Seminarski rad iz Mehatronike

Tema: Povezivanje mehatronikih komponenti i merenje signala

Sadrzaj1.Uvod31.1.Komponente interkonekcije31.2 Karakteristike impendanse31.2.1 Redna veza impendansi41.2.2 Podudaranje impedansi51.3 Pojaavai51.3.1 Operacioni pojacavaci61.3.1.1 Koricenje povratne sprege u operacionom pojaavau71.3.2 Napon, struja I snaga pojaavaa71.4 Analogni Filtri81.5 Modulator I Demodulator101.6 AD Konvezija121.7 Kola zadrke I uzrokovanja131.8 Multiplekseri141.8.1 Analogni multiplekseri151.8.2 Digitalni multiplekseri161.9 Digitalni filtri171.10 MERNI MOSTOVI181.10.1 Most za naizmeninu struju191.11 Uredjaji za Linearizaciju201.12 Analizatori Signala I Uredjaji za Prikazivanje212.Literatura24

1. Uvod

Mehatroniki sistemi su meoviti sistemi, koji se sastoje od vie od jedne vrste komponenti adekvatno povezanih i integrisanih. Konkretno, mehaniki, elektrini, elektronski i kompjuterski hardver su integrisani da formiraju mehatroniki sistem. Iz toga sledi da su komponente interkonekcije veoma vane na polju mehatronike. Kada su dve komponente meusobno povezane, signali protiu kroz njih.. Promena signala ima presudni uticaj na komponente interkonekcije ili dodirne take. Kada se dva ureaja povezuju, neophodno je garantovati da signal naputa jedan ureaj i ulazak u drugi, tako da e se u adekvatnim trenucima promeniti, u odgovarajue oblike. Posebno kod prenosa, signal treba da bude pravilno modifikovan, tako da je signal/um prenosnog signala dovoljno velik na prijemniku. Iz ovih zapaanja moe se uoiti bitnost signala modifikacije.Zadaci signalne modifikacije mogu ukljuivati I signalne uredjaje, signal konverzije, modulacija, I demodulacija. Pored toga, I mnogi drugi tipovi modulacije signala mogu da se identifikuju. Ureaji poput analognih I digitalnih multipleksera I komparatora neophodni su u mnogim aplikacijama za prikupljanje I obradu podataka. Podeavanje faze, oblikovanje krive, poravnanje I linearizacija mogu se takoe klasifikovati kao modifikovani signali.U daljem tekstu, reiemo neto o signalnim ureajima I modifikacionim operacijama koje se koriste u mehatronikim aplikacijama. Operacioni pojaava je uveden kao osnovni element signalnog ureaja I impendanse za odgovarajue kolo u elektronskom sistemu.

1.1. Komponente interkonekcije

Mehatroniki sistem se moe sastojati od irokog spektra komponenti, koje su meusobno povezane da obavljaju namenjenu funkciju. Kada su povezane dve ili vie komponata, ponaanje pojedinane komponente u integrisanom sistemu moe znaajno da odstupi od svog ponaanja kada je svaka komponenta radi samostalno. Podudaranje komponenti u viekomponentnom sistemu treba paljivo vriti u cilju poboljanja performansi sistema I tanosti. Koncepti impendansa koje emo opisati, mogu se primenjivati na mnogim vrstama komponenti u optim mehatronikim sistemima.

1.2 Karakteristike impendanse

Kada su komponente kao to su senzori i pretvarai, kontrolne table i procesna oprema hardverski povezani, neophodno je da se pravilno podudaraju impendanse na svakom interfejsu u cilju ostvarivalja odreenog nivoa performansi. Negativan uticaj nepropisnog podudaranja impendansi je loading efekat. Konana greka moe daleko prezilaziti druge vrste greaka. Mogue su i elektkirne i mehanike greke pri oitavanju rezultata. Elektrina uitavanja greaka su rezultat povezivanja izlazne jedinice, kao to je merni ureaj koji ima nisku ulaznu impedansu, sa ulaznim ureajem kao to je izvor signala. Do mehanikih greaka pri oitavanju ulaznih ureaja moe doi usled inercije, trenje i drugih otrornih snaga generisanih od strane povezanih izlaznih komponenti. Impendansa se moe tumaiti u elektinom i u mainskom smislu, u zavisnosti od toga na kakav tip signala je ukljuena. I u mehanikim I u elektrinim sistemima, oitavanje greke moe se pojaviti u obliku faznog izoblienja. Drugi negativan efekat nepravilne impendanse odnosi se na neadekvatan izlazni nivo signala, koji mogu napraviti izlazne funkcije kao to su obrada signala I prenos ili aktivacijom kontrolnih elemenata..Ureaji koji generiu niske izlazne signale, zahtevae da im se povea nivo signala. Za razliku od ovih ureaja, ureaji sa visokim ulaznim impendansama imaju prednost jer obino trose manje energije1.2.1 Redna veza impendansi Posmatrajmo standardna dva porta elektrinog ureaja. Izlazna impedansa Z0 takvog ureaja se definie kao odnos otvorenog-kola napona na izlazu sa kratkim spojem na izlazu. Napon otvoreno kola na izlazu je izlazni napon prisutan kada nema struje koja tee na izlazu. To je sluaj ako izlazni port nije povezan sa optereenjem (impedansom). Ako se optereenje prikljui na izlazni ureaj, struja e tei kroz njega, a izlazni napon e pasti na vrednost manja od napon otvorenog kola. Za merenje napona otvorenog kola, potrebno je ulazni napon na ulaznom portu odravati konstantnim, a izlazni napon se meri pomou voltmetra koji ima veoma visoku (ulaz) impedansu. Ulazna impedansa Zi je definisana kao odnos nominalnog ulaznog napona sa odgovarajuom strujom kroz ulazni terminal, dok se izlazni terminali odravani kao otvoreno kolo. Generalizacija je mogue preko tumaenja napon i brzina kao preko promenljivih, i struje i snage kao kroz promenljive. Zatim mehanika pokretljivost treba koristiti umesto elektrine impedanse, u slinim analizama. Koristei ove definicije, ulazna impedansa Zi I izlazna impedansa Z0 mogu se ematski predstavljeni kao na slici 1.1(a).

Slika1.1 (a) ematski prikaz ulazne I izlazne impendanse (b) redna veza dva dvopolna ureaja

Kada je optereenje povezano na izlazni port, napon optereenja e biti drugaiji od U0. Ovo je izazvano prisustvom struja kroz Z0. Odgovarajui prenosni odnos se moe izraziti kompleksnim frekvencijskim odzivom funkcije G (j) u otvorenim kola uslovi je:o=GiSada razmotrimo dva redno povezana ureaja, kao to je prikazano na slici 1.1b. Lako se moe utvrditi da vai sledei odnos:

o=G2i2

Ovi odnosi se mogu kombinovati da daju optu ulaz / izlaz odnos:

1.2.2 Podudaranje impedansi

Kada su povezane dve elektrine komponente, struja e tei izmeu njih. To e promeniti poetne uslove. Istovremeno e adekvatna snaga i struja biti potrebne za signalnu komunikaciju, ureaje, displej, itd. Kada su povezane dve komponente, impendanse se moraju poklopiti. Problem je veoma ozbiljan u mernim ureajima, kao to su piezoelektriki senzori, koji imaju vrlo visoke izlazne impedanse. Reenje za ovaj problem je da se uvede nekoliko faznih pojaavaa izmeu izlaza prve hardverske jedinice I ulaza u drugu hardversku jedinicu.Prva faza takvog ureaja omoguava se upotrebom obinog pojaavaa koje ima visoku ul. impedansu, nisku izl. impedansu, I skoro jedinstvo dobitak. Poslednja faza je obino stabilizacija visoke faze faznog pojaavaa koji pojaava nivo signala. Pojaavai za impendansno podudaranje su, u stvari, operacioni pojaavaci sa povratnim spregom.

1.3 Pojaavai

Nivo elektrinog signla moe se predstviti preko promenljivih, ko to su npon, struj i snaga. nlogno tome, preko promenljivih i snge promenljivih mogu se definisti i z druge tipove signl. Nivoi signl n rzliitim lokcijm interfejs komponenti u mehtronikom sistemu treb d budu prvilno podeeni zbog zdovoljvjueg izvrenje ovih komponenti i celokupnog sistem. Signli treb d zdre svoj signl nivo iznd nekog prg tokom prenos, tko d greke zbog slbljenj signl ne bi bile preterne.Signli koji se primenjuju n digitlne ureje morju d ostnu u okviru nvedenih logikih nivo. Mnoge vrste senzor proizvode slbe signle koji morju biti ndogreni pre da bi se mogli unositi u sistem za monitoring, obriv podtk, kontroler, odnosno za registrovnje podtk.Signl pojnj se odnosi na prvilno podevnje nivo signl z obvljnje odreenog zdtk. Pojva se koriste z postiznje pojnje signl. Pojva je ktivni urej kome je potrebna spoljana snaga za izvor rda. Iko su za rzliita ktivna kol, pojvai razliiti, oni se njee proizvode u monolitnom obliku pomou originlnih integrisnih kol (IC), rsporeenih tko d ostvre odreeno pojnje. Nrvno, opercioni pojavai su dostupni I ko monolitni IC pketi. Oni se iroko koriste ko osnovni grdivni blokovi u proizvodnji drugih tipov pojavaa, kao I z modeliranje i nlizu rznih vrsta pojva

1.3.1 Operacioni pojacavaci

Operacioni pojaavaje diferencijalnielektronskipojaavakoji ima za cilj da pojaa razliku izmeu dva ulazna signala. Jedan ulaz ima pozitivan efekat dok drugi ima negativan efekat na izlazni signal, te je u skladu sa tim jedan neinvertujui (+) a drugi invertujui (-). Operacioni pojaava pored dva ulazna i jednog izlaznog prikljuka posjeduje i dva terminala za napajanje od kojih je jedan pozitivan (+Vcc) a drugi negativan (-Vcc). Radi jednostavnosti obino se operacioni pojaava na emama prikazuje bez ova dva terminala. Operacioni pojaavai se najee izrauju u integrisanoj tehnici, obino u 8-pinskom ili 14-pinskom kuitu. Sastoje se iz tri osnovna dijela: ulaznog stepena naponskog pojaavaa izlaznog stepena

ulazni stepen pojaava razliku napona na ulaznim prikljucima naponski pojaava uvodi dodatno pojaanje signala izlazni stepen obezbjeuje dovoljnu veliku snagu na izlazu odnosno dovoljno veliko strujno pojaanjeU skladu sa tim, ulazni stepen se izvodi kaodiferencijalni pojaavasa dva simetrina ulaza. Izlazni stepen, koji omoguava velika strujna pojaanja, realizuje se sa obino komplementarnim parom tranzistora. Postoje invertujuci I neinvertujuci operacioni pojacavaci. Kod neinvertujuceg pojaavaa ulazni signal se dovodi na ulaz (+),a kod invertujuceg na ( - ).1.3.1.1 Koricenje povratne sprege u operacionom pojaavau

Opercioni pojva je veom rznovrstn urej, pre sveg zbog veom visoke ulzne impednse, niske izlzne impednse, i veom visokog pojaanja.Dv glvn fktor koji doprinose ovom problemu su:1. Frekvencioni odziv2. Drift

Drugim reima, pojnje K ne ostje konstntno, ve moe d vrir u zvisnosti od frekvencije ulznog signl i, tkoe, moe d vrir u zvisnosti od vremen. Frekvencioni odziv nstje zbog dinamike opercionog pojvaa. Drift problem nstje zbog osetljivosti od pojnj K do ekolokih fktor ko to su tempertur, svetlost, vlnost i vibrcij, i ko rezultt vrijcij K usled strenj. Postoje nini d se uklone efekti ov dv problem n izlzu pojvaa. Poto je pojacanje K veom veliko, koristei povratnu spregu moe se eliminisati greka n izlzu pojvaa.

1.3.2 Napon, struja I snaga pojaavaa

Pojvai mogu biti izgreni u monolitnom obliku, ili u diskretnom. Ali, skoro sve vrste pojvaa mogu biti izgrene korienjem opercionog pojv ko osnovnog grdivnog bloka.Mi koristimo pristup, koji koristi diskretne oper. pojacavace z izgrdnju optih pojvaa. Osim tog, modelirnje, nliz i dizjn optih pojva se moe izvriti po ovom osnovu. Ako elektronski pojv vri pojaanje npon, on se nziv nponski pojva. Napon pojaavaa se moe predstaviti kao:o=Ki

U kome je:uO= izlazni naponUI = ulazni naponKu = pojaanjeNponski pojva se koristi z postiznje komptibilnosti npon u kol. Strujni pojvai se koriste z postiznje strujne komptibilnost elektronskim kolima. Struj pojv moe biti modelirana: Io=Ki*Iigde je:IO- izlazna strujaII- ulazna strujaKI- pojaanje

K = 1 i, smim tim, moe se smtrti ko trenutne pojnje. Pored tog, deluje ko bafer izmeu niske struje izlznog ureja i visoke struje ulznog ureja koji su meusobno povezni. Dkle, nziv bafer pojv se ponekd koristi z strujni pojacavac s jedinstvenim nponom. Jednostvn model z pojvac je: Po=Kp*Pigde je:Po= izlazna snagaPi=ulazna snagaKp=pojaanje

(a) naponski pojaava, (b) strujni pojaava

1.4 Analogni Filtri

Svaki sistem za prenos ili za obradu analognih signala na cijem se izlazu signal na bilo koji nacin razlikuje od signala na ulazu moze da se posmatra kao neki filtar.To znaci da taj sistem moze da pojacava ili da slabi sve ili samo neke komponente ulaznog signala.Pojacanje sistema moze da zavisi od ucestanosti posmatrane komponente signala ili da zavisi od trenutne vrednosti te komponente Dakle, kroz filtar prolaze naponi i struje izvesnih frekvencijskih opsega neoslabljeni, ili veoma malo oslabljeni. Ovi opsezi ucestanosti nazivaju se propusnim opsezima ucestanosti, za razliku od drugih opsega ucestanosti u kojima filtar izrazito slabi komponente signala. Ucestanosti koje dele ova dva opsega, to jest propusni od nepropusnog opsega, nazivaju se granicnim ucestanostima.

Teorija analognih filtara, filtara koji se koriste za filtriranje analognih signala, je davno razvijena.Ta teorija omogucava da se projektuju filtri koji ce imati zeljene karakteristike.Ovi filtri se realizuju najcesce kao normalizovani filtri propusnici niskih ucestanosti i tek onda, preslikavanjem od tih filtara, dobijaju se parametri koji opisuju realni filtar. Ovi parametri mogu da budu, ili stvarne vrednosti R, L i C komponenata, ili mogu da budu i vrednosti impulsnog odziva filtra ili frekvencijska karakteristika filtra Pasivna primena linearnih filtara se zasniva na kombinovanju otpornik (R), kalema (L) i kondenzator (C). Ovi tipovi filtara su poznati kao pasivni zato to ne zavise od izvora napajanja i ne sadre aktivne komponente kao to su tranzistori.Kalemi blokiraju signale visokih a provode signale niskih frekvencija dok kondenzatori rade obratno. Kalemi i kondenzatori su reaktivni elementi filtra. Broj ovih elemenata odreuje kojeg je reda filtar. Otpornici nemaju frekvencijsku zavisnost ali se dodaju kalemima i kondenzatorima da bi odredili vremenske konstante kola a samim tim i uestanosti na koje se vri odziv kola.Operacioni pojaivai se esto koriste kod aktivnih filtara. Oni mogu imati veliki faktor dobrote i mogu dostii rezonancu bez korienja kalema. Bilo kako bilo gornju graninu vrednost frekvencije odreuje irina propusnog opsega samog pojaivaa.Broj polova jednog filtra je broj polova u funkciji prenosa,i jednak je redu karakteristicnog polinoma funkcije prenosa.Performanse osnovnog tipa filtra mogu da se poboljsaju ali na stetu slozenosti kola.Uredjaj koji ima po jedan par ulaznih i izlaznih krajeva nazivamo optim imenom cetvoropol.

Osnovna celija NF filtera

Filtar je mrea, kolo, sastavljeno od L i C elemenata. To kolo ima svoju odreenu ulaznu otpornost, karakteristinu otpornost (karakteristinu impedansu).

Na osnovu eljenog slabljenja na nekoj odreenoj zadatoj ucestanosti f moe jednostavno da se odredi potreban broj osnovnih celija koje ce obezbediti traeno slabljenje. Batervortova aproksimacija filtra se koristi za priblinu realizaciju normalizovane idealne prenosne funkcije filtra propusnika niskih uestanosti. Pri ovome se idealizovana karakteristika pokazana na levom delu slike aproksimira jednom od karakteristika iz familije koja je prikazana na desnom delu te slike. Ova aproksimacija, u stvari, za realizaciju eljene prenosne karakteristike, eljene prenosne funkcije, normalizovanog idealizovanog filtra propusnika niskih ucestanosti koristi takozvanu Batervortovu funkciju koja je data izrazom:

Idealan band-pass filtar prolazi sve komponente signala u okviru konacnog frekvencijskog opsega i blokira sve komponente signala izvan tog opsega.Niza frekfencijska granica propusnog opsega se zove odsecna frekvencija a gornja granica zove se gornja odsecna granica.Naj pravilniji nacin da se formira band-pass filtar je da se kaskadno povezu VF filtar odcecne frekfencije a NF filtrom odsecne frekfencije.

1.5 Modulator I Demodulator

Modulatori i demodulatori su elektronski uredjaji koji vrse oblikovanje noseceg signala prema modulisucem signalu.Dakle modulator ima dva ulaza,a jedan izlaz.

AM Modulator je uredjaj u kome se vri operacija mnoenja ulaznih signala tako je izlazni signal AM modulatora umnoak (proizvod, produkt) ulaznih signala.Elektronski AM modulator se najednostvnije realizuje tako to se u seriju sa napajanjem oscilatora postavi ugljeni mikrofon. Bitno je napomenuti da se u studijskim miksetama na vri mnoenje ve sabiranje signala tako da se u miksetama koristi druga vrsta sklopova koji se zovu sumatori. Vezano za modulalaciju je bitno spomenuti jo jedan tehniki problem, a to je irina komunikacijskog kanala (engleski: signal bandwith). Kao to je poznato ljudi mogu uti audio signale u opsegu 20Hz-20kHz, ali za potrebe radiokomunikacija nije praktino prenositi celi opseg od 20 kHz, jer se za prenos opsega od 20 kHz troi vie energije, a zauzima se I prostor u radio spektru. Druga esto koritena vrsta modulacije je frekventna (FM) modulacija. Kao to je poznato sinusni signal je odredjen sa dve veliine: amplituda i frekvencija. Ako AM modulacije se modulie amplituda, a kod frekventne frekvencija.Naime glavna prednost FM modulacije nad AM modulacijom jeste manja osjetljivost na smetnje odnosno kvalitetnijiprijenos signala. U poredjenju sa AM modulacijom FM modulacija trai iri frekventni opsegza prijenos signala, a sami uredjaji za realizaciju su neto sloeniji. Kod FM modulacije amplituda modulisanog signala je konstantna, a frekvencija varira izmedju nanie fmin inajvie fmax frekvencije. Ako je amplituda moduliueg signala nula tada je frekvencija na izlazu modulatora fmin, a ako je amplituda moduliueg signala maksimalna tada na izlazu.FM modulator se najednostavnije realizuje tako to se u oscilatorno kolo oscilatora ugradi varikap dioda iji kapacitet se menja prema moduliuem signalu. U radio difuziji se iroko koristi FM modulacija za kvalitetan prenos. Za razliku od AM difuzije gde se prenosi mono signal opsega 40Hz5 kHz kod FM difuzije se prenosi stereo signal opsega 30Hz-15kHz dakle daleko kvalitetniji signal

Demodulator je uredjaj koji vri obrnutu funkciju od modulatora u smislu da iz modulisanog signala izdvaja originalni moduliui signal. Demodulator je sastvani deo svakog radiopremnika.

Za FM demodulaciju se koristi vie vrsta demodulatora, a najpoznatiji je tzv. Foster-seeley diskriminator kojeg su 1936. godine izumili ameriki naunici Foster i Seeley

Transformator i kondenzator C1 FM signal konvertuju u AM signal koji se zatim demodulie diodom i kondenzatorom C2. Transformator ima vei otpor za visoke frekvencije tako signalivih frekvencija budu vie oslabljeni na transformatoru, a dodatno slabljenje je na kondentoru C1, jer kondenzator signale visokih frekvencija provodi na masu. Na ovaj nain se FM signal prevodi u AM signal. SSB signal se demodulie pomou pomou miksera na koga se dovodi modulisani SSB signal i signal sa oscilatora (BFO - Beat Frequency Oscillator). Frekvencija oscilatora treba biti neto via ili nia od frekvencije modulisanog signala u zavisnosti da li je upitanju USB ili LSB. Na izlazu miksera dobivamo signal koji je sputen u audio podrucje kroz proces meanja (mnoenja) signala. Modem se i sastoji od modulatora i demodulatora I pomonih sklopova, a koristi se za prijenos digitalnih signala telefonskim linijama. Analogni modemikoriste FSK - Frequency-Shift Keying sistem modulacije koji je u svojoj biti primjena FM modulacije za prijenos digitalnih signala.

1.6 AD Konvezija

Osnovna funkcija A/D konvertora je da konvertuje analognu vrednost u binarne bitove,to daje dobru aproksimaciju analogne vrednosti. Ovaj proces je vien kao formiranje stope izmeu ulaznog signala i referentnog napona poznatog kao Vref, a zatim zaokruivanjem rezultata na najblii n,-bitni celobrojni binarni broj .Matematiki, ovaj proces moe biti predstavljen (1.1)

gde Vin je analogna vrednost (pretpostavka da imaju dozvoljeni opseg 0 do Vref), D je izlazni podatak, a n rezolucija konvertora (broj bitova u D)."Rnd" funkcija predstavlja zaokruivanje pojma u zagradi na najblii ceo broj.Referentni napon je obino precizna vrednost generisan preko interno komercijalnih konvertora.. U svakom sluaju, referentni napon u sutini pretstavlja potpuni ulazni opseg pretvaraa.

Konceptualni izgled funkcije ADCa Formiranja stope izmeu Vin i Vref,zatim vodi do najblizeg n'bitniog binarnog integratora1.7 Kola zadrke I uzrokovanja

Kola zadrke uzrokovanja eliminiu dinamike greke iz paralelnih ADC-ova obezbeenjem da se ulazni signal komparatora ne menja kada nastupi takt komparatora. Kada je prekida zatvoren, napon na ekanju kondenzatora prati ulazni signal. Kada se prekida otvori, kondenzator ima ulaznu vrednost u tom trenutku. Ova vrednost se primenjuje na ADC ulaz preko pojaavaa, a nakon ureenja, stabilna vrednost je dostupan za komparator. Tek tada je komparator taktovan, eliminiui problem signala distribucije od pre i sve druge dinamike greke u vezi sa komparatora.Naravno, postoje limiti do dinamikih performansi kola zadrke i uzrokovanja.Jo jedan zajedniki dinamiki problem je otvorena distorzija.Ovo se odnosi na distorziju nastalu zbog nijednog iskljuivanja uzrokovanja sistema. Ovo moe izazvati izoblienja prilikom uzorkovanja visoko-frekventnog signala, jer efektivna taka uzorkovanja na signal moe biti funkcija signala stope promene i pravac. Iz tog razloga, mnogo panje se posveuje dizajnu prekidaa koji se koristi u uzorkovanju i kolu zadrke.

Kola za uzrokovanje i zadrku kod paralelnog ADC-a. Kada se prekida otvori, ulazna vrednost se odrava na kondenzatoru. Kada je ADC ulazna linija setovana do stabilne vrednosti, komparatori su klokovani..

Most kolo ( Grecov spoj) za upotrebu uzorkovanja prekidaa.Kada je prekida ukljuen struje tee u pravcu prikazanom na slici,a kada se iskljui struja obrne smer.

MOS tranzistori mogu se direktno koristiti za uzorkovanje prekidaa, i u poboljau brzine tranzistora koja dovedi do boljeg uzorkovanja i zadrke funkcionisanja.Druga visoko funkcionalna konfiguracija uzrokovanja se esto koristi kao most, koji je prikazan na slici. Struja tee u smeru prikazanom na slici kada je prekida ukljuen. Ulazni signal je povezan na kondenzator zadrke i provode kroz diode D1 do D4. Diode D5 i D6 su iskljuene. Kada se iskljui prekida, struja ne protie. Diode D5 i D6 sada provode, a sve ostale diode su iskljuene. Ulazni signal je izolovan od strane kondenzatora sa zadrkom,ukljuene su diode D1 i D4 a iskljuene D5 i D6.Diodni most za uzrokovanje je esto izraen od otkijevih dioda. One se mogu iskljui veoma brzo, nudei nisku distorziju blende. Vrlo brza i kvalitetno funkcionalna kola za uzrokovanje i zadrku su napravljena na ovaj nain.

1.8 Multiplekseri

Multiplekser je kombinaciona mrea koja obavlja funkciju digitalnog viepoloajnog prekidaa. Na slici je prikazana funkcionalna ema i simbol multipleksera. Signalom SEL (sele kcija) se prekida postavlja u eljeni poloaj, tako da se jedan od n ulaznih signala prikljuuje na izlazni prikljuak Y, ukoliko je aktiviran prekida E (dozvola). Ako je E neaktivan, izlaz e biti logika nula, bez obzira na poloaj prekidaa SEL i vrednost ulaznih promenljivih.

Selekcija ulaza se binarno koduje signalima So,S1,...,Sm-1, pri emu je n=2m. Logika funkcijamultipleksera se moe napisati u obliku:

gde je SELi logiki proizvod od m=log2n promenljivih Si iji je indeks i

Postoje dve vrste multipleksera:analogni I digitalni multiplekseri.Analogi multiplekser se koristi da skenira grupu analognih signala. Alternativno, digitalni multiplekser se koristi za citanje rec po rec u isto vreme sekvencionalno iz skupa reci digitalnih podataka.Kombinaciona mrea koja obezbeduje da se digitalni signal sa jednog ulaza moe proslediti na jedan od n izlaza naziva se demultiplekser. Funkcionalna ema demultipleksera je prikazana na slici i kao to se sa slike vidi, demultiplekser predstavlja inverznu funkciju multipleksera. Da bi se digitalnim signalima selektovao 1 od n izlaza, potrebno je m selekcionih signala, gde je n=2m to je pokazano na simbolu demultipleksera na slici:

Kao demultiplekser moe da se koristi binarni dekoder sa signalom dozvole. Ako se umesto signala E na ulaz dekodera dovede promenljiva X, tada e, za kombinaciju ulaznih promenljivih dekodera i izlazni signal Yi, biti jednak promenljivoj X. S obzirom da ista komponenta moe biti i dekoder i demultiplekser, u katalozima se ove komponente najee nazivaju dekoder/demultiplekser.Korienjem multipleksera i demultipleksera moe se ostvariti prenos digitalnih informacija prekoredukovanog broja spojnih puteva. Ako je n=2m za prenos n jednobitnih digitalnih informacija dovoljno je m+1 spojnih puteva, to je pokazano na slici:

Ukoliko se prenose viebitne digitalne informacije od k bita, za prenos je potrebno k multipleksera I demultipleksera, a broj potrebnih spojnih puteva e biti m + k s obzirom da su selekcione linije zajednike za sve multipleksere i demultipleksere.

Multipleksiranje koje se koristi u short-distance prenos signal je obicno short-distance multipleksiranje. U ovoj metodi, izbor kanala je napravljen u odnosu na vreme.Dakle samo jedan ulazni kanal je povezan sa izlaznim kanalom multipleksora. To je metod koji je ovde opisan.Drugi metod multipleksiranja se koristi posebno u long-distance prenosu nekoliko signala I poznat je kao frequency-division multipleksiranje.

1.8.1 Analogni multiplekseri

Analogni multiplekser omoguava izbor kanala i prenos analognih signala od mernihsistema do kola za digitalnu konverziju, pri emu se dobija na utedi u broju primenjenih kablova I kolima za obradu mernog signala ,Uproena blok ema multipleksera prikazana je na slici .

Kontrolna logika predstavlja jedan dekoder adresa pri emu to moe biti elektronski blok iliblok za automatsko upravljanje prekidaima. Na ovaj nain timing (vremenski) ulaz omoguava rad sa kontrolnim vremenskim signalima ime se vri automatsko upravljanje prekidaima. Prekidai se u ovom nainu rada mogu ukljuivati redom od 1 do n, a mogue je i zadavanje posebne sekvence prema kojoj e se vriti ukljuivanje prekidaa. Na osnovu ovog razlikuju se sledei naini rada multipleksera: sekvencijalno, sa sluajnim pristupom i runo. Kod sekvencijalnog naina rada multipleksera na ulazu u kontrolnu logiku imamo sekvencu koja nam kae kada koji prekida moe biti ukljuen. Sekvenca predstavlja neki vremenski signal koji se ponavlja u vremenu, a moe biti I obian broja koji broji od 1 do n. Multiplekser mora imati logiku koja obezbeuje ukljuivanje prekidaa. Nain rada sa sluajnim pristupom podrazumeva da svaki kanal ima svoju adresu iako je nain rada sa sluajnim pristupom imamo adresno upravljanje prekidaima, to govori da postoji odreeni program za to. Poslednji reim rada multipleksera podrazumeva da se ukljuivanje prekidaa vri runo, pri emu se kontrolor nalazi u dispeerskom centru (kontrolna soba) I ukljuivanje odreenih mernih kanala se vri preko dostupnih prekidaa.

1.8.2 Digitalni multiplekseriesto je neophodno uzorkovati logika stanja razliitih promenljivih jedno nakon drugog iproslediti ih do odgovarajueg izlaza. U takvim sluajevima koristi se multiplekser Zavisno od stanja n-bitnih adresnih ulaza za selekciju podataka, izlaz se spaja sa jednim od Ulaza

Jedna od primena digitalnih multipleksera je paralelno-serijska konverzija, iji sufunkcionalni blokovi prikazani na slici.U ovom primeru nakon to se 32-bitna re dovede uparaleli na ulaze dva digitalna multipleksera, svaki od ovih ulaza se odabira u zavisnosti od stanjabinarnih brojakih izlaza: A B, C, D, E, E . Generator takta se koristi za inkrementiranje brojaa.Na primer, 17-ti bit e se pojaviti na izlazu ako izlazi binarnog brojaa zadovoljavaju uslov: A=1,B=C=D=0 i E=1.

1.9 Digitalni filtri Primena analognih filtera za frekvencije umova ispod 0,1 Hz veoma je sloena i skupa. Radi toga filtriranje niskofrekventnih umova danas se sve vie ostvaruje digitalnim metodamaDiskretni oblik mernog signala je

gdje je k- trenutak vremena koji odgovara kT, T - period uzorkovanja

Ako spektri signala s(k) i n(k) lee u raznim dijapazonima frekvencija, za izdvajanje s(k) moe se primeniti pojasni filter na ijem se izlazu dobiva signal s(k), Linearni diskretni filtri (digitalni) mogu se opisati diferencijalnom jednainom oblika

i diskretnom funkcijom prenosa

Gdje je z = e sT moe se napisati i u obliku impulsnog operatora prenosa

gdje je sF(k 1) = q-1sF(k), sF(k + 1) = qsF(k). Digitalni filter moe biti specificiran u vremenskom ili frekventnom domenu. Specifikacija u vremenskom domenu obino podrazumijeva da impulsni ili jedinini odziv analognog filtra bude jednak ili priblino jednak odzivu digitalnog filtra u trenutcima t = kT, k = 0, 1, 2, za odgovarajui ulazni signal. Specifikacija filtra u obliku amplitudne i fazne karakteristike predstavlja klasian pristup pri sintezi analognog filtra, jednaka specifikacija se moe primjenjivati i pri sintezi digitalnih filtera. Sinteza digitalnog filtera ima dve etape: aproksimacija i realizacija aproksimacije. Pri tome, uvek se polazi od analognog filtra tj. poznatih metoda za sintezu ovih filtera. Prenosna funkcija digitalnog filtra treba da zadovolji obino amplitudno-frekventnu karakteristiku, a ree fazno-frekventnu i kanjenje. Kod prelaska na funkciju prenosa digitalnog filtera sa funkcije prenosa analognog filtera koristi se neka od priblinih aproksimacija, to sve zavisi od toga kakvo se poklapanje karakteristika hoe.

1.10 MERNI MOSTOVI

Merni mostovi su elektrina kola koja omoguuju neposredno poreenje poznatih i nepoznatih veliina koristei indikator koji se dovodi na nulu runim ili automatskim podeavanjem poznatih veliina.Vitstonov most (Weaston-ov most) je osnovni merni most I koristi se za merenje otpornosti .Pomou njega se mogu vriti veoma precizna merenja iako je njegova konstrukcija veoma jednostavna (sl.1)

1. b)sl.1Principska ema mosta prikazana je na sl.1. Otpornici R1-R4 redno vezani obrazuju zatvorenu konturu u obliku kvadrata i. U jednoj dijagonali (BD) je prikljuen indikator, a na izvode druge dijagonale (AC) je prikljuen izvor za napajanje. U optem sluaju vrednosti otpora R1-R4 mogu biti proizvoljne tako da kroz indikacioni instrument protie struja. Meutim, postoji sluaj da za odreeni odnos otpornosti R1-R4 kroz dijagonalu BD ne tee struja. Za taj sluaj se kae da je most u ravnotei i tada su potencijali taaka B i D jednaki. Poto je struja u dijagonali kroz indikacioni instrument jednaka nuli to vae sledee relacije:

i Napon izmeu taaka B i D je jednak nuli pa je:

Poslednja jednaina daje uslov koji moraju zadovoljiti vrednosti otpornosti R1-R4 da bi most bio u ravnotei.

Za konkretno merenje otpornosti pretpostavimo da je otpornik R4 (odn. grana CD na sl.2) nepoznat odn. da je

Tada na osnovu gornje jednaine dobijamo:

Vitstonov most je u ravnotei kada su proizvodi otpornosti u suprotnim granama kola meusobno jednaki

1.10.1 Most za naizmeninu struju

Mostovi za naizmeninu struju se koriste za merenje induktivnosti., kapacitivnosti, impedanse i uestanosti. U granama kola koje formiraju zatvorenu konturu nalaze se impedanse Z1, Z2, Z3 i Z4. U jednoj dijagonali kvadrata nalazi se indikator, dok je na izvore druge dijagonale prikljuen generator naizmenine struje.U optem sluaju kada impedanse Z1, Z2, Z3 i Z4 imaju proizvoljne vrednosti kroz sve grane kola kroz indikator e proticati struja.Do uslova za ravnoteu mosta dolazi se na slian nain kao i kod Vitstonovog mosta. Poto kroz granu sa indikatorom ne protie struja to je:

Na osnovu toga sledi da je uslov ravnotee impedansi:

a kako je to se uslov ravnotee moe napisati u obliku sistema jednaina:

S obzirom na vrstu impedanse razlikuju se Maxvell-ov, Desotijev, Vinov i sl. mostovi.

1.11 Uredjaji za Linearizaciju

Nelinearnost je pristuna u svakom fizickom uredjaju,na razlicitim nivoima.Ako se nivo nelinearnosti u sistemu moze zanemariti a da se ne prekoraci greska tolerancija,onda je sistem linearan.Nelinearnost se u sistemu moze pojaviti u dva oblika:1. Dinamicka nelinearnost2. Staticka nelinearnostNama je od posebnog znacaja linearizacija preko statickih uredjaja.Staticka liearizacija preko uredjaja se moze obaviti na 3. nacina :1. Linearizacija preko digitalnog softvera2. Linearizacija preko digitalnog hardvera3. Linearizacija preko analognih uredjajaAko je nelinearni odnos izmedju ulaza I izlaza nelinearnih uredjaja poznat ,ulaz se moze izracunati na osnovu poznate vrednosti izlaza. U softverskom pristupu linearizacije,processor I memorija koji se mogu programirati preko softvera se koriste za izracunavanje ulaza na osnovu vrednosti izlaza. Koriste se dva pristupa: Inverzna jednacina I tabela za pronalazenje. Kod prvog metaoda,nelinearna k-ka je poznata u analitickoj formi: y=f(u)Pod pretpostavkom da je ovo one-to-one odnos moze se utvrditi jedinstvena inverzna jednacina: u=f-1(y)Ova jednacina je programirana kao algoritam izracunavanja u RAM memoriji racunara.Kada se izlazne vrednosti y sacuvane u racunar,processor izracunava odgovarajuce ulazne vrednosti na osnovu tih izlaznih sacuvanih .Kod tabele za pronalazenje veliki br. Vrednosti parova je smesten u memoriju racunara u obliku tabele uredjenih parova.Onda kada je vrednost izlaza uneta u racunar, processor skenira sacuvane podatke da proveri da li je ta vrednost prisutna.Ako je tako odgovarajuca vrednost izlaza ce se citati I to je linearizovani izlaz.Ako vrednost izlaza nije u tabeli,procesor ce naci vrednost pribliznu toj vrednosti I izracunati odgovarajuci izlaz.U metodi linearizacije preko digitalnog hardvera ,linearizacijoni algoritam je trajno realizovan integrisanim kolima koriscenjem odgovarajucih digitalno logickih kola za obradu podataka kao I memorijskih elemenata.Algoritam I numericke vrednosti se ne mogu menjati bez redizajniranja IC cipa zato sto hardver obicno nema programabilnu memoriju.Metod linearizacije preko hardvera je brzi nego metod linearizacije preko softvera.Linearizacija preko analognih uredjajaPostoje tri njena tipa:1.Kola za kompenzovanje (offset kola)2.Kola koja obezbedjuju proporcionalni izlaz 3.Oblikovanje kriveNelinearnost offseta se moze lako ukloniti pomocu analognih uredjaja.To se lako postize dodavajuci DC kompanzator(offset) iste vrednosti a suprotnoig smera Namerno dodavanje kompenzatora (offseta) se naziva kompenzovanje (offsetting),a povezana uklanjanja originala offseta je poznat postupak kao offset kompenzacija.

Postoje mnoge aplikacije za kompenzovanje.Uoblicavac krive je linearni uredjaj cije pojacanje moze biti podeseno tako da se mogu dobiti odgovarajuce krive sa razlicitim ivicama.Ako pretpostavimo da nelinearni uredjaj ima nelinearnu ilazno izlaznu karakteristiku,potrebno je da je linearizujemo.Prvo ,primenjujemo operacioni ulaz istovremeno sa oba uredjaja I uoblicavacom krive,I pojacanje uoblicavaca krive se podesava tako da se sto tacnije poklapa sa uredjajem u malom opsegu rada.Sada se izlazi uoblicavaca krive mogu koristiti za bilo koji zadatak koji zahteva izlaz uredjaja.

1.12 Analizatori Signala I Uredjaji za Prikazivanje

Nacini prikazivanja el. spektra signal: Prikazivanje signal u vremenskom domenu osciloskopi Prikazivanje signal u frenkvencijskom domenu analizatori signal Prikazivanje signal u tkz. modulacionom domenu analizatori u modulacionom domenuOsciloskopi su bazicni instrumenti za merenje parametara elektricnih signal u vremenskom domenu. Karakterizacija komponenata I podsklopova sistema se moze izvrsiti merenjem odskocnog odziva ,impulsnog odziva ili odziva na signal nekog drugog oblika npr Gausovog oblika. Imamo vie vrsta osciloskopa, meu njima: CRT osciloskop(katodna cijev)Katodna cev je dvodimenzionalni indicator kod kojeg se slika ostvaruje pretvaranjem kineticke energije elektronskog mlaza u svetlost u tacki u kojoj mlaz udara u fosfor. Osnovne komponente katodne cevi su:-Elektronski top,- Otklonski sistem,- Deo za naknadno ubrzavanje, i- Ekran Analogni osciloskopPredstavljaju tip osciloskopa i istovremeno tip u praksi. Koriste se za prikazivanje talasnih oblika signala frekvencija do 1 GHz. Digitalni osciloskopOni se razvijaju u trenutku kada je razvoj mikroprocesora to omoguio. Sa razvojem brzih A/D konvertora, i uvoenjem novih modela mikroprocesora, uz primenu metode uzorkovanja, frekvencijski opseg je proiren na 2 GHz. Zahvaljujui ugraenom mikroprocesoru, digitalni osciloskopi u odnosu na klasine osciloskope imaju dodatne mogunosti, na primer:- brzo postavljanje posm. signala na ekranu katodne cevi, - proirene merne mogunosti, - samokalibracija, - mogunost poveanja i smanjenja prikazanog talasnog oblika. Rad digitalnog osciloskopa se zasniva na uzrokovanju ulaznog analognog signala ,njegovom pretvaranju u digitalni oblik, memorisanju i smetanju u memoriji. Raunarski osciloskopOsnovni delovi osciloskopa su: -katodna cev, -vertikalni pojaava,-horizontalni pojaava, -vremenska baza, -okidni sklop, i -izvor visokog i niskog napona

Analizator signala je bazicni instrument za merenje parametara signal u frekvencijskom domenu. Prikazuje amplitude signal ili neki drugi parameter signal u finkciji frekvencije.Furijeova teorija povezuje vremenski I frekvencijski odziv. Koriscenjem Furijeove transformacije F omogucava prelaz funkcije u vremenskom domenu x(t) u funkciju u frekvencijkom domenu X(f) .Kako su savremeni merni instrumenti najcesce opremljeni mikroprocesorima koristi se najcesce diskretna Furijeova transformacija (DFT) ili brza Furijeova transformacija (FFT) koja zahteva obavljanje znatno manjeg broja operacija.

fs=1/Ts frekvencija uzrokovanja

DFT se izracunava za diskretne ucestanosti ciji je inkrement: = , Ako se iskoristi periodicnost I simetricnost DFT koeficijenata primenom principa dekompozicije moze se znacajno smanjiti broj racunskih operacija sto je iskorisceno za realizaciju FFT-a .

Analizatori u modulacionom domenu daju trecu dimenzijuvremenu I frekvenciji.Ovakvi analizatori omogucavaju prikazivanje npr. frekvencije signal u f-ji vremena,faze signal u f-ji vremenaAnalizator spektra moze da ignorise signal osnovne frekvencije prilikom merenja nivoa harmonica.Osciloskop bi istovremeno prikazao I signal I osnovne frekvencije I sve harmonike.Zbog toga je tacnost merenja harmonijskih distorzija osciloskopom ogranicena na nekoliko procenata,dok se analizatorom signal standardno postize tacnost od 0.01%.Takodje ,kako se frekvencijski opseg merenja moze ,prakticno proizvoljno suziti,analizatori signal mogu znacajno smanjiti prisustvo sumova u merenjima. Osim toga,uskopojasna merenja mogu da eliminisu signale interferencije prilikom merenja.

2.Literatura

M. R. Stojic, Digitalni sistemi upravljanja, Naucna knjiga, Beograd, 1994.S.Lj.Tei, D.M. Vasiljevi: "Osnovi elektronike", Graevinska knjiga, Beograd, 2000M.Hribek, D.Vasiljevi, B.Drakuli: "Elektronika I problemi i reenja", Nauna knjiga, Beograd 1987MITROVI, Miodrg V.Mikrotlsni i tlsni digitlni filtri / Miodrg V. Gmitrovi. - Ni : Elektronski fkultet, 2007.GMITROVI, Miodrg Sintez mre: I deo / Miodrg Gmitrovi. - 1. izd. - Ni : Elektronski fkultet, 2000.STOJANOVI, Vidosv S. Diskretne mree i procesirnje signl / Vidosv S. Stojnovi. - Ni : Elektronski fkultet, 2004.De Silva, Clarence W.,< Mechatronics : An Integrated Approach> Taylor & Francis e-Library2006.

1