A digitális méréstechnika alapjai

2.1. A mintavételezés elve

Az analóg elven működő műszerekre az jellemző, hogy a műszer a mérési tartományon belül elméletileg végtelen sok energiaállapotot felvehet. A digitális műszereket pedig az jellemzi, hogy ezek csak diszkrét, véges számú energiaállapotot vehetnek fel, a műszer feloldása 1 digit. Visszatérve az analóg elven működő műszerekre, közismert, hogy ezeknek is van feloldásuk, tehát a végtelen sok energiaállapot felvételi lehetősége

csak elméleti, a reális műszereknél pl. a súrlódások miatt szintén csak véges számú energiaállapot felvétele lehetséges. Az elmondottakból következik, hogy azonos feloldások esetén a kétféle rendszer átmegy egymásba, azaz az analóg és digitális technika közötti különbség ebből a szempontból eltűnik.

2.2. A mintavételezés megvalósítása

A digitális eljárások mindig, de néha az analóg módszerek is (pl. vivőfrekvenciás rendszer) mintavételezési eljárásokat használnak. Ezért is fontos a mintavételezési szabályok ismerete. A mintavételezés szabályainak megsértésével az eredeti jelalaktól teljesen eltérő jelalakok is létre tudnak jönni, és ezáltal teljesen hamis eredmények keletkezhetnek.

Az alapszabály az, hogy a mintavételezés frekvenciája legyen többszöröse a mérendő jelben található maximális frekvenciának. Ezt a Shannon-törvény fogalmazza meg, amely szerint:

4.1. egyenlet - (4-1)

A méréstechnikai gyakorlatban legalább 10-szeres mintavételi frekvenciát szokás választani. Hogy milyen hibákat vagy helytelen következtetéseket lehet levonni a mintavételezés helytelen megválasztásából, azt a 4.2.2.1. ábra mutatja.

4.2.2.1. ábra Forrás: Huba Antal

2.3. Digitális hosszmérő rendszerek

A digitális mérési elvet alkalmazó hosszmérő rendszerek optikai és/vagy mágneses/indukciós elven működő érzékelőjük segítségével meghatározott felbontással előjeles impulzus-darabszámmá alakítják át a mérendő távolságot. Az így kapott impulzussorozatot a numerikus kijelző segítségével lehet a mért hossz dimenziójának

megfelelően kijelezni. Lehetőség van abszolút és relatív koordináta alkalmazására. Abszolút koordinátarendszer esetén a kijelzett érték egy nullahelyzethez képest abszolút értékben adja meg a helyzetet, relatív esetben pedig a mérőrendszer egy megválasztott mérethez képest adja meg a helyzetet.

2.4. Digitális szögmérő rendszerek

A digitális mérési elvet alkalmazó szögmérő rendszerek optikai és vagy mágneses/indukciós elven működő elfordulás (szög) érzékelőjük segítségével meghatározott felbontással előjeles impulzus-darabszámmá alakítják át a mérendő szöget. Az így kapott impulzussorozatot a numerikus kijelző segítségével lehet a mért szög dimenziójának megfelelően kijelezni.

2.5. Számítógépes mérőrendszerek

A számítógépes mérőrendszerek alapfeladatai:

• Mintavételes mérésadatgyűjtés.

• A mérési adatok szűrése (zajszűrés, átlagképzés, lényegkiemelés).

• A mérési adatok átmeneti tárolása.

• A mérési adatok továbbítása további feldolgozó, beavatkozó rendszerek számára.

A mintavételes mérésadatgyűjtés mérőcsatornánként (különböző) meghatározott mintavételi frekvenciával analóg jelekből (folytonos értékkészletű) és bináris (kétállapotú) jelekből valósít meg mintavételezést.

A folytonos jelek méréséhez olyan érzékelőket alkalmaznak, amelyek a mért érték dimenziójából átalakítják a jelet villamosan mérhető dimenzióvá, leggyakrabban feszültségértékké. Az érzékelő által szolgáltatott jelet egy analóg-digitális átalakító segítségével digitális egész számmá alakítjuk át, ezzel a folytonos értékkészletű analóg jelből egy kvantált értéket hozunk létre. A kvantálás azt jelenti, hogy a digitalizált jel nem tudja az analóg jel minden értékét kijelezni, hanem azt csak kvantumokban, meghatározott energiaszinteken képes kijelezni. A kvantum nagyságát (Uminimum) az analóg-digitális átalakító felbontása (bitszáma) határozza meg. Minél nagyobb a bitszám, annál nagyobb a felbontás. A napjainkban alkalmazott analóg-digitális átalakítók 12, 16, 20 és 24 bit felbontásúak. A kvantum nagyságát az analóg-digitális átalakító méréshatára és felbontásának nagysága határozza meg a következő képlet szerint:

4.2. egyenlet - (4-2)

A bináris jelek méréséhez alkalmazott érzékelők egyszerűbb felépítésűek, mivel be- és kikapcsolt állapotot kell villamos mennyiségek – leggyakrabban feszültségszintek segítségével – megjeleníteni. A jelszinteket kétállapotú számokká konvertálják át, amelyeket a leggyakrabban egész számok segítségével tárolnak. Ez azt jelenti, hogy egy bináris információ egy egész típusú szám meghatározott bitpozícióján megadja a bináris szám értékét. Az így kialakult bináris értékekből létrehozott számértéket tároljuk, mint a digitális egész típusú számot.

Gyakori, hogy főként a bináris jelek mérésénél nemcsak meghatározott mintavételi időtartam elteltével vizsgáljuk meg a jeleket, hanem egy adott esemény bekövetkezésekor megszakítást kérünk a számítógép által végzett feladatok sorában. A megszakítás engedélyezése után lefuttatjuk a megszakításhoz rendelt feladatok programját, majd befejezzük a megszakítást, és visszatérünk a korábban megszakított feladatok folytatásához.

A mérési adatok szűrését azért kell minden esetben megvalósítanunk, mert az analóg típusú jelekhez nagy távolságra történő szállításuk, továbbításuk során villamos zajok is hozzáadódnak. A villamos (mágneses és térerő típusú) zajokat árnyékolás segítségével szigeteljük el a hasznos villamos jeltől, de semmilyen árnyékolás nem tud teljes elszigetelést megvalósítani. Ezért a leggyakrabban a zajokkal terhelt mérési adatokból meghatározott frekvenciasávban szereplő elemeket kell kiemelnünk, amelyek frekvenciasáv-kiemelési és sávvágási feladatokat jelentenek. Más esetekben az általában alacsonyabb frekvenciájú hasznos jelet kell a magasabb frekvenciájú zajoktól elválasztani, amely alul áteresztő szűrő segítségével valósítható meg. A 4.2.5.1.

ábrán például a zajos (nyers) mérési adatokat, míg a 4.2.5.2. ábrán a szűrés eredményét mutatjuk be, amelyhez egy alul áteresztő szűrőt alkalmaztunk.

4.2.5.1. ábra

4.2.5.2. ábra

A mérési adatok átmeneti tárolására azért van szükség, mert a mérésadatgyűjtő rendszer mérési csatornánként különböző mintavételi időtartammal rendelkező mérést képes megvalósítani, ami azt jelenti, hogy a mért adatok különböző időpontokban jelennek meg. A második ok, hogy a digitális számítógép csak meghatározott időpontokban olvassa be a mérési adatokat, ami lehetővé teszi, hogy az adatátviteli csatorna átviteli sebességétől jóval nagyobb frekvenciájú mintavételezést valósítsunk meg. Ezért a mérési adatokat „össze kell gyűjteni”, és egy csomagban kell eljuttatni a mérésadatgyűjtőtől a számítógép memóriájába. Ehhez kapcsolódik a mérési adatok átmeneti tárolásának harmadik oka, hogy az összegyűjtött mérési adatokat nagysebességű adatátviteli móddal ún. közvetlen memória hozzáférési móddal (DMA=Direct Memory Access) juttatjuk el a számítógép operatív memóriájába. A DMA adatátvitellel pedig csak meghatározott mennyiségű (512, 1024, 2048 stb.) adat továbbítható, tehát ennek az adatátvitel megvalósulásáig „össze kell gyűlnie”. Ez az adatátviteli mód időben és átvitt adatmennyiségben nem gazdaságos kis mennyiségű (1, 2 stb.) adat esetén.

A mérési adatok továbbítása további feldolgozó, beavatkozó rendszerek számára azt jelenti, hogy a számítógépes mérőrendszerbe beolvasott, feldolgozott (szűrt) és tárolt adatokat számítógépes hálózati kapcsolat segítségével tetszőleges helyre eljuttathatjuk, és így tetszőleges további számításokat végezhetünk a segítségükkel. Másik általános felhasználási mód, amikor a mért adatok alapján irányítási feladatokat kell megoldanunk, ekkor a mért adatokból számított irányítójelet vissza kell juttatnunk abba a folyamatba, amelyben a mérést végeztük. Ezeket a feladatokat különböző, ma már szabványos soros és párhuzamos adatátviteli kódolású berendezésekkel valósítjuk meg. A soros adatátviteli vonalak, amelyek elnevezései RS-232 és RS-485, az előbbi feszültségszintek segítségével, az utóbbi pedig áramhurok segítségével valósítja meg a soros adatátviteli vonalat. A 4.2.5.3. ábra egy szabványos 8 bites adat soros, RS-232 vonalon történő továbbításának időbeni jelfolyamát mutatja.

4.2.5.3. ábra

A 8 bit szélességű párhuzamos adatátvitelt biztosító GPIB (General Purpose Interface Board) adatátviteli rendszer segítségével 32 darab ilyen adatkommunikációval ellátott berendezést kapcsolhatunk össze. A 8 adatbitet szállító vezetéken kívül további 5 kontrollvezeték az adatok menedzselését, további 3 vezeték pedig az ún. parola üzemmódnak megfelelő feladatokat látja el. Ha összeadjuk a szükséges vezetékeket, ez azt jelenti, hogy minden berendezéshez egy 16 vezetéket tartalmazó kábelkorbácsot kell elvinnünk.

A soros adatátvitelnél elvileg ez csak 3 vezeték volt, amellyel az oda-vissza történő adatátvitelt meg lehetett valósítani. Nem véletlen, hogy napjainkra széles körben elterjedtek az USB (Universal Serial Bus) és a CAN (Controller Area Network) elnevezésű soros adatátviteli rendszerek, amelyek ma már felülmúlják az egyébként nagy sebességű adatátvitelt biztosító GPIB rendszert.

Az így összekapcsolt GPIB csatornával ellátott berendezések mindegyike önálló címmel rendelkezik, és kétirányú nagy sebességű adatátvitelre képes. Előnye a soros adatátviteli rendszerrel szemben, hogy egy adatokat kibocsájtó berendezés egyszerre több másik berendezésnek is továbbíthatja az adatokat.

A számítógépes, ipari mérésadatgyűjtő rendszereket ma már széles körben alkalmazzák mérésre, felügyeletre, vezérlésre.

3. A leckéhez kapcsolódó esettanulmányok

A gyakorlatban mind a párhuzamos, mind a soros adatátviteli rendszert használják. A párhuzamos rendszert régebbi nyomtatóknál, számítógép-perifériáknál, digitális oszcilloszkópoknál találhatjuk meg. Ma a legtöbb esetben a soros rendszereket találjuk a számítógépes rendszereknél, beleértve a gépkocsik információs rendszereit (CAN-bus) is.