DAQ: Segnali. Dal punto di vista della DAQ possiamo catalogare i segnali secondo lo schema seguente:

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1 DAQ: Segnali Dal punto di vista della DAQ possiamo catalogare i segnali secondo lo schema seguente: Segnali analogici d ingresso (analog input) Segnali analogici d uscita (analog output) Segnali digitali (digital I/O) Contatori (counters) Segnali legati a bus trasmissivi (seriali, GPIB, )

2 Analog Input Signals Un segnale analogico d ingresso è tipicamente un segnale in tensione, che rientra nella categoria segnali a tempo continuo (e ampiezza continua) che avete incontrato nella prima parte del corso col Prof. Servoli. Sempre relativamente a tale classificazione, esso può essere periodico o aperiodico Vediamo uno schema tipo di acquisizione di AIs: Low Pass amplifier ADC (Analog to Digital Converter) Signal Conditioning DAQ Card

3 Condizionamento del segnale La parte di signal conditioning è solitamente esterna alle schede (più economiche) Essa è costituita solitamente da un filtro passa basso, a volte da uno stadio di preamplificazione accoppiato in AC o in DC con il segnale stesso Il filtro passa basso prende il nome di filtro antialiasing (lezioni di Servoli). Essenzialmente il segnale viene acquisito dalla DAQ con una frequenza (di campionamento) f c prefissata. Se il segnale analogico ha un contenuto in frequenza superiore alla metà di f c compaiono, nel segnale acquisito, frequenze fittizie (alias) che sono un artefatto matematico. Se a priori non si conosce perfettamente la frequenza massima del nostro segnale è d obbligo anteporre il filtro antialiasing.

4 condizionamento del segnale 2 A volte, quando non si è interessati al contenuto in frequenza del segnale, ma, per esempio, si verifica saltuariamente il livello di una grandezza che varia lentamente nel tempo, si può fare a meno del filtro antialiasing. Il preamplificatore può essere necessario per adattare l ampiezza del segnale al range d ingresso del proprio sistema di DAQ. Questo stadio (o l amplificatore successivo) si dice accoppiato in DC se anche le componenti costanti del segnale vengono trasmesse all ADC. Si dice accoppiato in AC se la componente in continua viene bloccata (con l ausilio di un capacitore). Per ottimizzare la lettura dell input signal, il dispositivo (sorgente) che emette il segnale da leggere deve avere una impedenza d uscita (source impedance) molto bassa rispetto a quella d ingresso dello stadio di condizionamento

5 condizionamento del segnale 3 L amplificatore presente nella scheda è solitamente un PGIA: Programmable Gain Instrumentation amplifier Gain (guadagno) dal PC V in V in PGIA V m = Voltaggio misurato La funzione di trasferimento di questo dispositivo è V m ( V V ) Gain = in in Il guadagno è il fattore di amplificazione che viene imposto dall operatore tramite il programma di controllo

6 Grounding Nella figura precedente l instrumentation amplifier ha due ingressi (V in e V in ). Questo è legato al fatto che ci sono sorgenti di segnale con caratteristiche di messa a terra (grounding) diverse: grounded: la sorgente del segnale ha la terra in comune con la terra dell apparato di DAQ floating: la sorgente del segnale non è collegata a terra Per esempio una termocoppia non è collegata a terra, ma è flottante in quanto una differenza di potenziale si presenta ai suoi estremi in base alla temperatura a cui si trova In base alla natura della sorgente del segnale (floating o grounded) ed in base ai requisiti dell acquisizione che vogliamo compiere sono possibili diverse configurazioni di connessione

7 Connessioni Una sorgente di segnale può essere collegata ad un apparato di DAQ in due configurazioni fondamentali: Differential e Singleended. Differential: in questo caso ogni sorgente di segnale è collegata tramite due fili e ciascuna ha la propria linea di ritorno del segnale (o segnale di riferimento) Singleended: in questo caso il segnale è portato da un solo filo e la linea di ritorno del segnale è comune alle varie sorgenti Signal 1 ACH0 ACH8 Signal 1 ACH0 Signal 2 Signal 3 Signal 4 ACH1 ACH9 ACH2 ACH10 ACH3 ACH11 DAQ Device Differential Connection: many wires Signal 2 Signal 3 Signal 4 ACH1 ACH2 ACH3 AISENSE DAQ Device Singleended Connection: fewer wires

8 connessioni 2 Input Tipi di sorgente in ingresso Sorgente di segnale flottante Esempi: termocoppie, strumenti con ingresso isolato, dispostivi con batteria Sorgente di segnale grounded Esempi: strumenti con ingresso non isolato Differenziale ACH ACH R ACH ACH AISENSE AIGND Singleended Riferenziato a terra (RSE) ACH AIGND NO ACH AIGND Vs Singleended non riferenziato a terra (NRSE) ACH AISENSE R AIGND ACH AISENSE

9 connessioni 3 La connessione differenziale è consigliata quando: si hanno segnali piccoli immersi in un forte rumore ambientale la sorgente del segnale è distante più di 3 m dal dispositivo di DAQ Le sorgenti di segnale sono flottanti con riferimento l uno indipendente dall altro si vuole ridurrele fluttuazione di modo comune dei segnali Quando si vuole fare uso di una connessione singleended per risparmiare il numero di connessioni (e/o aumentare il numero di canali) è preferibile usare la connessione NRSE La connessione sconsigliata può essere causa della rottura del DAQ. Infatti ci possono essere diversi volts di differenza fra la terra della sorgente e quella del sistema di DAQ. Tale differenza causa una grossa corrente fra i due dispositivi I resistori (R) in figura sono detti resistori di polarizzazione (bias) e servono per non far fluttuare il segnale troppo lontano dalla terra del DAQ. Il loro valore tipico è circa 100 volte la resistenza della sorgente di segnale (100kΩ1MΩ)

10 Multiplexing Una scheda multicanale, per motivi di economicità, non ha spesso lo stesso numero di ADC, ma solitamente uno solo. La lettura dei diversi canali di ingresso viene effettuata tramite un multiplexer che mette in collegamento un canale alla volta con l ADC Per questo motivo, sulle schede più economiche, ci può essere un ritardo di alcuni microsecondi fra un canale e l altro

11 Risoluzione La risoluzione di un ADC è rappresentata dal numero di bit dell ADC L imprecisione di ricostruzione del segnale digitalizzato si chiama errore si quantizzazione Detto N il numero di bits, il numero di livelli è 2 N. Scheda ADC economiche hanno 12bit (4096 livelli), schede a più alta risoluzione hanno 16 bit (65536 livelli) (vedi simulazione)

12 Device Range e Sensibilità L intervallo di tensioni che l ADC può accettare in ingresso è detto range. Solitamente le schede accettano fra 10V e 10V, ma è bene appurare le caratteristiche hardware della propria scheda. Alcune schede hanno la possibilità di regolare via software il device range, per migliorare la sensibilità, cioè la minima variazione di segnale che può essere misurata. Supponiamo che un segnale abbia un escursione massima fra 2 e 2 V e che la scheda ADC (12bit) sia regolata con un range fra 10 e 10V. In questo modo il minimo segnale rilevabile è 20V/ mV Se si fosse aggiustato il range, per esempio, fra 4V e4v la sensibilità sarebbe migliorata a 8V/4096 2mV Vedi simulazione

13 Analog Input VIs Per l input analogico ci sono tre livelli di VI Easy Analog Input Costituito da 4 Vis. 2 per la lettura di un unico campione da uno o più canali 2 per la lettura di un buffer di dati da uno o più canali Intermediate Analog Input Permettono la lettura bufferizzata di più campioni da uno o più canali Advanced analog input gestiscono le funzionalità di triggering e raggruppamento logico dei canali

14 Acquisizione Dati semplice Acquisizione di un solo campione I VI del livello facile sono comode da usare in quanto raggruppano tutte le funzionalità in un icona sola, richiedono pochi inputs basilari e hanno i controlli di errore implementati al loro interno Per l acquisizione di un campione da un solo canale o da più canali, quando non è necessario mantenere una temporizzazione rigorosa, LabVIEW mette a disposizione due funzioni: AI ONE PT (per uno stream di dati o per più stream di dati)

15 Mantenere il tempo Come si è detto più volte, data la natura asincrono dei Sistemi Operativi dei PC, non è possibile affidarsi ad essi per mantenere la temporizzazione di una acquisizione dati con il PC. Per questo motivo le schede di acquisizione soo dotate di un clock interno, di una memoria FIFO (First In First Out) e dell elettronica di accesso diretto alla memoria (DMA). Nell acquisizione bufferizzata i campioni vengono immagazzinati nella FIFO, scaricati via DMA nella memoria del PC e resi disponibili alla CPU senza caricare e senza dipendere da quest ultima L acquisizione bufferizzata si distingue in due tipi, quella a buffer semplice (Simple VI) e quella a buffer circolare (intermediate VI) Bufferizzata semplice: AI Mult PT

16 Intermediate Analog Input VI Acquisizione a Buffer Circolare Quando si deve fare un acquisizione continuata, con temporizzazione certa, si usa la tecnica della bufferizzazione circolare Viene definito un buffer dove la scheda, tramite accesso DMA, scrive i dati Mentre LA CPU legge i dati, la scheda continua a scrivere Esaurito il buffer, la scheda ricomincia dall inizio, sovrascrivendo i dati preesistenti. Occorre quindi che la lettura da parte della CPU sia abbastanza veloce per non perdere informazioni

17 Vediamo un esempio: Buffer Circolare Il terminale scan backlog restituisce lo stato di occupazione del buffer

18 Advanced AI VIs Sono essenzialmente VI utilizzati quando occorre effettuare acquisizione condizionata da un trigger esterno Si distinguono alcuni tipi di trigger: Hardware digitale analogico Software

19 Trigger Hardware Un trigger è detto hardware quando si usa una linea separata (non sempre è presente nella scheda) per far partire l acquisizione dati Se questa linea porta un informazione del tipo ON/OFF il trigger è digitale. Solitamente, in questo caso, si usa una porta TTL (05V) Se invece l informazione che fa partire l acquisizione non è di tipo ON/OFF parliamo di trigger hardware analogico. In questo caso si può discriminale sull ampiezza del segnale di trigger, sulla sua pendenza (negativa o positiva)

20 Trigger Software Alcune schede non sono dotate di linea separata per il trigger In questo caso si usa il trigger software: la scheda è in acquisizione continuata, ma i dati acquisiti vengono scaricati nella memoria del PC solo se le condizioni di trigger sono rispettate

21 Scrittura di files in acquisizione Quando si acquisisce un solo punto alla volta o un buffer alla volta, possono essere utilizzate le tecniche di alto livello di scrittura dei files Quando si effettua un acquisizione con buffer circolare è d obbligo l utilizzo di tecniche di scrittura a basso livello.