SEL 0412 Tecnologia Digital Teoria

Transcrição

1 SEL 0412 Tecnologia Digital Teoria Aquisição de Dados Profa. Tania Regina Tronco

2 Conceito É a coleta de informações para fins de análise dos dados e consequente controle e monitoramento de um processo; Nas aplicações industriais, a aquisição de dados deve ser efetuada em tempo real, ou seja, o sistema deve ter a habilidade de coletar os dados ou fazer uma tarefa de controle dentro de uma janela de tempo aceitável;

3 Elementos Básicos Os elementos básicos de um sistema de aquisição de dados são: Sensores e transdutores para as variáveis de interesse; Condicionadores de sinal; Hardware para aquisição de dados: Conversor analógico/digital e digital/analógico; Memória para armazenamento dos dados; Duto para transmissão dos dados; Microprocessador e software para processamento dos dados.

4 Fenômeno Físico Transdutores Medidas de campo Sinal Elétrico ruidoso Condicionadores de sinal Computador Filtros e Amplificadores Software de aquisição de dados Sinal filtrado e amplificado 16 amostras por segundo 12 bits resolução Hardware de aquisição de dados Medidas de campo

5 Transdutores Dispositivos de medida que têm um sensor para a variável de interesse associado a um elemento de conversão que fornece uma tensão elétrica proporcional à intensidade da variável. Transdutores mais comuns: temperatura, pressão, força, posição, movimento, etc.

6 Transdutores Características: Exatidão: erro entre valor exato e valor medido; Sensibilidade: variação da saída em função da variação da entrada; Repetibilidade: proximidade de duas medidas do mesmo valor de entrada; Faixa (Range): faixa entre os valores máximo e mínimo da medida;

7 Transmissor Possui as funções de: Padronizar o sinal, proporcionando uma padronização dos instrumentos e interfaces receptoras; Isolar o sinal do processo do sistema receptor Levar a informação para locais remotos, sem corrupção ou deformações; modulador e demodulador

8 Buffer Impede o efeito de carga de um circuito em outro. 10 V 10 W 10 W 10 W 10 V W Fonte Buffer Carga Sem buffer Com buffer

9 Filtros Os ambientes industriais introduzem muitos sinais de interferência, que afetam o desempenho do sistema, introduzindo grandes erros nos valores das medições; Estes sinais indesejáveis são chamados genericamente de ruído; Podem ser provocados por transformadores, motores elétricos, disjuntores, chaves, linha de alimentação e outros dispositivos que tenham um transiente de tensão.

10 Filtros Eliminam ou atenuam determinadas freqüências dos sinais; Podem ser ativos (amplificadores operacionais) ou passivos. R db Frequência de Corte (atenuação >3dB) Vi C Vo fc Filtro passa-baixa db=20log(vo/vi)

11 Filtros Ativos Usam Amplificadores Operacionais Filtro passa-baixa ativo Filtro passa-alta ativo

12 Amplificador Altera o nível ou amplitude do sinal; A atenuação pode ser conseguida através de divisores de tensão (resistores em série). R2 R1 - + Vi Vo

13 Amplificador

14 Circuito Somador

15 Conversor de Sinal Geralmente converte a variação de um parâmetro elétrico em uma variação proporcional de outro parâmetro. Exemplos: corrente (usada em transmissão) para tensão (usada localmente); tensão em freqüência; resistência em tensão ou corrente.

16 Linearizador A saída do sensor pode ser linearizada usando um amplificador que tenha ganho que seja uma função matemática inversa de sua entrada, fornecendo assim uma saída linear; x z=10 x y Y=log10 x =x f f -¹ ΔP Q k DP f f -¹ z Z = Q 2 = k 2 ΔP

17 Linearizador Saída (2) (3) (1) Variável (1) Curva de transferência do sensor, mostrando a relação não linear entre variável e saída do sensor (2) Curva de transferência do linearizador entre saída e entrada (3) Curva final linearizada, mostrando relação linear entre saída do linearizador e variável medida.

18 Multiplexação É a técnica de compartilhar sinais no tempo Multiplexador Canais de entradas analógicas sinal analógico Conversor A/D sinal digital Decodificador de endereço

19 Multiplexador Analógico Conjunto de chaves paralelas ligadas a uma linha de saída comum; As chaves podem fechar-se sequencialmente ou aleatoriamente; A saída de um MUX é uma série de amostras, tomadas de diferentes sinais de medição em diferentes tempos.

20 Multiplexador Analógico Chaves eletrônicas DT DT DT/ Sinal multiplexado Dispositivo sample e hold Sample Hold Sinal sample e hold Sinais de entrada Multiplexad or 4 canais Sinal de controle Decodificador de endereço Sinal binário endereço canal Endereço Canal

21 Conversor A/D

22 Conversor A/D

23 Esquemático de um Sistema de Transmissão Digital para 30 canais de voz Sinal analógico de voz Filtro Passa-baixas 3 khz 3,5 khz Amostrador Quantizador PAM (256 Níveis) 30 canais Multiplexador e Codificador (8 bits) 2,048 Mbit/s Código de Linha + Interface Sinal analógico de voz Filtro Passa-baixas 3 khz 3,5 khz Amostrador Quantizador PAM (256 Níveis) Terminal Transmissor

24 Esquemático de um Sistema de Transmissão Digital para 30 canais de voz Filtro Passa-baixas Sinal analógico de voz Repetidor + Código de Linha Demultiplexador e decodificador (8 bits) Filtro Passa-baixas Sinal analógico de voz Terminal Receptor

25 Amostragem

26 PAM: Pulse Amplitude Modulation Amostragem

27 Teorema de Nyquist Taxa de amostragem deve se pelo menos 2 vezes maior que a freqüência que se deseja registrar. Caso o teorema não seja obedecido há distorção do sinal.

28 Exemplos Sinal de voz: freqüência máxima 4 khz A taxa de amostragem deve ser pelo menos 8 khz para que todas as freqüências do sinal de voz possam ser recuperadas; Tempo de amostragem = T a = 1 / 8000 Hz = 125 μs (ms = 10-6 segundos) A chave eletrônica retira do sinal de voz uma amostra a cada 125 μs. CD: ouvimos sons de 20 Hz a 20 khz A taxa de amostragem deve ser pelo menos 40 khz para que todas as freqüências sejam registradas.

29 Amostragem por Trem de Pulsos

30 Amostragem na Freqüência X(jw) -w M w M P(jw) -2w s -w s w s 2w s 3w s w w s > 2 w M w s < 2 w M Fenômeno de Aliasing -w M w M w s (w s w M ) w s (w s w M )

31 Amostragem -2f s -f s f s 2f s

32 PAM Pulse Amplitude Modulation Sinal resultante da amostragem de um sinal senoidal

33 Teorema de Nyquist Utilizando o teorema de Nyquist pode-se escolher a melhor freqüência de amostragem de forma a economizar banda pois para que o sinal possa ser reconstituído basta atender ao teorema.

34 Quantização Representação dos valores amostrados em uma quantidade finita de bits; Quanto maior a quantidade de bits mais precisa a representação do sinal.

35 Codificação

36 Exemplo de Quantização Linear com 16 valores (4 bits)

37 Quantização Utilizando 8 bits é possível representar 256 valores (0-255). Supondo que os valores dos pulsos variem de 0 a 255V. Digamos que um pulso tenha valor de 147,39V. Ele terá de ser quantizado como 147V ou 148V pois não existe valor intermediário = =

38 Erro de quantização Se um pulso tem valor de 147,39V, ele terá de ser quantizado como 147V ou 148V pois não existe valor intermediário. Ocorrerá então um erro de -0,39V ou +0,61V chamado erro de quantização.

39 Cálculo do Tamanho de Arquivos O tamanho de um arquivo é diretamente proporcional à taxa de amostragem e número de bits da quantização. T A * R/8 * C * t T A = Taxa de amostragem R = Resolução em bits C = Numero de canais t = tempo em segundos

40 Tamanho de Arquivo Exemplo CD (44100Hz)x(16bits/8)x(2 canais)x(60s) = bytes ~ 10Mbytes

41 Exercício Um certo conversor A/D de oito bits admite uma entrada de, no máximo, 2,55V (2,55V produz uma saída digital igual a ). Qual será a saída digital para uma entrada analógica de 2,17 V?