13.12.2011r.

Sprawozdanie

Ćwiczenie 5:

Przetworniki analogowo-cyfrowe – karta pomiarowa Acquitek CH-3150 komputera PC oraz system akwizycji sygnałów analogowych DaqBook 2001 z bezprzewodową transmisją danych

Anna Rogalewska, Piotr Przybylski, Piotr Owsianko,

Patryk Sadowski, Maciej Romanowski

Cel ćwiczenia:

• zapoznanie się z możliwościami, obsługą i oprogramowaniem karty pomiarowej Acquitek CH-3150 dla komputera PC,

• zapoznanie się z możliwościami, obsługą i oprogramowaniem układu akwizycji danych pomiarowych DaqBook 2001 z interfejsem sieciowym, połączonego z komputerem PC łączem bezprzewodowym.

Przetwornikiem analogowo-cyfrowym, nazywa się urządzenie przetwarzające wielkość analogową (najczęściej napięcie) na sygnał cyfrowy, czyli wyrażony liczbą w odpowiedni kodzie. Potrzeba przetwarzania analogowo-cyfrowego wynika stąd, że większość wielkości mierzonych ma postać analogową, a jednocześnie sygnały cyfrowe w porównaniu z sygnałami analogowymi mają bardzo korzystne właściwości: są odporne na zakłócenia oraz umożliwiają łatwe ich przetwarzanie z większą dokładnością. Należy zaznaczyć, że przetwarzaniu analogowo-cyfrowemu podlegają nie sygnały wyjściowe z przetworników pierwotnych, a dopiero sygnały odpowiednio uformowane. Każdej wielkości mierzonej przyporządkowuje się wartość liczbową, wyrażoną w odpowiednim kodzie za pomocą słowa cyfrowego.

Układy aktywizacji układów pomiarowych wykonywane są często w postaci modułów (kart pomiarowych), które można umieścić bezpośrednio w komputerze. Karty takie wyposażone są dodatkowo w przetworniki cyfrowo-analogowe, wejścia i wyjścia cyfrowe oraz układy czasowo częstotliwościowe.


Najważniejsze właściwości kart pomiarowych to:

Częstotliwość próbkowania- określa ile próbek jest pobieranych w jednostce czasu.

Rozdzielczość i zakres – liczba stanów wyjściowych wyrażona w bitach. Czym większa rozdzielczość, tym zakres przetwarzania podzielony jest na więcej poziomów. Zakres przetwornika określa minimalne i maksymalne napięcie, jakie może być przetworzone.

Błędy przetwornika analogowo-cyfrowego- można je podzielić na trzy grupy: błędy przesunięcia zera( odpowiada wartości sygnału na wejściu przy zerowym sygnale wyjściowym), błędy skalowania(odpowiada nachylenie charakterystyki rzeczywistej względem idealnej) i błędy nieliniowości( określa się go jako maksymalną różnicę między charakterystyką rzeczywistą i idealną przy założeniu, że błędy przesunięcia zera i skalowania są równe zero).

Bezpośredni dostęp do pamięci- polega na przesyłaniu danych bezpośrednio z urządzenia do pamięci komputera lub z pamięci do urządzenia bez pośrednictwa procesora.

Obsługa układu czasowo częstotliwościowego- zazwyczaj karty pomiarowe są wyposażone w uniwersalne układy licznikowe, zawierające liczniki programowane. Mogą one pracować w różnych trybach pracy. W poszczególnych trybach pracy liczniki mogą być wykorzystywane do: generacji okresowego sygnału prostokątnego jako sygnału zegarowego lub wyzwalającego, pomiaru szerokości impulsu, pomiaru częstotliwości lub okresu sygnału cyfrowego, zliczenia zboczy sygnału mijającego czasu.

Karta pomiarowa Acquitek CH-3150:  łączy się z płytą główną komputera przez magistralę systemową PCI.

Główne parametry karty to: 

• 2 wejścia analogowe o 12-bitowej rozdzielczości, 

• maksymalna częstotliwość próbkowania 20 MS/s (przy wykorzystaniu tylko jednego kanału wejściowego – 40 MS/s),  do 16 MB lokalnej pamięci dla wejść analogowych, 

• 7 programowalnych zakresów napięciowych: ±50 mV, ±100 mV, ±200 mV, ±500 mV, ±1 V, ±2 V, ±5 V, 

• wytrzymałość napięciowa wejść ±12 V, 

• synchronizacja wewnętrzna (poziomem mierzonego sygnału) lub zewnętrzna – programowalne: wybór źródła sygnału synchronizującego, poziomu wyzwalania i rodzaju  zbocza, 

• programowalne sprzężenie stało- lub zmiennoprądowe (DC/AC),  programowalna impedancja wejściowa 1 MΩ lub 50 Ω. 

Ponadto moduł zawiera 2 wyjścia analogowe o zbliżonych parametrach jak wejścia,  oraz dwa 8-bitowe porty równoległe w standardzie TTL, programowalne jako wejściowe lub wyjściowe, a także dwa 24-bitowe liczniki. Wyposażona jest także w pakiety programowe: 

• Acquitek SDK – biblioteka podstawowych funkcji karty dla popularnych środowisk  programowania – przydatna przy tworzeniu własnego oprogramowania obsługi pomiarów,

• Acquitek Bench – prosty użytkowy program emulacji oscyloskopu, woltomierza  cyfrowego, rejestratora, generatora, analizatora stanów logicznych itp., 

• AcquiFlex – podobny program do Acquitek Bench o nieco większych możliwościach 
  (m.in. realizuje analizę harmoniczną rejestrowanych przebiegów). 

Zmiany ustawienia aktualnych parametrów karty realizowane są wyłącznie programowo, dlatego też wymaga użycia firmowego oprogramowania, lub stworzenia własnych aplikacji pomiarowych. Program Acquitek Bench umożliwia korzystanie karty pomiarowej w kilku trybach pracy, takich jak : oscyloskop, woltomierz, analizator stanów logicznych, generator napięcia stałego lub zmiennego, rejestrator. 

Programowalny układ aktywizacji sygnałów analogowych – rejestrator cyfrowy DaqBook 2011 posiada interfejs Ethernet umożliwiający pracę układu jako autonomicznego elementu w sieci komputerowej Parametry: 

• 16 wejść analogowych (konfigurowalnych również jako 8 wejść różnicowych), 

• przetwarzanie analogowo-cyfrowe o 16-bitowej rozdzielczości, 

• maksymalna częstotliwość próbkowania 200 kS/s, 

• zakres temperatur pracy od -30˚ do +70˚C, 

• zasilania 10 do 30 Vdc (dołączony zasilacz), 

• programowalne zakresy napięciowe: dla sygnałów unipolarnych +10V (dla wzmocnienia  równego 1), kolejne wzmocnienia 2, 4, 8, 16, 32 – minimalny zakres 312,5 mV; dla  sygnałów bipolarnych ±10 V (dla wzmocnienia równego 1), kolejne wzmocnienia 2, 4, 8,  16, 32, 64 – minimalny zakres ±156 mV, 

• wytrzymałość napięciowa wejść ±11 V, 

• synchronizacja wewnętrzna (programowa lub poziomem mierzonego sygnału) lub zewnętrzna (sygnałem na specjalnym wejściu synchronizującym lub kombinacją stanów  na zwykłych wejściach cyfrowych) – programowalne: wybór źródła sygnału  synchronizującego, poziomu wyzwalania i rodzaju zbocza, 

• programowalne sprzężenie stało- lub zmiennoprądowe (DC/AC), 

• wejściowa 10 MΩ (20 MΩ dla wejść różnicowych), 

• możliwość zaprogramowania sekwencji do 16384 różnych pomiarów, okres  wykonywania sekwencji pomiarów (czas repetycji) programowalny od 5 µs do ok. 6 h; 

• 4 wyjścia analogowe – przetworniki cyfrowo-analogowe o 16-bitowej rozdzielczości, 

• minimalny czas zmiany stanu na wyjściu analogowym 10 µs (f max = 100 kS/s), 

• zakres napięciowy wyjść ±10 V, 

• max prąd wyjścia ±10 mA, 

• pojemność bufora dla wyjść 256 kS; 

• 40 linii wejść/wyjść cyfrowych zgrupowanych w 3 porty 8-bitowe i 1 port 16-bitowy, 

• każdy port programowalny jako wejście lub wyjście, 

• poziomy logiczne zgodne ze standardem TTL, 

• max częstotliwość próbkowania 200 kS/s (okres 5µs); 

• 4 wejścia licznikowe (zakres max ±15 V) o max częstotliwości sygnału do 10 MHz, 

• 2 wyjścia sygnału prostokątnego (TTL) o max częstotliwości 1 MHz. 

Moduły zewnętrzne umożliwiają kondycjonowanie i filtrowanie sygnałów wejściowych,  oprogramowanie rejestratora umożliwia zarejestrowanie do 100mln próbek,  posiada pakiet „DaqView do obsługi pomiarów, rejestracji wyników na dysku oraz ich prezentacji na ekranie.

Uzyskany wykres odpowiada rzeczywistemu, nastawionemu przez zasilacz przebiegowi napięcia przez urządzenie mierzące. DaqView w dosyć prosty i szybki sposób umożliwiał zbadanie charakterystyki przy ustawieniu zaledwie kilku wymaganych opcji pomiaru. Jednak sam program, prawdopodobnie, z powodu błędów kodu pisanego przez twórców programu, jest trochę nieprzyjazny dla użytkownika. Podczas prób na zajęciach laboratoryjnych, program odmawiał ukazania wykresu przebiegu harmonicznego napięcia przy próbie zwiększenia jego skali (pojawiała się jedynie fragment linii schodzącej lekko w dół). Jako, że ten błąd jest zupełnie losowy, ogranicza to w pewien sposób szybki pomiar żądanych wartości. Dlatego dla rejestratora DaqBook powinno się używać z innym, lepiej napisanym oprogramowaniem.

Wykresy uzyskana za pomocą Acquitek Bench:

Wykres U(f) - wykres transformacji Fouriera dla sygnału o charakterystyce napięcia prostokątnej.

Wykres U(f) - wykres transformacji Fouriera dla sygnału o charakterystyce napięcia trójkątnej.

Transformacja Fouriera jest operatorem liniowym określanym na pewnych przestrzeniach funkcyjnych, elementami których są funkcje n zmiennych rzeczywistych. Została nazwana na cześć Jeana Baptiste'a Josepha Fouriera. Wynikiem transformacji Fouriera jest funkcja nazywana transformatą Fouriera.

Acquitek CH-3150 wraz ze swoim oprogramowaniem Acquitek Bench nie stworzył większych problemów przy uzyskiwaniu pomiarów. Wszystkie wykresy pokrywają się z rzeczywistymi przewidywaniami uzyskanych wyników. Dodatkowym atutem samego programu, oprócz prostoty jego użycia, są zaimplementowane w nim biblioteki Acquitek SDK, umożliwiające stworzenie własnego programu i przyspieszenie dzięki temu pomiarów już na stanowisku badawczym.