of 416/416
COSTIN ŞTEFĂNESCU NICOLAE CUPCEA ELECTRONICĂ APLICATĂ - SISTEME INTELIGENTE HARDWARE- SOFTWARE DE MĂSURARE ŞI CONTROL Semnal Filtrare Conversie analog- digitală Analog Unitatea de calcul Conversie digital- analogică Filtrare Circuit de amplificare Semnal Analog Numeric FTJ CA/D CD/A FTJ Bucureşti 2003

AD - Electronica Aplicata

  • View
    564

  • Download
    6

Embed Size (px)

Text of AD - Electronica Aplicata

COSTIN TEFNESCU

NICOLAE CUPCEA

ELECTRONIC APLICAT SISTEME INTELIGENTE HARDWARESOFTWARE DE MSURARE I CONTROL

Filtrare FTJ Semnal

Conversie analogdigital CA/D

Unitatea de calcul

Conversie digitalanalogic Filtrare CD/A Analog FTJ

Circuit de amplificare

Analog Numeric

Semnal

Bucureti 2003

ELECTRONIC APLICAT

CUPRINS1. Elemente introductive referitoare la conducerea proceselor industriale din perspectiva sistemelor inteligente hardware-software de msurare i control ..... 1 1.1 Introducere................................................................................................... 1 2. Sisteme de achiziie i prelucrare a datelor ...................................................... 5 2.1 Noiuni generale .......................................................................................... 5 2.2 Sisteme de achiziii de date. Arhitectur. Principalele tipuri de resurse utilizate n cadrul sistemelor de achiziii de date .............................................. 5 2.2.1 Multiplexoare analogice utilizate n sisteme de achiziii de date ........ 6 2.2.2 Circuite de eantionare-memorare utilizate n sisteme de achiziii de date ................................................................................................................ 9 2.2.3 Circuite pentru conversia datelor utilizate n sisteme de achiziii de date: convertoare analog-digitale i digital-analogice ................................ 14 2.2.3.1 Convertoare digital-analogice. Scheme de principiu .................. 19 2.2.3.2 Convertoare analog-digitale. Scheme de principiu..................... 25 2.3 Interfee specializate de comunicaie ........................................................ 35 2.3.1 Comunicaia de tip serial. Protocoale de transmisie serial a datelor 36 2.3.1.1 Interfaa RS-232 .......................................................................... 36 2.3.1.2 Interfaa I2C ................................................................................. 40 2.3.1.2.1 Specificaiile interfeei I2C................................................... 41 2.3.1.2.2 Conceptul de magistral I2C................................................. 42 2.3.1.2.3 Transferurile pe magistrala I2C ............................................ 43 2.3.1.2.3.1 Transferurile de date pe magistral............................... 44 2.3.1.2.4 Arbitrarea prioritilor i generarea ceasului ....................... 45 2.3.1.3 Interfaa USB............................................................................... 46 2.3.2 Comunicaia de tip paralel. Protocoale de transmisie paralel a datelor ..................................................................................................................... 48 2.3.2.1 Interfaa HPIB ............................................................................. 49 2.3.2.1.1 Structura bus-ului HPIB....................................................... 50 2.3.2.2 Interfaa Centronics ..................................................................... 53 2.3.2.2.1 Protocolul de comunicaie Centronics-Handshake .............. 55 3. Tipuri de sisteme de achiziii de date .............................................................. 57 3.1 Sistem de achiziii de date cu multiplexare temporal.............................. 57 3.2 Sistem de achiziie sincron de date.......................................................... 61 3.3 Sistem rapid de achiziii de date................................................................ 67 3.4 Unitatea central de comand ................................................................... 68 3.5 Sisteme de achiziie de date cu microprocesor ......................................... 69 3.5.1 Uniti centrale de prelucrare tradiionale.......................................... 69 3.5.2 Procesoare de semnal: DSP................................................................ 75 3.5.2.1 Arhitectura unui procesor de semnal .......................................... 76SISTEME INTELIGENTE HARDWARE-SOFTWARE DE MSURARE I CONTROL 1

ELECTRONIC APLICAT

3.5.2.2 Portul serial sincron al familiei DSP TMS320C2xx................... 81 3.5.2.3 Portul serial asincron al familiei DSP TMS320C2xx ................. 82 4. Consideraii generale asupra instrumentaiei virtuale..................................... 85 4.1 Instrumente virtuale................................................................................... 85 4.2 Interfaa calculator - proces de msurare sau control ............................... 90 4.3 Software pentru instrumentaie virtual .................................................... 92 4.3.1 Alegerea platformei software: Unix sau Windows? .......................... 94 4.4 Particulariti ale intrumentaiei virtuale................................................... 95 4.5 Noi instrumente DAQ specializate extind noiunea de instrument virtual97 4.5.1 Transferul de date n bus-ul PCI ........................................................ 98 4.5.2 Implementarea DMA pe placa de tip PCI Bus Master. Chip-ul ASIC MITE. .......................................................................................................... 99 4.5.3 Windows NT 4.0 aduce mbuntiri importante pentru utilizatorii de instrumentaie virtual............................................................................... 101 4.5.4 Terenul este pregattit pentru noile instrumente DAQ .................... 103 4.5.4.1 Tehnici de eantionare utilizate n osciloscoapele numerice .... 104 4.5.5 DAQScope ....................................................................................... 105 4.5.5.1 De ce este important mrimea memoriei i viteza de transfer DMA la un osciloscop? ......................................................................... 107 4.5.6 DAQArb ........................................................................................... 108 4.5.7 DAQMeter........................................................................................ 109 4.6 Software specializat pentru achiziia datelor .......................................... 110 4.6.1 Software pentru achiziia de date ..................................................... 111 4.6.2 Detalii privind cerinele impuse unui pachet software pentru msurri electrice ..................................................................................................... 115 4.6.3 SCPI (Standard Commands for Programmable Instrumentations). 119 5. Prezentarea microcontrollerului 80C552 (PHILIPS).................................... 125 5.1 Arhitectura hardware a microcontroller-ului 80C552............................. 125 5.1.1 Memoria intern a microcontroller-ului 80C552 ............................. 125 5.1.1.1 Memoria de program (Program Memory) ................................ 125 5.1.1.2 Memoria de date (Data Memory).............................................. 126 5.1.1.3 Registrele cu funcii speciale .................................................... 127 5.1.2 Structura i lucrul cu porturile de intrare-ieire ............................... 130 5.1.2.1 Programarea i utilizarea temporizatoarelor ............................. 132 5.1.2.2 Interfaa serial SIO0 ................................................................. 134 5.1.2.3 Ieirile modulate n durat......................................................... 135 5.1.2.4 Seciunea analogic a microcontrollerului................................ 137 5.1.2.5 Msurarea intervalelor de timp prin utilizarea registrelor de captare a evenimentelor .............................................................................. 142 5.2 Prezentarea setului de instruciuni al microcontroller-ului 80C51 ......... 143 5.3 Sistem de dezvoltare cu microcontroller 80C552 ................................... 167 5.3.1 Domeniul de aplicabilitate ............................................................... 1722 SISTEME INTELIGENTE HARDWARE-SOFTWARE DE MSURARE I CONTROL

ELECTRONIC APLICAT

5.3.2 Detalierea resurselor sistemului ....................................................... 172 5.3.2.1 Unitatea Central de Prelucrare ................................................ 172 5.3.2.2 Interfaa cu Procesul Controlat.................................................. 172 5.3.2.3 Interfaa cu Operatorul .............................................................. 180 5.3.2.4 Interfaa cu un Sistem de Calcul ............................................... 183 5.3.3 Resurse software, utilizare ............................................................... 183 5.3.4 Rutine de baz pentru manipularea resurselor sistemului................ 185 6. Sistem universal, modular, de achiziii de date............................................. 197 6.1 Mrimi de intrare n sistemul de achiziii de date................................... 197 6.2 Specificaiile de proiectare ale sistemului de achiziii de date ............... 197 6.3 Interfaa specializat de achiziii de date a sistemului ............................ 200 6.3.1 Interfaa de achiziii de date propriu-zis......................................... 201 6.3.1.1 Blocul de adaptare a semnalelor analogice ............................... 201 6.3.1.2 Blocul filtrelor antirepliere........................................................ 204 6.3.1.3 Blocul circuitelor de eantionare-memorare suplimentare ....... 207 6.3.1.4 Blocul convertoarelor analog-digitale....................................... 209 6.3.1.4.1 Descrierea funcional a blocului de conversie analogdigital din cadrul interfeei specializate de achiziii de date ........... 209 6.3.1.5 Blocul de conversie digital-analogic ....................................... 217 6.4 Unitatea central de prelucrare local cu microcontroller 80C552 ........ 221 6.4.1 Descrierea funcional a UCPL........................................................ 221 6.4.2 Resursele unitii centrale de prelucrare locale a sistemului de achiziii de date.......................................................................................... 221 6.5 Interfaarea unitii centrale de prelucrare, cu microcontroller 80C552, cu un sistem hardware extern (interfaa de achiziii de date) ............................ 226 6.5.1 Modaliti de cuplare a unitii centrale de prelucrare cu un dispozitiv hardware extern ......................................................................................... 226 6.5.2 Descriere funcional a ansamblului unitate central de prelucrare local - interfaa specializat de achiziii de date...................................... 227 6.6 Estimarea erorilor ce se manifest n cadrul sistemului de achiziii....... 229 6.6.1 Estimarea erorilor software .............................................................. 229 6.6.2 Estimarea erorilor hardware ............................................................. 231 7. Software de analiz a semnalelor electrice ................................................... 235 7.1 Consideraii generale asupra instrumentelor software de analiz a semnalelor electrice....................................................................................... 235 7.2 Platforma HP VEE pentru Windows. Prezentarea analizorului ESA ..... 236 7.3 Implementarea analizorului ESA ............................................................ 239 7.3.1 Blocul de prelucrare a fiierului de date de intrare .......................... 241 7.3.2 Blocurile pentru controlul dispozitivelor de afiare......................... 243 7.3.3 Dispozitivele de afiare de tip oscilograf......................................... 246 7.3.4 Blocul de afiare sub form digital a valorilor minime/maxime ale semnalelor de intrare ................................................................................. 247SISTEME INTELIGENTE HARDWARE-SOFTWARE DE MSURARE I CONTROL 3

ELECTRONIC APLICAT

7.4 Interfaarea instrumentului virtual de analiz a semnalelor electrice, ESA, cu interfaa specializat de achiziii de date.................................................. 248 7.5 Detalii suplimentare privind implementarea instrumentului virtual ESA ....................................................................................................................... 250 7.6 Resurse suplimentare ale analizorului de semnale electrice, ESA ......... 250 7.6.1 Analizorul Fourier ............................................................................ 254 7.7 Testarea instrumentului virtual ESA i rezultate experimentale............. 257 7.8 Listingul programului de achiziie de date.............................................. 258 8. Sistem cu microcontroller pentru msurarea i controlul temperaturii......... 271 8.1 Specificaiile de proiectare ale sistemului pentru msurarea i controlul temperaturii ................................................................................................... 271 8.2 Descrierea funcional a sistemului de msurare a temperaturii ............ 272 8.2.1 Blocul de msurare a temperaturii ................................................... 272 8.2.1.1 Traductorul de temperatur ....................................................... 273 8.2.1.1.1 Conectarea traductorului de temperatur ........................... 273 8.2.1.1.2 Senzorul de temperatur..................................................... 273 8.2.1.1.3 Modulul surselor de tensiune de referin.......................... 275 8.2.1.1.4 Senzor de temperatur cu ieire unificat n curent ........... 278 8.2.2 Utilizarea resurselor unitii centrale de prelucrare ......................... 279 8.2.3 Etajele de ieire pentru comanda elementelor de execuie .............. 283 8.3 Software de analiz a rezultatelor ........................................................... 286 8.3.1 Implementarea analizorului PROTERM.......................................... 288 8.4 Listingul aplicaiei de msurare i control a temperaturii....................... 289 9. Implementarea hardware-software a unui instrument de vizualizare a semnalelor (EASY SCOPE).............................................................................. 299 9.1 Descrierea funcional a osciloscopului digital EASY SCOPE ............. 299 9.2 Prezentarea circuitului PIC16C71 (Microchip) ...................................... 303 9.2.1 Descriere general a PIC16C71 ....................................................... 304 9.2.2 Prezentare architectural .................................................................. 306 9.2.2.1 Ceasul de sistem / Ciclul instruciune ....................................... 308 9.2.2.2 Fluxul de execuie al instruciunii / Pipeline-ing ...................... 308 9.2.3 Organizarea memoriei de program (Program Memory) .................. 309 9.2.4 Organizarea memoriei de date (Data Memory) ............................... 310 9.2.4.1 Registrul STATUS .................................................................... 310 9.2.5 Porturi I/O ........................................................................................ 312 9.2.5.1 Registrele PORTA i TRISA .................................................... 312 9.2.5.2 Registrele PORTB i TRISB..................................................... 313 9.2.6 Consideraii de programare I/O........................................................ 315 9.2.6.1 Porturi I/O bidirecionale .......................................................... 315 9.2.6.2 Operaii succesive asupra porturilor I/O ................................... 316 9.2.7 Modulul de conversie analog-digital.............................................. 316 9.2.7.1 Specificaii pentru achiziia A/D............................................... 3194 SISTEME INTELIGENTE HARDWARE-SOFTWARE DE MSURARE I CONTROL

ELECTRONIC APLICAT

9.2.7.2 Particulariti de utilizare a circuitului de conversie analogdigital a microcontroller-ului PIC16C71............................................. 320 9.3 Caracteristici constructive. Testare i calibrare EASY SCOPE ............. 327 9.4 Descrierea meniului aplicaiei EASY SCOPE........................................ 329 9.5 Codul surs n limbaj de asamblare al microcontroller-ului PIC16C71 pentru osciloscopul digital EASY SCOPE ................................................... 331 9.6 Codul surs n limbaj C pentru osciloscopul digital EASY SCOPE ...... 338 10. Traductor inteligent pentru msurarea nivelului......................................... 349 10.1 Prezentarea hardware a traductorului inteligent de nivel...................... 350 10.2 Programul de aplicaii NIV.ASM ......................................................... 354 10.2.1 Descrierea programului de aplicatie NIV.ASM............................. 356 10.2.1.1 Seciunea de iniializare i declarativ .................................... 356 10.2.1.2 Seciunea de programare a parametrilor de funcionare ......... 358 10.2.1.3 Seciunea de msurare propriu-zis ........................................ 361 10.3 Programul de aplicaii NIVOK.ASM.................................................... 366 10.3.1 Seciunea de iniializare i declarativ ........................................... 366 10.3.2 Seciunea de calibrare a generatorului de curent ........................... 366 10.3.3 Seciunea de programare a parametrilor de funcionare ................ 367 10.3.4 Seciunea de msurare propriu-zis ............................................... 369 10.4 Listingul programului de aplicaie NIVOK.ASM................................. 372

SISTEME INTELIGENTE HARDWARE-SOFTWARE DE MSURARE I CONTROL

5

ELECTRONIC APLICAT

6

SISTEME INTELIGENTE HARDWARE-SOFTWARE DE MSURARE I CONTROL

ELECTRONIC APLICAT

1. ELEMENTE INTRODUCTIVE REFERITOARE LA CONDUCEREA PROCESELOR INDUSTRIALE DIN PERSPECTIVA SISTEMELOR INTELIGENTE HARDWARE-SOFTWARE DE MSURARE I CONTROL1.1 INTRODUCERESugestiv, conducerea proceselor industriale, poate fi reprezentat printr-o piramid mprit pe mai multe niveluri (fig. 1.1). Supravegherea se gsete n piramida conducerii proceselor pe nivelul al treilea, alturi de conducerea procesului, ceea ce arat c, practic, ele nu pot fi separate.

Gestiune Supervizare Optimizare Supraveghere i conducere Controlul Procesului Achiziii i Acionri

Fig. 1.1 Nivelurile de conducere a proceselor industriale. Domeniul supravegherii proceselor industriale este destul de vast. Acesta conine aplicaii ncepnd cu simpla achiziie de date i pn la prelucrri foarte complexe: analize statistice; gestiunea elaborrii alarmelor; ghid operator; supravegherea aciunilor de conducere ale operatorilor; identificri de parametri i simulri; supravegherea dinamic a rspunsului procesului, etc. La baza piramidei se situaz operaiunile de achiziie din proces a mrimilor de intrare i de transmitere ctre procesul supravegheat a comenzilor de acionare. Funciile de baz ale unei aplicaii de supraveghere a unui proces sunt: comunicaia cu procesul;SISTEME INTELIGENTE HARDWARE-SOFTWARE DE MSURARE I CONTROL 1

ELEMENTE INTRODUCTIVE DESPRE CONDUCEREA PROCESELOR INDUSTRIALE

semnalizarea; comunicaia cu programele utilizate pentru prelucrarea datelor; interfaarea om-main; gestiunea alarmelor; gestiunea rapoartelor. Conceptul de aplicaie n timp real poate fi definit astfel: Aplicaia n timp real, este acea aplicaie care realizeaz un sistem informatic al crui comportament este condiionat de evoluia dinamic a strii procesului la care este conectat. Acest sistem informaional este menit s urmreasc sau s conduc procesul, respectnd condiiile de timp stabilite. Deci, timpul real este o noiune care marcheaz de fapt conceptul de timp de reacie relativ la dinamica procesului pe care sistemul informatic l conduce (supraveghez). Supravegherea n timp timp real a unui proces este o etap necesar pentru trecerea la pasul urmtor: conducerea procesului.

Operator

SISTEM DE CALCUL N TIMP REAL

Generare rapoarte, semnalizri, alarmri

Calcule conform unor strategii de conducere

Comenzi

Baz de date reea

Actualizare baz de date din reea

Ceas de timp real

Culegere de date din reea

REEA

ELECTRIC

Fig. 1.2 Schema unui sistem de achiziie i calcul, n timp real, pentru supravegherea unei reele electrice. Un sistem n timp real este sistemul de automatizare complex cu ajutorul calculatorului a unor probleme de decizie, mai ales cu caracter operativ, n care timpul de rspuns este suficient de redus pentru a putea influena n mod2 SISTEME INTELIGENTE HARDWARE-SOFTWARE DE MSURARE I CONTROL

ELECTRONIC APLICAT

semnificativ i pozitiv evoluia obiectivului condus. n fig. 1.2 este prezentat schema simplificat a unui sistem de achiziie i prelucrare a datelor n timp real, destinat supravegherii proceselor dintr-o reea electric, care realizeaz: culegerea de date; actualizarea bazei de date; calcule conform unor strategii de conducere; supravegherea i corectarea on-line a regimului. Un sistem de achiziie de date i control a unui proces industrial, asociat cu un microsistem de calcul, se comport ca un sistem inteligent (care poate lua decizii bazate pe informaii anterioare, prelucreaz informaia, efectueaz calcule, dup care, pe baza rezultatelor obinute, adopt o decizie, din mai multe soluii posibile). Sistemele de achiziie de date asociate cu microsistemele de calcul, n timp real, au ca principale avantaje: flexibilitatea i adaptabilitatea la o mare varietate de situaii; creterea gradului de automatizare al unor operaii; mrirea preciziei msurtorilor; fiabilitate bun (numr redus de componente, posibilitatea de autotestare datorit programelor ncorporate); miniaturizarea echipamentelor; posibilitatea prelucrrii complexe a datelor din proces; simplificarea proiectrii electrice i tehnologice datorit existenei familiilor de componente ce permit interconectri standard.

SISTEME INTELIGENTE HARDWARE-SOFTWARE DE MSURARE I CONTROL

3

ELEMENTE INTRODUCTIVE DESPRE CONDUCEREA PROCESELOR INDUSTRIALE

4

SISTEME INTELIGENTE HARDWARE-SOFTWARE DE MSURARE I CONTROL

ELECTRONIC APLICAT

2. SISTEME DE ACHIZIIE I PRELUCRARE A DATELOR2.1 NOIUNI GENERALECa rezultat al rspndirii pe scar larg, n ultimul timp, a calculatoarelor personale i a perfecionrii lor continue, marile firme productoare de sisteme de msurare au cutat s realizeze echipamente care s utilizeze calculatorul personal pentru: achiziia de date din sistemele industriale; reglajul i supravegherea unor parametri sau instalaii (procese); realizarea unor aparate de msurare cu performane ridicate. n prezent, resursele calculatorului personal sunt utilizate pentru a efectua sarcini cum ar fi: comanda, gestiunea, prelucrarea i afiarea datelor care altfel ar fi preluate de un microprocesor, plasat n interiorul instrumentului. Instrumentul de msurare comunic cu PC-ul prin intermediul unei interfee care are n mod obligatoriu un convertor analog-digital. Instrumentul de msurare poate fi redus la o simpl cartel de achiziii de date pentru msurtori. n momentul de fa, prin intermediul tastaturii calculatorului se poate comanda instrumentul de msurare, iar pe display pot fi vizualizate rezultatele msurtorilor, sub form numeric sau sub form grafic. Aceste rezultate apar ca urmare a prelucrrii datelor brute obinute de la instrumentul de msurare de ctre calculator, la cererea utilizatorului. De aici, rezult aparate cu pre de cost mult mai sczut.

2.2 SISTEME DE ACHIZIII DE DATE. ARHITECTUR. PRINCIPALELE TIPURI DE RESURSE UTILIZATE N CADRUL SISTEMELOR DE ACHIZIII DE DATEUn sistem de achiziie de date cu n canale de intrare poate fi realizat n urmtoarele trei configuraii: sistem cu multiplexare temporal; sistem cu achiziie sincron de date; sistem rapid de achiziie de date. Un sistem de achiziie de date utilizat pentru achiziia i prelucrarea datelor ntr-un sistem (fig. 2.1) este compus din urmtoarele module funcionale principale: 1. convertoare de intrare;SISTEME INTELIGENTE HARDWARE-SOFTWARE DE MSURARE I CONTROL 5

SISTEME DE ACHIZIIE I PRELUCRARE A DATELOR

2. circuite de multiplexare analogic; 3. circuite de eantionare-memorare (E/M); 4. circuite pentru conversia datelor - convertoare analog-digitale (CA/D) i digital-analogice (CD/A); 5. registre tampon (buffer-e); 6. unitatea central de prelucrare (P); 7. interfaa de interconectare cu calculatorul personal.MAGISTRALA DE CONTROL MAGISTRALA DE DATE MAGISTRALA DE ADRESE

Decodificator

Comenzi

Comenzi

Adrese

Adrese

Date

Selecie

Comenzi

Date

Comenzi

Adrese

Date

Selecie

Date

Adrese

Microprocesor P Ceas

Memorii ROM

Memorii RAM Adres canal

Circuit interfa paralel

Comand E/M 1 Alte canale Date Semnal de studiat Etaj adaptare Selecii Multiplexor analogic Circuit eantionarememorare

Convertor analog-digital

Fig. 2.1 Structura general a unui sistem de achiziii de date. n continuare vor fi prezentate aspectele eseniale, parametrii caracteristici i vor fi enumerate recomandri de proiectare ale acestor componente de baz din cadrul sistemelor de achiziii de date.

2.2.1 MULTIPLEXOARE ANALOGICE UTILIZATE N SISTEME DE ACHIZIII DE DATEn multe situaii este necesar s fie transmise mai multe informaii pe acelai canal; cum acest lucru nu se poate face simultan, se recurge la o partajare n timp a canalului, denumit multiplexare. Operaia invers se numete6 SISTEME INTELIGENTE HARDWARE-SOFTWARE DE MSURARE I CONTROL

START

EOC

Sfrit conversie Start conversie

Selecie

ELECTRONIC APLICAT

demultiplexare. Operaia de multiplexare/demultiplexare analogic necesit dispozitive de comutare care s direcioneze semnalul util pe un canal dorit. n varianta sa cea mai simpl, un multiplexor analogic poate fi asimilat cu un comutator rotativ cu k = 2 n poziii sau cu un ansamblu de k = 2 n comutatoare, dintre care numai unul este nchis, n timp ce toate celelalte sunt deschise, comandat de un sistem logic care permite cuplarea uneia din intrri la ieire (fig. 2.2). Deoarece comutatoarele sunt bilaterale, rezult c un multiplexor analogic poate fi utilizat i ca demultiplexor analogic, prin simpla schimbare a sensului.

0 1 Intrri analogicen

Aplicaie _ Ieire +

2

2 -1

Adrese

Registru

Decodificator

Activare

Fig. 2.2 Structura unui multiplexor analogic.

Parametrii multiplexoarelor/demultiplexoarelor analogice sunt: rezistena n starea deschis (off): R off [M]; rezistena n starea nchis (on): R on []; curentul de pierderi n starea deschis: I off [nA, A, mA]; timpul de comutare direct (nchidere): t on [ns, s]. Este definit ca intervalul de timp de la aplicarea comenzii de nchidere pn ce semnalul de ieire atinge o valoare egal cu cea de la intrare (cu o precizie impus, de exemplu 1%); timpul de comutare invers (deschidere): t off [ns, s]. Este definit ca intervalul de timp de la aplicarea comenzii de deschidere pn la reducerea curentului la valoarea curentului de pierderi, I off , la valoarea specificat n catalog; banda de frecvene: B . Multiplexorul analogic permite utilizarea unui singur convertor analogdigital pentru mai multe canale analogice de intrare (sisteme de achiziii de date cu multiplexare temporal). Utilizarea multiplexoarelor reprezint o soluie economic viabil i n cazul semnalelor de intrare de nivel redus, pentru careSISTEME INTELIGENTE HARDWARE-SOFTWARE DE MSURARE I CONTROL 7

SISTEME DE ACHIZIIE I PRELUCRARE A DATELOR

multiplexarea se realizeaz cu costuri ridicate. Elementul principal al multiplexoarelor analogice l constituie elementul de comutare, care poate fi realizat n mai multe variante constructive: cu relee obinuite; cu relee cu mercur; cu relee reed; cu elemente semiconductoare (tranzistoare bipolare, diode Schottky, tranzistoare TEC-J, tranzistoare CMOS). Primele trei variante constructive, utiliznd elemente electromecanice, conduc la investiii iniiale reduse, compensate ns de costuri ridicate de exploatare, fiabilitate i durat de funcionare reduse. De aceea, utilizarea lor este recomandabil doar n situaiile n care este nevoie s fie mutiplexate semnale cu nivele mari. Fiecare tip constructiv de multiplexoare analogice, realizat cu elemente semiconductoare, sunt caracterizate de unele performane notabile, dar i de incoveniente mai mult sau mai puin surmontabile. Astfel: comutatoarele cu diode rapide au timp de comutaie de valori foarte reduse (1 ns), ns rezistenele reziduale (n stare nchis, respectiv deschis) R on i R off au valori neperformante, n comparaie cu alte tipuri; comutatoarele cu tranzistoare bipolare au timpi de comutaie mici i rezistene reziduale R on de valori reduse, necesit cureni de comand importani, dar R off are o valoare relativ mic, ceea ce conduce la o transparen mare a comutatorului; comutatoarele cu tranzistoare cu efect de cmp TEC-J au rezistena R on de ordinul zecilor de ohmi, timpi de comutaie medii, ns necesit circuite de comand complicate (translatoare de nivel pentru compatibilizarea comenzilor); comutatoarele cu tranzistoare complementare CMOS sunt cele mai avantajoase i cele mai folosite. Ele sunt caracterizate prin timpi de comutaie satisfctori, rezistena R on de valoare relativ mic i R off de valoare ridicat. n acelai timp ele pot fi comandate foarte simplu, iar transparena crete doar la frecvene nalte (10 5 10 8 Hz). n prezent, datorit evoluiei explozive a tehnologiei dispozitivelor semiconductoare CMOS, au fost realizate multiplexoare analogice ce pot fi direct interfaate cu un microprocesor. Acestea dispun de un registru ce poate memora adresa de canal prin executarea unei instruciuni de scriere la adresa specific alocat multiplexorului. De asemenea, majoritatea multiplexoarelor analogice realizate n tehnologie CMOS sunt caracterizate de protecia dispozitivului la aplicarea unor supratensiuni pe intrri, cu valori de 5-6 ori mai mari dect semnalele manipulate n funcionare normal. Proteciile sunt active8 SISTEME INTELIGENTE HARDWARE-SOFTWARE DE MSURARE I CONTROL

ELECTRONIC APLICAT

pentru canale n stare on sau off n cazul dispozitivelor n stare de funcionare (alimentate), i chiar pentru circuite nealimentate. Un canal deschis, cruia i se aplic o supratensiune, este comutat automat n stare off, realiznd protecia etajelor electronice conectate la ieirea multiplexorului. Un exemplu tipic de astfel de multiplexor analogic interfaabil i cu protecie la aplicarea de supratensiuni accidentale pe intrri este circuitul MAX368, produs de firma Maxim.

2.2.2 CIRCUITE DE EANTIONARE-MEMORARE UTILIZATE N SISTEME DE ACHIZIII DE DATEUn circuit de eantionare-memorare realizeaz prelevarea, la un moment dat, a valorii unui semnal analogic i memorarea analogic a acesteia (fig. 2.3a). n modul de lucru eantionare (sau urmrire), determinat de nivelul logic 1 al semnalului de comand E/ M , circuitul de eantionare-memorare funcioneaz ca repetor. n modul de lucru memorare (sau meninere), determinat de nivelul logic 0 al semnalului de comand E/ M , circuitul de eantionare-memorare funcioneaz ca o memorie analogic, memornd la bornele unei capaciti semnalul de intrare eantionat anterior (fig. 2.3b). Circuitele de eantionare-memorare se utilizeaz n sistemele de achiziie i distribuie de date. Astfel, ntr-un sistem de achiziii de date, ieirea circuitului de eantionare-memorare este conectat la intrarea convertorului analog-digital (CA/D). n intervalul corespunztor efecturii unei conversii analog-numerice, circuitul de eantionare-memorare este comandat n stare de memorare pentru a menine constant tensiunea la intrarea convertorului analog-digital. Se obine astfel mrirea valorii limitei superioare a domeniului de frecvene ale semnalului de intrare pentru care CA/D poate fi utilizat la rezoluia maxim (specificat de numrul de bii ai rezultatului conversiei). Acest deziderat este realizat dac tensiunea de la intrarea convertorului analog-digital nu se modific, pe durata efecturii conversiei, cu mai mult de 1/2 LSB. n sistemele de distribuie a datelor, circuitele de eantionare-memorare sunt utilizate pentru reconstituirea semnalelor multiplexate n timp. Circuitele de eantionare-memorare sunt caracterizate de o serie de parametri (fig. 2.4), grupai n mai multe caracteristici: caracteristici de urmrire (fig. 2.4a): eroarea staionar - reprezint abaterea de la amplificarea unitar sau de la cea specificat prin datele de catalog;

SISTEME INTELIGENTE HARDWARE-SOFTWARE DE MSURARE I CONTROL

9

SISTEME DE ACHIZIIE I PRELUCRARE A DATELOR

Ui , Ue

Ue Ui

Ui

Circuit de eantionarememorare E/M

Ue

t1 t2 t3 Eantionare Memorare

t

a) structur funcional

b) operaia de eantionare-memorare

Fig. 2.3 Circuit de eantionare-memorare.

eroarea de decalaj - reprezint valoarea ieirii pentru o tensiune de intrare nul;Eroare staionar

Intrare Ieire Eroare de decalaj

Eroare de decalaj

Intrare Ieire

Ieire ideal

Timp de stabilire

Eantionare (E) Memorare (M)

Timp de apertur

Timp de stabilire

a) caracteristici de urmrire

b) caracteristici de tranziie E/MTimpi de stabilire Intrare

Intrare Cdere Ieire ideal Ieire

Ieire Timp de achiziie Eantionare (E) Memorare (M)

Ptrundere

c) caracteristici de memorare

d) caracteristici de tranziie M/E

Fig. 2.4 Erori ale circuitelor de eantionare-memorare.

timpul de stabilire - reprezint intervalul de timp necesar pentru10 SISTEME INTELIGENTE HARDWARE-SOFTWARE DE MSURARE I CONTROL

ELECTRONIC APLICAT

atingerea valorii dorite a ieirii, cu o toleran maxim specificat; caracteristici de tranziie eantionare-memorare (fig. 2.4b): timpul de apertur - reprezint intervalul de timp dintre comanda de memorare i momentul efectiv al comutrii circuitului n regim de memorare; incertitudinea timpului de apertur - reprezint variaia timpului de deschidere a comutatorului regimului de eantionare-memorare, dup primirea comenzii de memorare; eroarea de decalaj la memorare - este determinat, n principal, de comutarea trzie a circuitului de memorare i a regimului tranzitoriu de ncrcare a condensatorului de memorare; caracteristici de memorare (fig. 2.4c): cderea - reprezint tendina de scdere a nivelului de la ieire fa de cel ideal, datorit descrcrii condensatorului de memorare; ptrunderea - caracterizeaz influena intrrii asupra ieirii, datorat imperfeciunilor circuitelor de comutare analogic; caracteristici de comutare memorare-eantionare (fig. 2.4d): timpul de achiziie - reprezint intervalul minim necesar de eantionare, pentru a se obine o tensiune de ieire dorit, egal cu semnalul aplicat la intrare cu o toleran dat. cest parametru depinde aproape liniar de valoarea capacitii de memorare; timpul de stabilire la tranziia memorare-eantionare - reprezint intervalul de timp dintre comutarea propriu-zis i atingerea unei valori a ieirii corespunztoare intrrii, cu o toleran maxim specificat. Uzual, n cadrul sistemelor de achiziii de date sunt utilizate: circuite de eantionare-memorare n bucl de reacie; circuite de eantionare-memorare cu integrare. n timpul operaiei de eantionare, bucla de reacie negativ din fig. 2.5 permite eliminarea erorii de mod comun i a erorii de offset, ieirea fiind forat s urmreasc intrarea. Ca efect, tensiunea la bornele capacitii de memorare C, pe durata ct comutatorul K este nchis, este egal cu: A (2.1) Ue = Ui A 1 n care A reprezint amplificarea n bucl deschis a amplificatorului operaional A1(de valoare foarte mare). Se obine astfel egalitatea ntre Ue i Ui. Precizia ridicat este obinut n detrimentul rapiditii, deoarece pe durata regimului de memorare amplificatorul A1 este saturat, ntoarcerea la funcionarea liniar, pentru operaia de eantionare, determin creterea timpului de achiziie, care poate atinge mai multe zeci de s.

SISTEME INTELIGENTE HARDWARE-SOFTWARE DE MSURARE I CONTROL

11

SISTEME DE ACHIZIIE I PRELUCRARE A DATELOR

_Ui(t) E/M A1

_K A(Ue-Ui) C A2

Ue(t)

+

+

Fig. 2.5 Circuit de eantionare-memorare cu bucl de reacie negativ.

n fig. 2.6 sunt prezentate dou variante de circuit de eantionarememorare cu integrare. n montajul din fig. 2.6a capacitatea de memorare C este izolat n raport cu masa circuitului, iar comutatorul K funcioneaz n comutaie de curent, comanda fiind simplificat. Ca i n cazul precedent, primul amplificator este saturat pe durata regimului de memorare. Evitarea saturrii ieirii amplificatorului A1 este ilustrat n schema din fig. 2.6b.R

_Ui(t) E/M

K A1

_ +

C A2 Ue(t)Ui(t) E/M

_A1

R

K

_ +

C A2 Ue(t)

+

+

a)

b)

Fig. 2.6 Circuite de eantionare-memorare cu integrare.

n tabelul 2.1 sunt prezentate cteva tipuri de circuite de eantionare i memorare, produse de firme cum ar fi: Analog Devices, National, Burr-Brown i Datel-Intersil. Circuitele de eantionare-memorare disponibile la momentul actual acoper o palet larg i divers din punct de vedere al performanelor, la cele dou extreme aflndu-se, pe de o parte, circuitele de eantionare-memorare rapide, dar cu o exactitate sczut, respectiv cele lente, dar cu exactitate bun n ceea ce privete deriva, decalajul etc. Aplicaiile ce necesit utilizarea circuitelor de eantionare-memorare acoper i ele o palet larg de frecvene i viteze de variaie a semnalelor de eantionat. n general, semnalele rapid variabile nu necesit o precizie deosebit, din aceast cauz, n regim tranzitoriu, viteza constituie parametrul principal, ceea ce nseamn timpi de achiziie i de stabilire mici. O situaie mai dificil este atunci cnd se cere o vitez ridicat de eantionare i, n acelai timp, o precizie bun.

12

SISTEME INTELIGENTE HARDWARE-SOFTWARE DE MSURARE I CONTROL

ELECTRONIC APLICAT

Tabelul 2.1 Principalele caracteristici ale unor circuite de eantionare i memorareTipulAD582 AD583 LF398 SHC298 AD346 SHC85 HTS0025

Timpul Timpul Timpul de Precizia de de achiziie apertur stabilire6 s 25 s 4 s 5 s 4 s 6 s 9 s 10 s 2 s 4 s 20 ns 0,10 % 0,01 % 0,10 % 0,01 % 0,10 % 0,01 % 0,10 % 0,01 % 0,01 % 0,01 % 0,01 % 150 ns 50 ns 150 ns 200 ns 60 ns 25 ns 20 ns 0,5 s 0,8 s 1,5 s 0,5 s 0,5 s 30 ns

Tehnologie; Particularitimonolitic, uz comun monolitic, rapid monolitic, uz comun monolitic, uz comun hibrid, condensator de memorare intern hibrid, condensator de memorare intern, timp ridicat de reinere a tensiunii hibrid, extrem de rapid

Pentru semnale caracterizate printr-o vitez de variaie mai sczut, se aleg circuite de eantionare-memorare cu performane satisfctoare de vitez, dar cu performane bune n ceea ce privete dispersia la deschidere, deriva de zero i rata de descrcare a condensatorului de memorare.R

R Ui(t)

K

_E M A

C

+

Ue(t)

E M

Circuit de comand

Fig. 2.7 Circuit de eantionare memorare cu blocare.

Pentru memorarea valorilor semnalelor, n vederea conversiei analogdigitale, cea mai des utilizat metod de eantionare este eantionarea prin blocare. n aceeast metod, valoarea semnalului este memorat din primulSISTEME INTELIGENTE HARDWARE-SOFTWARE DE MSURARE I CONTROL 13

SISTEME DE ACHIZIIE I PRELUCRARE A DATELOR

moment al eantionrii. Un exemplu de circuit care utilizeaz aceast metod de eantionare, este circuitul de eantionare-memorare cu integrare, varianta inversoare, a crui schem funcional este prezentat n fig. 2.7.

2.2.3 CIRCUITE PENTRU CONVERSIA DATELOR UTILIZATE N SISTEME DE ACHIZIII DE DATE: CONVERTOARE ANALOG-DIGITALE I DIGITALANALOGICEConversia datelor reprezint principala operaie realizat n cadrul sistemelor de achiziie i reprezint transformarea semnalelor din form analogic n form digital sau invers. Convertorul analog-digital reprezint componenta principal a oricrui sistem de achiziii de date. Acesta realizeaz transformarea tensiunii analogice de la intrare ntr-un cod numeric binar (fig. 2.8a). Acest rezultat reprezint cea mai bun aproximaie numeric a tensiunii de la intrare. Msura acestei aproximaii este reprezentat de numrul de bii ai rezultatului conversiei. ntr-un sens mai larg, procesul de conversie analog-digital poate fi considerat ca o plasare a mrimii de intrare ntr-un interval de cuantizare, obinut prin divizarea intervalului de variaie a acesteia ntr-un numr de clase egale. Atunci cnd mrimea exprimat numeric la intrare este transformat n mrime analogic la ieire se realizeaz o conversie digital-analogic (fig. 2.8c).Cod 7/8 Semnal de ieire al CA/DUref

111 110 101 100 011 010 001 000 1 1 3 1 5 3 8 4 8 2 8 4 Semnal analogic de intrare 7 8 Ui

3/4 5/8 1/2 3/8 1/4 1/8 0

Ui

n CA/D Ieire numeric

Niveluri 0 cuantificate (Ui /Uref)

a) structura funcional a CA/D

b) caracteristica de transfer ideal a CA/D

14

SISTEME INTELIGENTE HARDWARE-SOFTWARE DE MSURARE I CONTROL

ELECTRONIC APLICATU0 7/8U ref Semnal analogic de ieireUref

6/8U ref 5/8U ref 4/8U ref 3/8U ref 2/8U ref 1/8U ref 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 Semnal digital de intrare 1 1 1 Cod

n CD/A Intrare numeric

U0

c) structura funcional a CD/A

d) caracteristica de transfer ideal a CD/A

Fig. 2.8 Convertoare analog-digitale i digital analogice: reprezentare funcional i caracteristic ideal de transfer.

Circuitele de conversie a datelor utilizate n cadrul sistemelor de achiziii de date sunt caracterizate printr-o serie de parametri, cum ar fi: gama de variaie a intrrii (pentru CA/D) sau a ieirii (pentru CD/A)(domeniul de lucru), reprezentnd domeniul maxim de variaie a mrimii analogice (de obicei tensiune) i exprimat n uniti absolute (V, mV, mA) sau relative (dB); caracteristica de transfer, reprezentnd dependena mrimii de la ieirea convertorului fa de mrimea de intrare; pentru un convertor analog-digital caracteristica de transfer ideal este o funcie scar (fig. 2.8b) iar pentru un convertor digital-analogic este un set de puncte dispuse pe o dreapt (fig. 2.8d); rezoluia reprezint numrul total de coduri distincte de ieire ale convertorului analog-digital, respectiv numrul total de nivele de ieire pentru un convertor digital-analogic. Uzual, rezoluia se exprim n bii, n procente din valoarea domeniului de lucru, sau n numr de nivele de cuantificare (CA/D) sau de ieire (CD/A). Rezoluia teoretic a unui convertor de N bii este 2 N ; rezoluia real poate fi ns mai mic, datorit erorilor. Acest parametru important al convertoarelor se determin ca reprezentnd valoarea variaiei minime a mrimii de intrare ce provoac modificarea a dou coduri consecutive de ieire (CA/D), respectiv valoarea variaiei minime a mrimii analogice de la 1 ieire (CD/A). Rezoluia poate fi prezentat ca fiind N din domeniul 2 de lucru.SISTEME INTELIGENTE HARDWARE-SOFTWARE DE MSURARE I CONTROL 15

SISTEME DE ACHIZIIE I PRELUCRARE A DATELOR

Acest parametru nu trebuie considerat ca o performan specific a convertorului, ci un parametru de proiectare. Plecnd de la o aplicaie concret, pentru care se impune prelevarea unei mrimi cu o precizie dat, se poate determina rezoluia minim a convertorului ce va fi folosit; timpul de stabilire caracterizeaz viteza de rspuns a circuitului i reprezint timpul scurs ntre aplicarea unui semnal de intrare de tip treapt ideal i pn la obinerea ieirii dorite cu o aproximaie specificat (de regul 1/2 LSB) (fig. 2.9). Timpul de stabilire include mai multe intervale de timp specifice, cum ar fi: timpul de propagare t p (pn la nceperea unui efect observabil la ieire), timpul de cretere t c (pn la prima atingere a nivelului de ieire dorit), timpul de restabilire t r (dup supracreterea ieirii) i timpul de relaxare liniar t a (amortizarea eventualului rspuns oscilant). Este un parametru specific convertoarelor digital-analogice i se exprim n uniti de timp, indicnd i limitele intervalului de aproximaie n jurul ieirii specificate; timpul de conversie, t CONV , reprezint intervalul de timp necesar unui convertor s obin mrimea de ieire pornind de la o mrime de intrare dat (timpul necesar obinerii codului numeric de ieire corespunztor mrimii analogice de intrare). Variaia tensiunii de intrare, pe parcursul procesului de conversie, introduce o eroare n valoarea semnalului de ieire. n cazul convertoarelor digital-analogice acest timp poate fi considerat a fi chiar timpul de stabilire; timpul de revenire (relaxare), t rev , reprezint timpul necesar unui convertor pentru a putea opera din nou corect; rata de conversie este o msur a vitezei convertorului i este definit de inversul sumei timpilor de conversie i de revenire: 1 R CONV = (2.2) t CONV + t rev n majoritatea situaiilor, timpul de revenire este mult mai mic dect timpul de conversie, astfel nct rata de conversie poate fi aproximat doar ca invers al timpului de conversie. n cazul convertoarelor rapide i foarte rapide, timpul de revenire trebuie luat n calcul pentru estimarea ratei de conversie; timpul de conversie pe bit este timpul echivalent de generare a unui bit (parametru caracteristic pentru convertoare analog-digitale secveniale); viteza de variaie a ieirii (SR Slew-Rate) a unui convertor D/A reprezint o caracterizare a intervalului de timp necesar ieirii s

16

SISTEME INTELIGENTE HARDWARE-SOFTWARE DE MSURARE I CONTROL

ELECTRONIC APLICAT

execute excursia maxim n cadrul domeniului de variaie. Conversia analog-digital este caracterizat n sine prin eroarea de +1/2 LSB cuantizare. Datorit formei caracteU0 -1/2 LSB risticii de transfer (n scar), a codificrii unice a unui ntreg interval SR de cuantizare, apare o incertitudine de 1/2 LSB, nul la mijlocul intervalului i maxim la ambele capete. t Influena erorii de cuantizare poate fi tp tc ta diminuat prin mrirea numrului de tr bii ai codului de ieire a converTimp de stabilire torului. Fiecare cuant (mrime a Fig. 2.9 Timpul de stabilire. intervalului) a unei astfel de divizri reprezint o valoare a mrimii analogice, pe care se disting nivelurile semnalului de intrare, prezentate prin dou combinaii de coduri nvecinate. Aceast cuant poart denumirea de bitul cel mai puin semnificativ (LSB). Astfel: U q = LSB = i max N (2.3) 2 unde: q este cuanta, iar U i max gama de variaie a semnalului analogic de intrare. Caracteristicile reale ale circuitelor de conversie a datelor pot diferi de caracteristicile sale ideale (fig. 2.10). Caracteristica de transfer a convertorului analog-digital poate fi translatat n raport cu cea ideal (fig 2.10a). Aceast eroare se numete eroare de decalaj (offset) i se poate pune n eviden aplicnd la intrare o mrime nul i msurnd ieirea. Eroarea determinat de modificarea pantei caracteristicii de transfer reale fa de cea ideal, eroarea iniial fiind nul, se numete eroare de amplificare (de gam) (fig. 2.10b). Pentru majoritatea CA/D erorile de decalaj i de amplificare sunt mici i pot fi complet eliminate prin reglaj prealabil. Mai dificil de eliminat sunt erorile legate de neliniaritatea caracteristicilor de transfer, care nu pot fi nlturate prin reglare prealabil. Convertoarele analog-digitale sunt caracterizate de dou tipuri de neliniariti: cea integral, respectiv cea diferenial: neliniaritatea integral definete gradul n care caracteristica de transfer a unui convertor se abate de la forma teoretic (ideal) de dreapt, considernd erori de decalaj i de amplificare nule (fig. 2.10c);Ieire

SISTEME INTELIGENTE HARDWARE-SOFTWARE DE MSURARE I CONTROL

17

SISTEME DE ACHIZIIE I PRELUCRARE A DATELOR

Semnal de ieire al CA/D

Eroarea de decalaj 0 Semnal analogic de intrare Ui max

Semnal de ieire al CA/D

Eroarea de amplificare

0 Semnal analogic de intrare

Ui max

a) eroarea de decalajNeliniaritatea integral

b) eroarea de amplificareNeliniaritatea diferenial

Semnal de ieire al CA/D

Semnal de ieire al CA/D

Codul omis (001)

Pasul de cuantizare neideal 0 Semnal analogic de intrare Ui max

0 Semnal analogic de intrare

Ui max

c) neliniaritatea integral

d) neliniaritatea diferenial

Fig. 2.10 Erorile convertoarelor analog-digitale.

neliniaritatea diferenial caracterizeaz uniformitatea intervalelor de cuantizare ale unui convertor analog-digital. Dac neliniaritatea diferenial depete 1 LSB, aceasta conduce la o comportare nemonoton a caracteristicii de transfer (n semnalul numeric de ieire poate lipsi una din combinaiile de cod - fig 2.10d). Neliniaritatea diferenial este afectat de metoda de conversie; ea tinde s fie maxim atunci cnd convertorul trece prin toate intervalele de cuantizare secvenial. Precizia reprezint capacitatea circuitelor de conversie de a respecta cu strictee caracteristica de transfer ideal, reflectnd capacitatea convertoarelor de18 SISTEME INTELIGENTE HARDWARE-SOFTWARE DE MSURARE I CONTROL

ELECTRONIC APLICAT

a nu fi afectate de erori sistematice i aleatoare. Precizia absolut caracterizeaz funcionarea unui convertor n ansamblu, reflectnd orice anomalie a caracteristicii de transfer. Precizia relativ este influenat doar de liniaritatea caracteristicii de transfer. Precizia total de conversie se realizeaz numai n cazul cnd aceast eroare nu depete rezoluia convertorului. Astfel, pentru un convertor cu rezoluia de N bii, caracterizat de timpul de conversie t CONV , este necesar ndeplinirea urmtoarei condiii: U i max dU i (2.4) N dt max 2 t CONV

2.2.3.1 CONVERTOARE DIGITAL-ANALOGICE. SCHEME DE PRINCIPIUConversia datelor presupune ca oricrei mrimi analogice s i se asocieze o reprezentare numeric corespunztoare; codurile utilizate pot fi ponderate sau neponderate, prezentnd avantajul unei exprimri naturale i compatibilitate cu circuitele de calcul numeric. n cazul unui cod ponderat, o cifr din cadrul unui numr are semnificaia valorii sale propriu-zise, ct i a ponderii datorate poziiei sale n cadrul numrului. Conversia digital-analogic presupune transformarea valorii i ponderii cifrelor numrului ntr-o mrime de ieire analogic corespunztoare (tensiune sau curent). Considernd un numr ntreg binar de N bii, de forma:

B N1B N2 ...B1B0 = Bi 2ii =0

N 1

(2.5)

ponderea cifrei Bi1 (ce ocup poziia i ncepnd cu LSB) este 2i1 ; aadar ponderea sa crete de la dreapta spre stnga de la valoarea 1 (ponderea LSB) la valoarea 2 N1 (ponderea MSB). Aceleai observaii sunt valabile i pentru un numr subunitar de N bii , de forma: B1B 2 ...B N1B N = Bi 2 ii =1 N

(2.6)

Procesul de conversie digital-analogic poate fi considerat similar cu procesul de transformare a unui numr din sistemul de numeraie binar n sistemul de numeraie zecimal: se asociaz fiecrei cifre binare 1 o anumit valoare a unei mrimi electrice care se nsumeaz ponderat conform rangului pe care l ocup n cadrul reprezentrii numerice. Deoarece ponderea cifrelor descrete cu factori de forma 2 i , o soluie simpl pentru realizarea operaiei de ponderare ar consta n utilizarea unor reele rezistive divizoare, cu mai multe noduri, avnd ntre noduri consecutive un raport de divizare de 1/2. MajoritateaSISTEME INTELIGENTE HARDWARE-SOFTWARE DE MSURARE I CONTROL 19

SISTEME DE ACHIZIIE I PRELUCRARE A DATELOR

convertoarelor digital-analogice moderne folosesc scheme cu sumare de cureni, care sunt mai stabile, mai rapide i mai uor de realizat. Schema bloc a unui astfel de convertor este prezentat n fig. 2.11.I Rr

_ +Interfa digital (numeric) N Reea de comutatoare Reea de rezistene U0

Referin de tensiune

Fig. 2.11 Schema bloc simplificat a unui convertor digital-analogic.

Interfaa digital (numeric) asigur compatibilitatea convertorului cu semnale TTL/CMOS i produce semnale de comand pentru o reea de comutatoare analogice. Aceste comutatoare controleaz curenii aplicai unei reele rezistive de precizie, care realizeaz ponderarea lor, pentru a obine, prin sumare, valoarea analogic corespunztoare. Valorile curenilor care circul prin reea sunt determinate de valorile rezistenelor ce compun reeaua i de mrimea (tensiune sau curent) de referin ce intr n compunearea convertorului. Ieirea poate fi constituit chiar de suma curenilor din reea sau de o tensiune obinut prin transformarea curent-tensiune. Convertorul prezentat anterior funcioneaz n permanen: la fiecare modificare a intrrii, ieirea reacioneaz corespunztor. Dac se dorete meninerea valorii analogice de ieire i n absena unei mrimi de intrare valide, se poate recurge la memorarea acesteia ntr-un registru ncrcat adecvat, doar la momentele de timp la care se dorete modificarea ieirii. Pentru implementarea convertoarelor digital-analogice, aa cum a fost precizat anterior, metoda consacrat const n utilizarea reelelor rezistive. Convertoarele digital-analogice cu reele ponderate binar (fig. 2.12a) conin un grup de rezistene de valori R i = 2i R, i = 1, N , conectate mpreun la una dintre extremiti. Numrul rezistenelor din reea este determinat de numrul de bii N ai cuvntului de intrare. Fiecare intrare logic, Bi , comand cte un comutator analogic, K i , ce conecteaz cte o rezisten a reelei la sursa de tensiune de referin, U ref , genernd un curent Ii . Tensiunea de ieire poate fi calculat conform relaiei: N U R N B U R N1 U 0 = R r Bi i ref = U ref r ii = ref r Bi 2i (2.7) 2 R R i=1 2 2 N R i =0 i =1SISTEME INTELIGENTE HARDWARE-SOFTWARE DE MSURARE I CONTROL

20

ELECTRONIC APLICAT

Expresia (2.7) arat c mrimea de ieire este o fraciune din mrimea de referin U ref i proporional cu numrul aplicat la intrare. Convertorul prezentat funcioneaz doar unipolar. Pentru o funcionare bipolar, schema se modific aducnd n nodul de sumare a curenilor un curent egal cu jumtate din valoarea corespunztoare captului de gam (fig. 2.12a cu linie punctat). Convertoarele digital-analogice bazate pe acest principiu se numesc i convertoare digital-analogice cu cureni ponderai, deoarece schema utilizeaz sumarea unor astfel de cureni. Simplitatea structurii prezentate n fig. 2.12a trebuie pus n balan cu inconvenientul major al stabilitii i preciziei. Deoarece legea de variaie a rezistenelor reelei este exponenial, la un numr mare de bii, valorile lor se distribuie pe un interval foarte mare. Acest lucru face dificil realizarea lor cu precizii ridicate i cu caracteristici de temperatur identice. Un alt tip de reele rezistive utilizate pe scar larg n construcia convertoarelor digital-analogice, ct i n alte circuite de instrumentaie (convertoare analog-digitale, amplificatoare i atenuatoare programabile, etc) sunt reelele rezisitve R-2R. Schema unei astfel de reele care permite o rezoluie de N bii (fig. 2.12b) prezint caracteristicile unei legri n cascad de divizoare cu 2, comandate fiecare de cte un bit al cuvntului de la intrare. Reeaua rezistiv conine rezistene de valoare R conectate n serie i rezistene de valoare 2R conectate n paralel. Fiecrui bit B i al cuvntului de intrare i este asociat cte un comutator cu dou poziii, care conecteaz terminalele rezistenelor 2R la mas ( Bi =0) sau la referin ( Bi =1). Comanda poate fi fcut n tensiune sau n curent. Rezistena de valoare 2R conectat n permanen la mas are rolul ca rezistena echivalent a circuitului msurat ntre bornele de ieire s fie ntotdeauna R.-Uref B1 B2 2R -I K1 K2 2 R I1 I 2 R I2N 2 1

Rr

_ +U0

BN Uref

KN

2 R IN

a) Convertor digital-analogic unipolar/bipolar cu reea ponderat binar.

SISTEME INTELIGENTE HARDWARE-SOFTWARE DE MSURARE I CONTROL

21

SISTEME DE ACHIZIIE I PRELUCRARE A DATELOR

N

R

N-1 R 2R K1

1 2R

R

U0

2R KN

2R KN-1

BN BN-1 B1 Uref

b) Structura reelei rezistive R-2R.Uref 1 R 2R K1 I1 K2 2 2R I2 KN R N 2R IN 2R

B1 B2 BN

I

Rr

_ +U0

c) Convertor digital-analogic cu reea R-2R inversat.

22

SISTEME INTELIGENTE HARDWARE-SOFTWARE DE MSURARE I CONTROL

ELECTRONIC APLICAT

B1 BN-1 BN I0 I0 I0

KN

KN-1 R N N-1 2R R

K1 Iout 1 2R 2R

2R

2R

d) Reea R-2R comandat cu generatoare de curent.Fig. 2.12 Principii de implementare ale convertoarelor digital-analogice.

n cazul structurii din fig. 2.12b, tensiunea de la ieire este descris prin relaia: N 1 N B U U 0 = U ref ii = ref Bi 2i (2.8) 2 N i =0 i =1 2 Reelele rezistive R-2R comandate n tensiune sunt simple i ieftine, dar au o liniaritate relativ redus datorit comportrii comutatoarelor analogice. Comutatoarele analogice CMOS au o rezisten R on variabil, dependent de tensiunea dren-surs a tranzistorului cu efect de cmp. Rezistenele comutatoarelor se sumeaz cu cele ale reelei, determinnd erori de neliniaritate prin modificarea factorilor de divizare de la o celul la cealalt. O variant a conversiei digital-analogice utilizeaz conexiunea invers, schimbnd rolul ieirii cu cel al intrrii (fig. 2.12c). n aceast situaie, comutatoarele se gsesc practic la acelai potenial, iar rezistenele reelei sunt U , i = 1, N , indiferent de parcurse de cureni de valori constante, de tip ref i 2 R poziia acestora. Valorile logice ale biilor cuvntului de intrare comand poziia comutatoarelor; acestea determin sumarea componentei i de curent n nodul de intrare al convertorului curent-tensiune sau conectarea acestei componente la mas. Dezavantajul major al acestei structuri este reprezentat de valorile relativ mari ale timpului de stabilire, datorate sumrii capacitilor parazite. Tensiunea de ieire a acestui tip de convertor digital-analogic este caracterizat de expresia (2.7). Reelele R-2R pot fi comandate direct n curent, folosind generatoare deSISTEME INTELIGENTE HARDWARE-SOFTWARE DE MSURARE I CONTROL 23

SISTEME DE ACHIZIIE I PRELUCRARE A DATELOR

curent comutate (fig. 2.12d). Aceast schem este frecvent utilizat n cadrul convertoarelor digital-analogice moderne, datorit performanelor sale de vitez. Din punct de vedere al interfarii convertoarelor digital-analogice n cadrul sistemelor de achiziii de date, trebuie remarcat c circuitele din prima generaie foloseau o interfa minimal cu circuitele numerice, cu rolul de adaptare a nivelelor logice de comand. Circuitele din generaiile recente conin integrate unul sau mai multe convertoare digital-analogice, registre de memorare a cuvntului numeric de intrare i o logic de comand. Aceste resurse permit interfaarea simpl i unitar cu microcontroller-e i microprocesoare a cror magistral de date difer ca dimensiune de lungimea cuvntului de comand, respectiv programarea convertoarelor multiple (fig. 2.13).Ctre CD/A N LDAC Registru CD/A N CS WR Registru de intrare N CLR

Ctre CD/A N LDAC Registru CD/A N CLR

Ctre CD/A_1 CSL DIN 12 Registru de deplasare (24 bii) Registru CD/A_1 12WR CSH

Registru de intrare LOW Registru de intrare HIGH8 8

SCLK

12 Registru CD/A_2 12 Ctre CD/A_28

CS LDAC

Fig. 2.13 Interfaarea convertoarelor digital-analogice cu magistrala unui microprocesor.

24

SISTEME INTELIGENTE HARDWARE-SOFTWARE DE MSURARE I CONTROL

ELECTRONIC APLICAT

Logica de comand permite memorarea intrii digitale sub forme diferite (12 bii - un singur ciclu de programare, 8+4 bii - dou cicluri de programare, intrare serial), precum i selectarea modului de lucru (ieire unipolar sau bipolar). O categorie aparte de convertoare digital-analogice o constituie circuitele de conversie cu transformare intermediar n timp. Aceste circuite folosesc transformarea mrimii numerice ntr-o mrime intermediar (durat sau frecven), ce produce ulterior mrimea de ieire analogic proporional printr-un procedeu oarecare (filtrare, transfer de sarcin i integrare, etc). n aceast categorie pot fi ncadrate convertoarele digital-analogice cu modulaie n durat a impulsurilor (coninute n structura majoritii microcontroller-elor moderne i putnd fi utilizate n aplicaii n care nu sunt necesare performane deosebite) i convertoarele digital-analogice cu transformare frecven-tensiune.

2.2.3.2 CONVERTOARE ANALOG-DIGITALE. SCHEME DE PRINCIPIUConvertorul analog-digital realizeaz transformarea mrimii analogice de la intrare ntr-o mrime numeric la ieire. Generaliznd, procesul de conversie analog-digital poate fi considerat ca o plasare a mrimii de intrare ntr-un interval de cuantizare, obinut prin divizarea intervalului de variaie a acesteia ntr-un numr de clase egale. Prima operaie definete aspectul temporal al conversiei, n timp ce a doua operaie definete chiar modul de obinere a echivalentului numeric al mrimii analogice. Convertoarele analog-digitale sunt realizate pe baza unor soluii principiale extrem de diverse, fiecare dintre acestea prezentnd att avantaje, ct i devavantaje. Pn n acest moment nu s-a gsit un principiu de funcionare care s asigure simultan obinerea ieftin de rezoluii mari, viteze ridicate, erori de neliniaritate foarte reduse, etc. De aceea, alegerea unui anumit tip de convertor analog-digital se face n funcie de cerinele aplicaiei, urmrind obinerea performanelor dorite cu efort material minim. Convertoare analog-digitale paralele. Ideea simpl a inversrii procedeului de conversie digital-analogic cu ponderarea controlat numeric a unei mrimi de referin, conduce la folosirea comparrii mrimii de intrare cu un ir de valori de referin (reprezentnd limitele intervalelor de cuantizare), pentru obinerea conversiei analog-digitale. Tensiunea de referin este aplicat unei reele rezistive de precizie, astfel nct fraciunea din tensiunea de referin aplicat intrrii inversoare a fiecrui comparator s fie cu un LSB mai mare dect cea aplicat comparatorului de pe rangul anterior. Comparatoarele realizeaz atribuirea mrimii de intrare (de pe intrrile neinversoare) unui interval de cuantizare; toate comparatoarele ale cror referin este mai micSISTEME INTELIGENTE HARDWARE-SOFTWARE DE MSURARE I CONTROL 25

SISTEME DE ACHIZIIE I PRELUCRARE A DATELOR

dect tensiunea de intrare produc un nivel logic 1 la ieire, celelalte comparatoare vor furniza la ieire nivele logice 0. Ieirile reelei de 2 N 1 comparatoare sunt aplicate unui codificator logic cu prioriti care are rolul de a furniza la ieire codul numeric dorit (fig. 2.14). Acest tip de convertor obine biii cuvntului de ieire simultan i independent de valoarea sau polaritatea intrrii; de aici, denumirea de convertor analog-digital paralel sau flash. Numrul mic de operaii, precum i simplitatea lor, determin viteza foarte ridicat a acestui tip de convertor. Principalul su dezavantaj const n rezoluia limitat, datorat creterii exponeniale a numrului de comparatoare odat cu creterea numrului de bii de ieire. Este utilizat n conversia rapid a semnalelor video (televiziune, radar), ct i ca subansamblu n implementarea altor tipuri de convertoare rapide.+Uref R

_R

_Ui R C2N-2

+ _R

Codificator de prioriti

+

(2 -1 nivele la N bii de ieire)

C2N-1

B0B1...BN-1

+

C1

-Uref

Fig. 2.14 Convertor analog-digital paralel (flash). Convertoare analog-digitale analog-seriale i digital-paralele. O alt soluie de obinere a unor convertoare rapide const n cascadarea unor celule elementare de conversie ce conin amplificatoare i comparatoare (fig. 2.15). Celula elementar (fig. 2.15a) conine dou amplificatoare difereniale cu amplificarea egal cu 2, ce produc ieiri cu tendine de variaii contrare; ieirile amplificatoarelor difereniale sunt selectate cu ajutorul unui multiplexor analogic comandat de ieirea unui comparator avnd tensiunea de prag egal cu jumtatea tensiunii de referin. Aceast tensiune de prag este obinut prin26 SISTEME INTELIGENTE HARDWARE-SOFTWARE DE MSURARE I CONTROL

N

ELECTRONIC APLICAT

divizarea cu 2 (cu ajutorul unui divizor rezistiv de precizie) a tensiunii de referin a convertorului. Caracteristica de tranfer a circuitului elementar este prezentat n fig. 2.15b. n aceste condiii, se poate preciza expresia ieirii analogice: 0 U i < U ref 2 2 U i , U0 = (2.9) 2 (U ref U i ), U ref 2 U i < U ref

i cea a ieirii logice: 0, 0 U i < U ref 2 B= (2.10) 1, U ref 2 U i < U ref Lanul de celule, realizat prin nserierea analogic, este prezentat n fig. 2.15c._A=2U0

+Ui +Uref R

0 1

U0

2Umax

Uref =Umax

_A=2

++Uref /2

Umax 0 1

_R C

B0 Umax /2 Umax Ui

+

a) Celula elementar de conversieB1

B2

b) Caracteristica de transferBN

Ui Uref

B Ui Uref U0 Ui

B Uref U0 Ui

B Uref U0

c) Cascadarea mai multor celule pentru obinerea cuvntului de ieireFig. 2.15 Convertor analog-digital analog-serial i digital-paralel.

La aplicarea semnalului analogic la intrarea lanului, acesta se va propaga rapid de la un etaj la altul producnd ntr-un timp foarte scurt ieiri stabile att pe liniile analogice, ct i pe cele digitale. Este necesar, ca pe durata conversiei, valoarea analogic aplicat la intrarea lanului s fie stabil. Acest dezideratSISTEME INTELIGENTE HARDWARE-SOFTWARE DE MSURARE I CONTROL 27

SISTEME DE ACHIZIIE I PRELUCRARE A DATELOR

poate fi realizat prin utilizarea unui circuit de eantionare-memorare. D41 Timpul complet de conversie este Clk3 determinat de ntrzierea global prin celulele lanului. Cu toate acestea, fiecare D31 D32 bit poate fi memorat imediat ce este Clk2 obinut, astfel nct o nou conversie poate fi demarat dup obinerea D21 D22 D23 primului bit. Utiliznd acest principiu, Clk1 rata de conversie este determinat de timpul de obinere a unui singur bit. D11 D11 D11 D11 Acest tip de convertor permite, cu o schem numeric adecvat (pipeline pe Ui fiecare bit - fig. 2.16), obinerea unui CA1 CA2 CA3 CA4 cuvnt la rata de conversie a unei singure Uref celule. Fig. 2.16 Convertor analog-digital Structurile descrise anterior i rapid cu timp de conversie egal cu gsesc aplicaii n domeniul convertoatimpul de obinere a unui bit. relor video utilizate n achiziii de imagine. n practic, numrul de celule ce pot fi cascadate este limitat din considerente tehnologice. Ca urmare, acest tip de convertor se utilizeaz n scheme mixte, mpreun cu cele paralele (convertoare analog-digitale analog-seriale i digital-paralele pentru rangurile superioare i convertoarele analog-digitale paralele pentru rangurile inferioare). n momentul de fa se constat o revenire spectaculoas a ideii expuse, odat cu dezvoltarea arhitecturilor sistolice de prelucrare a semnalelor. Convertoare analog-digitale serie-paralel. O soluie de compromis, care poate fi exploatat foarte eficient la obinerea unor rezoluii i viteze ridicate, este utilizarea tehnicii cu corecie de subdomeniu. Un convertor analog-digital de N bii (numr par), funcionnd pe principiul amintit, folosete dou convertoare analog-digitale de N 2 bii care vor furniza mai nti partea mai semnaificativ a rezultatului i apoi partea mai puin semnificativ. n fig. 2.17a este prezentat un convertor analog-digital rapid de 8 bii. Un ciclu de conversie al acestui convertor poate fi rezumat astfel: se furnizeaz din exterior comanda de start conversie, care iniializeaz logica intern de sincronizare; circuitul de eantionare-memorare este comandat n starea de memorare ( E/ M = 0 ); se activeaz funcionarea primului convertor analog-digital paralel, activnd semnalul Clk1 ;Clk4

B1

B2

B3

B4

28

SISTEME INTELIGENTE HARDWARE-SOFTWARE DE MSURARE I CONTROL

ELECTRONIC APLICAT

Buffer 1 B8 LSB B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1

Ui

E/M Start

Clk1 Logic de Clk2 control i Clk3 sincronizare Clk4

Registru (4 bii)

Registru (8 bii)

Circuit de eantionarememorare

_

+

Buffer 2

B8 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 DRDY

CA/D paralel (4 bii)

CA/D paralel (4 bii)

CD/A rapid (4 bii)

MSB

a) Convertor analog-digital de 8 bii cu corecie de subdomeniuBuffer 1 B10 B9 B8 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 DRDY

CA/D paralel (3 bii)

Ui

E/M Start Logic de control i sincronizare

Clk1

Clk2

Clk3 Clk4

b) Convertor analog-digital de 10 bii cu corecie numeric de subdomeniuFig. 2.17 Convertoare serie-paralel.

dup ncheierea conversiei, se ncarc registrul intermediar cu cei mai semnificativi 4 bii ai valorii analogice convertite, activnd semnalul Clk 2 ; aceeai valoare numeric se aplic i convertorului digital-analogic de precizie. Acest convertor va produce la ieire o valoare analogic foarte apropiat de cea a intrrii, mai puin eroarea de cuantizare. Dup expirarea timpului de stabilire, se activeaz funcionarea celui de-al doilea convertor analog-digital paralel, activnd semnalul Clk 3 . Acest convertor primete ca semnal analogic de intrare rezultatul diferenei dintre tensiunea de intrare i versiunea sa cuantizat (de la ieirea CD/A);SISTEME INTELIGENTE HARDWARE-SOFTWARE DE MSURARE I CONTROL 29

Registru (10 bii)

Circuit de eantionarememorare

_

A

Logic de corecie numeric

CD/A rapid (3 bii)

+

CA/D paralel (8 bii)

SISTEME DE ACHIZIIE I PRELUCRARE A DATELOR

la sfrsitul conversiei, se poate ncrca, activnd semnalul Clk 4 , registrul de 8 bii de la ieire att cu cei mai puin semnificativi bii abia obinui, ct i cu biii cei mai semnificativi memorai n registrul intermediar; dup ncrcarea registrului de ieire, se poate activa semnalul DRDY , semnaliznd faptul c este disponibil un nou rezultat al conversiei. Convertorul cu corecie de subdomeniu este cunoscut i sub denumirea de convertor analog-digital serie-paralel i reprezint una dintre soluiile de compromis ntre cost i performane. Cu toate acestea, liniaritatea diferenial este sczut, mai ales la tranziia de la bitul N 2 la bitul (N 2 ) + 1 ; aceast eroare poate depi cu uurin 1 LSB i ca urmare poate provoca omiterea unor coduri i abateri de la monotonie. Problema poate fi rezolvat cu ajutorul unei tehnici de conversie analog-digital paralel, numit corecie numeric de subdomeniu (fig. 2.17b). Convertoarele ce folosesc corecia numeric de subdomeniu au o arhitectur similar cu cea prezentat anterior, dar semnalul analogic este cuantizat suplimentar; rezoluia astfel obinut este utilizat n cadrul unui circuit numeric de corecie a erorilor incrementale, erori inerente convertoarelor analog-digitale cu corecie de subdomeniu ce folosesc tehnologii uzuale. n figura 2.17b este prezentat un convertor analog-digital de 10 bii. Cei mai semnificativi 3 bii sunt obinui cu un convertor A/D paralel; ei sunt introdui ntr-un convertor D/A de 3 bii cu precizie de 12 bii, pentru a putea pstra precizia ieirii corespunztoare rezoluiei de 10 bii. Diferena dintre valoarea intrrii i valoarea corespunztoare ieirii convertorului D/A este amplificat i aplicat la intrarea celui de-al doilea convertor A/D paralel de 8 bii, cu ajutorul cruia se obin biii mai puin semnificativi. Dup cum se poate observa, acest convertor produce un bit suplimentar, folosit pentru corecia numeric de subdomeniu. Aceast corecie contribuie substanial la mbuntirea liniaritii. Convertoarele analog-digitale serie-paralel sunt frecvent utilizate n sistemele de achiziie a semnalelor video. Convertoare analog-digitale cu reacie. Dei simple ca principiu, convertoarele analog-digitale paralele sunt limitate ca rezoluie datorit complexitilor tehnologice (numrul mare de comparatoare determin creterea dimensiunilor fizice, puterea disipat i preul de cost). Ideea comparrii mrimii analogice de intrare cu un set de valori de referin este aplicabil, ntr-o variant mai economic, secvenial, n cadrul convertoarelor analog-digitale cu reacie. Cu un singur comparator, un convertor digital-analogic destinat generrii treptelor de referin i o logic secvenial (numrtor/registru) care genereaz numeric limitele intervalelor de cuantizare se obine un convertor analog-digital cu reacie. Mrimea analogic de intrare este comparat cu mrimea de referin30 SISTEME INTELIGENTE HARDWARE-SOFTWARE DE MSURARE I CONTROL

ELECTRONIC APLICAT

generat de ansamblul convertor digital-analogic-logic de control; funcie de rezultatul comparrii, logica de control decide urmtoarea valoare logic pe care o va produce n pasul urmtor (fig. 2.18a). Algoritmul de conversie poate fi implementat n mai multe variante, din care rezult i tipurile convertoarelor A/D cu reacie: convertor analog-digital cu numrare (fig. 2.18b); convertor analog-digital cu urmrire (fig. 2.18c); convertor analog-digital cu aproximaii succesive (fig. 2.18d).Ui(t) _ C Logic de control Clock Start EOC

+

N Convertor digitalanalogic (CD/A) Uref

a) Schema bloc a unui convertor analog-digital cu reacie. Clock U UiNumrtor S Ui(t) _ C R N UN Convertor digitalanalogic (CD/A) Uref Q Clk Reset Qi Start Busy

UN Start Clk

t

+

Ui(t)

+ _C

b) Convertor analog-digital cu numrare U Ui NumrtorU/D reversibil Qi N UN Convertor digitalanalogic (CD/A) Uref Clk Clock

UN t

U/D c) Convertor analog-digital cu urmrire

SISTEME INTELIGENTE HARDWARE-SOFTWARE DE MSURARE I CONTROL

31

SISTEME DE ACHIZIIE I PRELUCRARE A DATELORUi(t)

+ _

C

UN

Ui /Uref 8/8 Ui EOC 7/8 6/8 5/8 UN 4/8 N 3/8 Uref 2/8 Convertor digital1/8 analogic (CD/A) 0 1 1 0 0 ... d) Convertor analog-digital cu aproximaii succesiveRegistru de SC aproximaii DS succesive EOC Qi Start

t

Fig. 2.18 Convertoare analog-digitale cu reacie.

Convertorul A/D cu numrare folosete cel mai simplu algoritm de generare a treptelor de referin: parcurgerea lor consecutive (numrare), de la limita inferioar a gamei de lucru i pn la depirea valorii analogice de la intrare (fig. 2.18b). Logica de control are la baz un numrtor, iniializat la nceputul fiecrui ciclu de conversie; numrul de bii ai acestuia este egal cu rezoluia convertorului D/A i a circuitului de conversie realizat. Semnalul Start determin reset-area numrtorului i valideaz intrarea de ceas a numrtorului prin set-area bistabilului de tip RS; n acelai timp, convertorul D/A produce o tensiune U N la limita inferioar a domeniului de lucru. Dispunnd de semnal de ceas, numrtorul ncepe s se incrementeze, crescnd i tensiunea de referin U N trept cu treapt. La atingerea valorii semnalului de intrare, comparatorul i schimb starea de la ieire, reset-eaz bistabilul i oprete ceasul de numrare, finaliznd procesul de conversie. Ieirea acestui bistabil poate fi utilizat drept semnal conversie n curs de desfurare. Se poate observa uor c durata conversiei nu este constant, ea depinznd de valoarea mrimii analogice aplicate la intrare. Dei timpul de conversie poate fi redus prin creterea frecvenei ceasului, limita sa superioar este determinat de timpul de propagare pentru numrtor i circuitele porii, de timpul de stabilire al CD/A i al comparatorului. Dei avantajul major al acestei structuri rezid n simplitatea sa, acest convertor cu reacie e caracterizat de un timp de conversie ridicat, dependent de valoarea intrrii, precum i de o rejecie slab a perturbaiilor (determinat de variaia impedanei de intrare). nlocuind n schema precedent numrtorul cu incrementare cu unul reversibil (cu incrementare/decrementare) i comandnd sensul de numrare n funcie de rezultatul comparrii mrimii de intrare cu treptele de referin, se obine un convertor analog-digital cu urmrire (funcionare continu) (fig. 2.18c). Ieirea comparatorului reprezint, de fapt, codificarea pe un bit a tendinei de variaie a semnalului de intrare. Dac semnalul de intrare este relativ constant, dup egalizarea semnalului U N cu mrimea de la intrare, ieirea32 SISTEME INTELIGENTE HARDWARE-SOFTWARE DE MSURARE I CONTROL

ELECTRONIC APLICAT

comparatorului va oscila, odat cu U N , eroarea conversiei fiind 0,5 LSB. Valoarea numeric corespunztoare intrrii va fi oricare dintre strile numrtorului reversibil (aproximaie prin lips sau adaos). Problema fundamental a acestor dou tipuri de convertoare A/D cu reacie const n posibilitatea apariiei distorsiunilor de neurmrire, cauzate de viteza constant de incrementare/decrementare a numrtorului (limiteaz viteza de variaie a semnalelor aplicate la intrare). n practic, banda de frecvene a semnalului de intrare este limitat la valori de ordinul ctorva kHz. nlocuind numrtorul din bucla de reacie a convertorului cu un registru de deplasare special, denumit registru de aproximaii succesive, se determin eliminarea dezavantajelor menionate anterior. Se obine, astfel, un convertor analog-digital cu aproximaii succesive. n fig 2.18d este prezentat schema funcional a convertorului analogdigital cu aproximaii succesive pentru N=3 i se prezint principiul lui de funcionare. Conversia ncepe cu iniializarea la valoarea 1 a bitului celui mai semnificativ (MSB) n cadrul registrului de aproximaii succesive. Aceasta corespunde primei evaluri a valorii semnalului de intrare cu jumtatea valorii domeniului de intrare. Se compar semnalul de ieire al CD/A corespunztor acestei valori cu tensiunea de intrare i se comand de reset-area valorii bitului celui mai semnificativ dac evaluarea primar depete valoarea semnalului de intrare; n caz contrar aceeast valoare este validat i este memorat. n tactul urmtor controlerul fixeaz valoarea 1 pentru urmtorul bit i, din nivelul semnalului de intrare, comparatorul decide memorarea sau reset-area strii acestui rang. Conversia continu n mod similar, pn se evalueaz bitul cel mai puin semnificativ (LSB). n acest moment, cuvntul coninut n registrul de aproximaii succesive (transferat i n registrul de ieire) reprezint cea mai bun aproximaie numeric a semnalului analogic de intrare. Dac datele se obin direct de la ieirea registrului de aproximaii succesive, trebuie menionat c acestea devin stabile doar dup sfritul conversiei (n rest ele reproduc procesul de aproximare); n consecin, logica extern trebuie adaptat n mod corespunztor. n metoda de conversie bazat pe aproximaii succesive, semnalul de ieire al CD/A crete neliniar pn la nivelul semnalului de intrare pe perioada a N tacte (pentru convertorul cu rezoluia de N bii). Ca rezultat, procesul de conversie dureaz un timp considerabil mai redus i, n plus, timpul de conversie este constant i nu depinde de nivelul, semnul sau modului de variaie a semnalului de la intare. Metoda aproximaiilor succesive este cea mai rspndit metod de conversie analog-digital pentru convertoarele de uz general, cu rate de conversie medii i ridicate (timpi de conversie cuprini ntre 1 i 25 s). Convertoare analog-digitale cu transformare tensiune-timp. AcesteSISTEME INTELIGENTE HARDWARE-SOFTWARE DE MSURARE I CONTROL 33

SISTEME DE ACHIZIIE I PRELUCRARE A DATELOR

tipuri de convertoare realizeaz transformarea mrimii analogice de intrare ntr-un interval de timp proporional, care este msurat numeric. Din aceast categorie fac parte: convertorul analog-digital cu generator de ramp; convertorul analog-digital cu integrare n dubl pant; convertorul analog-digital cu integrare n mai multe rampe. Convertoarele analog-digitale cu integrare n dubl pant sunt caracterizate de o precizie i o liniaritate excelente, o bun rejecie a semnalelor parazite (datorit integrrii), n pofida timpului de conversie de valoare mare. Majoritatea circuitelor sunt monolitice, realizate n tehnologie CMOS, fiind extrem de rspndite n echipamente de msurare numerice clasice (aparate portabile, de tablou sau de laborator). Trebuie menionat faptul c majoritatea convertoarelor analog-digitale de generaie recent dispun de o interfa specializat, versatil cu microprocesoare pe 8 sau 16 bii, ceea ce simplific mult interfaarea acestor circuite n cadrul sistemelor inteligente de achiziii de date. Firmele productoare de convertoare analog-digitale ofer dispozitive cu o palet larg de performane. Metoda de conversie utilizat (cu aproximaii succesive, cu integrare cu dubl pant, conversie paralel, etc) i tehnologia de realizare a schemei (monolitic, hibrid sau modul) determin caracteristicile eseniale ale convertoarelor analog-digitale - rapiditatea, rezoluia, preul. Paleta de variaie a unor caracteristici ale CA/D, realizate n practic, sunt prezentate n fig 2.19.CA/D cu conversie paralel CA/D cu aproximaii succesive CA/D cu integrare cu dubl pant hibrid/modul Preul relativ hibrid/modul hibrid/modul

monolit monolit

1s

100ms

10ms

1ms

100s

10s

1s

100ns

10ns

Timpul de conversie Rapiditatea

Fig. 2.19 Paleta caracteristicilor CA/D produse n serie.34 SISTEME INTELIGENTE HARDWARE-SOFTWARE DE MSURARE I CONTROL

ELECTRONIC APLICAT

Tabelul 2.2 Principalele caracteristici ale unor convertoare analog-digitale.TipulADC0804 AD7574 AD570 TSC7109 ADC0808 AD5010 AD579 AD574 ADC868 HS9516 ADC71

Rezoluia8 8 8 12 8 6 10 12 12 16 16

Metoda de Timpul de conversie conversiecu aproximaii succesive cu aproximaii succesive cu aproximaii succesive cu integrare dubl pant cu aproximaii succesive paralel cu aproximaii succesive cu aproximaii succesive cu aproximaii succesive cu aproximaii succesive cu aproximaii succesive 100 s 15 s 25 s 33 ms 100 s 10 ns 2,2 s 25 s 0,5 s 100 s 50 s

Tensiunea de alimentare+5V +5V +5V, -15V +5V +5V 5V +5V, 15V +5V, 15V +5V, 15V +5V, 15V +5V, 15V

Tehnologia de realizaremonolitic monolitic monolitic monolitic monolitic monolitic hibrid hibrid hibrid hibrid hibrid

n tabelul 2.2 sunt prezentate sintetic principalele caracteristici ale unor CA/D uzuale, realizate de firmele National Intersil, Analog Device, Teledyne, Texas Instruments i Hybrid System. Se constat o varietate mai larg a CA/D cu aproximaii succesive, utilizate n majoritatea cazurilor n cadrul proceselor care necesit conversia analog-digital. Cele mai ieftine sunt convertoarele analog-digital monolitice. Aceste CA/D sunt realizate n tehnologie bipolar i CMOS. Convertorul analog-digital optim pentru msurtori i achiziii de date n reele electroenergetice este CA/D cu aproximaii succesive, care asigur viteze bune de conversie, precizie ridicat, rezoluia fiind un compromis ntre vitez i precizie.

2.3 INTERFEE SPECIALIZATE DE COMUNICAIETehnicile de msurare pot fi implementate la nivel fizic prin blocuri funcionale cu destinaie precis (aparatele de msurare) sau prin module care pot realiza funcii multiple (eantionare, conversie, memorare) i a cror selecie este fcut de o unitate central (eventual PC). n cazul aparatelor de msurareSISTEME INTELIGENTE HARDWARE-SOFTWARE DE MSURARE I CONTROL 35

SISTEME DE ACHIZIIE I PRELUCRARE A DATELOR

numerice, dotarea acestora cu interfee de comunicaie (serial sau paralel) permite interconectarea lor cu uniti de calcul puternice i, deci, lrgirea considerabil a ariei funciilor ce pot fi efectuate de sistemul astfel realizat. Aparatele numerice memoreaz datele sub form de caractere reprezentate adesea pe 8, 16 sau 32 de bii. Biii care formeaz un caracter se pot transmite la distan ctre un alt sistem numeric fie prin transmiterea simultan a cte 8 bii (comunicaie paralel), fie prin transmiterea succesiv a biilor care formeaz un caracter (comunicaie serial). n primul caz, se utilizeaz 8 linii de date i alte linii (conductoare) pentru semnalul de referin (GND) i cele de control al comunicaiei. n al doilea caz, informaia prezent de obicei sub form paralel este apelat de un registru de deplasare paralel-serie, comandat de un semnal de tact, transmis printr-o singur pereche de conductoare i apoi, la recepie, reconstituit n format paralel prin intemediul registrului de deplasare serieparalel.

2.3.1 COMUNICAIA DE TIP SERIAL. PROTOCOALE DE TRANSMISIE SERIAL A DATELORInterfaa serial este un sistem de comunicaie numeric introdus ca urmare a necesitii de a controla un ansamblu tehnic cu elemente dispersate pe suprafee mari. PC-urile sunt dotate cu mai multe porturi seriale (de obicei, dou), utilizate, n cea mai mare parte, pentru comanda plotter-elor, a imprimantelor seriale i a unor mouse-uri. De asemenea, aceast interfa este folosit pentru comunicaia cu PC-ul i de ctre dispozitive speciale, cum ar fi programatoarele EPROM i PAL, emulatoarele, controller-ele logice programabile sau anumite interfee de achiziie de date. Achiziia datelor se efectueaz prin executarea unui program de achiziie de ctre calculatorul care asigur comanda mijlocului de msurare, transferul datelor ntr-un fiier de date i prelucrarea lor imediat sau ulterioar. Denumirea RS-232 (mai exact, RS-232C) corespunde normei americane a interfeei seriale, norm propus iniial n 1960 i devenit variant standard n 1969, apoi remodificat n 1987. Denumirea V24 este o prescurtare a normei franceze (i recomandat CEI). n principiu, ambele norme sunt identice. n prezent exist i module dedicate comunicaiei seriale performante, cum este RS-485 (de tip plug-in) pentru care se poate asigura comunicaia pn la distana de 1,2 km, cu o vitez maxim de transfer de 100 kHz .

2.3.1.1 INTERFAA RS-232Numeroase aparate utilizeaz conectarea la calculator prin intermediul36 SISTEME INTELIGENTE HARDWARE-SOFTWARE DE MSURARE I CONTROL

ELECTRONIC APLICAT

interfeei seriale RS-232. Norma clasific aparatele n dou categorii: 1. DTE (Data Terminal Equipments) categorie din care fac parte PC-ul, tastatura etc. i 2. DCE (Data Communication Equipments) modem-urile, aparatele de msurare etc. Modul de conectare poate s difere de la un aparat la altul. n principiu, se poate conecta numai un singur aparat la o interfa serial. Programarea modului de comunicaie poate fi, de asemenea, foarte diferit. De aceea, nu se poate vorbi de un standard. n forma minimal, o conexiune serial RS-232 se compune din numai 3 conductoare: 1. RXD (Receive Data), conductorul pentru semnalul de recepie; 2. TXD (Transmit Data), conductorul pentru semnalul de emisie; 3. GND (Ground), conductorul de mas. Modul de legare a conductoarelor RXD i TXD la portul calculatorului depinde de aparatul utilizat. Sigurana n transmisia datelor poate fi mai mare dac se introduce o comunicaie de tip handshaking. n acest caz se folosesc (fig. 3.3), pe lng semnalele RXD i TXD (semnale de date), i semnalele RTS (Request To Send) i CTS (Clear To Send). RTS (cerere de emisie) i CTS (autorizare de emisie) sunt semnale care gireaz funcionarea half-duplex (HDX) - de exemplu, a liniei telefonice. Calculatorul semnalizeaz modem-ului prin RTS c are un caracter de transmis; transmisia este posibil numai atunci cnd semnalul CTS este primit de calculator. O siguran superioar n transmisia datelor se obine prin utilizarea semnalelor DTR (Data Terminal Ready) i DSR (Data Set Ready). Prin aceste semnale receptorul este anunat c emitorul este pregtit s trimit datele. Astfel, DTR poate fi perceput ca un semnal de BUSY pentru receptor. Sigurana unei transmisii este determinat de lungimea cablurilor de legatur (maximum 2 x 15=30 m), nivelul de tensiune al semnalelor i viteza de transmisie. Nivelele de tensiune pentru interfaa RS-232 sunt: HIGH: -15 V (-25 V); LOW: +15 V (+25 V). Intervalul de la -3 V la +3 V nu este permis (fig. 2.21).

SISTEME INTELIGENTE HARDWARE-SOFTWARE DE MSURARE I CONTROL

37

SISTEME DE ACHIZIIE I PRELUCRARE A DATELOR2 3 2 3 2 3 4 5 2 3 4 5 2 3 4 5 6 20 7 2 3 4 5 6 20 7

TXD RXD

TXD RXD

TXD RXD RTS CTS

TXD RXD RTS CTS

TXD RXD RTS CTS DSR DTR

TXD RXD RTS CTS DSR DTR GND

GND

7

7

GND

GND

7

7

GND

GND

a)2 3 4 5 6 20 7 7 GND 2 3

b)2 3 2 3

c)

TXD RXD RTS CTS DSR DTR GND

TXD RXD

TXD RXD

TXD RXD

CTS DSR

5 6 20 DTR GND

GND

7

7

d)

e)

Fig. 2.20 Tipuri de conexiuni utilizate n interfaarea serial: a) varianta minimal; b) varianta handshake; c) handshake cu confirmare DTR i DSR; d) transmisie cu punte pe semnalele de handshake; e) conectarea unui plotter.

Viteza de transmisie este dat n BAUD1. O alt unitate uzual n cazul transmisiilor este BPS (Bits Per Second). In cazul comunicaiei seriale ntre dou echipamente, exprimarea vitezei de transmisie n BAUD i BPS este identic. n cazul conectrii lor prin intermediul modemurilor, ns, acest lucru nu mai este valabil. Valorile uzuale pentru viteza de transmisie (Baudrate) sunt date mai jos:

U +25 V LOW +3 V 0V -3 V -25 V nedefinit HIGH

Fig. 2.21 Nivelele de tensiune pentru portul serial.

1

BAUD este unitatea de msurare a numrului de schimbri pe secund ale strii unei linii, denumit dup Jean Maurice Emile Baudot, un fost ofier al Serviciului Francez de Telegrafie. El a proiectat, la sfritul secolului al XIX-lea, primul cod pe 5 bii pentru reprezentarea unitar a caracterelor alfabetului.SISTEME INTELIGENTE HARDWARE-SOFTWARE DE MSURARE I CONTROL

38

ELECTRONIC APLICAT

50

110

300

600 1200 2400 4800 9600 19200 38400

Formatul de transmisie al datelor este descris prin urmtorii parametri: Baudrate (viteza de transmisie); Startbit (bitul2 de start); Numrul de bii de date; Paritatea; Numrul de bii de stop. Prin intermediul biilor de start i stop se determin nceputul, respectiv sfritul secvenei de date transmis. Numrul de bii de date este, de obicei, 7 sau 8. Prin intermediul testului de paritate se pot evidenia eventualele erori de transmisie. n acest sens, exist trei posibiliti de detecie: No Parity: Nu se face nici un test de paritate; Even parity (paritate par): Emitorul numr toi biii de date care au valoarea 1 i seteaz bitul de paritate cu 1, dac suma a fost impar, i cu 0, dac suma a fost par. Receptorul adun biii de date cu valoarea bitului de paritate. Suma este totdeauna (n cazul unei transmisii corecte) par; n caz contrar, a survenit o eroare la transmisia datelor; Odd Parity (paritate impar): Metoda corespunde testului de paritate par, cu deosebirea c suma biilor de date i a celui de paritate este totdeauna (la emitor) impar. n fig. 2.22 se descrie procesul de transmitere a caraterului 2 (n reprezentarea binar corespunztoare codului ASCII) cu protocolul 1 bit de start, 7 bii de date, 2 bii de stop, paritate impar.

t

Iniializare Bit de