Schema dell'acquisizione digitale
T
g(t)
Misure Meccaniche e Termiche
S(par)
x(t)
y(n)
scheda di sequenza di
grandezza trasduzione e segnale
condizionamento elettrico in acquisizione
fisica
numeri
tensione
quantizzati
(impostata con
(ad es.
certi parametri)
spostamento)
Acquisizione digitale dei segnali
Ing. Lorenzo Comolli
segnali continui
segnali discretizzati
(sia nel tempo che in ampiezza)
Acquisizione digitale dei segnali
La grandezza fisica
Il trasduttore e il condizionamento
Qualunque grandezza fisica di interesse
Il trasduttore:
trasduce
una grandezza fisica
in un'altra, generalmente un segnale
elettrico in tensione
Esempi per l'ingegnere meccanico:
spostamento
angolo
velocità
accelerazione (vibrazioni)
forza
coppia
pressione
deformazione
...
Acquisizione digitale dei segnali
Il segnale elettrico in tensione
Il trasduttore produce in uscita una ddp
proporzionale alla grandezza in
ingresso.
Il segnale può essere "trasportato" su due
fili conduttori. Di solito si usano cavi
coassiali che hanno il vantaggio di
proteggere il segnale all'interno della
calza, che funge sia da terra del
segnale che da gabbia di Faraday.
I connettori dei cavi coassiali sono i BNC
(Bayonet Nut Connector) che hanno i
contatti coassiali (sempre per fungere
da gabbia di Faraday)
Acquisizione digitale dei segnali
Il condizionamento:
condiziona:
il segnale acquisito facendo operazioni
sul sistema (amplificazione, filtri,
alimentazione trasduttore, ...)
Acquisizione digitale dei segnali
La scheda di acquisizione
Si occupa di convertire il segnale in tensione in un segnale
digitale su PC
Informazioni sul sito National Instruments http://www.ni.com
Acquisizione digitale dei segnali
1
Il segnale acquisito (sequenza di numeri)
Concetti del campionamento:
quantizzazione
DISCRETIZZAZIONE SULL'ASSE VERTICALE (DELLE TENSIONI)
Il segnale acquisito su PC è
composto da una sequenza di
numeri, quantizzata:
sull'asse dei tempi
sull'asse delle tensioni
Non tutti i valori sono possibili, i campioni sono quantizzati.
111
out
110
101
100
011
010
001
000
in
Acquisizione digitale dei segnali
Acquisizione digitale dei segnali
Concetti del campionamento:
campionamento
I parametri della scheda di acquisizione:
predeterminati
DISCRETIZZAZIONE SULL'ASSE ORIZZONTALE (DEI TEMPI)
Il segnale continuo viene convertito in una sequenza di numeri
V
t
V
(ti , Vi) i = 1,...... N
NUMERO DI BIT (b)
risoluzione lsb
Vmax - Vmin FS
b
2b
2
Valori tipici:
schede economiche: 8-12 bit
schede standard: 16 bit
schede dedicate: 18-24 bit
t
Acquisizione digitale dei segnali
I parametri della scheda di acquisizione:
predeterminati
FONDO SCALA MASSIMO (FSmax)
E' il massimo intervallo di tensioni che la scheda può
leggere.
Tensioni maggiori (o minori) dei limiti vengono viste pari al
valore limite (fenomeno della saturazione).
Valori tipici:
schede standard: 10 V
schede per usi particolari: 601000 V
Acquisizione digitale dei segnali
Acquisizione digitale dei segnali
I parametri della scheda di acquisizione:
predeterminati
FREQUENZA DI CAMPIONAMENTO MASSIMA
Ossia è il massimo numero di campioni che possono essere acquisiti ogni
secondo
Espressa dal produttore in kilosamples al secondo [kS/s] (non fa parte del
S.I.), si tratta comunque di kilohertz [kHz].
Numero da suddividere sul numeri di canali effettivamente utilizzati (tranne
schede a campionamento simultaneo)
f c ,max
f scheda ,max
Valori tipici:
schede standard: 1001000 kHz
ncanali
Acquisizione digitale dei segnali
2
I parametri della scheda di acquisizione:
predeterminati
I parametri della scheda di acquisizione:
predeterminati
MASSIMO NUMERO DI CANALI
segnali analogici
Nota sulle schede
Esistono molti schemi di schede; i principali elementi sono:
ADC, convertitore analogico/digitale
S&H, sample and hold, mantiene costante la tensione durante
l'acquisizione
MUX, multiplexer, interruttore a posizione variabile
Esempi di schemi, con 4 canali:
S&H
ADC
S&H
ADC
S&H
ADC
S&H
ADC
Numero di canali analogici che possono essere acquisiti
contemporaneamente.
Segnali
M
U
X
S&H
ADC
S&H
S&H
M
U
X
ADC
S&H
Acquisizione sincrona
fc,max=fscheda,max
Acquisizione asincrona
fc,max=fscheda,max/nch
Valori tipici:
schede standard: 8-16
schede multicanale: 3280
Acquisizione sincrona
fc,max=fscheda,max/nch
Acquisizione digitale dei segnali
Acquisizione digitale dei segnali
I parametri della scheda di acquisizione:
predeterminati
I parametri della scheda di acquisizione:
modificabili
FREQUENZA DI CAMPIONAMENTO (fc)
INTERFACCIA CON PC
E' inutile acquisire sempre alla massima frequenza di
campionamento permessa dalla scheda.
Determina la massima velocità di trasferimento dati
possibile tra scheda e PC
PCI
Interfacce tipiche:
schede standard: PCI (pc fisso), PCMCIA (pc
portatile), PXI
nuove schede: USB, Ethernet, FireWire
Il "miglior" campionamento è quello che permette di
acquisire la minor quantità di dati senza alterare il segnale
acquisito.
f c 2 f max,segnale
USB
Acquisizione digitale dei segnali
=>
Esempio: fmax,segnale = 50 Hz
con margine si può scegliere fc = 200 Hz
fc > 100 Hz,
Acquisizione digitale dei segnali
I parametri della scheda di acquisizione:
modificabili
TEMPO TOTALE DI ACQUISIZIONE (Tacq)
Tempi lunghi permettono di osservare segnali variabili
lentamente, ossia a bassa frequenza.
Tempo minimo per osservare un segnale a frequenza fmin:
Tacq
1
f min
Esigenza di campionare un numero intero di periodi
Tacq N
Acquisizione digitale dei segnali
Scheda
S&H
1
con N intero
f min
I parametri della scheda di acquisizione:
modificabili
FONDO SCALA (FS)
Regolabile, ad es: (0.05-0.1-0.25-0.5-1-2.5-5-10) V
In realtà il FS sulla scheda è fisso (di solito 5 V)
Quello che viene cambiato (in maniera invisibile all'utente) è
l'amplificazione prima dell'acquisizione (ad es 0.5x per
avere FS 10 V, 2x per avere FS 2.5 V).
La misura di tensione acquisita viene divisa per
l'amplificazione e poi mostrata all'utente.
Amplificatore
variabile
ADC
Acquisizione digitale dei segnali
3
I parametri della scheda di acquisizione:
modificabili
I parametri della scheda di acquisizione:
modificabili
MESSA A TERRA
Trasduttore non messo a Trasduttore con - messo a
terra (floating)
terra (grounded)
La scelta della messa a terra influenza la qualità dei segnali
acquisiti in termini di disturbi.
Casi possibili del trasduttore:
trasduttore flottante
trasduttore messo a terra
Impostazioni della scheda:
DIFF (Differencial): il - non viene messo a terra dal
lato scheda
RSE (Referenced single ended): il - viene messo a
terra
Acquisizione digitale dei segnali
Trasduttore
Scheda
DIFF
Da aggiungere
manualmente
RSE
Loop di massa!
Acquisizione digitale dei segnali
Problemi del campionamento:
saturazione
Il segnale "esce" dal range di misura.
Soluzione:
- aumentare il FS (se possibile)
- togliere il valor medio (sommatore, filtro PA)
Acquisizione digitale dei segnali
Problemi del campionamento:
risoluzione insufficiente
Per una quantizzazione corretta, il segnale deve avere ampiezza As
(molto) maggiore della risoluzione: As»lsb
lsb
Soluzioni:
- adattare il FS al segnale
- aumentare b (numero di bit) cambiando la scheda
FS
2b
Acquisizione digitale dei segnali
Problemi del campionamento:
tempo di acquisizione troppo breve
Per determinare la frequenza di un segnale devo acquisire
1
almeno un periodo.
f
Risoluzione in frequenza:
T
acq
Problemi del campionamento:
aliasing
Teorema del campionamento (o di Shannon)
Per campionare correttamente un segnale bisogna
campionarlo ad una frequenza fc maggiore del doppio della
frequenza massima contenuta nel segnale.
f c 2 f max,segnale
Ossia bisogna acquisire più di 2 punti per periodo.
Viene definita frequenza di Nyquist la massima frequenza
visibile, pari a metà della frequenza di campionamento.
f Ny
fc
2
Nota: alla FNy non si ricostruisce correttamente il segnale (si freq, no amp e fase).
Acquisizione digitale dei segnali
Acquisizione digitale dei segnali
4
Problemi del campionamento: aliasing
Es. fS=12 Hz
Problemi del campionamento:
aliasing
Se non si rispetta il th. del campionamento, le frequenze
maggiori di fc/2 vengono "specchiate" alle basse frequenze.
f alias f Ny ( f s ,reale f Ny )
fC = 70 Hz > 2 fS
0
0.1
0.2
0.3
tempo [s]
0.4
0.5
0.6
mod
fC = 24 Hz = 2 fS
0
0.1
0.2
0.3
tempo [s]
0.4
0.5
0.6
fC = 8 Hz < 2 fS
0
0.1
0.2
0.3
tempo [s]
0.4
0.5
falias
0.6
Acquisizione digitale dei segnali
fNy=fc/2
fs, reale
fc
f
Acquisizione digitale dei segnali
Problemi del campionamento:
aliasing
Esempio:
fc= 20 Hz
falias= 6 Hz
fs,reale potrebbe essere: 6, 14, 26, 34,.... Hz
fS digitale (APPARENTE)
6
Misure Meccaniche e Termiche
L'oscilloscopio
6 fC/2 14 fC 26
34 2 fC
30
10
fS analogico
(REALE)
Ing. Lorenzo Comolli
DIAGRAMMA DELL’ALIASING
Acquisizione digitale dei segnali
Oscilloscopio
Oscilloscopio
Scopo:
permette di visualizzare su uno schermo l’andamento di
una tensione in funzione del tempo.
permette misure di tempo e/o di ampiezza della forma
d’onda posta sulle sonde di misura.
Solitamente visualizza due ingressi (canali) ma può
arrivare a quattro
Una delle caratteristiche
principali è la
BANDA PASSANTE
(massima frequenza
misurabile del segnale)
E' possibile ottenere ad esempio le seguenti informazioni:
Esempio di un oscilloscopio digitale
Acquisizione digitale dei segnali
•
•
•
•
•
la forma del segnale
la presenza di disturbi e rumore
la tensione massima e minima oppure l'escursione picco-picco
il periodo della forma d'onda oppure la frequenza
la componente continua (media) e alternata del segnale (ampiezza)
Acquisizione digitale dei segnali
5
Analogico e digitale
Oscilloscopio: note
Tipologie di oscilloscopi:
I segnali in ingresso hanno valori ammissibili non superiori
ad un certo limite (che dipende dall'oscilloscopio, ad
esempio ±20 V), anche se la tensione massima applicabile
senza danneggiare lo strumento è generalmente più
elevata.
Per tensioni superiori è possibile usare "sonde" 10x o 100x.
analogici
vantaggio: non risente dei problemi del campionamento
svantaggio: è qualitativo
digitali
vantaggio: è quantitativo (fornisce misure accurate)
svantaggio: risente dei problemi del campionamento (ma di solito
fc elevatissime, ad es. 60 MHz)
L'oscilloscopio è semplice da usare, permette di visualizzare
due (o quattro) segnali anche di ampiezze molto diverse
fra loro.
Non ha pretese di elevata accuratezza.
Acquisizione digitale dei segnali
Acquisizione digitale dei segnali
Pannello frontale
Display
E’ costituito generalmente da una griglia di 10x8 quadrati
L’asse X rappresenta la base dei tempi
L’asse y rappresenta l’ampiezza del segnale
ampiezza in volt CH1 e CH2
base dei tempi
trigger auto fronte positivo
ch2 trigger 2,43 V
valore di delay
Acquisizione digitale dei segnali
Acquisizione digitale dei segnali
Operazioni sui canali (1/2)
• Selezione del canale
• si visualizzano sul
display in basso i
controlli del canale
selezionato
1
Coupling …
Off On
DC AC GND
AC / DC / Ground
La modalità DC acquisisce il segnale così com'è, quindi
anche il suo valore medio.
La modalità AC elimina la parte continua del segnale, ovvero
porta il valor medio a zero applicando un filtro passa alto
con frequenza di taglio molto bassa.
La modalità GND visualizza la massa, serve per stabilire lo
zero.
Tasti di commutazione
Acquisizione digitale dei segnali
Acquisizione digitale dei segnali
6
Operazioni sui canali (2/2)
Il filtro AC
Definizioni:
Frequenza di taglio: frequenza alla quale il filtro attenua il segnale di 3 dB, ovvero
riduce l'ampiezza al 71%.
Zona di trasmissione: intervallo di frequenze dove il segnale non viene alterato.
Zona di reiezione: intervallo di frequenze dove il segnale viene completamente
eliminato.
• Se si hanno due segnali è
possibile sommarli o
sottrarli (tasto Math)
Zona di transizione: intervallo di frequenze dove il segnale è parzialmente
attenuato. Meglio un intervallo piccolo, filtro ideale.
mod
1
zona di
reiezione
Channel math
zona di
transizione
attenuazione -3 dB
zona di
trasmissione
Off
1+2
1-2
ossia 71%
0
ft
frequenza di taglio
f
Acquisizione digitale dei segnali
In questo esempio è attivata la somma dei due segnali
Acquisizione digitale dei segnali
Guadagni e offset (1/2)
Guadagni e offset (2/2)
• Il controllo Volts/Div regola il
guadagno verticale (volt /
divisione della griglia) da
2 mV/div a 5 V/div.
• Delay serve a spostare la traccia
del segnale lungo l’asse dei tempi
• Il controllo Time/Div regola il
guadagno verticale (volt / divisione
della griglia) da 1 ns/div a 5 s/div.
• Position serve a spostare la
traccia del segnale lungo l’asse
delle tensioni (senza modificare il
segnale)
Connettori ingresso CH1 – CH2
Acquisizione digitale dei segnali
Acquisizione digitale dei segnali
Trigger
Controlli del Trigger
Serve per cominciare a disegnare il segnale sullo schermo
nel momento in cui avviene un evento particolare.
Ad esempio il passaggio di una soglia, in salita o in discesa.
Trigger source
1
2
Ext
Line
Il trigger è utile per "bloccare" un segnale sullo schermo in
caso di segnali periodici.
Slope Coupling
Slope
Noise Rej
Off On
Es: trigger su soglia a 0 V e pendenza in salita
Acquisizione digitale dei segnali
Acquisizione digitale dei segnali
7
Generatore di funzioni
Produce dei segnali di riferimento, ad es.:
Onda armonica
Onda quadra
Onda triangolare
Rumore bianco
Sweep
T=1/f
A
Parametri modificabili:
Misure Meccaniche e Termiche
Ampiezza (o valore picco-picco)
Frequenza
Offset
Oscilloscopio e acquisizione digitale in
laboratorio
Ing. Lorenzo Comolli
Acquisizione digitale dei segnali
Laboratorio al CLASD
Parte prima, segnali analogici e continui:
il segnale sull'oscilloscopio
Parte seconda, segnali digitalizzati e quantizzati:
acquisizione del segnale su PC
Acquisizione digitale dei segnali
2. L'acquisizione a PC
1. L'oscilloscopio
Esercizio:
prendere confidenza con l'oscilloscopio e il generatore di
funzione.
confrontare lo stesso segnale, acquisito in DC e in AC
(osservare sia il modulo che la fase).
determinare la frequenza di taglio del filtro AC
dell'oscilloscopio.
Acquisizione digitale dei segnali
Il sw di acquisizione
legenda
Elementi della catena di acquisizione
generatore di funzione (posso impostare frequenza e
ampiezza della sinusoide, oltre a molti altri parametri)
cavo BNC -> pinzette
scheda di acquisizione National Instruments "MyDAQ"
cavo USB
programma di acquisizione in LabView
salvataggio dei dati su HD
Freq. camp.
[Hz]
Fondo scala
scelta canale Grafico
real-time
scale e
zoom
Visualizza
lo spettro
Stop acq.
continua
Inizio
acquisizione
continua
Salva (in formato testo)
Acquisizione digitale dei segnali
Acquisizione digitale dei segnali
8
2. L'acquisizione a PC
Esercizio preliminare
Acquisire senza salvare; visualizzare lo spettro
variare lentamente la frequenza del segnale da 10 Hz a
400 Hz
con i parametri della scheda di acquisizione fissi
fc = 200 Hz
FS = 10 V
Osservare l'effetto dell'aliasing sul segnale nel dominio delle
frequenze.
2. L'acquisizione a PC
Esercizio A: verifica dell'aliasing (fc fissa, fs variabile)
Acquisire e salvare
un segnale a diverse frequenze
fs = 10, 30, 50, 80, 99, 100, 120, 150, 180, 200, 220, 250 Hz
con i parametri della scheda di acquisizione fissi
fc = 200 Hz
Tacq = 5 s
FS = 10 V
Osservare l'effetto dell'aliasing sul segnale nel dominio del
tempo.
Determinare il modello di scheda di acquisizione e cercare su
internet le caratteristiche salienti.
Conservare i dati per i prossimi laboratori, dove verranno analizzati nel
dominio delle frequenze.
Acquisizione digitale dei segnali
Acquisizione digitale dei segnali
2. L'acquisizione a PC
Esercizio B (facoltativo): verifica dell'aliasing (fc
variabile, fs fissa)
Acquisire
un segnale a frequenza fs = 100 Hz
con i parametri della scheda di acquisizione variabili
fc = 50, 100, 150, 200, 250, 500, 2000 Hz
Tacq = 5 s
FS = 10 V
Osservare l'effetto dell'aliasing sul segnale nel dominio del
tempo.
Acquisizione digitale dei segnali
9
