Priprema i kondicioniranje signala

Uvod

Dobri rezultati postignuti sa sistemom za akviziciju podataka, merenje i upravljanje, su u direktnoj zavisnosti od kvaliteta signala koji se priključuju na sistem. Kao što već znamo, sistem za akviziciju podataka sastoji se od nekoliko međusobno povezanih delova. Najčešći problemi se javljaju na samom izvoru signala, kod spoja sa senzorom i iza kola za uobličavanje signala. Kondicioniranje signala može da ima nekoliko načina obrade signala: konverziju strujnog u naponski signal, podešavanje razmere, filtriranje, izolaciju i pojačanje ulaznog signala. Ako je potrebna visoka tačnost, optimalno uobličavanje signala je veoma važno.

Postoji nekoliko rešenja za poziciju kola za uobličavanje signala: na izvoru signala, na ulazu u pojačavče, kod A/D konvertora, itd. Najpogodnije, pa prema tome i najčešće korišćeno mesto je na samom priključnom panelu. Postoji nekoliko vrsta standardnih ED priključnih panela za kondicioniranje signala i oni mogu biti "pasivni" ili "aktivni" tipovi, a podržavaju razne vrste digitalnih i analognih primena.

Svi paneli za priključenje ulaznih signala su opremljeni stezaljkama sa zavrtnjima koje omogućavaju jednostavno vezivanje ulaznih kablova. Na svim priključnim panelima pasivnog tipa, projektovan je prostor za ugradnju komponenata kao što su R, L, C i diodne šeme. Ovo omogućava korisniku da prema potrebi konfiguriše delitelje napona, filtre, odvodnike prenapona, itd.

Aktivni priključni paneli sadrže diferencijalne instrumentacione pojačavače sa podesivim pojačanjem, mosne sprege, pobudu mosta, kompenzaciju "hladnog" spoja i po potrebi, kola za galvansku izolaciju ulaznih signala. Spajanje priključnih panela na sistem za akviziciju podataka vrši se najčešće oklopljenim kablovima, specijalno proizvedenim za ovu aplikaciju.

Zaštita od prenapona

Ukoliko postoji mogućnost da ulazi u sistem za akviziciju podataka dođu u kontakt sa visokim naponom, potrebno je izvesti zaštitu, kako bi se izbeglo eventualno oštećenje opreme. Visoki napon na ulazima nastaje, između ostalog, usled atmosferskog pražnjenja, magnetnog polja, statičkog elektriciteta i slučajnog dodira sa provodnicima visokog napona.

Na slici 1, komponente obeležene sa C1 i C2 predstavljaju kondenzatore za zaštitu od tranzijenata pri višim frekvencijama. U nekim slučajevima, oni moraju da se dimenzionišu za visoki napon, jer tranzijenti u industrijskom ambijentu mogu da dostignu i preko 1000 V.

Vrednosti za C1 i C2 treba da budu što veće, i oni treba da se postave što je moguće bliže mestu gde signal ulazi u sistem. Izabrati kondenzatore sa malom rednom impedansom pri visokim učestanostima. Ovaj zahtev eliminiše upotrebu elektrolitičkih kondenzatora. U svim slučajevima gde može da dođe do promene polariteta ulaznog signala, treba izbegavati upotrebu polarizovanih kondenzatora.

Komponenete R1, OS1 i M1, M2 obrazuju kolo za supresiju napona, čime se dodatno obezbeđuje da tranzijenti ne dopru do ulaza u sistem za akviziciju podataka. M1 i M2 predstavljaju Metal Oksid Varistor-e (MOV). To su poluprovodnički elementi koji deluju vrlo brzo i apsorbuju energetske impulse koji mogu da sadrže veliku vršnu snagu.

Slika 1. Ulazna zaštitna mreža

Ne zaboravite da se kod MOV-a javlja parazitna struja curenja. Ako je redni otpornik velike vrednosti, fenomen curenja može da se manifestuje kao značajan temperaturno zavisan napon ofseta ( l × R ). U nastavku dajemo primer iz prakse, gde je:

R₁ = 1 kW, 1 W ; M = 15 V.

Rezultantni napon ofseta će biti zanemarljiv (manji od 1 LSB). Ako dođe do dugotrajnog kvara na visokom naponu (na primer spoj sa 100 V naizmeničnog napona itd.), MOV će da zaštiti sistem za akviziciju dok će otpornik delovati kao osigurač. Ako postoje teškoće kod nabavke komponenata, MOV od 15V za različite energije je na raspoloženju na zahtev i u ED-u. U nekim slučajevima R1 se može zameniti (primer B, Slika 1) cevastim (staklenim) osiguračem, reda 250 mA. Mana ovog kola je što se osigurač mora zameniti novim ukoliko dođe do njegovog pregorevanja, dok kod kola sa otpornikom to nije slučaj.

Filtri, propusnici niskih učestanosti

Na priključnim panelima moguće je konfigurisati filter propusnik niskih učestanosti. Usrednjavanjem ulaznih signala moguće je povećati odnos signal/šum.

Ako se uzmu u obzir brzina i matematičke mogućnosti savremenih sistema za akviziciju podataka, nema nikakvih prepreka da se koristi softverska tehnika usrednjavanja (tzv. "averaging") signala. Usrednjavanje je najefikasniji način da se smanji uticaj slučajnog, neperiodičnog šuma. Ovaj način ne daje tako dobre rezultate kada se prigušuje šum od 50 Hz, ili neki drugi periodični izvor šuma. Ne treba zaboraviti da se metode za filtiranje šuma, bilo da se zasnivaju na softveru ili hardveru, predviđene da slabe određenu vrstu šuma. Priključni paneli ED sistema predviđaju mogućnost da korisnik ugradi jedan ili dva pola pasivnog filtera po kanalu. Slika 2. daje primer efikasnog simetričnog dvopolnog kola za prigušivanje šuma.

Slika 2. Diferencijalni dvopolni filter

Na slici se vidi da bilo kakva neusaglašenost u prigušenju gornjeg i donjeg puta dovodi do smanjenog odnosa prigušenja zajedničkog napona sistema, VCMRR. Prema tome, otpornici i kondenzatori treba pažljivo da se upare. Ako su svi kondenzatori i otpornici iste vrednosti, položaj pola (f1) za ovaj filter je:

f₁ = 0.03 / (R × C)

a približni odnos prigušenja, pri datoj učestanosti f_x, ( r = V_out/V_in ) je:

r = [ f_x × R × C / 0.088 + 1] ²

odnosno

r =[ 0.3 × f_x / f₁ + 1)] ²

dB = 20 log (r)

Jednačine za jednopolni filter glase:

f₁ = 0.159 / RC ; r² = 1 + (f_x × R × C / 0.159)²

takođe:

r² = (f_x / f₁)² + 1

Gornje jednačine predpostavljaju da je impedansa izvora mnogo manja od R i da je impedansa opterećenja mnogo veća od R. Da bi r bilo tačno, mora fx >> f1. U praksi je dokazano da su za primenu u filtrima najpogodniji monolitički keramički kondenzatori. Oni imaju veliku gustinu (male dimenzije za dati kapacitet), imaju zanemarljivu struju curenja i nisu polarizovani.

Slika 3. Jednopolni i dvopolni niskopropusni filtri

Filtri imaju poseban značaj u kompjuterizovanim sistemima za akviziciju podataka, i oni se ne ograničavaju samo na eliminaciju šumova i smetnji. Mada se podaci periodično mere, oni se ne mere kontinualno. Drugim rečima, između dve susedne tačke u merenju postoji vremenski razmak. Prema tome, kada se podatak obrađuje, moraju se učiniti izvesne pretpostavke o tome šta je sa podatkom između dve poznate merne tačke. Najčešće se pretpostavlja da se na razmaku između dve merne tačke vrednost podatka kreće po pravoj liniji između te dve tačke. Ovaj pristup poznat je kao linearna interpolacija. Ako ova pretpostavka nije dovoljno tačna, logično je povećati učestanost odabira uzoraka. Na ovaj način se smanjuje razmak u vremenskom domenu, tako što se između prvobitne dve susedne tačke ubacuju nove "realne" merne tačke. Nikvist je dao čvrstu teorijsku osnovu za obradu uzorkovanih signala. U najjednostavnijim crtama, on kaže da se signal mora semplovati bar dva puta brže od najviše učestanosti ulaznog signala (u praksi, za potrebnu tačnost, ovaj odnos bi trebalo da bude čak deset puta veći!).

Kod signala u obliku četvrtki, može se dogoditi da postoje značajni harmonici daleko iznad učestanosti semplovanja. Učestanosti reda 1/tr gde je tr vreme porasta impulsa, ponekad su vrlo značajne. Opasnost koju nosi suviše mala učestanost odabira/uzorkovanja jeste da može doći do nerealne predstave o merenom signalu. Ne radi se samo o tome da se nešto previdi, već o tome da se izvede totalno pogrešan zaključak o osnovnom sastavu signala. Na primer, pogledajte sliku 4. Vidi se da uzorkovanje čistog sinusnog signala (koji sadrži samo osnovnu učestanost) brzinom koja nije u saglasnosti sa Nikvistovim kriterijumom, dovodi do potpuno pogrešnih rezultata. U ovom slučaju, stiče se utisak da postoji signal kojeg uopšte nema. Ova pojava se naziva "aliasing".

Slika 4. Greška, "aliasing" usled nedovoljne učestanosti odabiranja

Obzirom da postoje praktične granice učestanosti semplovanja, mora se nešto drugo preduzeti da se obezbedi Nikvistov kriterijum. Radi se o upotrebi ulaznog filtera. U idealnom slučaju, ovaj filter bi imao beskonačno prigušenje iza granične učestanosti. To bi omogućilo da se filter podesi na jednu polovinu učestanosti semplovanja. Obzirom da savršeni filtri ne postoje, mora da se izvrši pogodno usaglašavanje između širine opsega i brzine odabira signala.

Iako se ponekad koriste filtri visokog reda za anti-aliasing kola, obično uslov zadovoljavaju dvopolni pasivni filtri. Electronic Design ima nekoliko tipova priključnih panela na koje se mogu instalirati komponente za jednopolne ili dvopolne filtre, pasivne i aktivne filtarske module.

Konačno, filtriranje je predviđeno da priguši uvek prisutan i raznovrstan šum i da ograniči opseg učestanosti tako da on bude saglasan sa Nikvistovom teoremom o odabiru uzoraka (maksimalna učestanost signala je ograničena na jednu polovinu učestanosti uzorkovanja). Ne sme se izgubiti iz vida da filtriranje ne može da ispravi pogrešan način povezivanja mernih signala.

Konverzija struje u napon

U sistemima za akviziciju podataka ne retko se javlja potreba da se meri struja. Vrlo često senzori imaju strujni izlaz od 4-20 mA. U sistemu za merenje, struja se lako pretvara u napon preko običnog otpornika.

Slika 5. Kolo za konverziju struje u napon

Najčešće se koriste vrednosti od 250 ili 500 oma, odnosno, treba upotrebiti najveći otpornik koji ne dovodi do izlaska iz mernog opsega (na primer 0-5 V). Ovim se postiže najveća moguća rezolucija. Tačna vrednost otpornika nije toliko značajna. Većina sistema ima mogućnost kalibracije pojačanja za svaki kanal prilikom puštanju sistema u rad. Najčešće se upotrebljavaju otpornici, klase tačnosti 1% ili precizniji (0.1%). ED-ovi priključni paneli imaju predviđeno mesto za ugradnju ovih otpornika.

Registrovanje stanja relea (contact sensing)

Kada se na digitalni ulazni panel priključe kontakti relea, mora se predvideti struja "privlačenja" (pull-up). Ova struja preslikava otvaranje i zatvaranje kontakata relea u signal koji je kompatibilan sa ulazom u digitalni I/O modul. Vremenom, moguće je da kontakti relea oksidišu. Ova oksidacija može da se spreči tako što se kroz kontakte propušta neka mala struja. Biranje nivoa i čišćenje kontakata može se istovremeno postići vezivanjem otpornika između ulaznog provodnika i izvora 5 V. To se može ostvariti na priključnom panelu, kao što se vidi na slici 7.

Slika 7. Registrovanje stanja relea

Vrednost otpornika od 250 W obezbediće struju od 20 mA za deoksidaciju kontakata, što je dovoljno za ovu svrhu. R2 i C1 služe kao zaštita od treperenja kontakata (tzv. contact bounce), čime se sprečava pogrešno očitavanje usled odskakanja pera relea. Kada je prekidač otvoren, sistem "vidi" +5 V. Kada je prekidač zatvoren, ulaz je jednak 0 V. Ovim su zadovoljeni zahtevi sistema.

Pobuđivanje relea

Slika 8. prikazuje kako se povezuje TTL izlaz sa zadatkom da napaja kalem spoljašnjeg relea. Dioda D1 štiti unutrašnje kolo od indukovane kontra-elektromotorne sile kalema. Bez diode, veliki rezultantni prenaponi bi oštetili digitalni izlaz. Smer zaštitne diode mora biti kao na slici, a ona treba da reaguju brzo i da sigurno apsorbuje povratnu energiju kalema. Većina standardnih prekidačkih dioda ispunjava ovaj uslov.

Digitalni izlazni relejni paneli imaju ovu funkciju, kao i funkciju galvanske izolacije. Ako se koriste veća opterećenja kao što su kontaktori, solenoidi, motori itd., tada treba koristiti međustepene snage.

Slika 8. Kolo za napajanje kalema relea

Izolacija digitalnih signala

Kada se napajaju opterećenja veća od onog za koje su TTL izlazi predviđeni, mogu se koristiti moduli za izolaciju digitalnih signala. Ovi elementi pretvaraju standardni TTL ulaz preko tranzistora snage ili triaka u signal koji može da prekida veći napon ili veću struju, naizmenične ili jednosmerne signale. Optička izolacija obezbeđuje visoki nivo galvanskog odvajanja između opterećenja i sistema za akviziciju, bez upotrebe mehaničkih relea. Druga vrsta panela je predviđena da prati stanje digitalnih ulaznih signala, a da pri tom obezbeđuju galvansku izolaciju između izvora signala i opreme za merenje. Ova grupa panela vrši galvansku izolaciju, i pretvara ulaze u standardni TTL nivo, koji digitalni moduli za akviziciju podataka mogu direktno da čitaju. Galvanska izolacija potrebna je za bezbednost, zaštitu opreme i za prekidanje strujnih kola koji se zatvaraju preko mase. Svaki modul odgovara jednom kanalu, tako da postoji puna sloboda vezivanja raznorodnih ulaza prilikom konfigurisanja sistema. Ovi priključni paneli imaju 8 ili 16 izolovanih digitalnih kanala.

Izolacija analognih signala

Na sličan način kao digitalna galvanska izolacija, može se koristiti i analogna izolacija da bi se zaštitila oprema i ljudstvo od kontakta sa visokim naponom. Drugi razlozi za ovo su prekid strujnih petlji koje se zatvaraju preko zemlje, i odstranjivanje velikih CMRR signala. Na primer, ako je termopar vezan za stator motora, može se dogoditi da se on nađe na potencijalu od 220 V. Sa druge strane, izlazni napon termopara može biti svega nekoliko milivolti. Merni signal je diferencijalni signal, jer se priključuje na (+) i (-) krajeve diferencijalnog pojačavača. 220 V nije diferencijalni signal već je zajednički, kako za (+) tako i za (-) kraj. Sinfazni naponi se mere u odnosu na zajednička napajanja. Standardni analogni ulazni signali mogu da prime sinfazni signal veličine 10 V, a da pri tom ne gube svoju linearnost. Naponi iznad 30 V će verovatno da oštete ulazne komponente, a da ne govorimo o 220 V. Zbog toga, možemo upotrebiti analogni izolator koji će da odvoji željeni diferencijalni signal od nepoželjnog sinfaznog napona.

Danas se u širokoj upotrebi nalaze tri vrste analognih izolatora: kapacitivni, transformatorski i optički. Izolator sa takozvanim "letećim" kondenzatorom se često koristi zbog niske cene. Njegovo rešenje preko mehaničkih releja čini da sistem bude spor i podložan relativno čestim kvarovima. Sa padom cene alternativnih metoda, mehanički sistemi ustupaju mesto elektronskim rešenjima. Uređaji sa transformatorima danas imaju najbolje električne karakteristike. Nažalost, visoki napon izolacije i visoka tačnost vezani su za visoku cenu. U nekim slučajevima, kao što je praćenje stanja pacijenta u medicini, ova cena može biti opravdana, dok u industriji, češće se koriste jeftiniji optički i još jeftiniji kapacitivni izolatori.

U sistemima za akviziciju podataka, optički izolatori imaju zadovoljavajuće karakteristike i pristupačnu cenu. Pri tom, prosti linearni optokapleri koji se često nude u A/D izolacijama treba izbegavati zbog loših termičkih performansi. Međutim, optička integrisana kola kao što je ISO100 i kola slična njemu, imaju tehnološka rešenja koja pružaju širok opseg kvalitetnih izolacionih karakteristika.

Poželjno je sve signale koji mogu da dođu u kontakt sa visokim naponom izolovati pre nego što stignu do sistema za akviziciju podataka i personalnog računara. Stoga i analogna i digitalna izolacija treba da se izvede na spoljašnjim priključnim panelima. Osim izolacije, analogni priključni paneli treba da obezbede pojačanje diferencijalnih ulaza, dopune preostale grane mosta i kola za pobuđivanje, kao i mogućnost pasivnog uobličavanja signala. U boljim sistemima postoji mogućnost priključenja termoparova, RTD-a, traka za merenje naprezanja i pretvarača pritiska. ED proizvodi izolacioni priključni panel koji ima 8 kanala i instrumentacione pojačavače sa podesivim pojačanjem za svaki kanal.

Termoparovi

Termoparovi generišu diferencijalne napone malog nivoa (reda -10 do +50 mV, tipično). Termoparovi zahtevaju posebnu pažnju i koncentraciju. Primer na slici 9. prikazuje kolo koje ima ugrađenu detekciju otvorenog stanja (prekida) termopara, što može biti itekako važno u mnogim mernim i upravljačkim primenama.

Pri visokim radnim temperaturama, termoparovi su skloni kvarovima zbog mehaničkih naprezanja koja vode do prekida provodnika (otvoreno kolo - beskonačna otpornost). Prekid u termoparu rezultuje u mernom naponu od 0 V (ako ne računamo kompenzaciju hladnog spoja), a taj napon je u domenu realnih mernih napona, i kao takav se može tretirati kao normalna merena vrednost. Dodatkom otpornika R1 i R2 u kolu obrade ulaznog signala, eliminiše se ova neodređenost. Naime, otpornik R2 (10 K), koji je vezan za pozitivni ulazni terminal, proizvodi uobičajenu struju polarizacije, neophodnu u svim diferencijalnim primenama. Sa druge strane, sličan otpornik kod negativnog ulaznog terminala nije potreban, pošto struja polarizacije teče kroz nisku impedansu samog termopara ka otporniku R2, i kroz njega do zajedničkog voda (mase). Otpornik R1 (vrednost 10 M, vezan za napajanje) proizvodi zanemarljivu struju koja nema praktičnog uticaja na tačnost merenja. Međutim, ako se termopar prekine, zahvaljujući ovom otporniku, negativni ulazni terminal izjednačava se sa +V naponom, što simulira negativni signal punog otklona skale, što najčešće reprezentuje napon od -50 mV. Kako je ovaj napon van očekivanog domašaja merenja, lako se može detektovati (softverski) kao stanje otvorenog termopara (prekida).

Slika 9. Termopar i kompletan pasivni kondicioner

Normalizovanje digitalnih signala

Kada na ulazu u sistem za akviziciju imamo visoke amplitude dolazećih digitalnih signala (recimo u opsegu od 10-50 V), kolo prikazano na slici 10. može pomoći da se oni svedu (normalizuju) na uobičajene, TTL-kompatibilne nivoe. Opšte je poznato da većina sistema za digitalnu akviziciju zahteva brže promene ulaznih signala (tj. brže uzlazne i silazne ivice impulsa) za svoj pouzdan rad (npr. da ova vremena budu kraća od 10 µs). Parazitni kapacitet na ulazu akvizicionog sistema može sa serijskim otpornikom degradirati ulazni naponski korak. Upravo kondenzator od 10 pF sa slike 10 koriguje ovaj problem.

Slika 10. Kolo koje konvertuje velike signale u TTL nivo

Ukoliko promene ulaznog signala nisu dovoljno brze, mogu se napraviti dovoljno brzim i TTL kompatibilnim upotrebom SCHMITT okidnog kola, prikazanog na slici 11.

Slika 11. Ulazno Šmitovo kolo

Upravljanje motorima i elektromotornim pogonima

Danas se u širokoj upotrebi nalaze mnoge vrste motora. Upravljanje ovim uređajima često zahteva posebna elektronska i električna kola. U nekim slučajevima, međutim, zahteva se samo operacija uključivanja ili isključivanja. Tada priključeni motori mogu da se upravljaju pomoću digitalnih izlaza, obično preko opto-sprege (opterećenje do 3A) ili preko raznih kontaktora i relea za veće snage.

Kada se želi promenljiva brzina, koriste se analogni izlazni kanali ili digitalni izlazi iz sistema za akviziciju podataka koji regulišu motor preko dodatnog spoljnog sistema za automatsko upravljanje.

Koračni ("step") motori su od posebnog interesa u robotici, procesnom upravljanju i instrumentaciji. Oni omogućavaju precizno upravljanje rotacijom, ugaonim položajem, brzinom i smerom obrtanja. Iako postoji nekoliko vrsta koračnih motora, naječšći je (i danas) tip sa stalnim magnetom. Rotor je napravljen od stalnog magneta, a stator čine četiri nezavisna namotaja. Šaljući jednosmernu struju (impulse) kroz namotaje u određenom redosledu, stvaraju se sile koje dovode do okretanja rotora. Da bi se okretanje nastavilo, struja se prebacuje u naredni namotaj.

Kada nema pobuđenih namotaja rotor ostaje u onom položaju u kome se zatekao. Nekad ovi motori mogu direktno da se upravljaju (preko opto-sprege) iz digitalnih izlaza sistema za akviziciju i upravljanje. Korisnik treba da obezbedi potreban softver za stvaranje željenog redosleda impulsa. Problem pisanja softvera može da se umanji ako se koristi posebni uređaj za upravljanje motora. Ovakvi uređaji primaju nekoliko digitalnih signala koji definišu željenu brzinu, rotaciju, smer i ubrzanje.