Nadomestni vezji za uporovni delilnik in mostič V primeru mostiča (b) imamo povečano merjeno napetost (diferencialni značaj), če je V >>,, 3, 4: V s 0 MI - 4
Ozemljitev Problem rešimo tako, da proti zemlji dodamo veliko upornost Z ( Z >> b z)! ozemljimo samo na enem mestu! b V b b s V, m s 0 Z Z b z a V a b V V Z z s Slika.6 Ozemljitev MI - 4
Voltmeter z neozemljenim vhodom porablja se tudi voltmeter z neozemljenim (lebdečim) vhodom. negativna sponka ni ozemljena, proti ozemljitvi teče zelo majhen tok, ki je odvisen od izolacijske upornosti z. a) b) Slika.7 Voltmeter z neozemljenim vhodom in nadomestno vetje MI - 43
Motilna napetost zaradi s na vhodu voltmetra b << a ) je enaka: b b m s s ( V primer: b kω ; z GΩ sofazni rejekcijski oz. potlačitveni faktor: m kω 6 0 ˆ 0dB GΩ s b z z MI - 44
Voltmeter z oklopljenim vhodom Vpliv sofazne napetosti zmanjšamo tudi z oklopom. vhodna stopnja je oklopljena, izolirana od oklopa ohišja, ima lastno priključno mesto G (guard) a) b) Slika.8 Voltmeter z oklopom in nadomestno vezje MI - 45
Motnja zaradi sofazne napetosti je: m s z Če bi uspeli priključiti oklop G v točko A, kjer prijemlje sofazna napetost, bi bila izločitev sofazne napetosti popolna. žal točka A pogosto ni fizično prisotna. MI - 46
Potencial oklopa G tudi umetno (aktivno z ojačevalniki) vzdržujemo na potencialu točke A (potencial sofazne napetosti). Če ni potencialne razlike, ni motilnih tokov! MI - 47
..3 Analogno-digitalni pretvornik Temeljni člen je analogno-digitalni pretvornik (ADP ADC analog to digital converter). Analogna vhodna veličina je u (ali i), izhodna veličina pa njen digitalni ekvivalent Z - kodirana beseda Z ( ) ( ) lb Z( 0 ). uporablja se binarno kodiranje ( zapis z 0 in ) beseda je binarno večmestna (6-bitna, 8-bitna,...). Z n-bitnim ADP imamo n diskretnih izhodnih nivojev. so predstavniki (reprezentanti) kvantizacijskih intervalov - podobmočij MI - 48
Slika.9 Kvantizacijska karakteristika 3-bitnega ADP MI - 49
Slika.30 Primeri karakteristik ADP: n D 0 0 0 00 D 0 0 0 00 D D 0 0 0 00 D n 3 D D D n D n 4 4 D MI - 50
Ker ima vhodna analogna veličina neskončno nivojev digitalna pa končno, nastane kvantizacijski pogrešek (pri analognih instrumentih ustreza temu pogrešek odčitavanja). LSB mejni kvantizacijski pogrešek: ± ali ± LSB - najmanj pomebni bit Izhodni merilni parameter ADP je (ne)prisotnost impulza (0 ali ) impulzno kodna modulacija Za predstavitev izhodne besede imamo dva bistvena načina prikaza: zaporedni (serijski), vzporedni (paralelni), obstajajo še vmesni serijsko-paralelni. MI - 5
Negativne vrednosti pretvarjamo: z usmernikom: predznak nam doda MSB bit (najbolj tehten bit: 0.. < 0,.. > 0; SignMagnitude) Slika.3 azširitev unipolarnega ADP v bipolarnega z usmernikom MI - 5
z enosmerno prednapetostjo: Z 000 D ; Z D LSB (Offset Binary) Slika.3 azširitev unipolarnega ADP v bipolarnega z enosmerno prednapetostjo MI - 53
Slika.33 Blokovna shema ADP z značilnimi priključki MI - 54
ADP ima vrsto priključkov: referenčni potencial 'analogna masa' (Agnd), skupni potencial izhoda 'digitalna masa' (Dgnd), referenčna napetost za primerjavo z merjeno napetostjo, r urni signal, ki daje takt korakov pri pretvarjanju, prožilni signal za začetek pretvorbe (STAT), signal zasedenosti z delom (BSY), ko preide v stanje, lahko sprožimo novo pretvarjanji z 0, če je ADP izkrmiljen (prevelika napetost na vhodu), nam ADP to sporoči na priključku OVELOAD, prisotnost 8-bitnih podatkov na vodilu (HI ali LO ENABLE) s pomočjo 'tristate' gonilnikov. MI - 55
Značilni podatki ADP: dolžina besede določa relativni kvantizacijski pogrešek n e ± n ( ), q,ma D primeri: 8-bitni ADP: e 9 q,ma ± ± ppm uporabljena koda, od nje je odvisna interpretacija predznaka, čas pretvorbe, odvisen od vrste pretvornika: najdaljši pri integrirajočem ADP, najkrajši pri paralelnem ADP, določa časovni presledek med zaporednima podatkoma oz. največjo hitrost merjenja. D 6-bitni ADP: e ± 7 0,8 % q,ma ± MI - 56
pogrešek razdelimo na: kvantizacijskega - a, ničelnega b, naklonskega c, pogrešek nelinearnosti d. diferencialna (DNL) in integralna (INL) a) b) c) d) Slika.34 Pogreški analogno-digitalnega pretvornika MI - 57
Bistveno za ADP je tudi postopek vzorčenja: trenutni izhod ustreza trenutni vrednosti: ( ) j t j, integrirajoči izhod ustreza tekoči povprečni vrednosti: j T i t j t j T i dt a) b) Slika.35 Trenutni in integrirajoči ADP MI - 58
Lastnost integrirajočega ADP da filtrira (odziva se na povprečno vrednost) izkoriščamo za izločanje motnje. integracijski čas T i mora biti enak periodi ali večkratniku periode motnje (omrežna frekvenca): j NT t j t j NT ( u ) omr dt NT t j t j u NT omr dt Slika.36 Izločitev periodične motnje pri integrirajočem ADP MI - 59
Če čas integracije ni mnogokratnik periode motnje, je izločanje motnje odvisno od relativnega položaja glede na motnjo. analiza za sinusno obliko: a) izločanje motnje je popolno, sredina integracijskega intervala se ujema s prehodom motnje skozi ničelni nivo. b) izločanje motnje je najslabše. sredina intervala se ujema z vrhom motnje. a) b) Slika.37 Vpliv položaja integracijskega intervala na slablenje motnje MI - 60
Največja povprečna vrednost motnje v primeru b: omr i ) u T i T T i omr cosωt dt ) u omr sinω Ti ω T Pri določanju slablenja jo primerjamo s temensko vrednostjo: integracijski ADP se primerja s trenutnim! i MI - 6
Slablenje: A db u ) 0lg omr oz. omr A db 0lg πt sin krivulja podaja najmanjšo vrednost slablenja! i T ( πt T ) i Slika.38 Slablenje integrirajočega ADP MI - 6
Pri sinusni obliki se tekoča povprečna vrednost in trenutna vrednost razlikujeta, nastane relativni pogrešek, ki je v najslabšem: e ( πt T ) ) sin i u πti T u ) ) u sin ( πt T ) πt i i T pri integrirajočem ADP je tekoča povprečna vrednost enaka trenutni, ko je ta konstantna! MI - 63
..3. Vrste ADP pretvornikov..3.. AD pretvornik s postopnim približevanjem (sukcesivna aproksimacija) Slika.39 ADP s postopnim približevanjem Zaradi trajanja AD pretvorbe imamo na vhodu člen za vzorčenje in zadržanje, MI - 64
Napetost j primerjamo z znano r z digitalno analognega pretvornika (DAP) v povratni zanki, ki jo spreminjamo zaporedno z vedno manjšimi (polovičnimi) koraki. Slika.40 Časovni potek postopnega približevanja MI - 65
krmilno vezje najprej postavi bit z največjo vrednostjo na ena (000 ustreza r D ), komparator primerja neznano napetost j s trenutno vrednostjo referenčne napetosti, ker je večja j > r, se postavljeni bit potrdi in se preizkuša naslednji bit s pol manjšo utežjo itd. r MI - 66
Trajanje pretvorbe je neodvisno od merjene napetosti. če potrebuje n - bitni ADP za vzpostavitev enega bita čas τ ( µs), je skupni čas enak: n τ - n korakov k n; potrebno število referenc: r n (ena za vsak bit). Produkt števila korakov in referenc je: k r n Pretvornik s postopnim približevanjem je najboj razširjen v industrijskem okolju: 6 bitov/mhz, bitov/0 MHz, MI - 67
Člen za vzorčenje in zadržanje Ojačevalniki omogočajo impedančno ločitev. Slika.4 Člen za vzorčenje in zadržanje V trenutku t j nastopi ukaz zadrži (H - hold), stikalo S se odpre in kondenzator C bi naj zadržal vrednost trenutne napetosti! j MI - 68
stikalo potrebuje aperturni čas T ap (lat. aperire - odpreti), da se odpre (nekaj nanosekund) - imamo časovni zamik. napetost na kondenzatorju zaradi končnih upornosti upada imamo upad napetosti (drop rate). MI - 69
Ko nastopi ukaz vzorči (S - sample) začne V/Z člen slediti signalu, stikalo se sklene in napetost na kondenzatorju sledi signalu preko prvega ojačevalnika, V/Z člen potrebuje akvizicijski čas T ac (lat. acquirere - pridobiti), da doseže signal v mejah toleranc. T 50T mejna vzorčna frekvenca: f ( T ) <! s ac Tap ac ap MI - 70
Največja dopustna sprememba vhodne napetosti v času pretvorbe T c naj bo manjša od ločljivosti ADP: d D n D - doseg ADP dt T ma če je na vhodu sinusna napetost: ) du ) u u sin ω t ω u dt c ) kadar je ADP polno izkoriščen u D, je največja frekvenca signala (vsi biti ADP so verodostojni) : ) D πf u f n n T πt c ma c MI - 7
Zgled: Kolikšna je največja dopustna časovna sprememba vhodne napetosti pri -bitnem ADP? D 0 V, T c 0µs du D 0V 44V s n dt T 0µs ma Koliko je največja dopustna frekvenca? f 7,8Hz n πt π0µs c c Koliko je frekvenca, če ima V/Z-člen T ap 5ns? f 5,5kHz n πt π5ns ap MI - 7
..3.. Paralelni trenutni pretvornik (flash converter) Slika.4 Paralelni pretvornik porablja se za zelo velike hitrosti pretvarjanja f s > GHz pretvoba se izvrši v enem koraku ( k ). MI - 73
Postopek kvantizacije je pred vzorčenjem! eferenčne napet. so realizirane z uporovnim delilnikom. komparatorji pod nivojem napetosti imajo vrednost in nad 0 - termometerska koda. Eksponentno se poveča poraba pri realizaciji: število potrebnih referenc in komparatorjev je n n r k r 8 bit./0 GHz MI - 74
..3..3 Integrirajoči AD pretvornik Pretvornik z dvakratnim integriranjem ali pretvornik z dvojnim naklonom Slika.43 ADP z dvojnim naklonom MI - 75
Merilni ciklus se začne: ko prožilnik () postavi S bistabilnega multivibratorja () v logično stanje ena, in preklopnik (3) v začetno stanje. MI - 76
Začne se integracija neznane napetosti z integratorjem: operacijski ojačevalnik z C členom v povratni zanki Impulzi referenčnega oscilatorja f 0 gredo skozi odprta IN vrata (5) na števec (6). ko se napolni z Z 0 impulzi, se konča integracija, čas integracije napetosti je enak Z 0T0 Z0 f0, MI - 77
Slika.44 Časovni diagram ADP z dvojnim naklonom Po času Z 0T0 se stikalo (3) preklopi na r, referenčna napetost r mora biti nasprotne polaritete, da se spremeni tendenca integracije. MI - 78
Ko napetost i u doseže nivo nič, komparator (7) resetira flipflop (), vrata se zaprejo in meritev se ustavi. na vhodu je napetost nič, ADP čaka na nov merilni ciklus. MI - 79
Imamo dva takta integriranja: Za prvi takt velja: - napetost na C: u i uc dui vsota tokov na vhodu integ.: C 0 dt t j Z integracija: u 0T d dt C C 0 0 i t j Z 0 T 0 MI - 80
Za drugi takt velja: integrira se napetost r r dui vsota tokov na vhodu integ.: C 0 dt du i naklon izhodne napetosti: r dt C 0 t j t t integracija: d u i r dt r C C t j MI - 8
Z T C 0 0 t C r Z0T0 Izenačenje napetosti obeh integracij nam da: t r t Z ker je Z, dobimo: Z 0 T0 r točnost pretvornika ni odvisna od in C pa tudi f 0 ne. MI - 8
Vmesna veličina pri ADP pretvorniku je čas ( t, t ) časovno oz. frekvenčno kodiranje. možnost izločanja motilnega izmeničnega signala s povprečenjem integracijo. hitrost pretvarjanja ni velika. Zelo razširjena uporaba, še posebej v precizni instrumentaciji. Obstajajo pretvorniki z več nakloni. MI - 83
..3..4 ADP s frekvenco kot analogno vmesno veličino f pretvornik deluje na principu izenačevanja naboja (charge balance). Slika.45 /f pretvornik na principu izenačevanja naboja V prvem delu integracije imamo samo tok napetost u i monotono upada. (in i C ), MI - 84
Ko doseže referenčni nivo r, se sproži monostabilni multivibrator, za čas T 0 se priklopi referenčni vir I 0 - drugi del integracije du I i 0 C 0 dt dui I 0 dt C MI - 85
MI - 86 Napetost integratorja niha med vrednostima in r : 0 r r d d 0 d d 0 0 i i T t t t t I C t C u u in dobimo: 0 0 0 0 0 0 d d d T t T t t t t C t C t C C T I Iz 0 0 0 d 0 f t T T T I T t ( 0 T t T ) izrazimo frekvenco ponavljanja: 0 0 T I f
f I 0T0 V prvem delu integracije priteče toliko elektrine na kondenzator C, kot jo v drugem odteče izravnava naboja. frekvenca žagaste napetosti je odvisna od tekoče povprečne vrednosti merjene napetosti. MI - 87
Digitalizacija se izvrši s štetjem impulzov frekvence, ki nosi informacijo o povprečni moči. Slika.46 Digitalno merjenje frekvence oziroma napetosti IN vrata se odpro za določen čas T M. Na števec pride Z f TM impulzov, ki jih števec prešteje in prikaže na prikazovalniku. MI - 88
.3 Elektronski osciloskop Najpogosteje uporabljen merilni instrument (lat. oscillatio nihanje, gr. skopein - videti) - opazujemo merilni signal. omogoča opazovanje trenutnih vrednosti veličine v odvisnosti od časa : Y-t delovanje ali ene veličine od druge: X-Y delovanje z njim merimo: frekvenco, fazni zamik, moč, itn. MI - 89
.3. Analogni dvokanalni osciloskop Slika.47 Dvokanalni elektronski osciloskop Setavljen je iz treh enot: Prikazovalnega zaslona (rasterski zaslon), vertikalnega in horizontalnega sistema. MI - 90
.3.. Vertikalni sistem Slika.48 Vertikalni sistem dvokanalnega osciloskopa Vertikalni sistem dvokanalnega osciloskopa ima dva ozemljena vhoda Y in Y, v atenuatorju () se zmanjša opazovana napetost, izbiramo s koeficientom k y v enotah V d (volt na delec), MI - 9
Če je izmenična napetost majhna v primerjavi z enosmerno, lahko s posebno tipko vključimo na vhodu kondenzator in s tem blokiramo enosmerno napetost. AC/DC alternating current/direct current Slika.49 Izločitev enosmerne komponente MI - 9
atenuatorju sledi ojačevalnik () nastavljamo ojačenje in enosmerni premik slike ničelni položaj, MI - 93
da lahko opazujemo dve napetosti 'hkrati' ima osc. elektronski preklopnik (3), zakasnitev (4) glede na časovno bazo nam omogoča opazovanje sprednjega roba napetosti impulzne oblike, s končnim ojačanjem (5) priredimo napetost za y- odklonski sistem prikazovalnika - zaslona. MI - 94
Pri analognih osciloskopih lahko signala opazujemo na dva načina: izmenično delovanje, najprej se izriše en u y signal v celoti nato pa drugi u y, primeren za signale visoke frekvence; odsekovno delovanje, elektronski preklopnik hitro preklaplja z enega signala na drugi razseka signal (ca. 00 khz), primeren za signale nizke frekvence slika signala deluje zvezno. Slika.50 Izmenično in odsekovno delovanje MI - 95
.3.. Horizontalni sistem Slika.5 Horizontalni sistem osciloskopa Horizontalni sistem osciloskopa: osrednji del je prožena časovna baza, ki jo sestavljata: generator žagaste napetosti (6), prožilnik (7), En cikel linearno naraščajoče napetosti se sproži, ko so izpolnjeni določeni pogoji, ponovni cikel se sproži pod enakimi pogoji. MI - 96
Proženje časovne baze a) u tr c) Slika.5 Proženje časovne baze Primer proženja časovne baze: vir proženja je napetost u y (npr. napetost kanala Y ), prožilnik vsebuje komparator, stanje 0, ko u y preseže nastavljeni napetostni nivo N. stanje 0, ko se u y spusti pod napetostni nivo N. MI - 97
a) u tr c) Slika.5 Proženje časovne baze pri pozitivni strmini proženja uporabljamo izhod S > 0 in pri negativni invertiran izhod S < 0. monostabilni multivibrator se proži na pozitivno ( u tr ) oz. negativno ( u tr ) strmino napetosti u. k MI - 98
u tr Slika.5 Proženje časovne baze slika na zaslonu EO npr. ustreza intervalu T t t t ustreza levemu robu zaslona, t ustreza desnemu robu zaslona, T določimo s časovno konstanto k t ( ms d), prelet žarka se ponavlja pod enakimi pogoji proženja, da dobimo mirujočo sliko, MI - 99
u tr Med preletom je proženje blokirano. v času t t3 so trije trenutki: t, t, t 3 t, t sta slepa, ker sta še v času preleta žarka in vrnitve na izhodišče, t sproži premaknjen prikaz b) 3 Slika.5 Proženje časovne baze b) dvojnemu prikazu se lahko izognemo z zadržanjem časovne baze za čas T 3 (hold off) MI - 00
Slika.5 Horizontalni sistem osciloskopa Širina zaslona je običajno 0 delcev m 0d, če je k 0,ms d, traja prelet k ms t T t m nastavljamo hitrost dviga napetosti žagaste oblike (blok 6). MI - 0
Slika.5 Horizontalni sistem osciloskopa Viri proženja časovne baze (P): notranje proženje, proženje na opazovanem signalu (Int-, Int-); zunanje proženje, proženje na zunanjem pomožnem signalu u zun (Et); mrežno proženje, če je izmenična napetost omrežne frekvence, uporabljamo za vir proženja napetost omrežja (Line). MI - 0
Če je vir proženja je zunanji signal, mora biti v sinhronizmu z merjenim signalom, mnogokratnik frekvence. a) b) Slika.53 Zunanji signal kot vir proženja MI - 03
če zunanji signal ni v sinhronizmu (b) slika 'potuje' po zaslonu, večje kot je odstopanje od mnogokratnika hitreje potuje. k fzun, MI - 04
Filtriranje signalov za proženje Visokofrekvenčno motnjo v signalu izločimo z nizkoprepustnim filtrom f < 0, B (HF rejection). m, filt 0 EO Slika.54 Izločitev visokofrekvenčne motnje za stabilno proženje MI - 05
Nizkofrekvenčno motnjo v signalu izločimo z visokoprepustnim filtrom f > 0, B (LF rejection). sp, filt 0 EO Slika.55 Izločitev nizkofrekvenčne motnje (npr. 50 Hz) za mirujočo sliko MI - 06
.3..3 X-Y delovanje Če preklopimo stikalo P lahko opazujemo, kako se napetost u spreminja v odvisnosti od u. y MI - 07
Ker so vhodi EO ozemljeni in niso galvansko ločeni, opazujemo več signalov samo proti skupni točki! a) b) Slika.56 Obrnjena polariteta u EO ne moremo priključiti po vezavi a). Pri vezavi b) je polariteta u obrnjena (uporabimo lahko invertor): u uy 0 u y u u u y 0 uy u MI - 08
.3..4 Vhod EO Sestavljajo ga elementi sonde, koaksialen kabel in sam vhod EO (BNC vhod). Slika.57 Nadomestno vezje osciloskopa z napetostno sondo MI - 09
Vhodno impedanco sestavljata: vzporedna upornost: V MΩ, C 30 pf 50 pf. kapacitivnost: ( ) Koaksialni kabel ima svojo impedanco, katere bistveni del je kapacitivnost C k podana na dolžino (ca. 50 pf m). C C V C k MI - 0
MI - Napetostni delilnik: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) v v v s s s s s s v v s s s s j j j j j j C C C C C C y ω ω ω ω ω ω s s C nastavimo v v s s C C in kompenziramo sondo: Impedanca osciloskopa je še vedno odvisna od frekvence: v v v s v v s s v s v s j j j C C C Y Y Z Z Z ω ω ω če je sonda :0, je Z destkrat večja kot v Z brez sonde. v v v v v s v v v v v s 0 j j Z C C Z ω ω v s s s v v C C C y - napetostno razmerje neodvisno od f
.3. Digitalni spominski osciloskop (DSO) V prvi fazi pridobi podatke o signalu in jih shrani. ta faza poteka zelo hitro. V drugi fazi jih uporabi za rekonstrukcijo slike na zaslonu. poteka precej počasneje. Za prikaz se uporablja rasterski zaslon. ohranja sliko na zaslonu, kadar se signal spreminja zelo počasi,vidimo le potujočo svetlobno točko. MI -
Vgrajen ima mikroprocesor s katerim obdeluje podatke: za prikaz (tudi statistična obdelava), za vrednotenje parametrov: v amplitudni osi: temenska vrednost, efektivna vred. itn., v časovni osi: perioda, frekvenca, dvižni čas itn. za prenos (ustrezne oblike formatov). vhodna veličina resnična vrednost vmesna veličina vmesna veličina grobi podatki rekonstruirani podatki zaznavalo priprava signalov primerjava, A/D obdelava podatkov merilni pretvornik Zgradba merilnega sistema merjenje primerjava z enoto izhodna veličina izmerjena vredno 'prikaz' MI - 3
Za DSO je značilno izpopolnjeno prožilno vezje, možno proženje z impulzno kodiranim signalom logično proženje s stanjem 00... Slika.58 Dvokanalni digitalni spominski osciloskop vhodna kanala sta ločena do ADP, sočasno vzorčena. MI - 4
z atenuatorjem in predojačevalnikom prilagodimo napetostni nivo za ADP, uporabljajo se trenutni paralelni ADP, pomnilnik mora biti sposoben sprejemati podatke s frekvenco vzorčenja f s, f s 0MHz t ( zapis) 00 ns MI - 5
.3.. Načini pridobivanja podatkov Ločimo dva načina pridobivanja podatkov in shranjevanja: vzorčenje v realnem času, jemanje vzorcev in shranjevanje teče hkrati z dogodkom, vzorčenje v ekvivalentnem času, jemanje vzorcev in shranjevanje teče v podaljšanem času. MI - 6
Vzorčenje v realnem času omogoča opazovanje enkratnih pojavov ali periodičnih signalov z enkratnim posnetkom (enkratno proženje - single shot). upoštevati moramo vzorčni teorem, največja frekvenca signala mora biti manjša od polovice vzorčne frekvence f s, pasovna širina vertikalnega kanala (atenuator, predojačevalnik) je ponavadi manjša od vzorčne frekvence. MI - 7
Pri vzorčenju v ekvivalentnem času se uporablja večkratno proženje, podatke zbiramo postopoma, ponavljajoče dele periodičnega signala opazujemo večkrat, relativni položaji vzorcev se razlikujejo med seboj, poznati je potrebno relativni položaj na časovni osi proti prožilnemu dogodku, v spomin jih shranjujemo ustrezno časovnemu zamiku. frekvenčno mejo določa pasovna širina analognega dela vertikalnega kanala do ADP. Ločimo: postopkovno (sekvenčno) vzorčenje, naključno vzorčenje (random sampling). MI - 8
Postopkovno (sekvenčno) vzorčenje Pri redki osciloskopih preseže mejna frekvenca vrednost GHz. Za višje frekvence se uporablja tehnika jemanja vzorcev z zamikom sekvenčno vzorčenje: Slika.59 Princip sekvenčnega vzorčenja MI - 9
prožilni impulzi u tr(ob prožilnem dogodku: N 0, S > 0) prožijo časovno bazo u b in hkrati zamikajo jemanje vzorcev in enakomerno povečujejo napetost u MI - 0
jemanje vzorcev se enakomerno zakasni u y po naslednjih M periodah za t, vzorec se po vsaki M-ti periodi dovede na odklonski sistem (na sliki: M ) na zaslonu imamo prikaz u y od u, perioda jemanja vzorcev: T s MT t MI -
Krajši kot je čas t, bolj fino imamo podan signal N T t >> in daljši je čas rekonstrukcije. T NTs N ( MT t) frekvenca rekonstruiranega signala je: kompresijski faktor: MN f f MN kolikokrat je frekvenca rekonstruiranega signala f manjša od dejanske. MI -
S postopnim (sekvenčnim) vzorčenjem smo frekvenčno transformirali signal. vzorčenje v ekvivalentnem času, samo kadar je periodični signal, izmerki prikazane periode ustrezajo različnim periodam: Slika.60 Slika na zaslonu vzorčevalnega osciloskopa MI - 3
Naključno vzorčenje v ekvivalentnem času Slika.6 Princip naključnega vzorčenja Prožilni impulzi u tr(ob prožilnem dogodku: N 0, S > 0) prožijo časovno bazo u b MI - 4
Vzorčevalni signal s (jemanje vzorcev) ni sinhroniziran z merjenim signalom, končna slika nastane po etapah, v vsaki etapi se vzame nekaj vzorcev (ni nujno konstantno), prvi vzorec v etapi je različno zamaknjen proti začetku etape, ostali vzorci v etapi so enakomerno razmaknjeni ( u b ). MI - 5
obstajata dva člena za vzorčenje in zadržanje, ki ju krmili vzorčevalni signal s ( f s Ts ) prvi zajema vzorce napetosti u b u, drugi zajema vzorce napetosti u u, y y MI - 6
Slika.6 Nastajanje slike na zaslonu osciloskopa potrebujemo zadostno število vzorcev, za sinus 5 izmerkov na periodo točkovna podaja, periodičen pojav, možnost opazovanja signala pred prožilnim dogodkom! MI - 7
Ekvivalentna frekvenca vzorčenja f s V pomnilnik prikaza spravimo pomnilnika tipično Z 500). m Z m podatkov (globina v pomnilniku vertikalnega kanala je lahko tudi več točk (0000, M,...), kot jih potrebujemo za prikaz. Širina zaslona T ( zaslona) kt m vsebuje Z m intervalov kt m dolgih: T s - ekvivalentni vzorčni čas Z m od tod dobimo ekvivalentno frekvenco vzorčenja: Zm f s - večja od maimalne frekvence kt m vzorčenja ADP: f > s f s, m MI - 8
Primer: Z m 000; k t 50ns d; m 0d f s, m 0MHz 000 f s GHz T s 500 ps 50ns d 0d vzorci se jemljejo vsakih 00 ns, ko je vseh 000 vzorcev zbranih, so prikazani v intervalih 500 ps. esnična frekvenca vzorčenja je lahko tudi manjša f s < f s, (vzorčenje v realnem času): 000 pri k t 00µs d f s MHz 00µs d 0d m MI - 9
.3.. Dinamične lastnosti DSO Za analogni del (atenuator, ojačevalnik,...) do ADP veljajo enake veličine kot za analogne osciloskope. dvižni čas T r: odziv na stopnico od 0 % do 90 % mejna frekvenca f m: T r 0, 35 f padec amplitudne karakt. za 3 db ali, ker je spodnja mejna frekvenca 0 Hz (DC vhod) oziroma 0 Hz (AC vhod), je f m enaka pasovni širini: B f m m MI - 30
Vzorčenje pri DSO prinese dodatne omejitve, ker med vzorci nimamo informacije o signalu. 'Analogne' definicije veljajo pri ponavljajočem proženju (vzorčenju v ekvivalentnem času). Pri vzorčenju v realnem času pa so odvisne od načina prikaza (točkovna podaja, linearna interpolacija, siinterpolacija,...), MI - 3
porabna pasovna širina: točkovna podaja: 5 točk na periodo linearna interpolacija: B pt lin fs 5 B povezava točk z daljicami si-interpolacija: si sin ( ) B si fs,5 fs 0 MI - 3
Slika.63 Primera rekonstrukcije s točkovno podajo in podaje z linearno interpolacijo MI - 33
porabni dvižni čas: če je dvižni čas signala krajši kot vzorčni čas T s, se spreminja med: T r 0, 8Ts in T r, ma, 6Ts T r, 6Ts - uporabni dvižni čas velja za točkovno podajo in linearno interpolacijo Slika.64 Dvižni čas DSO z linearno interpolacijo MI - 34
.3..3 Načini prikazovanja podatkov Normalni s proženjem, posodabljanje slike ob novih prožilnih dogodkih (refresh-mode), Počasni za signale brez proženja, podobno odvijanju svitka (roll-mode) najnovejši podatek se nahaja na začetku pomičnega registra (skrajno desno na zaslonu), naslednji podatki povzročijo pomik podatkov v registru za eno mesto, najstarejši podatek iz levega roba zaslona izpade iz registra (FIFO register) primer: k t 500ms d; m 0d podatek je na zaslonu prisoten 5 s MI - 35
Opazovanje signala pred prožilnim dogodkom DSO za razliko od analognega osciloskopa omogoča opazovanje signala tudi pred prožilnim dogodkom. potrebno je vzorčenje že pred prožilnim impulzom, v predprožilnem pomnilniku se neodvisno od prikaza začnejo shranjevati vrednosti, na zaslonu pa se te vrednosti prikazujejo glede na položaj prožilnega dogodka. MI - 36
a) b) Slika.65 Zbiranje vzorcev s predproženjem in slika na zaslonu DSO MI - 37
Slika.66 DSO s prikazovanjem dogodkov pred prožilnim impulzom v pomnilnik predproženja () pritekajo podatki s frekvenco vzorčenja ADP, ob sinhronizacijskih impulzih (POMIK) se pomikajo za eno mesto, MI - 38
pomnilnik prikaza (0) se napolni ( Z m 000 točk): z določenim številom vrednosti pred pojavom prožilnega impulza iz pomnilnika predproženja (), npr.: 50 skozi vrata 5 in s preostalim številom novih točk z ADP (npr. 750) Vzorčenje se lahko tudi zamrzne (ni prožilnih impulzov) pa se slika obnavlja s podatki pomnilnika prikazovanja. MI - 39
.4 niverzalni elektronski števec Omogoča zelo točno merjenje: frekvence, periode, časovnih intervalov, razmerja frekvenc, štetje dogodkov itn. Ločimo dva merilna principa: štetje impulzov (counter), merjenje časa (timer). MI - 40
.4. Vhodna stopnja Vhodna stopnja preoblikuje merjeni signal v impulze za nadaljno obdelavo. Schmittov prožilnik (prožilnik s histerezo) zmanjša vpliv dodanega šuma signalu. z večjo histerezo se onemogoči šumno preklaplanje a) b) Slika.67 Vpliv histereze prožilnika na izločanje šuma MI - 4
.4. Merjenje časa Poznamo: merjenje periode, merjenje časovnega intervala..4.. Merjenje periode: Slika.68 niverzalni elektronski števec kot merilnik periode MI - 4
Z f0 K T T K T 0 T T 0 elektronska vrata krmili merjeni signal: bistabilni T-multivibrator se preklopi ob vsakem drugem impulzu, vrata so odprta eno periodo: T T v tem času šteje števec impulze referenčne frekvence, frekvenco lahko zmanjšamo z delilnikom K M MI - 43
primer: f 0 0MHz; K 00; T 5,678 ms T 0 00ns, T 0 KT0 0,0ms števec našteje v povprečju: T 5,678 ms Z 567,8 T 0,0ms 0 Števec lahko kaže en impulz premalo ali preveč. MI - 44
Kvantizacijski pogrešek pri merjenju periode T start stop t T oblik. impulzov start stop vrata števec Q T T M t f delilnik 0 K f 0 f 0 f 0 K t start KT 0 T 0 t stop t oscilator T 0 t τ ZT 0 τ Slika.69 Kvantizacijski pogrešek pri merjenju periode Čas merjenja T M, ki ga določa neznana perioda T, je enak: T T M τ ZT 0 T τ MI - 45
τ Sestavljen je iz: Z časovnih kvantizacijskih intervalov T 0 ; meritev se začne t start nekje v kvantizacijskem intervalu pred prvim preštetim impulzom in konča t v intervalu za zadnjim preštetim impulzom. tstart T stop t T ZT 0 stop T 0 t start τ ZT tstop dveh časov nesinhronizacije τ in τ. t τ 0 τ eprezentanti ležijo na sredini kvantizaciskih intervalov, če je gostota verjetnosti vhodnega signala neznana pravokotna porazdelitev. T0 τ T0 T0 τ T0 MI - 46
T τ ZT 0 τ Če je prvi na zgornji meji τ T0 in drugi na spodnji meji τ T, velja: 0 ( Z ) T Z T T ZT0 T0 T0 T0 0 tstart T tstop τ T 0 ( Z ) T 0 ZT 0 τ t T 0 Slika.70 Skrajni primer kvantizacijskega pogrešeka pri merjenju periode - a MI - 47
T τ ZT 0 τ Če je prvi na spodnji meji τ T0 in drugi na zgornji meji τ T, velja: 0 ( Z ) T Z T T ZT0 T0 T0 T0 0 tstart T tstop τ T 0 ( Z ) T 0 ZT 0 t τ T 0 Slika.7 Skrajni primer kvantizacijskega pogrešeka pri merjenju periode - b MI - 48
Z T T ali Z T T 0 0 Največji mejni pogrešek je ± impulz. Izražen v enoti merjene veličine: absolutni mejni kvantizacijski pogrešek: in v relativni obliki: m T M T T T T ± T 0 ZT0 ± T0 M T ± T0 ± T daljša je perioda, manjši je pogrešek! 0 f ± Z primer: f 0 0MHz ; K ; f 0Hz T 00ms m T T ± T 00 ns 6 4 ± ± 0 ± 0 00 ms 0 % MI - 49
Ločljivost pri merjenju periode Ločljivost instrumenta pri merjenju periode Q T je odvisna od časa T 0. izhodna veličina je število impulzov Z, vhodna veličina merjena perioda T, zato je občutljivost: T dz Z S T dt T 0 enemu impulzu ustreza čas: ( ) ( Z ) q T q QT T0 S S 0 MI - 50
Števec prešteje Z impulzov, vsakemu impulzu pripada kvant Q T Izmerjena perioda: Ti Z QT ZT0. Neznana perioda je: T T ZT τ τ M 0 elativni kvantizacijski pogrešek pri merjenju periode Ti T τ τ e T T T Odvisen je od periode. MI - 5
MI - 5 Standardna negotovost pri merjenju periode je predvsem odvisna od pogreška zaradi neusklajenosti in neujemanja: 0 τ τ ZT T ( ) ( ) 3 3 0 0 T T u T T u τ τ ( ) ( ) 3 3 0 0 T T u T T u τ τ Standardna negotovost: ( ) ( ) ( ) 6 6 6 0 0 Q T M T T T T u T u T u mejna vrednost je T T Q M, porazdelitev pa trikotna. Standardna negotovost
.4.. Merjenje časovnega intervala u Slika.7 Vhodni del merilnika časovnega intervala Časovni interval t pogosto ustreza fazni razliki med dvema sinusoma. Na vrata pripeljemo impulz dolžine t, oblikujeta ga prožilna pulza preko S bistabilnega multivibratorja f0 t Števec prešteje v povprečju: Z t K T 0 MI - 53
u Za fazni zamik potrebujemo še krožo frekvenco: ϕ ω t t meriti moramo še periodo: ϕ π 360 T ali frekvenco: ϕ o t T o π f t 360 f t MI - 54
.4.3 Merjenje frekvence.73 niverzalni elektronski števec kot merilnik frekvence Osnovni elementi števca: kvarčni oscilator (9), ki proizvaja frekvenčno stabilen impulzni signal (referenčni signal), skupaj z dekadnim delilnikom (7 in 0) sestavlja časovno bazo, elektronska vrata (), ki se odpirajo v taktu časovne baze, števec električnih impulzov (3). MI - 55
.73 niverzalni elektronski števec kot merilnik frekvence Čas odprtja vrat () določa delilno razmerje dekadnega delilnika K (0), n K 0 ; n 0,,, 3,... po K-tem impulzu se stanje na izhodu delilnika spremeni in S-multivibrator (6) se resetira meritev se ustavi. čas merjenja je enak: T M KT0 T 0 perioda oscilatorja f 0 MI - 56
V tem času T M KT0 števec našteje povprečno: primer: Z f T f KT impulzov neznane frekvence M 0 f 0 0MHz T 0 00ns; 7 K 0 ; f 3,4 Hz čas merjenja: T K 0 7 0MHz M KT0 f0 f TM 3,4 Hz s števec našteje: Z 3,4 s ker prešteje vedno celo število impulzov, število niha med 3 in 4! MI - 57
Kvantizacijski pogrešek pri merjenju frekvence f 0 start T 0 T M KT 0 stop t f oblik. impulzov f vrata start stop T M delilnik števec Q f t start T t stop t t f 0 oscilator t τ ZT τ Slika.74 Kvantizacijski pogrešek pri merjenju frekvence Ker meritev ni sinhrona z merjenim signalom, imamo kvantizacijski pogrešek! Za čas T M velja: T M τ ZT τ T M MI - 58
f τ Čas T M je sestavljen iz: Z časovnih intervalov T ; meritev se začne t start nekje v časovnem intervalu T pred prvim preštetim impulzom in konča t stop v intervalu za zadnjim preštetim impulzom. tstart T M t t τ ZT stop T M ZT start tstop dveh časov nesinhronizacije τ in τ. T t τ τ eprezentanti ležijo na sredini kvantizaciskih intervalov, če je gostota verjetnosti vhodnega signala neznana pravokotna porazdelitev. T τ T τ T T MI - 59
T M τ ZT τ Če je prvi na zgornji meji τ T in drugi na spodnji meji τ T, velja: T ( ) M ZT T T Z T Z TM T Z f T M tstart T M tstop τ f T Z T T τ t T Slika.75 Skrajni primer kvantizacijskega pogrešeka pri merjenju frekvence - a MI - 60
T M τ ZT τ Če je prvi na spodnji meji τ T in drugi na zgornji meji τ T, velja: T ( ) M ZT T T Z T Z TM T Z f T M tstart T M tstop τ f T Z T τ t T Slika.76 Skrajni primer kvantizacijskega pogrešeka pri merjenju frekvence - b T MI - 6
Z f T ali Z f T M Največji mejni pogrešek je ± impulz! Z izrazimo ga v enoti merjene veličine: f ± TM TM absolutni mejni kvantizacijski pogrešek: M f ± ± TM M f in v relativni obliki: m f ± ± f ftm Z z manjšanjem frekvence se poveča. M KT 0 primer: M f ± f 0 0MHz ; f 8 K 0 ; f 0Hz 0MHz ± ± ± 0 8 T f KT 0Hz 0 M 0 ± % MI - 6
Ločljivost pri merjenju frekvence Ločljivost instrumenta pri merjenju frekvence Q f je odvisna od časa merjenja. izhodna veličina je število impulzov Z, vhodna veličina merjena frekvenca f, zato je občutljivost: dz Z f T M S TM df iz tega sledi, da enemu impulzu ustreza frekvenca: ( ) ( Z ) q f q Q f. S T M MI - 63
Števec prešteje Z impulzov, vsakemu impulzu pripada kvant Q f Izmerjena frekvenca: Z f i Z Q f. TM Neznana frekvenca je: Z f fi T T τ τ τ τ T M ( ) M elativni kvantizacijski pogrešek pri merjenju frekvence fi f fi τ τ e f f f T čas merjenja lahko izberemo: T M 0 s, s, 0, s, 0,0s,..., M Mejni pogrešek pri merjenju odvisen tudi od uporabnika. MI - 64
Standardna negotovost Standardna negotovost pri merjenju frekvence je predvsem odvisna od pogreška zaradi nesinhronizacije. f u( f ) u ( f ) u ( f ) Z T τ τ M f Z T ZT TM u ( f ) u( τ) τ ( T τ τ ) 3 T 3 3 M f Z T ZT TM u ( f ) u( τ ) τ M Q f ( T τ τ ) 3 T 3 3 M Q ( ) ( ) ( ) f M u f u f u f f T T 6 6 6 mejna vrednost je M f Q f, porazdelitev pa trikotna. M M M Q f MI - 65
.4.4 Mejna pogreška kvantizacije Mejna pogreška kvantizacije v odvisnosti od frekvence: m f ± KT K je spremenljiv: K, 0, 0, 0.77 Mejna kvantizacijska pogreška e f in e T v odvisnosti od frekvence 0 f m T ±KT 0 f Pri nizkih frekvencah je bolje meriti periodo! Pri visokih frekvencah je bolje meriti frekvenco! 3,... T 00 0 ns ( f 0MHz) - tipično 0 MI - 66
.5 Vodila Podatkovna vodila omogočajo povezavo merilnih členov in s tem boljšo koordinacijo merjenja (npr. vodila po standardih S 3, GPIB, SB, LAN itd.). podatkovno vodilo nadzornik (računalnik) podatkovno vodilo sinhronizacija napajalnik multimeter signalni generator F vir merjenec digitalni osciloskopi analizator spektra.. Slika.78: Merilni sistem vhod - prireditev in stikalna matrika izhod - prireditev in stikalna matrika MI - 67
kazi, naslovi naprav in podatki se tako prenašajo v organizirani obliki. Ločimo: serijska vodila, kjer se biti znaka prenašajo zaporedno (npr. S 3 in SB vodilo) Slika.79a: Prenos enega 8-bitnega znaka pri S3 vodilu paralelna vodila, kjer se biti znaka prenašajo vzporedno (npr. GPIB ). Slika.79b: Prenos enega 8-bitnega znaka pri GPIB vodilu D D D3 D4 D5 D6 D7 D8 ostale kontrolne linije MI - 68
.5. Vodilo po standardu S 3 Vodilo po standardu S 3 se uporablja za preprostejšo priključitev vmesnikov za zajem podatkov in upravljanje. Mednarodna organizacija EIA (Electronic Industries Association) je leta 96 postavila standard za serijsko vodilo S 3 (S ecommended Standard priporočen standard). Z verzijo C ( S 3 - C), predstavlja standard za povezavo med aparaturno opremo podatkovnega terminala (DTE, Data Terminal Equipment) in komunikacijskega pretvornika (DCE, Data Communication Equipment). Slika.80: Povezave med DTE in DCE MI - 69
Lastnosti Vmesno povezavo med DTE in DCE tvorijo večžilni kabel in konektorji na obeh napravah. Na DTE napravi je 'moški' 5-polni konektor DB-5 in na DCE 'ženski' DB-5 konektor. Povezava priključkov konektorjev kabla mora biti simetrična (-, -,..., 5-5), če je namenjena za povezavo DTE in DCE. Dolžina kabla naj ne bo večja kot 5 metrov. DB-9 DB-5 Slika.8: Skici 9-polnega (DB-9) in 5-polnega (DB-5) konektorja MI - 70
S 3-C je bil prvotno namenjen za prenos podatkov med DTE (npr. računalnik) in DCE (modem) v telekomunikacijski tehniki. Kasneje se je njegova struktura uporabila v merilno procesnih sistemih, kjer je modem zamenjal merilno krmilni instrument (DTE naprava). Pri povezavi DTE in DTE se število linij navadno zmanjša in se uporablja DB-9 konektor. št. prik. DB-9 št. prik. DB-5 koda opis - PG Protective Ground 5 7 SG Signal Ground 3 TD Transmitted Data 3 D eceived Data 7 4 TS equest to Send 8 5 CTS Clear to Send 6 6 DS Data Set eady 4 0 DT Data Terminal eady 8 DCD Data Carrier Detected 9 I ing Indicator 5 DB Transmitter signal timing 7 DD eceiver signal timing 4 DA Transmitter signal timing DTE PG TD D 3 DT 4 SG 5 DS 6 TS 7 CTS 8 I 9 PG TD 3 D 4 DT 5 SG 6 DS 7 TS 8 CTS 9 I DTE Slika.8: Večlinijski način povezave DTE DCE (DTE) naprave DB-5 (DB-9) MI - 7
Električne lastnosti Vse linije imajo skupno povratno linijo oziroma signalno maso (Signal Ground). Med prenosom podatkov bo negativna napetost predstavljala binarno stanje '' in pozitivna napetost binarno stanje '0'. Območje od 3V do 3V je prehodno območje, kjer stanje ni določeno. Kadar se ne izvaja prenos podatkov, mora biti podatkovna linija v stanju OFF ( I < 3V). Frekvenčna meja prenosa signalov po verziji C se giblje vse od 50 bitov s do 900 bitov s. Verzije D, omogočajo tudi večje hitrosti: 38400, 57600, 500,... baudov (baud bit/sekunda). MI - 7
Podatki se lahko prenašajo na tri načine: prenos podatkov samo v eni smeri (Simple); prenos podatkov v obeh smereh, vendar ne istočasno (Half Duple); prenos podatkov v obeh smereh istočasno (Full Duple). MI - 73
Sinhronizacija Kanal deluje sinhrono, če se informacija o časovnem spreminjanju signala prenese po liniji TSET (linija 5) ali 'nesinhrono', če ta linija ni uporabljena. V tem primeru se sinhronizacija izvrši z začetnim (start) in končnim (stop) bitom. Slika.79a: Niz bitov pri prenosu enega znaka na liniji Število podatkovnih bitov (D0,..., D7) se spreminja med 5 in 8. Pri prenosu znakov v ASCII (American Standard Code for Interchange of Information- l.968) kodi jih je 7. MI - 74
ASCII tabela znakov (D0b,..., D6b 7 ) MI - 75
Slika.79a: Niz bitov pri prenosu enega znaka na liniji Podatkovnim bitom lahko sledi paritetni bit, ki je ena najenostavnejših metod kontroliranja pravilnosti prenosa podatkov. Če je število binarnih stanj '' od začetnega do paritetnega bita sodo, je pri sodi paritetni kontroli ta bit v stanju '0' in pri lihem številu enic v stanju ''. Primer: ASCII znak ''0'': 00000 paritetni bit: 0 ASCII znak '''': 0000 paritetni bit: Za liho paritetno kontrolo velja obratno. Primer: ASCII znak ''A'': 00000 paritetni bit: ASCII znak ''a'': 0000 paritetni bit: 0 MI - 76
Predpogoj za sporazumevanje med DTE in DCE oz. DTE je seveda enaka sledilna frekvenca oziroma dolžina signalnega elementa, ki se ne sme spreminjati in mora biti za oddajnik in sprejemnik enaka. Operacijske lastnosti so odvisne od uporabnika. To področje standard ne pokriva in si jih izbere uporabnik sam. Vsak instrument, ki podpira S 3-C, ima v priročniku določen programski protokol: začetni niz znakov, ki določi funkcijo instrumenta in ga lahko sproži; sprotni niz znakov za sinhronizacijo; prekinitveni niz znakov in odgovor, zaključek prenosa itd. MI - 77
Primer za prekinitveni nizov znakov: Celotno vodilo lahko predstavljajo samo tri linije: signalna masa (5-5 ali 7-7) in podatkovni liniji (-3 in 3-). V tem primeru odpadejo vse kontrolne linije, ki jih nadomestimo z oddajanjem kontrolnih DTE znakov po podatkovni liniji. Primer takšnega delovanja je XON/XOFF način prenosa. Sprejemnik pošlje znak Ctrl S (XOFF), ko ne želi več sprejemati podatkov in Ctrl Q (XON), ko je pripravljen na sprejem. PG TD D 3 DT 4 SG 5 DS 6 TS 7 CTS 8 I 9 PG TD 3 D 4 DT 5 SG 6 DS 7 TS 8 CTS 9 I DTE MI - 78
.5. Paralelno vodilo GPIB po standardu IEEE 488. V merilnih sistemih se je v osemdesetih letih za povezovanje merilnih naprav in nadzornika na manjših razdaljah (nekaj metrov) uveljavilo paralelno vodilo po standardu IEEE 488. Vodilo je razvilo podjetje Hewlet Packard zato se je imenovalo tudi HP Interface Bus (HP-IB). Drugi izdelovalci opreme so kopirali vodilo, zato so ga poimenovali kar General Purpose Interface Bus, torej GPIB. Kmalu je vodilo postalo standard, ki so ga kasneje še formalizirali pri IEEE z IEEE 488.. IEEE 488.-975 določila navajajo električne in mehanske lastnosti vodila ter osnovne funkcionalne karakteristike vodila. MI - 79
naprava A naprava B naprava A naprava D naprava C naprava B naprava C a. b. Slika.83: Linearna (a) in zvezda (b) vezava instrumentov Komunikacijo med napravami omogočajo funkcije: oddajnika (talker), sprejemnika (listener) in nadzornika (controller). Vsaka GPIB naprava mora biti kombinacija oddajnika in sprejemnika. Nadzornik je navadno kartica, ki je nameščena v osebnem računalniku. MI - 80
Lastnosti Na vodilo je lahko priključeno največ 5 naprav. Vsaka naprava mora imeti svoj naslov oziroma hišno številko. Vsem napravam se priredi poljubno naslovno število med 0 in 30. Tako imamo 3 naslovov primarnega naslavljanja. Vodilo ima lahko maksimalno skupno dolžino 0 metrov Tipično metra med napravama. Prenos podatkov preko vodila je omejen na M bajt na sekundo. Takšna hitrost v praksi navadno ni dosežena, ker je omejena s hitrostjo najpočasnejše naprave v sistemu. MI - 8
Slika.84: Priklopni konektor GPIB vodila GPIB vodilo je sestavljeno iz 4 linij, ki si jih delijo vsi priklopljeni instrumenti. 6 linij se uporablja za prenos podatkov oziroma za signale, ostalih 8 linij predstavlja skupni potencial - maso. Signalne linije so razdeljene v naslednje skupine: 8 podatkovnih linij; 5 linij za nadzor in urejanje vodila; 3 linije za nadzor prenosa podatkov handshake. Signalne linije uporabljajo 'negativno' logično določilo (low-true ) s TTL nivoji. MI - 8
Ime signala Podatki Podatki Podatki Podatki Podatki Data Valid Not eady For Data Not Data Accepted Interface Clear Service equest Attention Chassis ground Ime signala Podatki Podatki Podatki Podatki emote Enable DAV ground NFD ground NDAC ground IFC ground SQ ground ATN ground Signal ground Slika.85: Opis linij GPIB vodila Osem podatkovnih linij, DIO do DIO8, je uporabljenih za prenos podatkov po en bajt hkrati. Vsaka od podatkovnih linij prenaša en bit. DIO je najmanj pomemben bit, medtem ko je DIO8 najbolj pomemben bit. Preneseni podatki so lahko podatki instrumenta ali pa sporočila vodila. MI - 83
Prenos podatkov je zelo dobro zavarovan saj ga nadzorujeta: 3-bitno krmilno vodilo za nadzor prenosa podatkov - handshake: DAV - veljavni podatki, NFD - nepripravljenost na podatke, NDAC - nesprejetost podatkov. DAV vsi pripravljeni podatek ni veljaven podatek veljaven 0 3 0 NFD 5 NDAC vsi sprejeli D 8 podatkovni byt 4 Slika.86: Časovni diagram nadzora prenosa podatkov - Handshake MI - 84
splošno 5-bitno vodilo za sistemske funkcije in vodenje: ATN - pozor vsem na vodilu, IFC - 'čiščenje' vodila, EN - daljinsko krmiljenje, SQ - zahteva po servisiranju, EOI - zaključek prenosa ali identifikacija. MI - 85
SCPI hierarhija ukazov standardni format odgovorov standardni nabor ukazov IEEE 488. software, firmware sintaksa in struktura podatkov ter skupni ukazi in poizvedbe IEEE 488. hardware električne, mehanske in osnovne funkcionalne karakteristike vodila Slika.87: Nivojski diagram strukture GPIB standardov Po vmesnih priporočilih IEEE 78 (l. 98) o kodiranju in formatih za IEEE 488. standard, ki so vključevala različne podatkovne formate, je bil leta 987 sprejet standard IEEE 488.. Standard določa kode, formate, protokole in skupne ukaze za standard IEEE 488.. MI - 86
IEEE 488. IEEE 488. SCPI hierarhija ukazov standardni format odgovorov standardni nabor ukazov software, firmware sintaksa in struktura podatkov ter skupni ukazi in poizvedbe hardware električne, mehanske in osnovne funkcionalne karakteristike vodila Kontrolne naprave morajo imeti pri minimalni sposobnosti vgrajeni še funkciji: paralelno preverjanje (parallel polling) in daljinsko-lokalno obratovanje. Prvi najnižji nivo vodila določa standard IEEE 488.. Standard IEEE 488. opisuje drugi nivo sintakso in strukturo podatkov. Določa npr., kateri ASCII znaki so uporabljeni za prenos podatkov. Določeni so tudi skupni ukazi in poizvedbe, ki so enaki za vse naprave in ukaze za preverjanje njihovega stanja. Vse naprave, ki ustrezajo IEEE 488. standardu, omogočajo: sprejemanje in oddajanje podatkov, zahtevo za servis ter nastavitev osnovnega stanja naprave. MI - 87
Podatkovni formati Standard IEEE 488. določa širok nabor podatkovnih formatov, od desetiških števil do poljubnih nizov znakov. IEEE 488. je uvedel nov koncept: Forgiving Listening - Precise Talking (široko sprejemanje, precizno oddajanje), ki strogo omejuje oddajanje na določen niz formatov. To omogoča komunikacijo novejših naprav s starejšimi. Kot primer principa širokega sprejemanja, je enaka veljavnost malih in velikih znakov. MI - 88
IEEE 488. standard določa tri načine kodiranja ukazov vmesnikom: 7-bitno ASCII kodo za alfanumerične znake (po ANSI 3.4 - l. 977), kot skupno kodo za sporočila, ki so odvisna od naprave. 8-bitno dvojiško celoštevilčno kodo; Podatek lahko vsebuje tolikokrat po 8 bitov, kolikor je potrebno. Podatki morajo biti desno poravnani in oblikovani v dvojiškem komplementu. 8-bitno dvojiško kodo s pomično vejico, ki se uporablja za prenos dvojiško kodiranih števil s pomično vejico (standard IEEE 754 - l. 985), ki določa, da je vsako število predstavljeno s tremi polji (predznak, eksponent in mantisa), katerih dolžino določa izbrana natančnost. MI - 89
IEEE 488. IEEE 488. SCPI hierarhija ukazov standardni format odgovorov standardni nabor ukazov software, firmware sintaksa in struktura podatkov ter skupni ukazi in poizvedbe hardware Zadnji najvišji nivo GPIB je predviden za sporočila, ki so določena in odvisna od proizvajalcev naprav. Vendar je tudi na tem nivoju prišlo leta 990 do poenotenja v obliki SCPI jezika. električne, mehanske in osnovne funkcionalne karakteristike vodila Standardni ukazi za programabilne inštrumente (Standard Commands for Programmable Instrumentation) oziroma kratko SCPI določila temeljijo na IEEE 488. standardu in definirajo standarden nabor ukazov, ki jih lahko uporablja GPIB komunikacijsko vodilo oziroma katerokoli drugo komunikacijsko vodilo (SB, Ethernet, S 3 ). MI - 90
Lastnosti SCPI jezika Cilj SCPI jezika je zmanjšati čas, potreben za razvoj programov avtomatske merilne opreme. Združljivost med SCPI instrumenti dosežemo z uporabo dosledno definiranih programskih sporočil, odgovorov instrumentov in podatkovnih formatov, ne glede na proizvajalca. kazi so v obliki ASCII kodiranih nizov. Pri izbiri ukazov upoštevamo pravilo, ki pravi, da za iste funkcije uporabimo iste ukaze. Tako pridemo do standardnih imen, ki si jih tudi lažje zapomnimo. kazi so razdeljeni na več nivojev. Tako imamo možnost izvajanja enostavnih meritev, kot tudi zahtevnejših. MI - 9
kaze instrumenta v obliki mnemonikov razdelimo v tri skupine: skupni ukazi: Z njimi kontroliramo funkcije, ki so skupne vsem SCPI instrumentom. Sintaksa je naslednja: mnemonik? mnemonik angleški opis pomen *CLS Clear Status brisanje statusa; *IDN? Identification Query poizvedovanje o identifikaciji; *ST eset postavitev v osnovno stanje; Slika.88: Oblikovanje skupnih ukazov in nekaj primerov MI - 9
korenski ukazi: Ti ukazi kontrolirajo osnovne funkcije instrumenta. Nahajajo se na začetku drevesa ukazov. Vsaka ključna beseda ima tako dolgo kot skrajšano obliko. Skrajšano obliko dobimo iz prvih štirih znakov besede, oziroma, če se beseda končuje s samoglasnikom, le tega izpustimo. dolga oblika : mnemonika numerična kratka oblika pripona? mnemonika MEASure:VOLTage:DC? V, 0.0 Slika.89: Oblikovanje SCPI ukazov in primer korenskega ukaza MEAS? podkorenski ukazi; Podkorenski ukazi so zbrani pod skupnim vozliščem (korenskim ukazom) in omogočajo nadzor funkcionalnih delov instrumenta. Primer: MEASure:VOLTage:DC? V, 0.0 : MI - 93
Primeri uporabe SCPI jezika Pri enostavnih meritvah, kjer ne potrebujemo natančnejših nastavitev instrumenta, je najbolj ustrezna uporaba ukaza MEASure. MEASure:VOLTage:DC? V, 0.0 Po sprejemu tega ukaza, instrument meri enosmerno napetost in izbere območje V z ločljivostjo 0,0V. Meritev opravi takoj in ne čaka na posebno proženje (MEAS? nastavi TIGger:SOce na IMMediate). Enako meritev povzročijo ukazi nižjega nivoja: *ST - postavitev v osnovno stanje CONFigure:VOLTage:DC V, 0.0 - nastavitev parametrov merjenja INITiate;FETCh? (EAD?) - sprožitev in branje podatkov MI - 94
Pri časovno kritičnih meritvah uporabimo zunanje proženje in ne moremo uporabiti ukaza MEASure. Namesto tega uporabimo: CONFigure:VOLTage:DC V, 0.0 - nastavitev parametrov merjenja TIGger:SOce EXTernal - proži naj zunanji signal EAD? Pri večkratnih meritvah shranjuje instrument rezultate meritev v začasni spomin. CONFigure:VOLTage:DC V, 0.0 TIGger:SOce EXTernal; SAMPle:CONt 0 INITiate;FETCh? - povpraševanje začne meritev in čaka na proženje (v tem primeru na zunanje) preden vrne rezultat. - po desetih zajetih vzorcih vrne deset ločenih rezultatov. MI - 95
Programirati moramo na najvišjem možnem nivoju, saj tako ohranjamo združljivost med instrumenti. Nižje ukaze uporabimo le, ko nastavljamo posebne zmogljivosti instrumenta. MI - 96
.5.3 SB vodilo SB (niversal Serial Bus) je serijski protokol za prenos podatkov. Prvo verzijo SB.0 so predstavili leta 998, z namenom da bi zmanjšali število različnih priključkov za naprave na osebnem računalniku (PC-ju), kot so igralne palice, tiskalniki itd. Njegova prednost je bila velika hitrost v primerjavi z ostalimi vodili ( M bit/s), zato se je začel uporabljati tudi v merilni instrumentaciji. Verzija SB.0 (leto 000) ima hitrost prenosa 480 Mbit/s; Verzija SB 3.0 (leto 008) ima hitrost prenosa 4,8Gbit/s. Velika prednost vodila po standardu SB je tudi široka podpora, saj ga ima vgrajenega že večina računalniških sistemov. MI - 97
Lastnosti prepleten oklop kovinska folija Slika.90: Notranjost SB kabla odvodna vez (zvezana na maso na strani računalnika) napajanje: črna vez GND rdeča vez 5V sukan par podatki: bela vez Data zelena vez Data- SB standard uporablja zelo enostavno zgradbo priključkov ter kabla: V kablu sta dve žici uporabljeni za prenos podatkov in dve žici za napajanje. Priključene naprave je možno napajati prek SB kabla, kar še poveča uporabnost tega vodila. Napajalna priključka (pin-a) sta malo daljša, kar pomeni, da ob fizičnem vklopu najprej priključimo napajanje, nato pa še priključka za prenos podatkov. MI - 98
tip A tip B mini tip B Slika.9: Tipi SB konektorjev Poznamo dva tipa SB konektorjev: tip A in tip B. Konektorji tipa A so ponavadi povezani na vozlišče (hub) torej na računalnik ali SB razdelilec. Konektorji tipa B pa so zmeraj povezani na naprave. Tako se izognemo problemu, da bi dobili krožne električne povezave. Obe verziji obstajata tudi v mini izvedbi Mini in tudi mikro konektorji so se razvili zaradi zmeraj večjega trga mini naprav (mobiteli, mp3 predvajalniki,...), na katerih ni prostora za implementacijo konektorja navadne velikosti. MI - 99