Vzorčenje analognega signala - Frekvenca vzorčenja ali stopnja vzorčenja je število analognih vzorcev, vzetih iz signala, ki ga pošlje senzor sistema za vbrizgavanje ali katerega koli drugega sistema, ki bo kasneje pretvorjen v enega ali več digitalnih signale, to je, da jih interpretira in manipulira s procesorjem, in višja kot je stopnja vzorčenja, boljši je približek začetnega vala. Po pretvorbi v obliki "digitalnih" številk se te shranijo v istem vrstnem redu, kot so bile zbrane, tako da jih procesor lahko pravilno prebere, kar se nanaša na hitrost, s katero se ti vzorci digitalno obdelajo.
ŠTEVILO BITOV NA VZOREC
Niz bitov tvori več variant, to pomeni, da 8 bitov tvori 1 bajt. Od tu so bili oblikovani večji nizi bitov, ki so spreminjali hitrost vzorčenja, da je vsak delček informacije lažje berljiv.
Za vsak vzorec digitalnega signala je treba njegovo amplitudo razdeliti na več nivojev. Ta delitev se bo razlikovala glede na količino bitov, ki bodo uporabljeni v vsaki vzorčni vrednosti. Večje kot je število nivojev na bit, večja je njegova zvestoba analognemu signalu, vendar je zaradi tega pomnilnik za shranjevanje bolj preobremenjen.
Ti vzorci so numerično predstavljeni v digitalni obliki, ki je sestavljena iz kode, imenovane binarna koda, v kateri so števila predstavljena z zaporedjem bitov. Torej, več bitov je uporabljenih, večja je natančnost ali ločljivost postopka vzorčenja.
BITI PROTI DECIMALNI VREDNOSTI
Omeniti velja, da mora decimalno število, predstavljeno v dvojiški obliki, upoštevati naslednje pravilo:
• 01 Bit lahko prevzame 02 logične ali digitalne ravni;
• 02 Biti lahko prevzamejo 04 logične ali digitalne ravni;
• 03 Biti lahko prevzamejo 08 logičnih ali digitalnih ravni;
• 04 Biti lahko prevzamejo 16 logičnih ali digitalnih ravni;
• 08 bitov lahko prevzame 256 logičnih ali digitalnih ravni.
Na ta način predstavimo analogni val, ki ga pošlje senzor v ECU, in že z njegovimi ustreznimi vzorci.
Upoštevajte, da so necele vrednosti, to je z mesti za vejico, podvržene postopku, imenovanemu kvantizacija, ki je opisan spodaj, vendar so na kratko "zaokrožene", da olajšajo digitalizacijo podatkov.
Nazadnje je treba decimalne vrednosti pretvoriti v binarne in za to je treba določiti, koliko bitov je potrebnih za izvedbo predstavitve. Če vemo, da je največja navpična lestvica 255 V, lahko sklepamo, da je za predstavitev vrednosti potrebnih 8 bitov.
Za napetost 179,3 V je po postopku kvantizacije ugotovljeno, da je 179 V.
Ne pozabite, da: dano število s potenco pomeni isto število, pomnoženo s samim seboj, s številom, določenim v potenci. Na primer:
2^3=2 x 2 x 2=8
2^5=2 x 2 x 2 x 2 x 2=32
OPOZORILO: Razen ko naletimo na:
20=1
V tem primeru citiramo matematično ugotovitev, ki jo je mogoče celo dokazati, ni pa nujno.
Pretvorbe binarnih, decimalnih in drugih osnov izvajajo in bi jih morali izvajati kalkulatorji. Spodnji primer je preprosta razlaga, kako se vse to zgodi.
Demo: AD pretvornik pri sprejemu analognih signalov le-te pretvori v digitalne signale, v tem primeru 8-bitne. Ampak kako?
178 è 1011 0010
Začenši od prvega bita na desni:
(20 x 0) + (21 x 1) + (22 x 0) + (23 x 0)
+
(24 x 1) + (25 x 1) + (26 x 0) + (27 x 1)
Izpit iz matematike:
2 + 16 + 32 + 128=178
To pomeni, da z zgornjim primerom dokazujemo pomen pravokotnih valov in kako jih dekodirati, bodisi s posebno programsko opremo ali celo miselno, kar zahteva leta prakse, vendar je mogoče.
Z zgornjimi razlagami sklepamo, da je mogoče kateri koli analogni signal pretvoriti v digitalni in tudi v druge vrste baz, kot je šestnajstiško, da bi olajšali razumevanje mikroprocesorjem in pomnilnikom ECU.
Vendar je trditev, da so vsi kvadratni signali digitalni, napačna in je v nasprotju s posvetnimi teorijami.
Idealni kvadratni val ima takojšen prehod med visokimi in nizkimi nivoji.
V praksi se to nikoli ne doseže zaradi fizičnih omejitev sistema, ki generira valovno obliko.
Čas, ki je potreben, da signal preide iz spodnje ravni na zgornjo raven, se imenuje čas vzpona, čas, potreben, da se signal vrne na nižjo raven, pa se imenuje čas padca).
ČAS VZPON IN PADEC
Kvadratni val s časom vzpona in padca – čas, daljši od 10 ns, ni digitalni signal, saj obstaja kontinuiteta med visokimi in nizkimi ravnmi. Treba je omeniti, da elektroenergetski sistemi ne uporabljajo logičnih ali digitalnih signalov. Zato signal PWM, ki napaja telo metulja, segrevanje lambda sonde, poleg signalov, ki jih pošilja senzor MAP, na podlagi Nyquistovih in Shanomovih teoremov, nikoli ne bo digitalen, saj jih pošiljajo analogne komponente, ki ponavadi popačijo vašo digitalno linearnost.
Širina impulza ali Pulse - Width je merilo trajanja impulza in je pogosto definirana kot časovni interval med 50-odstotnimi točkami naraščajočega in padajočega roba.
HITROST VZORČENJA
Vzorci se merijo v fiksnih intervalih. Število opravljenih vzorčenj na časovno enoto je stopnja vzorčenja, ki se običajno meri v Hertzih, enoti frekvence. Višja kot je stopnja vzorčenja, natančnejša je reprodukcija signala. Vendar pa je bistveno, da poleg uporabe več prostora za shranjevanje teh vrednosti izvedete več meritev.
Da bi lahko predstavili signal, ki ga ECU razume, ga je treba pretvoriti v binarne številske vrednosti, saj sistem deluje samo s takimi informacijami. Gre za manipulacijo majhnih vzorcev podatkov, hitro in v natančnih časovnih intervalih. To dejanje se imenuje vzorčenje ali digitalizacija signala. Časovni interval med dvema vzorcema se imenuje hitrost vzorčenja.
Opazimo, da gre za graf zveznega časa v času, to je z neskončnimi točkami (glej prejšnjo izdajo). Torej je analogni signal.
A/D PRETVORNIK
A/D pretvornik pretvori analogni signal, zvezen v času, v vzorčen signal, diskreten v času, kvantiziran v končno število celih vrednosti, ki jih določa karakteristična ločljivost pretvornika v bitih (8, 10, 12, 16 itd.). Na primer, v 8-bitnem pretvorniku je vhodni signal vzorčen z vrednostmi med 0 in 255.
Vezje AD ima analogne signalne vhode, ki običajno določajo obseg napetosti za pretvorbo. Na primer, če vezje pretvarja signale v območju od 0 do 5 voltov, moramo paziti, da uporabljeni senzor (ali analogni vir informacij) deluje v tem območju.
Operacijski ojačevalnik ima lahko svoje ojačanje programirano za prav to. Izhodi so nato sestavljeni iz 16 pinov, v katerih so pridobljeni logični nivoji 0 ali 1, odvisno od vhodne napetosti.
Za večino vrst A/D pretvornikov na trgu so ti izhodi združljivi s tehnologijo TTL (visoka raven s 5 V in nizka raven z 0 V). Upoštevajoč, da se TTL tehnologija vse manj uporablja in se umika CMOS tehnologiji, eden od razlogov pa je hitrost delovanja in manjša poraba energije.
Signal, ki ga pretvori A/D pretvornik, se težko prilega neposredno območju vhodne napetosti pretvornika. Za to ga je treba pravilno transformirati s kvantizacijo, ki jo bomo razumeli v naslednji temi. Na splošno je vhodna napetost A/D pretvornika definirana kot napajalna napetost pretvornika (na primer + 5 ali 3,3 V). Za izvedbo te prilagoditve je pogosto potrebno izvesti kondicioniranje signala, običajno s pomočjo pasivnih ali aktivnih analognih vezij.
Po kondicioniranju signala je na vhodu A/D pretvornika element, ki izvaja periodično vzorčenje analognega signala in ga ohranja stabilnega, dokler ga pretvornik sam ne pretvori v digitalno kodo. To je vezje Sample & Hold. Ilustrativno vezje S/H (vzorčenje in zadrževanje).
Koncept Sample & Hold se skrči na zamrznitev napetosti za določen čas, dokler kvantizator nima časa za merjenje vzorčnih napetosti.
AMPAK KAJ JE KVANTIZACIJA?
Pri digitalni obdelavi signala se transformacija vzorcev analognega signala v celoštevilsko predstavitev imenuje kvantizacija, to delo pa opravljajo A/D pretvorniki. Na primer, dejanski signal, ki ustreza 4,96 V, je treba kvantizirati in prevzeti njegovo najbližjo celoštevilsko vrednost, to je 5 V. Tak postopek olajša prihodnje pretvorbe in interpretacije.
DIGITALNI OSCILOSKOPI
Osciloskop je analitični instrument, ki je vedno bolj potreben v avtomobilskem sektorju, saj omogoča grafični prikaz električnih signalov in njihovih variacij v frekvenci in amplitudi v časovni domeni (analiza spremenljivih valov glede na časovni prostor prikazana na vodoravni osi) in celo v frekvenčni domeni (kjer na vodoravni osi obravnavamo valovne oblike na frekvenčni lestvici). Omeniti velja, da šumi niso nič drugega kot prisotnost neurejenih komponent v sinusni in analogni obliki, ki jih ustvarjajo dejavniki, ki povzročajo motnje, katerih amplitude in frekvence so naključne.
Princip delovanja digitalnih osciloskopov - Nekateri procesni bloki, ki sestavljajo digitalni osciloskop, so popolnoma enaki tistim, ki obstajajo v analognih osciloskopih. Vendar imajo digitalni osciloskopi dodatne sisteme za preverjanje skladnosti obdelanih podatkov. Pri tem analogne signale, preden na vaš zaslon pošljejo kakršno koli grafično informacijo, pretvorijo v digitalne in jih šele nato izrišejo na zaslon opreme. Sistem časovne osi določa frekvenco, pri kateri analogno/digitalni pretvornik pridobi in pretvori vzorec ali merilno točko signala – in temu pravimo frekvenca vzorčenja.
Zato je en vzorec shranjen v pomnilniku kot sestavna točka valovne oblike signala. Vzorec je sestavljen iz več binarnih števk (0100 1101) in ima lahko poljubno dolžino, saj je ta lastnost odvisna od števila bitov. Niz vzorcev, ki predstavljajo valovno obliko, se imenuje zapis. Nekateri sistemi določijo začetek in konec tega zapisa tako, da definirajo število vzorcev, ki ni nič drugega kot dolžina zapisa. Ko se ta zapis shrani v pomnilnik, se pošlje na zaslon osciloskopa. Točka valovne oblike je lahko sestavljena iz več kot enega vzorca. Število vzorcev, ki pripadajo valovni obliki, je med seboj oddaljenih, njihove razdalje pa označujejo dolžino zapisa, poleg tega pa sinhronizacijski sistem določi začetek in konec tega zapisa. Ko je ta zapis shranjen v pomnilniku, se pošlje na zaslon osciloskopa. Odvisno od zmogljivosti daljnogleda lahko pride do dodatne obdelave vzorcev, kar vodi do izboljšave slike na zaslonu.
Sinhronizacijski sistem določi začetek in konec tega zapisa ter definira število vzorcev, imenovanih dolžina zapisa. Število točk v valovni obliki povzroči dolžino zapisa. Odvisno od funkcionalnih zmogljivosti uporabljenega osciloskopa je možna natančnejša obdelava vzorcev, ki vodi do boljše analize dobljenih grafov. Kot lahko vidite, se v vsakem ciklu zajemanja shrani nekaj informacij o signalu. Po nekaj zajemalnih ciklih je mogoče signal v celoti (re)konstruirati in oblikovati. Signal je torej integriran "malo in previdno".
Pomembne lastnosti pri izbiri osciloskopa - Pomembno je, da se zavedamo lastnosti osciloskopa, ki najbolj vplivajo na odločitev o nakupu. Ker gre za opremo, ki se ukvarja z digitalnimi signali, mora izbira vsake od značilnosti upoštevati njeno uporabo, potrebe aplikacij, ki jih nameravamo uporabiti, in razmerje med stroški in koristmi. Te značilnosti so:
Bandwidth - Specifikacija pasovne širine nam pove največjo frekvenco signalov, ki jih želimo analizirati. Pasovna širina se lahko razlikuje od reda 10 MHz do 1 GHz. Naj bo jasno, da mislimo na avtomobilsko področje, vendar že obstaja oprema, ki dosega pretiranih 77 GHz, za raziskave in razvoj.
Ko se frekvenca signala poveča, se odzivnost osciloskopa zmanjša. Po dogovoru ima v digitalnem osciloskopu vsak kanal največji frekvenčni pas, ki mu je na voljo, na primer pri osciloskopu s 04 kanali, če uporabimo samo en kanal, bomo imeli vso pasovno širino namenjeno zanj, če pa uporabimo 02 kanalov bomo imeli 20 % pasovne širine za uporabo na vsakem kanalu. Pri uporabi kanalov 03 bo učinkovitost kanalov padla na približno 7,5 % in nazadnje bo pri uporabi kanalov 04 učinkovitost padla na 5 % pasovne širine na kanal. Z drugimi besedami, uporaba štirih kanalov osciloskopa pri 40 MHz pomeni učinkovitost samo 2 MHz na kanal, kar pomeni, da bi merjenje omrežja Flexray pri 10 MHz povzročilo harmonična popačenja, kar bi povzročilo lažna dokončna poročila, v katerih edina pomanjkljivost bi bila, da, nezadostno število harmonikov za izris.
Navpična občutljivost - Navpična občutljivost označuje moč ojačanja navpičnega nadzora. Ta količina je običajno izražena v napetosti/delku. Najnižja napetost, ki jo tipičen osciloskop lahko zazna, je običajno reda mV/Div, vendar je v novi opremi, zasnovani za preverjanje tiskanih vezij, mogoče najti manjše količine na delitev, kot je µV/Div ali celo nV/Div.
Sweep Speed - Za analogne osciloskope ta parameter določa, kako hitro se sled premika od leve proti desni na zaslonu, kar omogoča upoštevanje podrobnosti. Najvišja hitrost premikanja osciloskopa je običajno izražena v ηs/Div. Vrednost te količine označuje natančnost navpičnega sistema pri meritvah.
HORIZONTALNA NATANČNOST SISTEMA
Vrednost te količine označuje natančnost horizontalnega sistema pri izvajanju meritev v časovni domeni. Izražena je tudi kot relativna negotovost, izražena kot odstotni indeksi.
Sample Rate - V digitalnih osciloskopih frekvenca vzorčenja označuje, koliko vzorcev je pridobljenih na sekundo. Največja frekvenca vzorčenja osciloskopa je običajno izražena v mega vzorcih na sekundo (MS/s) ali »mega vzorcih na sekundo«. Višja kot je največja frekvenca vzorčenja osciloskopa, bolj natančno predstavlja podrobnosti hitro spreminjajočega se signala. Nekateri strokovnjaki pa zaradi pomanjkanja znanja nabavijo osciloskope, pri katerih je pasovna širina neskončno večja od same hitrosti vzorčenja, kar v veliki večini vodi do meroslovnih napak, ki ostanejo neopažene. Na primer, osciloskop s pasovno širino, ki je enaka 60 MHz in hitrostjo vzorčenja 128 KS/s, pri branju visokofrekvenčnega sinusnega valovanja zaradi razmika vzorca kaže nenavadno interpolacijo in povzroča vprašanja strokovnjaku za popravila.
OPOMBA: Interpolacija pomeni linearno povezavo med različnimi digitalnimi vzorci.
Navpična ali analogno/digitalna ločljivost pretvornika - ta parameter digitalnega osciloskopa predstavlja ločljivost A/D pretvornika v bitih, ki določa kakovost, s katero se (analogni) signali pretvorijo v digitalne vrednosti. Vrednost te količine vpliva na natančnost merjenja napetosti. Za izboljšanje učinkovite ločljivosti je mogoče uporabiti tehnike izračuna.
Metode vzorčenja - Vzorčenje v realnem času: Metoda vzorčenja definira, kako digitalni osciloskop pridobi vzorce. Za počasi spremenljive (nizkofrekvenčne) signale osciloskopu ni težko pridobiti dovolj vzorcev za izdelavo kakovostne slike. Vendar pa pri hitro spreminjajočih se (visokofrekvenčnih) signalih in glede na največjo frekvenco vzorčenja posameznega osciloskopa osciloskop morda ne bo pridobil zadostnega števila vzorcev. Nato je mogoče razlikovati med naslednjimi metodami vzorčenja:
Vzorčenje v realnem času: Osciloskop pridobi nekaj vzorcev v enem samem ciklu zajemanja, nato pa lahko uporabite interpolacijo za boljšo sestavo slike. Interpolacija je tehnika obdelave, ki omogoča ocenjevanje valovne oblike na podlagi samo nekaj točk (s polinomsko aproksimacijo). V tem načinu vzorčenja osciloskop pridobi čim več vzorcev. Ta način vzorčenja je priporočljiv za prehodne signale, bodisi zaradi šuma in hitrih sprememb napetosti.
Najenostavnejša oblika interpolacije je linearna interpolacija. To preprosto poveže točke z ravnimi črtami. Ta metoda dobro deluje pri impulzih in digitalnih signalih, vendar lahko povzroči popačenje sinusnih signalov.
Sinusna interpolacija medsebojno poveže točke vzorčenja preko krivulj (delov sinusoide), kar je idealno za vizualizacijo krivoliničnih signalov, ta metoda proizvaja premajhno in prekomerno dušenje signalov, ko se pojavijo signalni impulzi.
Overshoot: To je pozitiven hiter prehod (trenutna sprememba) v elektronskem signalu ali matematični funkciji, to je variacija amplitude glede na enakomerno stanje valovne oblike.
Undershoot: To je negativen hiter prehod (trenutna variacija) v elektronskem signalu ali matematični funkciji, to je variacija amplitude glede na enakomerno stanje valovne oblike.
ZAKLJUČEK
Tolmačenje digitalnih znakov presega tiskane in digitalizirane materiale. Njegovo popolno učinkovitost je mogoče dokazati le z uporabo osciloskopov, saj gre za analizo podatkov in ne za merjenje določene vrednosti. Pri dekodiranju ne gre samo za tisto, o čemer smo razpravljali v zadnjih dveh izdajah, vendar se nameravam v prihodnjih objavah vrniti k komentiranju neštetih drugih vidikov digitalizacije signala, vedno z namenom prenosa znanja umom, željnim nenehnega učenja, v poleg dokazovanja, da ni nobene kompleksnosti ob ustrezni metodologiji poučevanja in želji ljudi po novem znanju.
Velik objem.
