prelucrarea semnalelor curs5

20
SAD-uri multicanal cu multiplexare analogică În cazul când frecvenţa de eşantionare impusă nu este prea mare, iar CAN-ul poate executa toate conversiile pe cele n canale între două eşantionări succesive, se utilizează SAD-uri multicanal, cu Un ciclu global de conversie este alcătuit din n cicli individuali de conversie în care, succesiv, fiecare intrare este adusă prin intermediul multiplexorului analogic la intrarea DER-ului unde este eşantionată şi reţinută, este convertită în echivalent numeric de CAN şi

Upload: amelia-giura

Post on 02-Oct-2015

142 views

Category:

Documents


3 download

DESCRIPTION

Prelucrarea Semnalelor

TRANSCRIPT

  • SAD-uri multicanal cu multiplexare analogicn cazul cnd frecvena de eantionare impus nu este prea mare, iar CAN-ul poate executa toate conversiile pe cele n canale ntre dou eantionri succesive, se utilizeaz SAD-uri multicanal, cu multiplexare analogic, ca n figura alaturataUn ciclu global de conversie este alctuit din n cicli individuali de conversie n care, succesiv, fiecare intrare este adus prin intermediul multiplexorului analogic la intrarea DER-ului unde este eantionat i reinut, este convertit n echivalent numeric de CAN i memorat n locaia corespunztoare din RT

  • SAD-uri multicanal cu multiplexare analogicPentru semnale de nivel sczut se utilizeaz SAD-uri cu multiplexare analogic avnd n intrare configuraia din figura.Pentru a diminua efectul perturbaiilor se utilizeaz ecranarea individual i eventual filtrarea trece-jos pasiv (cu capacitate), n consecin multiplexorul analogic trebuie s fie capabil s comute att firele de semnal ct i ecranul. Preluarea semnalului util se face cu un amplificator instrumental cu gardare (ecran) avnd factorul de amplificare programabil, n acest fel utilizndu-se ct mai eficient rezoluia conversiei analog-numerice

  • SAD-uri multicanal cu multiplexare analogicSistemele de achiziie de date, servesc la achiziia de date multicanal a mrimilor analogice i/sau digitale.Dac pentru achiziia datelor digitale problemele sunt relativ simple (o condiionare a semnalelor, transformarea n semnal logic, multiplexarea digital a canalelor), la achiziia mrimilor analogice se pun probleme mai complexe legate att de condiionarea precis a semnalelor (amplificare, filtrare) ct i de regimul de achiziie: asincron sau sincron.

    1. Sisteme de achiziie asincrone cu multiplexarea intrrilor analogicen multe aplicaii industriale i generale este necesar achiziia unui numr mare de mrimi cu variaie lent n timp. Pentru aceste aplicaii s-au dezvoltat modulele de achiziie asincrone, care permit culegerea de date de la 4,..64 canale de semnal utiliznd un singur circuit de eantionare - memorare SH (DER) i un singur convertor analog - digital ADC (CAN) (fig. de pe slideul urmator).Semnalele de intrare u1, u2, ... sunt multiplexate analogic, aplicate succesiv la amplificatorul programabil AP i convertite succesiv n cod numeric de n bii.

  • SAD-uri multicanal cu multiplexare analogicMemoria tampon FIFO permite stocarea unui volum de date (de la 0,5 kB la l MB, dup tipul de modul) pe timp scurt, pentru a fi transmise la calculator cnd magistrala devine disponibil. Prin interfaa de magistrala BUS - IF se deruleaz transferul de date de la modul spre calculator i transferul de date i semnale de control de la calculator spre modul.

  • SAD-uri multicanal cu multiplexare analogicPrin semnalele de control calculatorul impune modulului de achiziie:frecvena de eantionare a semnalelor de intrare;adresa canalului ce urmeaz a fi achiziionat;amplificarea concret pentru canalul selectat;declanarea procedurii de eantionare-memorare- conversie A/D.Magistrala de date i control D & C de pe SAD este de obicei o magistral slave. Modulul nu dispune de alimentare proprie: preia tensiunile de alimentare i semnal de clock de pe magistrala calculatorului.Transferul de date de la modulul de achiziie la calculator se poate derula n regim de ntrerupere (IRQ - Interrupt ReQuest) a activitii procesorului sau n regim DMA (Direct Memory Access), cnd transferul are loc sub supravegherea controlerului DMA a calculatorului, iar procesorul continu n paralel derularea sarcinilor curente.Diagrama temporal a procesului de achiziie multicanal asincron este reprezentat pentru cazul achiziiei baleiate n figura de pe slide-ul urmator. Achiziia baleiat este modul de lucru prin care se culeg ciclic datele de la fiecare canal, n ordinea u1,u2,uk2, u1, u2,n diagram : M - reprezint semnalul aflat la ieirea multiplexorului; S/H - comanda circuitului de eantionare - memorare (S/H= l comand eantionarea, S/H =0 comand memorarea semnalului analogic tocmai multiplexat), SC - Start Conversie, EC - End Conversie.

  • SAD-uri multicanal cu multiplexare analogicDac la momentul t1 la ieirea multiplexorului este selectat canalul u1 iar semnalul este eantionat, acesta se memoreaz. Conversia analog-digital nu poate ncepe naintea ncheierii regimului tranzitoriu al circuitului SH, caracterizat prin durata ap = tap + ts.

  • SAD-uri multicanal cu multiplexare analogicLa momentul t2 (t2 t1 > ap ) se comand declanarea conversiei analog - digitale, care are durata egal cu timpul de conversie Tc. La t3 convertorul ADC prin EC semnaleaz terminarea conversiei, data numeric N1 (codul numeric corespunztor eantionului luat din M;) fiind validat pentru preluarea ei la momentul ts prin stocarea acesteia n memoria FIFO.Dup terminarea procesului tranzitoriu de trecere de la eantionare la memorarea eantionului ( ap ) multiplexorul poate comuta pe canalul urmtor (u2). Pn la terminarea conversiei primului eantion (t3) este timp suficient pentru ca noul semnal s se stabilizeze la ieirea multiplexorului (tm < Tc , tm - timpul de stabilire al multiplexorului analogic). Astfel, imediat dup ncheierea conversiei A/D se poate comanda eantionarea urmtorului semnal u2. Eantionarea necesit un timp minim e , pentru ca tensiunea de pe condensatorul de memorare (din SH) s ajung la valoarea instantanee a tensiunii de eantionat.Dup timpul minim necesar eantionrii, e , se poate comanda memorarea celui de-al doilea eantion (momentul t6 ), dup care totul se deruleaz similar ca la eantionul anterior. Data NI se invalideaz, dar ea este salvat n memoria tampon.Ciclul de achiziie al unui canal este cuprins ntre momentele t1 i t6 . Timpul de achiziie al unui eantion de pe un canal este :to = ap +Tc + e (1)

  • SAD-uri multicanal cu multiplexare analogicAchiziia asincron se poate realiza n trei moduri:Achiziia monocanal, cnd din cele 2k canale se alege un singur canal de semnal (permanent sau temporar) i se realizeaz o eantionare la frecvena de achiziie maxim a modulului, care poate ajunge pn la 1 MSps.Achiziia muticanal baleiat are loc dup un ciclu identic de succesiune a canalelor. Dac toate 2k canale au semnale de intrare i toate trebuie achiziionate, timpul de achiziie multicanal (intervalul de timp ntre dou eantioane consecutive ale aceluiai canal) este: Tac = 2k t0 Acest mod de achiziie este utilizat n cazul n care toate semnalele au prioriti identice i/sau au comportri dinamice similare (ex.2k canale ai parametrilor unui proces tehnologic: temperaturi, presiuni, debite). Achiziia multicanal cu selectarea prin soft a canalelor este utilizat n cazul cnd un grup de canale au semnale de prioritate mai mare i/sau au comportarea dinamic mult diferit fa de alt grup de canale. Ordinea de comutare a canalelor este impus prin programul rezident n calculator.

  • SAD-uri multicanal cu multiplexare analogic2. Sisteme de achiziie sincrone cu multiplexarea intrrilor analogice

    Similar cu sistemul asincron i acest modul are un singur amplificator programabil AP, un convertor analog - digital ADC, memoria FIFO i interfaa de magistral BUS-IF.

  • SAD-uri multicanal cu multiplexare analogicCircuitele SH de la intrare pot fi comandate cu semnale S/H diferite pentru fiecare canal, cnd se obine o achiziie asincron, sau toate semnalele S/H devin identice, n cazul achiziiei sincrone. Achiziia asincron cu acest gen de modul poate fi utilizat fie pe toate canalele, fie selectiv pe anumite canale, pe altele fiind realizat achiziia sincron. Pe magistrala slave de date i control D&C a modulului se vehiculeaz acelai tip de mesaje ca la modulele asincrone, adic date msurate, comenzi privitoare la canalul multiplexat, amplificarea particular pentru fiecare canal i mesaje de control privind declanarea unor secvene de funcionare. Transferul de date de la modul spre magistrala calculatorului poate avea loc n regim DMA sau de ntrerupere IRQ. Diagramele de timp pentru achiziia sincron multicanal sunt prezentate pe slideul urmator:

  • SAD-uri multicanal cu multiplexare analogicDup eantionarea simultan a canalelor de semnal la momentul t1 se declaneaz starea de memorare: circuitele SH rein eantioanele U1 , U2 , ... din acelai moment al tuturor semnalelor. Urmeaz multiplexarea succesiv i conversia A/D a eantioanelor.ntrzierea minim (tm -timpul de stabilire a multiplexorului) de la selectarea unui canal la multiplexor trebuie respectat pentru a se putea declana conversia A/D (SC) a tensiunii eantionate, de la ieirea multiplexorului.

  • SAD-uri multicanal cu multiplexare analogicDeci dup selectarea canalului U1 , i a timpului tm , n momentul t2 se declaneaz conversia analog - digital (SC). Conversia are loc pe durata Tc (timp de conversie). Dup semnalul de terminarea conversiei (EC la t3 ) data N1 este valid i se transfer (la t4 ) n memoria FIFO. Simultan cu EC se trece multiplexorul la urmtorul eantion U2, ca dup timpul de stabilire tm s se declaneze conversia A/D al celui de-al doilea eantion .La ncheierea multiplexrii tuturor celor n canale de semnal se culege un nou eantion sincron (S/H = 1) de pe toate canalele iar dup timpul necesar eantionrii e se repet multiplexarea i culegerea datei de pe primul canal.Dou eantioane succesive ale aceluiai canal de semnal se pot culege n timpul de achiziieTac = e + n ( tm + Tc )Acest tip de modul de achiziie (sincron cu multiplexare analogic) are dou caracteristici importante:este mai rapid fa de modulele de achiziie asincrone;permite achiziia de date cu eantioane simultane n timp, fapt important n anumite aplicaii (procesarea sunetului i a vorbirii, msurarea puterii i a energiei electrice).

  • SAD-uri multicanal cu multiplexare numericPentru achiziia semnalelor analogice, care necesit o frecven de eantionare la limita performanelor CAN-urilor, se realizeaz SAD-uri multicanal avnd structura - pe fiecare canal - a SAD-urilor monocanal, iar valorile numerice sunt transmise mai departe prin intermediul unei multiplexri numerice (figura)Sunt avantajoase din urmtoarele considerente:- se pot utiliza CAN-uri relativ lente i n consecin ieftine;- sunt foarte indicate la aplicaii industriale, cu traductoare rspndite pe o suprafa mare;- procesorul local PL poate opera asupra datelor numerice ce urmeaz a fi multiplexate.

  • SAD-uri multicanal cu multiplexare numeric1. SAD sincron cu multiplexare digitalEste varianta cea mai rapid, dar i cea mai scump n achiziia de date: Fiecare semnal are propria cale de amplificare, eantionare - memorare, conversie analog-digital, iar datele convertite n cod numeric (cuvintele binare) vor fi multiplexate pentru ncrcare n memoria FIFO.

  • SAD-uri multicanal cu multiplexare numericSemnalele de comand pentru procesul de eantionare-memorare S/H sunt unice (achiziie sincron), la fel comanda pentru declanare a conversiei A/D (SC). Fiecare convertor ADC indic independent terminarea conversiei analog-digitale (EC) iar multiplexarea digital se produce dup ce ultimul ADC a confirmat ncheierea conversiei.Cuplarea modulului la magistrala calculatorului se face similar cu celelalte module (prin interfaa BUS - IF). Ciclul de achiziie a dou eantioane consecutive de pe acelai canal este independent de numrul de canale ale achiziiei multicanal, timpul de achiziie fiindTac = e + ap + TcMenionm c timpul de stabilire al multiplexorului digital este neglijabil n comparaie cu timpul de stabilire al multiplexorului analogic.Convertoarele analog-digitale utilizate n modulele de achiziie cu multiplexoare analogice sunt cu aproximri succesive fie n variant cu un etaj de 10...12 bii, fie n variant pipe-line (paralel - serie) cu rezoluie de 12...16 bii. Unele produse actuale pentru achiziia sincron cu multiplexare digital conin convertoare analog - digitale cu supraeantionare cu modulaie sigma - delta, deoarece cu acestea se pot realiza rezoluii de 16...24 bii.

  • SAD-uri multicanal cu multiplexare numericDintre aplicaiile tipice de achiziie sincron cu multiplexare digital mai importanta este achiziia de semnale vocale sau semnale audio, n aceste cazuri frecvenele de eantionare se afl pe o scar progresiv impus prin program. Astfel:semnalele vocale se eantioneaz cu frecvenele de eantionare : fs = 2; 2,5; 3; 4; 5; 6; 8, 10, 12; 16; 20; 24 kSps;pentru semnale audio frecvenele de eantionare sunt : fs = 4; 5,5125; 6; 6,4; 8; 11,025; 12; 12.8; 16; 22,05; 24; 25,6; 32; 44,1; 48; 51,2 kSps.Adesea modulele de achiziie sincron cu multiplexare digital sunt dedicate pentru procesare de date n timp real, n acest scop pe modul se include i un circuit specializat de tipul unui procesor digital de semnale DSP.Trebuie remarcat faptul c modulele de achiziie sincron cu multiplexarea ieirilor convertoarelor analog-digitale sunt cele mai performante dar i cele mai scumpe. De aceea nu se construiesc asemenea module cu mai mult de 2 sau 4 canale de semnal.

  • SAD-uri multicanal cu multiplexare numericn unele sisteme de achizitii se utilizeaz mai multe convertoare A/D (ca in figura de mai jos), la intrarea fiecrui convertor fiind multiplexate ieirile unui anumit numr de circuite pentru eantionare-memorare, din numrul total al circuitelor similare prevzute n schem. Ieirile convertoarelor digital analogice sunt multiplexate numeric, Aceast variant prezint o vitez de achiziie sporit fa de schema precedenta.

  • Sisteme de distribuire a datelor (SDD)Dup ce datele au fost achiziionate, prelucrate numeric de dispozitivele de automatizare, ele trebuie distribuite ctre elementele de acionare sub form de comenzi numerice sau analogiceProbleme deosebite ridic sistemele de distribuie a datelor sub form analogic, care necesit prezena unui CNA, a cror performane sunt date de:- rezoluia i precizia conversiei numeric-analogice;- numrul canalelor analogice servite;- frecvena de extragere a eantioanelor de date pe fiecare canal;- timpul de stabilizare impus semnalului analogic pe canal;- natura sarcinii i puterea absorbit de aceasta pe fiecare canal;- costul SDD-ului. Distribuirea datelor este mai puin sensibil la perturbaii ca achiziia acestora, totui zgomotul provocat de cuantizare i eantionare deranjeaz, de aceea dup CNA se prevd circuite de ieire care conin filtre urmate de amplificatoare de putere (repetoare).

  • SDD-uri cu CNA pe fiecare canal analogicn figura alaturata este prezentat structura unui SDD cu CNA pe fiecare cale.Datele, prezente secvenial pe magistrala de date, sunt ncrcate succesiv n registrele temporare RT1, ..., RTn (sub supervizarea blocului de comenzi) i, fiind prezente n permanen la intrrile CNA1, ..., CNAn, sunt transformate n ieirile analogice x1(t), ..., xn(t).Dac este necesar ca momentul schimbrii mrimilor analogice din ieire s fie acelai se prevd registrele suplimentare RT1, ..., RTn a cror ncrcare se face simultan, dup ce s-au ncrcat secvenial RT1, ..., RTnConcluzie: se poate opera pe o comunicaie serial ntre unitatea de prelucrare i SDD

  • SDD-uri cu un singur CNA i memorie analogic pe fiecare canalUn astfel de SDD este prezentat n figura alaturataDatele sosite pe magistrala de date a sistemului sunt memorate secvenial - canal cu canal - n registrul temporar RTDup conversia numeric analogic datele sunt memorate analogic n blocurile de eantionare i memorare analogic EMA, la momentele date de timpii de eantionare Te1, Te2, ..., Tenntre dou momente de eantionare succesiv pe acelai canal de ieire, informaia analogic memorat nu trebuie s se altereze esenial, n consecin se procedeaz la remprosptarea periodic a memoriei analogice.Sunt recomandate la rezoluii moderate - tipic 8 bii.