Amiga MA Magazine 1997 #3/amigamamagazinepolishissue03-1/ma_1995/08/ami020.txt

Text File | 1997-04-07 | 9KB | 183 lines

AMIGA W TECHNIKACH POMIAROWYCH

<lead>Oto trzeci odcinek naszej serii: dzisiaj przyjrzymy sië
dokîadnie pomiarom od strony teoretycznej. Natomiast kolejne
przystawki pomiarowe -- za miesiâc.

<a>Stanisîaw Szczygieî (Stanley)

<txt>W poprzednim odcinku wspomnieliômy o moûliwoôci podzielenia
wielkoôci fizycznych na róûne kategorie. Nas najbardziej
interesuje podziaî na wielkoôci elektryczne i nieelektryczne.
Wynika to z faktu, ûe wîaônie te pierwsze na komputerach mierzyê
jest najîatwiej. Jednak to, ûe sygnaîy sâ elektryczne, wcale nie
znaczy, ûe od razu îatwo je zmierzyê! Konieczne jest dostosowanie
mierzonego sygnaîu do moûliwoôci pomiarowych komputera lub jego
interfejsu pomiarowego. Wîaôciwie niemal zawsze naleûy dokonaê
konwersji sygnaîu -- nawet jeôli jest on wielkoôciâ elektrycznâ.

<sr>Konwersje sygnaîów pomiarowych

<txt>Teoretycznie nie jest to trudne. W wypadku prâdu
elektrycznego zawsze moûna zainstalowaê boczniki, dzielniki,
wzmacniacze sygnaîów... Ale, aby dokîadnie wiedzieê, co naprawdë
oznacza sygnaî na wyjôciu takiego konwertera, musimy znaê jego
charakterystykë. Inaczej mówiâc, musimy wiedzieê, jakim
przemianom ulega sygnaî wewnâtrz urzâdzenia dopasowujâcego.
Generalnie moûemy okreôliê to bardzo prostym zapisem:

Y = F(X)

gdzie Y stanowi sygnaî wyjôciowy z konwertera, X okreôla sygnaî
wejôciowy, F okreôla funkcjë zaleûnoôci zmian sygnaîu.

Przykîadowo dla dzielnika sygnaîu o poîowë funkcja taka
bëdzie miaîa staîâ wartoôê:

Y = 1/2 X

Taka funkcja opisujâca ma w automatyce swojâ nazwë: "funkcja
przejôcia". Urzâdzenie wyôwietlajâce musi natomiast zmierzonâ
wartoôê poddaê przeksztaîceniu odwrotnemu do funkcji przejôcia
(oczywiôcie chodzi o samâ wartoôê, a nie o rzeczywisty sygnaî:
wyobraúmy sobie zamianë 1 wolta na 1000 wewnâtrz Amigi...). I
choê w teorii brzmi to wspaniale, w praktyce nie ma moûliwoôci
takiej funkcji dokîadnie, matematycznym wzorem, opisaê. A bez
niego nie ma mowy o precyzyjnym, szczególnie komputerowym,
mierzeniu! Problem wynika z tolerancji wykonania i dziaîania
róûnego rodzaju przetworników, takûe wszelkie zewnëtrzne czynniki
(wilgotnoôê, temperatura, drgania mechaniczne itp.) wpîywajâ
ujemnie na dokîadnoôê pomiaru i pracy konwertera: bîâd pomiaru i
przetwarzania zawsze bëdzie istniaî. Wniosek jest jeden. Ûaden
pomiar NIGDY nie jest w stu procentach dokîadny, a urzâdzenie
(konwerter) przy kaûdym pomiarze moûe mieê trochë innâ funkcjë
przejôcia. Nie jest oczywiôcie tak tragicznie. W wielu wypadkach
bîâd pomiaru jest bardzo maîy w stosunku do wartoôci mierzonej,
ale niestety nie jest tak zawsze.

<sr>Úródîa bîëdów

<txt>Pomijajâc takie czynniki, jak upîywnoôci sygnaîów,
rezystancje zîâcz i tym podobne, gîównym úródîem bîëdów jest brak
staîej proporcjonalnoôci miëdzy sygnaîem wejôciowym a wyjôciowym.
Szczególnie, gdy w przetworniku zastosowane sâ ukîady i elementy
elektroniczne: gîównie elementy aktywne *1). Wynika to zarówno z
ich nieliniowych charakterystyk, jak i duûych zaleûnoôci od
warunków zewnëtrznych, szczególnie temperatury i wilgotnoôci.
Zmiany te sâ na tyle duûe, ûe bîâd pomiaru moûe juû znaczâco
zawaûyê na wyniku! Ponadto ogranicza to czësto pomiary do
konkretnych, ôcisîych warunków termicznych czy przedziaîów
pomiarowych (patrz charakterystyka diody). Úródîem powstawania
bîëdów moûe byê nawet sam sygnaî wejôciowy! Jeûeli bëdzie on miaî
przebieg zmienny, a juû szczególnie szybkozmienny, wówczas wiele
elementów elektronicznych (takûe i biernych) zachowa sië zupeînie
inaczej! Np. kondensatory nie przenoszâ napiëcia staîego
(zachowujâ sië jak przerwa na poîâczeniu), ale prâd zmienny juû
tak -- dla niego stajâ sië opornikami o rezystancji zaleûnej od
szybkoôci zmian napiëcia. Podobnie zupeînie inaczej (ze zmiennym
oporem w funkcji szybkoôci zmian) zachowujâ sië cewki: a prawie
kaûdy element elektroniczny ma swojâ pojemnoôê i indukcyjnoôê.

Klasycznym przykîadem, obrazujâcym powyûsze wywody, mogâ byê
dîugie poîâczenia pomiarowe (np. kable przyîâczeniowe). Ich
opornoôê moûe byê przy cienkim przewodzie juû doôê duûa, by
spowodowaê bîâd nawet dla prâdu staîego. Bliskie poîoûenie (czy
np. skrëcenie) moûe wywoîaê duûâ indukcyjnoôê, a wzrost dîugoôci
podwyûsza pojemnoôê takich przewodów nawet do kilkunastu
pikofaradów. Moûe je to uczyniê zupeînie nieprzydatnymi do
pomiarów napiëê zmiennych! Jeszcze inny powód zakîóceï to fakt,
ûe dîugi przewód staje sië po prostu antenâ i na sygnaî mierzony
moûe nam sië nagle naîoûyê sygnaî rozgîoôni radiowej lub
telewizyjnej... Jak wiëc widaê, technologia pomiarów i urzâdzeï
pomiarowych wcale nie jest takâ prostâ dziedzinâ.


Powstaje pytanie: czy i jak moûna bîëdom pomiarów zapobiegaê?
Naturalnie, ûe moûna. Oto kilka propozycji.

<sr>Zapobieganie bîëdom pomiarów i konwersji

<txt>Po pierwsze w wielu sytuacjach bîëdy te sâ rzeczywiôcie na
tyle maîe, ûe po prostu moûna nie braê ich pod uwagë. Po drugie
czësto wystarczy zapewniê wymagane warunki pracy urzâdzeniu
pomiarowemu, np. temperaturë, i juû mamy sprawë z gîowy.  Bîëdów
przetworników moûna unikaê poprzez wprowadzanie do ich
konstrukcji ukîadów zabezpieczajâcych, korygujâcych,
filtrujâcych... Innâ metodâ moûe byê zamiana sygnaîu analogowego
na postaê cyfrowâ: zapis wartoôci w postaci binarnej moûe byê
dalej przenoszony i obrabiany bez wprowadzania jakichkolwiek
zakîóceï typowych dla sygnaîów analogowych, a wiëc wîaônie
rezystancji, indukcyjnoôci czy pojemnoôci. Jakie taka przemiana
daje efekty? Wystarczy posîuchaê pîyt kompaktowych.

Rozwiâzanie to ma jednak pewnâ wadë: jest niâ koszt. Dla
precyzyjnych ukîadów pomiarowych potrzebne jest zapewnienie
wielobitowych konwerterów. Dla przykîadu: oômiobitowy interfejs
pozwala na rozróûnienie zaledwie 256 wartoôci -- jest to po
prostu dla wielu pomiarów zbyt maîa precyzja. Jako takâ moûe
zapewniê interfejs szesnastobitowy, ale juû wtedy urzâdzenie
staje sië konstrukcjâ rozbudowanâ.

Istnieje jednak rozwiâzanie poôrednie: wykorzystanie sygnaîu
binarnego do przenoszenia wartoôci analogowych. Jeûeli czas
trwania impulsu uzaleûnimy proporcjonalnie od wartoôci mierzonej,
to wówczas moûemy znaczâco uîatwiê sobie pracë. Po pierwsze
wystarczy nam jeden bit do wczytania danych (czyli np. moûna
mierzyê poprzez port szeregowy!). Po drugie caîa trudnoôê pomiaru
sprowadza sië do zmierzenia czasu trwania impulsu. A jak to
zrobiê? Moûna wykorzystaê wbudowany w komputer zegar, tak uczyniâ
profesjonaliôci. Ale najprostszy sposób to:

    |-<---------------------\
sprawdú sygnaî - nie ma    --->----|
    |            |
    V            |
jest sygnaî            |
    |            |
    V            |
zwiëksz licznik o 1        |
    |            |
    V            |
zapamiëtaj stan licznika ---->--/

Po takiej operaci, w gaîëzi "nie ma" mamy zapisany ostatni stan
licznika, adekwatny do czasu sygnaîu. Teraz tylko przemierzyê:
jeôli jednej (znanej) wartoôci pomiaru odpowiada konkretny
odczyt, to znajâc funkcjë przejôcia moûemy sobie dowolnie juû
dalej przeliczaê wszelkie odczyty.

Gorzej, gdy funkcja przejôcia jest nieznana, a my moûemy sië od
konwertera spodziewaê tylko powtarzalnoôci pomiarów. Wówczas
zostaje nam jedynie kalibracja. Polega ona na kolejnym mierzeniu:
podajemy na wejôcie znanâ wartoôê, mierzymy jâ i zapisujemy w
tabeli. I tak przez szereg kolejnych (licznych), pomiarów.
Nastëpnie podczas wîaôciwych pomiarów poprzez porównywanie
odczytu do zapisanej tabeli (oczywiôcie moûe robiê to sam
komputer) oszacowujemy wartoôê dokonywanego pomiaru.  Osoby
znajâce sië na matematyce mogâ zastâpiê tabelë funkcjâ
interpolujâcâ bâdú ekstrapolujâcâ (odpowiada ona na wykresie
krzywej, przechodzâcej przez wszystkie punkty pomiarowe, bâdú z
okreôlonym bîëdem przechodzâcej w ich pobliûu) -- w ten sposób
moûna îatwo zbadaê wartoôê dowolnego pomiaru, takûe takiego,
którego nie ma w tabelce!

<sr>Podsumujmy

<txt>W kaûdej dziedzinie potrzebna jest odrobina teorii. Bez
znajomoôci pewnych zagadnieï czësto nie moûna zrozumieê, o co w
tych pomiarach chodzi... Powyûsze dywagacje wyjaôniajâ jednak,
dlaczego profesjonalne ukîady pomiarowe sâ TAK DROGIE! Bo wîaônie
walka z bîëdami pomiarów, zmianami charakterystyk pomiarowych
itp. wymaga zîoûonoôci ich konstrukcji, drogich czëôci, o bardzo
duûej precyzji dziaîania, a to teû kosztuje. My, jeôli tylko
bëdziemy mogli, bëdziemy rozbijali interfejs na dwa elementy:
sprzëtowy interfejs pomiarowy, umoûliwiajâcy nam zamianë
mierzonej wielkoôci na sygnaî "zjadliwy" dla komputera, samâ
natomiast konwersjë i przeliczenie pozostawiajâc programowi,
dziëki temu o wiele îatwiej bëdzie nam konstruowaê róûnego typu
czujniki, o których juû w nastëpnym odcinku.


1) Elementy bierne to rezystory, kondensatory, natomiast elementy
aktywne to tranzystory, diody, wzmacniacze operacyjne.