Desenvolvimento em Matlab de um Osciloscópio Virtual Utilizando a Placa de Som de um PC

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1 Desenvolvimento em Matlab de um Osciloscópio Virtual Utilizando a Placa de Som de um PC Prof. Doutor Ricardo Queirós Universidade Agostinho Neto Faculdade de Engenharia Departamento de Electrónica e Electrotecnia 3 a Conferência Nacional de Ciência e Tecnologia 2013 Ricardo Queirós (13/09/2013) 1 / 17

2 Conteúdo 1 Introdução Ricardo Queirós (13/09/2013) 2 / 17

3 Conteúdo 1 Introdução 2 Osciloscópio Virtual Proposto Ricardo Queirós (13/09/2013) 2 / 17

4 Conteúdo 1 Introdução 2 Osciloscópio Virtual Proposto Objectivos Ricardo Queirós (13/09/2013) 2 / 17

5 Conteúdo 1 Introdução 2 Osciloscópio Virtual Proposto Objectivos Hardware Ricardo Queirós (13/09/2013) 2 / 17

6 Conteúdo 1 Introdução 2 Osciloscópio Virtual Proposto Objectivos Hardware Software Ricardo Queirós (13/09/2013) 2 / 17

7 Conteúdo 1 Introdução 2 Osciloscópio Virtual Proposto Objectivos Hardware Software 3 Considerações Finais Ricardo Queirós (13/09/2013) 2 / 17

8 Introdução Introdução Para melhor perceber o mundo, o homem tem necessidade de efectuar medições. Em relação a medidas eléctricas, existem vários instrumentos, como por exemplo, o multímetro, o osciloscópio, o analisador de espectros, etc; Ricardo Queirós (13/09/2013) 3 / 17

9 Introdução Introdução Para melhor perceber o mundo, o homem tem necessidade de efectuar medições. Em relação a medidas eléctricas, existem vários instrumentos, como por exemplo, o multímetro, o osciloscópio, o analisador de espectros, etc; No entanto, os instrumentos tradicionais apresentam várias limitações, tais como: a incapacidade de personalização, relativamente baixa portabilidade, recursos fixos e relativo elevado custo; Ricardo Queirós (13/09/2013) 3 / 17

10 Introdução Introdução Para melhor perceber o mundo, o homem tem necessidade de efectuar medições. Em relação a medidas eléctricas, existem vários instrumentos, como por exemplo, o multímetro, o osciloscópio, o analisador de espectros, etc; No entanto, os instrumentos tradicionais apresentam várias limitações, tais como: a incapacidade de personalização, relativamente baixa portabilidade, recursos fixos e relativo elevado custo; Assim, os intrumentos tradicionais não são facilmente adaptáveis, sendo a sua operação e documentação manual. Por outro lado, perde-se imenso tempo na sua configuração. Ricardo Queirós (13/09/2013) 3 / 17

11 Introdução Instrumentos Tradicionais: Exemplo Ricardo Queirós (13/09/2013) 4 / 17

12 Instrumentação Virtual Introdução Considerando as limitações apresentadas, surge a Instrumentação Virtual; Ricardo Queirós (13/09/2013) 5 / 17

13 Instrumentação Virtual Introdução Considerando as limitações apresentadas, surge a Instrumentação Virtual; Instrumentação Virtual Também conhecida por Instrumentação Suportada por Computador, é a utilização de software personalizável e hardware modular para desenvolver sistemas de medida/controlo personalizados. Ricardo Queirós (13/09/2013) 5 / 17

14 Instrumentação Virtual Introdução Considerando as limitações apresentadas, surge a Instrumentação Virtual; Instrumentação Virtual Também conhecida por Instrumentação Suportada por Computador, é a utilização de software personalizável e hardware modular para desenvolver sistemas de medida/controlo personalizados. Assim, a Instrumentação Virtual vem apresentar um novo modelo para o desenvolvimento de sistemas de medição, sendo as principais razões para a sua popularidade, as seguintes: Ricardo Queirós (13/09/2013) 5 / 17

15 Instrumentação Virtual Introdução Considerando as limitações apresentadas, surge a Instrumentação Virtual; Instrumentação Virtual Também conhecida por Instrumentação Suportada por Computador, é a utilização de software personalizável e hardware modular para desenvolver sistemas de medida/controlo personalizados. Assim, a Instrumentação Virtual vem apresentar um novo modelo para o desenvolvimento de sistemas de medição, sendo as principais razões para a sua popularidade, as seguintes: Rápida evolução dos PCs; Ricardo Queirós (13/09/2013) 5 / 17

16 Instrumentação Virtual Introdução Considerando as limitações apresentadas, surge a Instrumentação Virtual; Instrumentação Virtual Também conhecida por Instrumentação Suportada por Computador, é a utilização de software personalizável e hardware modular para desenvolver sistemas de medida/controlo personalizados. Assim, a Instrumentação Virtual vem apresentar um novo modelo para o desenvolvimento de sistemas de medição, sendo as principais razões para a sua popularidade, as seguintes: Rápida evolução dos PCs; Baixo custo e elevado desempenho do ADCs; Ricardo Queirós (13/09/2013) 5 / 17

17 Instrumentação Virtual Introdução Considerando as limitações apresentadas, surge a Instrumentação Virtual; Instrumentação Virtual Também conhecida por Instrumentação Suportada por Computador, é a utilização de software personalizável e hardware modular para desenvolver sistemas de medida/controlo personalizados. Assim, a Instrumentação Virtual vem apresentar um novo modelo para o desenvolvimento de sistemas de medição, sendo as principais razões para a sua popularidade, as seguintes: Rápida evolução dos PCs; Baixo custo e elevado desempenho do ADCs; Rápida evolução de software para desenvolvimento de sistemas. Ricardo Queirós (13/09/2013) 5 / 17

18 Introdução Instrumentação Virtual: Exemplo (1) Ricardo Queirós (13/09/2013) 6 / 17

19 Introdução Instrumentação Virtual: Exemplo (2) Ricardo Queirós (13/09/2013) 7 / 17

20 Introdução Instrumentação Virtual: Software e Hardware Hardware Computador Pessoal (PC) Ricardo Queirós (13/09/2013) 8 / 17

21 Introdução Instrumentação Virtual: Software e Hardware Hardware Computador Pessoal (PC) Hardware modular; Ricardo Queirós (13/09/2013) 8 / 17

22 Introdução Instrumentação Virtual: Software e Hardware Hardware Computador Pessoal (PC) Hardware modular; Placa de aquisição de dados: Interna ou externa; Software Ricardo Queirós (13/09/2013) 8 / 17

23 Introdução Instrumentação Virtual: Software e Hardware Hardware Computador Pessoal (PC) Hardware modular; Placa de aquisição de dados: Interna ou externa; Software Elemento chave de qualquer instrumento virtual; Ricardo Queirós (13/09/2013) 8 / 17

24 Introdução Instrumentação Virtual: Software e Hardware Hardware Computador Pessoal (PC) Hardware modular; Placa de aquisição de dados: Interna ou externa; Software Elemento chave de qualquer instrumento virtual; Paradigmas de programação: 1)Texto e 2)Gráfica; Ricardo Queirós (13/09/2013) 8 / 17

25 Introdução Instrumentação Virtual: Software e Hardware Hardware Computador Pessoal (PC) Hardware modular; Placa de aquisição de dados: Interna ou externa; Software Elemento chave de qualquer instrumento virtual; Paradigmas de programação: 1)Texto e 2)Gráfica; Labview (gráfica), LabWindows/CVI (Texto), Matlab (Texto), etc. Ricardo Queirós (13/09/2013) 8 / 17

26 Introdução Exemplos de Software: Labview Vs Matlab Figure 2. LabVIEW virtual instruments include the user interface and application logic. ting icons to create block diagrams, which are natural design notations for scientists and engineers. With graphical programming, engineers and n with conventional programming languages, while retaining the power and flexibility needed to create a variety of applications. LabVIEW is an open for everything from serial, Ethernet, and GPIB communication to motion control, data acquisition, and image acquisition. tage of the latest software trends? Ricardo Queirós (13/09/2013) 9 / 17 f their fixed packaging and vendor-defined nature, can t rapidly adapt to new software technologies. Because of its inherent flexibility, virtual ating new tools and technology users can simply upgrade their software, rather than purchase a new system.

27 Introdução Exemplos de Software: Labview Vs Matlab Figure 2. LabVIEW virtual instruments include the user interface and application logic. ting icons to create block diagrams, which are natural design notations for scientists and engineers. With graphical programming, engineers and n with conventional programming languages, while retaining the power and flexibility needed to create a variety of applications. LabVIEW is an open for everything from serial, Ethernet, and GPIB communication to motion control, data acquisition, and image acquisition. tage of the latest software trends? Ricardo Queirós (13/09/2013) 9 / 17

28 software Ricardoand Queirós hardware. (13/09/2013) A virtual instrument typically has a sticker price comparable to and many 10 times / 17 le tic instruments different? urces Introdução Instrumentação Virtual versus Tradicional (1) ifferent from a traditional instrument? hile traditional instruments have fixed, vendor-defined functionality. ts (left) and software based virtual instruments (right) largely share the same architectural components, but

29 truments builds on the Analog Devices investment in A/D converters. Introdução Instrumentação Virtual versus Tradicional (2) oftware-based, if you can digitize it, you can measure it. Therefore, measurement hardware ca asurement capabilities of virtual instrumentation hardware compare to traditional instrumentatio te within the curve. Compare virtual instrumentation hardware over time to traditional instrumentation. Figure 4. Ricardo Queirós (13/09/2013) 11 / 17

30 Osciloscópio Virtual Proposto Osciloscópio Virtual Proposto Objectivos Neste trabalho, desenvolveu-se um osciloscópio virtual utilizando a placa de som de um computador portátil comum; Ricardo Queirós (13/09/2013) 12 / 17

31 Osciloscópio Virtual Proposto Objectivos Osciloscópio Virtual Proposto Neste trabalho, desenvolveu-se um osciloscópio virtual utilizando a placa de som de um computador portátil comum; Salienta-se que o osciloscópio é um instrumento que permite a análise de sinais no domínio do tempo, tornando-o num dos mais importantes instrumentos em qualquer laboratório de instrumentação; Ricardo Queirós (13/09/2013) 12 / 17

32 Osciloscópio Virtual Proposto Objectivos Osciloscópio Virtual Proposto Neste trabalho, desenvolveu-se um osciloscópio virtual utilizando a placa de som de um computador portátil comum; Salienta-se que o osciloscópio é um instrumento que permite a análise de sinais no domínio do tempo, tornando-o num dos mais importantes instrumentos em qualquer laboratório de instrumentação; Para o efeito, utilizou-se o software Matlab, para desenvolver a interface gráfica e também para adquirir os sinais envolvidos, através da entrada microfone da placa de som. Ricardo Queirós (13/09/2013) 12 / 17

33 Osciloscópio Virtual Proposto Osciloscópio Virtual Proposto Objectivos Neste trabalho, desenvolveu-se um osciloscópio virtual utilizando a placa de som de um computador portátil comum; Salienta-se que o osciloscópio é um instrumento que permite a análise de sinais no domínio do tempo, tornando-o num dos mais importantes instrumentos em qualquer laboratório de instrumentação; Para o efeito, utilizou-se o software Matlab, para desenvolver a interface gráfica e também para adquirir os sinais envolvidos, através da entrada microfone da placa de som. PC Sinal Placa de Som DAQ Toolbox Matlab Interface Gráfica do Utilizador (GUI) Matlab Análise e/ou Medição Ricardo Queirós (13/09/2013) 12 / 17

34 Placa de Som Osciloscópio Virtual Proposto Hardware Trata-se de uma placa electrónica que permite a entrada e saída de sinais áudio de e para um PC através de um software; Ricardo Queirós (13/09/2013) 13 / 17

35 Osciloscópio Virtual Proposto Hardware Placa de Som Trata-se de uma placa electrónica que permite a entrada e saída de sinais áudio de e para um PC através de um software; Os sinais aplicados às placas de som são analógicos. Ou seja, sinais contínuos. Assim, sendo o PC um sistema digital, toda a placa de som dispõe de um Conversor Analógico-Digital (ADC); Ricardo Queirós (13/09/2013) 13 / 17

36 Osciloscópio Virtual Proposto Hardware Placa de Som Trata-se de uma placa electrónica que permite a entrada e saída de sinais áudio de e para um PC através de um software; Os sinais aplicados às placas de som são analógicos. Ou seja, sinais contínuos. Assim, sendo o PC um sistema digital, toda a placa de som dispõe de um Conversor Analógico-Digital (ADC); Por outro lado, para que se possam ouvir os sons (dados em formato digital, ex. MP3) armazenados no PC, é necessário um Conversor Digital-Analógico (DAC); Ricardo Queirós (13/09/2013) 13 / 17

37 Osciloscópio Virtual Proposto Hardware Placa de Som Trata-se de uma placa electrónica que permite a entrada e saída de sinais áudio de e para um PC através de um software; Os sinais aplicados às placas de som são analógicos. Ou seja, sinais contínuos. Assim, sendo o PC um sistema digital, toda a placa de som dispõe de um Conversor Analógico-Digital (ADC); Por outro lado, para que se possam ouvir os sons (dados em formato digital, ex. MP3) armazenados no PC, é necessário um Conversor Digital-Analógico (DAC); Claramente, dado que este trabalho trata de um osciloscópio, ou seja, um analisador de sinais, o ADC tem extrema importância no desempenho do instrumento; Ricardo Queirós (13/09/2013) 13 / 17

38 Osciloscópio Virtual Proposto Hardware Placa de Som Trata-se de uma placa electrónica que permite a entrada e saída de sinais áudio de e para um PC através de um software; Os sinais aplicados às placas de som são analógicos. Ou seja, sinais contínuos. Assim, sendo o PC um sistema digital, toda a placa de som dispõe de um Conversor Analógico-Digital (ADC); Por outro lado, para que se possam ouvir os sons (dados em formato digital, ex. MP3) armazenados no PC, é necessário um Conversor Digital-Analógico (DAC); Claramente, dado que este trabalho trata de um osciloscópio, ou seja, um analisador de sinais, o ADC tem extrema importância no desempenho do instrumento; A placa de som utilizada tem as seguintes principais caracteristicas: resolução (16 bits), tensão de entrada (-1V a 1 V), frequência de amostragem (96 khz); Ricardo Queirós (13/09/2013) 13 / 17

39 Osciloscópio Virtual Proposto Software Matlab Toolbox: Aquisição de Dados Ricardo Queirós (13/09/2013) 14 / 17

40 Osciloscópio Virtual Proposto Software Interface Gráfica do Utilizador (GUI) (1) No Matlab há duas formas para desenvolver interfaces gráficas, ou seja, através de um ambiente de desenvolvimento de GUIs (GUIDE) ou através da programação; Ricardo Queirós (13/09/2013) 15 / 17

41 Osciloscópio Virtual Proposto Software Interface Gráfica do Utilizador (GUI) (1) No Matlab há duas formas para desenvolver interfaces gráficas, ou seja, através de um ambiente de desenvolvimento de GUIs (GUIDE) ou através da programação; Neste trabalho, a GUI foi desenvolvida através da programação dada as vantagens ao nível do controlo e da reproducibilidade; Ricardo Queirós (13/09/2013) 15 / 17

42 w w w.tracker-software.co m Osciloscópio Virtual Proposto Software Interface Gráfica do Utilizador (GUI) (1) PDF-XChange Click to buy NOW! No Matlab há duas formas para desenvolver interfaces gráficas, ou seja, através de um ambiente de desenvolvimento de GUIs (GUIDE) ou através da programação; Neste trabalho, a GUI foi desenvolvida através da programação dada as vantagens ao nível do controlo e da reproducibilidade; PDF-XC w w w.tracker-s Click to b Ricardo Queirós (13/09/2013) 15 / 17

43 Osciloscópio Virtual Proposto Software Interface Gráfica do Utilizador (2) Ricardo Queirós (13/09/2013) 16 / 17

44 Considerações Finais Considerações Finais Os instrumentos tradicionais apresentam várias limitações, tais como: a incapacidade de personalização, relativamente baixa portabilidade, recursos fixos e relativo elevado custo; Ricardo Queirós (13/09/2013) 17 / 17

45 Considerações Finais Considerações Finais Os instrumentos tradicionais apresentam várias limitações, tais como: a incapacidade de personalização, relativamente baixa portabilidade, recursos fixos e relativo elevado custo; No entanto, os tradicionais apresentam maior resolução e maior frequência de amostragem; Ricardo Queirós (13/09/2013) 17 / 17

46 Considerações Finais Considerações Finais Os instrumentos tradicionais apresentam várias limitações, tais como: a incapacidade de personalização, relativamente baixa portabilidade, recursos fixos e relativo elevado custo; No entanto, os tradicionais apresentam maior resolução e maior frequência de amostragem; De forma a evitar danificar a placa de som, é necessário cumprir os limites de tensão de entrada placa de som; Ricardo Queirós (13/09/2013) 17 / 17

47 Considerações Finais Considerações Finais Os instrumentos tradicionais apresentam várias limitações, tais como: a incapacidade de personalização, relativamente baixa portabilidade, recursos fixos e relativo elevado custo; No entanto, os tradicionais apresentam maior resolução e maior frequência de amostragem; De forma a evitar danificar a placa de som, é necessário cumprir os limites de tensão de entrada placa de som; O osciloscópio proposto é capaz de realizar medições de tensão e de período, com exactidão dependente da placa de som utilizada (resolução e frequência de amostragem); Ricardo Queirós (13/09/2013) 17 / 17

48 Considerações Finais Considerações Finais Os instrumentos tradicionais apresentam várias limitações, tais como: a incapacidade de personalização, relativamente baixa portabilidade, recursos fixos e relativo elevado custo; No entanto, os tradicionais apresentam maior resolução e maior frequência de amostragem; De forma a evitar danificar a placa de som, é necessário cumprir os limites de tensão de entrada placa de som; O osciloscópio proposto é capaz de realizar medições de tensão e de período, com exactidão dependente da placa de som utilizada (resolução e frequência de amostragem); Considerando a falta de laboratórios em muitas instituições, a instrumentação virtual apresenta-se com uma alternativa aos tradicionais. Ricardo Queirós (13/09/2013) 17 / 17