SEL 0412 Tecnologia Digital Teoria Aquisição de Dados Profa. Tania Regina Tronco
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;
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.
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
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.
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;
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
Buffer Impede o efeito de carga de um circuito em outro. 10 V 10 W 10 W 10 W 10 V - + 10 W Fonte Buffer Carga Sem buffer Com buffer
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.
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)
Filtros Ativos Usam Amplificadores Operacionais Filtro passa-baixa ativo Filtro passa-alta ativo
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
Amplificador
Circuito Somador
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.
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
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.
Multiplexação É a técnica de compartilhar sinais no tempo Multiplexador Canais de entradas analógicas sinal analógico Conversor A/D sinal digital Decodificador de endereço
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.
Multiplexador Analógico Chaves eletrônicas DT DT DT/4 0 1 2 3 0 1 2 3 Sinal multiplexado Dispositivo sample e hold 0 1 2 3 0 1 2 3 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 00 0 01 1 10 2 11 3
Conversor A/D
Conversor A/D
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
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
Amostragem
PAM: Pulse Amplitude Modulation Amostragem
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.
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.
Amostragem por Trem de Pulsos
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 )
Amostragem -2f s -f s f s 2f s
PAM Pulse Amplitude Modulation Sinal resultante da amostragem de um sinal senoidal
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.
Quantização Representação dos valores amostrados em uma quantidade finita de bits; Quanto maior a quantidade de bits mais precisa a representação do sinal.
Codificação
Exemplo de Quantização Linear com 16 valores (4 bits)
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 100100112 = 147 10 100101002 = 148 10
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.
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
Tamanho de Arquivo Exemplo CD (44100Hz)x(16bits/8)x(2 canais)x(60s) = 1058400 bytes ~ 10Mbytes
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 11111111). Qual será a saída digital para uma entrada analógica de 2,17 V?