|
Elektronika és méréstechnika
1. Egyenáramú (DC) áramkörök
1.1 Villamosságtani alapfogalmak
1.2 Alapalkatrészek
1.3 Műveleti erősítők
1.3.1 Tulajdonságok
1.3.2 Jellegzetes kapcsolások
2. Váltóáramú (AC) áramkörök
2.1 Impedancia, átviteli függvény
2.2 Műveleti erősítők AC áramkörökben
2.3 Feszültségforrások
3. Feszültségek mérése
3.1 Analóg feszültségmérő műszerek
3.2 Digitalizálás alapfogalmai: kódolás,
pontosság
3.3 AD konverzió áramkörei
3.3.1 Segédáramkörök: SH, számláló
3.3.2 Tipikus AD konverter áramkörök
3.4 Digitális feszültségmérő műszerek
3.5 AC feszültségek mérése
3.5.1 Váltakozó feszültségek jellemzése
3.5.2 Effektív érték (RMS) mérése
3.6 Feszültségmérés hibaforrásai
3.7 Jel-zaj viszony javítása
3.7.1 Zajcsökkentés
3.7.2 Jelátlagolás
3.7.3 Szinkron egyenirányítás, fázisszelektív
detektálás
4. Mérések adatgyűjtő kártyákkal és személyi
számítógéppel
4.1 Számítógép és vezérlések
4.2 Mérőkártyák
4.3 Műszerek összekapcsolása, interface
rendszerek
4.3.1 Soros adatátvitel: RS232 és társai
4.3.2 Párhuzamos adatátvitel: GPIB
1. Egyenáramú (DC) áramkörök
1.1 Villamosságtani alapfogalmak
- Fizikai mennyiségek: feszültség U[V], áramerősség I[A],
töltés[C].
- Áramkör: olyan vezető, zárt hurkok együttese, ahol áram
kering(het).
- Áramköri elemek: feszültségforrás(ok), kapcsoló(k),
fogyasztó(k) és ezek kombinációi.
- Áramköri struktúrák: soros, párhuzamos kapcsolás, hidak.
- Áramkörök osztályozása: analóg, digitális; egyenáramú,
váltóáramú.
- Áramköri szabályok:
Kirchhoff I. (csomóponti törvény): a töltésmegmaradás törvénye
miatt a nem elágazó áramkörök bármely pontjában az áramerősség
ugyanakkora; elágazásnál az elágazásba befolyó áramok összege és
a kifolyó áramok összege egyenlő.
Kirchhoff II. (huroktörvény): az energiamegmaradás törvénye
értelmében bármely hurok mentén a feszültségesések összege
zérus.
- Mérés: feszültséget párhuzamosan, áramot sorosan mérünk.
- Feszültségforrás: elem, tápegység, stb. Nagyfrekvenciás
átalakítás szerepe.
- Kapcsoló: mechanikus, elektromechanikus (mágneskapcsoló,
relé), elektronikus.
- Földelés szerepe: referenciapont, életvédelem.
1.2 Alapalkatrészek
Ellenállások:
|
Az ellenálláson időben állandó U feszültség hatására
időben állandó áram folyik át. (A ábra.) Ha az I(U)
összefüggés lineáris (B ábra, b) akkor az R=U/I
feszültségfüggetlen hányadost ellenállásnak nevezzük; melynek
egysége 1 Ohm. A nemlineáris I(U) összefüggésű áramköri elemek
(B ábra, a és c) az Rint(U)=U/I
integrális és a Rdiff(U)=dU/dI
differenciális ellenállással jellemzhetők..
|
Soros kapcsolás:
|
Re=R1+R2
|
Funkció: feszültségosztó
|
Párhuzamos kapcsolás:
|
1/Re=1/R1+1/R2
|
Funkció: sönt
|
|
A híd két átellenes pontjára U1
feszültséget kapcsolunk, a két másik pont között
U2=U1*[R3/(R3+R4)-
R1/(R1+R2)] feszültség
mérhető.
A hídkapcsolás előnye: ha a mérendő mennyiség (pl.
megvilágítás vagy hőmérséklet változása) csak az R1
ellenállást (R1 =R0+ dR) változtatja meg,
akkor célszerűen azonos ellenállásokat választva (legyen
R2 =R3 =R4 =R0),
U2=U1*dR/2R0, vagyis
U2 az eltéréssel arányos.
|
Felhasználás: hőmérsékletmérés (R1 Pt
ellenálláshőmérő), fényintenzitás mérése (R1
fényellenállás), erő-, nyomaték-, tömegmérés (R1
nyúlásmérő bélyeg, erőmérő cella, mérlegcella), nyomásmérés
(R1 sziliciummembrán), mágneses tér mérése
(R1 magnetorezisztív elem), stb.
|
- Ellenállások specifikálása: érték, teljesítmény, pontosság
szerint;
- változtatható ellenállások: potenciométer, trimmelő
potenciométer;
- nemlineáris ellenállás, VCR (voltage controlled
resistor);
- hőmérsékletfüggő, fényfüggő, stb. ellenállások.
Kondenzátorok:
- specifikálásuk: érték, max. feszültség, veszteség szerint;
- energiatárolás vagy jw karakterisztika.
Félvezető alapalkatrészek:
|
Dióda: igen aszimmetrikus karakterisztika, fő
funkció: egyenirányítás
Zener-dióda: záróirányú letörés
UZ-nél, fő funkció: stabil feszültség beállítása
Fotodióda: a záróirányú áram a megvilágítással
arányos
LED: nyitóirányú áram hatására világít
Optocsatoló (LED+fotodióda): galvanikus
összeköttetés nélküli kapcsolat
|
|
|
- Tranzisztorok: erősítőként vagy
kapcsolóelemként működnek
- Triac és tirisztor: kapcsolóként használjuk,
teljesítményszabályozás lehetséges alkalmazásukkal
1.3 Műveleti erősítők
1.3.1 Tulajdonságok
|
A műveleti erősítők olyan, integrált áramkörként
gyártott erősítők, amelyekkel a hozzácsatolt alkatrészek
jellegétől függően a bemenetre kapcsolt Ube feszültség
és a kimeneten megjelenő Uki feszültségszintek között
különböző matematikai műveleteknek megfelelő, pl. az
Uki = -k*Ube, vagy Uki =
ňUbedt kapcsolatok valósíthatók meg.
|
A műveleti erősítők kivezetései:(A ábra):
· Tápfeszültség bemenetek
· A + jelű nem invertáló, és a - jelű invertáló
bemenetek.
· Kimenet
A műveleti erősítők szokásos rajzjele a B ábra
szerinti (a tápfeszültségeket és a 0 vonalat nem tüntetjük
fel).
A műveleti erősítők kivezetései a következő
tulajdonságuak:
· Tápfeszültség bemenetek: a műveleti erősítők ún.
kettős tápfeszültséggel működnek, melyet két, sorba kapcsolt
feszültségforrás (tápegység) állít elő. Ezek közös pontja lesz a
készülék 0 potenciálú pontja (e pontot ill. feszültséget "közös"
potenciálnak nevezik; a készülékek e pontját szokás földelni). A
tápegységek másik két pontja a +Ut ill. -Ut
. Ut típustól függően 3..22 V; tipikus érték 15 V.
· Bemenetek: a + jelű nem invertáló, és a - jelű
invertáló bemenetek. Ezek nagyon nagy ellenállásúak (a bemenő
áram típustól függően 10-13..10-7A)
· A kimeneten Uki = A * [U+ -
U-]
feszültség jelenik meg, ahol A az ún. nyílthurkú
erősítés (A>>1, tipikus érték 106). A kimenet
kis ellenállású, 1 mA (teljesítményfokozattal épített műveleti
erősítő akár 100 mA..10 A) áramot képes kiadni.
A műveleti erősítők alkalmazásakor (általában
negatív) visszacsatolást, azaz a kimenet és a bemenet közötti
összeköttetést alkalmazunk.
· Negatív visszacsatolás: kapcsolat a kimenet és az
invertáló bemenet között. Ilyen kell a "normális"
üzemmódokhoz.
· Pozitív visszacsatolás: kapcsolat a kimenet és a
neminvertáló bemenet között. Hatására a kimenet "kiül" vagy az
erősítő oszcillál (a kimeneten periodikusan változó feszültség
jelenik meg).
Szabályok:
Az ideális műveleti erősítő úgy működik,
hogy:
1. szabály: A bemeneteken át be az erősítőbe áram nem
folyik;
2. szabály: A kimeneten Uki = A * [ U+ -
U- ] feszültség (A) jelenik meg, mely értelemszerűen
nem lehet nagyobb a tápfeszültségnél. Emiatt, hacsak a kimenet
nincs kiült állapotban, a két bemenet (gyakorlatilag) azonos
potenciálon van.
1.3.2 Jellegzetes kapcsolások
Komparátor
|
Egyszerű alkalmazás: a komparátor
a: A kimenet feszültsége, Uki
Uki» +Ut ha U+ >
U-, ill.
Uki» -Ut ha U+ <
U-.
b: Egyszerű alkalmazás digitális elektronikai
célokra, 5V-os Zener-dióda felhasználásával:
Uki » +5V (high) ha Ube < 0
ill.
Uki » 0 V (low) ha Ube >
0.
|
Feszültségkövető, I.
|
Egyszerű alkalmazás: a feszültségkövető.
Minthogy a negatív visszacsatolás miatt
U- = Uki, ezért
Uki = A * ( U+ - U-
) = A * ( U+ - Uki )
ahonnan átrendezéssel azt kapjuk, hogy
Uki = U+ * A / (1+A).
Minthogy A, Uki = U+ =
Ube.
A feszültségkövető fő szerepe, hogy nem terhelhető
feszültségforrások feszültségét terhelhetővé alakítja át..
|
Feszültségkövető, II.
|
Terhelhető feszültség előállításának módja, hogy hogy
feszültségkövetőt alkalmazunk. A műveleti erősítős kapcsolásoknál
alternatív megoldások lehetségesek. Például, stabil feszültség
előállításának (egy stabil elem által szolgáltatott E feszültség
"lekövetésenek") az ábrán látható két módja van. Mindkét módszer
alkalmazásakor Uki = E és az elemen át nem folyik áram
(hiszen a bemeneteken át az erősítőbe áram nem folyhat).
Általában ilyen alternatív megoldások közül azt
választjuk, amelynél mindkét bemenet földön van (B).
|
Invertáló erősítő
|
A csomóponti törvény és az 1. szabály miatt
Ube / R1 = - Uki / R2
így Uki = - Ube * R2 /
R1.
Megjegyzés: a nem invertáló bemenetet rendszerint egy
R1 * R2 / [ R1 + R2 ]
ellenálláson keresztül földeljük.
|
Összegző invertáló
|
A csomóponti törvény és az 1. szabály miatt
U1/R1 + U2/R2 +...+
Un/Rn = -Uki/Rn
így Uki = - åUi * [ Rv /
Ri ] .
Ha Rv = R1 = R2 = ... =
Rn, akkor Uki = - åUi; egyébként
Uki a bemenő feszültségek súlyozott
összege.
|
DA konverter:
|
DA konverzió tipikus technikai megvalósítás összegző
erősítővel
|
Nem invertáló erősítő
|
A csomóponti törvény miatt és az 1. szabály miatt
(Uki - U-) / R2 = (U-
- 0) / R2.
A 2. szabály miatt U- = U+, így
Uki = Ube * (R1 +
R2) / R1.
A nem invertáló erősítő kimenő feszültsége tehát
Uki = +k*Ube
|
Kivonó
|
A csomóponti törvény miatt és az 1. szabály miatt
(Uki - U-) / R2 =
(U- - U2) / R1 és
(U1 - U+) / R3 =
(U+ - 0) / R4.
A 2. szabály miatt U- = U+ ; a
három egyenletből átrendezéssel azt kapjuk, hogy
Uki = +U1 * [ ( 1 +
R2/R1) / ( 1 +
R3/R4)] -
- U2 * [ R2/R1 ]
Speciális esetek:
· ha R1 = R2 és R3 =
R4, akkor
Uki = +U1 - U2 (az
áramkör egyszerű kivonó áramkör.)
· ha R1 = R3 = R4 =
R, és R2 = R + d
és U1 = U2 (a bemeneteket
összekapcsoljuk) akkor Uki = -2 d U1 / R
(hídkapcsolás).
|
Műszererősítő (instrumentációs erősítő)
|
Uki = k*(U1 -
U2) ahol k = 1 + 2*R2 /
R1.
Az R1 ellenállás cseréjével a k
erősítés pontosan szabályozható, ezért változtatható erősítésű
erősítőfokozatokban alkalmazzák.
|
Áram-feszültség átalakító:
|
Minthogy a mindkét bemenet földpotenciálon van, és az
Rm mérőellenálláson I*Rm feszültség esik,
Uki = I * Rm
Áramerősség mérésére használjuk.
|
Logaritmikus erősítő
|
A diódák exponenciális karakterisztikájúak, vagyis I
= k1 * exp(k2U). A neminvertáló bemenet
földön van, ezért az invertáló bemenet potenciálja is mindig
0.
Legyen Ube pozitív és elegendően nagy,
hogy a visszacsatoló ágban gyakorlatilag csak a felső,
nyitóirányban lévő diódán folyjon át lényeges nagyságú I áram. A
diódán
I = (0 - Ube) / R1 erősségű
áram folyik át, tehát
I = k1 * exp(k2Uki)
= (0 -Ube) / R1 vagyis Uki = -
k3 * log ( k4 Ube ) .
A visszacsatoló ágban azért van két dióda, hogy
pozitív és negatív feszültségek logaritmusát egyaránt lehessen
képezni.
|
Exponenciális erősítő
|
A diódák exponenciális karakterisztikájúak, vagyis I
= k1 * exp(k2U). A neminvertáló bemenet
földön van, ezért az invertáló bemenet potenciálja is mindig 0.
Legyen Ube pozitív és elegendően nagy, hogy
gyakorlatilag csak a felső, nyitóirányban lévő diódán folyjon át
lényeges nagyságú I áram. Mindkét bemenet földön van, így a
visszacsatoló ágon I = (0 - Uki) / R1, a
diódán pedig I = k1 * exp(k2Ube)
erősségű áram folyik át. Innen Uki = - k1
R1* exp ( k2 Ube ).
A bemenetnél azért van két dióda, hogy pozitív és
negatív feszültségek exponenciálisát egyaránt lehessen
képezni.
A logaritmáló és az exponencializáló erősítők
összehasonlításával észrevehetjük, hogy ha a visszacsatoló ágban
lévő elemet felcseréljük az invertáló bemenethez vezető elemmel
akkor az inverz matematikai függvényt állítjuk elő. (Ugyanez a
reláció figyelhető meg a differenciáló és az integráló erősítők
esetében is.)
|
Analóg szorzó: Két feszültség szorzata a
log(U1*U2) = log(U1) +
log(U2) azonosság felhasználásával állítható elő: A
feszültségeket logaritmáljuk, összeadjuk, majd
exponencializáljuk.
|
2. Váltóáramú (AC) áramkörök
|
Olyan áramkörök, amelyeknél U(t) általában nem követi
I(t) függvényt
Példa: kondenzátoron (szigetelő vezetők között)
áthaladó áram I = dQ/dt = C*dU/dt; azaz I nem U-val, hanem annak
deriváltjával arányos.
A kondenzátor, mint áramköri elem, csak időtől függő
feszültségek esetén "működik".
|
2.1 Impedancia, átviteli függvény
A "legegyszerűbb" váltakozó feszültség szinuszos
időfüggésű:
U(t)=Uo sin(wt+q); [amplitudó, körfrekvencia, (w=2pf), fázis (radián egységben)].
Példa: a hálózati feszültség [Ueff=230 V, f=50 Hz], U = Uo sin(2p *50t) ahol Uo = Ueff Ö2
= 325 V* sin(2p *50t) .
Komplex formalizmus: exp(jq)= cos(q) + j*sin (q) ahol j = Ö-1 az imaginárius egység;
U(t) = Uo cos(wt) komplex formalizmussal U(t) = Uo exp(jwt)
Impedancia definíciója:
Általánosságban, egy lineáris elemen U(t) = Uo*sin(wt) feszültség hatására I(t) = Iosin(wt+f) áram halad át; a két mennyiség viszonyát az áramköri elem impedanciája fejezi ki.
A lineáris áramköri elemet az Uo/Io amplitudóarány és a f fáziskülönbség jellemzi, mert
Z º
[Uo exp(jwt)] / [Io exp(j(wt + f)]) = [Uo / Io]* exp(-jf) = [Uo / Io] * (cos (f) - j sin(f))
Az impedancia: frekvenciafüggvény; ábrázolása Bode
ill. Nyquist diagramon
Bode diagram: log Zabs és f, log(f) függvényében ln(Z(w))=ln(Z*exp(if))=ln(Zabs(w))+jf(w);
Nyquist diagram: (komplex síkon): Im(Z(w)) Re(Z(w)) függvényében;
Két (feszültségfüggő) ellenállásból és egy kondenzátorból álló
hálózat impedanciadiagramja komplex (Nyquist, felül) illetve Bode
reprezentációban (lent).
|
|
Impedancia szerepe: az áramkörszámítási szabályokat
impedanciákra lehet alkalmazni:
· Ellenállás impedanciája: f = 0, ZR
=R = Uo / Io;
· Kondenzátor impedanciája: f = -p/2 (áram siet), ZC = 1 / jwC;
I = C*dU/dt, tehát, ha U(t)=Uo sin(wt), akkor I = C w Uo sin(wt +p/2);
· Tekercs impedanciája: f = -p/2 (feszültség siet), ZL = jwL.
· soros kapcsolásra: Z = Z1 +
Z2,
· párhuzamos kapcsolásra: 1/Z = 1/Z1 +
1/Z2.
Impedancia ismeretében tetszés szerinti RLC
hálózatra meg tudjuk mondani, hogy egy adott frekvenciát átvisz-e
(adott AC feszültség hatására mekkora áram halad át rajta).
Az áramkörön áthaladó áramot az alábbi
meggondolásokkal számíthatjuk ki:
- Szinuszos U amplitudójú feszültség hatására áthaladó
szinuszos áram komplex amlitudója
- Ha az áramkörön nem szinuszos, de (w0 alapharmonikusu) periodikus feszültség halad át, akkor az w=kw0 frekvenciáju felharmonikusok bármelyikére
az előző egyenlet.
- A periodikus U(t) és I(t)
és a megfelelő és komplex amplitudók között a Fourier-transzformáció
teremt kapcsolatot. Ugyanis a periodikus, w0 alapharmonikusú f(t) időfüggvény előállítható
Fourier-sorként:
. Az komplex amplitudók, azaz az amplitudók ill fázisok az f(t) függvényből
Fourier-transzformációval határozhatók meg. A
Fporier-transzformációval tehát időfüggvényből állítunk elő
frekvenciafüggvényt (spektrumot).Ez az összefüggés két
szempontból hasznos:
a. egy lineáris, passzív áramkör impedanciáját meghatározhatjuk
aként, hogy valamely periodikus U(t) feszültséget alkalmazva
megmérjük az I(t) áramerősséget; mindkét időfüggvényt
Fourier-transzformáljuk, azaz meghatározzuk az egyes w
frekvenciákhoz tartozó és komplex amplitudókat; ezek hányadosa a Z(w) impedancia.
b. Ha ismerjük a Z(w) impedanciát, akkor ki tudjuk
számítani, milyen I(t) áramerősség fog áthaladni az
ismert U(t) periodikus feszültség hatására:
Konkrétan,
hatására lesz az áramerősség.
Ez utóbbi szummázást (vagyis amikor a frekvenciafüggvényből
(spektrumból) állítunk elő időfüggvényt) inverz
Fourier-transzformációnak nevezzük.
- Megemlítendő, hogy ha az U(t) vagy a
I(t) függvény nem periodikus (pl. ugrásfüggvény) akkor
is kiszámítható az impedanciafüggvény ismeretében
I(t) U(t)-ből, vagy fordítva, a Laplace
transzformáció alkalmazásával.
Az impedancia általánosítása az átviteli függvény, amely valamely négypólus kimenete és bemenete közötti viszonyt fejezi - tipikusan Uki/Ube w (vagy f=w
/2p
) függvényében.
Az átviteli függvény jellegzetes egysége az erősítés, A, logaritmikus egysége a dB. A*[dB]=20*lg(Uki/Ube). Tipikus ábrázolása A (f) és f(f).
Az elektromos rendszereket tehát az alábbi
függvényekkel lehet jellemezni:
Lineáris rendszerek:
- Kétpólus: impedancia (admittancia): frekvencia (f)
függvény; ábrázolása Bode, Nyquist
- Négypólus: bemenet - kimenet - átviteli függvény
(Uki/Ube f függvényében).
Nemlineáris rendszerek:
áram-feszültség-karakterisztika az időtől független, sztatikus
nemlineáris tulajdonságok jellemzésére.
2.2 Műveleti erősítők AC áramkörökben
Integráló erősítő:
|
A C kapacitású kondenzátor feszültsége és a rajta
áthaladó I áram között az I=C*dU/dt összefüggés áll fenn; a
műveleti erősítőre vonatkozó szabályok értelmében
I = (Ube - 0) / R = C * d(0 -
Uki)/dt, ahonnan
Uki = - (1/RC) ňUbedt
|
Aluláteresztő szűrő I.:
|
RC aluláteresztő szűrő feszültségkövetővel.
Átviteli függvénye: Uki/Ube = 1/[1+jwRC]
Az aluláteresztő (felülvágó ) szűrők funkciója
zajszűrés, átlagolás.
|
Aluláteresztő szűrő II.:
|
Invertáló aluláteresztő szűrő.
Átviteli függvénye:
A=Uki/Ube = -R2/R1/[1+jwR1C1]
|
Differenciáló erősítő:
|
A C kapacitású kondenzátor feszültsége és a rajta
áthaladó I áram között az I=C*dU/dt összefüggés áll fenn; a
műveleti erősítőre vonatkozó szabályok értelmében
I = (Uki - 0) / R = C * d(0 -
Ube)/dt, ahonnan
Uki = - (1/RC) * dUbe/dt
|
Felüláteresztő szűrő I.:
|
RC felüláteresztő szűrő feszültségkövetővel.
Átviteli függvénye:
Uki/Ube = jwRC /[1+ jwRC]
A felüláteresztő (alulvágó ) szűrők funkciója a DC
szint illetve a lassú "csúszások" levágása.
|
Felüláteresztő szűrő II.:
|
Invertáló felüláteresztő szűrő.
Átviteli függvénye
A=Uki/Ube = -jwR2C1[1+jwR1C]
|
|
Különböző időállandójú, elsőfokú aluláteresztő szűrők
hatása 1 Hz-es négyszögjelre. A szűrők időállandója 0, 11 ms, 58
ms, 120 ms ill. 0.5 s.
|
Magasabb rendű szűrők:
Megmutatható, hogy minden aluláteresztő
szűrőkarakterisztika felírható az
alakban. A nevezőben lévő polinom jellege, a
ki együtthatók értéke szerint különböző
szűrőtípusokat készíthetünk, melyek közül a nevezetesebbek:
Butterworth, Csebisev: meredek levágás, de túllövéses
négyszögjel-válasz.
Bessel-szűrők: ideális négyszögjelátvitel
Realizálásuk: első és másodfoku szűrők
sorbakapcsolásával.
|
Példa:
Tizedfoku 0.5 dB ingadozású Csebisev-szűrő
átvitelének frekvenciamenete, valamint az öt alaptag
karakterisztikája.
|
Egyéb szűrőfajták: sávszűrők (sáváteresztők és
sávkizárók).
|
Műveleti erősítő sávszélessége és visszacsatolt erősítése
közötti összefüggés
|
2.3 Feszültségforrások
Vezérelhető feszültség- és áramforrások
Invertáló erősítő , mint feszültségforrás,
árammérővel
|
Módosítás: áramerősség szabályozáshoz
|
Potenciosztát
|
Az elektrokémiai cellában három elektród van, a
w jelű munkaelektród,a ref jelű referenciaelektród, és
a c jelű ellenelektród. Az 1. jelű műveleti erősítő (a
c és w elektródok között) mindig akkora áramot folyat
át a cellán, hogy a referenciaelektródon a földhöz (azaz a
w-hez képest) kialakuló potenciálja,
Uref,w =-Uprog legyen. Így tehát
a potenciált az Uprog -gal állíthatjuk be, ezt a 2.
erősítő kimenetén vissza is mérhetjük. A 3. erősítő kimenetén
megjelenő feszültség pedig a cellán átfolyó áramerősséggel
arányos.
|
|
Általános célú elektromos mérőműszer, négy
kontaktussal: Az 1. erősítő a CI (current input) kontaktusokon
keresztül mindig akkora áramot folyat át a cellán, hogy a
potenciálmérő S (sensing) bemenetek közötti feszültségkülönbség
Us1,s2=-Uprog legyen. A KKE egy
különbségképző, pl. egy műszererősítő.
|
AC feszültségforrások
- oszcillátor - függvénygenerátor (jelalak, amplitudó, offset,
frekvencia)
- VCO bemenet - burst
- arbitrary generator
- digitális oszcillátor: astabil multivibrátor
- kvarcoszcillátor - óra, mikromérleg (párologtatás,
tömegnövekedés)
3 Feszültségek mérése
3.1 Analóg feszültségmérő műszerek
Deprez műszer, X-t író, X-Y író. Átlagoló
regisztráló, magnószalag
Oszcilloszkóp:
- katódsugárcső (gyors, hosszú utánvilágítás, tárolás)
- jelcsatorna (bemenet: AC-DC-GND, aszimmetrikus, differencia,
chopped üzemmód
- időalap (pl kettős)
- triggerelési mód (normál, egyes, automata) triggerforrás:
(külső, jel) triggerszint (DC, AC, logikai él, hálózat)
- analizálás: vizuálisan, dokumentálás fényképpel
(polaroid)
- digitális oszcilloszkóp - (tranziens rekorder) kiolvasható,
poszttrigger, jel eleje, hazárd analízis
3.2 Digitalizálás alapfogalmai: kódolás, pontosság
Kódolás:
- Bináris: kettes számrendszer, hexadecimális számrendszer
- szöveges információra: ASCII, kódlapok
- számokra: BCD, bináris (hexadecimális), Gray kód (pl.
szögmérésre)
- offset bináris, és kettes komplemens ábrázolás -
számábrázolás (word, integer, floating)
- hibafelismerés: modulo (pl. parity bit)
Pontosság:
- Felbontás (resolution [bit]): a legkisebb kijelezhető
rész (12 bit: 1/4096; 3 1/2 digit: 1/1999 vagy 1/(2*1999), LSB,
MSB, csonkítás
- Érzékenység (sensitivity [V]): a legkisebb érzékelhető
változás (=legkisebb méréshatár/felbontás). Példák: 3 1/2 digit,
2V-os méréshatárnál: 1 mV; 16 bit (65536), 2V-os méréshatárnál:
30 mV; 8 1/2 digit, 200mV-os méréshatárnál: 1 nV;
- Valódiság (abszolút pontosság): valamilyen abszolút
(feszültség)standardhoz képest
- Precizitás (relatív pontosság): valamilyen belső
standardhoz képest (amikor csak valamilyen változás a
lényeges)
- Reprodukálhatóság: (megismételhetőség) - valamely
konstans érték mérésekor a mért érték eloszlásának
félértékszélessége.
- Szisztematikus és statisztikus hiba
illusztrációja:
|
Felbontás Pontosság Reprodukálhatóság
1 jó jó jó
2 jó rossz jó
3 rossz rossz jó
4 rossz rossz rossz
|
- Linearitás: eltérés a lineáris analóg - digitális
összefüggéstől. Jellemzés pl. <1/2 LSB. Példa: rossz DAC.
- Konverziós idő: tipikus 1m
s-1 ms.
3.3 AD konverzió áramkörei
3.3.1 Segédáramkörök: SH, számláló
Mintavevő tartó (sample and hold, S&H)
|
|
Fel-le számláló (reverzibilis számlánc)
|
|
Alapegység: olyan billenőkör, amely valamelyik élre
billen át - így a bemenetre adott négyszögsorozat frekvenciáját
felezi.
|
A kimeneten a bemenet frekvenciája leosztva
jelenik meg
|
3.3.2 Tipikus AD konverter áramkörök
1. Ellenállásláncon direkt komparációs
eljárás (flash ADC):
|
|
2. Fokozatos megközelítés (Successive
approximation ADC):
|
3. Számlánc-követés (tracking ADC)
|
4. Kettős integrálás (dual slope ADC)
|
Működése:
1. lépés: Ux mérése tref ideig (addig,
hogy a számláló tulcsorduljon - ismét 0)
2. lépés: Uref mérése tx ideig (addig,
hogy a komparátor ismét 0-t mérjen)
Ekkor
tx=Ux/Uref*tref.
|
3.4 Digitális feszültségmérő műszerek
- Bemenet általában földfüggetlen (1 Mohm) HI LO bemenetek,
instrumentációs erősítő, megadott U(HI-LO)max és
U(LO-GND)max
- DVM (DC U mérés); DMM (UIR, DC,AC mérés); 1 - 1000 MOhm
bemenő ellenállás, elektrométer: 10 -100 TOhm
- Számítógépbe helyezett AD-DA kártyák - virtuális
műszerek.
- Feszültségmérők pontosságának megadása: = erősítési hiba
(gain error) + nullponthiba (offset error) és/vagy leolvasás
hibája (%) + méréshatár hibája (%) Például egy 4 1/2 digites DVM
leolvasási hibája 0.005% (± 0.0001), ha a 2 V-os méréshatár
hibája 0.01%, akkor egy pontosan 1.0000 V-os feszültséget a DVM ±
(0.0001+ 1*0.0001) =0.0002 bizonytalansággal méri meg.
- Mintavételi idő (sampling rate): Mintavételi idő>
konverziós idő. Shannon-Nyquist-féle mintavételi törvény: a
mintavétel frekvenciája legalább duplája legyen a jelben lévő
legnagyobb frekvenciáju komponens frekvenciájának (aliasing
error, anti-aliasing filtering)
- Feszültségmérők kalibrálása: Gyakran ellenőrizni, szükség
esetén beállítani.
3.5 AC feszültségek mérése
3.5.1 Váltakozó feszültségek jellemzése
- : Uo: amplitudó,
2Uo:: p-p amplitude.
Uo mérése: csúcsmérő
- effektív érték, (RMS):
- abszolút érték átlaga, mérése egyszerű, olcsó
- Uo, , Ueff különböző értékű és
jelalakfüggő, pl. szinuszosra jelre ; ; négyszögjelre
3.5.2 Effektív érték (RMS) mérése
a. analóg megoldás
- digitális megoldás: digitalizálás, négyzetelés, összegzés
(alapharmonikus periódusidejéig), gyökvonás
3.6 Feszültségmérés hibaforrásai
1. Kontaktusellenállás hatása
Példa: ellenállásmérés:
2. Nagy forrásimpedancia (ellenállás) hatása
DC eset - ellenállásosztó, kontrollálható
AC eset - lassú felfutási idő (szórt kapacitás
lecsökkentendő előerősítővel vagy aktív árnyékolással)
3. Hőmérsékletkülönbségek hatása
Nem azonos hőmérsékletű kontaktusok termopárt
képeznek (mV nagyságrendű hiba)
4. Földhurok hatása
|
Elkerülése: a mérőrendszerből csak egy elemet
földeljünk, vagy pedig mindent azonos ponthoz földeljünk
(kerüljük a földhurkokat).
|
3.7 Jel-zaj viszony javítása
3.7.1 Zajcsökkentés
A. Árnyékolás
- Faraday-kalitka (belülre elektromos tér nem tud behatolni;
elektromos tér eredetű zajokat rézzel, mágneses eredetűeket
vassal)
- Az árnyékolást jól definiált potenciálu ponthoz kell
kapcsolni (legtöbbször földhöz)
- Földelt illetve védett kábelek (guard), ábra, felfutási idő
szerep
B. Mágneses eredetű zajok
Motorok, generátorok váltakozó mágneses teret hoznak
létre, ezek a fix vezető hurkokban áramot indukálnak. Sztatikus
mágneses térben változó felületű áramvezető hurkokban is áram
indukálódik. Ezen áram minimalizálása végett:
- motorokat, generátorokat - lehetőség szerint - érzékeny mérés
környékén ne üzemeltessünk;
- a vezető hurkok felületét minimalizáljuk pl. csavart érpárú
vezeték alkalmazásával;
- a vezetékeket célszerű mágnesesen árnyékolni (vas) és fixen
(pl. rezgésmentesre) szerelni.
- Földhurok: (lásd fent): megszüntetendő
- Periódusidőnyi átlagolás 20 ms
átlagolással
Hálózati 50Hz-es eredetű zajokat legjobban a 20 ms-os
átlagolással csökkenthetjük le. Ugyanis, ; emiatt általában a periódusidő egész számu
többszöröséig cészerű integrálni (példák: 100 ms, 220ms, Windows
alatt futó programok-megszakítások hatásai).
3.7.2 Jelátlagolás
Analóg AC jeleknél: szinkron egyenirányítás,
lock-ines méréstechnika
Repetitív, zajos jelek átlagolása: Ezek digitálizálva
az X[k] tömbbe kerülnek, melyeket az Y[k] tömbben átlagolunk. A
műveletet pascal nyelven az alábbi procedúra fejezi ki:
for k:=1 to Npoints do Y[k]:=0; {nullázzuk az Y tömböt}
for i:=1 to Ntransients do begin
repeat until Trigger; {triggerre várunk}
for k:=1 to Npoints do begin
X[k]:=ResultsOfADConversion; {AD konverzió}
Y[k]:=Y[k]+X[k]; {összegezünk}
end;
end;
for k:=1 to Npoints do Y[k]:=Y[k]/Ntransients; {normáljuk az Y tömböt}
Ha a repetitív X[k]= T[k]+ Z[k], azaz a jel a
tényleges T[k] tranziens és a Z[k] zaj összege, akkor, feltéve
hogy hogy Z[k] időbeli átlaga zérus, átlagolással Y[k]® T[k].
Megjegyzések:
1. Célszerű a fenti algoritmust kicsit átrendezni oly
módon, hogy Y[k] mindenkor az addigi jelek átlagát mutassa, tehát
a normálást már az összegzésbe beépítjük. Ekkor az összegző sor
Y[k]:=Y[k]+X[k]/Ntransients alaku, az utolsó, normáló sor
elhagyható.
2. Segédeszköz: digitális aluláteresztő szűrő. Mérünk
egy X(t) feszültségfüggvényt Dt időnkénti mintavételezéssel. Az
X[k] tömbből az Y[k] tömböt az Y[k+1]:= w*X[k]+(1-w)*Y[k] képlet
szerint számítjuk, ahol 0<w<1 sulyfaktor. Ez egy t=D
t*(1-w)/w időállandóju aluláteresztő szűrő. Célszerű
w=1/2j értéket (pl 1/16 vagy 1/64, akkor t
=D
t*(2j-1)) választani, ui. a 2j -vel való
osztás bináris eltolássá egyszerűsödik pl. 1001111 div 2 =
0100111. A fenti képlet átírható a Y[k+1]:= Y[k]+w*(X[k]-Y[k])
alakba, melyben csak összegzések és 2j -vel való
osztás, tehát bináris eltolás szerepel. Az ilyen digitális szűrő
igen egyszerű hardware eszközökkel (bináris összeadókkal, és
shiftregiszterekkel) megvalósítható, tehát gyors.
A hardware összegzés és a digitális szűrő
összekombinálható: ha az összegzés Y[k]:=(1-w)*Y[k] +
w*X[k]/Ntransients alakú, akkor az összegben a régi tagok
"elfelejtődnek", az új tagok átlaga dominál.
3. Az átlagolás egyszerű hardware eszközökkel
(bináris összeadókkal) megvalósítható, tehát gyors és
üzembiztos.
4. Az átlagolásnak két célja van: zajcsökkentés és
felbontásnövelés. Elvileg az összegzés során a felbontás nő (pl.
12 bites felbontásu jel 16-szor összeátlagolva legjobb esetben 16
bitessé változik). A zaj szerepe kettős: ha túl kicsi (pl. 1
bitnél sokkal kisebb, akkor az 1 bites lépcsők 4 bitessé
változnak, tehát az AD konverzió által okozott csonkítás továbbra
is fennmarad. Ha a zaj nagyon nagy, akkor sokat kell átlagolni.
Az optimum kb. az, ha néhány LSB-nyi zaj van a jelen - sokszor
mesterségesen adunk zajt (dither) a jelhez.
- Példák: radarvisszhang a Holdról, impulzus fotokémia,
radiokémia
3.7.3 Szinkron egyenirányítás, fázisszelektív detektálás
Alapja: csak akkor nem zérus, ha k természetes egész
szám.
Spektroszkópiai példák: kis fényintenzitás mérése
1. példa: Kis intenzitású (pl. monokromátorból jövő)
fény mérése fényszaggatással, és a szaggatással szinkron
egyenirányítással.
2. példa: fény spektrumának mérése a monokromátor
hullámhosszának modulálásával és azzal szinkron
egyenirányítással. A kimeneten a spektrum hullámhossz szerinti
deriváltjával arányos feszültség jelenik meg.
3. példa: A K1 és K2
küvettákban a mérendő ill. összehasonlító oldat van. A kimeneten
az a fényelnyelés különbségével arányos feszültségjel jelenik
meg.
Fázisszelektív detektálás
- Fázistoló áramkör van a referenciaágban: fázisérzékeny
detektálás (lock-in erősítő)
- Analóg (klasszikus) lock-in erősítő: Kapuzás (kapcsolgatás),
négyszögjellel szorzás;
- Digitális (modern) lock-in erősítő: szinusz-szal,
koszinusszal szorzás (numerikusan): így a Fourier-együtthatókat
kapjuk meg.
- Fourier-analizátor, spektrumanalizátor: szimultán sok
frekvencián számítja a Fourier-együtthatókat
- FRA, (frequency response analyzer), vektorvoltmérő: van
(Ux2+
Uy2)1/2 kimenet
Digitális lock-in erősítő blokkvázlata
Az Ube mérendő feszültség az EE előerősítő
után a Sz szűrőn keresztül jut az ACE jelű AC erősítőre, majd
onnan az x-szel jelölt szorzóegységekbe. A
referenciacsatorna kulcseleme az Osz jelű oszcillátor. Ez
beállítható frekvenciáju és amplitudójú szinuszjelet állít elő,
amely egyfelől a KE erősítő kimenetén megjelenve külső
modulációhoz felhasználható. Másfelől, az oszcillátor a
Refbe bemeneten keresztül bejövő külső
referenciajelhez szinkronizálható a PLL (phase locked loop)
egység segítségével. Az oszcillátor szolgáltatta szinuszjel
fázisa az FT fázistoló egységben megváltoztatható. Az alsó, és
felső szorzóegységben tehát a jelcsatornán kierősített feszültség
szinuszjellel, illetve a FT90 90 fokos fázistoló
egységben képzett koszinuszjellel szorzódik össze. A
szorzóegységek kimenetén megjelenő feszültségeket a DCE jelű
erősítőkben egyenszint leválasztása után tovább erősítjük; ezek
(az Uxki és Uyki feszültségek) a kimenő
feszültségek. Ezekből a Psz jelű polárkoordináta számító
egységben abszolut érték és fázisszög is számítódik és kerül az
Uabski ill. f ki kimenetére.
Modern, digitális lock-in erősítőkben a nagy
téglalapon belüli egységek nem feszültségjeleket, hanem AD
konverterekkel digitalizált jeleket (számokat) dolgoznak fel (pl.
a szorzóegység egy numerikus processzor). Ilyenkor a nagy
téglalappal jelölt funkcionális egység neve DSP (digital signal
processor).
4 Mérések adatgyűjtő kártyákkal és személyi számítógéppel
4.1 Számítógép és vezérlések
Számítógép:
- logikai -aritmetikai egység - programtár - adattár - külvilág
(IO)
- adatok is, parancsok is byte-okban vannak (k*8 vezeték + föld
= busz)
- belül párhuzamos adatátvitel (ISA, PCI)
- külvilág felé rendszerint soros (pl egér, klaviatúra, modem);
hagyományok miatt párhuzamos a GPIB és a printer)
- memória: volatilis:RAM, permanens:ROM, EEPROM, flash memória,
kis fogyasztású: CMOS;
- címek: bizonyos címeken rendszerparaméterek találhatók -
táblázat; portcímek (IO célokra)
Mikroprocesszor:
- A logikai-aritmetikai egység egyszerű műveletekre képes:
byte-ok összehasonlítása, összeadás, fixpontos számok szorzása;
lebegőpontos művelet: koprocesszor
- timer: funkcionálisan 8254-es; ami 55 ms-onként a $46C-t
megnöveli eggyel.
- két mikroprocesszorcsalád van: Motorola 6800 és Intel 8080
utódai.
Vezérlések:
- vezérlések elvégzéshez a logikai -aritmetikai egység -
programtár - adattár külvilág (IO) egységek össze vannak
integrálva - ezek a mikrokontrollerek.
- fejlesztőrendszer; program (1-2 kByte esetleg) beégetés, vagy
letöltés
- nem programozhatók - mikrokontroller: mosógép, fényképezőgép,
pH mérő
- programozható:PLC (bit ki, be, relés kapcsolások, ADC, DAC )
egyszerű, megbízható (közlekedési lámpa)
- bonyolultabb: folyamatvezérlő számítógép - ujabban PC (ipari
PC: üzembiztonság, megbízhatóság, egyszerűség, párhuzamos,
tartalék, watchdog)
4.2 Mérőkártyák
- információ: AD-DA, timer (analóg) DIO, léptetőmotor
vezérlő (digitális), frame grabber (kép)
- általános célu műszerek: sokcsatornás analizátor,
oszcilloszkóp, spektrofotométer, potenciosztát
- egyedi berendezések vezérléséhez: 8255 alapu kártyák
- kommersz elektronikai megoldások felhasználhatók: DIO-ra a
printerport, ellenállásmérésre a gameport, AD-DA (sajnos csak
hangfrekvenciás AC alkalmazáshoz) hangkártyák
- jelkondicionálás (mechanikai csatlakoztatás, erősítés,
szűrés, galvanikus leválasztás, szimultán mintavételezés)
rendszerint a felhasználó feladata
- beállítandó: interrupt level, DMA channel, alapcím
Programozásuk
- címkiosztás, példaprogramokkal;
- driver - parancskészlet, (pascal,C), Labview driver
- komplett virtuális műszer program
Programozási példák:
1. példa: egy polarográfiás függőcsepp
elektródot egy PCL-812 PG típusú kártya vezérel. A kapilláris
zárt, ha a DIO14 nevű IO byte 6. bitje 1, nyitott, ha 0.
procedure PSDropHalt(b:byte); {DIO14, 6.bit}
begin
if b>0 then b:=1;
DIO14:=(DIO14 and 191);
if b=1 then DIO14:=DIO14+64;
{vagy: DIO14:=(DIO14 and 191) or (b shl 6);}
port[base_address+14]:=DIO14;
end;
2. példa: feszültségmérés: {egyszeri AD
konverzió a PCL/812PG-vel}
function MeasV:integer;
var i:integer; hib,lob:byte;
begin
port[base_address+11]:=1; {software trigger enable}
hib:=port[base_address+5]; {törli az EOC (end of conversion) bitet}
port[base_address+12]:=1; {software trigger}
i:=0;
repeat
hib:=port[base_address+5]; i:=i+1;
until (hib<16) or (i=100); {Fontos: timeout lekezelés}
lob:=port[base_address+4];
mv:=hib shl 8 + lob; {mv=256*hib+lob}
if i=100 then MeasV:=9999 else MeasV:=mv;
end;
3. példa: feszültségmérés 20 ms-os
integrálással
function measV20ms:real;
var i:integer; vl:longint; mv: real; vv:integer;
begin
i:=0; vl:=0;
StartTimer; {Timer: egy számláló, amely másodpercben adja
meg a StartTimer kiadása óta eltelt időt,
pl. a kártyán lévő 8254-es kiolvasásával}
repeat
vv:=MeasV;
if not (vv=9999) then begin
i:=i+1; vl:=vl+vv;
end;
until ReadTimer>0.02;
if i>0 then MeasV20ms:=vl/i else MeasV20ms:=9999.0;
end;
4. példa: Leállás elleni védekezés:
keretprogramból (Main.exe) exec-kel hajtjuk végre magát a
mérőprogramot (Measure.exe) ami pl. esc megnyomással állítható
le.
Program Measure;
....
procedure EscTest;
begin
KeyTest; if EscPressed then CloseAll; halt(27);
end;
....
begin
repeat Measurements; EscTest; until világvége;
end.
Program Main;
...
repeat
exec('Measure.exe',''); i:=DosexitCode;
WriteDEClogFile(i); {Egy naplófájlba kiirja a hibakódot}
until (i=27);
end.
Ezzel csak a runtime error-ok küszöbölhetők ki, a
tényleges lefagyások csak resettel - watchdog.
4.3 Műszerek összekapcsolása, interface rendszerek
Analóg adatátvitel: telefon, hangfrekvencián 48 V ac,
modem
4.3.1 Soros adatátvitel: RS232 és társai
1. RS232C. Legegyszerűbb soros rendszer
Fizikailag:
- ± 3..12V; 0 (LO) = +3V..+15V; 1 (HI) = -15V..-3V
- minimum 3 vezeték (jel oda, vissza, föld), legáltalánosabban
9 vezeték (TxD, RxD (transmit data, recieve data: jel oda ,
vissza); RTS, CTS (request to send, clear to send: küldj,
küldök), DSR, DTR (data set ready, data terminal ready:
adatpuffer üres/tele), DCD (data carrier detect, van
telefonvonal), RI (ring indicator: telefon kicseng), GND:
jelföld.
- csatlakozó 9 pólusu, 25 pólusu (lásd még áramhurok)
- műszerhez (Data Communication Equipmenthez: modemhez,
printerhez, műszerhez) direkt vezetékek (pl RxD <-> RxD,
TxD <--> TxD, GND <-> GND; a kábelen számítógépnél
anya, műszernél apa)
- másik számítógéphez (Data Terminal Equipmenthez) felcserélt
vezetékek (pl RxD <-> TxD, TxD <--> RxD, GND
<-> GND; anya-anya kábel)
- Handshake: RTS/CTS; handshake vonalak földelhetők.
Adatátvitel protokollja: megadandó a
baud rate (bit/s) szokásosan 9600 baud, 38400
stb.
adatátvitel: 7 vagy 8 bit (klasszikus vagy ékezetes
karakterek is)
paritásbit, stopbit
Tipikus bitsorozat (frame):
2. Javított RS232:
- RS 423A: ± 3.6 V; 2 koaxiális kábel (oda és vissza); 300kBaud
30m vezetékhossznál; efelett rohamosan lecsökken.
- RS 422A: ± 2 V; 2 csavart érpár; 2MBaud 60m vezetékhossznál;
efelett rohamosan lecsökken.
- RS 485: ipari szabvány, csavart érpár, címezhető
3. Áramhurok (current loop, TTY interface)
20 mA (optocsatolt, zavarvédett); 4 vezeték (jel oda,
jel vissza, + földek); max 1000 m távolságra használható.
4.3.2 Párhuzamos adatátvitel: GPIB
Printerport - szükség esetén DIO (digitális
vezérlési) célokra felhasználható
GPIB: General Purpose Interface Bus; HPIB
(1965), Hewlett-Packard Interface Bus, IEEE-488, IEC-625
Általános felépítés: vezérlő(k) (controller
(számítógép)); + max. 31 műszer; kábelezés (összes hossz < 2
méter*készülékek száma<20 m; 24 pólusu piggyback, Amphenol
késes, csillag v. lánc; 25 pólusu tűs csatlakozó, metrikus -
amerikai rögzítés) - open collectoros meghajtások (negatív
logika, zajvédettség)
Használat:
Vezérlő: manapság rendszerint PC + NI (National
Instruments) kártya + pascal, C, Labview, Labwindows software
Konfigurálás: címek beállításával +
konfigurálóprogrammal: címek, szimbolikus nevek, adattranszfer
adatai (hány bit, hogyan végződjön az adatforgalom (tipikusan
CRLF), EOI jelezzen, timeout)
Tesztprogramok: egyedi parancsok kiadhatók pl ibwrt
r2; ibrd; ibspoll;
Általában, a küldött adatok lehetnek vezérlőparancsok
és mérési adatok (számok). A GPIB kompatibilis műszerekhez
tartozik egy, az adott típusra jellemző parancskészlet (stringek)
amelyekkel az előlapi kezelőszervek hatását lehet programból
elérni. Például, egy adott típusú feszültségmérőnek a GPIB-n
keresztül elküldött "R2" ill. "R3" stringek a 2 V-os ill. 20V-os
méréshatárba állítják a műszert, a műszer által mutatott
feszültség értékét pedig általában egy stringként (tehát
digitenként 1 byte-ként) lehet kiolvasni.
A műszerek kezeléséhez tehát mérőprogramokat kell
írni (vagy venni); a programozás manapság nem bonyolult: író és
olvasó utasítások sorozatát kell megszerkeszteni. Például, az
alábbi pascal nyelvű programban a WriteGPIB(fra, 'IP1,1');
WriteGPIB(fra, 'FR10000'); procedurák azt eredményezik, hogy az
fra azonosítóju műszer az 'IP1,1' utasítás hatására a hátlapi
csatlakozókon az 'FR10000' stringnek megfelelően 10000Hz-es
frekvenciáju jelet fog kibocsájtani. Az s:=ReadGPIB(fra) függvény
meghívása pedig azt jelenti, hogy az fra azonosítóju műszerből az
s a vezérlő számítógép az s stringet kiolvassa (ez több szám
együttese, amit persze majd egyedi számokra szét kell bontani).
Egyszerűsíti a programozást, hogy az utóbbi időben a
készülékgyártók igyekeznek azonos hatásu utasításoknak azonos
nevet adni - tehát szabványos parancskészletek alakulnak ki.
Modern grafikus programozási nyelv a LabView, amely
tartalmazza a GPIB-vel kompatibilis műszerek meghajtóit (tehát a
fenti stringkészleteket). E nyelv különösen alkalmas arra, hogy
szemléletes működésű mérőrendszereket hozzunk létre.
Működés:
8 adatvezeték + 8 vezérlővezeték (címbusz nincs,
ha ATN, akkor ami megy az adatbuszon, akkor az adat az éppen
cím)
A 8 vezérlővezeték 3 handshake és 5
rendszeradminisztrációs vonal.
A vezérlő a címmel azonosított egyes készülékeket
beszélőknek illetve hallgatóknak jelöli ki; ezután a beszélő
adatot küld a hallgatónak. Az adatátvitel hardware handshake
szinkronizálással megy (hiszen különböző sebességű készülékek
lehetnek jelen). A handshake vonalak jele DAV (Data Valid), NDAC
(Not Data Accepted), és NRFD (Not Ready For Data). Ezek negatív
logikájuak, tehát ha DAV logikailag igaz, akkor fizikailag LO
állapotban vannak; un. nyitott kollektoros kimenetek, vagyis a
vezetéken áram folyik és kis feszültség van. Két vagy több
nyitott kollektoros kimenet ÉS kapcsolatot jelent, vagyis a vonal
akkor lesz csak HI állapotban, ha mindegyik kimenet HI. Pl. a
NRFD vonal akkor lesz HI állapotu (logikailag: az összes készülék
kész adatot fogadni, fizikailag HI állapotu) ha minden egyes
készülék NRFD kapuja HI állapotu. A handshake a következő
időzítés szerint megy:
1. A kijelölt hallgatók felengedik a NRFD vonalat,
amikor mindegyik felengedik, akkor az HI állapotba kerül
("mindegyikünk kész az adatfogadásra").
2. A beszélő a jelvezetékekre kiteszi az adatot
(bájtot) és lehuzza a DAV vonalat ("van érvényes adatom")
3. A hallgatók beolvassák az adatot, és amelyik kész
van, felengedné a NDAC ("megkaptam") és lehuzza a NRFD vonalat
("további adatot most nem tudok fogadni, meg kell emésztenem a
mostanit").Ám a NDAC vonal akkor lesz ténylegesen fent, ha már
mindegyik hallgató bevette az adatot. Ezt a beszélő felismeri, és
a DAV-ot felengedi, az adatot törli a buszról. Ezt érzékelvén a
hallgatók is lehuzzák a NDAC vonalat; majd idővel az NRFD vonalat
is felengedik.
4. Innentől a következő byte küldése ugyanebben a
sorrendben az 1. pontban leirtaktól kezdve történik.
Vegyes lehetőségek:
Egyszerre több vezérlő is lehet jelen, de csak mindig
egy lehet aktív, és az egyiknek ún. rendszervezérlőnek kell
lennie (ő a főnök). A vezérlés tehát átadható.
Hibalekezelés:
Parallel poll: ATN és EOI hatására az első 8 készülék
- egy bizonyos feltételrendszert (parallel poll mask) kielégülése
esetén kitehet 1 bitet.
Serial poll: Az a készülék, amelyiknek valamilyen
baja van (a status byte 6. bitje 1) az lehuzza ezt a vonalat.
Ezzel megszakítást (interruptot) lehet generálni. Ezután
egyesével végig kell kérdezni az egyes készülékeket, lekezelni a
bajt.
Törlés: IFC - interface clear; (interface reset); DCL
- device clear (készülék reset) - vezérlővezetékek; SDC:
selective device clear - csak a megcimzett készülékeket
reseteli
GET (group enable trigger) parancs
REN - van local, remote és local lockout állás
Parancskészlet: egy adott készüléknek nem kell az
összes funkciót teljesíteni tudnia - pl egy GPIB printernek lehet
listen only, egy voltmérő talk only (és akkor nem is kell
vezérlő), van ami nem érti a GET-et stb.
|