Bazele sistemelor de achiziţie a datelor

Laborator nr. 1

Mediul de programare LabVIEW

Mediul LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) este unul dintre primele imbaje de programare grafică ce permite dezvoltarea de aplicaţii de achiziţie de date, devenind un standard în programarea aplicaţiilor de testare, măsurare şi automatizări industriale. LabVIEW permite construirea de instrumente în interiorul computerului PC, cu performanţe şi abilităţi ce nu pot fi atinse de instrumentele clasice. Împreună cu plăcile de intrare-ieşire (I/O), el permite generarea fluxurilor de informaţie digitală sau analogică pentru automatizări şi crearea sau simularea aparaturii de laborator (voltmetre, osciloscoape, analizoare de spectru, generatoare de semnal, etc.).

LabVIEW utilizează terminologii, idei şi reprezentări familiare tehnicienilor şi inginerilor, iar programarea aplicaţiilor se face mai mult prin simboluri grafice decât prin instrucţiuni sub formă de text specifice programării clasice. Pentru scrierea programelor în LabVIEW se utilizează limbajul grafic de generaţia a 5-a, numit G. Programarea într-un astfel de limbaj grafic se face prin asamblarea elementelor componente, fiind astfel mai uşor de înţeles şi depanat şi de persoane cu mai puţină experienţă în programare.

Orice program LabVIEW este un „instrument virtual” (VI). Instrumentul virtual (VI) – este un modul de program care este reprezentat în formă grafică pentru a semăna cu un instrument real. Instrumentele virtuale sunt formate din două părţi distincte, dar strâns legate: panoul frontal şi diagrama bloc.

LabVIEW este un mediu deosebit pentru analiza semnalelor şi a sistemelor. El permite dezvoltarea de programe pentru rezolvarea sistemelor de ecuaţii algebrice, fitarea curbelor, integrarea ecuaţiilor diferenţiale ordinare, calcularea derivatelor şi a integralelor diverselor funcţii, generare şi analiză de semnal, calcularea transformatei Fourier discretă şi filtrarea semnalelor. Pentru aceasta LabVIEW conţine un număr mare de instrumente (VI) dedicate pentru rezolvarea ecuaţiilor liniare algebrice. Funcţiile pentru lucrul cu vectori şi matrici se găsesc în submeniul Array din paleta de funcţii ş în submeniul Mathematics.

LabVIEW oferă posibilitatea lucrului cu şiruri şi operaţii I/O cu fişiere necesare pentru stocarea/citirea datelor. Există de asemenea un număr mare de funcţii şi VI-uri pentru aceste operaţii, disponibile în submeniurile String şi File I/O din paleta de funcţii.

Un alt capitol la care LabVIEW un număr mare de funcţii şi Vi-uri dedicate este comunicaţia pentru controlul instrumentelor. Există VI-uri pentru comunicaţia serială, GPIB (IEEE 488), VISA.

1

Desfasurarea lucrarii

Construiţi un VI care să genereze numere aleatoare a căror valoare variază într-un interval [-A, +A], unde valoarea A poate fi reglată de utilizator, şi să le afişeze într-o diagramă cu actualizare de tip redesenare. Pentru generarea numerelor aleatoare se va folosi generatorul de numere aleatoare cuprinse între 0 şi 1 din LabVIEW. Dacă notăm cu x aceste numerele aleatoare şi cu y numerele din intervalul [-A,+A], atunci numerele y se pot calcula cu relaţia:

y = 2Ax - A

Să se modifice programul de la punctul anterior astfel încât la o singură rulare să se genereze 150 de numere aleatoare la un interval de 100ms unul de altul.

CONVERTOARE A/N ŞI N/A

I. SCOPUL LUCRĂRII:

2

Scopul acestei lucrări este de a studia principiile de realizare a circuitelor folosite la interfaţa dintre domeniile analogic şi cel digital. Se vor studia principalele tipuri de convertoare analog-numerice şi numeric-analogice, determinându-se totodată şi parametrii acestora (caracteristici de transfer, rezoluţii, erori).

II. Noţiuni teoretice

Măsurarea numerică, memorarea şi reprezentarea semnalelor furnizate de marea majoritate a traductoarelor folosite în procesele fizice se poate realiza prin conversia acestor semnale analogice în semnale numerice folosind circuite speciale numite convertoare analog-numerice (CAN). În sens invers, un convertor numeric-analogic (CNA) este un circuit care transformă o mărime numerică (un număr reprezentat pe n biţi) într-o mărime analogică sub forma unui curent sau a unei tensiuni. Un astfel de circuit este utilizat pentru în sistemele de distribuţie a datelor cu ieşiri analogice sau la realizarea convertoarelor analog-numerice cu reacţie.

Convertoare numeric-analogice (CNA)

Convertoarele numeric-analogice primesc la intrare semnal numeric exprimat printr-o secvenţă de variabile binare şi generează la ieşire un semnal analogic în funcţie de valoarea numerică a semnalului de intrare şi în concordanţă cu codul utilizat.

Pentru reprezentarea secvenţelor de variabile binare se pot folosi mai multe coduri, dintre care cel mai des folosite sunt codurile binar natural şi codurile complement faţă de doi.

În general, funcţia de transfer a unui CNA este dată de relaţia:

A = PD (2.1)

unde A este mărimea analogică de ieşire, P este mărime de referinţă (curent sau tensiune), iar D este mărimea de intrare numerică şi reprezintă valoarea numerică a secvenţei de variabile binare de intrare:

(2.2)

Bitul b1 este bitul de semnificaţie maximă (MSB – Most Significant Bit), iar bn este bitul de semnificaţie minimă (LSB - Least Significant Bit).

3

Cei mai importanţi parametrii ai convertoarelor N/A sunt următorii:

Rezoluţia – este dată de numărul de biţi de intrare N şi se defineşte ca numărul de nivele posibile ale tensiunii de la ieşire (2n) sau ca diferenţa între două nivele consecutive la ieşire, ce corespund la două secvenţe binare de intrarea consecutive.

Caracteristica de transfer – este reprezentarea grafică a funcţiei de transfer a convertorului N/A şi este formată dintr-o serie de puncte discrete (Figura 2.1).

Figura 2.1. Caracteristica de transfer a unui CAN cu rezoluţia de n biţi

Precizia (eroarea) absolută a unui CNA este dată de diferenţa între valoarea reală (măsurată) a semnalului de ieşire corespunzătoare unei secvenţe de intrare şi valoarea ideală, calculată pe baza funcţiei de transfer a CNA pentru aceeaşi secvenţă de intrare. Eroarea absolută include erorile de câştig, offset, neliniaritate, precum şi derivele acestora.

Domeniul maxim al mărimii analogice la ieşire (FR – Full Range):

, unde FS este capătul de scală.

(2.3)

1 LSB – reprezintă variaţia de tensiune care se obţine la ieşire atunci când codul de intrare se modifică doar cu cel mai puţin semnificativ bit:

4

[V]

(2.4)

Neliniaritatea integrală (INL) a unui CNA este dată de diferenţa maximă între valorile reale ale semnalului de la ieşirea convertorului şi valorile corespunzătoare rezultate din funcţia de transfer liniară care trece prin punctele extreme ale caracteristicii reale.

Neliniaritate diferenţială (DNL) a unui CNA este dată de diferenţa maximă dintre valoare reală a unei trepte a semnalului de la ieşirea convertorului produsă de două valori succesive ale secvenţei de intrare şi valoarea ideală a 1 LSB.

Timpul de stabilizare este cel mai important parametru care caracterizează comportarea dinamică a unui CNA şi este definit ca intervalul între momentul modificării secvenţei de intrare şi momentul stabilizării cu o eroare dată a ieşirii CNA la nivelul corespunzător intrării.

Monotonia este proprietatea mărimii de ieşire a convertorului de a avea o variaţie pozitivă (sau cel puţin nulă) la modificarea semnalului logic la intrare între două stări succesive.

Figura 2.2. Configuraţia de bază a unui CAN

Convertoare analog-numerice (CAN)

Un CAN este un circuit care primeşte la intrare o mărime analogică şi furnizează la ieşire un număr (o combinaţie de biţi) care constituie o aproximare

5

a mărimii de intrare. Acest proces se numeşte cuantificare şi se realizează prin împărţirea domeniului analogic de la intrare (care conţine o infinitate de valori) într-un număr finit de intervale egale, numite “cuante”, cărora li se atribuie un număr (figura 2.5). Mărimea unei cuante (rezoluţia sistemului) este determinată de mărimea domeniului de intrare analogic şi de numărul de intervale în care se împarte domeniul de intrare, de unde rezultă că reprezentarea informaţiei sub formă numerică se face cu introducerea unei erori, numită “eroare de cuantificare”. Fie Umax valoarea maximă a intrării. Mărimea a unei cuante va fi:

(2.7)

Procesul de conversie constă în găsirea unui număr D, cu proprietăţile:

0 D 2N -1 (2.8)

D Ux < (D+1) (2.9)

în care Ux este mărimea analogică de la intrarea convertorului.Analitic, funcţia de transfer pentru un convertor analog-numeric poate fi scrisă

astfel :

(2.10)

unde D este valoarea numerică a semnalului de ieşire, K este o constantă adimensională, Ur este tensiunea de referinţă, iar ui este valoarea tensiunii de la intrare. Pentru K = 1 rezultă că

a)

Anexa 1.

6

Schema electrică machetă convertor A/N paralel şi convertor N/A cu rezistenţe ponderate pe 3 biţi.

DAC 08 - este un circuit integrat monolitic având funcţia de convertor digital-analog, caracterizat de o valoare tipică de stabilire de 100 ns. În aplicaţii de multiplicator analogic, respectă condiţiile de monotonie pentru un domeniu de variaţie 40 la 1 a curentului de referinţă. Acest convertor are ieşiri complementare de curent cu o excursie largă de tensiune, permiţând existenţa unor tensiuni diferenţiale la ieşire de 20 V vârf la vârf pe sarcini rezistive. Diferenţa foarte mică între valoarea curentului de referinţă şi valoarea curentului de ieşire la capăt de scală, mai puţin de 1 LSB (cel mai puţin semnificativ bit) elimină ajustările pentru capăt de scală în cele mai multe cazuri. De asemenea, neliniarităţile foarte mici, sub , pe domeniul de temperatură, minimizează eroarea totală din diferite surse.

Caracteristici principale:Timpul de stabilire pentru curentul de ieşire: 100ns;

Eroarea de la capăt de scală: 1 LSB;Neliniaritatea în temperatură: ;Excursie largă a tensiunii la ieşire: ;Ieşiri complementare de curent;Interfaţă directă cu TTL, CMOS şi celelalte familii;Posibilitatea de înmulţire în două cadrane pe domeniul larg;Admite tensiuni de alimentare între limite largi: ;

7

Pentru DAC 08 avem următoarele relaţii: ;

;

unde Iref este un curent de referinţă stabilit din exterior şi are valoarea: (1mA Iref

4mA).

Schema bloc internă şi configuraţia pinilor pentru circuitul DAC 08

Anexa 4. Schemă electrică convertor A/N cu urmărire pe 8 biţi

8

SISTEME DE ACHIZIŢIE DE DATE CU PC

I. SCOPUL LUCRĂRII:

Scopul acestei lucrări este de a face o introduce în problematica achiziţiei de date în general, a structurii generale a unui sistem de achiziţie de date, cu particularizări asupra modului de realizare a sistemelor de achiziţie şi distribuţie a datelor pentru calculatoarele personale. Se vor analiza posibilităţile de introducere a datelor în PC, exemple de plăci de achiziţie de date cuplate pe aceste interfeţe şi modul de programare a aplicaţiilor cu aceste plăci.

II. Noţiuni teoretice

Achiziţia de date se poate defini într-un sens mai larg ca fiind procesul de obţinere a datelor de la o sursă, de obicei una exterioară sistemului care face măsurătoarea. În domeniul tehnic achiziţia de date se referă la măsurarea unor mărimi electrice sau neelectrice şi prelucrarea rezultatelor acestor măsurători. Odată cu evoluţia extraordinară a calculatoarelor, a devenit posibilă preluarea sau generarea de date analogice sau digitale cu PC-ul direct din proces, în mod automatizat (fără introducerea acestora de către operatorul uman).

Achiziţia de date este întâlnită în foarte multe din domeniile de activitate din zilele noastre: în industrie - în cadrul calculatoarelor de proces care supraveghează şi reglează instalaţii tehnologice, în cercetarea ştiinţifică - pentru măsurarea şi prelucrarea unui spectru extrem de vast de mărimi electrice şi neelectrice, în comunicaţii - pentru supravegherea şi măsurarea liniilor de comunicaţie, etc. Avantajul folosirii calculatoarelor personale în sisteme de achiziţie şi distribuţie de date este dat de puterea de calcul foarte mare ce permite realizarea de prelucrări complexe ale semnalelor, flexibilitatea şi uşurinţa cu care se pot modifica relaţiile între mărimi şi algoritmii de comandă şi control.

Preluarea mărimilor analogice şi digitale în calculator se face prin intermediul sistemelor de achiziţie de date, care au rolul de a prelucra şi transforma mărimile analogice de intrare în mărimi numerice şi pot genera semnale de comandă analogice sau digitale.

În general, un sistem de achiziţie de date trebuie să poată executa trei funcţii fundamentale:

- convertirea fenomenului fizic într-un semnal care poate fi măsurat;

- măsurarea semnalelor generate de senzori sau traductoare în scopul extragerii informaţiilor despre procesele fizice;

- analizarea datelor şi prezentarea lor într-o formă utilizabilă.

Structura tipică a unui sistem de achiziţie de date cu PC este prezentată în figura 2.1. El este alcătuit din următoarele

9

- senzori sau traductoare - convertesc fenomenul fizic într-un semnal electric ce poate fi apoi prelucrat şi măsurat;

- circuite de condiţionare – prelucrează analogic semnalul şi realizează funcţii diverse cum sunt: adaptarea semnalului, convertirea şi/sau amplificarea semnalului provenit de la traductoare, izolare galvanică, excitarea senzorului, liniarizare, filtrare, etc.;

- un subsistem de achiziţie de date (placă de achiziţie de date) - care poate include multiplexoare şi convertoare analog-digitale;

- sistemul de calcul (PC);

- soft pentru achiziţie de date;

Figura 2.1 Structura generală a unui sistem de achiziţie de date cu PC

Funcţiile principale ale plăcilor de achiziţie de date sunt:

- intrarea analogică - măsurarea unui semnal - tensiune electrică provenit de la un traductor;

- ieşire analogică – generarea unui semnal de comandă sub formă de tensiune sau curent analogice;

- intrări/ieşiri digitale – informaţia este transmisă sub forma unor coduri numerice sau se pot măsura/genera semnale de tip on/of.

- Numărare/cronometrare – primirea şi generarea de semnale sub formă de serii de impulsuri TTL la care informaţia este conţinută în numărul de impulsuri sau în frecvenţa impulsurilor.

Pentru sistemele cu intrări analogice, acestea sunt caracterizate de următorii parametri principali:

Numărul canalelor de intrarea analogice. Pentru a realiza creşterea numărului de intrări pa care le poate măsura o interfaţă analog-numerică, se poate folosi multiplexarea intrărilor. Multiplexorul este un dispozitiv care dispune de mai multe canale de intrare, un canal de ieşire şi de intrări digitale de control. Cu ajutorul intrărilor de control se poate selecta canalul de intrare ce este conectat la ieşire. În cazul folosirii unui multiplexor, rata de eşantionare pe canal se obţine împărţind rata de eşantionare a convertorului A/D la numărul de canale de intrare.

10

Configurarea intrărilor. Există două configuraţii principale pentru conectarea conectarea semnalelor de intrare: intrări simple şi intrări diferenţiale. Intrările simple se utilizează atunci când măsurătorile analogice trebuie să fie făcute faţă de o masă externă comună.

Configuraţia diferenţială este indicată în următoarele situaţii:- atunci când se măsoară semnale care au tensiuni de mod comun ridicate (ca în

cazul mărcilor tensometrice). Intrarea diferenţiala reduce eroarea produsă de tensiunea de mod comun cu o valoare egală cu rejecţia de mod comun a amplificatorului de intrare (uzual, 80 dB sau mai mare);

- atunci când trebuie efectuate măsurători de la mai multe traductoare care nu au o masă comună. Prin conectarea tuturor terminalelor LOW ale traductoarelor la un punct comun se pot produce curenţi de masă care pot genera erori de offset şi zgomote;

- atunci când traductorul este amplasat fizic la distanţă mare de sistemul de achiziţie de date. Rejecţia de mod comun asigurată de o intrare diferenţială oferă o bună protecţie faţă de zgomotele induse în cablul de măsură sau în linia de transmitere a semnalului.

Deşi intrările diferenţiale sunt ceva mai complicat de utilizat şi mai scumpe decât

intrările cu masă comună, ele asigura în mod obişnuit o imunitate la zgomote mai

bună.

Rata de eşantionare (viteza de eşantionare) - reprezintă o măsură a vitezei cu care placa A/D poate să scaneze canalul de intrare şi să identifice valoarea discretă a semnalului faţă de valoarea de referinţă. Rata de eşantionare se exprimă uzual în eşantioane pe secunda (mai rar în Hz) şi ea este unul din parametrii cei mai importanţi ai unei interfeţe analog-digitale. Conform teoriei eşantionării, un sistem de achiziţie de date trebuie să eşantioneze un semnal cu o viteza de cel puţin două ori mai mare decât cea mai mare frecvenţă ce poate exista în semnalul de intrare; În practică, rata de eşantionare minimă folosită este trei ori mai mare decât frecvenţa maximă a semnalului.

Dacă viteza de eşantionare este prea mică, din datele (eşantioanele) achiziţionate se va obţine o formă de undă complet diferită ca formă şi de frecvenţă mai mică decât semnalul iniţial. Acest efect este denumit “aliasing”. Dacă semnalul de măsurat conţine componente cu frecvenţă mai mare decât jumătate din rata de eşantionare, se recomandă utilizarea unui filtru anti-aliasing.

Modul de conversie. Unul din cele mai importante aspecte care trebuie avute în vedere la proiectarea sau analizarea unui sistem de achiziţie de date este tipul convertorului analog-digital folosit. Cele mai des întâlnite tipuri de convertoare A/D sunt:

- cu conversie tensiune/frecvenţă şi numărare (V/F counting);- cu integrare (integrating);- cu aproximări succesive (successive aproximation);- paralele (flash);- delta-sigma – pentru rezoluţii mari şi frecvenţe de lucru ridicate

Modul de transmitere a datelor. Cea mai mare parte a plăcilor (interfeţelor) de achiziţie de date transferă informaţia fie folosind întreruperile, fie folosind accesul direct

11

la memorie (DMA = Direct Memory Acces). În cazul transferurilor iniţiate de întreruperi, apariţia unei întreruperi determină oprirea programului ce rula în acel moment pe sistem şi saltul la o rutină de tratare a întreruperii. În mod obişnuit, rutina preia datele de la interfeţele de achiziţie, le depune în memorie şi execută alte eventuale procesări înainte de a reda controlul programului întrerupt.

Pe de alta parte, un transfer DMA preia datele de la interfeţele de achiziţie şi le pune direct în memoria calculatorului. După transferarea a 66 KB de date, este necesară reprogramarea controlerului DMA. Pentru a se evita pierderea de date se poate folosi un tampon de memorie FIFO care, fiind amplasat chiar pe placa de achiziţie, poate memora datele citite pe durata reprogramării. O altă soluţie poate fi şi instalarea unui al doilea canal DMA, ceea ce permite ca un canal să transfere date în timpul reprogramării celuilalt.

Având în vedere faptul că transferurile DMA sunt controlate complet prin hardware şi că se desfăşoară “în background”, ele sunt extrem de rapide. Exista şi plăci de achiziţie foarte rapide, care utilizează memorie amplasată direct pe placa de achiziţie, ceea ce face ca ele să nu fie limitate de viteza magistralei calculatorului.

Pentru aplicaţiile mai lente însă, poate fi adecvat transferul iniţial de întreruperi.

Achizitia de date cu PC-ul

12

Frecventa de esantionare 10khzFrecventa semnalului 8,2khzPerioada semnalului 121.9 us Frecventa de esantionare 10khzFrecventa semnalului 1khzPerioada semnalului 1 ms Amplitudine 5vp

Frecventa de esantionare 10khzFrecventa semnalului 3,2khzPerioada semnalului 309,2 us Amplitudine 5vpGenerare semnal:

R 3 52 5 k

R 3 3

2 k

R 3 71 0 k

R 3 1

1 0 k

R 2 91 0 k

R 2 1

2 5 K

R 2 5

1 0 0 KS E T = 0 . 5

R 2 6

5 0 KS E T = 0 . 5

C 1 2

1 0 0 n

C 8

1 0 0 n

C 9

1 0 0 n

C 1 1 3

1 0 0 n

C 7

1 n

D 1

D 1 N 4 1 4 8

U 1 A

TL 0 8 2

+3

-2

V +8

V -4

O U T1

U 1 B

TL 0 8 2

+5

-6

V +8

V -4

O U T7

U 2 A

L M 3 3 9

+5

-4

V +3

V -1 2

O U T2

V 11 5 V

V 21 5 V

00

0

00

0

1 5 V -1 5 V

0 0

-1 5 V

1 5 V

-1 5 V

1 5 V

1 5 V

-1 5 V

V 3

F R E Q = 3 0 0V A M P L = 5V O F F = 0

0

0

V

V

semnal in rampa

13

Time

0s 0.1ms 0.2ms 0.3ms 0.4ms 0.5ms 0.6ms 0.7ms 0.8ms 0.9ms 1.0msV(R21:2)

-15V

-10V

-5V

0V

5V

10V

semnal iesire/semnal intrare:

Time

0s 0.5ms 1.0ms 1.5ms 2.0ms 2.5ms 3.0ms 3.5ms 4.0msV(R29:1) V(V3:+)

-16V

-12V

-8V

-4V

0V

4V

8V

semnal dreptunghiular cu dioda si rezistenta nezburate:

Time

0s 0.500ms 1.000ms 1.500ms 2.000ms 2.406msV(V3:+)

-10V

0V

10VV(R25:2)

-20V

-10V

0V

10V

SEL>>

schema cu diode si rezistente zubarate

semnal dreptungiular fara dioda si rezistenta zburate:

Time

0.400ms 0.800ms 1.200ms 1.600ms 2.000ms 2.400ms0.035ms 2.641msV(V3:+)

-10V

0V

10VV(R25:2)

-20V

-10V

0V

10V

SEL>>

14

CONVERTOARE TENSIUNE–FRECVENŢĂ TRANSMIŢĂTOARE PE DOUĂ FIRE

(TWT)

II. Noţiuni teoretice

Convertorul tensiune-frecvenţă simplifică conversia analog-digital pentru transmiterea datelor la distanţă, pentru voltmetre numerice şi aparatură medicală. Avantajul utilizări acestor circuite pentru realizarea conversiei A/D este dată de simplitatea realizării lor şi de rejecţia perturbaţiilor prin integrare. Acest tip de convertor realizează o dependenţă liniară între tensiunea de intrare Ui şi frecvenţa obţinută la ieşire, f0. Un convertor ideal este caracterizat de relaţia:

în care kf este factorul de scală şi se măsoară în kHz/V. Pentru asigurarea unei rezoluţii ridicate şi a unor performanţe bune de măsură în jurul valorii de 0V, este necesar ca factorul de scală să fie cât mai mare. Justificarea acestei afirmaţii porneşte de la considerarea schemei celei mai generale de utilizare a convertorului, schemă prezentată în Figura 2.1.

În această figură, Circuitul Poartă permite accesul impulsurilor de frecvenţă fx de la ieşirea convertorului, la intrarea numărătorului, pe intervalul de timp de măsură TM. Relaţiile ce descriu funcţionarea acestei scheme sunt:

De exemplu, impunând ce tensiunea cea mai mică ce poate fi măsurată într-un timp să fie să fie Umin=1mV, vom avea:

15

Convertor

U/F

Numărător

fx Circuitpoartă

TM

Ux

Schema generală de principiu a convertorului tensiune-frecvenţă cuprinde un integrator, un comparator şi un generator de impulsuri (Figura 2.2). Procesul conversiei este următorul: tensiunea analogică Ui este aplicată la intrarea integratorului care generează la ieşire o rampă de polaritate opusă tensiunii Ui..

Când nivelul de tensiune al rampei atinge un prag de referinţă Vr, comparatorul trimite o comandă către generator care determină apariţia unui impuls de compensare a sarcinii acumulate pe condensatorul de integrare, C. Durata şi amplitudinea acestui impuls trebuie să asigure anularea sarcinii acumulate în condensatorul C. Astfel, tensiunea de la ieşirea integratorului devine 0V şi procesul se repetă. Cu cât Ui este mai mare, cu atât durata de atingere a pragului Vr este mai mică, determinând deci o frecvenţă mai mare a impulsurilor generate.

AAO

Dificultăţile de bază ale acestui circuit simplu sunt legate de conversia unor tensiuni apropiate de 0V, când frecvenţa generată trebuie sa fie apropiată de zero. În această situaţie, existenţa unei tensiuni de offset la intrarea integratorului îngreunează realizarea practică a acestui deziderat. Acurateţea conversiei este determinată de offset şi de precizia evacuării sarcinii acumulată în condensator, iar frecvenţa generată la ieşire este limitată superior de timpul necesar descărcării condensatorului.

Considerând că tensiunea de intrare este constantă pe durata unei perioade a tensiunii de la ieşirea convertorului, tensiunea de la ieşirea integratorului este:

Pentru atingerea pragului Vr este necesar un timp td:

16

R

Integrator

C

U

Vr

Monostabil

Ui

f

Figura 2.2. Schema de principiu a unui convertor tensiune-frecvenţă

Comparator

AO

Figura 2.1. Schemă de principiu pentru convertor analog-digital realizat cu convertor U/F.

Perioada unui ciclu este:

unde te este timpul de evacuare a sarcinii din condensator şi este o mărime constantă. Rezultă că frecvenţa impulsurilor generate la ieşirea convertorului va fi:

şi de aici rezultă că dependenţa liniară este asigurată numai dacă:

CONVERTOR U/F CU DESCARCARE RAPIDA A CONDENSATORULUI

U 1

u A 7 4 1

+3

-2

V +7

V-

4

O U T6

O S 11

O S 25

U 2

u A 7 4 1

+3

-2

V +7

V-

4

O U T6

O S 11

O S 25

2 N 2 2 2 2 A / Z TX

R 1

1 0 k

R 2

1 0 k

R 3

3 3 k

R 48 2 0

R 5

3 3 k

R 6

1 6 k

C 1

1 0 n

D 1D 1 N 4 1 4 8

D 2D 1 N 4 1 4 8

D 3D 1 N 7 4 6

V 11 5 V d c

V 21 5 V d c

0

0

0

0

0

v

v -

v -

v

v

v -

v

V 32 . 5 V d c

17

CONVERTOR U/F CU DESCARCAREA CONDENSATORULUI LA CURENT CONSTANT

U 1

u A 7 4 1

+3

-2

V+

7V

-4

O U T6

O S 11

O S 25

U 2

u A 7 4 1

+3

-2

V+

7V

-4

O U T6

O S 11

O S 25

R 1

2 0 k

R 2

1 0 k

R 31 0 k

R 41 0 k

R 5

3 3 k

R 6

3 3 k

R 7

1 5 kQ 1Q 2 N 2 2 2 2

C 1

1 0 n

0

0

0

0 0

V 11 . 5 V d c

V 21 5 V

V 31 5 V

v

V -

V

V -

V -

V

V

V

Time

0s 0.2ms 0.4ms 0.6ms 0.8ms 1.0ms 1.2ms 1.4ms 1.6ms 1.8ms 2.0msV(C1:2)

-4.0V

0V

4.0V

8.0V

Time

0s 0.2ms 0.4ms 0.6ms 0.8ms 1.0ms 1.2ms 1.4ms 1.6ms 1.8ms 2.0msV(R4:2)

-5V

0V

5V

10V

18

TRANSMIŢĂTOARE PE DOUĂ FIRE (TWT)

II. Noţiuni teoretice Achiziţia semnalelor de la traductoare (punte rezistivă, termocuplu, termorezistenţă, etc.) aflate la distanţă faţă de calculatorul de proces presupune o dublă condiţionare a acestor semnale. Cum majoritatea acestor tipuri de traductoare furnizează un semnal de ieşire de valoare mică (de regulă o tensiune de ordinul mV – zeci de mV) şi sunt situate la distanţă faţă de sistemul de prelucrare, informaţia dată de ele nu se poate transmite direct la calculatorul de proces. Este necesară o procesare locală a informaţiei (amplificare), urmată apoi de o conversie într-un format care să nu fie influenţat de perturbaţiile de natură electromagnetică din mediul înconjurător sau de lungimea firelor de legătură. Un astfel de semnal este curentul electric. Domeniul de curent care se foloseşte în sistemele de măsură şi control industriale este standardizat, putând fi între 0 20mA, 2 10mA sau 4 20mA. Pentru conversia din tensiune în curent se pot utiliza circuite speciale, numite transmiţătoare pe două fire (TWT – Two-Wire Transmitter), care se pot alimenta şi transmite informaţia (curent) pe o singură pereche de fire.

Cea de-a doua condiţionare a semnalelor de la traductoare se face la

sistemul de achiziţie, prin receptorul de curent (RCV), unde semnalul este

convertit în tensiune cu un nivel compatibil cu intrarea convertorului analog-

digital (ADC).

Sistemul de măsurare format din TWT şi RCV se numeşte buclă de curent şi are schema bloc următoare:

Time

0s 10ms 20ms 30ms 40ms 50ms 60ms 70ms 80ms 90ms 100msV(R7:2)

-20V

0V

20V

SEL>>

V(U2:-)-10V

0V

10V

19

Figura 2.1 Bucla de curent 420mA

III. TRANSMIŢĂTOARE PE DOUĂ FIRE - TWT

Un transmiţător pe două fire (TWT) este un circuit care permite transmiterea simultană a semnalului şi a tensiunii de alimentare a circuitului pe o singură pereche de fire. Principiul de funcţionare se bazează pe modularea curentului de alimentare absorbit de circuit în funcţie de semnalul aplicat la intrarea transmiţătorului. Cum transmisia informaţiei pe linie se face sub forma unui curent, din principiul de funcţionare rezultă că pe linie vom avea un curent diferit de zero chiar şi pentru un semnal de intrare nul. Acest curent minim este curentul de alimentare absorbit de transmiţător în absenţa semnalului la intrare. Pentru cele două domenii de curent standardizate, curentul minim este 2mA, respectiv 4mA. Utilizarea transmiţătoarelor pe două fire în bucle de curent asigură o imunitate a semnalelor la zgomote şi interferenţe de natură electromagnetică produse de motoare, relee, transformatoare, comutatoare şi alte echipamente şi utilaje industriale, precum şi o imunitate la erorile cauzate de impedanţa firelor de legătură lungi (impedanţa liniei). Un alt avantaj al circuitelor TWT este acela că nu necesită o sursă de alimentare locală, acolo unde se face măsurarea.

Simularea circuitului

Atunci când nu se cunoaşte structura internă exactă a unui circuit, simularea

în SPICE se poate face folosind un MACROMODEL al circuitului respectiv.

Macromodelarea este o metodă de analiză prin care circuitul respectiv este

simulat din punct de vedere al comportării lui, şi nu din punct de vedere al

schemei electrice interne. Realizarea unui macromodel pentru un circuit se face

plecând de la funcţia sa de transfer, prin utilizarea surselor de tensiune şi de

curent comandate. Simulatorul SPICE recunoaşte 6 tipuri de surse:

20

- surse de tensiune independentă (V);

- sursă de curent independentă (I);

- surse de tensiune comandată în tensiune (E);

- surse de tensiune comandată în curent (H);

- surse de curent comandată în tensiune (G);

- surse de curent comandată în curent (F);

Programul SPICE al TWT

*twt.SUBCKT TWT a b c d e f g outRi a b 100megE1 f g1 a b 40F1 c out v 1V g g1 dc 0 ac 0R2 f g1 100MegR3 g1 out 100gI0 c out 2mG1 c out a b 0.016 I1 c d 1mR01 c d 100gI2 c e 1mR02 c e 100g.ENDS TWTx 3 4 1 4 4 5 6 2 TWT Vi 3 4 100mVRs 5 6 278

21

R 4 2 2.5kvcc 1 0 24vRL 2 0 75.dc vi 0 100m 1m.probe.end

*twt.SUBCKT TWT a b c d e f g outRi a b 100megE1 f g1 a b 40F1 c out v 1V g g1 dc 0 ac 0R2 f g1 100MegR3 g1 out 100gI0 c out 2mG1 c out a b 0.016 I1 c d 1mR01 c d 100gI2 c e 1mR02 c e 100g.ENDS TWT

x 3 4 1 4 4 5 6 2 TWT Vi 3 4 100mV

Rs 5 6 rmod 1 R 4 2 2.5k

vcc 1 0 24vRL 2 0 75.model rmod res(r=10).dc res rmod(r) 250 300 1.probe.end

Vi

0V 10mV 20mV 30mV 40mV 50mV 60mV 70mV 80mV 90mV 100mVI(RL)

4mA

8mA

12mA

16mA

20mA

22

23