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Misure Meccaniche e Termiche
Acquisizione digitale dei segnali
Ing. Lorenzo Comolli
Acquisizione digitale dei segnali
Schema dell'acquisizione digitale
g(t)
grandezza fisica
(ad es. spostamento)
T
trasduzione e condizionamento
x(t)
segnale elettrico in tensione
S(par)
scheda di acquisizione
(impostata con certi parametri)
y(n)
sequenza di numeri
quantizzati
segnali continui segnali discretizzati
(sia nel tempo che in ampiezza)
Acquisizione digitale dei segnali
La grandezza fisica
Qualunque grandezza fisica di interesse
Esempi per l'ingegnere meccanico:spostamentoangolovelocitàaccelerazione (vibrazioni)forzacoppiapressionedeformazione...
Acquisizione digitale dei segnali
Il trasduttore e il condizionamento
Il trasduttore:trasduceuna grandezza fisicain un'altra, generalmente un segnale
elettrico in tensione
Il condizionamento:condiziona:il segnale acquisito facendo operazioni
sul sistema (amplificazione, filtri, alimentazione trasduttore, ...)
Acquisizione digitale dei segnali
Il segnale elettrico in tensione
Il trasduttore produce in uscita una ddpproporzionale alla grandezza in ingresso.
Il segnale può essere "trasportato" su due fili conduttori. Di solito si usano cavi coassiali che hanno il vantaggio di proteggere il segnale all'interno della calza, che funge sia da terra del segnale che da gabbia di Faraday.
I connettori dei cavi coassiali sono i BNC(Bayonet Nut Connector) che hanno i contatti coassiali (sempre per fungere da gabbia di Faraday)
Acquisizione digitale dei segnali
La scheda di acquisizione
Si occupa di convertire il segnale in tensione in un segnale digitale su PC
Informazioni sul sito National Instruments http://www.ni.com
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Acquisizione digitale dei segnali
Il segnale acquisito (sequenza di numeri)
Il segnale acquisito su PC ècomposto da una sequenza di numeri, quantizzata: sull'asse dei tempi sull'asse delle tensioni
Acquisizione digitale dei segnali
Concetti del campionamento: quantizzazione
DISCRETIZZAZIONE SULL'ASSE VERTICALE (DELLE TENSIONI)
Non tutti i valori sono possibili, i campioni sono quantizzati.
ou
t
111
110
101
100
011
010
001
000
in
Acquisizione digitale dei segnali
Concetti del campionamento: campionamento
DISCRETIZZAZIONE SULL'ASSE ORIZZONTALE (DEI TEMPI)
Il segnale continuo viene convertito in una sequenza di numeri
V
(ti , Vi) i = 1,...... N
t
t
V
Acquisizione digitale dei segnali
I parametri della scheda di acquisizione:predeterminati
NUMERO DI BIT (b)
Valori tipici: schede economiche: 8-12 bit schede standard: 16 bit schede dedicate: 18-24 bit
bb
FS - VVlsberisoluzion
22minmax
Acquisizione digitale dei segnali
I parametri della scheda di acquisizione:predeterminati
FONDO SCALA MASSIMO (FSmax)
E' il massimo intervallo di tensioni che la scheda può leggere.
Tensioni maggiori (o minori) dei limiti vengono viste pari al valore limite (fenomeno della saturazione).
Valori tipici: schede standard: 10 V schede per usi particolari: 601000 V
Acquisizione digitale dei segnali
I parametri della scheda di acquisizione:predeterminati
FREQUENZA DI CAMPIONAMENTO MASSIMA
Ossia è il massimo numero di campioni che possono essere acquisiti ognisecondo
Espressa dal produttore in kilosamples al secondo [kS/s] (non fa parte del S.I.), si tratta comunque di kilohertz [kHz].
Numero da suddividere sul numeri di canali effettivamente utilizzati (tranne schede a campionamento simultaneo)
Valori tipici: schede standard: 1001000 kHz
canali
schedac n
ff max,
max,
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Acquisizione digitale dei segnali
I parametri della scheda di acquisizione:predeterminati
Nota sulle schedeEsistono molti schemi di schede; i principali elementi sono: ADC, convertitore analogico/digitale S&H, sample and hold, mantiene costante la tensione durante
l'acquisizione MUX, multiplexer, interruttore a posizione variabileEsempi di schemi, con 4 canali:
S&H ADC
segn
ali a
nalo
gici
S&H ADC
S&H ADC
S&H ADC
S&H ADCMUX
S&H
ADCMUX
S&H
S&H
S&H
Acquisizione sincronafc,max=fscheda,max
Acquisizione asincronafc,max=fscheda,max/nch
Acquisizione sincronafc,max=fscheda,max/nch
Acquisizione digitale dei segnali
I parametri della scheda di acquisizione:predeterminati
MASSIMO NUMERO DI CANALI
Numero di canali analogici che possono essere acquisiti contemporaneamente.
Valori tipici: schede standard: 8-16 schede multicanale: 3280
SchedaSegnali
Acquisizione digitale dei segnali
I parametri della scheda di acquisizione:predeterminati
INTERFACCIA CON PC
Determina la massima velocità di trasferimento dati possibile tra scheda e PC
Interfacce tipiche: schede standard: PCI (pc fisso), PCMCIA (pc
portatile), PXI nuove schede: USB, Ethernet, FireWire
USBPCI
Acquisizione digitale dei segnali
I parametri della scheda di acquisizione:modificabili
FREQUENZA DI CAMPIONAMENTO (fc)
E' inutile acquisire sempre alla massima frequenza di campionamento permessa dalla scheda.
Il "miglior" campionamento è quello che permette di acquisire la minor quantità di dati senza alterare il segnale acquisito.
Esempio: fmax,segnale = 50 Hz => fc > 100 Hz, con margine si può scegliere fc = 200 Hz
segnalec ff max,2
Acquisizione digitale dei segnali
I parametri della scheda di acquisizione:modificabiliTEMPO TOTALE DI ACQUISIZIONE (Tacq)
Tempi lunghi permettono di osservare segnali variabili lentamente, ossia a bassa frequenza.
Tempo minimo per osservare un segnale a frequenza fmin:
Esigenza di campionare un numero intero di periodi
min
1
fTacq
intero Ncon 1
minfNTacq
Acquisizione digitale dei segnali
I parametri della scheda di acquisizione:modificabili
FONDO SCALA (FS)
Regolabile, ad es: (0.05-0.1-0.25-0.5-1-2.5-5-10) V
In realtà il FS sulla scheda è fisso (di solito 5 V)
Quello che viene cambiato (in maniera invisibile all'utente) èl'amplificazione prima dell'acquisizione (ad es 0.5x per avere FS 10 V, 2x per avere FS 2.5 V).
La misura di tensione acquisita viene divisa per l'amplificazione e poi mostrata all'utente.
Amplificatorevariabile ADCADC
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Acquisizione digitale dei segnali
I parametri della scheda di acquisizione:modificabiliMESSA A TERRA
La scelta della messa a terra influenza la qualità dei segnali acquisiti in termini di disturbi.
Casi possibili del trasduttore: trasduttore flottante trasduttore messo a terra
Impostazioni della scheda: DIFF (Differencial): il - non viene messo a terra dal
lato scheda RSE (Referenced single ended): il - viene messo a
terra
Acquisizione digitale dei segnali
I parametri della scheda di acquisizione:modificabili
RSE
DIFF
Trasduttore con - messo a terra (grounded)
Trasduttore non messo a terra (floating)
Trasduttore Scheda
Da aggiungere manualmente
Loop di massa!
Acquisizione digitale dei segnali
Problemi del campionamento:saturazione
Il segnale "esce" dal range di misura.Soluzione: - aumentare il FS (se possibile)
- togliere il valor medio (sommatore, filtro PA)
Acquisizione digitale dei segnali
Problemi del campionamento:risoluzione insufficientePer una quantizzazione corretta, il segnale deve avere ampiezza As
(molto) maggiore della risoluzione: As»lsbSoluzioni: - adattare il FS al segnale
- aumentare b (numero di bit) cambiando la schedab
FSlsb
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Acquisizione digitale dei segnali
Problemi del campionamento:tempo di acquisizione troppo breve
Per determinare la frequenza di un segnale devo acquisire almeno un periodo.
Risoluzione in frequenza: acqT
f1
Acquisizione digitale dei segnali
Problemi del campionamento:aliasing
Teorema del campionamento (o di Shannon)Per campionare correttamente un segnale bisogna
campionarlo ad una frequenza fc maggiore del doppio della frequenza massima contenuta nel segnale.
Ossia bisogna acquisire più di 2 punti per periodo.
Viene definita frequenza di Nyquist la massima frequenza visibile, pari a metà della frequenza di campionamento.
Nota: alla FNy non si ricostruisce correttamente il segnale (si freq, no amp e fase).
segnalec ff max,2
2c
Ny
ff
5
Acquisizione digitale dei segnali
Problemi del campionamento: aliasing
fC = 70 Hz > 2 fS
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
Es. fS=12 Hz
fC = 24 Hz = 2 fS
fC = 8 Hz < 2 fS
tempo [s]
tempo [s]
tempo [s]
Acquisizione digitale dei segnali
Problemi del campionamento:aliasing
Se non si rispetta il th. del campionamento, le frequenze maggiori di fc/2 vengono "specchiate" alle basse frequenze.
fNy=fc/2f
mod
)( , NyrealesNyalias ffff
fs, realefalias fc
Acquisizione digitale dei segnali
Problemi del campionamento:aliasing
Esempio: fc= 20 Hzfalias= 6 Hzfs,reale potrebbe essere: 6, 14, 26, 34,.... Hz
fC/2
fS digitale (APPARENTE)
fS analogico(REALE)
fC 2 fC6 1410
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3026 34
DIAGRAMMA DELL’ALIASING
Misure Meccaniche e Termiche
L'oscilloscopio
Ing. Lorenzo Comolli
Acquisizione digitale dei segnali
Oscilloscopio
Scopo:
permette di visualizzare su uno schermo l’andamento di una tensione in funzione del tempo.
permette misure di tempo e/o di ampiezza della forma d’onda posta sulle sonde di misura.
Solitamente visualizza due ingressi (canali) ma può arrivare a quattro
Esempio di un oscilloscopio digitale
Acquisizione digitale dei segnali
Oscilloscopio
Una delle caratteristiche principali è la
BANDA PASSANTE(massima frequenza
misurabile del segnale)
E' possibile ottenere ad esempio le seguenti informazioni:
• la forma del segnale • la presenza di disturbi e rumore• la tensione massima e minima oppure l'escursione picco-picco• il periodo della forma d'onda oppure la frequenza• la componente continua (media) e alternata del segnale (ampiezza)
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Acquisizione digitale dei segnali
Analogico e digitale
Tipologie di oscilloscopi: analogici
vantaggio: non risente dei problemi del campionamento svantaggio: è qualitativo
digitali vantaggio: è quantitativo (fornisce misure accurate) svantaggio: risente dei problemi del campionamento (ma di solito
fc elevatissime, ad es. 60 MHz)
Acquisizione digitale dei segnali
Oscilloscopio: noteI segnali in ingresso hanno valori ammissibili non superiori
ad un certo limite (che dipende dall'oscilloscopio, ad esempio ±20 V), anche se la tensione massima applicabile senza danneggiare lo strumento è generalmente piùelevata.
Per tensioni superiori è possibile usare "sonde" 10x o 100x.
L'oscilloscopio è semplice da usare, permette di visualizzare due (o quattro) segnali anche di ampiezze molto diverse fra loro.
Non ha pretese di elevata accuratezza.
Acquisizione digitale dei segnali
Pannello frontale
Acquisizione digitale dei segnali
Display
E’ costituito generalmente da una griglia di 10x8 quadratiL’asse X rappresenta la base dei tempiL’asse y rappresenta l’ampiezza del segnale
ampiezza in volt CH1 e CH2
valore di delay
trigger auto fronte positivobase dei tempi
ch2 trigger 2,43 V
Acquisizione digitale dei segnali
Operazioni sui canali (1/2)
• Selezione del canale
• si visualizzano sul display in basso i controlli del canale selezionato
1 Coupling …
Off On DC AC GND
Tasti di commutazione
Acquisizione digitale dei segnali
AC / DC / Ground
La modalità DC acquisisce il segnale così com'è, quindi anche il suo valore medio.
La modalità AC elimina la parte continua del segnale, ovvero porta il valor medio a zero applicando un filtro passa alto con frequenza di taglio molto bassa.
La modalità GND visualizza la massa, serve per stabilire lo zero.
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Acquisizione digitale dei segnali
Il filtro AC
ft
frequenza di taglio
mod
zona di reiezione
zona di transizione zona di
trasmissioneattenuazione -3 dB
ossia 71%
Definizioni:
Frequenza di taglio: frequenza alla quale il filtro attenua il segnale di 3 dB, ovvero riduce l'ampiezza al 71%.
Zona di trasmissione: intervallo di frequenze dove il segnale non viene alterato.
Zona di reiezione: intervallo di frequenze dove il segnale viene completamente eliminato.
Zona di transizione: intervallo di frequenze dove il segnale è parzialmente attenuato. Meglio un intervallo piccolo, filtro ideale.
f0
1
Acquisizione digitale dei segnali
Operazioni sui canali (2/2)
• Se si hanno due segnali èpossibile sommarli o sottrarli (tasto Math)
Channel math
Off 1+2 1-2
In questo esempio è attivata la somma dei due segnali
Acquisizione digitale dei segnali
Guadagni e offset (1/2)
• Il controllo Volts/Div regola il guadagno verticale (volt / divisione della griglia) da 2 mV/div a 5 V/div.
• Position serve a spostare la traccia del segnale lungo l’asse delle tensioni (senza modificare il segnale)
Connettori ingresso CH1 – CH2
Acquisizione digitale dei segnali
Guadagni e offset (2/2)
• Delay serve a spostare la traccia del segnale lungo l’asse dei tempi
• Il controllo Time/Div regola il guadagno verticale (volt / divisione della griglia) da 1 ns/div a 5 s/div.
Acquisizione digitale dei segnali
Trigger
Serve per cominciare a disegnare il segnale sullo schermo nel momento in cui avviene un evento particolare.
Ad esempio il passaggio di una soglia, in salita o in discesa.
Il trigger è utile per "bloccare" un segnale sullo schermo in caso di segnali periodici.
Es: trigger su soglia a 0 V e pendenza in salita
Acquisizione digitale dei segnali
Slope Coupling
Slope Noise Rej
Off On
Controlli del Trigger
Trigger source
1 2 Ext Line
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Acquisizione digitale dei segnali
Generatore di funzioni
Produce dei segnali di riferimento, ad es.: Onda armonica Onda quadra Onda triangolare Rumore bianco Sweep
Parametri modificabili: Ampiezza (o valore picco-picco) Frequenza Offset
T=1/f
A
T=1/f
A
T=1/f
A
Misure Meccaniche e Termiche
Oscilloscopio e acquisizione digitale in laboratorio
Ing. Lorenzo Comolli
Acquisizione digitale dei segnali
Laboratorio al CLASD
Parte prima, segnali analogici e continui: il segnale sull'oscilloscopio
Parte seconda, segnali digitalizzati e quantizzati: acquisizione del segnale su PC
Acquisizione digitale dei segnali
1. L'oscilloscopio
Esercizio: prendere confidenza con l'oscilloscopio e il generatore di
funzione. confrontare lo stesso segnale, acquisito in DC e in AC
(osservare sia il modulo che la fase). determinare la frequenza di taglio del filtro AC
dell'oscilloscopio.
Acquisizione digitale dei segnali
2. L'acquisizione a PC
Elementi della catena di acquisizione generatore di funzione (posso impostare frequenza e
ampiezza della sinusoide, oltre a molti altri parametri) cavo BNC -> pinzette scheda di acquisizione National Instruments "MyDAQ" cavo USB programma di acquisizione in LabView salvataggio dei dati su HD
Acquisizione digitale dei segnali
Freq. camp. [Hz]
Inizio acquisizione
continua
Stop acq. continua
scale e zoom
Salva (in formato testo)
Grafico real-time
legenda
Fondo scala
scelta canale
Il sw di acquisizione
Visualizza lo spettro
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Acquisizione digitale dei segnali
2. L'acquisizione a PC
Esercizio preliminareAcquisire senza salvare; visualizzare lo spettro
variare lentamente la frequenza del segnale da 10 Hz a 400 Hz
con i parametri della scheda di acquisizione fissi fc = 200 Hz FS = 10 V
Osservare l'effetto dell'aliasing sul segnale nel dominio delle frequenze.
Acquisizione digitale dei segnali
2. L'acquisizione a PC
Esercizio A: verifica dell'aliasing (fc fissa, fs variabile)Acquisire e salvare
un segnale a diverse frequenze fs = 10, 30, 50, 80, 99, 100, 120, 150, 180, 200, 220, 250 Hz
con i parametri della scheda di acquisizione fissi fc = 200 Hz Tacq = 5 s FS = 10 V
Osservare l'effetto dell'aliasing sul segnale nel dominio del tempo.
Determinare il modello di scheda di acquisizione e cercare su internet le caratteristiche salienti.
Conservare i dati per i prossimi laboratori, dove verranno analizzati nel dominio delle frequenze.
Acquisizione digitale dei segnali
2. L'acquisizione a PC
Esercizio B (facoltativo): verifica dell'aliasing (fcvariabile, fs fissa)
Acquisire un segnale a frequenza fs = 100 Hz con i parametri della scheda di acquisizione variabili
fc = 50, 100, 150, 200, 250, 500, 2000 Hz Tacq = 5 s FS = 10 V
Osservare l'effetto dell'aliasing sul segnale nel dominio del tempo.