National Instruments Italy. L utilizzo della Strumentazione Virtuale per le Misure Digitali

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1 National Instruments Italy L utilizzo della Strumentazione Virtuale per le Misure Digitali

2 Agenda Introduzione alla strumentazione Virtuale Elementi di una catena di misura Dimostrazione di LabVIEW Esercitazioni e supporti

3 National Instruments Italy Fondata nel dipendenti Uffici a Milano e a Roma Divisione Commerciale Divisione Tecnica Divisione Marketing Divisione Didattica e Ricerca Sito - Didattica e Ricerca Dispense Esercitazioni Opportunita di lavoro ISO 9002 Certified

4 Computer-Based Instruments

5 Strumento standard vs strumento virtuale DISPLAY AND CONTROL Register-mapped I/O Limitate capacità di espansione Funzionalità fisse Interfaccia esterna Memory mapped I/O Processamento Dati Veloce Connessione Internet/intranet Online data logging/trending Online report generation Memoria Espandibile

6 IL PC dentro lo strumento Vantaggi Interfaccia Windows familiare, aggiornamento software automatico, connettività di rete Potenza di processamento a più basso costo Sistemi operativi standard Aggiornamento software (on line) più facile

7 IL PC dentro lo strumento Un esempio : HP Infinium

8 Lo Strumento nel PC L utilizzatore può scegliere il computer L utilizzatore acquista solo le funzionalità che utilizza L utilizzatore ha il controllo TOTALE del sistema L utilizzatore si avvantaggia delle nuove tecnologie Gli strumenti nel PC sono il REALE vantaggio per l utente, permettendo di fruire appieno della rivoluzione tecnologia dei personal computer Costi minori vs prestazioni migliori

9 Gli Elementi di un sistema di Misura Oscilloscopio Sorgente di Segnale Multimetri Matrici

10 Strumenti su scheda Alta risoluzione (8-24bit) Trasferimento dati ad alta Velocita (AT CPCI/PXI) Fino a 100MS/sec Soluzioni: DMMs Oscilloscopi Analizzatori di spettro Frequenzimetri RF Analyzer (2.7GHz) Sofisticati sistemi di Triggering e Sincronizzazioni tra diversi dispositivi

11 Una soluzione:il PC Strumento! Oscilloscopio Gen.di Funzioni Multimetro Matrice

12 Sistemi di Misura e Controllo Hardware & Driver Software Software Applicativo GPIB Serial DAQ Unita sotto test VXI Image Acquisition Motion Control PXI

13 Componenti della Misura Segnali Sensori Condizionamento Digitalizzazione Computer Termocoppie RTD Termistore Strain Gauge Pressioni Carichi Tensioni Correnti Digitali Amplificazione Attenuazione Isolamento Filtraggio Multiplexing Eccitazione SSH F-to-V Bridge Comp. Frequenza Risoluzione Analisi Presentazione Distribuzione

14 Le schede di acquisizione dati Un classico esempio: scheda DAQ su PCI 8 canali ADC 12/16 bit Guadagno programmabile Range di ingresso selezionabile Da 20 a KS/s 2 canali DAC 12/16 bit Uscita fino a 42Volts Da 8 a 32 I/O digitali TTL 2 Contatori/Temporizzatori

15 Tecnologie presenti in una scheda DAQ

16 Schema a blocchi di una scheda DAQ Multiplexer Amplificatore Convertitore Analogico/Digitale MUX NI-PGIA ADC Bus di sinconizzazione Analog Input Analog Output Digital I/O NI DAQ-STC NI MITE Counter I/O

17 Multiplexers ADC Scopo: incrementare il numero dei canali

18 Acquisizione con Multiplexers Interchannel Delay Phase Shift Each signal is routed through the multiplexer Time delay between sampling of each channel Phase shift is negligible for most applications

19 Campionamento Simultaneo T/H T/H No Phase Shift Digitizer control signal locks the track-and-hold amplifiers Signals are routed through the multiplexer Track-and-hold amplifiers are released

20 Tecniche di miglioramento del rapporto segnale rumore ( Dithering )

21 Noise + Quantization Error (LSB) Tecniche per il miglioramento della risoluzione Without 0.6 NI Dithering (12-bit only) Noise-rejecting op-amps Carefully designed (Gaussian) noise floor Number of Averaged Samples

22 Dithering 12-bit Without Dithering 9 1 bit (4.8 mv for 12-bit board with +/- 10 V input range) Actual Signal 0 Weighted Average = 4.8mV Actual Signal = 3.3mV

23 Dithering 6 1 bit (4.8 mv for 12-bit board with +/- 10 V input range) Dithering Applied Weighted Average = 4.8mV Actual Signal = 3.3mV Dithered Weighted Average = 3.2mV 3

24 Tecniche di miglioramento del rapporto segnale rumore Range & Guadagno

25 Range La risoluzione dell A/D è distribuita all interno del range di acquisizione Massima Risoluzione = Range Corretto Amplitude 0 (volts) Range = -10 to +10 volts (5kHz Sine Wave) bit resolution Time (ms)

26 Condizionamento: amplificazione Amplifier Ottimizza la risoluzione nel range di misura scelto 10 mv signal 16-bit Digitizer Solo 32 livelli di risoluzione! 10 V signal Range +/-10 Volts 16-bit Digitizer 65,536 livelli di risoluzione

27 Condizionamento: amplificazione Amplifier Migliora il rapporto segnale/rumore (SNR) Rumore Amplificatore differenziale di classe strumentale + _ Cavi ADC Segnale di basso livello Amplificatore esterno Scheda DAQ

28 Esempio di amplificazione Segnale d ingresso = 0-5 Volts ADC Range = 0-10 Volts Settaggio del guadagno dell amplificatore = Amplitude 5.00 (volts) Different Gains for 16-bit Resolution (5kHz Sine Wave) 50 Amplified Signal Gain = 2 Your Signal Gain = Time (ms)

29 Signal to Noise Ratio (SNR) Maggiore è l SNR, meglio è Obbiettivo: amplificare il segnale, NON il rumore Signal Voltage S.C.* Amplification Noise in Lead Wires DAQ Board Amplification Digitized Voltage SNR Amplify only at DAQ Board.01 V None.001 V x V 10 Amplify at S.C.* and DAQ Board.01 V x V x V 100 Amplify only at S.C.*.01 V x V None V 1000 * S.C. = Signal Conditioning

30 Esempio : acquisizione di una termocoppia DAQ Signal Accessory Termocoppia Scheda DAQ

31 Settling Time (LSB) Un amplificatore in classe strumentale: NI-PGIA Other 20.0 NI Garantisce un tempo di assestamento bassissimo, anche a frequenze di campionamento elevate Sampling Rate (ks/s)

32 Drift Error (%) Altre tecniche: auto calibrazione Other Misure migliori e più stabili nel tempo Riduzione dell effetto del drift in temperatura dei componenti mo 6 mo 1 yr Time NI

33 Temperature Error (%) Circuito di protezione dal drift in temperatura Other Uso di reti di compensazione e componentistica di grado superiore Auto calibrazione basata su una sorgente a bordo precisa Sensore di temperatura a bordo Temperature ( C) NI Tutto ciò assicura un comportamento uniforme a standard elevati a prescindere dalla temperatura ambiente

34 Caratterizazione del convertitore analogico/digitale

35 Risoluzione di un convertitore AD Amplitude (volts) Bit Versus 3-Bit Resolution (5kHz Sine Wave) Time (ms) 16-bit 3-bit La dinamica di conversione può essere migliorata giocando con il range ed il guadagno

36 Frequenza di campionamento E la frequenza di conversione dell A/D (Hertz) Va seguito il Teorema di Nyquist Fcampionamento>=2*Fsegnale Ben campionato Aliasato per sottocampionamento

37 Aliasing Sottocampionare un segnale analogico può dar vita all apparire di frequenze fittizie nella banda di interesse Un segnale aliasato non può più essere correttamente ricostruito

38 Prevenire l aliasing Incrementare la frequenza di campionamento Inserire un filtro passa-basso anti alias

39 Filtri Anti-Aliasing E un filtro analogico passa basso Taglia fuori le componenti a frequenze superiore che potenzialmente possono dare alias

40 L importanza del driver di misura: Measurement and Automation Explorer

41 LabVIEW Pannello Frontale Interfaccia Utente Grafica Indicatori e Controlli Diagramma a Blocchi Codice Sorgente Libreria delle funzioni Rapido sviluppo di codice Auto-documentante

42 LabVIEW Programming Compiled graphical programming Wires and icons Development time reduction by 4 to 10X Full-fledged programming environment

43 Dataflow Programming Plot RMS Save Execute In Parallel Wires pass data (nonlinear) Data flows from sources to sinks Code can execute multiple operations in parallel

44 Hierarchy of VIs Modular design Reusable building blocks Hierarchal system

45 Alcuni esempi di Strumenti Virtuali Esempio n 1 Esempio n 2 Esempio n 3

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