Subiecte scada

2,527 views
2,265 views

Published on

Published in: Education
0 Comments
1 Like
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

No Downloads
Views
Total views
2,527
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
2
Actions
Shares
0
Downloads
29
Comments
0
Likes
1
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Subiecte scada

  1. 1. SCADA şi comunicaţii industriale Subiecte examen 1. Comunicaţii de date în structurile moderne de conducere automată. Generalităţi. Modelul comunicaţiilor la nivelul întreprinderii. Nivelul de dispozitiv 2. Comunicaţii de date în structurile moderne de conducere automată. Nivelul de celulă. Nivelul de secţie. Nivelul de fabrică. Reţele industriale în sisteme de conducere → Subiectul 1 & 2, se găsesc în Cap.1 pdf! 3. Sistem de supraveghere şi control a instalaţiilor industriale. SCADA, control supervizor şi achiziţii de date. Introducere. Elementele sistemelor SCADA. Sisteme în timp real 4. Sistem de supraveghere şi control a instalaţiilor industriale. Sisteme de securitate. Comunicaţii 5. Sistem de supraveghere şi control a instalaţiilor industriale. Comunicaţia radio. Unitaţile terminal depărtate 6. Sistem de supraveghere şi control a instalaţiilor industriale. Unităţi master. Senzori, elemente de acţionare şi cablare. Interfaţa operator. Tendinţe în evoluţia sistemelor SCADA → Subiectul 3, 4, 5 & 6, se găsesc în Cap.2 pdf! 7. Componentele hardware ale reţelelor locale industriale. Generalităţi. Elemente de prelucrare şi control. Interfaţa de reţea 8. Componentele hardware ale reţelelor locale industriale. Adaptorul de comunicaţie. Unitatea de acces. Adaptorul de reţea. Conectare prin DMA 9. Componentele hardware ale reţelelor locale industriale. Mediul fizic de comunicaţie. Dispozitive de interconectare → Subiectul 7, 8 & 9, se găsesc în Cap.3 pdf! 10. Măsurări electronice industriale. Introducere. Mediul de măsură industrial. Generalităţi despre prelucrarea numerică a semnalelor 4.1. Introducere Necesitatea de a măsura şi controla funcţionarea utilajelor sau a echipamentelor de proces este la fel de veche ca şi revoluţia industrială. Instrumentaţia de măsură şi control devin acum nervii şi creierul uzinelor moderne. Aceasta reglează şi supervizează operaţiile echipamentelor industriale furnizând şi mijloacele necesare pentru a face uzinele viabile din punct de vedere economic. Folosirea instrumentaţiei de măsură şi control permite folosirea unor procese care ar fi foarte dificil sau chiar imposibil să funcţioneze fără operare automată. Instrumentaţia de măsură şi control poate fi diversificată începând de la un simplu sistem analogic până la sistemele inteligente folosite astăzi, de la un simplu potenţiometru până la analizoare complexe cum ar fi spectrometrele în infraroşu. Pentru toate sistemele avansate, mărimile analogice şi semnalele electrice care le „poartă” sunt componente definitorii. Măsurările analogice pot lua multe forme, dar pot fi clasificate în două tipuri: măsurări fizice şi măsurări compoziţionale. Primele includ măsurarea unor mărimi ca presiune, temperatură, debit, forţă, vibraţie, masă, densitate etc. Al doilea tip include măsurări de PH, conductivitate, analize chimice. Obţinerea, menţinerea şi îmbunătăţirea calităţii acestor măsurători este scopul de bază al circuitelor de condiţionare. O bună condiţionare a semnalelor păstrează calitatea mărimilor de măsurat disponibile şi folosirea optimă a sistemelor de achiziţie în controlul proceselor industriale. Un exemplu al acestui tip de măsurări poate fi monitorizarea vibraţiilor în instalaţiile industriale. Deşi o parte din informaţiile date de amplitudinea şi frecvenţa vibraţiilor nu sunt necesare pentru controlul automat al procesului, cunoaşterea acestora poate oferi suficiente informaţii cu privire la condiţiile de funcţionare şi a stării tehnice a instalaţiei. Măsurările industriale, în funcţie de destinaţia pe care o au, pot fi:
  2. 2. a) Doar pentru indicare Aceste măsurări sunt folosite pentru indicarea stărilor diferitelor elemente din proces, fiind utile pentru monitorizarea proceselor de producţie. De asemenea aceste mărimi pot oferi informaţii necesare operatorului uman în cazul defectării sistemelor de control automate. Un exemplu al acestui tip de măsurări poate fi monitorizarea tuturor temperaturilor în instalaţiile de distilare. Nu toate temperaturile sunt necesare pentru controlul automat al procesului, dar cunoaşterea temperaturii din diferite puncte oferă suficiente informaţii cu privire la condiţiile de funcţionare a fazei în care se află procesul. Aceste informaţii pot să sesizeze operatorului necesitatea intervenţiei manuale ca urmare a defectării sistemelor de control. b) Pentru controlul automat Controlul automat al instalaţiilor industriale este esenţial pentru viabilitatea economică, siguranţa în funcţionare a proceselor industriale, asigurând controlul caracteristicilor fizice sau compoziţionale. c) Măsurări privind stocurile de materiale Aceste măsurări necesită o mare acurateţe, asigurând stabilitatea şi continuitatea procesului de producţie. Ele furnizează informaţii despre stocurile sau necesarul de materie primă şi materiale necesare procesului de producţie, despre transferurile de materiale şi subansambluri de la un punct de lucru la altul. Cunoaşterea acestor informaţii ajută la evitarea blocării procesului de producţie datorită supraaglomerării sau lipsei de materie primă şi materiale. d) Măsurări de mediu Măsurările parametrilor de mediu au o importanţă majoră, în ultimii ani furnizând înregistrări privind deversările de deşeuri industriale şi emanarea de noxe în atmosferă, ce trebuie să fie în conformitate cu legislaţia în vigoare. e) Măsurări de siguranţă Acestea sunt furnizate în întregime de sisteme de măsură separate şi autonome care monitorizează şi limitează situaţiile periculoase. Măsurările determină parametrii critici ai procesului, indicând o eventuală operare nesigură sau un potenţial pericol. Aceste sisteme trec peste sistemele de control şi opresc funcţionarea echipamentelor până la realizarea condiţiilor de siguranţă prescrise. Astfel de sisteme sunt frecvent echipate pentru a înregistra toate evenimentele apărute, permiţând efectuarea de analize ulterioare privind cauzele producerii evenimentului respectiv, în scopul de a putea fi evitat sau controlat în viitor. 4.2. Mediul de măsură industrial Un sistem de măsură şi control industrial poate fi prezentat simplificat ca în figura 4.1. Sunt prezentate doar elementele esenţiale, făcându-se totuşi distincţie între camera de control şi mediul industrial. Prin mediu industrial se înţelege aria în care sunt amplasate echipamentele de producţie sau depozitele de materiale. De asemenea se înţelege cel mai adesea podeaua întreprinderii sau zona exterioară în cazul complexelor industriale. Părţi componente ale sistemului de producţie se află de multe ori în zone diferite, fiind supuse perturbaţiilor electrice şi factorilor de mediu. Echipamentul amplasat aici este supus unui număr mare de perturbaţii electrice datorate surselor de alimentare, motoarelor electrice, precum şi factorilor de mediu ca temperatură, umiditate, medii corozive şi periculoase. De asemenea, mediul industrial este locul din care trebuie preluate mărimile de proces şi unde sunt plasate diferite circuite de condiţionare. Firele de legătură cu echipamentul de măsură
  3. 3. pot fi în apropierea echipamentelor electrice de putere, a contactoarelor de motoare şi a arcurilor electrice. Acolo unde firele de legătură au lungimi de zeci sau sute de metri, probabilitatea interferării cu acest mediu creşte peste limitele admise. Camera de control Camera de control este cel mai „blând” loc din întreprindere, cu atmosferă curată şi aer condiţionat. Aici se găseşte cea mai mare parte a echipamentului electric necesar desfăşurării măsurărilor de calitate. Camera de control conţine de asemenea şi circuite de condiţionare a semnalelor, echipamentele de calcul sensibile de obicei la interferenţe de natură electrică. Camera de control este de asemenea locul de unde oamenii interacţionează cu sistemele de măsură şi control din întreprindere. Există şi excepţii, dar camera de control este locul unde se iau cele mai multe decizii legate de procesul de producţie. Cablurile de legătură Cablurile de conectare a instrumentaţiei din camera de control sunt de obicei cu 16 ÷ 18 perechi cu fir plin. De obicei sunt torsadate pentru a reduce interferenţele datorate cuplărilor magnetice. Ele sunt pozate împreună cu alte fire de semnal, dar departe de cablurile de alimentare de putere. Un număr mare de senzori sau semnale pot fi conectate la blocurile terminale aflate în interiorul camerei de control sau în imediata sa apropiere, pentru o conectare uşoară cu circuitele de condiţionare a semnalelor sau dispozitivele de afişare. În multe cazuri, costul firelor de legătură este o bună parte din costul de instalare al sistemului de măsură şi control. Costul creşte considerabil atunci când cablurile trebuie să străbată zone conţinând vapori sau gaze inflamabile. Riscurile reprezentate de aceste condiţii necesită folosirea unor tehnici adecvate pentru prevenirea focului sau exploziilor cauzate de scântei electrice. CAMERA DE CONTROL MEDIU INDUSTRIAL o o –40 C ÷ +85 C Umiditate ConcentratoareleMediu periculos de date Proces Condiţionare Semnale de măsură Aer condiţionat Operatori umani Operator / Interfaţă proces Condiţionare Sisteme de achiziţie şi
  4. 4. Platforma de lucru Indicare Indicare Acestea pot fi folosite pentru reducerea costului cablurilor de legătură. Aceste dispozitive Înregistrare Motoare / Arcuri electrice Iluminare Surse de alimentare colectează un mare număr de semnale, realizează condiţionarea semnalelor şi conversia numerică a acestora. Datele astfel obţinute sunt transmise direct către echipamentul din camera de control. Surse de perturbaţie Fig.4.1. Sistem de măsură şi control industrial 4.3. Generalităţi despre prelucrarea numerică a semnalelor Sistemele de măsură au ca scop prelucrarea mărimilor electrice sau neelectrice dar convertite în semnale electrice în scopul afişării, prelucrării sau elaborării unei decizii. Sistemul de instrumentaţie este un sistem de măsura complex, adesea computerizat sau cel puţin dotat cu microprocesor şi caracterizat prin posibilităţi de prelucrare a informaţiei provenite din procesul de măsurare. Informaţia reprezintă, într-un sens mai restrâns, date şi detalii relative la un obiect sau eveniment. Semnalul poartă informaţiile de mărime şi timp ce caracterizează evoluţia acelui obiect sau eveniment. Sistemele de instrumentaţie (fig.4.2) sunt destinate prelucrării informaţiilor provenite dintr-un proces de măsură (transformate în semnale electrice) şi nu modificării (transformării) acestor semnale. Ele sunt de regulă sisteme deschise, rolul lor fiind de a realiza atât acţiunea de măsurare propriu-zisă, cât şi de analiză a mărimilor prelevate din proces. KEITHLEY 3327 CHIP TEST FIXTURE LOW HIGH 42V DC MAX P ro c e s te h n o lo g ic S is te m d e tra d u c to are S is te m d e In s tr u m e n ta tie Fig. 4.2. Exemplu de folosire a unui Sistem de Instrumentaţie Din punct de vedere constructiv, sistemele de instrumentaţie pot fi simple sau inteligente când pe lângă măsurarea propriu-zisă sistemul permite şi prelucrarea informaţiilor obţinute prin măsurare precum şi operaţii de corecţie a rezultatelor sau control a condiţiilor de măsură (eliminarea zgomotelor, corecţii de neliniaritate, calibrare automată). Sistemele de instrumentaţie inteligente au în componenţa lor de cele mai multe ori unităţi de prelucrare numerică ceea ce le conferă performanţe ridicate.
  5. 5. Spre deosebire de sistemele de instrumentaţie, sistemele de control (Fig.4.3) sunt destinate atât prelucrării informaţiilor culese prin măsurare cât şi elaborării comenzilor elementelor de execuţie ce acţionează asupra procesului supravegheat. Intrări proces Elemente de execuţie Proces Senzori şi Traductoare Ieşiri proces Procesare analogică Sistem de Instrumentaţie Ieşiri analogice (conversii N/A) Sistem de calcul Condiţionare de semnal Achiziţie de date (conversii A/N) Operator uman Fig.4.3. Structura unui sistem de control Sistemele de control sunt sisteme închise, ce prelevează o stare şi generează comenzi (corecţii) în sensul menţinerii stării într-o evoluţie prestabilită. Sistemele de control pot fi statice sau dinamice. Un sistem de control static are rolul de a menţine ieşirea la o valoare precisă cât mai mult timp, plecând de la mărimea de intrare luată ca referinţă. Un sistem dinamic permite mărimii de ieşire să urmărească cât mai fidel evoluţia intrării ce urmează o lege prestabilită. O categorie specială de sisteme o formează sistemele de măsură cu parametrii controlaţi care urmăresc determinarea mărimii de măsurat în condiţii bine determinate. Un astfel de sistem are atât caracteristici de instrumentaţie cât şi de control. Structura unui sistem de control / instrumentaţie cu parametrii controlaţi include în principiu următoarele componente : - traductoarele ce prelevează mărimile de măsurat; - circuitele de condiţionare a semnalelor ce realizează procesarea analogică a semnalelor (filtrare, izolare, amplificare); - circuitele de achiziţie a datelor ce transformă semnalul analogic de intrare într-o mărime numerică; - sistemul de calcul care realizează analiza şi eventual elaborează deciziile; - circuitele de ieşire analogice care furnizează semnalele prelucrate sau comenzile pentru sistemele în buclă închisă; - blocul de postprocesare analogică care permite interfaţarea cu elementele de execuţie. 4.3.1. Clasificări Prin completarea configuraţiei unui calculator (de regulă un calculator personal – PC) cu elemente din categoria interfeţelor de proces (plăci de achiziţie) se obţine un sistem de
  6. 6. achiziţie a datelor. Noţiunea de sistem de achiziţie este ceva mai generală, fiind incluse aici şi alte sisteme numerice de achiziţie care nu se bazează pe PC. În condiţiile existenţei funcţiilor de conducere, sistemul se va numi sistem de achiziţie şi conducere. Prin sistem de achiziţie a datelor se înţelege un sistem de măsurare care permite vizualizarea şi/sau înregistrarea evoluţiei temporale a mai multor mărimi, analogice şi/sau numerice, poate implementa mai multe regimuri de achiziţie şi permite diverse prelucrări numerice. Principalele regimuri de achiziţie implementate de sistemele de achiziţie a datelor sunt următoarele: - regimuri de achiziţie pentru afişare locală (Digital Panel Meter) – permit măsurarea numerică a mai multor mărimi în scopul unor monitorizări locale. Tot odată pot fi realizate şi prelucrări numerice simple de tipul liniarizării caracteristicilor senzorilor. Valorile măsurate nu se memorează, dar pot fi transmise la distanţă; - regimuri de achiziţie de lungă durată (Data Logger) – permit memorarea evoluţiilor temporale ale mărimilor măsurate, putându-se face prelucrări ulterioare ale informaţiilor; - regimuri de achiziţie de scurtă durată (Transient Recorder) – permit vizualizarea şi/sau înregistrarea unor regimuri tranzitorii, sau a unor secvenţe numerice nerepetitive. Modul de desfăşurare a achiziţiei de date depinde de un eveniment de tip trigger, prin care se defineşte zona de interes din evoluţiile analizate. Se pot întâlni două moduri principale de achiziţie: -modul posttrigger; -modul pretrigger. Modul posttrigger realizează achiziţia unui număr specificat de eşantioane după apariţia unui eveniment trigger, adică după recepţionarea unui semnal trigger (de sincronizare). După ce bufferul care stochează datele achiziţionate (de lungime specificată de utilizator) este plin, achiziţia este stopată. În cadrul modului pretrigger datele sunt achiziţionate continuu, înainte şi după primirea unui semnal trigger. Datele sunt colectate într-un buffer precizat de utilizator până când se recepţionează semnalul trigger. După aceasta, sistemul de achiziţie va mai colecta un număr specificat de eşantioane după care stopează achiziţia. Bufferul este tratat ca un buffer circular, adică după ce întregul buffer este completat, datele sunt stocate de la început prin suprascrierea datelor vechi. La terminarea achiziţiei, bufferul conţine eşantioane dinaintea şi după apariţia semnalului trigger. Numărul de eşantioane salvate în buffer depinde de lungimea acestuia (specificată de utilizator) şi de numărul specificat de eşantioane ce trebuie achiziţionat după apariţia semnalului trigger. Pe lângă aceste variante principale, în funcţie de firmele producătoare de sisteme de achiziţie s-au dezvoltat tehnici de achiziţie care derivă din acestea, un exemplu fiind modul de achiziţie de tip double-buffered, dezvoltat de National Instruments, care utilizează o tehnică asemănătoare cu modul pretrigger, completând bufferul specificat de utilizator în mod continuu. Spre deosebire de modul pretrigger, aici se apelează la un al doilea buffer, care preia datele vechi din primul buffer, înainte ca acestea să fie suprascrise.
  7. 7. Sarcina fundamentală a sistemelor de achiziţie şi conducere este măsurarea şi/sau generarea semnalelor fizice din lumea reală. Diferenţa de bază între diversele opţiuni de realizare hardware este metoda de comunicare între hardware-ul de achiziţie şi sistemul de calcul. Din acest punct de vedere putem clasifica hardware-ul de achiziţie în două categorii principale: - hardware (plăci) de achiziţie de uz general; - hardware de achiziţie special (instrumente sau aparate de măsurare speciale). Echipamentele din prima categorie stau la baza sistemelor de achiziţie de tip instrument virtual, iar cele din a doua categorie la baza sistemelor de achiziţie cu aparatură de măsură programabilă şi a sistemelor de achiziţie dedicate. 4.3.2. Sisteme de achiziţie a datelor tip Virtual Instrument – VI Acest tip de sistem este obţinut prin conectarea unei plăci de achiziţie la un calculator şi prin utilizarea unor module exterioare de cuplare. Plăcile de achiziţie asigură realizarea unor funcţii cum ar fi condiţionarea de semnal, măsurarea numerică propriu-zisă, conectarea informaţională cu calculatorul. Calculatorul asigură la rândul său funcţii cum ar fi interfaţarea cu placa de achiziţie, controlul achiziţiei datelor, stocarea datelor, prelucrări complexe ale informaţiilor. Plăcile de achiziţie folosite în cadrul sistemelor de achiziţie tip Virtual Instrument pot fi de mai multe tipuri dar se pot încadra în două categorii principale: plăci de achiziţie universale şi plăci de achiziţie complexe (dedicate). Plăcile de achiziţie universale asigură prelucrări analogice minime, oferă ieşiri numerice şi analogice pentru a putea fi folosite în conducerea proceselor şi asigură funcţiile numerice minimale. Plăcile complexe rezolvă în plus cerinţe de prelucrări speciale, cum ar fi analiza spectrală, regimuri tranzitorii, măsurări de precizie, achiziţii de tip adaptiv care urmăresc viteza de variaţie a mărimilor analogice etc. 4.3.3. Sisteme de achiziţie cu aparatură de măsură programabilă Aparatura de măsură utilizată este cea din categoria multimetrelor, osciloscoapelor digitale, generatoarelor de funcţii, iar cuplarea la procesul fizic măsurat este directă. Standardul de cuplare este de obicei de tip GPIB (IEEE 488). Aceste sisteme implementează de obicei regimuri de achiziţie de tip Data Logger şi uneori de tip Transient Recorder. 4.3.4. Sisteme de achiziţie dedicate Sunt sisteme de achiziţie configurate pentru procese industriale complexe sau componente elementare ale unor sisteme distribuite de măsurare şi monitorizare. De regulă, aceste sisteme de achiziţie sunt impuse de firmele puternice din domeniu (National Instruments, Analog Devices, Tektronix etc.), fiind conturată încadrarea acestor sisteme dedicate în standardul VXI. VXI (VME eXtensions for Instrumentation) defineşte un protocol standard de comunicaţie care utilizează comenzi ASCII pentru controlul instrumentelor de măsură, asemănător cu GPIB. 11. Măsurări electronice industriale. Prelucrarea semnalelor în sistemele de măsură numerice 4.4. Prelucrarea semnalelor în sistemele de măsură numerice
  8. 8. Un semnal este o entitate fizică capabilă atât cantitativ cât şi calitativ să poarte informaţie. Lumea înconjurătoare abundă în exemple de semnale. Omul este creatorul unui număr foarte mare de semnale de regulă de natură electrică. Cu toate acestea există foarte multe surse de semnale neelectrice (biologice, acustice, mecanice). În general acestea sunt posibil de modelat prin semnale electrice (tensiune sau curent). 4.4.1. Semnale analogice şi semnale numerice Prin semnal analogic se înţelege o mărime fizică de regulă electrică ce poate fi reprezentată printr-o funcţie de timp care poate lua valori într-un domeniu de variaţie bine precizat : x :T → M x = f (t ), (4.1) t ∈T , x ∈ M în care T este mulţimea momentelor de timp, M este mulţimea eşantioanelor semnalului, x este descrierea semnalului ce asociază fiecărui 1element t ∈ T un element x∈M bine definit, numit eşantionul semnalului x la momentul de timp t. Daca T ⊂ Z orice semnal definit pe T se numeşte discret iar dacă T ⊂ R semnalul se numeşte continuu. Dacă M ⊂ R semnalele au valori reale şi se spune despre aceste semnale că sunt analogice putând reprezenta măsuri ale mărimilor din lumea înconjurătoare. Daca M ⊂ Q şi este numărabilă, semnalul este cuantizat şi este posibilă reprezentarea sa numerică (codificarea sa) . Din punct de vedere al posibilităţii de cunoaştere a evoluţiei lor în timp, semnalele pot fi : - deterministe ce au valori bine precizate şi eventual descrise de legi de variaţie cunoscute; - aleatoare ce au valori ce pot fi măsurate cu o anumită probabilitate. În această categorie se includ zgomotele. Exemple de semnale: a) semnale continue x( t ) = sin( t ) (4.2) x( t ) = at + b b) semnale discrete x( nt0 ) = sin( nt0 ), n ∈ Z ,t0 ∈ R (4.3) c) semnale cuantizate M = { x | x = mq , q ∈Q , m ∈ Z } (4.4) x(t) t x(k) k -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 Fig.4.4. Semnal continuu şi discret
  9. 9. Un semnal discret şi cuantizat se numeşte semnal numeric (digital) şi poate fi prelucrat prin metode numerice. Transformarea semnalelor analogice în semnale numerice se face prin eşantionare şi cuantizare, operaţii ce formează digitizarea. Procesul este ireversibil în sensul că prin aceste operaţii se pierde o parte din informaţia purtată de semnalul analogic iniţial. Dacă această pierdere este acceptabilă, se poate apela la metodele numerice de prelucrare a semnalelor, putânduse reconstrui parţial un semnal numeric prin netezire (interpolare, filtrare). Pentru semnalele discrete se pot folosi notaţiile x (kt0) sau x (k) , k ∈ Z deoarece t0 este constant. Eşantionarea şi cuantizarea stau la baza circuitelor de conversie a datelor (conversie analog numerică). x (t) eşantionare x (kt0) cuantizare xq (kt0) Cele mai importante semnale utilizate în descrierea fenomenelor de conversie şi prelucrare a semnalelor sunt : - 1, pt.k = 0 d (k ) =  0, pt.k ≠ 0 - (4.5) σ (k ) k 1 k rk(k) (4.6) 1 Semnalul dreptunghiular neperiodic: 1, pt.0 ≤ k ≤ K − 1 rk (k ) =  0, în.rest - d (k ) Treapta unitate: 1, pt.k ≥ 0 σ (k ) =  0, pt.k < 0 - 1 Impulsul unitar : (4.7) k k Semnal sinusoidal de perioadă N:  2π  x( k ) = A sin  (k + k0 )  N   1 xk() (4.8) Spunem că un semnal discret este periodic cu perioada K dacă x (k) = x (k + K) pentru toate valorile lui k. Dacă un semnal este definit pentru un număr finit K de eşantioane, el se numeşte semnal de durată limitată, K reprezintă durata unui astfel de semnal :  x(k), pt.k 0 ≤ k ≤ k 0 + K − 1 x(k) =  0, în.rest (4.9) 4.4.2. Eşantionarea semnalelor Eşantionarea unui semnal analogic constă în prelevarea valorilor semnalului la momente de timp, de regulă echidistante, t0 (interval sau perioadă de eşantionare). Eşantionarea ideală se realizează prin înmulţirea semnalului analogic x (t) cu un tren de impulsuri ideale definit ca mai jos:
  10. 10. + ∞ δ∞( t ) = ∑ ( t −kt0 ) δ (4.10) k= ∞ − Se obţine un semnal xs (t) numit semnal eşantionat de forma : x s (t) = x(t)δ ∞ (t) = +∞ ∑ x(kt k =−∞ 0 )δ (t − kt 0 ) (4.11) Spectrul semnalului eşantionat XS(ω) constă în repetări periodice axate faţă de kω0 ale spectrului original denumite spectre secundare. Pentru a reface semnalul iniţial este necesar ca aceste spectre secundare să poată fi eliminate. Acest lucru este posibil doar dacă ω 0 >2ωm în caz contrar semnalul original nu poate fi reconstituit în întregime. Acest rezultat este cunoscut sub numele de teorema eşantionării (Shannon) care precizează că pentru reconstrucţia unui semnal de bandă limitată la fB din eşantioanele sale, preluate cu o frecvenţă de eşantionare f s este necesar ca frecvenţa de eşantionare să fie cel puţin dublă faţă de frecvenţa maximă f B, din spectrul semnalului. Frecvenţa fs/2 se numeşte frecvenţă Nyquist. În figura 4.5 sunt prezentate spectru semnalului, spectrele secundare în cazul respectării şi nerespectării frecvenţei Nyquist precum şi caracteristica filtrului necesar pentru a nu apare fenomenul de aliere. Deoarece în practică este imposibil de realizat un filtru ideal de obicei se ia f s≥(4-10) fB . Aceste filtre se numesc filtre antialias. După eşantionare semnalul este cuantizat. Eşantionarea reală utilizează în locul trenului de impulsuri ideale δ∞(t) cu un tren de impulsuri reale S(t). S (t ) = +∞ ∑ce k =−∞ k − j ϖ0 kt  k πτ  sin  ÷ t τ având coeficienţii ck = =  0  k πτ t0 t0 (4.12) Aceşti coeficienţi au un maxim pentru k=0 şi descresc progresiv. Spectrul de frecvenţă va fi: X s ( ω) = ∞ ∑ c X ( ω − kω ) (4.13) 0 k k =−∞ | XS(ω) | f -fB 0 | XS(ω) | fB fs/2 f -fB 0 | XS(ω) | fB fs/2 fs- fB fs fs+ fB f | XS(ω) | 0 fs/2 fs Filtru antialias f fB 0 Fig. 4.5. Spectrul semnalelor eşantionate
  11. 11. 4.4.3 Cuantizarea semnalelor Cuantizarea semnalelor este o operaţie strict necesară în vederea conversiei lor numerice. Pentru realizarea cunatizării se împarte domeniul de variaţiei finit al semnalului în clase echidistante : iq − q q < x ≤ iq + , pt. i = 0, ±1, ±2,.... 2 2 (4.14) unde x este valoarea semnalului iar q este mărimea cuantei care caracterizează clasa de apartenenţă i. Prin cuantizare se înlocuieşte valoarea x a semnalului cu centrul clasei de apartenenţă cea mai apropiată. Ieşirea cunatei poate fi scrisă : x q = x + εq (4.15) unde εq este eroarea de cuantizare (zgomot de cuantizare). Datorită acestei erori orice valoare de intrare cuprinsă în intervalul (x-q/2 , x+q/2] va produce aceeaşi ieşire cuantizată xq. Este evident faptul că eroarea de cuantizare depinde de pasul ales q. Apare necesitatea găsirii unui optim căci un pas prea mare nu va satisface cerinţele de rezoluţie, iar un pas prea mic va produce date redundante. 4.4.4. Conversia analog numerică privită ca proces de eşantionare şi cuantizare Operaţia de eşantionare este realizată cu circuite de eşantionare şi memorare, iar operaţia de cuantizare este realizată cu circuite de conversie numite şi dispozitive de cuantizare. Pentru a respecta restricţiile impuse de teorema eşantionării se utilizează filtre antialias care să limiteze banda semnalului de intrare. Astfel schema bloc a unui convertor analog numeric este prezentată în figura 4.6. δ∞(t) x(t) Filtru ANTIALIAS xs(t) δ∞(t Dispozitiv de cuantizare xq(k) ) Fig.4.6 Conversia analog numerică 4.4.5. Conversia numeric analogică şi ireversibilitatea reconstituirii semnalului Din formă numerică în formă analogică se poate ajunge prin operaţia de conversie numericanalogică, operaţie ce ar trebui să fie inversă celei analog-numerice. În realitate prin eşantionarea semnalului pierde parţial o parte din componentele sale spectrale, datorită limitării benzii prin filtrul antialias. Presupunând că acest efect este neglijabil sau semnalul de intrare este deja de bandă limitată se poate admite că este posibilă reconstituirea completă a semnalului x(t). Prin cuantizare se produce însă o pierdere de informaţie ireversibilă datorită erorii de cuantizare intrinseci. Această eroare poate fi minimizată dar niciodată eliminată. Se poate observa că prin conversie numeric-analogică se obţine doar o aproximaţie a semnalului iniţial, cu atât mai bună cu cât eroarea de cuantizare este mai mică şi deci rezoluţia mai ridicată. Conversia N/A permite obţinerea unui număr finit de valori analogice pentru un semnal, ceea ce face ca acesta să nu capete încă aspectul unui semnal analogic. În practică se utilizează interpolarea cu filtre de netezire, care apropie foarte mult semnalul obţinut de cel original. Figura 4.7 prezintă schema bloc specifică procesului de conversie numeric-analogic.
  12. 12. xq(k) Convertor numeric-analogic xq(t) Filtru de netezire ~ x(t) Fig.4.7. Procesului de conversie numeric-analogic. Semnalul numeric xq(t) este transformat într-un semnal aproape analogic cu ajutorul unui % convertor N/A. Aproximaţia semnalului analogic iniţial x ( t ) se obţine după netezire cu un filtru trece jos de ordinul 1 sau 2. 4.4.6. Circuitul de eşantionare-memorare Un circuit de eşantionare şi memorare (CEM) realizează extragerea (prelevarea), la un moment dat a valorii unui semnal analogic (tensiune electrică) de intrare u i, memorarea acestei valori ue şi menţinerea constantă a acesteia pe toată durata efectuării prelucrării (fig.4.8) S/H În starea de eşantionare impusă prin nivelul 1 logic al semnalului de comandă S/H, CEM funcţionează ca repetor, semnalul la ieşire ue urmărind semnalul de la intrare ui. Frontul de coborâre al semnalului de comandă S/H determină memorarea valorii tensiunii de la intrare u i de t ui ue semnal tensiunii de intrare este menţinută la la momentul corespunzător frontului. Această valoare a de CE ui ieşirea CEM pe intervalul corespunzător stării de intrare memorare impus prin nivelul 0 logic al ue M semnalului deS/H comandă S/H. Aceste circuite de eşantionare şi memorare se utilizează atât în t sistemele de achiziţie a datelor cât şi în sistemele de distribuţie de date. În mod obişnuit circuitele de eşantionare şi memorare au amplificare unitară. Ele pot fi semnal eşantionat considerate pe bună dreptate memorii analogice a căror funcţionare este asemănătoare cu cea a Fig. 4.8. - un condensator este încărcat memoriilor dinamice Circuit de eşantionare şi memorare la valoarea semnalului de intrare (eşantionare) şi apoi este utilizat pentru a păstra valoarea pe durate de timp finite (memorare) Într-un sistem de achiziţie de date ieşirea CEM este conectată la intrarea CAN. În intervalul corespunzător efectuării unei conversii analog-numerice, circuitul de eşantionare şi memorare este comandat în stare de memorare pentru a menţine constantă tensiunea la intrarea CAN. Se obţine astfel mărirea valorii limitei superioare a domeniului de frecvenţă pentru semnalului de intrare cu utilizarea CAN la rezoluţia maximă, dată de numărul de biţi ai acestuia. Se precizează că acest deziderat este atins dacă tensiunea de la intrarea CAN nu se modifică în intervalul efectuării conversiei cu mai mult de ±1/2 LSB. În sistemele de distribuţie a datelor, circuitele de eşantionare şi memorare sunt utilizate pentru reconstituirea semnalelor multiplexate în timp. Prezenţa CEM înaintea CAN nu este în mod obligatoriu necesară. În cazul în care semnalele analogice sunt statice sau cvasistatice (lent variabile în timp) se poate renunţa la aceste circuite mai ales dacă variaţia semnalului analogic, pe durata conversiei, este mai mică decât
  13. 13. erorile ce le-ar putea introduce procesul de eşantionare şi memorare. În cazul semnalelor cu variaţii rapide circuitele de eşantionare şi memorare sunt obligatorii. Caracteristicile circuitului de eşantionare şi memorare (CEM) Un circuit de eşantionare şi memorare ideal ar trebui să comute regimurile de lucru instantaneu, timpii de stabilizare ar trebui sa fie nuli iar durata memorării infinită. Din păcate în practică aceste deziderate nu pot fi îndeplinite. Se prezintă în continuare principalele caracteristici ale unui pe baza caracteristicii de funcţionare prezentată în fig.4.9. Memorare S/H Eşantionare • Eroarea staţionară – reprezintă abaterea de la amplificarea unitară sau cea prescrisă prin datele de catalog • Eroarea de decalaj – reprezintă valoarea tensiunii de ieşire pentru o tensiune de intrare nulă ui ui alterare • Timpul de apertură tap, reprezintă intervalul dintre frontul de comandă al stării de ue ue semnal memorare pentru CEM şi trecerea efectivă a acestuia în starea de memorare; are semnificaţia unei inerţii a circuitului la aplicarea comenzii. Rezultă că, în procesul de achiziţie, fronturile de comandă ale stării de memorare trebuie să fie decalate cu t ap înainte faţă de momentele impuse de prelevare a eşantioanelor.diafonie Instabilitatea timpului de apertura tap reprezintă limita maximă a variaţiilor aleatoare ale timpului de apertură. Rezultă ca valorile memorate ale eşantioanelor sunt afectate de erori cu limita maxima: tap εmax =Pmax ⋅t ap ts (4.16) unde Pmax reprezintă panta maxima a semnalului de intrare ui. tac În procesul de achiziţie, eroarea εmax trebuie să satisfacă relaţia: Fig. 4.9. Caracteristica CEM εmax =Pmax ⋅ t ap ≤ 1 LSB 2 (4.17) • Timpul de stabilizare ts la comutarea CEM în starea de memorare reprezintă intervalul dintre momentul de sfârşit al timpului de apertură şi momentul reducerii amplitudinii oscilaţiilor la
  14. 14. ieşirea CEM sub valoarea 1/2 LSB. Un proces de conversie-analog numerica se declanşează numai după stabilizarea ieşirii CEM în starea de memorare, adică după sfârşitul timpului de stabilizare ts. Modificarea tensiunii ue de la ieşirea CEM în starea de memorare este caracterizată prin panta de variaţie a acesteia (ue/t), numită viteza de alterare. Alterarea tensiunii u e de la ieşirea CEM în starea de memorare până în momentul terminării conversiei analog-numerice trebuie să fie mai mică de 1/2 LSB. Diafonia caracterizează variaţia tensiunii de ieşire în starea de memorare datorită variaţiilor tensiunii de intrare. • Timpul de achizitie tac reprezintă intervalul de timp dintre momentul aplicării frontului de comandă al stării de eşantionare şi momentul în care ieşirea CEM urmăreşte intrarea acestuia cu o precizie dată (eroare mai mică de 1/2 LSB). Acest timp de achizitie apare datorită intârzierii la comanda de comutare în starea de eşantionare, datorită vitezei limitate de variaţie a tensiunii de la ieşirea CEM precum şi procesului oscilatoriu premergător stabilizării tensiunii de la ieşirea CEM. Timpul de achiziţie reprezintă o caracteristică importantă a CEM care limitează, în procesul de achiziţie, frecvenţa de eşantionare (frecvenţa de culegere a valorii semnalelor). 4.4.7. Ansamblul CEM – CAN În continuare se prezintă modul de comandă al ansamblului CEM - CAN în corelaţie cu caracteristicile celor două componente ale ansamblului (figura 4.10). u u b1 b2... bN i CEM Semnalele de control ale CANe sunt: CAN − Start Conversie care permite declanşarea procesului de conversie analog-numerică prin fronturile crescătoare ale acestui semnal; Stare Start − Stare Conversie care indică prin nivelul logic 1 efectuarea de către CAN a unei conversii şi Conversie Conversie S/H deci prin frontul descrescător indică sfârşitul conversiei analog-numerice. Fig.4.10. unui eşantion (realizării unei conversii analog-numerice), CEM este În scopul achiziţiei Ansamblul CEM–CAN - structura de principiu comandat în starea de memorare la momentul t1 (fig.4.11). S/H Start Conversie Stare Conversie b1 b2... bN t t t t t4 t3 t1 t2 Declanşarea conversiei analog-numerice se realizează la momentul t 2, după stabilizarea Ansamblul CEM–CAN - diagramele de timp t ieşirii CEM: t 2 −tFig.4.11.+t s 1 ≥ ap
  15. 15. Momentul t3 reprezintă sfârşitul convesiei analog-numerice moment precizat de comutarea la nivel 0 logic a semnalului Stare Conversie. Rezultă t 3 −t 2 =TC unde TC este timpul de conversie al CAN. Tot la momentul t3, CAN încarcă liniile de ieşire b1 b2 ... bN cu rezultatul conversiei şi se comandă CEM în starea de eşantionare. Această stare este menţinută până la momentul t 4 astfel încât t 4 −t 3 ≥t ac unde tac este timpul de achiziţie al CEM. Perioada de achiziţie minimă Tacmin caracteristică ansamblului CEM - CAN reprezintă intervalul de timp minim între momentele de prelevare a două eşantioane consecutive. Tac min =t 4 −t1 =t ap +t s +TC +t ac Rezultă deci că: (4.18) 4.4.8. Principii constructive ale CEM Simbolul frecvent folosit pentru descrierea circuitelor de eşantionare şi memorare în schemele bloc este un comutator în serie cu un condensator, unde R i reprezintă rezistenţa internă a sursei de semnal. Ri VIN VOUT CH S/H Fig. 4.12. Simbolizare CEM Comutatorul controlează modul de lucru al dispozitivului, iar condensatorul memorează valoarea tensiunii. Un circuit de eşantionare şi memorare poate folosi doar aceste componente, dar cu performanţe foarte scăzute. Studiind deficienţele rezultate din această schemă se trag concluzii privind componentele ce trebuie adăugate pentru îmbunătăţirea performanţelor circuitului. În primul rând, în modul urmărire, timpul de încărcare al condensatorului este dependent de impedanţa sursei de intrare. O sursă cu impedanţă mare de intrare va da o constantă mare de timp RC, având ca rezultat creşterea timpului de achiziţie. Pentru a ameliora acest efect se foloseşte la intrare un circuit de adaptare de impedanţă cu amplificator operaţional în configuraţie repetoare ce trebuie să suporte o sarcină capacitivă. Timpul de achiziţie devine astfel independent de impedanţa sursei şi este foarte mic având în vedere impedanţa foarte mică de ieşire a amplificatoarelor operaţionale. În al doilea rând, în modul memorare condensatorul se va descărca pe sarcina de ieşire. Deci viteza de degradare a tensiunii memorate va fi dependentă de sarcina de ieşire ce nu poate fi foarte mare. Pentru a ameliora acest dezavantaj, un amplificator repetor va separa de asemenea condensatorul de circuitul de ieşire. În consecinţă, pentru a încărca şi memora o valoare de tensiune pe condensator, circuitul practic de eşantionare şi memorare include adaptare de impedanţă atât pe intrare, cât şi pe ieşire. Există două variante de bază ale acestei structuri: în buclă deschisă sau buclă închisă în funcţie de reacţia folosită. La arhitectura în buclă deschisă, figura 4.13, la intrare şi la ieşire se folosesc amplificatoare operaţionale în configuraţie repetoare. VIN S/H -A + -A + 1 CH Fig. 4.13. CEM în buclă deschisă 2 VOUT
  16. 16. Amplificatorul operaţional de intrare A1 asigură o impedanţă mare de intrare a CEM şi impedanţa mică pentru încărcarea condensatorului C în starea de eşantionare ceea ce conduce la un timp de achiziţie redus (constanta de timp de încărcare a condensatorului T i = f (RA1 C) unde RA1 este impedanţa de ieşire a amplificatorului A1. Amplificatorul operaţional de ieşire A2 este realizat cu tranzistoare cu efect de câmp (FET) astfel încât în circuitul de intrare se obţine o impedanţă foarte mare conducând la descărcarea lentă a condensatorului (constanta de timp de descărcare a condensatorului T d = f (RA2 C), unde RA2 este impedanţa de intrare a A2 rezultând astfel o viteză de alterare redusă. Valorile capacităţii condensatorului de memorare C se aleg în funcţie de caracteristicile aplicaţiei în care se utilizează respectivul CEM. Astfel, creşterea valorii capacităţii condensatorului de memorare conduce la creşterea timpului de achiziţie al CEM, dar la scăderea vitezei de alterare a tensiunii de ieşire în starea de memorare. Scăderea valorii capacităţii condensatorului de memorare conduce la scăderea timpului de achiziţie, dar la creşterea vitezei de alterare a tensiunii de ieşire în starea de memorare. Se utilizează o valoare care realizează astfel un compromis între cele două caracteristici: timp de achizitie şi respectiv viteză de alterare. Pentru obţinerea unor performanţe ridicate condensatorul de memorare trebuie să aibă curent mic de pierderi prin izolaţie având dielectricul din polistiren sau teflon. Reducerea erorilor de decalaj ale CEM se poate obţine prin includerea celor două amplificatoare operationale A1 şi A2 într-o buclă de reacţie globală, ca în figura 4.14. VIN -A + -A + 1 2 VOUT CH S/H Fig. 4.14. CEM în buclă închisă Efectul principal al utilizării reacţiei globale constă practic în eliminarea erorilor de decalaj corespunzătoare amplificatorului de ieşire A2. Rezultă că în cazul structurii de principiu din fig.4.14, erorile de decalaj ale CEM sunt date doar de amplificatorul operaţional de intrare AO 1, care trebuie ales cu deriva redusă a tensiunii de decalaj. În ambele cazuri ( buclă închisă sau deschisă ) pe durata memorării, deoarece bucla de reacţie este întreruptă sau lipseşte, amplificatorul de intrare se saturează şi la trecerea în starea de eşantionare intrarea trebuie reachiziţionată, chiar dacă semnalul de intrare nu a suferit nici o modificare. Pentru a evita intrarea în saturaţie a amplificatorului A 1 se poate folosi următoarea schemă pentru circuitul de eşantionare şi memorare ( figura 4.15.) R VIN S/H -A + D1 D2 -A + 1 2 VOUT CH Fig. 4.15. CEM –schemă îmbunătăţită Când comutatorul este închis (stare de eşantionare) cele două amplificatoare lucrează ca repetor într-o buclă de reacţie globală, diodele D1 şi D2 fiind blocate. Când comutatorul este deschis (stare de memorare) una din cele două diode ( D 1 sau D2) va conduce având rolul de a preveni saturaţia ieşirii amplificatorului A1 şi de a permite ca acesta să-şi reia rapid rolul la trecerea în starea de eşantionare. 12. Măsurări electronice industriale. Sisteme electronice de măsură cu aparatură programabilă
  17. 17. 4.5. Sisteme electronice de măsurare cu aparatură programabilă 4.5.1. Consideraţii generale Se prezintă, procesoarele specializate pentru măsurări, şi procesoare de uz general, deoarece acestea din urmă pot fi utilizate şi în diverse aplicaţii de măsurare automată. Orice proces de măsurare conţine următoarele elemente principale: - măsurandul, sau mărimea de măsurat; - metoda de măsurare; - aparatul de măsurat; - etalonul. Dacă mărimea de măsurat rămâne neschimbată în timp, dezvoltarea ştiinţei contribuind numai la creşterea mulţimii măsuranzilor, celelalte trei elemente ale procesului de măsurare au cunoscut transformări majore pe diverse trepte de dezvoltare tehnologică a societăţii. Elementul cel mai dinamic dintre toate este aparatul de măsurat. Perfecţionarea lui continuă produce modificări şi asupra celorlalte elemente ale procesului de măsură, respectiv metoda de măsurare şi etalonul. În domeniul măsurărilor electrice şi electronice, aparatele de măsurat au trecut prin următoarele etape de dezvoltare: - aparate de măsurat analogice; - aparate de măsurat numerice; - aparate de măsurat numerice, cu microprocesor; - plăci de achiziţie de date cuplate la calculator PC. O etapă nouă nu exclude automat una anterioară ei. Există încă numeroase aparate de măsurat analogice sau numerice care afişează mărimea măsurată fără a o prelucra. Separarea ultimelor două etape din clasificarea propusă este desigur discutabilă. Aparate de măsurat numerice, cu microprocesor de uz general sau specializat, care comunică prin interfeţe standard cu un calculator central constituie soluţia modernă de realizare a unui sistem descentralizat. Acesta permite supravegherea unui mare număr de senzori, respectiv trimiterea unui mare număr de comenzi cu viteza şi precizia impusă de proces. Descentralizarea permite eliberarea calculatorului central de o serie de sarcini care sunt lăsate în seama subsistemelor periferice. Prezenţa microprocesorului în fiecare aparat de măsură periferic îi atribuie acestuia o "inteligenţă" locală, deci posibilitatea de a achiziţiona informaţie din proces, de a o prelucra şi, la nevoie, chiar de a lua decizii în limitele programelor conţinute de fiecare unitate. Evident că deciziile majore sunt luate de calculatorul central care supervizează activitatea unităţilor locale. Această structură duce în esenţă la creşterea flexibilităţii sistemului şi a capacităţii lui de a răspunde la rezolvarea unor sarcini complexe de măsurare, comandă şi reglare. Deja putem vorbi de o prelucrare paralelă a informaţiei în sistem. Cercetările efectuate au pus în evidenţă că folosirea plăcilor de achiziţie de date cuplate la calculator, PC sau staţie de lucru, reprezintă soluţia actuală şi de perspectivă în măsurări. În multe aplicaţii numărul de parametri măsuraţi este redus şi se poate folosi o structură de sistem centralizat cu un PC. Nimic nu ne împiedică să folosim la nevoie şi o structură descentralizată în care un PC să fie pe post de subsistem periferic local. Trebuie făcută însă o analiză competentă asupra aplicaţiei pentru a evita o risipă de resurse hardware. Oricum, această etapă nu contravine conceptului de structură descentralizată. Separarea ultimelor două etape de dezvoltare a aparatelor de măsurare se poate face şi din punct de vedere software. Aparatul de măsurat numeric cu microprocesor conţine un software specializat, cu posibilitate de elaborare a unor decizii logice la stabilirea unor condiţii determinate. Programele sunt înscrise de regulă într-o memorie PROM şi ele realizează funcţionarea independentă a aparatului cu afişaj numeric şi protocolul de comunicaţie pe o magistrală standard cu alte aparate similare sau cu un calculator. Pentru ultima etapă există numeroase pachete de software performant, cu largi posibilităţi de achiziţie, prelucrare a datelor şi
  18. 18. afişare a rezultatelor, aducând în plus posibilitatea comportării adaptive în raport cu modificarea unor parametri ai procesului de măsurare sau de realizare a unor sisteme de măsurare cu autoinstruire. Motivele care ar putea duce la schimbare în domeniul măsurărilor pot fi viteza şi precizia. Odată cu apariţia microprocesoarelor, funcţiile ce depăşeau un anumit grad de complexitate erau implementate prin software. Resursele hardware erau simplificate şi optimizate la limită în timp ce programele se structurau tot mai complex, cu două consecinţe: creşterea costului programării şi obţinerea unor performanţe de viteză tot mai slabe. A apărut astfel o situaţie de criză, care a determinat două mutaţii foarte importante: - a apărut un sens din perspectivă hardware al conceptului de paralelism; - funcţii curent realizate prin software au migrat către implementarea prin hardware, tendinţă sprijinită de dezvoltarea spectaculoasă a tehnologiilor VLSI. Paralelismul constituie una din soluţiile cele mai tentante pentru depăşirea impasului în care se află gândirea în domeniul arhitecturii sistemelor de calcul. Dar cum gândim structurile paralele, cum le optimizăm având în vedere că ele ridică probleme mari de interconectare, sunt întrebări la care se pare că nu putem răspunde cu certitudine corect. Gândirea structurală prezentă în noul context funcţional nu este încă la nivelul tehnologiilor disponibile pe plan mondial şi nu ştim dacă acest lucru se va întâmpla vreodată. Declanşarea unor procese paralele este condiţionată de posibilitatea unei descompuneri funcţionale adecvate şi de definirea unor stiluri de programare ce presupun paralelismul. Pentru numeroase sisteme de măsură în care prelucrarea datelor se face în timp real, deci viteza de achiziţie şi prelucrare este critică, se pot realiza sisteme microprogramate specializate, care să reprezinte o soluţie hardware optimă. Dezvoltarea pe scară largă a sistemelor de prelucrare paralele este încetinită într-o oarecare măsură şi de realizările impresionante ale tehnologiilor moderne VLSI, care permit azi depăşirea unor frecvenţe de lucru de ordinul GHz. Deşi proiectanţii de circuite integrate VLSI folosesc din plin arhitecturi paralele pentru creşterea productivităţii cipurilor, acest lucru este de multe ori transparent pentru proiectantul de sistem. 4.5.2. Structuri de procesoare cu aplicabilitate în măsurări 4.5.2.1. Generalităţi Arhitecturile diferitelor procesoare, fie ele de uz general, fie specializate pentru rezolvarea anumitor probleme concrete, prezintă o mare importanţă pentru proiectantul de hardware, deoarece cunoaşterea structurii interne şi a modului de funcţionare a unui procesor permite utilizarea lui optimă într-un circuit electronic proiectat pentru implementarea unei aplicaţii specifice. Termenul de microprocesor este în general atribuit unui procesor realizat pe un singur cip. Apariţia conceptului de procesor este strâns legată de apariţia conceptului de microprogramare. Microprogramarea înseamnă controlul unei structuri numerice prin intermediul unor cuvinte "citite" secvenţial, pas cu pas, dintr-o memorie. Prin citirea succesivă a acestor cuvinte, microinstrucţiunile, se generează semnalele de control, microoperaţiile, necesare funcţionării corecte a structurii respective. Proiectarea unei structuri microprogramate este astfel mult mai sistematică şi mai flexibilă decât cea a unei structuri convenţionale realizate prin logică cablată. În principiu, o maşină microprogramată este o maşină în care o secvenţă coerentă de microinstrucţiuni este folosită pentru execuţia operaţiilor mari ce definesc funcţionarea maşinii. Tehnica microprogramării a fost folosită cu succes în domeniul minicalculatoarelor şi a microprocesoarelor de tip bit-slice microprogramabile şi este în continuare folosită de proiectanţii procesoarelor cu arhitecturi de tip CISC (Complex Instruction Set Computer) sau a circuitelor de tip ASIC (Application Specific Integrated Circuit).
  19. 19. Printre avantaje se pot aminti flexibilitatea şi adaptabilitatea la noi interfeţe de proces a structurilor de control microprogramate, uşurinţa în dezvoltare a sistemelor, uniformitatea proiectării, preţ de cost scăzut datorită disponibilităţii de circuite LSI, viteză mare de lucru. Singurele dezavantaje ar putea fi o eventuală pierdere de performanţă datorită caracterului secvenţial al procesării şi un consum energetic sporit datorită folosirii circuitelor de viteză (familiile logice TTL Schottky şi ECL). 4.5.2.2. Microprocesoare bit-slice Familiile de circuite bit-slice sunt alcătuite din diverse blocuri constructive care au rolul de a permite implementarea comodă a structurilor de control microprogramate. Aceste structuri au două funcţii principale: de secvenţiere şi de procesare propriu-zisă, împărţite la rândul lor în mai multe subfuncţii: procesarea datelor, controlul adresei de microprogram, controlul adresei de macroprogram, controlul întreruperilor, accesul direct la memorie (DMA), controlul I/E, controlul memoriei. Datorită integrării structurilor clasice de prelucrare cu ALU şi secvenţiatoare, proiectarea structurilor microprogramate cu circuite bit-slice este mai avantajoasă şi mai performantă decât proiectarea cu circuite integrate de uz general, dar ea rămâne în continuare dificilă datorită necesităţii de implementare a unor structuri hardware complexe nestandard şi a numărului foarte mare de circuite integrate folosit. Progresele tehnologice actuale şi dezvoltarea procesoarelor specializate pe aplicaţii fac tot mai puţin oportună utilizarea în viitor a microprocesoarelor bit-slice. 4.5.2.3. Microprocesoare de uz general pe 8/16/32/64 biţi Microprocesoarele pe 8 biţi au apărut în mod firesc în contextul dezvoltării tehnologiei de realizare a circuitelor integrate. Cele două automate din structura unui procesor au fost integrate funcţional într-un singur cip, iar numărul de biţi ai cuvântului prelucrat a fost fixat la 8 (compromis între tehnologie şi putere de procesare), fără posibilităţi de extensie ca în tehnica bitslice. Chiar şi astăzi există şi se dezvoltă în continuare numeroase aplicaţii care folosesc microprocesoare pe 8 biţi, aplicaţii care nu necesită o mare putere de calcul, din domeniul măsurărilor, automatizărilor, bunurilor de larg consum (procesorul specializat al unei maşini de spălat este structurat pe 6 biţi), etc. Cel mai reprezentativ microprocesor pe 8 biţi este Z 80, cu diverse variante constructive care acceptă o frecvenţă de ceas de la 2 la 6 MHz. Trecerea de la microprocesoarele pe 8 biţi la cele pe 16 biţi nu a însemnat o simplă dublare a magistralei de date. Deşi structurile sunt bazate tot pe conceptul clasic al maşinii von Neumann, apar îmbunătăţiri esenţiale ale atributelor de arhitectură, posibilitatea de realizare a noi funcţii, totul bazat pe dezvoltări importante ale structurii. Arhitecturile pe 16 biţi au o diversitate mai mare decât cele pe 8 biţi. O structură de referinţă este microprocesorul INTEL 8086. Acest microprocesor are o structură internă microprogramată pe un singur nivel, în timp ce MC68000 de la MOTOROLA, de exemplu, este proiectat în tehnica programării pe două nivele. Aceste arhitecturi, ca şi cele care vor fi amintite în continuare sunt arhitecturi de procesoare cu set complex de instrucţiuni (CISC). Procesoarele superioare lui 8086 păstrează compatibilitatea şi aduc în plus unele avantaje faţă de predecesorul lor. Astfel, 80186 repetă structura lui 8086 la o frecvenţă dublă de funcţionare şi integrează pe acelaşi cip circa 15 circuite integrate care se montau pe placă pentru a realiza un microsistem cu 8086 (3 numărătoare programabile pe 16 biţi, logică pentru controlul magistralelor, controler DMA, controler programabil de întreruperi). Limbajul de programare conţine 10 instrucţiuni noi. Apariţia în scurt timp a lui 80286, cu arhitectură superioară şi performanţe sporite, nu a permis impunerea lui 80186 pe piaţă.
  20. 20. Primul microprocesor pe 32 biţi realizat de INTEL este 80386. El combină segmentarea memoriei cu paginarea, adică implementarea memoriei virtuale bazată pe blocuri de mărime fixă numite pagini. Microprocesorul 80486 introduce în schema bloc funcţională o unitate de execuţie în virgulă mobilă, care, la procesoarele de până acum era realizată pe un cip extern separat, sub numele de coprocesor matematic, destinat creşterii vitezei şi preciziei calculelor în virgulă mobilă. În plus, conţine o memorie cache (ascunsă) de 8 Kbytes folosită pentru stocarea variabilelor frecvent utilizate. În acest fel se elimină, de câte ori este posibil, accesul la memoria RAM externă a microcalculatorului, acces care necesită un timp mai mare chiar pentru cele mai rapide memorii. Microprocesorul Pentium este realizat pe 64 biţi şi oferă performanţe greu de imaginat până la el. O folosire intensă a tehnicilor pipeline şi a registrelor cache interne separate pentru instrucţiuni şi date (reducerea timpului mediu de acces la memorie şi acces rapid la instrucţiunile şi datele recent folosite) permite execuţia a două instrucţiuni pe întregi, în paralel pe un singur tact, în timp ce unitatea de virgulă flotantă (FPU) execută două instrucţiuni de virgulă flotantă pe un singur tact. Creşterea de viteză se obţine şi printr-un bloc de anticipare dinamică a salturilor, un mecanism de paginare extins şi un suport hardware special pentru întreruperi virtuale. O constatare deosebit de interesantă pentru domeniul nostru de interes este că procesorul Pentium are numeroase facilităţi care permit testarea şi monitorizarea performanţelor. Există posibilitatea de detecţie a erorilor la dispozitivele interne şi interfaţa de magistrală externă prin mecanisme de calcul ale parităţii şi Excepţie Generală de Test (MCE - Machine Check Exception). Aceste excepţii pot fi cauzate de o serie de condiţii şi duc la poziţionarea bitului MCE din registrul CR4. Există suport hardware pentru verificarea terminării corecte a ciclului de bus şi posibilitate de autotest (BIST - Built In Self Test) precum şi port standard IEEE 1149.1 de acces pentru testarea procesorului din exterior. Modul de lucru sondare (Probe Mode) permite accesul la regiştrii interni şi la spaţiul I / O de memorie, fiind posibilă modificarea stării CPU, utilităţi necesare depanării. Prin ştergerea bitului DE (Debug Extensions) din registrul CR4 se aduce procesorul în stare compatibilă cu 486. Microprocesorul P6, sau sub cea mai recentă denumire Pentium Pro, este printre cele mai noi produse al compatibilelor x86. Este cel mai performant procesor CISC, deşi împrumută o serie de tehnici de la arhitecturile RISC. Unitatea centrală este alcătuită din două părţi mari: partea de prelucrare în ordinea dată a instrucţiunilor şi partea de execuţie într-o ordine diferită a lor, funcţie de necesităţi. Rezultatele se depun într-o memorie tampon de reordonare, unde se reface ordinea corectă. O tehnică de redenumire a registrelor elimină problemele datorate unui număr relativ redus de registre generale la arhitecturile x86. O altă noutate este integrarea memoriei cache de nivel 2 în aceeaşi capsulă cu unitatea centrală şi accesarea ei prin intermediul unei magistrale dedicate. Pe ansamblu, arhitectura este mult diferită faţă de cea a compatibilelor x86 de la INTEL, organizată pe o structură de 2 cipuri şi un număr de 21 milioane de tranzistoare, la o frecvenţă minimă de lucru de 133 MHz. Performanţele sunt duble faţă de Pentium la 100 MHz. Microprocesoarele Pentium II au frecvenţa maximă de lucru de 550 MHz. Urmează microprocesoarele Pentium III având frecvenţa maximă de lucru de 750 MHz, etc. 4.5.2.4. Microcontrolere Un microcalculator integrat pe un singur cip, numit şi microcontroler, conţine pe lângă unitatea centrală implementată cu un microprocesor de uz general, şi alte unităţi funcţionale din structura unui calculator: memorie RAM, memorie ROM, porturi de intrare / ieşire serie sau paralel, circuite de numărare/temporizare programabile, circuite de tratare a întreruperilor, circuite de transfer DMA, circuitele de ceas. Gradul sporit de integrare determină o simplificare esenţială a hard-ului necesar unei aplicaţii şi apare pentru prima dată posibilitatea realizării unor funcţii complexe de control (măsurare, conducere, reglare) numai cu câteva circuite integrate. Implicaţiile acestui fenomen, constau în pătrunderea microcalculatoarelor în sfera bunurilor de larg consum, a unităţilor de control industriale, a echipamentelor periferice utilizate în tehnica de calcul. Există posibilitatea
  21. 21. utilizării microcontrolerelor ca elemente de procesare paralelă în calculatoarele vectoriale sau matriciale. Primul microcalculator integrat a fost INTEL 8048, care conţine o unitate centrală pe 8 biţi, o memorie RAM de 64 octeţi, o memorie ROM de 1 Koctet, un număr de 27 linii de intrare /ieşire şi un numărător programabil pe 8 biţi. Aceste elemente sunt asamblate într-o arhitectură standard de microsistem pe 8 biţi, asemănătoare unei structuri realizate în jurul microprocesorului pe 8 biţi INTEL 8080. Şi setul de 96 de instrucţiuni este în mare măsură asemănător cu cel al microprocesorului 8080, care a fost luat ca model în realizarea acestui microcalculator integrat. Există diferenţa între noţiunea de microcalculator integrat şi cea de microcontroler. Ea include microcontrolerele în mulţimea microcalculatoarelor integrate, precizând totuşi că nu există o diferenţă netă între cele două categorii. Ea defineşte microcontrolerele ca fiind microcalculatoare cu set de instrucţiuni mai redus, şi "mai intim legate de aplicaţiile de control, urmărire şi automatizare industrială". MC 6801 este un microcalculator integrat pe 8 biţi care s-a dezvoltat din familia microprocesorului de uz general MC 6800. El asigură o compatibilitate software perfectă cu MC 6800, dar are câteva instrucţiuni noi în plus, printre care cea de înmulţire fără semn. Este cu circa 20 % mai rapid decât 6800 şi poate funcţiona ca microcalculator de sine stătător, sau ca microcalculator de uz general cu memorie externă de până la 64 Kocteţi. Pe lângă microprocesorul propriu-zis MC6801 include o memorie fixă de 2 Kocteţi, o memorie RAM de 128 octeţi, 29 linii de intrare/ieşire, 3 numărătoare programabile de 16 biţi fiecare şi un circuit de ceas. Unul dintre cele mai moderne produse din seria HC11 a firmei MOTOROLA şi reprezentativ pentru întreaga familie, este microcontrolerul MC68HC11-F1, care conţine pe lângă CPU, un timer complex pe 16 biţi cu patru nivele de prescalare, selectabile prin software, interfaţă serială sincronă/asincronă, 512 octeţi de memorie EEPROM cu mecanism de protecţie, 1 Koctet de memorie RAM static cu posibilitate de stand-by, convertor analog/numeric pe 8 biţi, întrerupere de timp real, 4 ieşiri programabile pentru selecţia unor periferice externe, regimuri de funcţionare cu consum redus. Circuitul poate funcţiona în 4 moduri distincte, selectabile în secvenţa de RESET, prin controlul asupra liniilor MODA şi MODB. În modul de operare single-chip toţi pinii circuitului sunt folosiţi ca linii de intrare/ieşire şi circuitul lucrează ca un microcontroler complet, fără a folosi memorie sau periferice externe. Programul trebuie să fie încărcat în EEPROM. Modul de operare expanded-nonmultiplexed reconfigurează o parte din intrări/ieşiri pentru a implementa fizic magistralele de date şi adrese. Modul de operare bootstrap este similar cu modul single-chip, dar la RESET controlul este preluat de un "bootloader"(un program scurt plasat în ROM), care încarcă în RAM-ul intern un program pe interfaţa serială. În sfârşit, modul de operare TEST a fost iniţial conceput pentru testarea circuitului la fabricant, dar este disponibil şi pentru utilizator, făcând posibilă programarea unor date în EEPROM. Adresele memoriei interne pot fi deplasate în spaţiul de memorie adresabil de circuit prin intermediul unor porturi şi registre de configurare a sistemului. Convertorul analog/numeric pe 8 biţi este cu aproximaţii succesive şi are 8 intrări externe multiplexate şi circuite de eşantionare şi memorare încorporate. Familia de microcontrolere cu cea mai mare răspândire, pentru care s-a creat o gamă largă de aplicaţii, este familia 8051. Deosebirile între membri familiei 8051 sunt date de tipul şi prezenţa memoriei program interne: 8031 fără memorie, 8051 cu 4 Kocteţi memorie ROM programată la fabricarea circuitului şi 8751 cu 4 Kocteţi memorie EPROM, programabilă de utilizator. Practic, când vorbim de "8051" putem înţelege oricare din aceste circuite. 4.5.2.5. Procesoare numerice de semnal (DSP)
  22. 22. Prelucrarea numerică (digitală) a semnalelor (PDS) este un domeniu de actualitate, cu mare aplicabilitate practică (filtrare numerică, transformare Fourier rapidă, prelucrare de semnal audio, prelucrare de imagini, etc.). Realizarea practica a sistemelor PDS constă în transpunerea algoritmului de prelucrare într-o structura hardware sau într-un program de calcul. În funcţie de necesităţile utilizatorului si de performantele sistemului de prelucrare, exista mai multe posibilităţi de implementare a sistemelor PDS: - realizarea în logica cablata, sub forma unei structuri specializate, constând din interconectarea unor circuite aritmetice sau logice elementare (registre, sumatoare, multiplicatoare, porţi); - realizarea în logica programata, pe sisteme cu unul sau mai multe microprocesoare; - realizarea sub forma de circuite specializate pentru operaţiile de prelucrare a semnalelor (în tehnologii diverse: semiconductoare, circuite cu transfer de sarcina, circuite cu unde acustice de suprafaţa, circuite optoelectronice). Este evident ca implementările care au la baza tehnologiile microelectronice sunt superioare celorlalte posibilităţi de realizare din punct de vedere a vitezei, gabaritului, consumului, fiabilităţii, raportului preţ de cost/performanţe, etc. De aceea, unul dintre factorii care au stimulat extinderea domeniilor de folosire a metodelor l-a constituit apariţia microprocesoarelor si evoluţiile recente din domeniul circuitelor integrate pe scara larga (VLSI) si circuitelor integrate de mare viteza (VHSIA), care au condus inevitabil la apariţia unor procesoare specializate, destinate procesării semnalelor. Ele sunt cunoscute sub numele generic de procesoare digitale de semnal (PDS) si au trasaturi specifice adaptate implementării algoritmilor PDS. Microprocesoarele au fost disponibile începând din anul 1969, dar numai recent au fost realizate procesoare având o viteza de funcţionare suficient de ridicata si timpi de execuţie a instrucţiunilor destul de mici pentru a putea prelucra semnale de frecventa ridicata. În felul acesta, sunt posibile în prezent prelucrări în timp real pana la frecvente de ordinul zecilor de MHz. Un procesor pentru prelucrarea numerică a semnalelor trebuie să poată asigura "un mare volum de calcul, prelucrare în timp real a informaţiei, lucrul cu date numerice şi flexibilitate în funcţionare". Posibilităţile hardware de realizare a unităţii centrale, folosind circuite VLSI, sunt următoarele: - microprocesoare de uz general; - microcalculatoare si microcontrolere într-un singur cip; - procesoare digitale de semnal (PDS); - calculatoare cu set redus de instrucţiuni (RISC); - circuite specializate realizate la cerere (“custom”) - de exemplu, circuite specifice aplicaţiei (ASIC). Primele patru elemente ale listei nu se exclud reciproc întrucât toate implica utilizarea procesoarelor. În general, microprocesoarele pot fi modulele de procesare de baza, deoarece conţin UAL (Unitatea Aritmetica si Logica), elemente de control si un număr limitat de registre interne. Ele necesita dispozitive externe sau periferice: memorie RAM pentru stocarea datelor (operanzilor), memorie ROM pentru stocarea programelor si dispozitive I/O pentru interfaţa cu mediul exterior. Microcalculatoarele monocip conţin toate elementele sistemului de calcul într-un singur circuit. În plus, microcontrolerele conţin si un anumit număr de interfeţe I/O pentru conectarea perifericelor: porturi paralele sau/si seriale, circuite de ceas intern (de exemplu, Motorola MC6801, MC68HC11, unele variante ale MC68HCO5 si Intel 80510, controlere pentru întreruperi. Unele au, de asemenea, convertoare analog-digitale interne (de exemplu: MC68HC11, unele variante ale MC68HC05, Intel 8098 si OKI MSM66301). Procesoarele RISC operează cu un set redus, relativ elementar de instrucţiuni, care pot fi executate foarte rapid - în cel mult una sau doua perioade de ceas. Unele dintre acestea dispun de coprocesoare în virgula mobila pentru a extinde setul de instrucţiuni de baza. Menţionam ca noile procesoare RISC, ca Motorola 88000, Intel 80860 si seria SPARC a companiei SUN, etc., pot depăşi performantele unora dintre procesoarele PDS actuale. În general, dezvoltarea
  23. 23. calculatoarelor RISC implica folosirea multor componente si, în consecinţa, ele nu sunt la fel de uşor de proiectat si de realizat ca cele bazate pe procesoare PDS unicip. Ultima categorie menţionata include dispozitive VLSI care sunt destinate unor aplicaţii specifice de procesare digitala a semnalelor si unor funcţii necesare altor procesoare. Acestea includ, de exemplu, acumulatoare - multiplicatoare, filtre, dispozitive care realizează histograme si circuite care prelucrarează imagini, generatoare de adrese si generatoare de coeficienţi pentru algoritmi, etc. Procesoarele digitale de semnal sunt microcalculatoare într-un singur cip, având caracteristici hardware si software specifice. Din punct de vedere hardware, procesoarele PDS se remarca în primul rând printr-o viteza mare de execuţie a instrucţiunilor. Aceasta este obţinuta prin folosirea arhitecturilor paralele, combinate cu folosirea principiului pipe-line de funcţionare. Este utilizata curent arhitectura de tip Harvard, cu spatii de adrese separate pentru date si programe si cai de transfer separate. Folosirea principiului pipe-line consta în fragmentarea activităţilor si executarea acestora pe unităţi funcţionale distincte. În felul acesta, în procesor pot exista la un moment dat mai multe instrucţiuni, în diferite stadii de execuţie. Din acest motiv, procesoarele PDS executa majoritatea instrucţiunilor într-o singura perioada de tact. Procesoarele PDS sunt prevăzute cu memorie interna pentru programe, iar unele variante si cu memorie pentru date. Având în vedere specificul algoritmilor PDS, procesoarele de semnal au incorporate multiplicatoare de tip paralel si registre pentru deplasarea binara a datelor. Majoritatea procesoarelor PDS au un set bogat de instrucţiuni, conţinând practic toate tipurile de instrucţiuni ale procesoarelor de uz general. În plus, sunt prevăzute instrucţiuni pentru înmulţire si acumulare, pentru rotirea datelor într-un tablou, pentru inversarea biţilor, etc. Modurile de adresare folosite pentru date sunt: adresare imediata, directa, indirecta, circulara, adresare cu inversarea biţilor. Un ajutor important în folosirea circuitelor PDS îl oferă sistemele de operare specifice. În prezent, cel mai răspândit este sistemul de operare SPOX (Spectron Microsystems Inc.). El conţine un nucleu pentru multiprocesare în timp real, module pentru gestionarea memoriei, funcţii matematice specifice PDS, o biblioteca în limbajul C, facilitaţi pentru depanare software. Sistemul SPOX rulează în prezent pe sisteme cu procesoare 21000 (Analog Devices), 96002 (Motorola), C3X si C40 (Texas Instruments). O versiune mai recenta, MICROSPOX, este destinata funcţionarii cu procesoarele în virgula fixa 56000 (Motorola), ADSP 2100 (Analog Devices), TMS 320C2X si TMS 320C5X (Texas Instruments). Familia de procesoare 56000 (Motorola) lucrează si sub sistemul de operare VRTX (Ready Systems), sistem care poate lucra împreuna cu majoritatea familiilor de procesoare PDS. Sistemul de operare VCOS al firmei AT&T implementează familia DSP 3210 pe placa de baza a calculatoarelor PC sau a staţiilor de lucru. Seria de procesoare TMS 320 constituie un standard în lumea procesoarelor de semnal, creşterea posibilităţilor tehnologice de integrare având ca efect realizarea unor cipuri tot mai performante. Primul reprezentant al familiei a fost TMS 32010, care efectua 5 milioane de operaţii de tip adunare şi înmulţire pe secundă. A doua generaţie de procesoare cu TMS 32020 şi TMS 320C25 reuşeşte dublarea performanţei, în timp ce reprezentantul celei de-a treia generaţii de procesoare de la TEXAS INSTRUMENTS, TMS 320C30 efectuează 33 milioane de operaţii în virgulă mobilă pe secundă (33 Mflop/s), atingând performanţa unui supercalculator. Unul dintre cele mai puternice procesore de semnal este TMS320C80 cu performanţe de excepţie, care îl recomandă pentru orice aplicaţie, inclusiv procesarea semnalului video, aplicaţii de realitate virtuală tridimensională, compresie digitală de semnal audio sau video, etc. S-a reuşit integrarea pe un singur cip cu 305 pini a unui număr de peste 4 milioane de tranzistoare (tehnologie CMOS de 0,5µm), la o tensiune de alimentare de 3,3V. De fapt, procesorul TMS 320C80 este conceput într-o veritabilă arhitectură paralelă. Ca şi în cazul celorlalte generaţii de procesoare de semnal, TMS 320C80 dispune de produse de dezvoltare software: compilator C optimizat, asambloare, editor de legături, programe de depanare la nivel de cod sursă, biblioteci de programe, etc., care permit implementarea comodă a aplicaţiilor.
  24. 24. Deocamdată nu se aşteaptă o introducere largă a procesoarelor de semnal în domeniul măsurărilor. Este convenabil ca procesoarele PDS să fie folosite pentru implementarea unor algoritmi mai performanţi decât cei din acest domeniu. Principalul obstacol îl constituie preţul, sau mai bine zis raportul preţ/performanţă, care este cu siguranţă în favoarea arhitecturilor actuale de sisteme integrate de măsurare, cu atât mai mult cu cat în domeniul de interes pentru noi, de cele mai multe ori nu este neapărat necesară prelucrarea în timp real a semnalelor. 4.5.2.6. Arhitecturi paralele Arhitecturile paralele au apărut din necesitatea creşterii performanţelor sistemelor de calcul. Apariţia şi dezvoltarea lor a fost orientată spre: - creşterea eficacităţii în execuţia comenzilor procesorului (tehnici pipeline de execuţie a instrucţiunilor, logică cu execuţie anticipată a instrucţiunilor, etc.); - creşterea vitezei de transfer a datelor în zona de execuţie a procesorului (folosirea memoriei pipeline, a registrelor, ca memorie a zonelor de viteză maximă din sistem, extinderea numărului de canale de transfer, etc.); - alegerea structurii de legături, funcţie de structura topologică a problemei de rezolvat (structură orientată spre aplicaţie, operaţii vectoriale şi matriciale, adresare asociativă, etc.). Tehnici de prelucrare paralelă au fost folosite de la apariţia microprogramării. Atunci când o microinstrucţiune trimisă de la unitatea de comandă spre unitatea de prelucrare comandă încărcarea simultană a mai multor registre din unitatea de prelucrare avem de-a face cu un paralelism. Când tehnologia a permis o creştere a gradului de integrare, după fiecare prelucrare combinaţională s-a introdus un registru şi au apărut tehnicile pipeline. Procesorul TMS 320C80, are o arhitectură MIMD (Multiple Instruction - Multiple Data Stream), care este o arhitectură paralelă foarte puternică. Cu toate acestea, văzut din exterior, din punctul de vedere al utilizatorului, el este un simplu procesor cu performanţe de excepţie. Dar aceste performanţe sunt rezultatul arhitecturii paralele din interior. 13. Măsurări electronice industriale. Sisteme de achiziţie de date. Sisteme integrate de măsurare. Generalităţi. Clasificări. SAD cu un singur canal. Sisteme utilizând circuite de eşantionare şi memorare 4.6. Sisteme de achiziţie de date. Sisteme integrate de măsurare 4.6.1. Generalităţi. Clasificări Sistemele de achiziţie de date sunt sisteme complexe de supraveghere a unor procese în care intervin, de regulă, mai multe mărimi fizice. Ele realizează prelevarea, prin intermediul unor traductoare adecvate, de semnale analogice sau numerice (în funcţie de natura traductorului), în scopul memorării, transmiterii sau prelucrării informaţiei achiziţionate. Memorarea poate fi făcută direct sau după prelucrarea datelor, pe intervale de timp mai lungi, medii sau scurte. Transmiterea datelor e necesar a fi făcută pe distanţe mai lungi sau mai scurte. Prelucrarea informaţiei poate consta în operaţii simple (comparări), până la prelucrări matematice complicate (integrări, diferenţieri, medieri, calcul de transformate Fourier, etc.). Scopul prelucrării diferă de la caz la caz: comanda unui proces (industrial, militar, de cercetare), sau numai informare asupra evoluţiei procesului prin vizualizarea datelor. Operaţia cea mai importantă este conversia analog – numerică, realizată cu unul sau mai multe circuite. În funcţie de tipul aplicaţiei mai pot fi necesare şi alte circuite analogice de prelucrare. Configuraţia şi tipurile de circuite utilizate într-un sistem de achiziţie de date – SAD – depind de o serie de factori: • rezoluţia şi precizia cu care se cere realizarea conversiei A/N; • numărul de canale analogice investigate;
  25. 25. frecvenţa de eşantionare pe fiecare canal; capacitatea sistemului de prelucrare în timp real a datelor; necesitatea condiţionării (adaptării) semnalului analogic de intrare. Datele achiziţionate pot fi: • analogice (tensiuni, curenţi – continue sau alternative) şi reprezintă, de regulă, ieşirile unor traductoare ce supraveghează mărimile care intervin în procesul condus; • numerice, provenind de la traductoare cu ieşire numerică sau de la alte echipamente implicate în desfăşurarea procesului. SAD va fi prevăzut deci cu un număr corespunzător de intrări adecvate acestor date: • intrări analogice; • intrări numerice. Altă operaţie frecvent întâlnită în SAD este eşantionarea şi memorarea temporară a eşantioanelor prelevate. Frecvenţa de eşantionare se stabileşte în funcţie de: • spectrul de frecvenţă al semnalelor de intrare; • viteza de lucru a convertorului A/N; • precizia impusă procesului de prelucrare. O frecvenţă minimă şi care permite determinarea parametrilor statistici ai semnalului este dublul frecvenţei maxime din spectrul acestui semnal. Dacă se cere ca eşantioanele prelevate să reprezinte cu suficientă precizie un semnal continuu de la intrare, fără a mai calcula valori intermediare eşantioanelor prelevate, frecvenţa de eşantionare trebuie sa fie de cel puţin 8…10 ori mai mare decât frecvenţa celei mai înalte armonici. Perioada de eşantionare nu poate fi mai mică decât timpul de conversie. Înaintea eşantionării, semnalele analogice sunt supuse unor operaţii de adaptare cu sistemul de prelucrare, numite generic condiţionare. Acestea pot fi: • amplificare/atenuare cu câştig programabil; • amplificare cu izolare galvanică; • comutare automată a intervalelor de măsurare; • compresie logaritmică; • filtrare; • conversie tensiune - frecvenţă; • conversie curent – tensiune. Clasificări ale sistemelor de achiziţie de date: După condiţiile de mediu în care lucrează: • sisteme destinate unor medii favorabile (laborator); • SAD destinate utilizării în condiţii grele de lucru (echipamente militare, instalaţii telecomandate, anumite procese industriale, etc.). După numărul de canale supravegheate: • monocanal, cu una din variantele: o numai circuite pentru conversia directa a semnalului; o preamplificator urmat de circuitele de conversie; o preamplificator, circuite de eşantionare-memorare, urmate de circuite de conversie; o preamplificator, circuite de condiţionare a semnalului şi una din variantele anterioare; • SAD multicanal în una din variantele: o cu multiplexarea ieşirilor unor convertoare analog-numerice, fiecare convertor corespunzând unui canal; o cu multiplexarea intrărilor circuitelor de eşantionare-memorare (S/H – sample and hold – engl.); o sisteme de achiziţie destinate multiplexării semnalelor de nivel scăzut. La realizarea unui sistem de achiziţie de date computerizat se pot urmări etapele: a.identificarea tipurilor de intrări şi ieşiri: o intrări analogice (temperaturi, presiuni, punţi tensiometrice, tensiuni, curenţi, semnale acustice sau vibraţii, etc.); • • •
  26. 26. ieşiri analogice (tensiuni, curenţi, generatoare de funcţii); intrări/ieşiri numerice (compatibile TTL, de tensiune ridicată c.c., c.a., comunicaţie paralelă, comandă relee); o intrări/ieşiri de temporizări (de frecvenţă, numărare evenimente şi temporizare, măsurări de durate de impulsuri, generare de trenuri de impulsuri); b.alegerea metodei de condiţionare a semnalelor: o pentru semnalele sensibile fata de zgomote, circuitele de condiţionare (amplificări, izolare, filtrare) pot fi grupate în module speciale, plasate între sursa de semnal şi unitatea de calcul, având posibilitatea de a procesa concomitent un mare număr de canale; o la aplicaţii cu număr redus de intrări şi la care pretenţiile de imunitate sunt mai reduse, condiţionarea se poate realiza direct pe placa de achiziţie sau cu module mai puţin complexe; o la aplicaţii care nu necesita condiţionare, aplicarea semnalelor se realizează direct, prin elementele de conectare: plăci cu conectori, mufe BNC, alte accesorii; c.alegerea modulului de prelucrare potrivit – se face în funcţie de precizie, frecvenţa de achiziţie, număr de canale, repetabilitate, expandabilitate, platforma de calcul de care se dispune, adică: o module de instrumentaţie – asigură performanţe superioare ca timpi de stabilire, precizii garantate, viteze ridicate de eşantionare, sincronizare multiplă, număr de temporizări şi contorizări, conectori ecranaţi; o plăci de achiziţie de cost redus, cu număr de intrări redus şi performanţe nu prea ridicate; o sisteme de achiziţie portabile, folosite în mijloace care se deplasează, testări ale mediului, aplicaţii aerospaţiale, etc.; d.alegerea cablurilor de legătură şi a accesoriilor pentru condiţionarea semnalelor: pentru precizii bune, protecţie faţă de zgomote şi conectare sigură la modulele de instrumentaţie se recomandă conductoare ecranate; în situaţii de precizii reduse şi cost redus se pot folosi cabluri panglică; e.alegerea metodei software de prelucrare – se face în funcţie de platforma de calcul de care se dispune, de tipul de magistrală cu care acesta este echipat, de funcţiile de calcul, instrumentele virtuale necesare; fiecare firma are dezvoltate sisteme software proprii, compatibile cu produsele hardware furnizate; se pot achiziţiona părţi de soft în funcţie de nevoi, care să acopere necesităţile şi să fie în acelaşi timp economice. Caracteristicile tehnice cele mai importante ale plăcilor de achiziţie sunt: • rezoluţia de intrare - se specifică în biţi, mai exact în numărul de biţi ai convertorului analog numeric folosit. O valoare des întâlnită este 12 biţi, dar şi de 8, 10,14 sau 16. Exprimarea rezoluţiei se poate face fie prin indicarea numărului de biţi, fie a tensiunii pe care o reprezintă variaţia celui mai puţin semnificativ bit al codului numeric de conversie. De exemplu, pentru un domeniu de intrare de ±5 V, la o conversie pe 12 biţi a mărimii de intrare, rezoluţia care rezultă este: 10 V : 212 = 10 V : 4096 = 2,44 mV Se recomandă folosirea unor plăci cu rezoluţia optim aleasă în raport cu aplicaţia căreia îi este destinata, întrucât plăcile cu rezoluţii ridicate au preţurile în consecinţă. • precizia intrării - nu este identică cu rezoluţia, deşi se raportează la aceasta. Depinde de performanţele circuitelor analogice ale părţii de intrare a plăcii (convertorul analog - numeric, amplificatorul cu câştig programabil, multiplexoarele de intrare). Poate fi exprimată prin eroarea absolută sau relativă, în mai multe moduri, dar având acelaşi rezultat; • viteza maximă de eşantionare, exprimată în număr de eşantioane/secundă (kes./sec., Mes./sec.) şi nu în Hz. Atunci când placa are mai multe canale de intrare, pentru a găsi viteza maximă de eşantionare a unuia dintre canalele utilizate într-o aplicaţie, se împarte viteza maximă de eşantionare a plăcii la numărul canalelor folosite. Se pune problema relaţiei dintre câştig şi viteză maximă de eşantionare. De regulă, aceasta este specificată pentru acelaşi câştig stabilit pe fiecare canal. Există placi de achiziţie la care, prin incrementarea codului de selecţie a canalelor prin multiplexor, se aplică şi amplificarea selectată pentru intrarea respectivă. o o
  27. 27. De asemenea, la viteze ridicate de eşantionare se pune problema rezervei de memorie a calculatorului pentru prelucrarea eşantioanelor, având în vedere şi viteza sa de lucru. Pentru evitarea acestei dificultăţi, multe din plăcile rapide de achiziţie sunt prevăzute şi cu memorii proprii (până la 2 Mbyte), încât viteza de lucru a calculatorului să nu devină o limitare. Vitezele de eşantionare pot varia de la placă la placă, de la valori de zeci de kes./sec. până la valori de 1 Ges/sec. Alţi parametri: • domeniul de intrare al plăcii de achiziţie - trebuie pus în acord cu domeniul de variaţie al semnalului furnizat de traductor. Există placi cu domenii fixe de intrare şi placi cu domenii de intrare selectabile fie hard, prin comutatoare (jumperi), fie prin program. Pentru o exploatare la maxim a posibilităţilor de conversie, este necesar ca domeniul de semnal al traductorului să fie egal cu domeniul de intrare al plăcii; • tipul de convertor analog - numeric - poate sa fie un criteriu important la alegerea variantei de placa aleasa. Cele mai întâlnite convertoare sunt cele cu aproximare succesivă, cu integrare, cu conversie tensiune - frecvenţă şi cele paralel. O prezentare comparativă a acestor tipuri este dată în tabelul următor. Rezoluţie [biţi] Imunitate zgomot convers. redusă 14…24 foarte bună mediu - cu integrare redusă 12…18 foarte bună scăzut - cu aprox. succesive medie 10…16 mică scăzut - paralel (flash) foarte mare 4…8 fără mare Tip convertor cu tens./frecv. Viteza la Preţ Cele mai multe plăci de uz general au prevăzute convertoare cu aproximare succesivă. Pentru măsurări în medii zgomotoase se folosesc cele cu conversie tensiune - frecvenţă, în timp ce plăcile având viteze de eşantionare foarte mari sunt echipate cu convertoare paralel. De asemenea este important şi modul de eşantionare. Semnale de triggerare pot fi folosite la iniţierea preluării de date, la oprirea ei sau preluare de date înainte şi după un trigger. Ultimele două moduri sunt foarte utile când cunoaşterea unei părţi a datelor este condiţionată de producerea unui eveniment marcat de semnalele de trigger; Modurile de transfer a datelor: la plăcile de mare viteză se impune folosirea fie a transferului prin acces direct la memorie (DMA), fie prin metoda întreruperilor. Prin comandă completă hardware a transferului DMA acesta a devenit extrem de rapid. În aplicaţiile de viteză redusă metoda întreruperilor poate fi suficient de bună; Pentru asigurarea unei independente a vitezei de preluare fata de viteza magistralei calculatorului, plăcile rapide dispun de memorii proprii; • registre FIFO (primul intrat, primul ieşit) sunt locaţii de memorie prevăzute pe plăcile de achiziţie pentru stocarea temporară a mărimilor de intrare convertite. Ele constituie un tampon între viteza ridicată de conversie şi viteza la care calculatorul poate prelua eşantioanele de pe placă. Funcţionarea lor nu permite suprapunerea sau pierderea de date; • intrări/ieşiri numerice - este funcţia fără conversii analog - numerice cel mai des prezentă. Ea permite conectarea plăcii la surse de semnal numeric, respectiv la dispozitive de ieşire numerice. Foarte multe placi au prevăzute interfeţe pentru semnale TTL. Chiar şi astfel de plăci au totuşi circuite de condiţionare a semnalelor, permiţând lucrul cu o mare varietate de semnale; • ieşiri analogice - sunt folosite pentru generarea de tensiuni de excitaţie, comenzi pentru alte dispozitive, generarea de forme de undă, simulări de ieşiri ale altor echipamente. Ieşirile analogice
  28. 28. au aceleaşi caracteristici ca şi intrările analogice (rezoluţia în biţi, viteza eşantioanelor în eşantioane/sec, etc.); • intrări/ieşiri de numărare / temporizare - este o funcţie prezentă la foarte multe plăci. Circuitele de temporizare sunt utilizate pentru a face mai precisă preluarea de eşantioane la intrările sau ieşirile analogice, dar şi la măsurarea frecvenţei, numărarea unor evenimente, măsurarea unor intervale de timp, întârzieri sau la generarea de frecvenţe de ieşire cunoscute. Fig.4.16. Schema bloc a unei plăci de achiziţie de cost redus – Lab-PC+ - se dă în fig. 4.16 şi se pot regăsi etajele amintite anterior. 4.6.2. SAD cu un singur canal (monocanal) Este varianta cea mai simplă, conţinând un singur CAN şi având schema minimală din fig.4.17, în care: • CAN – convertor analog-numeric; • MT- memorie tampon; • DC – dispozitiv comandă. Frecvenţa maximă a semnalului de intrare, la care variaţia semnalului de intrare pe durata unui ciclu de conversie Tc nu depăşeşte 1 LSB (Last Significant Bit- bit de semnificaţie minimă - engl.), pentru a evita erori grosolane, este: f max ≤ 2 −( N +1) πTc unde N este numărul de ranguri binare al convertorului, Tc durata conversiei. (4.19)
  29. 29. Fig.4.17. Sistemele cu conversie directă se folosesc când semnalul analogic ar trebui transmis printr-un mediu cu perturbaţii puternice şi se amplasează direct lângă sursa de semnal. 4.6.3. Sisteme utilizând circuite de eşantionare şi memorare Fig.4.18. Aceste circuite asigură o creştere a vitezei de variaţie admise a semnalului supus conversiei, fără diminuarea preciziei. În fig. 4.18: • PA – preamplificator; • CEM – circuit de eşantionare – memorare. Între două conversii succesive, CEM urmăreşte variaţiile semnalului de intrare. Înainte de iniţierea conversiei, CEM este trecut în starea de memorare în care oferă la ieşire valoarea momentană a semnalului de intrare de la sfârşitul etapei de urmărire. Starea de memorare se menţine pe toata durata conversiei. Astfel precizia CAN nu este afectată, indiferent de viteza de variaţie a semnalului de intrare şi de tipul de CAN folosit. La eşantionare cu o frecvenţă prea scăzută, în semnalul rezultat apare o componenta de JF supărătoare, denumită semnal alias, şi care trebuie rejectat, prin filtrare. 14. Măsurări electronice industriale. Sisteme de achiziţie de date. Sisteme integrate de măsurare. Sisteme de achiziţie multicanal. Modalităţi de conectare a semnalelor la SAD. Tehnici de condiţionare a semnalelor 4.6.4. Sisteme de achizitie multicanal 4.6.4.1 Sisteme de achizitie cu multiplexarea iesirilor convertoarelor cu un singur canal Este un sistem paralel (fig.4.19), pentru fiecare sursa de semnal se utilizează câte un CAN, care nu ridică în mod deosebit preţul. PA – preamplificator; P – procesor; Avantaje faţă de sistemele cu multiplexare analogică: • se pot folosi şi CAN mai puţin rapide, chiar pentru o viteză dorită mare de achiziţie; • permit conversia locală, la locul de amplasare a traductoarelor, informaţia fiind ulterior transmisă sub formă numerică, mai imună la perturbaţii; • posibilitatea unei separări galvanice mai uşoare a sursei de semnal împreună cu CAN aferent, faţă de restul sistemului; • incluzând un bloc procesor local, datele numerice de pe fiecare canal pot fi prelucrate înainte de a fi multiplexate şi transmise.
  30. 30. Fig.4.19. 4.6.4.2 Sisteme de achizitie cu multiplexarea iesirilor CEM Există aplicaţii în care e necesară achiziţionarea simultană, din mai multe puncte de măsurare, a unor date, intr-un timp relativ scurt. Schema care corespunde cel mai bine acestor cerinţe este se dă în fig. 4.20. Fig.4.20. Sursele de semnal analogic sunt conectate la câte un CEM. Comanda de trecere în starea de memorare este data simultan pentru toate CEM, după care ieşirile acestora sunt multiplexate la intrarea CAN. Multiplexarea se poate face secvenţial sau cu adresare aleatoare. CEM trebuie să aibă o stabilitate foarte bună a tensiunii memorate, având în vedere numărul de canale multiplexate (timp lung de multiplexare). 4.6.4.3 SAD cu multiplexarea intrarilor CEM Este o structură mai simplă decât cea anterioară - fig. 4.21. Fig.4.21. Sursele de semnal sunt multiplexate la intrarea CEM, care va retine, de fiecare dată, valoarea unui singur eşantion în vederea conversiei. Pentru a optimiza timpul de achiziţie,
  31. 31. comutarea la următorul canal are loc pe durata stării de memorare a CEM pentru canalul precedent (conversie), la sfârşitul căreia circuitul CEM este comandat în starea de eşantionare, pentru preluarea semnalului canalului următor, deja comutat. Sistemul este mai lent decât precedentele, dar mai ieftin. 4.6.4.4 SAD cu multiplexarea semnalelor de nivel scazut Cea mai simplă, dar şi cea mai puţin performantă schemă de SAD este cea denumită cu multiplexarea semnalelor de nivel scăzut. Simplificarea constă în utilizarea unui singur amplificator instrumental, în loc de a folosi câte unul pentru fiecare sursă de semnal – fig.4.22. Uneori amplificatorul instrumental este prevăzut cu amplificare programabilă, pentru a valorifica eficient rezoluţia CAN (nivelul maxim al semnalului la intrarea CAN, pentru orice sursă de semnal, să fie apropiat de limita superioară a domeniului de intrare al CAN). Fig.4.22. Inconvenient: efect important al perturbaţiilor (semnal analogic mic, de la surse diferite). La perturbaţiile proprii, fiecărui canal i se adaugă: influenţa semnalului util, dar mai ales a perturbaţiilor de mod comun dintr-un canal asupra canalelor învecinate. Este necesară ecranarea individuală a conductoarelor aferente fiecărui canal şi intercalarea de filtre, aplicaţiile fiind lente. 4.6.5. Modalităţi de conectare a semnalului la SAD Precizia şi sensibilitatea ridicată a unui SAD cuplat la calculator impun o preocupare permanentă de a elimina influenţa tensiunilor perturbatoare asupra procesului de măsurare. Dacă semnalele digitale, prin natura lor discretă, sunt relativ imune la zgomot, semnalele analogice pot fi influenţate chiar de tensiuni perturbatoare de nivel redus. Suprapunerea zgomotului peste semnalul util măsurat se realizează prin cuplaj capacitiv(cablu de semnal amplasat în apropierea cablului de alimentare de la reţea), cuplaj inductiv(comutarea unor curenţi mari în apropierea cablului de semnal) sau cuplaj ohmic(bucle de masă). Cuplajul capacitiv este o modalitate importantă de apariţie a tensiunilor perturbatoare de mod comun cu frecvenţa reţelei. Tensiunea de mod comun Vcm este indusă în circuitul perturbat B de câmpul electric perturbator generat de reţeaua electrică A (fig. 4.23) Circuitul perturbat B Reţeaua A VR CAB Z Vcm Reţeaua A VR Ecran C AE Circuitul perturbat B C BE ZE Z Vcm
  32. 32. Fig. 4.23. Fig. 4.24. Mărimea semnalului perturbator va depinde de reactanţa X AB a capacităţii reţea-circuit şi de impedanţa Z faţă de masă a circuitului perturbat, conform expresiei: V cm = VR ⋅Z , Z − j ⋅ X AB (4.20) X AB = 1/ ω ⋅ C AB . unde (4.21) Prin VR şi ω au fost notate tensiunea şi respectiv pulsaţia reţelei. Prin ecranarea circuitelor de semnal se poate reduce mult valoarea tensiunii perturbatoare induse. Efectul util al ecranului rezultă din analiza cazului prezentat în figura 4.24. Dacă impedanţa Z E în raport cu masa a ecranului care separă circuitul perturbat de reţea este mică, astfel încât nodul comun al capacităţilor C AE şi C BE să poată fi considerat, practic, conectat la masă, tensiunea Vcm este neglijabilă. Cuplajul inductiv poate fi mult atenuat prin separarea cablurilor de semnal ale traductoarelor de intrare de cablurile de forţă, în etapa de proiectare a SAD şi folosirea cablului ecranat sau a perechilor de conductoare torsadate pentru conectarea semnalului la SAD. Apariţia tensiunilor de mod comun prin cuplaj ohmic este caracteristică situaţiei în care atât traductorul, cât şi circuitele electronice de prelucrare a semnalului au câte un punct conectat local la masă. Datorită căderilor de tensiune produse de curenţii care circulă pe traseul de masă, este posibilă apariţia tensiunii Vcm , ca în figura 4.25, care acţionează ca o tensiune de mod comun. Mărimea ei depinde de distanţa dintre traductor şi blocul electronic. Această tensiune de mod comun poate fi eliminată prin evitarea legăturii CD la masă. Masa circuitelor electronice şi ecranul conductoarelor de semnal se conectează la masă prin legătura AB. O conexiune cu totul nerecomandată este cea în care ecranul cablului coaxial cu un singur conductor, sau unul din fire (dacă nu se foloseşte cablu coaxial), este legat în două puncte diferite la masă. Măsurarea semnalelor de tensiune flotante cu intrările amplificatorului operaţional neconectate la masă, este necesară introducerea unei rezistenţe de polarizare între fiecare din intrări şi masă. Valorile rezistenţelor se aleg în domeniul 10 KΩ...100 KΩ. Traductor Conductoare de legătură ecranate Circuite placă + _ A C B Vcm D Fig. 4.25. Alte modalităţi de reducere a influenţei tensiunilor perturbatoare de mod comun sunt sugerate pe baza evaluării cantitative a efectului acestor tensiuni asupra semnalului prelucrat. Vom considera circuitul din figura 4.26 în situaţia în care tensiunile de semnal date de traductor sunt nule, iar Z1 şi Z 2 sunt impedanţele prin care poate fi echivalat traductorul între masă şi bornele de ieşire. Modelul adoptat pentru cablul ecranat este dat în figura 4.26, iar schema echivalentă simplificată a intrării în acest caz este dată în figura 4.27.
  33. 33. Traductor A Z1 V cm C Z1A Z 2A Z2 Z1B A Circuite placă Model cablu Z1 + B _ C Vcm Z 2B ZA Ri Ci Z2 ZB B Fig. 4.26. Fig. 4.27. Impedanţele Z1A si Z1B sunt de natură inductivă, în timp ce Z 2A si Z 2B sunt de natură capacitivă. La frecvenţele tensiunii de mod comun , Vcm , impedanţele Z1A si Z1B se pot neglija în raport cu Z1 şi Z 2 , iar Z 2A si Z 2B se echivalează cu Z A , respectiv Z B , care reprezintă impedanţele de izolaţie între bornele de intrare A, respectiv B, şi masă. R i şi C i reprezintă componentele impedanţei de intrare a blocului electronic. Cum Z i >> Z1 , Z 2 , la frecvenţa tensiunii de mod comun, se neglijează efectul impedanţei de intrare Z i , prin eliminarea ei din circuit. Putem scrie acum pentru circuitul din figura 4.27 expresia tensiunii de mod comun între nodurile de intrare A şi B: V AB = ZA ZB ⋅V cm − ⋅V cm , Z1 + Z A Z2 +ZB (4.22) de unde rezultă: V AB = Z A ⋅ Z 2 − Z B ⋅ Z1 ⋅V ( Z1 + Z A ) ⋅ ( Z 2 + Z B ) cm (4.23) Folosind notaţia Z 2 - Z1 = Z şi înlocuind în expresia (4.23) vom obţine:  Z2 ⋅ ( Z A − ZB )  Z ⋅ ZB V AB =  +  ⋅ Vcm  ( Z1 + Z A ) ⋅ ( Z 2 + Z B ) ( Z1 + Z A ) ⋅ ( Z 2 + Z B )  (4.24) unde primul termen din paranteză este neglijabil faţă de al doilea pentru că Z A şi Z B se presupun de valori apropiate. Tensiunea Vcm va avea valoarea maximă când termenul al doilea din paranteză este maxim. Acest lucru se realizează atunci când Z = Z 2 , respectiv Z1 = 0. Cu această condiţie şi neglijând la numitor termenii Z1 şi Z 2 faţă de Z A şi Z B , rezistenţele de izolaţie având valori foarte mari, obţinem: V AB max = Z2 ⋅V cm ZB (4.25) Din această relaţie rezultă că influenţa perturbatoare a tensiunii de mod comun este cu atât mai mare cu cât impedanţa de izolaţie Z B este mai redusă şi cu cât asimetria circuitului traductorului în raport cu punctul C este mai mare. Condiţia ca impedanţele de izolaţie să fie cât mai mari se poate realiza practic prin gardarea intrărilor amplificatorului operaţional, pentru că circuitul imprimat pe care se află montate dispozitivele electronice determină de cele mai multe ori apariţia unor curenţi de pierderi între noduri de potenţiale diferite. Inelul de gardă este realizat în jurul bornelor amplificatorului

×