• Bartosz Kosiorek 116569

Olaf Józefowicz 116560

Krzysztof Tkacz 110316

Komputery w badaniach doświadczalnych

Ćwiczenie 7

Akwizycja i analiza wolnozmiennych przebiegów z wykorzystaniem przetwornika analogowo - cyfrowego

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest:

• zapoznanie się z działaniem i sposobami programowania kart przetworników analogowo - cyfrowych

• zapoznanie się z metodami analizy przebiegów wolnozmiennych

• napisanie programu obsługi karty przetwornika A/C, który powinien posiadać możliwość wizualizacji przebiegu sygnału oraz zapisywać dane do zbioru

2. Schemat układu pomiarowego i podstawowe informacje na temat przetwornika A/C

Większość urządzeń pomiarowych lub rejestratorów sygnałów w systemach pomiarowych kontaktujących się bezpośrednio z obiektami badań reaguje na oddziaływania fizyczne zmieniające się w sposób ciągły (nazywane sygnałami analogowymi). Aby te informacje mogły być przetworzone przez system komputerowy muszą być przetworzone w kodowane sygnały cyfrowe. Rolę tę spełniają przetworniki analogowo-cyfrowe umieszczone na styku części analogowej i cyfrowej systemu.

Wiele urządzeń pomiarowych wyposażonych jest obecnie w przetworniki A/C. Końcówki takich urządzeń to najczęściej typowe interfejsy np. RS-232C. Tego rodzaju standardy nie określają jednak sposobu kodowania danych. Do przesyłania danych w takiej sytuacji najczęściej używany jest standardowy kod ASCII. Takie rozwiązanie nie jest jednak wygodne w przypadku, gdy wymagana jest obróbka w komputerze dużej ilości danych (konwersja tych danych w komputerze do postaci liczbowej wymaga stosunkowo długiego czasu). Z tego powodu do zapisu danych na wyjściu przetworników używa się innych rodzajów kodów. Są to kody unipolarne wykorzystywane w przypadku przetwarzania wyłącznie napięć dodatnich oraz kody bipolarne stosowane przy przetwarzaniu napięć przyjmujących zarówno wartości dodatnie jak i ujemne oraz kody binarne i dziesiętno-binarne.

Parametry charakterystyczne przetwornika A/C:

• rozdzielczość, która oznacza długość słowa wyjściowego w bitach

• rzeczywisty zakres przetwarzania jest to wartość napięcia wejściowego, której odpowiada maksymalna wartość zakodowana na wyjściu przetwornika. Jeśli q oznacza skok kwantowania (zdolność rozdzielczą przetwornika) zakładając, że jest on stały w całym zakresie przetwarzania, a symbolem n - liczbę znaków w wyrazie kodowym, to dla przetwornika o idealnej (równomiernej) charakterystyce rzeczywisty zakres przetwarzania dany jest wzorem:

(1)

• całkowy błąd przetwarzania określa się korzystając ze wzoru:

(2)

gdzie:

• U_rz rzeczywista wartość napięcia wejściowego

• U_k przypisana jej wartość wynikająca z interpretacji zapisu cyfrowego. Funkcję maksimum oblicza się w całym rzeczywistym zakresie przetwarzania..

• współczynnik różniczkowej nieliniowości przetwornika wyznaczamy korzystając z zależności:

(3)

przy czym

(4)

(5)

gdzie:

• U₀ - początkowe napięcie zakresu przetwarzania,

• U₁, U₂, ..., U_n - napięcia wejściowe przy których następuje kolejny przyrost o 1 zakodowanej wartości wyjściowej.

• częstotliwość przetwarzania  f_prz określa się jako maksymalną liczbę przetworzeń napięcia wejściowego w wartości zakodowane w jednostce czasu.

• czas przetwarzania T_prz jest to czas upływający pomiędzy momentem podania na wejściu przetwornika sygnału inicjującego odczyt napięcia a momentem ustalenia się na wyjściu zakodowanej wartości napięcia.

Ze względu na to, że każdy akt przetworzenia napięcia w kod cyfrowy powoduje powstanie krótkotrwałego procesu przejściowego, zachodzi nierówność:

f_{prz <}T _prz^-1 (6)

Praca przetwornika z częstotliwością porównywalną z f_prz wprowadza dodatkowe błędy przetwarzania, których przyczyną są właśnie procesy przejściowe.

Przetwarzanie ciągłego sygnału analogowego na sygnał cyfrowy polega na dyskretyzacji sygnału w czasie czyli jego próbkowaniu, dyskretyzacji wartości sygnału czyli kwantowaniu oraz na kodowaniu uzyskanego sygnału dyskretnego. Próbkowanie następuje przez kolejne pobieranie próbek wartości sygnału w pewnych odstępach czasu, w taki sposób, aby ciąg próbek umożliwiał jak najwierniejsze odtworzenie całego przebiegu funkcji. Kwantowanie przebiegu analogowego polega na przyporządkowaniu każdej próbce skończonej liczby poziomów amplitudy, odpowiadającym dyskretnym wartościom od zera do pełnego zakresu.

Konwersji napięcia na kod cyfrowy można dokonać na wiele różnych sposobów. Wśród metod konwersji wyróżniamy trzy grupy:

• metoda konwersji bezpośredniej (jej zaletą jest szybkość, wadą konieczność wytworzenia układów zawierających dużą liczbę jednakowych komparatorów)

• metody pośrednie (wejściowy sygnał analogowy jest zamieniany na proporcjonalną do niego wielkość pomocniczą - w metodach czasowych jest to czas ładowania kondensatora, w częstotliwościowych jest to częstotliwość impulsów)

• inne metody.

Najpowszechniej stosowanymi metodami przetwarzania są:

• metoda bezpośredniego porównania,

• metoda kompensacyjna wagowa (z kolejnym próbkowaniem),

• metoda czasowa z podwójnym całkowaniem,

• metoda czasowa z podwójnym całkowaniem,

• metoda częstotliwościowa

3. Instrukcja obsługi programu

Po uruchomieniu pliku „analizator.exe”, ukaże nam się następujące okno (rys. 3.1):

Rys.3.1 Główne okno programu analizator

Możemy tutaj wybrać urządzenie z listy, oraz określić kanał wejściowy a także zakres napięć, jakie będziemy analizować. Po skonfigurowaniu programu przechodzimy do właściwej analizy sygnałów klawiszem „Uruchom”. Program możemy w każdej chwili opuścić krzyżykiem lub klawiszem „Wyjdź”

Rys.3.2 Analiza sygnałów

Okno analizatora podzielone jest na dwie zasadnicze części. W górnej części wyświetlane są pobrane dane, natomiast w dolnym pasku można sterować urządzeniem.

W części sterującej znajduje się pasek „Próbkowanie”, którym możemy określić częstotliwość próbkowania. Jest to ilość pomiarów wykonanych w ciągu sekundy. Przycisk „Odczytaj jedną wartość, pobiera z urządzenia jedną wartość napięcia, po czym przestaje działać.

Przycisk „Oblicz okres” oblicza i wyświetla średni okres przebiegu. W przypadku gdy jest niewystarczająca ilość punktów, program wyświetla stosowny komunikat. Przycisk „Zapisz” zapisuje otrzymane wyniki na dysk twardy, Natomiast „Wyjdź” kończy działanie programu.

W części przekazującej dane użytkownikowi, znajduje się w lewym górnym rogu woltomierz, który wyświetla aktualne napięcie (w woltach). Pod nim znajduje się lampka sygnalizująca kiedy wartość napięcia jest pobierana. Następnie poniżej znajduje się lista aktualnie pobranych napięć. Dane te można swobodnie przeglądać i kopiować. Po prawej stronie znajduje się aktualny wykres przebiegu.

4. Wykres zarejestrowanego przebiegu

Rys.4.1 Wykres dla sygnału prostokątnego przy częstotliwości próbkowania 10 odczytów/s. Napięcie na generatorze ustawione na około 4V. Wartość obliczonego okresu: 9,7s

Rys.4.2 Wykres dla sygnału sinusoidalnego przy częstotliwości próbkowania 10 odczytów/s. Napięcie na generatorze ustawione na około 5V. Wartość obliczonego okresu: 9,9s

Rys.4.3 Wykres dla sygnału trójkątnego przy częstotliwości próbkowania 10 odczytów/s. Napięcie na generatorze ustawione na około 5V. Wartość obliczonego okresu: 10,1s

5. Wnioski

Wykresy uzyskane za pomocą programu „Analizator”, pokrywają się z parametrami (takimi jak amplituda, częstotliwość) ustalanymi na generatorze funkcyjnym. Jedyne odstępstwa występowały przy zmianie parametrów generatora. Występowały wtedy stany nieustalone, w postaci pików których nie brałem pod uwagę. Program więc działa prawidłowo i może zostać z powodzeniem wykorzystany do akwizycji wolnozmiennych sygnałów (częstotliwość próbkowania jest z góry ograniczona przez przetwornik A/C)

6

---