14. fejezet - Analóg bemenetek
Vissza		Előre

14. fejezet - Analóg bemenetek

Tartalom

A számítógépes analóg bemeneti kártyák általánosan a következő blokk diagrammal jellemezhetők:

14.1. ábra - Analóg bemenet(ek) blokk diagramja

Csak analóg bemeneti jel kezelése esetén a számítógépnek a következő időtartamokra van szüksége:

14.2. ábra - Analóg jel mintavételezései között elvégzett feladatok

14.1. A jelforrások típusai

14.1.1. Aszimmetrikus földelt jelforrás

14.3. ábra - Aszimmetrikus földelt jelforrás

A kimeneti vezetékek és a föld között mérhető impedanciák nagysága különböző.

Az egyik kimeneti vezeték földelt!

14.1.2. Aszimmetrikus földfüggetlen jelforrás

14.4. ábra - Aszimmetrikus földfüggetlen jelforrás

A két kimeneti vezeték a földfüggetlen (például ilyen egy 1.5 Voltos ceruzaelem).

Az egyik kimeneti vezeték a folyamat oldalon leföldelhető.

14.1.3. Aszimmetrikus földelt eltolt nullszintű jelforrás

14.5. ábra - Aszimmetrikus földelt eltolt nullszintű jelforrás

A kimeneti vezeték és a föld között különböző impedanciák mérhetők.

A kimeneti vezetékek nem földelhetők!

14.1.4. Szimmetrikus földelt jelforrás

14.6. ábra - Szimmetrikus földelt jelforrás

A kimeneti pontok között mérhető impedanciák azonosak.

A kimeneti vezetékek nem földelhetők!

14.1.5. Szimmetrikus földfüggetlen jelforrás

14.7. ábra - Szimmetrikus földfüggetlen jelforrás

A kimeneti pontok között mérhető impedanciák azonosak.

Az egyik kimeneti vezeték a folyamat oldalon leföldelhető.

14.1.6. Szimmetrikus földelt eltolt nullszintű jelforrás

14.8. ábra - Szimmetrikus földelt eltolt nullszintű jelforrás

A kimeneti pontok között mérhető impedanciák nagysága megegyezik.

A kimeneti vezetékek nem földelhetők!

14.2. Jelvevő áramkörök

14.9. ábra - Az ideális műveleti erősítő

A jel fogadását a rendszer oldalon (a számítógépes mérés előtt) általánosan egy műveleti erősítős áramkörrel biztosítjuk, amely nagy bementi ellenállással rendelkezik, így nem terheli a jelforrást. A műveleti erősítő kimenete közel ideális feszültséggenerátor – nulla belső ellenállással.

A jelvevő áramkörök általánosan egy fém (lágyvas) árnyékoló dobozban elhelyezett műveleti erősítős kapcsolást tartalmaznak – beállított erősítési értékkel.

A különböző jelvevő kapcsolásoknál a háromszöggel jelzett fémdobozt illetve az ettől elszigetelten bevezetett bemeneteket és a műveleti erősítős kapcsolás legfontosabb elemeit jelöljük.

14.2.1. Aszimmetrikus földelt jelvevő

14.10. ábra - Aszimmetrikus földelt jelvevő áramkör

A bemeneti vezetékek és a föld között mérhető impedanciák nagysága különböző. Az egyik bemeneti és a kimeneti vezeték valamint a külső ház földelt.

14.2.2. Szimmetrikus földelt jelvevő

14.11. ábra - Szimmetrikus földelt jelvevő áramkör

A bemenetek és a föld között mérhető impedanciák nagysága azonos.

Az impedanciák kivezetett közös pontja, az egyik kimeneti vezeték és a külső ház földelt .

14.2.3. Aszimmetrikus földfüggetlen jelvevő

14.12. ábra - Aszimmetrikus földfüggetlen jelvevő áramkör

A bemeneti vezetékek a földtől, a külső háztól és a kimeneti vezetékektől szigeteltek.

Az egyik bemeneti vezeték a földfüggetlen árnyékolásra kapcsolódik. Az egyik kimeneti vezeték és a külső ház földelt .

Ha az egyik bemeneti vezetéket leföldeljük a bemenetek és a föld között mérhető impedanciák nagysága különböző lesz.

14.2.4. Szimmetrikus földfüggetlen védőárnyékolt jelvevő

14.13. ábra - Szimmetrikus földfüggetlen védőárnyékolt jelvevő áramkör

A bemeneti vezetékek és a védőárnyékoláshoz kapcsolódó közös vezeték között mérhető szórási impedanciák megegyeznek, csak a külső ház és az egyik kimeneti vezeték földelt.

Ha a védőárnyékolás kivezetését az egyik bemeneti vezetékkel összekötik a jelvevő aszimmetrikus földfüggetlen lesz.

14.2.5. Aszimmetrikus földfüggetlen védőárnyékolt jelvevő

14.14. ábra - Aszimmetrikus földfüggetlen védőárnyékolt jelvevő áramkör

A melegpont (high) a földhöz képest nagy szórási impedanciájú pont.

A hidegpont (low) a földhöz képest kis impedanciájú.

A védőárnyékolás (guard) pedig a jelvevő földfüggetlen lebegő bemeneti pontja.

14.15. ábra - Aszimmetrikus földfüggetlen jelforrás és aszimmetrikus földelt jelvevő bemenet összekapcsolása

14.16. ábra - Aszimmetrikus földfüggetlen jelforrás és szimmetrikus földelt jelvevő bemenet összekapcsolása

14.17. ábra - Szimmetrikus földfüggetlen jelforrás és szimmetrikus földelt jelvevő bemenet összekapcsolása

14.18. ábra - Aszimmetrikus földelt jelforrás és aszimmetrikus földfüggetlen árnyékolt jelvevő bemenet összekapcsolása

14.19. ábra - Aszimmetrikus földelt jelforrás és szimmetrikus földfüggetlen védőárnyékolt jelvevő bemenet összekapcsolása

14.20. ábra - Aszimmetrikus földelt jelforrás és szimmetrikus földfüggetlen védőárnyékolt jelvevő bemenet összekapcsolása

Megjegyzés:

A jelforrások és jelvevők egyes típusainak megkülönböztetése azért lényeges, mert a számítógép és a folyamat összekapcsolásában egy adott típusú jelforrás csak megfelelő jelvevővel kapcsolható össze.

HA AZ ILLESZTÉSI SZABÁLYOK NEM TARTJUK BE AZ MEGENGEDHETETLEN JELTORZULÁSOKHOZ VEZET!

Az illesztésekkel kapcsolatos problémák csak a zavarjelek hatásmechanizmusának tanulmányozásával érthetők meg.

14.3. Az illesztés legfontosabb szabályai

Egyetlen pont földelése: A jelforrást és a jelvevőt tartalmazó rendszerben CSAK EGY PONT FÖLDELHETŐ, de egy pontban le kell földelni a rendszert.

Szimmetrikus áramkör kialakítása: A nagy zavarjel elnyomás érdekében törekedni kell szimmetrikus jelforrások és jelVevők kialakítására.

A vezeték árnyékolás potenciáljának rögzítése: A vezeték árnyékolás potenciálját CSAK EGYETLEN PONTBAN szabad rögzíteni, DE EGY PONTBAN SZÜKSÉGES RÖGZÍTENI!

14.21. ábra - Analóg jelforrás és jelvevő összekapcsolásának összefoglalása

14.4. Zavarjelek

A zaj (noise) a hasznos információt hordozó jel (hasznos jel) olyan torzulása, amely információ veszteséget okoz. A torzult jel a hasznos jel és a zavarjel összegzett eredője.

A számítógépes folyamatirányításban egy nagyságrenddel szigorúbb a pontossági igény az ipari mérésekhez viszonyítva.

A számítógépes mérőrendszerek többnyire a jel pillanatértékét mérik , így nem működik például a zajok átlagolásával dolgozó szűrés.

Nagyszámú áramkör van jelen, így fokozott az áramkörök egymásra hatása.

A hasznos jel és a zaj kapcsolódásának hatásvázlata:

14.22. ábra - A zavarjel hatásvázlata

14.4.1. A csatolások típusai

Konduktív csatolás: A zajforrás és a hasznos jelet szolgáltató áramkör galvanikus kapcsolatban vannak.
Induktív csatolás: A zajforrásból származó jel a hasznos jelet elektromágneses indukció útján torzítja.
Kapacitív csatolás: A zajforrás és a hasznos jelet szolgáltató áramkör elektrosztatikus kapcsolatban van egymással.

Ezek csak a leggyakoribb zavarjel típusok és csatolások. Ezen kívül még számos zajforrás fajta jelenhet meg, ilyen például akusztikus csatolás és zavarjel.

14.4.2. A zavarjelek kiküszöbölésének általános módszerei

A zajforrás keletkezésének megakadályozása, a zajforrás megszüntetése .

A zajforrás és a hasznos jelet szolgáltató áramkör közötti csatolás megszüntetése .

A zavarjel kiszűrése a torzult jelből.

14.4.3. A zavarjelek típusai, időbeni változásuk alapján

Egyenfeszültségű zavarjel: a zavarjel időben állandó értékkel jellemezhető.

Váltakozó feszültségű zavarjel: adott frekvenciájú és amplitúdójú zavarjel.

Tranziens zavarjel: adott lefutási idejű végül teljesen megszűnő zavarjel.

14.4.4. A zavarjelek típusai áramkörökben való megjelenési formájuk szerint

Ellenfázisú zavarjel (normal mode interference): a jelforrás által szolgáltatott hasznos jellel sorosan kapcsolódik, a jelvevő bemeneti pontjait ellenfázisban vezérli.

14.23. ábra - Ellenfázisú zavarjel blokkvázlata

Ezt a jelet még szokás soros vagy tranzverzális zavarjelnek is nevezni.

Azonos fázisú zavarjel (common mode interference): a hasznos jelet szállító két jelvezeték közös pontja és valamilyen referencia pont – rendszerint a jelvevő föld pontja – között lép fel, a jelvevő bemeneti pontjait azonos fázisban vezérli.

14.24. ábra - Azonos fázisú zavarjel blokkvázlata

A két zavarjel típus általánosan együttesen jelentkezik, illetve az azonos fázisú zavarjelből belső ellenfázisú zavarjel keletkezhet.

Ha a rendszerben a jelforrás és a jelvevő is aszimmetrikus földelt típusú.

Tehát az áramkör két pontján van földelve! (Ami alapvető hiba) Ekkor a következő kapcsolás valósul meg:

14.25. ábra - Két ponton földelt áramkör blokkvázlata

RF (Rendszer Föld) és a FF (Folyamat Föld) potenciálja nem azonos, így egy váltakozó és egyenfeszültségű komponenseket tartalmazó zavarjel jelenik meg.

A vizsgálathoz tételezzük fel, hogy U_k=0 (szuperpozició alkalmazása!)

Az ellenállásviszonyok: r < R_H< R_BE

	r	vezeték ellenállása (~ 0,01 - 0,1 ohm)
	R_H	generátor belső ellenállása (~ 0,1 – 1 ohm)
	R_BE	műveleti erősítő bemeneti ellenállása (~ 1 -1000 Mohm)

$U_{e f} = U_{A F} \frac{R_{B E}}{R_{B E} + R_{H} + r}$

(14.1)

ahol

	$U_{e f}$	az azonos fázisú zavarjelből keletkezett ellenfázisú zavarjel
	$U_{A F}$	az azonos fázisú zavarjel

A fenti ellenállás viszonyok figyelembevételével:

$U_{e f} \approx U_{A F}$

(14.2)

Tehát ilyen jelforrás jelvevő összekapcsolásnál a zavarjel teljes egészében átkerül a hasznos jelet erősítő áramkörbe.

Adott nagyságú azonos fázisú jelből létrejövő ellenfázisú zavarjel nagysága az úgynevezett azonos fázisú zavarjel elnyomással jellemezhető.

A műveleti erősítő erősítése:

$u_{k i} = A_{D I F F} \cdot (u_{p} - u_{n}) + A_{C M} \cdot (\frac{u_{p} + u_{n}}{2})$

(14.3)

ahol

	$u_{k i}$	a műveleti erősítő kimeneti feszültsége
	$u_{p}$	a műveleti erősítő nem invertáló bemenetére adott feszültség jel
	$u_{n}$	a műveleti erősítő invertáló bemenetére adott feszültség jel
	$A_{D I F F}$	a műveleti erősítő differenciál erősítése
	$A_{C M}$	a műveleti erősítő közös modusú erősítése

Az azonos fázisú zavarjel elnyomás (közös jel elnyomás)

(CMR = Common Mode Rejection) valamely adott azonos fázisú zavarjel és e zavarjelből keletkező ellenfázisú zavarjel abszolút értékének a hányadosa dB-ben kifejezve:

$C M R = 20 \lg \frac{| U_{A F} |}{| U_{e f} |} [d B]$

(14.4)

Az ideális közös jel elnyomás értéke végtelen .

A gyakorlatban ez maximálisan ~100 dB nagyságrendű elnyomást jelenthet.

$C M R = 20 \lg (\frac{A_{D I F F}}{A_{C M}}) [d B]$

(14.5)

ahol

	$A_{D I F F}$	a műveleti erősítő differenciál bemenetének erősítése
	$A_{C M}$	a műveleti erősítő közös modusú erősítése

Adott kapcsolás CMR értékét a bemutatott eljárás segítségével lehet meghatározni!

A vizsgálatok eredménye, hogy a hálózati aszimmetria viszonyok jelentősen csökkentik a CMR értékét.

Aszimmetrikus földelt jelforrás -

Szimmetrikus földeletlen jelvevő összekapcsolása

14.26. ábra - Kapcsolás az azonos fázisú zavarjel elnyomás meghatározásához

14.27. ábra - Helyettesítő kapcsolás az azonos fázisú zavarjel elnyomás meghatározásához

	$z_{2} = r_{2}$	(14.6)
	$z_{1} = r_{1} + R_{H}$	(14.7)
	$z_{22} = \frac{1}{j ω c_{22}}$	(14.8)
	$z_{11} = \frac{1}{j ω c_{11}}$	(14.9)

A gyakorlatban (50 Hz hálózati frekvenciánál):

$z_{11}, z_{22} > > | z_{1} |, | z_{2} |$

(14.10)

Az összefüggés szemléletessé tétele érdekében a következő feltételezéseket tesszük:

	$z_{11} = z_{22} = z$	(14.11)
	$Δ z = z_{2} - z_{1}$	(14.12)
	$U_{e f} = U_{A F} \frac{Δ z}{z}$	(14.13)
	$C M R = 20 \cdot \lg \frac{\| U_{A F} \|}{\| U_{e f} \|} \approx 20 \cdot \lg \frac{\| z \|}{\| Δ z \|} [d B]$	(14.14)

Ahol a z azonos fázisú bemeneti impedancia, Δz pedig a két információs vezeték villamos impedanciái közötti eltérés aszimmetria impedancia.

A CMR növelésére a következő lehetőségek vannak:

Szimmetrikus áramkör kialakítása: ahol: $Δ z ≅ 0$

14.28. ábra - Szimmetrikus kapcsolás az azonos fázisú zavarjel elnyomás növelésére

Az azonos fázisú bemeneti impedancia növelése : adott frekvenciánál (50 Hz) a szórt kapacitások határozzák meg a z értékét. Adott frekvencián ezek tehát meghatározott értékű CMR-t biztosítanak.

Védőárnyékolás alkalmazása : A védőárnyékolás (guard) a jelvevő bemeneti áramköreit magába foglaló, a külső földelt háztól villamosan elszigetelt fémdoboz.

14.29. ábra - Védőárnyékolás alkalmazása

$C_{e 11} = {[\frac{1}{C_{11}} + \frac{1}{C_{3}}]}^{- 1} = \frac{C_{11} \cdot C_{3}}{C_{11} + C_{3}}$

(14.15)

ahol

	$C_{e 11} < C_{11}$	(14.16)
	$C_{e 11} < C_{3}$	(14.17)
	$Z = \frac{1}{j ω C_{e 11}}$	(14.18)

A védőárnyékoló fém ház alkalmazása nélkül a C₁₁ és C₂₂ kapacitások a jeltovábbító vezetékek és a berendezést tartalmazó fémdoboz (külső ház) között jönnek létre.

A z azonos fázisú bemeneti impedanciát itt úgy növeljük meg, hogy a teljes erősítő/fogadó áramkört elhelyezzük egy másik fém dobozban (árnyékoló ház), amely a berendezés fém dobozától (külső ház) el van szigetelve. A külső ház és az árnyékoló ház között létrejövő kapacitás C₃ sorba kapcsolódik a C₁₁-el illetve a másik vezetékhez tartozó C₂₂-vel így mind a két vezeték külső házhoz mérhető kapacitását csökkent. A kapacitív impedancia, amelyet 14.18 egyenlet szerint határozunk meg csökkenő C_exx esetén impedancia növekedést eredményez.

14.4.5. A zavarjelek típusai keletkezési ok szerint és a zajcsökkentés módszerei

14.4.5.1. Csatlakozási potenciál

Nem megfelelő villamos csatlakozásnál a nedvesség, kémiai anyagok, hatására galvánelemek keletkeznek, melyek egyenfeszültségű ellenfázisú zavarjelet okoznak. Megoldás: a csatlakozások számának minimalizálása, védőbevonat a csatlakozásokra.

14.4.5.2. Termikus potenciál (termoelem)

A villamos áramkörben levő különböző anyagú fémek csatlakozási pontjánál , ha a csatlakozások hőmérséklete eltérő a környezettől, termikus potenciál keletkezik. A kialakuló termofeszültség, egyenfeszültségű ellenfázisú zavarjelet okoz.

	forraszanyag és réz 1°C–ra	3-10 μV,
	vas-réz csatlakozás 1°C–ra	30 μV.

Az egyenfeszültségű ellenfázisú zavarjelet nem lehet a hasznos jeltől megkülönböztetni. A zavarjel által okozott hiba utólag semmilyen módszerrel nem csökkenthető.

Ezért az egyenfeszültségű ellenfázisú zavarjelet a zajforrásnál kell megszüntetni!

A termo feszültségből származó zavarjelek az alábbi módszerekkel csökkenthetők:

A csatlakozások számának csökkentése.
Egymáshoz közeli termo feszültségű anyagok használata (vörösréz, ezüst, arany, kadmium ötvözet).
A hőtermelő egységek és a kisfeszültségű áramkörök térbeli szétválasztása.
A környezeti hőmérséklet gyors változásaiból eredő hőmérséklet különbségek csökkentése.
Kis teljesítményű áramkörök kiöntése epoxigyantával vagy szilikonnal.

14.4.5.3. Átmeneti ellenállás, átvezetés

Néhány tipikus átmeneti ellenállás érték:

Mechanikai kapcsoló zárt érintkezője nagy rugónyomás esetén: 15 [milliOhm]
Higanyérintkezős reed relé zárt érintkezője: 20 [milliOhm]
Száraz reed relé zárt érintkezője: 200 [milliOhm]

Ilyen nagyságrendű átmeneti ellenállás elhanyagolható hibát okoz !

Bizonytalan, nagy átmeneti ellenállású érintkezők azonban jelentős zajforrást jelenthetnek.

Különösen sok problémát okoz a bizonytalan földelés , ugyanis a vezeték megszakadásakor bizonytalan potenciálra töltődik fel.

A szennyezés, por, nedvesség jelentősen lecsökkenti a szigetelési ellenállást.

A folytonos hő, a kémiai hatóanyagok, a mechanikai behatások pedig megrongálják a szigetelést és nemkívánatos átvezetések jönnek létre.

A meghibásodott szigetelés miatt az áramkör több ponton leföldelődhet!

A megengedettnél nagyobb átvezetés mind azonos fázisú mind pedig ellenfázisú zavarjel et okozhat!

14.4.5.4. Elektromágneses (induktív) zavarjel

Az induktív zavarjel a környezettel való mágneses kapcsolat miatt keletkezhet. A külső mágneses tér által keltett zavarjel nagysága az indukált feszültséggel egyezik meg.

14.30. ábra - Elektromágneses zavarjel keletkezése

Ha nagy a távolság a jeladó ás a jelvevő között, akkor főként ellenfázisú jelek keletkeznek.

Az induktív zavarjel csökkentésére a leggyakrabban alkalmazott módszer a vezetékek megcsavarása (sodort érpárú kábelek) . Az ilyen esetben keletkező indukált feszültségeket a (14.31. ábra) ábrán láthatjuk. A teljes vezeték hosszára eső zavarjel a vezetékek megcsavarásával a megcsavarásokra eső kisebb, és egymással ellentétes irányú feszültség komponensekre bomlik. Ha a megcsavarások száma páros érték, akkor az egymással ellentétes feszültség komponensek mindegyikének van ellentétes értékű párja. Páratlan számú megcsavarás esetén is csak az egy csavarásra eső kisebb (kisebb felületű megcsavaráson keletkező) zajfeszültség érték marad meg.

14.31. ábra - A vezetékek megcsavarásakor kialakuló elektromágneses jelek

Az induktív zajfeszültség csökkentésének másik módszere, a vezetékek mágneses árnyékolása , amikor az információs vezetékeket mágneses árnyékoló rétegekkel vonják be 1-5 rétegben. A mágneses árnyékoló rétegek anyaga olyan vas ötvözet, amely könnyen alakítható és nem oxidálódik.

Az induktív zajfeszültség csökkentésének harmadik módszere a szabályos geometriájú, koaxiális elrendezésű jelvezeték-pár használata. A koaxiális kábel mágneses térre merőleges metszetén belátható, hogy a belső ér és a külső köpeny által alkotott felület normálisa a felső és alsó felületnél ellentétes, ezért a külső mágneses tér is ellentétes feszültségeket indukál ezekben a felületekben. Az ellentétes indukált feszültségek által a belső érben létrehozott zavaráramok tehát kioltják egymást.

14.4.5.5. Elektrosztatikus (kapacitív) zavarjel

A kapacitív zavarjel valamely áramkörben a környezettel való elektrosztatikus kapcsolat – szórt kapacitások - miatt keletkeznek. A kapacitív zaj ellenfázisú , és azonos fázisú is lehet. A távolság növelésével a csatoló kapacitás csökken. Az egyik módszer a zajforrás és a jelvezeték térbeli elkülönítése. Jó zajcsökkentés érhető el az elterjedten alkalmazott elektrosztatikus árnyékolással. Az elektrosztikus árnyékoláshoz általában rezet (Cu), illetve könnyű fém anyagokat alkalmaznak.

14.1. táblázat - Árnyékolások zajcsökkentő hatása

Elektrosztatikus árnyékolás típus	Zajcsökkentés [dB]
Árnyékolatlan vezeték	0 dB
Rézfonat árnyékolás, 85% fedettség	-40 dB
Spirálisan feltekercselt rézlemez, 90% fedettség	-50 dB
Aluminium Mylar szalag vezető drain szállal, 100% fedettség	-76 dB

Itt a dB érték egy csökkentési arányt fejez ki, melynek értékei:

-40 dB => az eredeti zaj érték 0.01-ad részre,

-76 dB közelítőleg az eredeti zaj érték 0.0001-ed részre csökkenti az zaj értékét.

14.4.5.6. Villamos áramkörök be és kikapcsolásakor keletkező zavarjel

Elsősorban tranziens zavarjeleket okoznak.

Konduktív, induktív és kapacitív úton kerülnek az áramkörbe. Elsősorban az induktív terheléseken folyó áramok megszakításakor keletkeznek zajok (Lencz törvény). Ezért kapcsolunk az induktív terhelésre a záró irányba folyó áramainak rövidre zárásához diódát .

Kapacitív terhelések rövidre zárásakor hirtelen áramlökés, és tranziens zaj keletkezik.

14.32. ábra - R_C áramkör be és kikapcsolásakor keletkező tranziens jelek

14.33. ábra - R_L áramkör be és kikapcsolásakor keletkező tranziens jelek

14.4.5.7. Kábelhajlításból származó zavarjel

A kábel jelvezetékei között és az árnyékolások közötti szigetelések piezoelektromos tulajdonsággal rendelkeznek, így meghajlításukkor a piezo hatás miatt váltakozó feszültségű zavarjel keletkezik, amelynek amplitúdója több Volt nagyságú is lehet.

14.4.5.8. Rádiófrekvenciás zavarjel

Közvetlen elektromágneses és elektrosztatikus zavarás hatótávolsága kicsiny (néhány méter). Nagy távolságokra az elektromágneses hullámok közvetítik a zavarjeleket. Frekvenciatartományuk 500 kHz – 1GHz, teljesítményük általában kicsiny.

14.4.5.9. Tápforrásból származó zavarjel

Fő forrása a hálózati transzformátor

Vasmag szórt mágneses tere
Elektrosztatikus szórt kapacitások
A berendezések a tápvezetéken keresztül kölcsönhatásba kerülnek (vagy egyedi tápegységeket kell alkalmazni, vagy szűrőáramkörökkel kell elválasztani a tápvezetéket az egyes berendezéseknél.
Egyenirányító, inverter (feszültségnövelő áramkör) szűrése.

14.5. Földelések

A földelés (ground) rögzített potenciálú villamos vezető, amelyet a földbe épített fémvezetőhöz (földelő lemez, földelő rúd, földelő rács) csatlakoztatnak.

A folyamatirányító számítógépekben a földelés funkciója alapján a következő földelési típusokat különböztetjük meg:

14.5.1. Védelmi föld

A villamos berendezések környezetében levő fémből, vagy nem szigetelő anyagból készült üzemszerűen feszültségmentes alkatrészekhez (műszer doboza, fém szekrény) csatlakozó vezeték.

Életvédelmi szerepe van , mivel megakadályozza, hogy az ember közelébe kerülhető szerkezeti elemek valamilyen meghibásodás következtében feszültség alá kerüljenek és balesetet okozzanak.

A védelmi földvezetéket egyéb (áramvezetési) feladatra tilos használni!

14.5.2. Gyengeáramú teljesítmény föld

Az egyenáramú tápfeszültség et szolgáltató hálózat közös vezetéke.

Áramvezetés a feladata! A számítógépes mérőrendszerekben ez az +5 V-os tápellátás föld vezetéke.

14.5.3. Analóg föld

Az információhordozó analóg jelek referencia pontjaiként szolgáló vezeték.

14.5.4. Digitális föld

Az információt hordozó digitális jelek referencia pontjaiként szolgáló vezeték.

A felsorolt földvezetékek többnyire egymástól független vezetékek, amelyek egy pontban, az úgynevezett fő rendszer ponthoz csatlakoznak.

A teljesítmény föld, az analóg és a digitális jelföld vezetéke összevonható, de ezt a lehetőséget

a jelszintek
a terhelések
és a zavarjelek

figyelembevételével egyedileg kell minden esetben megvizsgálni.

Kis jelszintű analóg rendszereknél ajánlatos a föld vezetékeket szétválasztani!

A számítógépes mérő rendszerekben szokás megkülönböztetni a földelést aszerint is, hogy a technológia oldali földről (Felhasználói Föld), vagy a számítógéprendszer oldali földről (Rendszer Föld)van szó.

Fontos szempont, hogy a földvezetéknek is van impedanciája, így helytelen földelés esetén a létrejövő feszültségesések miatt a készülékek eltérő potenciálra kerülnek. Ezért a soros földelés helyett sugaras földelést alkalmazunk.

14.34. ábra - Sugaras (egy pontban történő) földelési rendszer

A helytelen földelés következtében két helyen történő földeléssel a földelési pontok között egy zárlati áramkör jön létre a földelési potenciálkülönbségek miatt. Ez több Volt nagyságrendű egyen és- és váltakozó áramú jel lehet.

14.6. A nemkívánatos föld áramkörök kiküszöbölésének módjai

Egyetlen pont földelésével vagy a föld áramkörök galvanikus leválasztással történő megszakításával.

14.6.1. Egyetlen pont földelése

A rendszer földelése esetén földeletlen jelvevőt, míg földelt jelvevő esetén földeletlen jelgenerátort kell alkalmaznunk. Ha nem tudjuk ezeket a feltételeket teljesíteni, akkor galvanikus le(el)választást alkalmazzunk, hogy megszüntessük a mérési elrendezés helytelen működését eredményező „földhurkot!

14.6.2. Galvanikus leválasztás

A galvanikus leválasztás megakadályozza a földáramkörök kialakulását. Galvanikus leválasztással például földelt jelforrás, és földelt jelvevő is összekapcsolható anélkül, hogy föld potenciálkülönbségből származó azonos fázisú zavarjel átalakulna ellenfázisú zavarjellé.

14.6.2.1. Repülő kondenzátoros leválasztás

14.35. ábra - Repülő kondenzátoros galvanikus leválasztás

Egy kondenzátor kapcsaira csatlakozó relé érintkezők nyugalmi állapotban a jelforrásra csatlakoznak, így a kondenzátor mindig a hasznos feszültség értékre töltődik fel. Átkapcsoláskor megszakítja a jelforrással a föld kapcsolatot, így a kettős földelésből származó azonos fázisú jelet nem viszi tovább . A közös jel elnyomás nagyon jó.

(Kis értékű szórt kapacitások esetén nagy közös jel elnyomás értéket valósíthatunk meg.)

14.6.2.2. Transzformátoros leválasztás

Analóg jelek galvanikus leválasztása oldható meg a segítségével. Precíziós egyen-váltó, váltó-egyen átalakítót igényel.

14.36. ábra - Transzformátoros galvanikus leválasztás

14.6.2.3. Fotodiódás optikai leválasztók

14.37. ábra - Fotodiódás galvanikus leválasztás

Ezek a kapcsolások kb. 100mA-el terhelhetők, és 1000-2500 V szigetelési feszültségük van, csatoló kapacitásuk kisebb, mint 1 pF.

Az optikai leválasztások jelleggörbéje lehetővé teszi a közvetlen analóg jelátvitelt , de a

nagy linearitási hiba, és
kis kivezérelhetőség

miatt speciális kapcsolásokat kell alkalmazni.

14.38. ábra - Galvanikus leválasztás feszültség frekvencia átalakítással

A jelforrástól érkező analóg jelet frekvenciajellé alakítjuk át, és ezt a jelet vezetjük át az optikai leválasztón . A frekvenciajellé történő átalakítás előnye, hogy a leválasztó nemlinearitása nem befolyásolja a mérési pontosságot .

14.7. Analóg bemenetek elemei

14.39. ábra - Analóg bemenet(ek) blokk diagramja

14.40. ábra - Analóg bemenet elemeinek blokkdiagramja

14.7.1. Érzékelő átalakítók és jeleik

Valamilyen fizikai mérési elv felhasználásával a mérendő mennyiség változásával arányos kimenő jelet szolgáltatnak. Nem villamos jelből villamos jelet állítanak elő. A lehetséges kimenetek közül a legjobb a feszültség kimenet, de az áram és ellenállás kimenet is elfogadható és feszültséggé átalakítható. Az az ideális, ha az érzékelő statikus karakterisztikája lineáris tulajdonságú , de a környezeti hatások miatt ez a valóságos statikus karakterisztika általában nemlineáris . A számítógépes mérésnél a későbbi feldolgozás miatt előnyben részesülnek a mechanikai mozgás mentes, karbantartást nem igénylő érzékelési megoldások.

14.7.1.1. Áramló gáz mennyiségének mérése: bolométer

14.41. ábra - Analóg bemeneti érzékelő: bolométer

Ceruzahegy nagyságú fűtött spirál, amelynek a gázáramban az ellenállása megváltozik az áramló gáz sebességgel arányos hűtési tulajdonsága miatt. A bolométer ellenállását Wheathstone hídba kötve az ellenállás változást feszültségváltozássá alakítjuk.

14.42. ábra - Analóg bemeneti érzékelő: ellenállás mérés Wheathstone híddal

$(\frac{R_{1}}{R_{1} + R_{m}} - \frac{R_{3}}{R_{2} + R_{3}}) \cdot U_{T} = U_{a n a l ó g b e m e n e t h e z}$

(14.19)

A Wheathstone hídban a mérő ellenállással egy ágban szereplő ellenállás (R₁) értékének növelésével csökkenthetjük a mérőhíd relatív hibáját, amely a maximális hibaérték végértékre vonatkozóan meghatározott százaléka.

Ha az üresjárati kimenő feszültséget áram táplálással írjuk fel:

$\frac{R_{1} R_{2} - R_{3} R_{m}}{R_{1} + R_{2} + R_{3} + R_{m}} \cdot I_{0} = U_{a n a l ó g b e m e n e t h e z}$

(14.20)

Másik lehetőség, hogy egy áramgenerátorral táplálva a mérő ellenállást azonnal feszültség jelet kapunk.

A híd kapcsolást sűrűn alkalmazzák nem csak ellenállás mérésre,

Elmozdulás → ellenállás helipot (többszörös körülfordulású potenciométer)
Nyúlás → nyúlásmérő bélyeg → hídkapcsolás
Erő, nyomás → mérés visszavezetése nyúlásmérő bélyeggel történő mérésre
Hőmérséklet → ellenállás változás

A Wheathstone hídkapcsolás nem csupán ellenállást tud mérni, hanem váltakozó feszültségű táplálással impedanciát is. Ezért az induktivitás és kapacitás változást is érzékelni tudjuk, és átalakíthatjuk váltakozó feszültségű villamos jellé.

Alkalmazásuk elsősorban (elmozdulás) érzékelőkben történik

Induktív és kapacitív típusú elmozdulás érzékelők

Mágneses elmozdulás érzékelők → egyenes vonalú mozgásokhoz

Elfordulás érzékelők – ellenállás, kapacitás, induktivitás változással

14.7.1.2. Áramló mennyiségek mérése

Nyomás érzékelés:

A nyomás változást átalakítjuk elmozdulássá, amelyet → ellenállás változássá → majd feszültségváltozássá alakítunk.
A nyomásérzékelés segítségével módunk van az áramló mennyiségeket mérni (fojtóelemmel történő nyomáskülönbség segítségével)

Az átáramló mennyiség és az érzékelőn eső nyomás mint bemenő jel között nemlineáris kapcsolat van:

$Q = c \sqrt{Δ p}$

(14.21)

ahol

	$Δ p$	a bemeneti nyomáskülönbség,
	c	a mérőberendezás geometriája és áramlási viszanyainak megfelelő konstans,
	Q	az átáramlott térfogat értéke

14.43. ábra - Pitot csöves érzékelő

14.44. ábra - Mérőperemes érzékelő

14.45. ábra - Rosemount mérőperemes érzékelő (Típus: 1595P)

Átáramló mennyiségek szállítása (kis mennyiség érték nagy pontosságú adagolása):

14.46. ábra - Analóg bemeneti szivattyú: köböző mennyiségmérő

Meghatározott fordulatszámhoz meghatározott szállított mennyiség tartozik

Köböző számláló (szivattyú):

14.47. ábra - Analóg mennyiségmérő szivattyú: köböző mennyiségmérő

Meghatározott fordulatszám megtétele után meghatározott mennyiséget szállít a berendezés.

14.48. ábra - Analóg mennyiségmérő szivattyú: köböző mennyiségmérő nyomatéki viszonyai mérés alatt

Áramló mennyiség mérési lehetősége nem nyomásesés alapján:

Az áramló közegbe elhelyezett propellerrel a sebesség forgó mozgássá alakítása. A propeller lapátjaiban kemény mágneses anyagból készített kisméretű mágneseket helyezünk el, amelyek egy külső indukciós tekercsben impulzusokat gerjesztenek. A gerjesztett impulzusok közötti időtartam arányos a propeller fordulatszámával, amely pedig a sebesség függvénye. Így a folyadék mennyiség mérését impulzus periódus méréssé alakítjuk át, amelyet a számítógépes időmérési metódussal határozunk meg.

14.7.1.3. Hőmérséklet mérés

14.7.1.3.1. Termisztor

Mesterséges fémoxid alapú hőmérséklet érzékelő

Termisztor (NTK ellenállás): a termisztorok olyan félvezetők, amelyek ellenállása a hőmérséklet emelkedésével csökken.

A termisztorok kerámia anyagú hőmérsékletfüggő félvezető ellenállások, amelyeknek erősen negatív hőmérsékleti tényezőjük van. Ezen tulajdonságaik miatt ezeket az elemeket mind kompenzációs kapcsolásokban, mind hőmérséklet-érzékelőként alkalmazzák.

14.7.1.3.2. Platina ellenállás hőmérő

$R = R_{0} (1 + A \cdot ϑ + B \cdot ϑ^{2})$

(14.22)

ahol

R ₀

ellenállás 0°C-nál

$ϑ$

a hőmérséklet °C-ban

A : a·10^-3

B : b·10^-6

egymáshoz viszonyított értéke.

14.49. ábra - Analóg bemeneti érzékelő: ellenállás-hőmérő karakterisztikája (a másodfokú tag elhanyagolásával)

14.7.1.3.3. Félvezetős ellenállás hőmérő

$R = R_{0} + k (ϑ - ϑ_{0}^{})$

(14.23)

ahol ${R_{0} |}_{t = 25 ° C} = 2000 Ω$

14.50. ábra - Analóg bemeneti érzékelő: félvezetős ellenállás-hőmérő karakterisztikája

A mért ellenállás érték a hőmérséklet nemlineáris függvénye, linearizálni szükséges.

14.7.1.3.4. Hőelemek

14.51. ábra - Analóg bemeneti érzékelő: hőelem blokkdiagramja

$U_{t h} = k_{t h} (ϑ - ϑ_{k}^{})$

(14.24)

ahol

	$U_{t h}$	hőelem által létrehozott feszültség érték
	$ϑ$	a mérendő hőmérséklet
	$k_{t h}$	hőelem típustól függő konstans érték
	$ϑ_{K}$	a környezeti hőmérséklet, a kompenzációs hely hőmérséklete

Áramköri megoldás segítségével (hidegponti kompenzáció) a hőelemes érzékelésnél lehetőségünk van a környezeti hőmérséklet változásától függetlenül mérni a termoelem hőmérsékletet.

Ezen kívül számos egyéb mennyiség és általános mérési elv jelenik meg, melyek mindegyikének általános jellemzője, hogy a mérendő fizikai mennyiségekkel arányos kimeneti feszültséget hoznak létre.

Az érzékelők által szolgáltatott jel szintje, energiája rendkívül kicsiny, ezért feltétlenül erősíteni kell a jelet.

Az érzékelőtől jövő analóg jelnek el kell jutnia az A/D (analóg/digitális) átalakítóhoz, amely általában a digitális számítógép környezetében van (tiszta technológia), eközben számos zavar éri, amely a környezetből ered.

14.8. Analóg jel kondicionálása

14.52. ábra - Analóg bemenet elemeinek blokkdiagramja

A jel zajszűrését passzív és aktív áramköri kapcsolásokkal végezzük, amelyekkel a mérési frekvenciatartomány feletti jelek jól csillapíthatók.

A leggyakrabban hálózati frekvencia ( f=50 Hz → T=20 ms ) zavaró hatását kell csükkentenünk.

14.8.1. Passzív szűrő

Szimmetrikus két tárolós aluláteresztő szűrő áramköri kapcsolása.

14.53. ábra - Analóg bemeneti jel szűrés: passzív szűrő

14.8.2. Időzítéses integrálás (mint zavarszűrési lehetőség)

Ha az áramkörbe a jelfeldolgozás előtt egy időzített integráló egység et iktatunk be, az integrálás időzítésétől függően bizonyos frekvenciájú váltakozó feszültségű jeleket elvileg teljesen kiszűr. (Például T_i = k.20ms os időzítéssel az 50 Hz-es hálózati zavarfeszültségeket ki lehet szűrni.)

14.54. ábra - Analóg bemeneti jel szűrése: időzítéses integrálással

Az integráló tag a zajfeszülség pozitív és negatív amplitúdójú részének területeit előjelhelyesen összegzi, így ha az integrálási időtartam megegyezik a periódus idővel, akkor egy teljes periódus alatt a zajfeszültségből keletkezett integrál érték nulla lesz. Az egyéb frekvenciájú jelet pedig csak meghatározott mértékben csökkenti.

14.8.3. Áram feszültség átalakító

A bemeneti áram típusú jelet feszültség típusú jellé alakítja át.

14.55. ábra - Analóg bemeneti jel átalakítás: áram – feszültség átalakító

Áram távadó kimenetű érzékelőnél a 4-20 mA tartományt 1-5 V tartományra alakítja át (R_i = 250 Ohm ellenállás szükséges hozzá).

A áram távadó jelének fogadását megvalósíthatjuk műveleti erősítős megoldással is, amelynél a 250 ohmos ellenállással visszacsatoljuk a műveleti erősítő kimenetét az invertáló bemenetéhez. Ekkor a differenciális bementek értékét cca. 0 V-al közelítve a bementi áram a műveleti erősítő kimeneti feszültségeként hozza létre a 250 ohm-os ellenálláson létrejött feszültség értéket.

14.56. ábra - Analóg bemeneti jel átalakítás: áram – feszültség átalakító

14.8.4. Fix és változtatható feszültségosztók

A bemeneti nagyobb feszültség tartományú jelet az átalakító mérési tartományának megfelelő nagyságú jellé alakítja át.

14.57. ábra - Analóg bemeneti jel átalakítás: feszültség osztó

$K I = \frac{R_{2}}{R_{2} + 2 R_{1}} \cdot B E$

(14.25)

14.8.5. Egyszerű RC szűrő

Szimmetrikus egytárolós aluláteresztő szűrő áramköri kapcsolása.

14.58. ábra - Analóg bemeneti jel szűrése: egyszerű RC (passzív) szűrő

$G (s) = \frac{Y (s)}{U (s)} = \frac{1}{1 + s \cdot (2 \cdot R_{1} \cdot C)}$

(14.26)

A kapcsolás Bode amplitúdó jelleggörbéje:

14.59. ábra - Analóg bemeneti jel szűrés: egyszerű RC (passzív) szűrő Bode amplitúdó diagramja

ahol T = 2·R₁·C

14.8.6. Változtatható feszültség osztású bemenet

14.60. ábra - Analóg bemeneti jel átalakítás: változtatható feszültség osztó

14.8.7. Feszültségosztó és szűrő

14.61. ábra - Analóg bemeneti jel átalakítás: feszültség osztó és szűrő kapcsolás

14.8.8. Kettős RC szűrő

14.62. ábra - Analóg bemeneti jel szűrés: kettős RC (passzív) szűrő

14.63. ábra - Analóg bemeneti jel szűrése: kettős RC (passzív) szűrő Bode (amplitúdó) diagramja

14.9. Small Computer Extended Interface (SCXI)

14.64. ábra - Analóg bemeneti jel szűrésének megvalósítása

Feladatai:

a bemeneti jel kondicionálása
az alacsony szintű jelek felerősítése,
galvanikus (el)szigetelése a számítógéptől,
analóg szűrés,
áram/feszültség átalakítás.

14.10. Analóg méréspont váltók (multiplexerek)

14.65. ábra - Analóg bemenet elemeinek blokkdiagramja

A méréspont váltó feladata, hogy több bemeneti vonal közül egyet a kimeneti vonalra kapcsoljon. (az A/D átalakítás gyors, az A/D átalakító a legdrágább szerkezet a mérőrendszerben)

14.66. ábra - Analóg multiplexer blokkdiagramja

Fejlődési irány, hogy minden analóg mérővonalat külön A/D átalakítóval kezeljenek, ma azonban ez még drága eljárás.

14.10.1. Relés méréspont váltó

(Száraz és higany érintkezős relé)

Reed relay (reed relé)

14.67. ábra - Reed relé szerkezeti felépítése

Néhány technikai adat:

R_zárt=200 mOhm (milliOhm)

R_nyitott= 10¹⁰ Ohm

Kapcsolási idő = 1-2 ms

Kapcsolási szám ≈10⁹ (illetve véges érték)

Jó rázásállóság

A relés méréspont váltókat modulokba kapcsolva kötik össze, amelynek az az oka, hogy így nem kapcsolódik párhuzamosan az összes bemenet.

14.68. ábra - Analóg multiplexer blokkok összekapcsolása

Galvanikus elválasztásra használható a repülőkondenzátoros megoldás.

14.10.2. Félvezetős méréspont váltó

14.69. ábra - Félvezetős méréspont váltó

Néhány technikai adat:

R_zárt= 20 Ohm

R_nyitott= 10⁹ Ohm

R_szigetelési= 10¹² Ohm (a kapcsoló és vezérlő elektródák között)

Kapcsolási idő = 0,1 μs

Élettartam = ∞

A blokkkapcsolásra vonatkozó alapelvek itt is érvényesek. A probléma az, hogy a félvezetős méréspont váltók a felhasználói földpontokat sem egymástól sem a rendszer földtől nem választják el .

Ezért földfüggetlen jeladók szükségesek, vagy a jelfogadó oldalon kell megoldani a galvanikus leválasztást.

14.70. ábra - élvezetős méréspont váltó (földfüggő)

14.11. Mintavevő tartó és erősítő

14.71. ábra - Analóg bemenet elemeinek blokkdiagramja

Az analóg bemeneti perifériában használt mintavevő tartó + erősítő feladata:

az analóg jelszint illesztése az A/D átalakító jeltartományhoz
zajelnyomás
galvanikus leválasztás
mintavételezés és tartás

Alkalmazott erősítők

földelt vagy földfüggetlen szimmetrikus, vagy aszimmetrikus egyenfeszültség erősítők
programozható erősítésűek
mintavevő és tartó ( Sample and Hold ) áramkört tartalmaznak, amelyet az analóg jel változására érzékeny A/D átalakítók bemeneténél használnak, hogy a bemeneti jelet állandó értéken tartsák.

Működési elve:

14.72. ábra - Mintavevő és tartó áramkör

Analóg bemeneti perifériában alkalmazott erősítő főbb technikai jellemzői:

A_p=1-100 ( 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100 ) vezérléssel változtatható
R_BE= 10⁹ Ohm
Nullpont eltolódás: 1 mV/°C , 20 μV/hónap (hosszú időtartamra vonatkozó stabilitással)

Az erősítőt általában az A/D átalakítókkal egybeépítik.

A változtatható erősítés szerepe:

A bemeneti jelet úgy erősítjük fel a változtatható előerősítéssel, hogy az A/D átalakító mérési tartományának felső felébe kerüljön. Ezzel a módszerrel az A/D átalakítóban rendelkezésre álló összes bitet alkalmazzuk az átalakításhoz. Az A/D átalakítás után a mért értéket osztjuk az előerősítésnél alkalmazott értékkel, hogy a pontos értéket kapjuk.

14.12. Analóg digitális (A/D) átalakítók

14.73. ábra - Analóg bemenet elemeinek blokkdiagramja

Az A/D átalakító a bemenetére kapcsolt analóg jelet kódolt digitális jellé alakítja át.

Az analóg jel polaritása szerint a következő lehet:

Egy polaritású: nincs előjel, az átalakító csak az analóg jel nagyságát adja meg.
Két polaritású: bipoláris mind pozitív, mind pedig negatív jelet képes mérni és átalakítani.

A jel kódolások:

előjel és abszolút érték,
kettes komplemens,
eltolt nullpontú,
egyes komplemens kódolás.

Az A/D átalakítók (szokásos) bemeneti jeltartománya:

0 .. +5V
±5V
0 .. 10V
±10V

Az A/D átalakítók típusai:

pillanatérték mérők:

fokozatos közelítésű A/D átalakítók
több komparátoros párhuzamos A/D
D/A visszacsatolásos A/D átalakítók

integráló típusúak:

kettős integráló típusú A/D átalakító
feszültség frekvencia átalakító típusú átalakító

14.12.1. D/A visszacsatolásos A/D átalakító

(Counter type A/D converter)

Mérés elve: az U_x mérendő feszültséget egy D/A átalakító kimeneti feszültségével hasonlítják össze, melyet egy számláló vezérel.

14.74. ábra - Analóg digitális átalakítók: digitális-analóg visszacsatolásos

14.75. ábra - Digitális-analóg visszacsatolásos átalakító idődiagramja

A mérés időtartama az órajel nagyságától és a bemeneti jel nagyságától függ.

10MHz órajel 10 bit felbontás ~ 100 μs mérési időt jelent. Pillanatértéket mér, ezért méréskor a hasznos jellel együtt a zavarjelet is méri.

Gyors, bár a mérési időtartam a mérendő jel nagyságától függ, mert az első beállás után követi a jel „lassú” változását.

14.12.2. Fokozatos közelítésű A/D átalakító

(Successive approximation A/D converter)

14.76. ábra - Analóg digitális átalakítók: fokozatos közelítésű átalakító

A mérés elve: kettő különböző hatványainak megfelelő feszültség értékek („súlyok”) be illetve kikapcsolásával egy kiegyenlítési stratégia segítségével határozza meg, hogy az adott bemeneti jelhez milyen bináris jel kombináció illeszkedik.

Pillanatértékeket mér (a zaj értékét együtt méri a hasznos jellel)

A mérés ideje alatt a feszültségnek állandó értékűnek kell lennie (jeltartás!)

Pontosságát a D/A átalakító, a referencia feszültség és a komparátor pontossága határozza meg.

A mérések időtartama állandó!

14.77. ábra - Fokozatos közelítésű átalakító működési ábrája

14.12.3. Több komparátoros A/D átalakító

(Multi comparator A/D converter)

A mérés elve: A mérendő jelet egy időben több komparátorral hasonlítjuk össze, melyeknek különböző a referencia feszültsége . A komparátorok akkor adnak kimenő jelet, ha a pozitív bemenetre kapcsolt U_x feszültség nagyobb, mint a negatív bemenetre kapcsolt referencia feszültség, vagy azzal egyenlő.

Mivel a mérés egy lépésben történik az átalakító nagy sebességű analóg/digitál átalakítást képes megvalósítani. (Ezért szimultán A/D átalakítónak is nevezik.)

14.78. ábra - Analóg digitális átalakítók: több komparátoros

14.12.4. Kettős meredekségű (integráló) A/D átalakító

(Dual-ramp, dual-slope A/D converter)

Mérési elv: a mérendő feszültséget egy integrátor kapcsolás bemenetére vezetik, és rögzített Ti ideig (meghatározott órajel impulzus) integrálják . Ezután bekapcsolják az ellenkező előjelű referencia feszültséget és „visszaintegrálnak” a nulla kimeneti feszültség értékig. Az integrátorban lévő kondenzátor kisülése alatt óraimpulzusokkal mérik az eltelt időt, ameddig a 0 (nulla) komparálási értéket el nem érik.

Az integrátor kisülésének időtartama arányos a bemeneti jel átlagértékével!

	$U_{h} = \frac{1}{R C} \int_{0}^{T_{i}} U_{x} d t - \frac{1}{R C} U_{r} T_{x} = 0$	(14.27)
	$0 = \frac{1}{R C} {\bar{U}}_{x} T_{i} - \frac{1}{R C} U_{r} T_{x}$	(14.28)
	${\bar{U}}_{x} = U_{r} \frac{T_{x}}{T_{i}}$	(14.29)
	$T_{x} = \frac{N_{x}}{f_{0}}$	(14.30)

ahol

	f ₀	a rendszerben alkalmazott órajel generátor frekvenciája.
	N _x	a T_x idő alatti impulzusok száma f₀ frekvenciájú generátorral.

$T_{i} = \frac{N_{i}}{f_{0}}$

(14.31)

ahol

	f ₀	a rendszerben alkalmazott órajel generátor frekvenciája.
	N _i	a T_i idő alatti impulzusok száma f₀ frekvenciájú generátorral.

$\frac{T_{x}}{T_{i}} = \frac{N_{x}}{N_{i}} \Rightarrow {\bar{U}}_{x} = U_{r} \frac{N_{x}}{N_{i}}$

(14.32)

14.79. ábra - Analóg digitális átalakítók: kettős meredekségű (integráló)

14.80. ábra - Kettős meredekségű (integráló) átalakító idő diagramja

Előnyei:

Az átalakítás pontossága nem függ az R, C elemek és az órajel pontosságától, mivel a töltéshez és a kisütéshez ugyanazokat az elemeket használják.
Integrálással valósítják meg a zaj szűrést.
Mérési idő maximum 40 msec, de olcsó, ezért elterjedten alkalmazzák.

14.12.5. Feszültség frekvencia A/D átalakító

(Voltage to frequency A/D converter)

Működési elve: A bemeneti jelet integráljuk, addig, amíg el nem érünk egy komparálási szintet, azután az átalakító egy ellenkező polaritású komparáló feszültséget kapcsol ΔT ideig az integrátorra, amely azt részben kisüti. A folyamat ezután ismétlődik, és a kimenő jel frekvenciája a bemeneti feszültség nagyságával lesz arányos.

$\frac{1}{R C} \int_{0}^{T_{i}} U_{x} d t - \frac{1}{R C} N_{x} \cdot Δ T \cdot U_{r} = U_{H}$

(14.33)

14.81. ábra - Feszültség frekvencia átalakító működési ábrája

14.82. ábra - Analóg digitális átalakítók: feszültség frekvencia átalakító

	$\frac{{\bar{U}}_{x}}{R \cdot C} T_{i} - \frac{1}{R C} N_{x} \cdot Δ T \cdot U_{r} = U_{H}$	(14.34)
	${\bar{U}}_{x} = \frac{N_{x}}{T_{i}} \cdot Δ T \cdot U_{r} + \frac{U_{H} \cdot R \cdot C}{T_{i}}$	(14.35)

Ha az RC szorzat kicsiny a $T_{i}$ időhöz képest, akkor a második tag elhanyagolható, így:

${\bar{U}}_{x} = \frac{N_{x}}{T_{i}} \cdot Δ T \cdot U_{r}$

(14.36)

ahol

	$N_{x}$	az integrálási idő alatt „létrejött” impulzusok száma.
	${\bar{U}}_{x}$	a mérendő feszültség átlagértéke.

Ha a $\frac{Δ T}{T_{i}}$ állandó, akkor az $U_{x}$ és $N_{x}$ között egyenes arányosság van.

Ha a számláló kapuidejét 20 msec-ra változtatjuk, az átalakító kiszűri az 50 Hz-es zavarjeleket.

Átalakítási ideje: ~25msec (valamivel gyorsabb, mint a kettős integráló A/D)

A zajelnyomási tulajdonsága olyan jó, hogy ipari perifériákban gyakran alkalmazzák.

14.13. Mérés-adatgyűjtés általános áttekintése

Egy mérés-adatgyűjtő könyvtára olyan eljárásokat tartalmaz, amelyek vezérlik a PC-hez illeszthető DAQ (Data AcQuisition = mérés-adatgyűjtő) kártyáit. Egy kártya rendszerint számos funkciót ellát, így az analóg-digitális ( A/D ) átalakítást, a digitális bemenetek és kimenetek megvalósítását és a számláló/időzítő műveletek kezelését.

14.13.1. Mérés-adatgyűjtő rendszerek komponensei

A mérés-adatgyűjtő rendszerek alapvető feladata a valós világ fizikai jeleinek mérése illetve ilyen jelek létrehozása. Mielőtt egy számítógép alapú rendszer megmérne egy fizikai jelet, egy érzékelővel át kell alakítani a fizikai jelet villamos jellé, amely lehet áram vagy feszültség.

A számítógéphez illeszthető mérés-adatgyűjtő kártyát rendszerint úgy tekintik, mint a teljes mérés-adatgyűjtő rendszert, bár a kártya csak a rendszer egyik komponense.

A számítógéppel megvalósított automatikus műszerek mindegyike eltérő működésű és néha nem kapcsolhatjuk közvetlenül a fizikai jelet a mérés-adatgyűjtő kártya bemeneteihez. Egy jelszűrő és szint-illesztő áramkörbe (berendezésbe) kell a mérendő jelet az átalakítás előtt belevezetni, majd ezután kell elvégezni az átalakítást digitális információvá. A mérés-adatgyűjtő rendszerben programmal gyűjtjük össze a mérési adatokat, programmal analizáljuk őket és programmal jelenítjük meg a számítási eredményeket.

14.13.2. Analóg bemenet

Amikor analóg jeleket mérünk egy mérés-adatgyűjtő kártya segítségével a következő tényezőket kell figyelembe venni a digitalizált jel minősítésénél: milyen az alkalmazott mérési mód (egyszeres kimenetű és a differencia típusú mérés), milyen nagyságú a jel felbontása, (elő)erősítése, a mintavételezés sebessége és a zajok elnyomásának mértéke.

14.13.3. Egy kimenetű jelek (Single-Ended Inputs)

14.83. ábra - Földelt bemenet

Az egy kimenetű jelek mindegyike ugyanarra a közös föld pontra kapcsolódik. Ezeket a bemenet típusokat akkor használjuk, ha a bemeneti jel szintje magas (nagyobb, mint 1 Volt), a jelforrástól az analóg bemenetekhez rövid összekötő huzallal (kevesebb, mint 5 méter) vezetünk minden jelet, valamint a jelek mindegyike egy közös referencia föld pontot alkalmaz. Ha a mérendő jel nem teljesíti ezeket a feltételeket, akkor különbségi (differencia) bemeneteket kell alkalmaznunk.

14.13.4. Különbségi bemenetek (Differential Inputs)

14.84. ábra - Földeletlen különbségi (differenciális) bemenet

A különbségi bemenetek megengedik, hogy minden bemenetnek különböző feszültség értéke legyen, amely a földhöz képest jelenik meg. A különbségi bemenetek csökkentik a mérési zajt, mivel a vezetékekről "felvett" közös módusú zajt a bemenetek kivonják egymásból.

14.13.5. Felbontás (Resolution)

14.85. ábra - Digitális felbontás

A felbontás a bitek száma, amelyet a mérés-adatgyűjtő analóg/digitális átalakító (ADC= Analog to Digital Converter) használ, hogy az analóg jelet ábrázolja. Nagyobb felbontással nagyobb az adott mérési határok közötti felosztások száma és ezért kisebb az érzékelhető legkisebb feszültségváltozás nagysága.

Vegyünk például egy szinusz hullámot és a hozzá tartozó digitális értékeket, amelyeket egy 3 bites ADC (Analog to Digital Converter = Analóg digitális átalakító) hozott létre (ilyen átalakítót ritkán alkalmazunk, de a példát nagyon szemléletessé teszi) és a mérési határt 2³ azaz 8 részre osztja. Egy 000 és 111 közötti bináris számmal írjuk le az átalakító különböző értékeit. Más szóval ez a digitális jel nem megfelelő ábrázolása az eredeti jelnek, mivel nagyon sok információt veszítünk el az átalakításnál. A felbontást megnövelve 16 bitre az ADC lehetséges állapotainak számát 8-ról 65536-ra (2¹⁶) növeljük és az analóg jel rendkívül pontos ábrázolását kapjuk.

14.13.6. Mérési határok (Range)

A mérési határok azok a minimális és maximális feszültség szintek, amelyek között az ADC (Analog to Digital Converter = Analóg digitális átalakító) a jel átalakítást végzi. A mérés-adatgyűjtő kártyák változtatható méréshatárokat (tipikusan 0-tól 10 Volt-ig; vagy -10 Volt-tól +10 Volt-ig) kínálnak, melyek közül megtalálhatjuk azokat a mérés határokat, amelyekkel adott felbontás mellett a legpontosabban mérhetjük meg a jelet.

14.13.7. Erősítés (Gain)

14.86. ábra - A jel erősítése

Az erősítés a mérendő jel bármilyen felerősítése vagy leosztása, amely a jel digitalizálása előtt történik. Az erősítés alkalmazásával jelentősen lecsökkenthetjük az ADC (Analog to Digital Converter = Analóg digitális átalakító) bemeneti mérési határait, így biztosítjuk, hogy az ADC a lehető legtöbb digitális osztást alkalmazza a jel ábrázolásához. Például, alkalmazzunk egy három bites ADC-t és a mérési határokat 0 és +10 Volt-ra állítsuk be, vizsgáljuk az erősítés hatását egy olyan jel esetén, amely 0 és +5 Volt között váltakozik.

Erősítés nélkül, vagy más szóval egyszeres erősítéssel az ADC csak négy osztást használ a nyolc lehetségesből az átalakításkor. A digitalizálás előtt felerősítve a jelet egy kétszeres erősítéssel az ADC most használni tudja mind a nyolc osztást és a digitális ábrázolás sokkal pontosabb. Ebben az esetben a kártya tényleges bemeneti mérési határai 0 és +5 Volt lettek, mivel bármilyen +5 Volt-nál nagyobb jel kétszeres erősítéssel az ADC bemenetén +10 Volt-nál nagyobb jelet eredményez.

A DAQ kártyán lehetséges mérési határok, a felbontás és az erősítés meghatározzák a legkisebb érzékelhető bemeneti feszültség nagyságát. Ez a feszültség az átalakított digitális érték legkisebb helyiértékű bit-jén (LSB = Less Significant Bit) ábrázolt érték Volt-ban, amelyet gyakran kód szélességnek is neveznek. A legkisebb érzékelhető feszültségváltozást ( $Δ U_{\min}$ ) a következő képlettel lehet meghatározni:

$Δ U_{\min} = \frac{m é r é s i h a t á r o k k ü l ö n b s é g e}{e r õ s í t é s \cdot 2^{f e l b o n t á s b i t e k b e n}}$

(14.37)

Például egy 12 bites DAQ kártya 0-tól +10 Volt-ig terjedő bemeneti mérési határokkal egyszeres erősítéssel 2.4 mVolt változást még érzékel, ugyanez a kártya -10 Volt-tól +10 Volt-ig terjedő bemeneti mérési határokkal csak 4.8 mVolt változást képes érzékelni.

14.13.8. Mintavételezés sebessége (Sampling Rate)

A mintavételezés időköze (h [sec]) megadja, hogy egy analóg-digitális átalakítás milyen gyakran történik. Nagyobb mintavételezési sebesség mellett adott idő alatt több mérési pontot gyűjthetünk össze, és ezért jobb ábrázolást valósíthatunk meg, mint kisebb mintavételi sebesség mellett. Minden bemeneti jelből a lehetséges legnagyobb mintavételi sebességgel kell mintát vennünk, hogy a legpontosabban jeleníthessük meg az analóg jelet a számítógépben. A kis sebességű mintavételezés az analóg jel egy nagyon gyenge minőségű mintavételes (digitális) megjelenését eredményezi.

A következő ábrán a felső hullámot megfelelően mintavételeztük. Az alsó hullámnál az alul-mintavételezés eredménye egy rosszul mintavételezett ( aliased = látszólagos ) jel.

14.87. ábra - Helyes (fent) és helytelen (lent) mintavételezési frekvencia választása

A Shannon-féle mintavételezési elv szerint a bejövő jelből a teljes visszaállíthatósághoz legalább olyan frekvenciával kell mintát venni, amely (minimálisan) kétszer nagyobb, mint a bejövő jel legmagasabb frekvenciájú komponense.

Például, ha hangfrekvenciás jeleket alakítunk át villamos jellé a bemeneti jel legmagasabb frekvenciájú komponense 20 kHz nagyságú is lehet, ezért egy olyan mérésadatgyűjtő kártyára van szükség, amely 40 kHz-nél nagyobb mintavételi sebességgel képes mintákat venni, ahhoz hogy a jelet megfelelően mintavételezzük.

A hőmérséklet átalakítók rendszerint nem kívánnak nagy mintavételi sebességet, mivel a hőmérséklet a legtöbb alkalmazásban nem változik olyan gyorsan. Ezért egy kisebb mintavételi sebességű kártya megfelelően tudja gyűjteni a hőmérsékleti adatokat.

14.13.9. Átlagolás (Averaging)

A nem kívánt zaj torzítja azt az analóg jelet, amelyet digitális jellé akarunk átalakítani. A zajforrás lehet külső zaj vagy a számítógépen belül keletkező zaj. A külső zajt megfelelően korlátozhatjuk elő-szűrő áramkör alkalmazásával. Szintén csökkenthetjük a zaj hatását, ha a szükségesnél nagyobb mintavételi frekvenciát alkalmazunk és átlagoljuk a mintavételi pontokat (digitális szűrés).

A zaj szintje átlagolás után a következő képlet szerinti csökken:

$Z a j c s ö k k e n t é s m é r t é k e =$ $\frac{1}{\sqrt{m é r é s i p o n t o k s z á m a}}$

(14.38)

Például, ha 100 pont átlagát vesszük, a zaj hatását a jelben 1/10-ed részére csökkentjük.

A méréselméletben rendszerint megkülönböztetik a zajt és a zavart ! A zavar determinisztikus , de nehéz meghatározni, korrigálni. A zavar torzítja a mérést! (Pl. a hálózati frekvenciás elektromágneses zavar.) A zaj sztochasztikus , szűréssel csökkenthető, de nem kiküszöbölhető. A zaj bizonytalanná teszi a mérést!

14.13.10. Analóg bemenet eljárása a számítógépben

A Data Acquisition (Mérés-adatgyűjtés) alpalettán lévő Analog Input (Analóg bemenet) alpaletta tartalmazza azokat a VI-ket, amelyek végrehajtják az analóg-digitális (A/D) átalakítást. (LabVIEW program)

14.13.11. Analóg bemenet csatorna mintavételezés

14.88. ábra - Analóg bemenet ikonja

A mérés-adatgyűjtő kártya egyik bemeneti pontjáról lemérhetjük a feszültség értékét az "AI Sample Channel " (Analóg bemenet csatorna mintavételezés) eljárás alkalmazásával.

Ez az eljárás megméri a mérés-adatgyűjtő kártya megadott bemeneti csatornájához kapcsolt feszültségjel nagyságát és visszaadja a mért értéket.

Az " AI Sample Channel " (Analóg bemenet csatorna mintavételezés) eljárásnak a következő bemenetei és kimenetei vannak:

14.2. táblázat - Analóg bemeneti csatorna eljárás paraméterei

Bemenet/kimenet	Leírás
Device (Berendezés) (bemenet)	A mérés-adatgyűjtő kártya berendezésszáma.
Channel (Csatorna) (bemenet)	Egy szöveg típusú adat, amely megadja a mérni kívánt csatorna sorszámát.
High limit (Felső határ) (bemenet)	A bemeneti jel felső méréshatára. Ha a programban nem adunk meg értéket a bemenethez, akkor értéke +10 Volt
Low limit (Alsó határ) (bemenet)	A bemeneti jel alsó méréshatára. Ha a programban nem adunk meg értéket a bemenethez, akkor értéke -10 Volt.
Sample (Minta) (kimenet)	A mért érték Volt-ban.

Ha hiba történik az "AI Sample Channel" (Analóg bemenet csatorna mintavételezés) VI működése közben, egy dialógus ablakba írt szöveggel megkapjuk a hiba okát, ezután választási lehetőségünk van, hogy befejezzük a programot, vagy folytatjuk a végrehajtást.

14.13.12. Hullámforma bemenet (Waveform Input)

Sok alkalmazásban egy mérési pont megadott időben történő mintavételezése nem elegendően gyors. Mindezekhez még hozzájárul, hogy nehéz megvalósítani egy állandó mintavételi időközt minden mérési pont között, mivel az időköz számos tényező függvénye, amelyek a következők: a ciklusutasítás végrehajtási sebessége, a hívó program időszükséglete és további technikai tényezők. Meghatározott VI-kkel több mérési pontról végezhetünk adatgyűjtést nagyobb sebességgel, mint amit az "AI Sample Channel" (Analóg bemenet csatorna mintavételezés) VI elérhet. Mindemellett, ez a VI elfogadja a felhasználó által megadott mintavételi sebességet. Erre egy mintapélda az "AI Acquire Waveform.llb".

14.13.13. Analóg input hullámforma adatgyűjtő

14.89. ábra - Analóg bemenet megadott mintavételi darabszám esetén

Az "Analóg input hullámforma adatgyűjtő" VI meghatározott számú minta gyűjtését végzi el meghatározott mintavételi sebességgel egy bemeneti csatornáról és visszaadja a mintavételezés eredményét, mint egy tömböt.

Az " AI Acquire Waveform " (Analóg input hullámforma adatgyűjtő) VI-nek a következő bemenetei és kimenetei vannak:

14.3. táblázat - Analóg hullámforma bemeneti csatorna eljárás paraméterei

Bemenet/kimenet	Leírás
Device (Berendezés) (bemenet)	A mérés-adatgyűjtő kártya berendezésszáma.
Channel (Csatorna) (bemenet)	Egy szöveg típusú adat, amely megadja mérni kívánt csatorna számát.
Number of samples (A minták száma) (bemenet)	Egy végrehajtással összegyűjtött minták száma.
Sample rate (Mintavételi sebesség) (bemenet)	A másodpercenként összegyűjtött minták száma.
High limit (Felső határ) (bemenet)	A bemeneti jel felső méréshatára. Ha a programban nem adunk meg értéket a bemenethez, akkor értéke +10 Volt.
Low limit (Alsó határ) (bemenet)	A bemeneti jel alsó méréshatára. Ha a programban nem adunk meg értéket a bemenethez, akkor értéke -10 Volt.
Waveform (Hullámforma) (kimenet)	Egydimenziós tömb, amely a mérés után tartalmazza az analóg bemeneti adatok mért értékeit Volt-ban.
Actual sample period (Aktuális mintavételi periódusidő) (kimenet)	Az alkalmazott mintavételi sebesség reciproka. Ez a szám egy kicsit eltér a megkívánt mintavételi sebességtől és az alkalmazott hardware-től függ (számítógép és adatgyűjtő kártya típus).

14.14. Az analóg bemeneti perifériák perifériavezérlő egysége

14.90. ábra - Analóg bemenet(ek) blokk diagramja

14.91. ábra - Analóg bemenet elemeinek blokkdiagramja

A periféria vezérlő egységnek a következő feladatokat kell ellátnia:

Periféria cím dekódolása , amely megadja, hogy a következő parancs az adott periféria számára érkezett vagy sem.
Parancs fogadása és dekódolása.

Feladatai részletesen:

Méréspont váltás vezérlése. A parancsban szereplő mérési csatorna kiválasztása.
Az A/D átalakítás késleltetése a méréspont váltás megvalósulásáig. A méréspont váltó típusától függően a méréspont váltás állandó kapcsolatának megvalósulásáig.
Erősítési tényező beállítása az A/D átalakítás előtt . A bemeneti jel érték gyors komparálásával a szükséges előerősítés mértékének meghatározása.
Integrálási idő beállítása (csak integráló A/D átalakító típus esetén).
Az A/D átalakító külső jelre történő indításának engedélyezése . Ez az úgynevezett trigger impulzus bemenet engedélyezése, amely általánosan egy másik jelcsatorna nulla átmenetének értékét alkalmazza az adott csatorna mérésének indításához.
Az A/D átalakító programmal történő indítása . A mérés elindítását kiváltó impulzus kibocsájtása.
Periféria kész (Ready) lekérdezése . A mérési folyamat befejezésének érzékelését biztosító jel.
Periféria kész (Ready) állapotjel törlése.
Megszakítás jel (Interrupt) engedélyezése.
Megszakítás jel (Interrupt) lekérdezése . A mérési folyamat végén a számítógép aktuális működő programjának megszakítása ahhoz, hogy a mérési adatokat a számítógép memóriájába bevigyük.
Megszakítás jel (Interrupt) törlése.
Az A/D átalakító kimeneti regiszterének olvasása . Az analóg/digitál átalakító mérési adatának olvasása.
Az A/D átalakító kimeneti regiszterének törlése.
Periféria önteszt végrehajtása . Az analóg/digitál átalakító helyes működését ellenőrző teszt mérési sorozat végrehajtása, amelynek az a célja, hogy mért jel felhasználhatóságát (helyességét) igazolja.
Az összegyűjtött adatok átmeneti tárolása pufferben (az átalakítás helyén). (FIFO = First In First Out alagút típusú puffer) A mérési adatokat nagyobb mintavételezési frekvenciánál, mérési egységekben (csomagokban) juttatjuk el a számítógép memóriájába. Az adatátvitel a csomag elkészülésének időpontjában megszakítással történik.
Közvetlen memória átviteli lehetőség megvalósítása a számítógéppel (DMA = Direct Memory Access). Nagyobb mennyiségű mérési adatot tartalmazó adatcsomag átviteli eljárása, amely az A/D kártya memóriájából juttatja el az adatokat a számítógép memóriájába úgy, hogy közben a számítógépet alvó (Hold) állapotba kapcsolja.

14.15. Folytonos idejű mérésadatgyűjtés

A folytonos idejű mérésadatgyűjtés alkalmazásokban néha nincs meghatározva a mintavételek száma, vagy olyan hosszú idő alatt kell megvalósítanunk a mérésadatgyűjtést, amelyhez az egyszeres blokkolt (pufferelt) adattároláshoz szükséges memória nagysága gyakorlatilag nem fér el a számítógép memóriájában.

Folytonos idejű mérésgyűjtésnél az adatokat egy ciklikus pufferben helyezi el a mérésadatgyűjtő berendezés (hardver). Ezzel párhuzamosan a program kiolvassa az összegyűjtött adatokat a tárolóból és feldolgozza azokat. Tipikus feldolgozások: matematikai műveletek, adat megjelenítés és file input/output műveletek. Amilyen gyorsan olvassa ki a program az adatokat, a hardware ugyanolyan gyorsan tölti fel az új adatokkal, így a ciklikus puffer soha nem töltődik fel és a művelet folyamatosan végezhető végtelen ideig.

14.15.1. Kettős tárolású (pufferelésű) bemeneti műveletek

Az adat tárolót a kettős pufferelésű bemeneti műveletekhez úgy konfiguráljuk, mint egy ciklikusan tárolót. További információ, hogy az operációs rendszer fizikailag felosztja a tárolót két egyenlő részre. A tároló felosztásával az operációs rendszer képes irányítani a tárolóhoz történő felhasználói hozzáférést a mérésadatgyűjtés kezelő programjának segítségével. Az irányítási séma nagyon egyszerű – az operációs rendszer átmásolja az adatokat a ciklikus tárolóból egy átmeneti (sorrendi) tárolóba, amelyből a kiolvasás valóságban megtörténik. Az átmeneti tárolóban műveletet végezhetünk az adatokkal, vagy csak tároljuk őket.

A kettős pufferelésű bemeneti művelet azzal kezdődik, hogy a mérésadatgyűjtő berendezés először a ciklikus puffer első felébe kezdi el írni az adatokat (14.92. ábra a. ábra). Miután a berendezés elkezdi a ciklikus puffer második felét írni, az operációs rendszer átmásolja a ciklikus puffer első felének tartalmát az átmeneti tárolóba (14.92. ábra b. ábra). Ezután az átmeneti tárolóban lévő adatokat kiolvashatjuk és tárolhatjuk háttértárolón vagy feldolgozhatjuk őket egy alkalmazásban. Miután a bemeneti berendezés feltöltötte a ciklikus tároló második felét is visszatér a ciklikus tároló első feléhez és felülírja az ott található adatokat az új bejövő adatokkal. Az operációs rendszer ekkor átmásolhatja a ciklikus puffer második felének tartalmát az átmeneti tárolóba (14.92. ábra c. ábra). Az átmeneti tárolóban lévő adat ismét az alkalmazás rendelkezésére áll. Az eljárás végtelen ideig ismétlődhet, hogy folytonos adatfolyamot biztosítson az alkalmazás számára. Megjegyezzük, hogy a 14.92. ábra d. ábra megegyezik a 14.92. ábra b. ábrán bemutatott lépéssel és így a két lépéses ciklus kezdetévé válik.

14.92. ábra - Kettős pufferelésű bemenet, sorrendi adat átvitellel

14.15.2. Az átviteli módszer meghibásodási lehetőségei

A kettős pufferelés egyes műveletei esetenként hibásan is működhetnek. Az alkalmazásokban alapvetően a következő két hibás működési szituáció fordulhat elő:

14.93. ábra - Kettős pufferelésű bemenet felülírása mielőtt kimásoltuk volna a tartalmát

A mérésadatgyűjtő berendezés felülírja a ciklikus pufferben lévő korábbi adatokat, mielőtt azokat az átmeneti tárolóba másoltuk volna. (14.93. ábra ábra )

A 14.93. ábra b. ábra alapján látható, hogy az operációs rendszer lekéste azt a lehetőséget, hogy átmásolja az adatokat a ciklikus puffer első feléből az átmeneti pufferbe, mialatt a mérésadatgyűjtő berendezés az adatokat a ciklikus tároló második felébe írta. Ennek eredményeként a mérésadatgyűjtő berendezés elkezdi a ciklikus tároló első felében lévő adatok felülírását, mielőtt azokat az operációs rendszer átmásolta volna az átmeneti tárolóba (14.93. ábra c. ábra ). Ahhoz, hogy az adatok hibamentes átmásolását megvalósítsuk, az operációs rendszernek várnia kell az átmásolással addig, ameddig a berendezés befejezi az adat-felülírást a ciklikus tároló első felében. Amikor a berendezés elkezdi a ciklikus tároló második felét írni, az operációs rendszer átmásolja az adatokat a ciklikus tároló első feléből az átmeneti tárolóba (14.93. ábra d. ábra ).

Az előzőleg bemutatott szituáció esetén az operációs rendszer egy felülírási hibával tér vissza a kezelő programból ( overWrite Error = felülírási hiba ). Ez a figyelmeztetés azt jelzi, hogy az átmeneti tárolóban lévő tartalom érvényes, de néhány korábbi adat elveszett. A későbbi átvitelek nem térnek vissza figyelmeztetéssel addig, ameddig a mérésadatgyűjtő berendezés az átviteli sebességet megtartja, ahogy az a (14.92. ábra) ábrán látható.

A másik lehetséges probléma akkor jelenik meg, amikor egy bemeneti berendezés felülírja az adatokat, mialatt az operációs rendszer párhuzamosan másolja azokat az átmeneti tárolóba.

14.94. ábra - Kettős pufferelésű bemenet egy adat felülírással

Az operációs rendszer ilyenkor egy felülírási hibával tér vissza a kezelő programból (Overwrite Error = felülírási hiba ). A szituáció a (14.94. ábra) ábrán látható.

A (14.94. ábra) b. ábrán az operációs rendszer elkezdi az adatok átmásolását a ciklikus tároló első feléből az átmeneti tárolóba. Azonban az operációs rendszer képtelen átmásolni a teljes fél tárolót (a ciklikus tároló első felét), mielőtt a mérésadatgyűjtő berendezés elkezdi felülírni a ciklikus puffer területét (14.94. ábra c. ábra). Következésképpen azok az adatok, amelyeket az átmeneti tárolóba másoltunk nem helyes értékek és együtt tartalmazzák a megelőző, és az újonnan felülírt adatokat. Ha a további átvitelek normálisan zajlanak le, akkor az előbb leírt probléma nem jelentkezik.

A leggyakoribb probléma a folytonos mérésadatgyűjtésnél az, hogy a program elvéti az adatok gyors kiolvasását és nem képes olyan gyorsan olvasni, mint ahogy a hardware küldi azokat. Hogy megelőzzük ezt, optimalizáljuk a program hurkot, amely az adatokat gyűjti. Lehetőség szerint távolítsunk el minden, a feldolgozáshoz nem feltétlenül szükséges eljárást az adatgyűjtő hurokból. Ha ez nem lehetséges, akkor a mérésadatgyűjtés sebességét kell csökkentenünk.

Irodalmak

[14.1.] Chi-Tsong-Chen. Analog And Digital Control System Design. Sounders College Publishing . 2006.

[14.2.] Chi-Tsong-Chen. Linear System Theory and Design. Oxford University Press. 1999.

[14.3.] Gajic, Zoran . Modern Control Systems Engineering. 1996.

Vissza		Előre
13. fejezet - Számítógépes mérésadatgyűjtés és beavatkozás	Főoldal	15. fejezet - Analóg kimenetek