L’utilizzo della Strumentazione Virtuale per le Misure ...dma.ing.uniroma1.it/users/lsm_misind2/Seminario NI - Tecniche di... · National Instruments Italy L’utilizzo della Strumentazione

National Instruments Italy

L’utilizzo della Strumentazione Virtuale

per le Misure Digitali

Agenda

• Introduzione alla strumentazione Virtuale

• Elementi di una catena di misura

• Dimostrazione di LabVIEW

• Esercitazioni e supporti

• Fondata nel 1989

• 50+ dipendenti

• Uffici a Milano e a Roma

• Divisione Commerciale

• Divisione Tecnica

• Divisione Marketing

• Divisione Didattica e Ricerca – Sito www.ni.com/italy - Didattica

e Ricerca • Dispense • Esercitazioni • Opportunita’ di lavoro

National Instruments Italy

ISO 9002 Certified

Computer-Based Instruments

Strumento standard vs strumento virtuale

• Register-mapped I/O

• Limitate capacità di

espansione

• Funzionalità fisse

• Interfaccia esterna

• Memory mapped I/O

• Processamento Dati Veloce

• Connessione Internet/intranet

• Online data logging/trending

• Online report generation

• Memoria Espandibile

DISPLAY AND

CONTROL

IL PC dentro lo strumento

• Vantaggi

– Interfaccia Windows familiare, aggiornamento software

automatico, connettività di rete

– Potenza di processamento a più basso costo

– Sistemi operativi standard

– Aggiornamento software (on line) più facile

IL PC dentro lo strumento

• Un esempio : HP Infinium

Lo Strumento nel PC

• L’utilizzatore può scegliere il computer

• L’utilizzatore acquista solo le funzionalità che utilizza

• L’utilizzatore ha il controllo TOTALE del sistema

• L’utilizzatore si avvantaggia delle nuove tecnologie

Gli strumenti nel PC sono il REALE vantaggio per l’ utente,

permettendo di fruire appieno della rivoluzione tecnologia dei

personal computer

Costi minori vs prestazioni migliori

Gli Elementi di un sistema di Misura

Oscilloscopio

Multimetri Matrici

Sorgente di Segnale

Strumenti su scheda • Alta risoluzione (8-24bit)

• Trasferimento dati ad alta Velocita’ (AT CPCI/PXI)

• Fino a 100MS/sec

• Soluzioni:

– DMMs

– Oscilloscopi

– Analizzatori di spettro

– Frequenzimetri

– RF Analyzer (2.7GHz)

• Sofisticati sistemi di Triggering e Sincronizzazioni tra diversi dispositivi

Una soluzione:Il PC Strumento!

Oscilloscopio

Multimetro

Matrice

Gen.di Funzioni

Sistemi di Misura e Controllo

Hardware & Driver Software

Motion

Control

PXI Unita’ sotto test

Software Applicativo

Image

Acquisition

VXI

DAQ

GPIB

Serial

Componenti della Misura

Condiziona-

mento Digitalizzazione Computer

Segnali

Sensori

Amplificazione

Attenuazione

Isolamento

Filtraggio

Multiplexing

Eccitazione

SSH

F-to-V

Bridge Comp.

Frequenza

Risoluzione

Analisi

Presentazione

Distribuzione

Termocoppie

RTD

Termistore

Strain Gauge

Pressioni

Carichi

Tensioni

Correnti

Digitali

Le schede di acquisizione dati

• Un classico esempio: scheda DAQ su PCI

– 8 canali ADC 12/16 bit

• Guadagno programmabile

• Range di ingresso selezionabile

• Da 20 a 100000 KS/s

– 2 canali DAC 12/16 bit

• Uscita fino a 42Volts

– Da 8 a 32 I/O digitali TTL

– 2 Contatori/Temporizzatori

Tecnologie presenti in una scheda DAQ

Schema a blocchi di una scheda DAQ

ADC MUX NI-PGIA

Counter I/O

Digital I/O

NI MITE

Analog Output NI DAQ-STC

Bus di sinconizzazione

Analog Input

Multiplexer Amplificatore Convertitore Analogico/Digitale

Multiplexers

Scopo: incrementare il numero dei canali

ADC

Acquisizione con Multiplexers

Interchannel Delay Phase Shift

Each signal is routed through the multiplexer

Time delay between sampling of each channel

Phase shift is negligible for most applications

Campionamento Simultaneo

No Phase Shift

T/H

T/H

Digitizer control signal locks the track-and-hold

amplifiers

Signals are routed through the multiplexer

Track-and-hold amplifiers are released

Tecniche di miglioramento

del rapporto segnale rumore

( Dithering )

Tecniche per il miglioramento della risoluzione

• Dithering (12-bit only)

• Noise-rejecting op-amps

• Carefully designed (Gaussian) noise floor

0.0

0.6

1.2

1.8

1 50 100

No

ise

+ Q

uan

tiza

tio

n

Err

or

(LS

B)

Number of Averaged Samples

Without

NI

Dithering

Actual Signal 1 bit (4.8 mV

for 12-bit board

with +/- 10 V

input range)

12-bit Without Dithering

9

0

Weighted Average = 4.8mV

Actual Signal = 3.3mV

Dithering

1 bit (4.8 mV for

12-bit board

with +/- 10 V

input range)

Dithering Applied

6

3

Dithered Weighted Average = 3.2mV

Actual Signal = 3.3mV

Weighted Average = 4.8mV

Tecniche di miglioramento

del rapporto segnale rumore

Range & Guadagno

Range

100 200 150 50 Time (ms)

0

-7.50

-10.00

-5.00

-2.50

2.50

5.00

7.50

10.00

Amplitude

(volts)

Range = -10 to +10 volts (5kHz Sine Wave)

3-bit resolution

000

001

010

011

100

101

110

111

| | | | |

– La risoluzione dell’ A/D è distribuita all’interno del range di acquisizione

• Massima Risoluzione = Range Corretto

Condizionamento: amplificazione

16-bit

Digitizer

10 mV

signal

Solo 32 livelli

di risoluzione!

16-bit

Digitizer

10 V

signal

65,536 livelli

di risoluzione

Ottimizza la risoluzione nel range di misura scelto

Amplifier

Range +/-10 Volts

Condizionamento: amplificazione

Migliora il rapporto segnale/rumore (SNR)

Amplifier

Segnale di basso

livello

Amplificatore esterno Scheda DAQ

Cavi

Amplificatore differenziale di classe strumentale

Rumore

ADC + _

Esempio di amplificazione

100 200 150 50 0

Time (ms)

0

1.25

5.00

2.50

3.75

6.25

7.50

8.75

10.00

Amplitude

(volts)

Different Gains for 16-bit Resolution (5kHz Sine Wave)

Gain = 2

| | | | |

Your Signal

Gain = 1

• Segnale d’ ingresso = 0 - 5 Volts

• ADC Range = 0 - 10 Volts

• Settaggio del guadagno dell’ amplificatore = 2

Amplified Signal

Signal to Noise Ratio (SNR)

Signal

Voltage

S.C.*

Amplification

Noise in

Lead Wires

DAQ Board

Amplification

Digitized

Voltage SNR

Amplify only at

DAQ Board .01 V None .001 V x100 1.1 V 10

Amplify at S.C.*

and DAQ Board .01 V

.001 V

.001 V x10

x100

x10 1.01 V 100

Amplify only at

S.C.* .01 V None 1.001 V 1000

– Maggiore è l’ SNR, meglio è

– Obbiettivo: amplificare il segnale, NON il rumore

* S.C. = Signal Conditioning

Esempio : acquisizione di una termocoppia

Termocoppia DAQ Signal

Accessory

Scheda DAQ

Un amplificatore in classe strumentale:

NI-PGIA

Garantisce un tempo di

assestamento bassissimo,

anche a frequenze di

campionamento elevate

0.0

20.0

40.0

60.0

0 150 300

Sampling Rate (kS/s) S

ettl

ing

Tim

e (L

SB

)

Other

NI

Altre tecniche: auto calibrazione

0.000

0.005

0.010

0 mo 6 mo 1 yr

Dri

ft E

rro

r (%

) Time

NI

Other

• Misure migliori e più stabili nel

tempo

• Riduzione dell’ effetto del drift in

temperatura dei componenti

0.000

0.018

0.035

10 25 40

Circuito di protezione dal drift in temperatura

Temperature (°C) Te

mp

erat

ure

Err

or

(%)

• Uso di reti di compensazione e componentistica di grado superiore

• Auto calibrazione basata su una sorgente a bordo precisa

• Sensore di temperatura a bordo

Tutto ciò assicura un comportamento uniforme

a standard elevati a prescindere dalla

temperatura ambiente

NI

Other

Caratterizazione del convertitore

analogico/digitale

Risoluzione di un convertitore AD

100 200 150 50 0

Time (ms)

0

1.25

5.00

2.50

3.75

6.25

7.50

8.75

10.00

Amplitude

(volts)

16-Bit Versus 3-Bit Resolution (5kHz Sine Wave)

16-bit

3-bit

000

001

010

011

100

101

110

111

| | | | |

• La dinamica di conversione può essere migliorata giocando con il range ed il guadagno

Frequenza di campionamento

• E’ la frequenza di conversione dell’ A/D (Hertz)

• Va seguito il Teorema di Nyquist

• Fcampionamento>=2*Fsegnale

Ben campionato

Aliasato per sottocampionamento

Aliasing

• Sottocampionare un segnale analogico può dar

vita all’ apparire di “frequenze fittizie” nella banda

di interesse

• Un segnale aliasato non può più essere

correttamente ricostruito

Prevenire l’ aliasing

• Incrementare la frequenza di campionamento

• Inserire un filtro passa-basso anti alias

Filtri Anti-Aliasing

• E’ un filtro analogico passa basso

• Taglia fuori le componenti a frequenze superiore che potenzialmente possono dare alias

L’ importanza del driver di misura:

Measurement and Automation Explorer

LabVIEW™

• Pannello Frontale

• Interfaccia Utente Grafica

• Indicatori e Controlli

• Diagramma a Blocchi

• Codice Sorgente

• Libreria delle “funzioni”

• Rapido sviluppo di codice

• Auto-documentante

LabVIEW Programming

• Compiled graphical programming

• Wires and icons

• Development time reduction by 4 to 10X

• Full-fledged programming environment

Dataflow Programming

Plot

Save

RMS Execute

In Parallel

• Wires pass data (nonlinear)

• Data flows from sources to sinks

• Code can execute multiple operations in parallel

Hierarchy of VIs

• Modular design

• Reusable building blocks

• Hierarchal system

Alcuni esempi di Strumenti Virtuali

• Esempio n°1

• Esempio n°2

• Esempio n°3