I sistemi di acquisizione dati I sistemi di acquisizione dati

15/04/2015
I sistemi di acquisizione dati
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I sistemi di acquisizione dati
I sistemi di acquisizione dati utilizzano la componentistica vista sino ad
ora per consentire l’acquisizione multicanale.
Per ogni canale valgono le regole discusse in termini di un solo
canale
Esempio di un’architettura tipica di un sistema di acquisizione dati.
I componenti principali sono:
- convertitore A/D
- circuito di amplificazione
- multiplexer
- circuito di memoria (Sample and Hold)
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I sistemi di acquisizione dati
In un sistema di acquisizione sono tipicamente presenti diversi elementi:
amplificatori di segnale, commutatori di canale (multiplexers), circuiti di
memoria (sample-and-hold), filtri anti aliasing.
T tti questiti elementi
Tutti
l
ti possono essere organizzati
i
ti in
i architetture
hit tt
diverse,
di
cosa che comporta possibilità operative e prestazioni differenti.
Per poter valutare o impiegare correttamente un sistema di acquisizione,
occorrerà quindi conoscere non solo le funzioni e le caratteristiche dei
componenti elementari, ma anche l'architettura secondo la quale questi
sono stati assemblati.
In una catena di misura digitale due elementi rimangono in posizioni
fisse: il PRIMO è il trasduttore e l’ULTIMO il convertitore A/D.
Il filtro AA DEVE operare su di un segnale in analogia con l’ingresso,
quindi PRIMA di elementi che ne modifichino la storia temporale.
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I sistemi di acquisizione dati
L'hardware A/D è fisicamente disgiunto dal computer che svolge i compiti
di programmazione, memorizzazione, visualizzazione e manipolazione .
Possibili collegamenti:
B
h d di
Bus iinterno ((schede
acquisizione dati)
C
Collegamento
ll
t esterno
t
((con protocolli
t
lli
di comunicazione es RS-232, RS-422
o IEEE-488 o Internet)
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I sistemi di acquisizione dati
Vantaggi del collegamento diretto al bus interno del computer:
p
di acquisizione
q
dati
¾ costo e dimensioni contenuti: il dispositivo
non richiede un proprio contenitore, né una propria
alimentazione (questa viene fornita direttamente dal PC);
¾ maggiore velocità di trasferimento dati dall'acquisizione al PC.
[in pochi pensano alle schede audio di un PC come ad un
sistema di acquisizione dati]
Vantaggi del collegamento esterno al computer:
¾ completa indipendenza dei sottosistemi;
¾ la possibilità di misure remote.
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Il multiplexer (MUX)
Il multiplexer è l’elemento che permette di mettere in collegamento
elettrico uno tra i possibili ingressi di un sistema multicanale con l’unica
linea in ingresso al convertitore analogico/digitale, di fatto ,
consentendo l’acquisizione multicanale.
I termini
In
t
i i di Blocco
Bl
funzionale
f
i
l il MUX collega
ll
ciclicamente
i li
t uno d
deglili
ingresso con l’unica uscita, seguendo una temporizzazione
programmata.
S/H e amplificatore possono essere
posizionati indifferentemente prima
o dopo il Mux.
Filtro AA
Il filtro AA, UNO PER CANALE,
deve essere messo sempre
prima del Mux .
Avrebbe senso posizionare il filtro AA dopo il S/H o dopo il MUX?
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Il multiplexer (MUX)
Analizziamo le prestazioni del sistema.
Costruiamo la linea del tempo che
descrive il funzionamento del
sistema
sistema.
Operazioni:
¾ configurazione MUX (tMUX);
¾ configurazione amplificatore (tG);
¾ carica e apertura SH (tSH);
¾ conversione (tAD=1/fAD).
Settaggio MUX (tMUX)
Settaggio G (tG)
Settaggio SH (tSH) Conversione (tAD=1/fAD)
Ciclo di acquisizione
Tempo ciclo completo
TC = Nchan*(1/fAD+tMUX+tSH+tG)
Frequenza di acquisizione
Fs = 1/TC
minore di fAD
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Considerazione metodologiche
Questo schema operativo, per quanto banale possa sembrare, è uno
strumento di grande utilità.
Si tratta della rappresentazione delle modalità operative che sta alla base
d ll’
dell’analisi
li i di ffunzionalità
i
lità di un processo (es.
(
linea
li
di produzione):
d i
)
¾ individuazione di tutti i singoli sotto-processi;
¾ definizione del tempo di svolgimento dei sottoprocessi individuati (non
necessariamente in senso deterministico);
¾ definizione delle sequenze di operazione, delle possibili
parallelizzazioni, delle precedenze tra azioni;
¾ determinazione del tempo complessivo;
La rappresentazione grafica permette di individuare i percorsi possibili,
cioè le sequenze di azioni, facilitando l’individuazione dei tempi da
sommare [Attenzione:!!! NON SI SOMMANO LE FREQUENZE !!!].
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Considerazione
Verifichiamo le potenzialità rianalizzando il
sistema:
¾ non è necessario aspettare la conclusione
della commutazione del MUX per operare il
cambio di guadagno. I guadagni per ogni
canale sono noti a priori, quindi la
configurazione del selettore del guadagno
può avvenire in parallelo a quello del MUX.
Settaggio G (tG)
Settaggio MUX (tMUX)
Settaggio G (tG)
Settaggio SH (tSH) Conversione (tAD=1/fAD)
Ciclo di acquisizione
Tempo ciclo completo di acquisizioni = Nchan*(1/fAD+max(tMUX,tG)+tSH)
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Acquisizione multicanale
Con questa struttura si ha un ritardo tra l’acquisizione di un canale e
quello successivo pari alla somma dei tempi delle operazioni svolte
durante un ciclo di lettura.
Tk-1
k1
Tk
Tk+1
k 1
Il collegamento sequenziale dei canali in ingresso con un unico
convertitore comporta un ritardo progressivo nell’acquisizione:
¾ inizio della conversione del primo canale: k tC
¾ inizio della conversione del n-esimo canale: k tC +(n-1) (tAD+tMux+…)
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Acquisizione multicanale
Scheda a convertitori multipli
Per effettuare misure
contemporanee su tutti i canali ci
sono due tecniche:
¾ scheda a S/H e A/D multipli (uno
per ogni canale): sono diversi
sistemi AD monocanale sincronizzati
Scheda a SH multipli
¾ scheda a soli S/H multipli (posti a
monte del MUX) ad attivazione
contemporanea.
Tempo di
acquisizione
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Tempo di misura
Acquisizione multicanale
Effetto del posizionamento di amplificatore e mantenitore.
Possibilità di adeguare il
condizionamento, amplificazione, al
canale senza p
perdite di tempo.
singolo
g
p
Inserendo una batteria di amplificatori a
monte del multiplexer, anziché uno
singolo immediatamente a monte del
convertitore, non è necessario modificare
i guadagni ad ogni campionamento.
Settaggio G (tG)
Settaggio SH (tSH)
Settaggio MUX (tMUX)
Conversione (tAD=1/fAD)
S/H e Amplificatore dopo il Mux
TC=Nchan*(1/fAD+tSH+tG+tMUX)
S/H e Amplificatore prima il Mux
TC=tSH+Nchan*(1/fAD+tMUX)
Il ciclo di scansione di un canale richiede
l’effettuazione di tutte le operazioni
Alcune operazioni escono dal ciclo di
scansione dei canali
tG: una volta prima dell’acquisizione
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Esempio
La frequenza di campionamento del segnale, es definita con le
regole per evitare l’aliasing, non è la frequenza di funzionamento
del convertitore.
Nel caso di acquisizione multicanale la frequenza di campionamento
deve essere garantita per ogni singolo canale.
Occorre anche tenere conto degli eventuali ritardi dovuti alla
particolare architettura del sistema di acquisizione e alla modalità di
utilizzo.
Es. Acquisizione di 12 canali a 10’000 Hz con una scheda il cui
convertitore A/D ha velocità massima di 300kSamples/s
Sono richiesti 12*10’000=120’000 campionamenti al secondo,
requisito che sembra compatibile con la prestazione nominale dell’ A/D
(300’000 Samples > 120’000)
Per sapere se la scheda è adatta, non è detto che ciò sia sufficiente:
occorre conoscere o avanzare ipotesi sull’architettura della
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scheda.
Esempio
Ipotizzando un’architettura con amplificatore e mantenitore singoli, le
azioni da eseguire ad ogni campionamento occorre eseguire sono:
¾ effettuare la commutazione del multiplexer;
¾ attendere la stabilizzazione del mantenitore (S&H);
¾ attendere la stabilizzazione del guadagno dell’amplificatore.
Supponiamo che per la loro esecuzione siano necessari 10 microsecondi
complessivi (opportuna la lettura della scheda tecnica).
L’intervallo temporale che intercorre tra due acquisizioni successive di uno
stesso canale deve tenere conto sia del tempo di acquisizione che di
questi ritardi:
Nchan*(1/fAD+tritardo)=12*(1/300’000+0.000010)=0.00016 s
A questo tempo corrisponde una frequenza di acquisizione di 6250Hz;
la prestazione del sistema di acquisizione non soddisfa i requisiti di
prova.
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Software
Ogni componente della scheda di acquisizione deve essere “istruito” su
come e quando fare quello che gli chiediamo: deve cioè essere
programmato. I comandi sono comunicati alla scheda mediante la
scrittura di codici p
particolari in apposite
pp
p
posizioni della memoria, dette
registri.
Linguaggi di programmazione:
Visual BASIC, C++, FORTRAN
Linguaggi grafici:
LabView, HPVEE
La disponibilità e l'utilizzo di questi sistemi non deve far sottovalutare
l'importanza della comprensione per tutto quello che sta loro dietro e
per quanto nascondono.
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Domande ?
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Qualche quesito
Un segnale viene campionato ogni 0.1 s per un totale di 200 campioni.
Su questi dati viene eseguita una trasformata di Fourier digitale.
1 Calcolare il tempo totale di campionamento.
1.
campionamento
2. Calcolare la frequenza di campionamento in Hz.
3. Calcolare la massima frequenza dello spettro del segnale acquisito.
4. Calcolare la risoluzione in frequenza della trasformata digitale.
La massima frequenza dello spettro di una trasformata di Fourier
digitale è anche detta:
1. corner frequency.
2. cut-off frequency.
3. folding frequency.
4. fundamental frequency.
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Qualche quesito
Una DFT evidenzia leakage. Quale delle seguenti azioni può risultare
utile:
1. campionare a frequenza superiore;
2. aumentare il numero di campioni;
3. cambiare l’algoritmo e passare ad una FFT;
4. nessuno;
5. elaborare i dati con una finestra (es Hanning).
A quale delle seguenti coppie di valori di frequenza di campionamento e
tempo di osservazione totale corrisponde la migliore risoluzione in
frequenza?
1. 100 Hz , 5 s
2. 100 Hz, 10 s
3. 200 Hz, 5 s
4. 1000 Hz, 2 s
5. 2000 Hz, 2 s
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Da ricordare
Come gestire tutte la fasi di definizione dei parametri di
funzionamento di un sistema di acquisizione dati
dati, ovvero:
¾ configurare i guadagni di un sistema di acquisizione in funzione
delle misure attese;
¾ determinare la frequenza di taglio dei filtri anti-aliasing, la minima
frequenza di campionamento necessaria per evitare aliasing;
¾ scegliere il tempo di osservazione necessario per ottenere la
risoluzione in frequenza richiesta;
¾ stimare l’errore compiuto nella individuazione della massima
ampiezza di un segnale sinusoidale o della sua frequenza.
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Da ricordare
Come si determina uno schema del sistema di acquisizione compatibile
con le
l iinformazioni
f
i i di
disponibili
ibili iin un certo
t contesto.
t t
Come si calcola l’espressione e il valore della massima frequenza di
acquisizione sul singolo canale e quello per un’acquisizione a N canali,
dato uno schema della scheda e le caratteristiche funzionali dei suoi
componenti principali.
Come si valuta la quantità delle informazioni digitali che vengono
prodotte da un sistema di acquisizione.
Come si interviene per rendere una prova fattibile senza per questo
ridurre la qualità delle misure.
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Cosa sappiamo fare?
Testo dell’ Esercizio 2 del 12 settembre 2012
Si vuole caratterizzare il livello vibratorio a cui è sottoposta la cabina di
un elicottero usando 6 accelerometri. Considerando che la banda di
interessa è di 150 Hz e che si dispone di:
scheda di acquisizione a 16 bit, 10 canali, fondo scala 0:10V o ±5V,
guadagno programmabile 1, 10, 100, 1000 e velocità massima 100
ksamples/s
accelerometri piezoceramici, banda passante 0.5-7000Hz, sensibilità
100 mV/g
filtro dell’8° ordine programmabile in frequenza, livello rumore/segnale
0.1%
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Cosa sappiamo fare?
Esercizio 2 del 12 settembre 2012
…
F supponendo che durante il volo si prevedono valori di accelerazione
massima pari a ±6g si configurino i parametri della scheda di
acquisizione
F descrivere la procedura per determinare la frequenza di taglio dei
filtri e la minima frequenza di campionamento necessarie per evitare il
fenomeno di aliasing e determinarne i valori
F determinare il tempo di osservazione necessario per ottenere una
risoluzione in frequenza pari a 0.2 Hz
C assumendo
d una ffrequenza di campionamento
i
t di 1000 Hz,
H sii stimi
ti i
l’errore compiuto nella misura della massima ampiezza
dell’accelerazione associata al disturbo prodotto dal rotore ad una
frequenza di 25 Hz, disturbo da ritenersi con buona approssimazione
sinusoidale.
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Cosa sappiamo fare?
Testo dell’Esercizio 3 del 15 novembre 2012
Durante prove in pista si vogliono rilevare misure di accelerazione,
accelerazione
posizione e forza per un totale di 32 canali. Il campo di frequenze di
interesse è 0-50 Hz. La strumentazione è di classe 0.5%.
Il sistema di acquisizione multicanale è dotato di un convertitore a 12
bit, guadagno variabile ma ad amplificatore e sample&hold singoli. I
tempi caratteristici del sistema di acquisizione sono: tmux=4 μs,
tad=0.8 μs, tsh=1 μs, tgain=2 μs. L’accuratezza globale del sistema
AD è 2.0%. Si dispone di filtri antialiasing a frequenza di taglio
programmabile con attenuazione di 160 dB/decade e accuratezza
0.2%.
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Cosa sappiamo fare?
Esercizio 3 della prova 15 novembre 2012
…
Si richiede di:
1) F Indicare uno schema del sistema di acquisizione compatibile con le
informazioni fornite
2) F Per lo schema descritto al punto precedente, fornire l’espressione
e il valore della massima frequenza di acquisizione sul singolo canale e
quello per un’acquisizione a 32 canali
3) F Descrivere la procedura per la corretta definizione della frequenza
di acquisizione per la prova considerata, limitatamente alle informazioni
disponibili, e fornirne il valore
4) F Ricavare l’espressione dell’incertezza del sistema di misura
configurato ai punti precedenti (questo non lo sappiamo ancora fare)
5) C Valutare se un sistema di telemetria con velocità di trasferimento di
120 kbit/s sia compatibile con la prova
6) C Indicare come modificare la configurazione della prova nel caso di
esito negativo del punto precedente per cercare di rientrare nelle
specifiche
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Approfondimento: gli schemi di collegamento
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Modalità di ingresso
Le schede presentano spesso due modalità di utilizzo: differenziale
(differential) e a riferimento unico (single ended).
Se la scheda è di quest’ultimo tipo allora tutti i segnali che gli vengono
collegati devono condividere la stessa linea di terra
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Modalità di ingresso
Può essere più conveniente misurare direttamente la differenza tra le
due linee, alta e bassa, del segnale di ingresso: questa è la modalità di
ingresso differenziale (Differential).
La presenza di un rumore fluttuante o di un offset stazionario,
stazionario comune
alle due linee, viene cancellata dal segnale prima della lettura da parte
dell'A/D.
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Modalità di ingresso
Il modo differenziale riduce il numero di ingressi disponibili: es. 8 ingressi
single-ended o 4 differenziali.
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