Miernictwo komputerowe

Sławomir Grzelak

semestr zimowy 2009/2010

Wykład odbywa się w poniedziałek 12.15-14.00 w sali 26 IF
Liczba godzin wykładu: 30
Laboratorium: 12 ćwiczeń do realizacji

1

Plan wykładu

1. Struktura systemu pomiarowego

2. Rola mikrokontrolera w systemach pomiarowych

3. Rola komputera w systemach pomiarowych

4. Przetworniki cyfrowo-analogowe i analogowo-cyfrowe

(a) układy próbkująco-pamiętające

(b) przetworniki z drabinką rezystorów i R-2R

(c) przetworniki całkujące i sigma-delta

5. Szumy i zakłócenia

6. Detektor fazoczuły analogowy oraz cyfrowy

7. Interfejsy pomiarowe: RS232, 1-WIRE, GPIB, I2C, ETHERNET

8. Bezprzewodowe systemy pomiarowe

9. Rozproszone systemy pomiarowe

10. Karty pomiarowe

11. Przyrządy wirtualne

12. Układy pomiarowo-sterujące

2

13. Cyfrowe przetwarzanie sygnałów

14. Czujniki inteligentne

Literatura

[1] Nawrocki W.: Komputerowe systemy pomiarowe

[2] Nawrocki W.: Rozproszone systemy pomiarowe

[3] Metzger P.: Anatomia PC. Kompendium

[4] Smith S.: Cyfrowe przetwarzanie sygnałów

[5] Pełka R.: Mikrokontrolery. Architektura, programowanie, zastosowania

[6] Świsulski D.: Komputerowa technika pomiarowa. Oprogramowanie wirtualnych przyrządów

pomiarowych w LabVIEW

[7] Katalogi i noty aplikacyjne firmy Analog Devices (www.analog.com)

[8] Katalogi i noty aplikacyjne firmy National Semiconductor (www.national.com)

[9] Katalogi i noty aplikacyjne firmy Motorola (www.motorola.com)

[10] Chwaleba A., Poniński M., Siedlecki A.: Metrologia elektryczna

[11] Notatki z wykładów

3

Podstawowe definicje

Miernictwo jest to część praktyczna metrologii. Obejmuje techniczne aspekty wykonywania po-
miarów, przesyłania i gromadzenia danych pomiarowych oraz obróbkę tych danych.

Obszary stosowalności:

ˆ wojskowość: radar, sonar, sterowanie pocisków

ˆ medycyna: tomografia, EKG, USG

ˆ przemysł: sterowanie procesami technologicznymi

ˆ nauka: spektroskopia

Sygnał jest to nośnik informacji (abstrakcyjny model dowolnej mierzalnej wielkości zmieniającej
się w czasie, generowanej przez zjawiska fizyczne lub systemy pomiarowe
Układ- operator działający na sygnał
Sygnał analogowy- ciągły w czasie i przyjmujący ciągły zakres amplitud (płyty winylowe, tele-
wizja analogowa)
Sygnał dyskretny o czasie analogowym - wartości przebiegają zbiór przeliczalny (zliczanie
cząstek)
Sygnał dyskretny o czasie dyskretnym - zliczanie cząstek układem typu BOX-CAR

4

Struktura układu pomiarowego

Badany obiekt

Czujniki bezstykowe

Czujniki stykowe

Dalsze

Pamięć

Wskazanie

kondycjonowanie

Pamięć

komutacyjna

kondycjonowanie

Wstępne

Transmisja

Układ pomiarowy

Przetwarzanie

Regeneracja, przetwarzanie, kształtowanie

Wizualizacja

Z

a

b

e

z

p

ie

c

z

e

n

ia

Z

a

s

il

a

n

ie

wstępne

5

Układy kondycjonujące

Operacje na sygnale analogowym:

ˆ Wzmacnianie - wzmacniacze poprawiają dokładność i czułość toru pomiarowego szczególnie

przy niskich sygnałach dopasowując zmiany wartości do zakresu napięć wejściowych. Stosując
wzmacniacz blisko źródła sygnału redukuje się szumy i zakłócenia w torze pomiarowym.

ˆ Tłumienie - tłumiki znajdują zastosowanie przy pomiarach sygnałów wysokonapięciowych.

ˆ Izolowanie - zabezpiecza drogie przyrządy pomiarowe przed skokami napięcia, pozwala prze-

rwać pętlę powstającą przez uziemienie. Można zrealizować separację galwaniczną poprzez
użycie transformatora, opto-izolacji lub kondensatora.

ˆ Filtrowanie - usuwanie z widma częstotliwościowego nieporządanych składników. Filtr dol-

noprzepustowy zabezpiecza przed aliasingiem

ˆ Wzbudzanie - dostarczanie sygnałów (mocy) potrzebnych do działania czujnika. Czujnik

rezystancyjny wymaga doprowadzenia prądu.

ˆ Kalibracja - poprawia dokładność pomiaru poprzez kompensację nieliniowości.

ˆ Kompensacja zimnego złącza - termopary wytwarzają napięcie proporcjonalne do różnicy

temperatury złącz. Układ poprawia dokładność pomiaru temperatury.

ˆ Układy sample-and hold

6

7

Rysunek 1: Konwerter pr?d napi?cie

Przykładowe układy kondycjonujące

Konwerter prąd-napięcie

Filtry analogowe

8

Schemat blokowy czujnika wilgotności

Środowisko

Membrama

elektryczny

Mostek

belka

Dźwignia

mechaniczna

Przetworzenie

∆L w Θ

Obrót

wskazówki

Tor elektryczny

Tor mechaniczny

Zgięta

∆R

∆V

V

OU T

∆L

Θ

tryczny

tensome-

Czujnik

k

9

W wyniku pomiaru otrzymujemy ilościowe porównanie za pomocą liczb danej wielkości do wzor-

ca. Wartość liczbowa miary podstawowej wynosi jeden, stąd jej nazwa-jednostka miary. Konkretne
wartości wielkości można przedstawiać zarówno wielokrotnościami, jak i ułamkami jednostek, a
same wartości, o ile to możliwe, mogą być zarówno dodatnie, jak i ujemne.

Układ SI zawiera:

1. 7 jednostek podstawowych:

ˆ metr jest to odległość, jaką pokonuje światło w próżni w czasie 1/299 792 458 s,
ˆ kilogram jest to masa międzynarodowego wzorca (walca o wysokości i średnicy pod-

stawy 39 mm wykonanego ze stopu platyny z irydem) przechowywanego w Międzyna-
rodowym Biurze Miar w Sevres koło Paryża,

ˆ sekunda jest to czas równy 9 192 631 770 okresów promieniowania odpowiadające-

go przejściu między dwoma poziomami F = 3 i F = 4 struktury nadsubtelnej stanu
podstawowego

2

S

1/2

atomu cezu

133

Cs (powyższa definicja odnosi się do atomu cezu w

spoczynku, w temperaturze 0K),

ˆ amper prąd o natężeniu 1 A, jest to stały prąd elektryczny, który płynąc w dwóch rów-

noległych, prostoliniowych, nieskończenie długich przewodach o znikomo małym prze-
kroju kołowym, umieszczonych w próżni w odległości 1 m od siebie, spowodowałby
wzajemne oddziaływanie przewodów na siebie z siłą równą 2ˇ10 -7 N na każdy metr
długości przewodu,

ˆ kelwin jednostka temperatury równa 1/273,16 temperatury termodynamicznej punktu

potrójnego wody,

10

ˆ mol jest to liczność materii układu zawierającego liczbę cząstek (np. atomów, cząste-

czek, jonów, elektronów itp.) równą liczbie atomów w masie 12 gramów izotopu węgla

12

C,

ˆ kandela jest to światłość, z jaką świeci w określonym kierunku źródło emitujące pro-

mieniowanie monochromatyczne o częstotliwości 540 ∗ 10

12

Hz, i którego natężenie w

tym kierunku jest równe (1/683) W/sr,

2. 2 jednostki uzupełniające:

ˆ radian - rad - jednostka miary kąta płaskiego (jest to kąt płaski równy kątowi mię-

dzy dwoma promieniami koła, wycinającymi z okręgu tego koła łuk o długości równej
promieniowi 1 rad = 180

°/π),

ˆ steradian - sr - jednostka miary kąta bryłowego (jest to kąt bryłowy o wierzchołku w

środku kuli wycinający z powierzchni tej kuli pole równe kwadratowi promienia),

3. jednostki pochodne, spójne z jednostkami podstawowymi i uzupełniającymi,

4. przedrostki SI.

11

Jednostki pochodne (elektromagnetyczne)

Wielkość

nazwa

oznaczenie

w jednostkach podstawowych

ładunek elektryczny

kulomb

C

A ∗ s

napięcie elektryczne

volt

V

kg ∗ m

2

∗ s

−3

∗ A

−1

pojemność elektryczna

farad

F

kg

−1

∗ m

−2

∗ s

4

∗ A

2

rezystancja

ohm

Ω

kg ∗ m

2

∗s

−3

∗ A

−2

przewodność elektryczna

siemens

S

kg

−1

∗ m

−2

∗ s

3

∗ A

2

strumień magnetyczny

weber

Wb

kg ∗ m

2

∗ s

−2

∗ A

−1

indukcja magnetyczna

tesla

T

kg ∗ s

−2

∗ A

−1

indukcyjność

henr

H

kg ∗ m

2

∗ s

−2

∗ A

−2

12

Wzmacniacze operacyjne (operation amplifier)

Idealny wzmacniacz operacyjny charakteryzuje się nieskończenie wielką rezystancją wejścio-

wą R

we

i nieskończenie wielkim wzmocnieniem napięciowym A

u

- wzmocnieniu podlega napięcie

różnicowe U

o

= A

u

U

d

= A

u

(U

+

− U

−

). W rzeczywistych układach rezystancja wejściowa jest bar-

dzo duża, rzędu megaomów, natomiast wzmocnienie napięciowe rzędu stu-kilkudziesięciu decybeli
(10

4

÷10

7

)V /V

13

Budowa wzmacniaczy operacyjnych (uproszczony schemat AD829)

14

Budowa stopnia wejściowego uA741

15

Parametry wejściowe:

1. Input Offset Voltage (V

oi

)- napięcie, które musi być podane do jednego z wejść aby uzyskać

zerowe napięcie wyjściowe. Dla idealnego wzmacniacza wejściowe przesunięcie napięcia wynosi
zero.

2. Input Bias Current (I

b

)- wejściowy prąd polaryzujący, w przypadku wzmacniaczy ope-

racyjnych jest to zwykle bardzo mały prąd rzędu nA. W przypadku idealnym prąd I

b

jest

równy na dwóch wejściach.

3. Input Offset Current (I

os

)- wejściowy prąd niezrównoważenia. Jest to różnica między

prądami polaryzującymi płynącymi na dwóch wejściach, gdy napięcie wyjściowe wynosi zero.

4. Input Voltage Range (V

cm

)- przedział napięć wejściowych mierzony względem masy.

5. Input Resistance (Z

i

)- rezystancja wejściowa wzmacniacza

Parametry wyjściowe:

1. Output Resistance (Z

oi

)- rezystancja wyjściowa.

2. Output Short-Circuit Current (I

osc

)- maksymalny prąd uzyskiwany z wyjścia.

3. Output Voltage Swing (V

omax

)- maksymalna wartość napięcia wyjściowego bez nasycenia

lub obcinania.

16

Parametry dynamiczne:

1. Open-Loop Voltage Gain (A

ol

)- współczynnik wzmocnienia z otwartą pętlą sprzężenia

zwrotnego.

2. Large-Signal Voltage Gain - wzmocnienie napięciowe dla dużych sygnałów wejściowych.

3. Slew Rate (SR)- szybkość reakcji czy też stromość zbocza, parametr szczególnie istotny

dla elementów pracujących w „szybkich” układach.

17

Sprzężenie zwrotne

Ujemne sprzężenie zwrotne zmniejsza wzmocnienie, co jednak nie jest negatywnym zjawiskiem, a
pożądanym, ponieważ:

1. poszerza zakres pracy liniowej,

2. zmniejsza wrażliwość na zakłócenia,

3. poszerza pasmo przenoszenia,

4. parametry wzmacniacza objętego pętlą sprzężenia zwrotnego zależą w zasadzie wyłącznie od

elementów wchodzących w skład obwodów sprzężenia zwrotnego.

Wzmocnienie układu z pętlą sprzężenia zwrotnego dane jest wzorem:

k

u

=

A

u

1+βA

u

=

1

1

Au

+β

gdzie:
* A

u

- wzmocnienie napięciowe wzmacniacza operacyjnego

* β - współczynnik sprzężenia zwrotnego (β ∈ [0, 1]), określa ile procent sygnału wyjściowego

wraca z powrotem na wejście; może być on niezależny od częstotliwości sygnału, albo zależny (co
jest podstawą działania filtrów aktywnych).

Pamiętając, że A

u

= 10

4

÷ 10

7

widać, że ułamek

1

A

u

będzie bardzo mały, o wiele mniejszy niż

β i praktycznie wartość β decyduje o wzmocnieniu całego układu.

18

Wzmacniacz odwracający

wzmacniacz operacyjny nie pobiera prądu ⇒ I płynący przez obydwa rezystory identyczny.
potencjały obu wejść są jednakowe (bo U

+

= U

−

), skąd wynika, że oba wejścia wzmacniacza

operacyjnego są na potencjale masy. Dlatego napięcie na rezystorze R

1

jest równe −U

W E

, skąd

I = −

u

we

R

1

. Podobnie napięcie na rezystorze R

2

jest równe U

W Y

i tutaj również prąd I =

u

wy

R

2

.

Przyrównując prądy:

−

u

we

R

1

=

u

wy

R

2

−

R

2

R

1

=

u

wy

u

we

= k

u

19

Wzmacniacz nieodwracający

Prąd płynący przez R

1

dany jest wzorem

u

we

R

1

, a dla R2 wzór ma postać

u

wy

−u

we

R

2

. Po przyrów-

naniu otrzymujemy:

u

we

R

1

=

u

wy

−u

we

R

2

R

2

u

we

= R

1

u

wy

− R

1

u

we

u

we

(R

1

+ R

2

) = R

1

u

wy

R

1

+R

2

R

1

=

u

wy

u

we

20

Wtórnik napięciowy

Rezystancja wejściowa wtórnika jest bardzo duża (układy te są stosowane w celu odseparowania

źródła sygnału od odbiornika)

21

Konwerter prąd-napięcie

Napięcie wyjściowe układu konwertera jest wprost proporcjonalne do prądu i

we

wpływającego

do układu i równe u

wy

= −i

we

R. Układy są stosowane do mierzenia niewielkich prądów (rzędu

piko amperów), m.in. do pomiaru natężenia światła.

22

Wzmacniacz sumujący

Prąd I jest sumą prądów wejściowych I = I

1

+ I

2

; napięcia na wejściach wzmacniacza opera-

cyjnego są równe zero. Stąd napięcie wyjściowe:

−u

wy

R

=

U

1

R

1

+

U

2

R

2

u

wy

= −



R

R

1

U

1

+

R

R

2

U

2



Jeśli R

1

= R

2

= R

0

wówczas wzór upraszcza się do postaci:

u

wy

= −

R

R

0

(U

1

+ U

2

)

23

Wzmacniacz odejmujący

napięcie na wejściu nieodwracającym: U

+

=

R

4

R

3

+R

4

U

2

; taki sam potencjał ma wejście odwra-

cające U

−

.

przez R

1

i R

2

płynie ten sam prąd I; z tym, że ponieważ napięcie U

−

= U

+

6= 0, toteż należy

je wziąść pod uwagę przy obliczeniach

U

R1

R

1

=

U

R2

R

2

U

+

−U

1

R

1

=

U

wy

−U

+

R

2

R

2

U

+

− R

2

U

1

= R

1

U

wy

− R

1

U

+

R

1

U

wy

= (R

1

+ R

2

)U

+

− R

2

U

1

R

1

U

wy

= (R

1

+ R

2

)

R

4

R

3

+R

4

U

2

− R

2

U

1

24

U

wy

=

R

1

+R

2

R

1

R

4

R

3

+R

4

U

2

−

R

2

R

1

U

1

Jak widać napięcie wyjściowe jest równe różnicy napięć wejściowych. Jeśli dodatkowo R

4

= R

2

oraz R

3

= R

1

, to wyrażenie uprości się do postaci:

U

wy

=

R

2

R

1

(U

2

− U

1

)

25

Wzmacniacz potencjometryczny

Prąd przepływający przez R

2

przepływa także przez R

1

i jego natężenie wynosi: I =

u

we

R

1

Dodatkowo widać, że U

R

4

= −U

R

2

= −IR

2

bo U

−

− U

R

2

− U

R

4

= 0.

Prąd ten wpływa do węzła dzielnika napięcia i z pierwszego prawa Kirchhoffa: I + I

3

= I

4

, a stąd

I

3

= I

4

− I.

Ostatecznie napięcie wyjściowe równe sumie napięć na rezystorach R

3

i R

4

:

u

wy

= U

R

3

+ U

R

4

= I

3

R

3

+ I

4

R

4

= (I

4

− I)R

3

+ I

4

R

4

Podstawiając wszystkie dane do wyrażenia na u

wy

otrzymujemy:

u

wy

=



−

U

R2

R

4

−

U

R2

R

2



R

3

− U

R

2

u

wy

= −U

R

2



R

3

R

4

+

R

3

R

2

+ 1



26

u

wy

= −u

we

R

2

R

1



1 +

R

3

R

4

+

R

3

R

2



k

u

= −

R

2

R

1



1 +

R

3

R

4

+

R

3

R

2



27

Wzmacniacz różniczkujący

V

out

= IR = R

dQ

dt

= −RC

dV

in

dt

28

Wzmacniacz całkujący

V

out

=

−Q

C

= −

1

C

R

Idt = −

1

RC

R

V

in

dt

29

Aktywny filtr górnoprzepustowy

30

Napięcie niezrównoważenia (Voltage offset)

31

Wzmacniacz instrumentalny (instrumentation amplifier)

Chcemy mierzyć bardzo mały sygnał (np. z termopary 5mV)
-wyjściowy prąd jest bardzo mały,
-pożądane wzmocnienie 100-1000
-istotna jest tylko różnica napięć (potencjał względem ziemi może zawierać szumy)
Common Mode Rejection Ratio (CMRR)- współczynnik tłumienia napięć/sygnałów wspólnych
Stosunek wzmocnienia różnicowego do wzmocnienia „wspólnego”
Idealny wzmacniacz: CM M R = ∞
Rzeczywisty (741): CM RR = 90dB

V

out

= V

2

− V

1

32

I =

V

1

−V

in1

R

2

=

V

in1

−V

in2

R

1

=

V

in2

−V

in1

R

2

Wzmocnienie różnicowe: A

dif f

= 1 +

2R

2

R

1

33

Wzmacniacz typu rail-to-rail

34

Typowa budowa stopni wyjściowych

35

Zastosowanie wzmacniacza jako wtórnika

36

Typowy tor pomiarowy z podwójnym zasilaniem

37

Pojedyncze zasilanie

38

Termopara i wzmacniacz instrumentalny

39

Tor pomiarowy z mostkiem (pojedyncze zasilanie)

40

Rozbudowany układ kondycjonujący

regulowane wzmocnienie,

termiczna kompensacja (czujnik

temperatury),

w pełni analogowa ścieżka nie

wprowadza szumu kwantyzacji

41

Zastosowanie MAX1452 w pomiarach mostkowych

42

Rola mikrokontrolera w miernictwie

Mikrokontroler

ˆ zintegrowany układ scalony w wiele innych użytecznych komponentów.

ˆ zdolny do zapamiętania zestawu instrukcji, które odzwierciedlają zadania użytkownika.

43

Podstawowe komponenty mikrokontrolera

44

Inne komponenty mikrokontrolera

45

46

Podstawowe połączenie między mikroprocesorem a pamięcią

47

Dekoder adresu generuje sygnał /CS

48

Dekoder adresu (A000-AFFF)

49

Dekoder adresu do wyboru jednej z wielu pamięci

50

Centralna jednostka sterująca

51

Współpraca z urządzeniami we/wy

52

Inne urządzenia we/wy

53

4-bitowy port wyjściowy

54

4-bitowy port wejściowy

55

Architektura Von Neumana i harvardzka

56

System on chip

57

Podstawowe zadania mikrokontrolera

ˆ przetwarzanie do postaci cyfrowej poprzez przetwornik ADC

ˆ zapewnienie interfejsu komunikacyjnego z czujnikiem inteligentnym

ˆ kompensacja nieliniowości przetwarzania czujnika

ˆ prosta analizowanie i obróbka danych pomiarowych

ˆ wykonywanie procedur awaryjnych poprzez przerwania

ˆ sterowanie pomiarem

ˆ magazynowanie danych

58

Rola komputera w systemie pomiarowym

Płyta główna komputera

59

Wymiana danych na płycie głównej

60

Urządzenia zewnętrzne

61

Interfejsy urządzeń zewnętrznych

62

System wejść-wyjść

63

Złącza kart na płycie głównej

64

SCSI i FireWire podłączone do PCI

65

Magistrala PCI

66

Widok złącza PCI na płycie głównej

67

Magistrala do dysków twardych

68

69

Karty pomiarowe PCI

70

PCI-DAS6052

ˆ 16 channels of 16-bit A/D resolution

ˆ 333 kS/s maximum sample rate

ˆ Two 333 kHz 16-bit D/A channels

ˆ 8 digital I/O bits and 2 counter/timers

ˆ Triggering of measurement and control via both analog and digital signals

ˆ Easy synchronization of multiple measurement boards

ˆ Cena około 1150 $

71

Karta USB SCXI

72

Karty pomiarowe Ethernet

73

Schemat blokowy

Układ

programowalny

Virtex-E

Generator

wzorcowy

Układ

programowalny

Virtex-II

Generator

pomocniczy

Pamięć nieulotna

NVRAM

Mikrokontroler

ADuC812

Sygnał analogowy

Sygnały cyfrowe

Interfejs Ethernet

Przetwornik
Analogowo-

Cyfrowy

Moduł

Ethernet’owy

IIM7010A

74

Przyrząd wirtualny

75

Kondycjonowanie sygnałów pomiarowych

76

Komputer przemysłowy PXI

77

78

Architektura PXI

79

Porównanie PXI

80

Sygnały przejściowe (transient)

wymagana duża dokładność i możliwość magazynowania dużej ilości danych

81

Sygnały przejściowe podczas uderzenia młotkiem

82

Siła jako funkcja czasu

83

Bardziej skomplikowana postać f(t)

Szerokość pasma i częstotliwość próbkowania sygnału analogowego zależy od czasu narastania

sygnału analogowego.

∆F =

0.35

t

rise

=

0.35

0.1µs

= 3.5

84

Częstotliwości sygnałów przejściowych

Częstotliwość

Zastosowanie

50Hz-20kHz

Audio, Meteorologia

20kHz-30MHz

SONAR, Ultradźwięki, Urządzenia wojskowe

100MHz-...

RADAR, LIDAR, Badania, Komunikacja

Porównanie metod gromadzenia danych

Typ

Szybkość magazynowania

Pojemność

Cena/MB

RAM na płycie

1GB/s

512MB

$$$

RAM

50MB/s

3000MB

$$

Dysk twardy

30MB/s

100GB

$

Szybkości przesyłania danych

Typ szyny

Szybkość

PCI Express

200-250 MB/s

PCI/PXI

132 MB/s

USB

60 MB/s

IEEE 1394 (FireWire)

50 MB/s

PCMCIA

20 MB/s

Ethernet 100BaseTX

11 MB/s

GBIP

8 MB/s

85

Pomiar, analiza i wizualizacja

86

Labview

87

88

HP Vee

89

TestPoint

90

91

Przetwarzanie cyfra-analog oraz analog-cyfra

Co uzyskujemy w wyniku konwersji cyfra-analog (DAC)?

92

Binarno-wagowy przetwornik cyfra-analog

93

Przetwornik DAC z drabinką R-2R

Rezystancja między A-G wynosi R.

Rezystancja między B-G, C-G, D-G również wynosi R.
Klucz S3-najbardziej znaczący (MSB), S0-najmniej znaczący (LSB).
Przy pokazanych ustawieniach 1101 prąd płynący przez R

F

wynosi 13i.

V

0

= −

R

F

R

V

ref

[

S0

16

+

S1

8

+

S2

4

+

S3

2

]

Rezystory R i 2R możliwe do wykonania z większą precyzją niż R, 2R, 4R, 8R itd.

94

Układ DAC0800

95

Schemat aplikacyjny DAC0800

Parametry DAC0800

Fast settling output current: 100 ns

Full scale error: ± 1 LSB
Nonlinearity over temperature: ± 0.1%
Full scale current drift: ± 10 ppm/

°C

High output compliance: -10V to +18V
Interface directly with TTL, CMOS, PMOS and others
2 quadrant wide range multiplying capability
Wide power supply range: ± 4.5V to ± 18V
Low power consumption: 33 mW at ± 5V
Low cost 0.6$

96

Przetwornik analogowo-cyfrowy kompensacyjny

Czas konwersji zależy od napięcia wejściowego.

Rozdzielczosc =

maksymalne napiecie

2

n

−1

97

Układ „sample and hold”

98

Zasada działania przetwornika ADC kompensacyjnego

99

100

Przetwornik ADC typu „Tracking”

101

102

Przetworniki ADC z metodą sukcesywnej aproksymacji (SAR)

Szybsza konwersja niż w przetworniku kompensacyjnym

103

104

105

Przetworniki ADC typu „Flash”

Komparator jako 1-bitowy ADC

106

Przetwornik ADC typu „Flash” 2-bitowy

107

Przetwornik ADC typu „Flash” 3-bitowy

N-bitowy „flash ADC” zawiera 2

N

rezystorów i 2

N

− 1 komparatorów

108

Konwerter kodu termometrycznego na binarny

109

Zależności czasowe w przetworniku typu „Flash”

110

Przetwornik ADC z pojedynczym całkowaniem

V

in

=

N ∗V

ref

f

wzr

∗RC

N -liczba zliczeń w liczniku CTR w czasie ładowania kondensatora,
f

wzr

- częstotliwość sygnału taktującego licznik CTR.

Pomiar zależy od wartości elementów RC!!!

111

112

Przetwornik ADC z podwójnym całkowaniem

113

Napięcie mierzone V

IN

przez czas T podłączone jest do wejścia przetwornika. Po naładowaniu

napięcie na kondensatorze wynosi:

U

C

=

1

RC

R

T

0

V

IN

dt

Napięcie na kondensatorze jest proporcjonalne do średniej wartości V

IN

w czasie T . Po czasie

T podane zostaje napięcie −V

REF

i kondensator rozładowuje się z nachyleniem

V

REF

RC

.

114

Dokładność konwersji nie zależy od wartości RC i częstotliwości sygnału generatora!!

115

Właściwy wybór czasu T pozwala wyeliminować wpływ szumów pochodzących np. od często-

tliwości 50 Hz.

116

Przykład konwertera z podwójnym całkowaniem

117

Przetwornik ADC typu SAR

Nowoczesny 1 MSPS SAR z 8-kanałowym multiplekserem AD7908 (8-bitowy) AD7918 (10-

bitowy) AD7928 (12-bitowy)

118

Przetwornik ADC na przełączanych pojemnościach

Wykonanie kondensatorów tańsze niż precyzyjnych rezystorów dostrajanych laserowo!!!

119

Przetwornik ADC kaskadowy (Pipelined)

120

Wpływ nieliniowości

121

122

123

124

Zależności czasowe ADC szeregowo-równoległego (pipelined)

125

Próbkowanie wolnozmiennego sygnału

126

Próbkowanie szybkozmiennego sygnału

127

Aliasing

128

Kryterium Nyquista: częstotliwość próbkowania co najmniej 2 razy większa niż najwyższa czę-

stotliwość w widmie sygnału próbkowanego.

129

Widmo szumowe (koncepcja użyta w sigma-delta)

130

Przetwornik sigma-delta pierwszego rzędu

131

Przetwornik sigma-delta drugiego rzędu

132

Połączenie mostka i ADC

133

Pomiary tensometryczne

134

Zakres stosowalności, rozdzielczość, częstotliwość próbkowania ADC

135

Interfejsy pomiarowe

Standard RS-232

Przesyłanie danych point-to-point, asynchronicznie, w trybie duplex

136

W minimalnej konfiguracji wystarczą przewody: TD, RD, Ground

RTS - zezwolenie na nadawanie
CTS - zakaz nadawania

137

Wyprowadzenia urządzenia DTE (komputer)

138

Wyprowadzenia urządzenia DCE (modem)

139

Połączenie urządzenia DTE z DCE

140

Przewód połączeniowy urządzenia DTE z DCE

Przewód połączeniowy (null modem)

141

Przewód połączeniowy dla urządzeń DTE z DTE (komputer-komputer)

142

Przewód połączeniowy DB25 DTE z DB9 DCE

143

Poziomy napięć w standardzie RS232

Zwiększenie wartości napięć i zastosowanie napięć o zmiennej polaryzacji pozwala zwiększyć

odporność sygnału na zakłócenia (zwiększyć maksymalną odległość transmisji).

144

Błędy transmisji

145

Ramka transmisji asynchronicznej

146

Parametry transmisji danych

9600-8-N-1

prędkość transmisji: 300,600,1200,2400,4800,9600,19200,...,115200 bit/s

długość pola danych: 5,7,8
kontrola poprawności transmisji: E-even, O-odd, N-no parity

Kontrola przepływu informacji

ˆ sprzętowa- sygnały RTS/CTS - urządzenie, które nie może chwilowo odebrać danych dezak-

tywuje sygnał CTS

ˆ programowa- protokół XON/XOFF - urządzenie, które nie może odebrać danych wysyła

specjalny znak sterujący.

147

Translatory poziomów napięć

148

Schemat blokowy inwertera napięcia

149

Schemat blokowy podwajacza napięcia

150

USB (ang. Universal Serial Bus - uniwersalna magistrala szeregowa)

151

Urządzenia USB: port expander, pen-drive, kamera internetowa

152

Urządzenia typu host i zewnętrzne

153

Wtyczka usb typu A i B

154

Rozkład wyprowadzeń złącza USB

Numery 1 i 4 linie zasilające. Gdy złącze jest wsuwane zasilanie jest podłączane jako pierwsze

pozwalając zasilić urządzenie zewnętrzne zanim nastąpi transmisja. To również redukuje ryzyko

uszkodzenia elektrostatycznego.

155

Połączenie urządzeń

Transmisja jednocześnie tylko w jednym kierunku

Zasilanie 5V/0.5A

156

Porównanie standardów USB

USB 1.1

USB 2.0

Symbol

Oznaczenia

Low/Full -Speed

Low/Full/High -Speed

Przepustowość Mbps

1.5/12

1.5/12/480

Amplituda Single-ended

0V do 3.3V

0V do 400mV

1.5 Mbps daje długość czasową bitu 667 ns, 12 Mbps 83.3 ns

Sygnał zegara jest odzyskiwany z NRZI encoded data

157

Impedancja nadajnika i odbiornika 45 Ohm

158

Test jakości sygnału: diagram oka

Wszystkie permutacje bitów zostają nałożone na siebie. Widać odchylenia amplitudy, fazy,

czasów narastania i opadania.

159

Przykład diagramu oka dla USB High-Speed ( 480 Mbps, 0..400mV)

Gdy przebiegi przebiegają przez czerwony sześciokąt mogą występować błędy transmisji.

160

Wykorzystanie klucza analogowego do przełączania

(musi być odpowiednia szerokość pasma przenoszenia klucza)

161

Odpowiednie projektowanie obwodów drukowanych

Różnicowa impedancja między D+ D- musi wynosić 90 Ohm. Dla jednowarstwowej płytki

wymiary powinny wynosić:

Wymiary w mils’ach (1 mil = 0.001 cala)

162

Protokół USB

163

Układ FT8U232AM

164

Schemat blokowy konwertera USB - Interfejs równoległy FIFO

165

Układ FT245R z mikrokontrolerem

166

Standardy PCI (ang. Peripheral Component Interconnect)

PCI

PCI 2.1

PCI 2.2

PCI 3.0

Rok wprowadzenia

1993

1994

1999

2002

Szerokość szyny danych

32 bity

64 bity

64 bity

64 bity

Max. częstotliwość taktowania

33 MHz

66 MHz

66 MHz

66 MHz

Maksymalna przepustowość

133 MB/s

533 MB/s

533 MB/s

533 MB/s

Napięcie

5 V

5V

5V/3.3V

3.3V

167

Błędy transmisji równoległej - interferencja elektromagnetyczna

168

Błędy transmisji - różne opóźnienia

169

PCI Express - szeregowe kanały full duplex (lane)

Częstotliwość taktowania wynosi 2,5 GHz. Protokół transmisji wprowadza dwa dodatkowe bity,

do każdych ośmiu bitów danych (kodowanie 8/10). Zatem przepustowość jednej linii wynosi 250

MB/s. Urządzenia mogą jednocześnie przekazywać sygnał w obydwu kierunkach (full-duplex).

170

Gniazda magistrali PCI Express

171

Widok PCI Express na płycie głównej

172

Porównanie prędkości transmisji danych

Magistrala

Maksymalny transfer danych

PCI

133 MB/s

AGP 2x

533 MB/s

AGP 4x

1066 MB/s

AGP 8x

2133 MB/s

PCI Express x1

250 MB/s

PCI Express x2

500 MB/s

PCI Express x4

1000 MB/s

PCI Express x16

4000 MB/s

PCI Express x32

8000 MB/s

W każdą stronę.

173

GPIB (General Purpose Interface Bus)

Znane pod nazwą IEEE-488 lub HP-IB (Hewlett-Packard Instrument Bus).

174

IEEE-488 pozwala podłączyć do 15 urządzeń

Maksymalny transfer danych 8 MB/s (IEEE-488.1-2003, HS-488).
16 linii sygnałowych, 8 linii dwukierunkowych do transmisji danych, 3 linie synchronizujące, 5

sterujących, 8 linii z masą.

175

Rozkład wyprowadzeń

176

DIO1-DIO8 Data input/output bits. Linie używane do przesyłania danych lub instrukcji.
NRFD Not ready for data. Odbiornik wskazuje, że nie jest gotowy do przyjęcia danych.
DAV Data valid. Nadawca po „T1 delay” ustawia linię DAV gdy są ważne dane na liniach

DIO.

NDAC Not data accepted. Linia sterowana przez odbiorców. Stan wysoki oznacza, że urzą-

dzenie nie przeczytało jeszcze bajtu na DIO.

ATN Attention. Sterowana przez kontroler (ATN=1 => DIO zawiera instrukcje, ATN=0 =>

DIO zawiera dane)

EOI End-or-identify. Koniec segmentu danych w przypadku transmisji danych (ATN=0) lub

identyfikacja urządzeń gdy ATN=0.

IFC Interface clear. Kontroler podaje sygnał wysoki np. po włączeniu zasilania na okres 100us.
REN Remote enable. Kontroler podając stan wysoki powoduje przełączenie trybu pracy na

zdalne sterowanie (przyrząd wirtualny).

SRQ Service request. Dowolne urządzenie wysyła sygnał żądania obsługi (np. przekroczenie

zakresu pomiarowego). Kontroler odpytuje wszystkie urządzenia aby poszukać zgłaszające prze-
rwanie.

177

Kontroler, nadajnik i odbiornik GPIB

178

Zależności czasowe

179

Poziom napięć w GPIB

Standard TTL levels (2.0v/0.8v) @ 5.2mA source / 48mA sink.
Open Collector: SRQ, NRFD, NDAC
Open Collector or Tristate: ATN, IFC, REN, EOI, DAV.
Logika ujemna

180

Przykładowe urządzenia

181

Konfiguracja liniowa i gwiazdowa

182

One-wire (Dallas Semiconductor)

183

Klucz komunikujący się przez 1-wire (i-button)

184

Komunikacja możliwa pomiędzy jednym układem „Master” i wieloma
elementami „slave”

Komunikacja odbywa się przy wykorzystaniu 1 przewodu + przewód masy.

Każdemu urządzeniu slave nadano unikalny numer na etapie produkcji.
Możliwe jest zasilanie urządzenia slave poprzez ten sam przewód.
Maksymalna odległość między masterem a slavem to 300 m.
Po magistrali mogą być przesyłane rozkazy, dane.
Układy posiadają wewnętrzny zegar synchronizowany zboczem opadającym generowanym przez
mastera.

185

Cztery podstawowe operacje

time slot- (szczelina czasowa) czas, który zajmuje 1 bit w komunikacji

186

Cztery podstawowe operacje graficznie

187

Zależności czasowe dla prędkości 16,3kb/s-„standard” i 142kb/s-„overdrive”

Podwyższona prędkość dla magistrali do 10 m (standardowa dla krótszych niż 300 m).

188

RS232 i magistrala 1-wire

189

190

191

192

193

Przykładowe czujniki z I2C

194

I2C Kompas (CMP2X)

195

Pomiar temperatury i napięcia

196

I2C (uogólniony two-wire)

ˆ I2C pierwotnie zaprojektowane przez Philipsa jako interfejs do wymiany danych między ukła-

dami scalonymi z użyciem małej liczby wyprowadzeń

ˆ brak ograniczeń na połączenia i złącza (z reguły ścieżki na PCB)

ˆ proste procedury do rozpoczęcia i zakończenia transmisji

ˆ każde urządzenie na szynie identyfikowane przez swój unikalny adres

ˆ urządzenie „Master” dostarcza sygnału zegarowego niezależnie od kierunku transmisji

ˆ transmisja dwukierunkowa, synchroniczna halfdupleks

197

Podłączanie urządzeń do magistrali

198

Komunikacja, rozpoczynanie i kończenie transmisji

199

Adres ustawiany sprzętowo

200

Tryby adresowania (10 bitowy tylko w I2C)

Żaden adres układu adresowanego 7-bitowo nie zaczyna się 111XXXX więc żaden nie zareaguje

na taką kombinację

201

Zapis i odczyt do/z układu „slave”

202

Bit potwierdzenia ACK

203

Bufor w celu transmisji na dalsze odległości (300 m)

ograniczenia 400pF maksymalna pojemność obciążenia
przewody około 80pF/m

204

Bufor P82B96

205

SMBus a I2C

Typowa komunikacja w SMBus i I2C

206

Porównanie

ˆ I2C Bus = DC (no timeout) (dowolnie mała prędkość transmisji)

ˆ SMBus = minimalna częstotliwość sygnału zegarowego 10kHz (35mS timeout)

I2C

SMBus

Timeout

No

Yes

Minimalna prędkość zegara

DC

10kHz

Maksymalna prędkość zegara

100kHz (400kHz i 2MHz dostępne)

100kHz

Napięcie stanu wysokiego

0.7*Vdd, 3.0V

2.1V

Napięcie stanu niskiego

0.3*Vdd, 1.5V

0.8V

Maksymalny prąd

3mA

350uA

207

Ethernet

WĘZEŁ A

WĘZEŁ B

WĘZEŁ C

WĘZEŁ D

PREZENTACJA

SESJA

TRANSPORT

SIEĆ

ŁĄCZE DANYCH

WARSTWA FIZYCZNA

STACJA D

PREZENTACJA

SESJA

TRANSPORT

SIEĆ

WARSTWA FIZYCZNA

STACJA B i C

ODRZUĆ

ŁĄCZE DANYCH

APLIKACJA

APLIKACJA

208

Model OSI

209

Model OSI na przykładzie komunikacji między firmami

210

Model OSI i komunikacja

211

Model sieci LAN IEEE 802

212

Budowa ramki Ethernet i TCP

Preambuła

101010....

Dane

CRC

10101011

SFD

Adres docelowy Adres nadawcy

Długość

7

1

6

6

2

4

46

1500

Liczone przez MAC

MAC

MAC

Dostarczane

z wyższej warstwy

lub dostarczane

lub dostarczane

MAC

MAC

Numer

Numer

Zarez Flagi

Dane

Port

nadawcy

Port

odbiorcy sekwencyjny potwierdzenia

nagłówka

Długość

CRC Priorytet

2

2

4

4

4b

5b

5b

2

2

213

Ramka Ethernet

Ethernet frame formats

DMAC (6 bytes)

SMAC (6 bytes)

Type (2 bytes)

Data (46 ... 1500 bytes)

DMAC (6 bytes)

SMAC (6 bytes)

Frame Length (2 bytes)

DSAP (1 byte)

SSAP (1 byte)

Control (1 byte)

Data (46 ... 1500 bytes)

Data (46 ... 1500 bytes)

Type (2 bytes)

OUI (3 bytes)

Control (1 byte)

SSAP (1 byte)

DSAP (1 byte)

Frame Length (2 bytes)

SMAC (6 bytes)

DMAC (6 bytes)

Preamble (7 bytes)

SFD (1 byte)

FCS (4 bytes)

Preamble (7 bytes)

SFD (1 byte)

FCS (4 bytes)

FCS (4 bytes)

SFD (1 byte)

Preamble (7 bytes)

802.2 SNAP (sub network access protocol)

802.2 LLC (logical link control) information

Ethernet v2

214

Różne media

215

Media transmisyjne

Przewód koncentryczny RG-58 zakończony BNC

Cienki kabel

koncentryczny

Złącze typu T

w każdym węźle

węźle końcowym

Terminator w

216

Zalety RG-58

Duża odporność na zakłócenia i szumy
Tańszy niż ekranowana skrętka (80gr/m)
Duża odporność na uszkodzenia fizyczne

Wady RG-58

Niewygodny sposób instalacji złączek BNC
Ograniczenie przepustowości do 10Mb/s
Duża awaryjność połączeń i problemy przy lokalizowaniu usterki

217

Przewód skrętka nieekranowany UTP (Unshielded Twisted Pair)

218

Przewód ekranowany STP (Shielded Twisted Pair)

219

Kabel podwójnie ekranowany S-STP (Shielded - Shielded Twisted Pair)

220

Połączenie skrętki w RJ45

Standard
T568B

T568A

P568A

Nc

Rx+

Tx-

Tx+

Nc

Rx-

Nc

Nc

Ethernet

Sygnał

Nr

1

2

3

4

5

6

7

8

P568B

Pomarańczowy

Pomarańczowy

Pomarańczowy

Pomarańczowy

221

Kolory T568A

222

Kolory T568B

223

Kategorie skrętki

Szerokość pasma

TIA/EI A568A

ISO11801 EN50173

Zastosowanie

do 100kHz

Kat. 1

Klasa A

Usługi telefoniczne

do 16MHz

Kat. 3

Klasa C

Ethernet 10Base-T, Token Ring

do 100MHz

Kat. 5

Klasa D

Ethernet 100Base-T

do 100MHz

Kat. 5e

Klasa D roz.

Ethernet 1000Base-T

do 200MHz

Kat. 6

Klasa E

10GBase-T do 55 metrów

do 500MHz

Kat. 6a

10GBase-T

do 600MHz

Kat. 7

Klasa F

10GBase-T, przewód SSTP

224

Zalety skrętki

-Niska cena
-Łatwość instalacji
-Dostępność rozwiązań i urządzeń

Wady skrętki

Stosunkowo niska prędkość transferu danych
-Instalacja sieci wymaga urządzeń aktywnych
-Ograniczona długość kabla
-Mała odporność na zakłócenia (UTP)

225

Konfiguracja sieci

HUB

HUB

Max 100 m

Złącza RJ-45

226

Światłowód

Działanie światłowodu opiera się na zjawisku całkowitego wewnętrznego odbicia światła na granicy
dwóch ośrodków o dwóch różnych współczynnikach załamania światła.

227

Rodzaje światłowodów

Światłowód jednomodowy

Światłowód wielomodowy

Wielomodowy. Długość fali świetlnej 850 nm, 1300 nm. Odległości między regeneratorami od

0,1 km do 10 km. Stosowany głównie w sieciach lokalnych.

Jednomodowy. Długość fali świetlnej 1300 nm, 1550 nm. Odległości między regeneratorami od

10 km do kliku tysięcy km. Stosowany głównie w sieciach rozległych.

228

Zalety światłowodów

Duża prędkość transmisji
Odporność na zakłócenia
Wysokie bezpieczeństwo

Wady światłowodów

Wysoka cena
Trudna instalacja

229

Oznaczenie

transmisji w Mb/s

Szybkość

Pasmo Podstawowe

Base=Baseband

Tym Medium

10 Base-T

230

Kodowanie stosowane w sieciach LAN

Kod NRZ (ang. Non Return to Zero)

231

Kod NRZI (ang. Non Return to Zero, Inverted), informacja jest kodowa-
na za pomocą zmiany poziomu sygnału

232

Kod Manchester

233

Kodowanie Manchester różnicowe

234

Kod MLT-3 (ang. Multilevel-Threshold-3) wykorzystuje trzy poziomów
logicznych: -1V, 0V, +1V. Zmiana wartości nadawanego bitu oznacza
zmianę poziomu napięcia w cyklu 0V, +1V, 0V, -1V, 0V, +1V.

235

Kodowanie 4B/5B 4 bity danych koduje na 5 bitach sygnału. Może być
stosowany w połączeniu z kodem NRZ.

236

Przykłady wykorzystania:

NRZI: 10Base-F, 100Base-FX
Manchester: 10Base-T, 10Base2, 10Base5
Manchester różnicowy: Token Ring - IEEE 802.5
MLT-3: 100Base-TX, CDDI
4B/5B: 100Base-TX, 100Base-FX, FDDI

237

CRC - metoda wykrywania błędów w odbieranych danych

Bardziej niezawodny niż suma kontrolna (odporny na zmianę kolejności bitów).

Trzy wielomiany najczęściej używane:
* CRC-16 = x16 + x15 + x2+ 1
* CRC-CCITT = x16 + x12 + x5 + 1
* CRC-32 = x32 + x26 + x23 + x22 + x16 + x12 + x11 + x10 + x8 + x7 + x5 + x4 + x2 +

x + 1 (Ethernet)

Dzielenie może być wykonane softwarowo lub z użyciem rejestru przesuwnego i bramki XOR.

238

Przykład dla CRC-8

239

Przykład dla CRC-16

240

Sieć lokalna LAN (Local Area Network)

241

Sieć rozległa (ang. Wide Area Network, WAN) - sieć wykraczająca poza
jedno miasto.

Sieć WAN działa w warstwie fizycznej oraz warstwie łącza danych modelu OSI.
Łączy sieci LAN.
Umożliwia wymianę pakietów danych pomiędzy routerami.
Przykład: Internet

242

Wymagana konieczność współpracy wielu różnych urządzeń

243

WLAN (wireless local area network) sieć bezprzewodowa

244

ZigBee (IEEE 802.15.4) - standard bezprzewodowy

245

Częstotliwości fali nośnej ZigBee oraz prędkości transmisji

246

Pasmo częstotliwości standardu ZigBee

Kanały 1–10

902 MHz

928 MHz

2 MHz

Kanał 0

868.3 MHz

Kanały 11–26

5 MHz

2.4835 GHz

2.4 GHz

247

Model warstwowy (prace nad standaryzacją zakończono w 2005 r.)

IEEE

Warstwa definiowana przez:

użytkownika

Zastosowania—szkielet

Warstwa sieciowa

i bezpieczeństwa

Warstwa MAC

(media access control)

Warstwa fizyczna

Zastosowania—profile

ZigBee Alliance

Niski pobór mocy i prosta, tania konstrukcja

248

Warstwy protokołu ZigBee

249

Budowa ramki standardu ZigBee

Preambuła

Ogranicznik

Długość

Sterowanie

Warstwa fizyczna

Warstwa MAC

Ramka danych IEEE 802.15.4

4 oktety

1 oktet

1 oktet

2 oktety

1 oktet

Nr sekwencji

danych

Adres odbiorcy

2 do 20 oktetów

n bajtów

Dane

FCS

2 oktety

preambuły

ramki

ramki

250

Topologie sieci

Koordynator ZigBee

Rutery ZigBee

Węzły końcowe

Drzewo klastrów (Cluster Tree)

Gwiazda (Star)

Siatka (Mesh)

Bluetooth i Wi-Fi możliwe zestawienie tylko w gwiazdę

251

Urządzenia typu FFD i RFD

Urządzenie RFD z ograniczonymi funkcjami

Urządzenie FFD z pełnymi funkcjami

Praca tylko w topologii gwiaździstej

Praca w sieci o dowolnej topologii

Nie może być koordynatorem sieci

Może być koordynatorem sieci

Komunikuje się tylko z koordynatorem

Może retransmitować pakiety

Proste w konstrukcji, min pojemność ROM RAM

Może komunikować się z każdym

Zasilanie bateryjne

Zasilanie z zasilacza

252

Zastosowania ZigBee

Monitorowanie

Sensoryka

Diagnostyka

Systemy AMR

Systemy HVAC

Bezpieczeństwo

Oświetlenie

Sterowanie

Automatyzacja

Systemy AMR

Sensoryka

Monitorowanie

Urządzenia radiowe

o małej prędkości

transmisji danych

IEEE 802.15.4

Automatyzacja

budynków

Przemysł

Rolnictwo

Ochrona środowiska

zdrowia

Osobista ochrona

peryferyjne PC

Urządzenia

Tablet

Palmtop

Klawiatura

Mysz

CD/DVD

VCR

TV

RTV

Sprzęt

i zabawki

Gry

mechniczne

HVAC — Heating, Ventilation and Air Condition

Oznaczenia:

Edukacyjne

Konsole do gier

Zabawki

Zdalne sterowanie

AMR — Automatic Meter Reading

253

Inteligentny dom

254

Sterowanie oświetleniem

255

Tor odbiorczy

256

Układ MC13191 w systemie pomiarowym

257

Porównanie różnych bezprzewodowych technologii

258

Porównanie standardów bezprzewodowych

259

Parametr

Bluetooth

ZigBee

Zasięg

10m

100m

Pasma

2,4GHz

868MHz, 915MHz, 2.4GHz

Max. przepustowość

720kb/s, 5Mb/s

250 kb/s

Max. liczba urządzeń

8

65536

Możliwość połączenia między sieciami

nie

tak

Architektura

2-warstwowa

3-warstwowa

Szybkość wykrywania nowych urządzeń

3s

30ms

Szybkość aktywacji ze stanu uśpienia

3s

15ms

Metoda rozpraszania widma

przeskok częstotliwości

kluczowanie bezpośrednie

Rozmiar stosu protokołów

250kB

28kB

Bezpieczeństwo

128

tylko na poziomie aplikacji

260

Przykładowe układy

261

Modulacja z rozpraszaniem widma - kluczowanie bezpośrednie

262

Przykładowe widmo sygnału rozpraszanego

263

Przykładowe widmo sygnału rozpraszającego

264

Przykładowe widmo sygnału rozproszonego

265

Modulator BPSK

266

Modulator QPSK

267

Demodulacja BPSK

268

Demodulacja QPSK

269

Odbiornik bez IF (mały pobór mocy i niskie koszty)

Problem z offsetem DC i szumami 1/f (rozwiązanie: pośrednia na MHz)

270

Nadajnik z modulacją I/Q

271

Układ CC2420

272

Modulacja DSSS

Demodulacja DSSS

273

Zalety DSSS

Nadawany sygnał wygląda jak szum biały
Odporna na zakłócenia
Umożliwia współdzielenia pasma dla wielu użytkowników

Wady DSSS

-Wymaga szerokiego pasma do transmisji
-Wymaga synchronizacji odbiornika i nadajnika

Zastosowania:

System GPS
Telefony bezprzewodowe działające w paśmie 2.4 GHz
IEEE 802.11, IEEE 802.11b
IEEE 802.15.4 ZigBee

274

Modulacja FHSS

Pasmo dzielone jest na określoną liczbę kanałów. Nadajnik zmienia kanał zgodnie z sekwencją
pseudolosową

Zalety FHSS

Umożliwia pokrycie wielu punktów dostępu
Odporna na zakłócenia

Wady

Interferencja na jednej częstotliwości powoduje powtórzenie transmisji pakietu
Wymaga synchronizacji odbiornika i nadajnika

275

Zastosowania:

Bluetooth
Systemy wojskowe
Standard IEEE 802.11

276