1

DAQ – data acquisition

systems

Ján Šaliga

KEMT FEI TU Košice

2016

Systém zberu dát

Meranie (a regulácia) v priemysle:

Elektrické aj neelektrické veličiny

Relatívne pomalé deje (kHz, ms)

Veľké rušenie a nežiaduce vplyvy

Čo je multifunkčná doska?

Viacúčelová doska - modul umožňujúci snímať a

generovať analógové a číslicové signály z/do PC

Pripojenie k PC:

Interná zbernica (PCIe)

Merací modulárny systém (PXI, PXIe)

USB

Ethernet

Špeciálne komunikačné rozhranie

Pre použitie je potrebný softvér (driver + aplikácia)

Univerzálny – obyčajne stačí iba overenie základnej funkcie

Špeciálny vytvorený podľa aplikácie a požiadaviek užívateľa

Principiálna schéma

Typy vstupov a výstupov I.

Analógové vstupy Obyčajne napäťové vstupy v multiplexnom režime 8, 16 prípadne

aj viac

Rozsah vstupných napätí od cca. 1V do 10V v unipolárnom alebo bipolárnom režime

Elektricky diferenciálne alebo nesymetrické vstupy so spoločnou zemou PC alebo referenčnou analógovou zemou

Max. vzorkovacia frekvencia cca. 1MHz, rozlíšenie typicky 12 – 18bitov

Zemnenie a tienenie

2

Diferenčné vstupy

Vysoká odolnosť voči rušeniu – vhodné pre

malé signály

Zložitejšia elektronika a káble

Pozor na spoločné napätia ( common mode

voltage - na oba vstupy voči GND) –

presluch CMR, poškodenie vstupu

Uzemnené vstupy

Referenčná zem Nereferenčná zem

Referenced single ended Non-referenced single ended

Spojenie výstupov a vstupov Parametre a obvody analógových

vstupov – šírka pásma

(Bandwidth) – prenos signálov obvodom s relatívnou zmenou zosilnenia alebo zoslabenia na rôznych frekvenciách menšou ako zvolená hodnota (najčastejšie +/-3dB)

Parametre a obvody analógových

vstupov – doba čela

Obvody pri prenose strmých zmien signálov tieto

tlmia vyhladzujú

B

ažTrd

45.035.0

Parametre a obvody analógových

vstupov – vzorkovacia frekvencia

(sampling rate) – tempo prevodu analógového

signálu na číslo (tempo merania analógového

signálu)

3

Vzorkovacia frekvencia

Vzorkovacia frekvencia musí byť minimálne dvojnásobkom frekvencie najvyššej zložky obsiahnutej v signáli (Nyquistova alebo Shannonova podmienka – praxi problém

Polovica vzorkovacej frekvencie sa nazýva Nyquistova frekvencia

Nedodržanie Nyquistovej podmienky -

aliasing Signál (zložky) sa objavia po vzorkovaní na iných tzv.

aliasingových frekvenciách falias = ABS(najbližšie N.fs – fin)

F2alias=

ABS (100-70)

=30

F3alias=

ABS (2.100-160)

=30

F4alias=

ABS (5.100-510)

=10

Prevod analógového signálu na číslo

(kvantizácia)

Každej hodnote signálu v diskrétnom čase (vzorkovanie) sa priradí číslo – kód

(analógová hodnota sa zaokrúhli – kvantuje) pomocou analógovo-číslicového

prevodníka (AČP)

Rozlíšenie AČP:

• Definované počtom bitov N

• Počet rozlíšiteľných

úrovní = 2N -1

• !!!POZOR vždy pre plný

rozsah (Full Scale), t.j.

• D=FS/(2N -1)

Kvantizačná chyba – kvantizačný šum

Rozdiel medzi skutočnou a diskrétnou

(číslicovou) hodnotou

Predpokladá sa rovnomerné rozdelenie

pravdepodobnosti

Efektívna hodnota kvatizačného šumu:

erms=D/sqr(12)

Bodové chybové parametre AČP

Výstupný

kód k

011

010

001

000

111

110

101

100 -4 -3 -2 -1

0 1 2 3 4 Vstupná

analógová

veličina x(t)

[Vfs/Q]

Ideálny

AČP Reálny

AČP

Chyba

zisku

Chýbajúci

kód

Nemonotónnosť

Nežiadúca

nelinearita

Chyba

ofsetu

Nelinearita AČP - DNL a INL

DNL - relatívna chyba

skutoňého kvantizačného

kroku pre kód k

INL – relatívna chyba

reálnej kvantizačnej

úrovne

1)1()(

)( D

=

D

DD=

kTkTkDNL real

)1()()()(

)( =D

= kINLkDNL

kTkTkINL idealreal

Dôsledky nelinearity – chybné (nepresné) hodnoty – zväčšenie

kvantizačného šumu – zhoršenie rozlíšenia (počet platných

bitov menší ako nominálny)

Zistenie reálnych kvantizačných úrovní:

PROBLÉM pri AČP: skutočný AČP sa správa stochasticky

– stochastický model AČP

4

Príklad DNL a INL Prevodová charakteristika AČP

Deterministický model Pravdepodobnostný

model

T[k] - kvantizačná úroveň (prahová úroveň kódu k)

Vfs – celkový (plný) rozsah AČP

N – nominálne rozlíšenie (počet bitov) AČP

0 1 1,5 2

P ( k | x )

1

Deterministická

definícia

Stochastická

definícia

1 2

101

100

Výstupný kód k

Vstupná analógová veličina x ( t)

[ V fs /2 N ]

Vstupná analógová veličina x ( t)

[ V fs /2 N ]

Profil kanála

[ ] ) ( ) ( 1 5 , 0 = = [ ] ) k T k P k T k (

P [ ]: k T

Výstupný kód k

Vstupná analógová veličina x ( t)

[ V fs /2 N ]

011

010

001

000

111

110

101

100

- - - 4 3 2 - 1 0 1 2 3 4

[ ] ( )

[ ] ( ) 1

2 ..., 1, 0, k

AČP bipolárny pre 2 1 2

AČP unipolárny pre 2 5 , 0

=

=

=

N

N fs

N nom

N fs nom

V k k T

V k k T

-1

Testovanie DNL a INL

Štandardizované metódy

IEEE Std. 1057 - 1994, "IEEE Standard for Digitizing Waveform Recorders",

IEEE Std. 1241, "IEEE Standard for Terminology and Test Methods for Analog-to-Digital Converters koncept

Európsky projekt DYNAD – SMT4-CT98-2214, „Methods and draft standards for the DYNamic characterisation of Analogue to Digital converters“,

Testovanie DNL a INL

Štandardizované metódy

IEEE Std. 1057 - 1994, "IEEE Standard for Digitizing Waveform Recorders",

IEEE Std. 1241, "IEEE Standard for Terminology and Test Methods for Analog-to-Digital Converters koncept

Európsky projekt DYNAD – SMT4-CT98-2214, „Methods and draft standards for the DYNamic characterisation of Analogue to Digital converters“,

Kalibračný

zdroj

Záznamové zariadenie,

napr. logický analyzátor

Testovaný

AČP

Oddeľovací

obvod

Zdroj taktovacích

a riadiacich signálov

Riadenie a vyhodnotenie

merania - počítač

Statické štandardizované metódy Založené na pravdepodobnostnom modeli AČP

Nevýhoda: časovo náročné, napr. 12bitový AČP, fs=100kHz ~

30hodín, fs=10Hz ~ 300000 hodín ~ 521rokov

Dynamické štandardizované metódy

Presný harmonický

generátor (DDS)

Záznamové

zariadenie

Testovaný

AČP

Oddeľovací

obvod

Generátor

CLK

Riadenie a vyhodnotenie

merania - počítač

Syn

ch

ron

izácia

Pásmový

priepust

Presný harmonický

generátor (DDS)

+

Povinné Doporučené Voliteľné podľa potreby Iba pri meraní IMD alebo iných viactónových meraniach

Rýchla náhrada statických metód = určenie kvázistatických

parametrov (DNL, INL, ...) prostredníctvom histogramov

Určenie dynamických parametrov (SINAD, ENOB, THD, ...)

analýzou záznamu v časovej alebo spektrálnej oblasti

Zostava testovacieho pracoviska pre harmonický signál

5

Testovanie prostredníctvom histogramov Hustota pravdepodobnosti

pre harmonický signál ( )

2 2

1 arccos

2

1

d

d 2

x A A

x

x x p

= ÷

=

p p

[ ] ( ) ( )

( )

( ) ( ) ( ) ÷ ÷

=

=

N

N fs

N

N fs

k V

k V A

k V

A

k V x

x A k P

N

N fs

N

N fs

2 .

2 1 arcsin

2 .

2 arcsin

1 d

1 1 1 2

2

2

2 1 2 2

1

1

1 p p

( ) ( ) [ ]

( )

÷ ÷

=

N

N fs

N

N fs

id

A

k V

A

k V M k H

2

2 1 arcsin

2

2 arcsin

1 1

p

[ ] [ ] [ ]

[ ] k H

k H k H k DNL

id

id

=

Pravdepodobnosť, že na výstupe AČP sa objaví kód k

Z toho pre ideálny lineárny AČP a ideálny harmonický signál

Porovnanie ideálneho a skutočného

histogramu a parametre AČP, napr.

Nevýhody: - vysoká kvalita a stabilita testovacieho signálu často

pri veľmi nízkych frekvenciách,

- potreba poznať čo najpresnejšie parametre signálu

Vybrané dynamické parametre

Pomer signál – šum a

skreslenie

Pomer signál – šum

Efektívny počet bitov

Dynamický rozsah bez

rušenia

Harmonické skreslenie

rms

rms dB

A SINAD

h 1 log 20 =

=

= H

h

h rms

rms dB

A

A SNR

2

2 2

2

1 log 10

h

02 , 6

76 , 1 log 2

= =

SINAD N ENOB

rms

rms & s

h

( )

( ) ( ) ( ) sp avm h avm

i avm

dB f Y f Y

f Y SFDR

, max log 10 =

1

2

2

A

A

THD

H

h

h =

=

Meranie dyn. par. AČP v čase Založené na budení harmonickým signálom a následne na analýze záznamu

v časovej

Princíp a postup:

Odhad skutočného kvantizačného šumu v zázname porovnaním záznamu

so vzorkami ideálneho vstupného testovacieho harmonického signálu

získaného spätne aproximáciou zo záznamu v čase.

• Trojparametrická metóda - neznáma amplitúda, jednosmerná zložka a

počiatočná fáza, presne známa normovaná frekvencia), výhoda: rýchly

výpočet explicitného vyjadrenia, nevýhoda: možná veľká chyba ak nie je

frekvencia presne známa

• Štvorparametrická – neznáma amplitúda, jednosmerná zložka, počiatočná

fáza aj normovaná frekvencia, nevýhoda: zložitý iteračný proces s

nejednoznačnou konvergenciou

Odhad parametrov testovaného AČP dosadením výsledkov analýzy do

definičných vzťahov

Meranie dynamických parametrov AČP

v spektrálnej oblasti

Princíp: Určiť kvantizačný šum, skresľujúce zložky a pôvodný testovací

signál v zázname zo spektra získaného pomocou DFT záznamu.

Dosadením do definičných vzťahov určiť parametre testovaného AČP

Koherentné vzorkovanie a vypočítané spektrum zodpovedá skutočnému spektru signálu – Výhoda: jednoduché a presné odčítanie a vypočítanie hľadaných

parametrov

– Nevýhoda: v praxi ťažko realizovateľné

i

s

f

f

J

M =

Zvýšenie presnosti AČP - dithering

Prevzorkovanie signálu s pridaním šumu alebo psedonáhodného signálu s rovnomerným rozdelením pravdepodobnosti v intervale blízkom 1LSB a následným spriemermením a decimáciou digitalizovaných vzoriek

Nežiaduci šum

Všetky „náhodné“ fluktuácie signálu, ktoré „zahmlievajú“ skutočnú hodnotu (veľkosť) signálu.

Zdroje šumu: Tepelný šum – každý elektronický prvok, ktorý má fyzikálnu vlastnosť

R: (Vn)2 = 4KTRB [V2/Hz]

Blikavý (flicker) alebo 1/f šum – PN prechody v polovodičoch

...

Šumový

prah

6

Stratégie potlačenia šumu

Voliť čo možno najmenšie impedancie na vstupoch a výstupoch signálov

Minimalizovať použitú šírku pásma

Vhodne zemniť, tieniť, použiť vhodné káble, ...

Používať nízkošumové súčiastky na vstupoch

Používať nižšie napájacie napätia

Číslicové spracovanie šumu

„Precision“ alebo „accuracy“?

Vlastnosti multiplexerov

Odpor v zapnutom a vypnutom stave

Doba prepnutia (settling time)

Presluchy, šum, parazitné kapacity, ...

Galvanické oddelenie

Bezpečnosť, rôzne potenciály (zeme) ...

Príklady zapojenia s GO

Modulačný zosilňovač

Typy vstupov a výstupov II.

Analógové výstupy Typicky 2 alebo 4

Typicky 10V v uni alebo bipolárnom režime

Vzorkovacia frekvencia až do jednotiek MHz

Rozlíšenie typicky 12 – 16 bitov

Nesymetrické výstupy voči GND v PC

7

Typy vstupov a výstupov III.

Priame číslicové vstupy a výstupy Skupina vstupov pre

snímanie alebo generovanie logických hodnôt (úrovní – obyčajne TTL)

Programovateľné individuálne po bite alebo skupine (smer, hodnota)

Niekedy možnosť handshaku a vyrovnávacej pamäte

Typy vstupov a výstupov IV.

Časovacie vstupy a výstupy (Timer) Meranie časových parametrov číslicových signálov (počet

impulzov, frekvencia, perióda, šíka impulzu, ...)

Generovanie číslicových signálov s danými parametrami (postupnosť impulzov definovanej šírky, striedy,...)

Založené na programovateľných čítačoch

Oscilátor

Riadiaca logigka

Riad. reg. (W) Stav. reg. (R) Data. reg. (R/W)

čítač (16/24 bitov)

Prepínač

CLK

Source

Gate

Systém (softvér)

Start/stop

OUT

Výstup

Programovanie

Driver, konfiguračné utility, vývoj

aplikácie

Súčasťou dodávky karty býva bezplatný driver a

konfiguračná utilita (overenie funkčnosti karty v systéme,

defaultné nastavenia)

NI:

Driver: DAQmX

Konfigurácia: Measurement and automatisation explorer (MAX)

Vývoj aplikácie (operačný systém – Windows, Linux, real

time):

C, NET, ...

LabVIEW

Aplikácia (Windows)

Komunikácia s hardvérom cez

volanie drivera

Aplikácia v LabVIEW:

Express DAQ assistant

Low level funkcie – detailné

nastavenie podmienok merania a

dynamické zmeny nastavenia počas

merania

Základná filozofia komunikácie s

kartou

Vytvorenie úlohy (nepovinné)

Výber vstupu/vstupov:

V rámci jednej úlohy vždy iba jeden typ (AD, DA, DIO, ...)

Nastavenie pripojenia, napr. diff, SE, napäťové rozsahy, vlastné škály,

názvy kanálov, ...

Nastavenie časovania:

Vzorkovanie,

Režim snímania (kontinuálne, konečný počet, ...) + buffer

Synchronizácia – triggering

Jednoduché softvér/hardvér, post triggering

Spustenie úlohy

Preberanie/generovanie dát

Stop a zrušenie úlohy (vrátenie HW OS)

8

Analógový vstup – 1. krok

Základná konfigurácia:

Výber analógových vstupov

(konfigurácia v MAX)

pre viacero vstupov špeciálny

zápis

Maximálne napätia a

konfigurácia vstupu

Pomenovanie

Voľba jednotiek a

prepočítavacej škály

(lineárna)

Analógový vstup - časovanie

Nastavenie vzorkovania –

potrebné iba pri snímaní

časového úseku signálu):

Režim: kontinuálne, konečný

počet

Vzorkovacia frekvencia

Počet vzoriek (bufer)

Zdroj vzorkovacích hodín (int-

ext)

Aktívna hrana

Analógový vstup - triggering

Nepoviná funkcia – určuje podmienky

trigeringu po spustení úlohy

Potrebné je vybrať vhodnú verziu (instance) –

pozor nie všetky karty podporujú všetky

možnosti triggeringu – vždy viď datasheet a

user manual.

Príklady: obdoba osciloskopu (na úroveň, od

iného vstupu – analog/digital, okno, ...)

Post a pre triggering

Analógový vstup – štart úlohy

Pre analógový vstup

povinné, ak je potrebné

spustiť úlohu po pozastavení

(viď Stop)

Pozastavenie ale nie

zrušenie úlohy cez Stop (viď

ďalej).

Analógový vstup čítanie vzoriek

Multi instance ikona použivaná pre všetky druhy vstupov cez kartu –

potrebné vybrať vhodnú verziu a typ dát – napr. jedna vzorka, pole z

jedného vstupu, pole z viacerých (multiplexovaných) vstupov, dáta

vo forme poľa, waveformu, atď.

Vstupy (podľa verzie):

Timeout

Počet vzoriek (default -1 znamená

pri kontinuálnom aktuálny počet

v bufri, pri jednorázovom počká

na naplnenie bufra

Pri kontinuálnom snímaní musí

byť Read v slučke While,

príp. For

Analógový vstup - ukončenie

Vymazanie (zrušenie) úlohy.

Následne môže byť test

chyby.

Pozor Stop je iba

pozastavenie bez zrušenia

a úloha môže by znova

spustená (pokračovanie)

ďalším štartom

9

Analógový vstup – Property node

Umožňujú dynamicky meniť podmienky

(režim) behu úlohy a nastavovať všetky

vlastnosti a parametre (aj nedostupné zo

základných ikon)

Silný nástroj umožňujúci „neobmedzenú“

manipuláciu s úlohou

Analógový vstup - príklad

Analógový výstup

Princíp programovania veľmi podobný

analógovému vstupu:

Vytvoriť (zvoliť kanál)

Nastaviť časovanie príp. aj triggering

Zadať vzorky

Odštartovať úlohu

Pri kontinuálnom generovaní dodávať priebežne

nové vzorky alebo opakovať obsah bufra

Zmazať úlohu

Analógový výstup – príklad 1

Analógový výstup – príklad 2 Číslicové vstupy - konfigurácia

DIO sú programovateľné:

Smer

Zoskupenie

Zoskupenie vstupov do

skupiny (group):

Všetky DIO do jedného

kanála

Samostatný kanál pre každý

DIO

Dôsledok: rôzne formáty

výstupu dát

10

Číslicový vstup

Kontinuálny vstup

Konečný vstup

Číslicový výstup

Obdoba vstupu

Counter output

Kontinuálne generovanie

Counter vstup

Meranie frekvencie