SISTEME PENTRU ACHIZITIA SI PRELUCRAREA DATELOR

1 Consideratii generale

Procesul de transformare a tensiunilor sau curentilor electrici, ce constituie iesirile traductoarelor, in informatie numerica cu destinatie bine definita se numeste achizitie de date.

Sistemele de achizitie de date SAD sunt dispozitive complexe care au una sau mai multe din urmatoarele facilitati: achizitia a unuia sau mai multor semnale analogice in vederea conversiei analog numerice, generarea de semnale de test continue sau variabile, generarea de comenzi numerice, achizitia de intrari numerice, generarea de semnale numerice de frecventa si/sau factor de umplere variabil, masurarea de semnale numerice de frecventa si/sau factor de umplere variabil.

Exista mai multe criterii de clasificare pentru SAD-uri, dintre care amintim: dupa modul de realizare, dupa conditiile de mediu in care lucreaza, dupa numarul de canale analogice, etc.

Modul cel mai uzual de realizare al SAD-urilor este sub forma discreta. Sistemul de achizitie de date se realizeaza sub forma de modul prevazut cu doi conectori: la un conector are acces utilizatorul, celalalt conector permite cuplarea modulului direct pe magistralele unui calculator. Datorita progresului tehnologic in domeniul circuitelor integrate, sistemele de achizitie de date se pot realiza si in unul sau doua circuite integrate.

a. Dupa conditiile de mediu in care lucreaza, SAD-urile se clasifica in:

SAD-urile destinate sa functioneze in medii favorabile sau de laborator (sunt de mare precizie si cu un raport semnal/zgomot ridicat);

SAD-urile destinate sa functioneze in medii grele (medii industriale, instalatii militare, etc.), aceste sisteme de achizitie de date avand o precizie mai scazuta, dar putand functiona intr-un domeniu extins de variatie a parametrilor de mediu (temperatura, umiditate, etc.), fiind protejate contra perturbatiilor electromagnetice si prevazute cu circuite redundante.

b. Din punct de vedere al numarului de canale analogice, sistemele de achizitie de date pot fi cu unul sau mai multe canale. La masurari cu traductoare, o importanta deosebita o au SAD-urile cu mai multe canale analogice (multicanal). La randul lor, SAD-urile multicanal difera intre ele prin modul cum este realizata multiplexarea (la nivelul iesirilor numerice, la nivelul iesirilor circuitelor de esantionare si memorare, la nivelul intrarilor circuitelor de esantionare si memorare, la nivelul semnalelor de intrare). Sistemele de achizitie de date multicanal cu multiplexarea la nivelul semnalelor de intrare ofera performante dintre cele mai slabe din punct de vedere al vitezei de lucru. Aceste SAD-uri au insa avantajul simplitatii si al unui pret de cost mai redus.

Componenta unui sistem de achizitie de date este prezentata prin schema bloc pentru un astfel de sistem, cuplat la un calculator personal (Fig. 1).

Fig. 1 Schema bloc a unui sistem de achizitie de date

Pentru preluarea datelor, sistemul de achizitie de date trebuie conectat cu un calculator sau o retea de calculatoare, existand mai multe moduri de interfatare pentru SAD-uri.

Daca frecventa de achizitie a datelor este mai mare decat frecventa de transfer, sistemul de achizitie de date trebuie sa aiba in componenta o memorie locala pe langa blocurile de preluare si generare a semnalelor.

Un sistem de achizitie de date poate avea in componenta pe langa blocuri pentru preluarea si generarea semnalelor analogice si blocuri pentru transferul de semnale numerice.

2 Arhitecturi de sisteme de achizitie si distributie a datelor

2.1.Interfata pentru citirea semnalelor logice de intrare

In cazul semnalizarilor (diagnoza, contacte ale limitatoarelor de capat de cursa ale mecanismelor de pozitionare etc) se utilizeaza porturi de intrari numerice. Ele permit transferarea informatiei exterioare in cuvinte de date binare, utilizabile prin program de catre sistemul numeric (memorare, testarea starii unor anumite semnale si luarea unor decizii corespunzatoare etc). In cazul unui defect, se poate testa, prin analiza unor semnale de diagnoza, care este defectul si se emite comanda corespunzatoare (de ex. intreruperea alimentarii).

Interfata pentru furnizarea semnalelor logice spre proces

In cazul comenzilor de tip bipozitional, deci pentru marimi binare, se utilizeaza porturi de iesiri numerice. Acestea vor permite transferarea informatiei din cuvintele de date binare ale calculatorului catre exterior, determinand comanda unor elemente de amplificare binare ale schemei (relee).

2.3.Interfata pentru citirea semnalelor analogice de intrare

In principiu, conducerea unui proces cu o singura intrare si o singura iesire (SISO) poate fi realizata cu o structura numerica avand un canal de intrare analogica si un canal de iesire analogica. Pentru un proces cu mai multe intrari si mai multe iesiri analogice (MIMO) - mai multe bucle de reglare - arhitectura devine mai complexa. Solutiile variaza in functie de performantele impuse sistemului de conducere si de dinamica procesului.

O prima solutie ar fi utilizarea unei structuri multiprocesor, fiecarei bucle de reglare fiindu-i asociat cate un procesor specializat, care sa realizeze conversiile, prelucrarile si comenzile specifice buclei (conducere distribuita).

Daca insa conditiile de lucru sunt mai relaxate se poate adopta o arhitectura de tip conducere centralizata, structura numerica urmand sa fie conectata succesiv, dupa o ordine bine definita si, in general, cu viteza mare, la fiecare canal de masura. Acest lucru se realizeaza prin intermediul unui multiplexor (MUX- comutator electronic). In acelasi timp, toate rezultatele furnizate de calculator, in mod secvential, pe aceeasi iesire (magistrala), trebuie dirijate spre utilizatori printr-un demultiplexor (DMUX).

Pentru conversia analog-numerica a unui numar mare de semnale analogice se pot folosi doua metode:

- multiplexarea semnalelor analogice;

- multiplexarea semnalelor numerice.

Multiplexarea semnalelor analogice

Fig.4.2. Schema bloc a interfetei analogice de intrare cu MUX analogic

MUX analogic

Selectarea unui semnal de intrare analogic, care sa fie transmis la CAN, se face prin adresarea de catre mP a multiplexorului MUX. Principalul element al MUX analogic este elementul de comutare si poate fi realizat in una din variantele:

- relee obisnuite;

- relee reed (contacte in vid, intr-o fiola de sticla, comandate magnetic);

- relee cu mercur;

- comutatie statica cu elemente semiconductoare.

Primele trei variante, utilizand elemente electromecanice conduc, in general, la investitii initiale reduse, compensate insa de costuri ridicate de exploatare, fiabilitate scazuta, durata de functionare serios limitata. Ultima varianta are dezavantajul de-a produce marimi reziduale, datorate functionarii neideale a elementului de comutatie in starea inchis/deschis (curenti, tensiuni, rezistente, capacitati) precum si decalibrarii canalului, datorata fenomenului de imbatranire a componentelor.

Obs:    Deoarece circuitul de E&M se afla dupa MUX, nu este posibila masurarea simultana a doua sau mai multe marimi (semnale). Pe de alta parte, viteza de masurare este destul de redusa daca numarul de canale creste.

Pentru a putea citi simultan doua sau mai multe marimi se poate plasa cate un circuit de E&M pe fiecare canal, la intrarea MUX.

Fig.4.3. Schema bloc a interfetei analogice de intrare cu MUX analogic

si circuit de E&M pentru fiecare canal

Conversia analog-numerica si citirea datelor pe fiecare canal se poate face la momente diferite.

Deoarece CAN trebuie sa fie de precizie mare, avand de regula 8, 10, 12 biti la iesire, acestea sunt relativ complexe s au un cost ridicat. De aceea, in practica, se foloseste foarte mult metoda multiplexarii analogice. Totusi, pentru masurarea datelor, cand fenomenele din proces variaza rapid, utilizarea unui singur CAN nu mai da satisfactie. Este necesara utilizarea mai multor CAN, relativ mai lente si mai ieftine, pentru fiecare canal in parte.

Multiplexarea semnalelor numerice

Fig.4.4.Schema bloc a interfetei analogice de intrare cu MUX numeric

Fiecare CAN este precedat de un circuit de E&M. Iesirile numerice ale CAN sunt multiplexate cu ajutorul unui multiplexor numeric.

Desi montajul este complex si scump, frecventa de achizitie creste, daca se esantioneaza secvential cele n canale.

Moduri de control al transferului de informatii

La un sistem cu mP pot fi utilizate mai multe metode de interfatare a sistemului intrarilor analogice. Metodele utilizate sunt caracterizate de functionarea in intreruperi (transfer concurent) sau prin interogare (transfer programat).

Schemele cu declansare si asteptare (polling)- sunt caracterizate de faptul ca CPU declanseaza conversia (Adr_MUX, comanda E&M, START_CONV) la fiecare moment de esantionare si testeaza linia EOC (End Of Conversion), ce furnizeaza informatii referitoare la terminarea conversiei. La detectarea terminarii conversiei se citeste registrul de iesire al convertorului (R), registru ce contine valoarea convertita.

Corelarea (sincronizarea) vitezei de lucru se poate realiza si prin intermediul semnalului WAIT/READY.

Procesorul intra in starea de asteptare (WAIT MODE), prin bascularea unui bistabil de catre semnalul Start conversie si in starea de executie (RUN MODE) prin rebascularea acestuia de semnalul EOC, cand operatia de conversie s-a terminat.

Daca timpul de conversie este foarte mic, mP poate trata canalul de conversie ca o celula de memorare, operatia de citire a datelor efectuandu-se direct, fara timpi de asteptare.

Schemele ce utilizeaza sistemul de intreruperi se bazeaza pe faptul ca CPU declanseaza conversia, executa alte sarcini, si la momentul terminarii acesteia primeste un semnal de intrerupere generat de semnalul EOC. Ca urmare a intreruperii primite, se executa o subrutina de tratare a intreruperii, in cadrul careia se citeste valoarea numerica a semnalului convertit.

2.4. Interfata pentru furnizarea semnalelor analogice spre proces.

Aceste module realizeaza legatura intre doua subsisteme: subsistemul continuu (procesul condus) si subsistemul ce opereaza cu informatia discretizata (subsistemul numeric)

Reconstituirea semnalului analogic

Iesirea din calculatorul de proces este un semnal discretizat in timp, reprezentat printr-un tren de functii impuls. Pentru durata foarte mica a unui impuls energia nu poate fi suficienta pentru interventia asupra procesului. Din aceste motive semnalul discretizat trebuie transformat intr-un semnal de durata mai mare in timp.

In principiu, reconstituirea unui semnal continuu dintr-un sir de numere u(kT) poate fi considerata ca o extrapolare bazata pe informatiile anterioare u((k-1)T), u((k-2)T) ..u(0T). In acest caz trebuie sa se estimeze valoarea semnalului intre doua momente consecutive de esantionare, kT si (k+1)T, pornind de la valorile precedente. Pentru refacerea semnalului continuu, plecand de la esantioane u_k=u(kT) se folosesc extrapolatoare.

Cea mai uzuala functie de extrapolare a valorii , si mai comod de implementat, in intervalul tI[kT,(k+1)T) este polinomul Taylor de ordin arbitrar, n:

unde .

Pentru calculul unei diferente de ordin n sunt necesare (n+1) esantioane imediat anterioare intervalului de timp pe care se realizeaza extrapolarea. Estimarea cat mai corecta a semnalului reconstituit de catre extrapolator impune folosirea a cat mai multor esantioane (sau a mai multor termeni din seria de puteri). Pe de alta parte insa, folosirea unui extrapolator de ordin ridicat presupune un element fizic mai complex, mai costisitor si acceptarea retinerii pe timp mai indelungat a esantioanelor precedente intervalului considerat. De aceea, in practica, din seria de puteri se retin cel mult primii doi termeni (extrapolatoare de ordin zero sau unu).

Extrapolatorul de ordin zero (EOZ)

Retinand primul termen al polinomului (in t), deci n=0, rezulta

Prin folosirea extrapolatorului de ordin zero marimea extrapolata, aplicata la intrarea partii fixate continue, are urmatorul aspect:

Fig.4.5.Semnal numeric extrapolat cu ajutorul unui extrapolator de ordin zero

Cu toate ca semnalul este reconstituit cu o anumita eroare, daca perioada de esantionare este aleasa corespunzator aceasta eroare este acceptabila.

Extrapolatorul de ordin unu(EOU)

Pentru n=1, rezulta

Pentru valori T, ce se aleg adecvat, valoarea derivatei u'(kT) poate fi aproximata cu:

, obtinand

Fig.4.6.Semnal numeric extrapolat cu ajutorul unui extrapolator de ordin unu

Reconstituirea semnalului se realizeaza asadar dupa esantionul u(k) de la inceputul intervalului considerat dar si dupa tendinta de variatie sesizata de cele doua esantioane imediat anterioare acelui interval de timp.

In mod uzual se utilizeaza extrapolatorul de ordin zero(EOZ). Operatorul de mentinere (memorare) se realizeaza fizic fie cu ajutorul unei memorii analogice (E&M), in cazul utilizarii unui singur CNA pentru mai multe canale, fie cu ajutorul CNA, prin intermediul registrului propriu de zavorare (latch), cand este utilizat singur pentru un canal.

Alegerea uneia dintre aceste doua variante depinde de perioada dintre doua reactualizari (T) si de precizia de conversie impusa. Astfel, pentru intervale de timp reduse intre doua adresari si pentru o precizie medie de conversie, se poate alege metoda memorarii sub forma analogica.

Structuri de iesiri analogice multicanal

Fig.4.7.Schema bloc a interfetei analogice de iesire cu DMUX analogic

Schema contine un singur CNA, utilizat in comun de catre toate canalele de iesire. CPU transmite adresa canalului caruia ii este destinata comanda, precum si valoarea numerica a comenzii, care este inscrisa in registrul R. DMUX analogic conecteaza iesirea CNA la canalul specificat. Memoriile analogice (condensator si amplificator operational -tip repetor) servesc la memorarea iesirii CNA.

Aceasta structura are avantajul folosirii unui singur CNA (ceea ce poate conduce la un pret redus) si dezavantajul demultiplexarii si memorarii de semnale analogice (care pot adesea anula beneficiile oferite de un CNA unic).

Fig.4.8. Schema bloc a interfetei analogice de iesire cu DMUX numeric

Cea de-a doua structura utilizeaza cate un CNA pe fiecare canal in parte. In aceasta situatie, DMUX opereaza cu semnale numerice, valoarea numerica fiind introdusa in registrul corespunzator canalului caruia ii este destinata comanda.

3.Prelucrarea semnalelor de la proces

3.1.Tipuri de semnale

Un semnal continuu in timp, sau pe scurt, semnal continuu este un semnal definit pe un domeniu continuu in timp. Un astfel de semnal poate lua fie valori continue, fie un numar de valori distincte. Un semnal continuu care ia valori continue se numeste semnal continuu analogic (fig.3.1.a). Un semnal continuu care poate lua numai un numar finit de valori distincte se numeste semnal continuu cuantificat (fig.3.1.b).

Fig.3.1.Tipuri de semnale a) continuu necuantificat (analogic); b) continuu cuantificat;

Din punct de vedere matematic, semnalele continue (analogice sau cuantificate) sunt functii de variabila reala cu valori fie intr-o submultime din R (semnal analogic), fie intr-o multime cu un numar finit de elemente (semnal cuantificat).

- semnal continuu analogic: f:R R tIR ; f(t) I R

- semnal continuu cuantificat: f:R Z tIR ; f(t) I Z

Un semnal discret in timp, sau pe scurt, un semnal discret este un semnal definit pe un domeniu discret de timp. Un astfel de semnal poate lua fie valori continue, fie un numar finit de valori discrete.

Un semnal discret care ia valori continue se numeste semnal esantionat (fig.3.2.a).

Un semnal discret care ia valori cuantificate se numeste semnal numeric (fig.3.2.b).

Fig.3.2.Tipuri de semnale a)discret esantionat (necuantificat); b) discret cuantificat (numeric)

Din punct de vedere matematic, semnalele discrete (esantionate sau numerice) sunt functii de variabila intreaga cu valori fie intr-o submultime din R (semnal esantionat), fie intr-o multime cu numar finit de elemente (semnal numeric).

- semnal discret esantionat: f:Z R kIZ ; f(k) I R

- semnal discret numeric: f:Z Z kIZ ; f(k) I Z

Procedeul prin care dintr-un semnal analogic se obtine un semnal cuantificat se numeste cuantificare, iar valorile in numar finit, rezultate in urma cuantificarii se numesc valori cuantificate.

Procedeul prin care dintr-un semnal analogic se obtine un semnal esantionat se numeste esantionare.

In practica inginereasca semnalele numerice se obtin uzual din semnale analogice prin esantionare si cuantificare, ordinea de aplicare a celor doua operatii ramanand la latitudinea proiectantului de sistem.

Ca limbaj, trebuie remarcat faptul ca, desi semnalele numerice constituie o submultime a semnalelor discrete, in unele texte, prin "semnale discrete" se refera semnalele numerice.

Aceasta situatie se explica prin aceea ca in realizarile practice esantionarea este in general insotita si de cuantificare, deci semnalele discrete rezultate sunt semnale numerice.

3.2. Cuantificarea semnalelor

Prin cuantificarea unui semnal, multimea valorilor functiei ce defineste semnalul respectiv este transformata dintr-o multime continua (uzual, un interval) intr-o multime cu numar finit de elemente.

Pornind de la posibilitatile concrete de reprezentare digitala, conversia numerica a unei valori continue nu poate fi decat o aproximare, deoarece semnalul analogic poate sa aiba o infinitate de valori, in timp ce numerele care vor reprezenta aceste valori fac parte dintr-o multime finita, care are un numar de elemente dependent de precizia impusa.

In aplicatii, se utilizeaza game standardizate pentru valorile semnalelor ce urmeaza a fi cuantificate (de exemplu, tensiuni bipolare [-5V,5V], [-10V,10V], tensiuni unipolare [0V,5V], [0V,10V],etc.). Daca se noteaza prin [v,V] gama continua de valori acceptate ca intrare intr-un cuantificator cu n pozitii binare, cuantificarea reprezinta, din punct de vedere matematic, surjectia de la multimea [v,V] la multimea .

In practica se urmareste realizarea unei cuantificari uniforme, care in cazul unei game de valori [v,V], utilizand n pozitii binare, se caracterizeaza prin nivelul de cuantificare (pas de cuantificare in amplitudine):

Pentru o gama unipolara [0,V] (adica v=0) functia care realizeaza cuantificarea uniforma

f:[0,V]

se defineste prin:

Folosind transformarea:

x_i=iq, i=02ⁿ-1

se observa ca orice valoare xI[0,V] se va aproxima prin rotunjire cu valoarea x_i.

Eroarea de rotunjire va satisface, in modul, inegalitatea:

|e| (1/2)q,

pentru orice xI[0,V-(1/2)q], adica pentru toata gama [0,V] cu exceptia intervalului [V-(1/2)q,V].

Exemplu: Cuantificator cu 2 pozitii binare in gama [0,10V]:

Nivelul de cuantificare este :

iar caracteristica de cuatificare este:

Valorile intregi rezultate din cuantificare (00,01,10,11), exprimate ulterior in virgula flotanta, sunt: x₁=0, x₂=2.5, x₃=5, x₄=7.5. (x=i q)

Eroarea ce se va introduce prin rotunjire pentru xI[0,8.75] este de modul maxim 1.25=(1/2)q.

Fig.3.3. Caracteristica de cuantificare prin rotunjire a unui semnal in gama [0V,10V] folosind n=2 pozitii binare

Se constata ca valoarea maxima a erorii introduse prin cuantificare, urmata de transformarea in virgula mobila, este data de numarul de pozitii binare n utilizat:

Insa eroarea absoluta nu caracterizeaza complet calitatea unei aproximari. Pentru o valoare oarecare xI[0,V-(1/2)q] eroarea relativa de satisface relatia:

Prin aceasta se constata ca in aplicatii trebuie urmarit ca amplitudinea semnalului ce trebuie cuantificat |x|, sa fie in general sensibil mai mare decat nivelul de cuantificare q.

Obs: Impunand o anumita precizie sistemului de reglare se poate determina tipul convertorului folosit (numarul de pozitii binare)

Convertoarele analog-numerice (CAN) standardizate utilizeaza uzual cuvinte cu n=8, 10 sau 12 biti. Converoarele cu n 16 biti se folosesc numai in aplicatii ce necesita o precizie deosebita.

Pentru gama unipolara [0,10V] eroarea relativa de cuantificare este :

pentru n=8 , de=0.05% (n=10), respectiv de=0.01% (n=12).

Prin cuantificare (rotunjire) se pierde informatie, erorile de cuantificare actionand ca un zgomot perturbator (zgomot de cuantificare).

De regula, traductoarele industriale uzuale fac parte din diferite clase de precizie (1%, 1.5%, 2.5%, 5%).

Concluzie: Tinand cont de sensibilitatea traductoarelor si de ponderile zgomotelor externe care afecteaza procesul, in procesul de analiza si sinteza a sistemelor de conducere industriale zgomotele de cuantificare pot fi neglijate.

3.3. Esantionarea semnalelor

Esantionarea consta in extragerea din semnalul continuu a valorii corespunzatoare unor momente discrete de timp. Intervalul dintre doua esantioane poarta numele de perioada de esantionare.

Exista mai multe moduri de esantionare a semnalelor:

a). Esantionarea prin modulare in amplitudine a trenului de impulsurilor de catre semnalul de esantionat. Acest tren de impulsuri poate avea o perioada constanta (esantionare clasica) sau variabila;

Fig.3.4.Esantionarea prin modularea impulsurilor in amplitudine

b). Esantionare prin modulare in latime a impulsurilor. Latimea esantionului este proportionala cu valoarea absoluta a semnalului, amplitudinea fiind constanta.

Fig.3.5.Esantionare prin modularea impulsurilor in latime

c). Esantionare prin modulare in frecventa a impulsurilor. Frecventa esantioanelor este, in acest caz, proportionala cu amplitudinea semnalului.

Fig.3.6.Esantionare prin modularea impulsurilor in frecventa

d). Esantionarea prin modulare in faza a impulsurilor. In comparatie cu un semnal de referinta, esantioanele sunt defazate in avans sau in intarziere in functie de semnul semnalului de esantionat, valoarea acestui defazaj fiind direct proportionala cu amplitudinea semnalului.

Fig.3.7.Esantionare prin modularea impulsurilor in faza

Obs. Un element de esantionare prin modularea in amplitudine a impulsurilor este in esenta un element liniar, deoarece semnalele de intrare si de iesire ale elementului de esantionare se supun principiului suprapunerii efectelor, spre deosebire de celelalte tipuri, care sunt considerate elemente neliniare.

3.4. Circuite de conversie a semnalelor

Sistemul de reglare numeric trebuie sa achizitioneze si sa livreze date de la si respectiv catre partea fixata (procesul industrial condus), care este un sistem continuu. Calculatorul prelucreaza numai semnale numerice. Pentru a se putea utiliza semnalele din proces, acestea trebuie supuse unor prelucrari (esantionare, cuantificare), realizate cu ajutorul convertoarelor analog-numerice (CAN). In acelasi timp, pentru a putea utiliza informatiile furnizate de catre calculator, este necesara transformarea acestor rezultate intr-un semnal direct utilizabil de catre sistemul comandat. Aceste semnale vor putea fi obtinute cu ajutorul convertoarelor numeric-analogice (CNA).

3.4.1. Conversia A/N

Fig.3.9. detaliaza operatiile care se desfasoara la achizitia datelor.

Fig.3.9. Procesarea semnalelor in conversia A/N

Traductorul (incorporat in blocul PF) converteste informatiile despre evolutia unei variabile fizice de natura oarecare intr-un semnal electric analogic continuu.

Filtrare

Problema conversiei analog-numerice este deosebit de complexa atunci cand semnalul de intrare este supus unor zgomote, ceea ce impune utilizarea unui filtru F. Banda de trecere a filtrelor trebuie astfel aleasa incat sa permita trecerea nealterata a semnalelor utile si atenuarea semnalelor parazite, fapt pentru care in situatiile obisnuite filtre pasive de tip trece-jos (FTJ) sunt suficiente. In situatiile delicate, la canalele puternic perturbate, se pot utiliza filtre active.

Esantionare si memorare

Elementul de esantionare si memorare reprezinta o memorie analogica ce pastreaza valoarea semnalului de intrare la momentul esantionar Acest semnal trebuie sa fie stabil pe durata conversiei analog-numerice. Principial, circuitul de esantionare si memorare este constituit dintr-un comutator asociat cu un condensator.

Fig.3.10. Regimuri de functionare ale unui circuit de esantionare-memorare

Atunci cand comutatorul este inchis, tensiunea la bornele condensatorului urmareste tensiunea de intrare, iar cand comutatorul este deschis, condensatorul C pastreaza (memoreaza) tensiunea pentru a putea fi utilizata de convertor.

Obs:1. Daca semnalul convertit are variatii lente circuitul de E&M poate sa lipseasca.

2. Pe timpul esantionarii este necesara incarcarea rapida a condensatorului (t_inc mic). Pe timpul memorarii este necesar ca semnalul memorat sa nu se altereze prea repede (precizie mare). In general, circuitele de E&M rapide sunt putin precise iar circuitele lente au o precizie buna. Situatia critica este atunci cand se cere atat viteza mare de esantionare cat si precizie buna. In general, fenomenele rapide nu necesita o precizie deosebita; de aceea in regim tranzitoriu viteza circuitului de E&M este parametrul esential, ceea ce inseamna timpi mici de achizitie. Pentru fenomene mai putin rapide se aleg circuite de E&M cu performante satisfacatoare de viteza, dar de precizie mare.

Fig.3.11. Esantionarea si memorarea semnalelor

Neglijandu-se timpul de incarcare a condensatorului, in fig.3.11 se prezinta semnalele de intrare si iesire ale unui astfel de circuit de-a lungul mai multor perioade de esantionare. Se constata ca circuitul de E&M transforma semnalul analogic de la intrare (de forma oarecare) intr-un semnal analogic constant pe portiuni (semnal sau functie scara).

Circuitul de conversie analog-numeric transforma un semnal analogic intr-un semnal numeric, transformare care implica atat operatia de esantionare cat si operatia de cuantificare. In fig.3.12 se prezinta un circuit de conversie A/N cu aproximatii succesive.

Fig.3.12. Schema de principiu a unui circuit de conversie A/N cu aproximatii succesive

Un astfel de circuit utilizeaza un circuit de conversie N/A. Circuitul de conversie N/A transforma continutul registrului de aproximatii succesive (RAS) intr-un semnal analogic ce se compara cu semnalul analogic de intrare a circuitului de conversie A/N. La primul pas, RAS, care are n pozitii binare, este setat cu o valoare egala cu jumatatea valorii maxime, pozitionand bitul cel mai semnificativ (b_n-1) pe 1 si restul pe 0, situatie in care convertorul N/A genereaza jumatate din tensiunea de referinta, V_ref. Comparatorul decide daca acest bit ramane 1 sau trebuie resetat. La al doilea pas, se pozitioneaza pe 1 urmatorul bit ca semnificatie al RAS (b_n-2), generandu-se (inca) un sfert dintensiunea V_ref, si comparatorul decide daca acesta ramane 1 sau trebuie resetat. Dupa n comparatii, RAS contine in reprezentare binara rezultatul conversiei, valoarea fiecaruia din cei n biti fiind decisa la cate un puls de comanda.

Obs:     Acuratetea (precizia) semnalului numeric rezultat depinde de numarul de biti ai RAS si convertorului N/A utilizati in codificarea binara.

Frecventa de esantionare este limitata de viteza de raspuns a comparatorului, timpul de conversie al CNA si de intarzierile de propagare in circuitul digital.

t_CAN = n (t_comp +t_CNA+t_RAS)

3.4.2. Conversia N/A

Circuitul de conversie N/A transforma semnalul numeric din registrul REG intr-un semnal continuu cuantificat. Daca semnalul numeric ce urmeaza a fi convertit este reprezentat pe n pozitii binare, atunci circuitul de conversie N/A este un semnal continuu ce poate lua 2ⁿ valori distincte.

Fig.3.13.Schema de principiu a unui circuit de conversie N/A pe 4 biti cu rezistente ponderate

In fig.3.13 se prezinta schema simplificata a unui circuit de conversie N/A cu rezistente ponderate, avand n=4 pozitii binare.

Rezistentele de intrare ale amplificatorului operational sunt ponderate dupa puterile lui 2. Bitii b₀,,b₃, corespunzatori semnalului numeric, comanda comutatoarele astfel: pentru valoarea 1, rezistenta aferenta este conectata la -V_ref, iar pentru valoarea 0, rezistenta aferenta este conectata la masa (actionarea comutatoarelor desfasurandu-se in paralel). Valoarea semnalului de iesire este:

Principalul dezavantaj al acestui tip de circuite de conversie N/A il constituie necesitatea utilizarii unor rezistente cu valori cat mai precise intr-un domeniu foarte larg, ce variaza de la R la 2^n-1R. Acest inconvenient dispare in cazul circuitelor de conversie N/A cu retele R/2R.

4. Module de achizitie de date

Firmele specializate realizeaza o varietate larga de module folosite in achizitia, prelucrarea si controlul marimilor, care se pot conecta pe magistrala de extensie a calculatorului (ISA, EISA, MCA, PCI). In general, se intalnesc:

module de intrare-iesire de uz general (I/E analogice, I/E numerice);

- module de intrare-iesire numerice (procesarea numerica primara se realizeaza pe modul);

module de iesire analogice.

Aceste module, realizate de regula pe o singura placa imprimata multistrat (cartela), sunt destinate achizitiei de date multicanal a marimilor analogice si/sau numerice. Daca pentru achizitia datelor numerice problemele sunt relativ simple, la achizitia marimilor analogice se pun probleme mai complexe, legate atat de conditionarea precisa a semnalelor (amplificare, filtrare), cat si de multiplexarea lor. Dupa modul in care aceste functii sunt realizate in structura sistemului de achizitie, se disting urmatoarele categorii:

Module de achizitie asincrone: care permit culegerea de semnale pe mai multe

canale (in general, de la 4 la 64 de canale ), utilizand un multiplexor analogic, un singur circuit de esantionare-memorare si un singur CAN.

Module de achizitie sincrone, care permit achizitia de esantioane simultan de

pe mai multe canale si care pot fi :

cu multiplexarea analogica a iesirilor circuitelor de esantionare-memorare;

cu multiplexarea numerica a iesirilor convertoarelor analog-numerice.

O categorie speciala o reprezinta modulele de achizitie cu DSP (Digital Signal Processor). Modulele cu DSP sunt cu achizitie sincrona, cu multiplexor analogic, sau, mai adesea, cu multiplexor numeric. Procesoarele numerice de semnal sunt utilizate in structura sistemelor de achizitie doar pentru aplicatii speciale, care necesita procesarea numerica a semnalelor cu o viteza mare (exemple: incercarea la vibratii a diferitelor echipamente, analiza vocala, masurari de distorsiuni, etc.). In acelasi timp, prezenta DSP-ului creste pretul modulului de achizitie.

Placa realizeaza achizitia in regim asincron. Semnalele analogice de intrare introduse la conectorul de intrare-iesire sunt multiplexate analogic, aplicate succesiv la amplificatorul programabil AP si apoi convertite in cod numeric de 12 biti. Convertorul analog-numeric este de tipul cu aproximatii succesive. Memoria tampon FIFO permite stocarea unui volum de date (512 esantioane) pe timp scurt, pentru a fi transmise la calculator cand magistrala devine disponibila. Prin interfata de magistrala BUS-IF se deruleaza transferul de date de la modul spre calculator si transferul de date si semnale de control de la calculator spre modul.

Prin semnalele de control calculatorul impune modulului de achizitie: frecventa de esantionare a semnalelor de intrare, adresa canalului ce urmeaza a fi achizitionat, amplificarea concreta pentru canalul selectat, declansarea procedurii de esantionare-memorare-conversie A/N, etc.

Magistrala de date si control este o magistrala slave. Modulul nu dispune de alimentare proprie, ci preia tensiunile de pe magistrala ISA a calculatorului.

Transferul de date de la modul la calculator se poate derula in regim de intrerupere (IRQ-Interrupt Request) a activitatii procesorului sau in regim DMA (Direct Memory Access), cand transferul are loc sub supravegherea controlerului DMA al calculatorului, iar procesorul continua in paralel derularea sarcinilor curente.

Fig.2.3. Schema-bloc a unui sistem multifunctional de achizitie-distributie de date