AMIGA W TECHNIKACH POMIAROWYCH Oto trzeci odcinek naszej serii: dzisiaj przyjrzymy sië dokîadnie pomiarom od strony teoretycznej. Natomiast kolejne przystawki pomiarowe -- za miesiâc. Stanisîaw Szczygieî (Stanley) 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. Konwersje sygnaîów pomiarowych 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. Úródîa bîëdów 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. Zapobieganie bîëdom pomiarów i konwersji 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! Podsumujmy 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.