l’utilizzo della strumentazione virtuale per le misure...
TRANSCRIPT
Agenda
• Introduzione alla strumentazione Virtuale
• Elementi di una catena di misura
• Dimostrazione di LabVIEW
• Esercitazioni e supporti
• Fondata nel 1989
• 50+ dipendenti
• Uffici a Milano e a Roma
• Divisione Commerciale
• Divisione Tecnica
• Divisione Marketing
• Divisione Didattica e Ricerca – Sito www.ni.com/italy - Didattica
e Ricerca • Dispense • Esercitazioni • Opportunita’ di lavoro
National Instruments Italy
ISO 9002 Certified
Strumento standard vs strumento virtuale
• 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
DISPLAY AND
CONTROL
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
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
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
Sistemi di Misura e Controllo
Hardware & Driver Software
Motion
Control
PXI Unita’ sotto test
Software Applicativo
Image
Acquisition
VXI
DAQ
GPIB
Serial
Componenti della Misura
Condiziona-
mento Digitalizzazione Computer
Segnali
Sensori
Amplificazione
Attenuazione
Isolamento
Filtraggio
Multiplexing
Eccitazione
SSH
F-to-V
Bridge Comp.
Frequenza
Risoluzione
Analisi
Presentazione
Distribuzione
Termocoppie
RTD
Termistore
Strain Gauge
Pressioni
Carichi
Tensioni
Correnti
Digitali
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 100000 KS/s
– 2 canali DAC 12/16 bit
• Uscita fino a 42Volts
– Da 8 a 32 I/O digitali TTL
– 2 Contatori/Temporizzatori
Schema a blocchi di una scheda DAQ
ADC MUX NI-PGIA
Counter I/O
Digital I/O
NI MITE
Analog Output NI DAQ-STC
Bus di sinconizzazione
Analog Input
Multiplexer Amplificatore Convertitore Analogico/Digitale
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
Campionamento Simultaneo
No Phase Shift
T/H
T/H
Digitizer control signal locks the track-and-hold
amplifiers
Signals are routed through the multiplexer
Track-and-hold amplifiers are released
Tecniche per il miglioramento della risoluzione
• Dithering (12-bit only)
• Noise-rejecting op-amps
• Carefully designed (Gaussian) noise floor
0.0
0.6
1.2
1.8
1 50 100
No
ise
+ Q
uan
tiza
tio
n
Err
or
(LS
B)
Number of Averaged Samples
Without
NI
Dithering
Actual Signal 1 bit (4.8 mV
for 12-bit board
with +/- 10 V
input range)
12-bit Without Dithering
9
0
Weighted Average = 4.8mV
Actual Signal = 3.3mV
Dithering
1 bit (4.8 mV for
12-bit board
with +/- 10 V
input range)
Dithering Applied
6
3
Dithered Weighted Average = 3.2mV
Actual Signal = 3.3mV
Weighted Average = 4.8mV
Range
100 200 150 50 Time (ms)
0
-7.50
-10.00
-5.00
-2.50
2.50
5.00
7.50
10.00
Amplitude
(volts)
Range = -10 to +10 volts (5kHz Sine Wave)
3-bit resolution
000
001
010
011
100
101
110
111
| | | | |
– La risoluzione dell’ A/D è distribuita all’interno del range di acquisizione
• Massima Risoluzione = Range Corretto
Condizionamento: amplificazione
16-bit
Digitizer
10 mV
signal
Solo 32 livelli
di risoluzione!
16-bit
Digitizer
10 V
signal
65,536 livelli
di risoluzione
Ottimizza la risoluzione nel range di misura scelto
Amplifier
Range +/-10 Volts
Condizionamento: amplificazione
Migliora il rapporto segnale/rumore (SNR)
Amplifier
Segnale di basso
livello
Amplificatore esterno Scheda DAQ
Cavi
Amplificatore differenziale di classe strumentale
Rumore
ADC + _
Esempio di amplificazione
100 200 150 50 0
Time (ms)
0
1.25
5.00
2.50
3.75
6.25
7.50
8.75
10.00
Amplitude
(volts)
Different Gains for 16-bit Resolution (5kHz Sine Wave)
Gain = 2
| | | | |
Your Signal
Gain = 1
• Segnale d’ ingresso = 0 - 5 Volts
• ADC Range = 0 - 10 Volts
• Settaggio del guadagno dell’ amplificatore = 2
Amplified Signal
Signal to Noise Ratio (SNR)
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 x100 1.1 V 10
Amplify at S.C.*
and DAQ Board .01 V
.001 V
.001 V x10
x100
x10 1.01 V 100
Amplify only at
S.C.* .01 V None 1.001 V 1000
– Maggiore è l’ SNR, meglio è
– Obbiettivo: amplificare il segnale, NON il rumore
* S.C. = Signal Conditioning
Un amplificatore in classe strumentale:
NI-PGIA
Garantisce un tempo di
assestamento bassissimo,
anche a frequenze di
campionamento elevate
0.0
20.0
40.0
60.0
0 150 300
Sampling Rate (kS/s) S
ettl
ing
Tim
e (L
SB
)
Other
NI
Altre tecniche: auto calibrazione
0.000
0.005
0.010
0 mo 6 mo 1 yr
Dri
ft E
rro
r (%
) Time
NI
Other
• Misure migliori e più stabili nel
tempo
• Riduzione dell’ effetto del drift in
temperatura dei componenti
0.000
0.018
0.035
10 25 40
Circuito di protezione dal drift in temperatura
Temperature (°C) Te
mp
erat
ure
Err
or
(%)
• Uso di reti di compensazione e componentistica di grado superiore
• Auto calibrazione basata su una sorgente a bordo precisa
• Sensore di temperatura a bordo
Tutto ciò assicura un comportamento uniforme
a standard elevati a prescindere dalla
temperatura ambiente
NI
Other
Risoluzione di un convertitore AD
100 200 150 50 0
Time (ms)
0
1.25
5.00
2.50
3.75
6.25
7.50
8.75
10.00
Amplitude
(volts)
16-Bit Versus 3-Bit Resolution (5kHz Sine Wave)
16-bit
3-bit
000
001
010
011
100
101
110
111
| | | | |
• La dinamica di conversione può essere migliorata giocando con il range ed il guadagno
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
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
Prevenire l’ aliasing
• Incrementare la frequenza di campionamento
• Inserire un filtro passa-basso anti alias
Filtri Anti-Aliasing
• E’ un filtro analogico passa basso
• Taglia fuori le componenti a frequenze superiore che potenzialmente possono dare alias
LabVIEW™
• Pannello Frontale
• Interfaccia Utente Grafica
• Indicatori e Controlli
• Diagramma a Blocchi
• Codice Sorgente
• Libreria delle “funzioni”
• Rapido sviluppo di codice
• Auto-documentante
LabVIEW Programming
• Compiled graphical programming
• Wires and icons
• Development time reduction by 4 to 10X
• Full-fledged programming environment
Dataflow Programming
Plot
Save
RMS Execute
In Parallel
• Wires pass data (nonlinear)
• Data flows from sources to sinks
• Code can execute multiple operations in parallel
Alcuni esempi di Strumenti Virtuali
• Esempio n°1
• Esempio n°2
• Esempio n°3