În figura 2.1 este prezentată schema generală a unui sistem de măsurare cu achiziții de [620366]

Capitolul 2.Achiziț ii de date
În figura 2.1 este prezentată schema generală a unui sistem de măsurare cu achiziții de
date.Componentele ce apar în prima categorie(chenar) sunt[13] :
 traductorul care transformă o mărime fizică într-o mărime electrică
 adaptorul de semnal care condiționează semnalul pr eluat de la traductor
 actuatorul care este elementul ce acționează asupra sistemului fizic studiat

Fig. 2.1 Schema generală a unui sistem de măsurare cu achiziție de date în calculator [13]
Traductorul,adaptorul de semnal si actuatorul au în comun utilizarea unor semnale
analogice.Placa de achiziție(prezentată in a doua categorie) realizeaza conversia semnalului,
din semnal analog în semnal digital dar și din semnal digital în semnal analog, pentru a fi
adaptat la sistemul de comandă al elementului de execuție.Semnalul ana logic variază
continuu în timp, iar semnalul digital are două valori: zero și unu.Placa de achizi ție se
Programe de
prelucrare a
rezultatelor Placă de
achiziție Calculator Adaptor de
semnal
Actuator Traductor
Sistemul
analizat
Rezultate

montează ca orice alta placă,într -un slot liber al calculatorului.Există posibilitatea conectarii
prin USB și prin interfață paralelă. [13]

Fig. 2.2. Structura generalǎ a unei plǎci de achiziție
Calculatorul are legături numerice directe cu instrumentele de masură sau procesul fizic
controlat, iar prelucrarea semnalelor se face în trei etape[13]
 Cuantificarea constă în afișarea valorilor achiziționate de placa de achiziție în
mod binar
 Eșantionarea reprezintă un semnal analogic continuu prezentat printr -un
ansamblu de eșantioana prezentate în figura 2.3 unde, săgețile indica valorile
retinute in memoria calculatorului în momentul declanșării
achizițtiei.Utilizatorul poate allege perioada de eșantionare în intervalul permis
de către placa de achiziție,fiind precizat numărul de semnale ce pot fi
achiziționate pe secundă .[12]

Fig. 2. 3. Eșantionarea numeric ǎ a semnalelor[12]

Interfață pentru
intrări analogice Interfată de dialog
cu utilizatorul
Calculator
Interfață pentru
ieșiri analogice Interfață pentru
intrări numerice Interfață pentru
ieșiri numer ice

 Restituirea este necesară pentru refacerea semnalului analogic pr in interlopare
între valorile eșantionate achiziționate .[12]

Prin utilizarea plăcilor de achiziție cu rezoluție mare este asigurată reprezentarea precisă
a semnalului analog,aceasta rezoluție este determinate de numărul de biți utilizați la
reprezentarea binară a semnalului analog .
Cu ajutorul ferestrelor analogice de declanșare se poate comanda achiziția de
eșantioane.Declanșarea achiziției de eșantioane poate avea loc la intrarea semnalului
analog în fereastră(fig. 2.4 a) sau la ieșire(fig. 2.4 b)[13]

Fig. 2 .4. Declanșarea achiziției la intrarea și ieșirea semnal ului analog
Prin intermediul unui multiplexor se pot citi semnalele de la mai multe canale de
măsurare,multiplexorul realizând conecțiunile pe rând,permițând utilizarea unui singur
convertor Analog -Digital pentru mai multe intrări(fig. 2.5) .
Numarul de citiri depinde de frecvența de eșantionare,valoarea maximă fiind o
caracteristică a plăcii de achiziție în timp ce valoarea efectivă se calculează.Un număr
prea mare de citiri poate du ce la un consum nejustificat de resursă de calcul iar un număr
mai mic de citiri poate duce la o reconstrucție eronată a semnalului real, recomandarea
fiind ca numărul de citiri să fie de cel puțin 10 ori mai mare decât frecvența semnalului
măsurat.O altă marime ce se poate seta este valoarea extremă a tensiunii de intrare,
precizia datelor crește dacă aceste limite sunt apropiate de limitele semnalului ce se
măsoară.[13]

Fig. 2.5. Schema unui multiplexor
În cele mai multe cazuri, tens iunea acceptată de placa de achiziție este de 20 -25V, o
valoare mai mare poate conduce la defectarea acesteia.
Orice placă de achiziție este însoțită de un driver ( program ) ce controlează legatura între
instrumentul programabil și calculator.Driverul, în a chiziția datelor, are următoarele
funcții
 intrarea/ieșirea datelor și contrului frecventei la care se realizează achiziția
 realizează legături între resursele hardware ale plăcii și ale calculatorului, dar și
legături cu alte plăci

Lanțuri de măsurare analogice și numerice

Măsurările analogice s -au dezvoltat prim ele din punct de vedere istoric.La m ăsurare a pe cale
analogică se presupune că semnalul metrologic depinde de mărime de măsurat printr -o
funcție continuă. [13]

Fig.2.6 . Lanț de măsurare analogic [13]

Lanțul de măsurare analogic din fig 2.6 are în componența sa [13]:

 senzorul, ce realizează transformare a mărimii fizice într -o mărime electrică;
 condiționerul semnalului – convertor c e transformă semnalul electric de la sensor și
îl amplifică dacă este cazul (poate asigur a și alimentarea cu energie în cazul senzorilor
pasivi )ș
 convertoare de prelucrare a semnalului.Prelucrarea are ca scop adaptarea semnalul
în vederea unei mai bunei utilizări. Se pot efectua : conversii l ogaritmice, conversie în
valoare absolută, în valoare efectivă, în valoare de vârf, sau prelucrări mai complicat e
cum ar fi : extragerea unui semnal când este însoțit de zgomote puternice;
 convertoare de ieșire, cu rolul de a prezenta informația utilizator ului

Amplitudinea mă rimii de ieșire , în general, urmăreste variația amplitudinii mărimii
măsurate.Lanțul de măsurare se consider deschis doar dacă informația este numai
citită,înregistrata și interpretată în vederea luării unor decizii ulterioare , în timp ce lanțul de
măsurare poate fi considerat închis dacă informatia este utilizată direct pentru a putea controla
mărimea măsurată.

Pentru a evita diafonia (semnalul perturbator) dintre canalele de transmisie pentru transmiterea
semnalelor la un centru de prelucrare și utilizare a informațiilor, se utilizează multiplexorul,
care cuplează pe rând canalele de măsurare la linia de transmisie. În cele mai multe cazuri poate
fi comandat de un microprocesor sau microcalculator, după un program adecv at, dar poat e fi
comandat fie de o logică cablată .O parte din componentele lanțurilor ce pot fi comune :
amplificatorul, circuitul de eșantionare și memorare etc.[12]

Utilizarea microprocesorului sau a calculatorului numeric presupune utilizarea un or
convertoare analo g-numerice sau convertoare numeric -analogice pentru trecerea de la
mărimile analogice la semnale numerice dar și invers.În acest fel se obtine un sistem de
măsurare și achiziție de date a cărui arhitectură poate fi diferită în funcție de
componentele util izate în sistemul de măsurare

Arhitectura unui lanț de măsurare numeric este cel din componența din fig. 2.7. și conț ine
o parte analogică, formată din traductor și condiționerul semnalului analogic, circuit de
eșantionare -memorare, convertorul analog -numeri c(CAN), si o parte numerică , formată
din microprocesor, afișaj numeric ,imprimantă,convertorul numeric -analog(CNA), filtru,
dispozitiv de comandă .[13]

Fig.2.7 . Lanț de măsurare numerică în buclă închisă [13]

Funcțiile microprocesoarelor și microcalculatoarelor în sistemele de măsurare
Funcțiile caracteristice folosite de microcalculatoarelor si microprocesoare sunt [12] :
 gestiunea dinamică a semnalelor provenind de la mai multe canale, după un
algoritm stabilit;
 memora rea informațiilor în scopul utilizării lor ulterioare;
 supravegherea unor parametri și declanșarea unor alarme ierarhizate sau a unor
comenzi;
 trimiterea rezultatelor pe o rețea telefonică sau informatică;
 extragerea unor semnale prin autocorelație, inter corelație, filtraje numerice;
 analiza în frecvență a semnalelor prin transformata Fourier rapidă (FFT);
 analize statistice: teste parametrice;
 domeniul de încredere, extrapolări, sinteze;
 prezentarea grafică a rezultatelor.

Functiile prezentate se pot rea liza printr -un program sau utilizând componente
numerice specializate.

Arhitectura unui sistem de măsurare cu calculator de proces

În fig. 2.8, se prezintă arhitectura unui sistem de măsurare cu calculator de proces dotat cu
interfețe de intrare și ieșire analogice.Prezența în calculator a convertoarelor analog -numerice
și numerice -analog simplifică sarcinile de conectare și programare ale multiplexorului( MUX )
și demultiplexorului( DEMUX ).

Semnalele de măsurare obținute de senzori, sunt aplicate MUX analogic care le comută pe
rând, la intrarea circuit ului de eșantionare și memorare( E&M ) și la convertorul analog -numeric
(CAN), pentru a fi convertite numeric. [13]Unitatea centrală (UC) prelucrează num eric aceste
eșantioane, conform programului implementa t în memoria de bază (HDD), unde sunt
transferate rezultatele finale. Pentru prelucrări numerice curente, este disponibi lă o memorie de
lucru (RAM) mai rapidă. Pentru comenzi și controlul proceselor, este utilizat un DEMUX care
dirijează informațiile spre utilizatorii digitali sau analogici. [13]

Pentru modificarea si implementarea programelor e prevăzută posibilitatea conectării unei
tastaturi și a unui display .Optional mai pot fi conectate: un MODEM pentru transmisii la
distanta dar și o imprimantă pentru t iparirea unor documente.Aceste tipuri de arhitecturi cu
calculator de proces sunt utilizare în procese industriale, la linii tehnologice sau de
prelucrare.În funcție de cerintele tehnice ale sistemului de măsurare,

Fig.2.8. Sisteme de măsurare și achizi ții de date cu calculator de process

Arhitectura sistemelor de măsurare formate din aparate conectate prin BUS
Când utilizăm aparate individuale ce au interfață specializată pentru calculator, se poate
realiza un sistem de cuplare prin BUS a aparatelor la calculator, astfel se pot cupla prin BUS:
osciloscoape,multimetre etc.

Fig.2.9 . Sistem de măsurare și ac hiziții de date cu calculator și aparate cu
interfețe standard IEEE 488 [12]

Arhitectura sistemelor de măsurare cu microprocesoare
O alt ă structură a unui sistem de măsurare și achiziție de date este utilizarea
microprocesoarelor ( μP). Aici se regăsesc convertoa rele CAN și CAN, MUX, DEMUX,
diferența fiind funcțiile corespunzătoare realizate în gen eral de circuite specializate, nu
de catre însuși microprocessor. Microprocesorul este compus și cu circuitele uzuale,
cum ar fi:
 I/O – interfa ță de intrare/ ieșire;
 ROM – memoria implementată cu program;
 RAM –memorie de lucru și de stocare intermediară;
 TIMER – timp pentru derularea operațiilor.

Display -ul, tastatura și imprimanta sunt prezente fie la cerere, fi e numai la punerea în
funcțiun e sau tot timpul. MODEM -ul si memoria externă figurează d oar dacă este
necesar.

Fig. 2.10. Sistem de măsurare și achiziție de date cu microprocesor

Microprocesoare le specializate încorporează, în acelasi timp , CAN, circuit ul de E&M și
uneori chiar și MUX.( microcontrolere )
Inconvenintul acestei arhitecturi este că din cauza că E&M se află in aval de MUX nu
este posibila măsurarea simultană a mai multor mărim,viteza de masurare fiind destul
de redusa daca numărul de canale creste .[13]
2.1.Arhitectura unor sisteme de măsurare specializate

a.Sisteme de măsurare pentru achiziția sincronă a mai multor semnale

Pentru a aceste inconveniente, la intrarea pe MUX se pot plasa cate un circuit E&M pe
fiecare canal.CAN și citirea se poate face atunci la momente diferite (fig 2.11).

Fig.2.11. Sistem de măsurare și achiziție de date pentru măsurări sincrone

În acest fel, dupa achiziția simultană a mărimilo, conectarea circuitelor va fi realizată
succesiv.Trebuie avut in vedere eroarea suplimentară datorată degradării in timp a ultimelor
eșantioane convertite.Pentru ca eroarea să fie în limitele impuse, timpul de conversie trebuie
sa fie coresunzator de scurt .[12]

b.Sisteme de măsurare pentru mărimi rapid variabile
Atunci când fenomenele studiate variază rapid, utilizarea unui singur CAN nu mai dă
satisfactie, fiind necesară utilizarea mai multor CAN paralele pe același canal. Toate CAN –
urile sunt precedate de un circuit E&H.(fig 2.12)

Fig. 2.12. Sistem de măsurare și achiziție de da te pentru fenomene rapide

Ieșirile numerice ale CAN sunt multiplexate prin tr-un MUX numeric. Acesta funcționează
ca și cel ana logic,permitând conectarea unui cuvânt de x biți de la o intrare, la ieșirea
comună, car e posedă același număr de biți. În fig. 2.12, distingem trei intră ri ale MUX,
pe fiecare intrare fiind un cuvânt de 12 biți, iar la ieșirea având tot 12 biți . Cu toate că
montajul e ste mai scump, se poate demonstra c ă viteza de achiziție este multiplicată cu
numărul de canale, dacă acestea se eșantionează secvențial. [12]

c.Sisteme de măsurare pentru sisteme aflate la distanță
Transmiterea semnalelor la distanțe mari poate fi afectate de zgomote, în acest caz
folosindu -se CAN locala, transmițându -se la distanță semnale numeri ce, mult mai puțin
afectate de zgomote decât semnalele analogice. Solutia: cu sc ăderea prețului
componente lor, semnalul optic este practic imun la zgomote (fig 2.13) [13]

Fig. 2.13 Sisteme de măsurare cu transmisia la distanță a semnalelor

Arhitectura sistemelor numerice de măsurare poate fi foarte diferită, în funcție de
mărimile măsurate, de viteza lor de variație, de numărul de canale de mă surare, de tehnica
de calcul disponibilă, de precizia de măsurare cerută și, nu în ultimul rând, de prețul de
cost al componentelor utilizate.Prin urmare, a rhitectura sistemelor numerice de măsurare
poate fi foarte d iferită , în funcție de prețul de c ost al componentelor utilizate, numărul de
canale măsurate, mărimile măsurate etc. [13]
2.2.Conversia analog – numerică și numeric – analogică
2.3.Principalele caracteristici ale convertorului numeric – analog

a) Rezoluția
Rezolu ția se definește :
n21
(2.1)
unde ,
n – numărul de biți

nrefUq2 (2.2)

b) Precizia
Reprezinta raporul dintre abaterea maximă a valorii citite față de valoarea adevărata și
amplitudinea gamei de măasurare, tinându -se cont de erorile prezentate mai jos.

c) Eroarea de de offset

Eroarea de offset c aracterizează diferența înt re tensiunea nulă și tensiunea de ieșire reală,
putând fi, de obicei, reglată la zero cu circu ite de corecție a offsetului.Eroarea de offset este
exprimată în procente din scală sau fracțiuni de cuantă. [13]

d) Eroarea de amplificare

Reprezintă diferența dintre valoarea citită și cea ideală la cap de scară, eroarea inițială de offset
fiind nulă. Eroarea de offset se exprimă în procente din scală (FS). [12]

e) Eroarea de liniaritate
Eroarea de liniaritate este diferența maximă εM între curba reală și dreapta ideală. Ea se poate
exprima în procente din scală sau în fracțiuni de cuantă. [12]

Fig.2.14. Eroarea de amplificare Fig.2.15 Eroare de liniaritate
f) Eroarea de liniaritate diferențială

Trecerea de la un cod la alt cod adiacent iar mai apoi la un CAN ideal produce o variație de
cuantă la ieșire . Variația poate fi diferită pentru un CAN ideal și poate avea valoarea V.
Eroarea de neliniaritate diferențială se poate reprezenta astfel :

qVd
(2.3)

g) Monotonia

Creșterea monotonă a tensiunii la ieșirile U0 poate fi atrasă de creșterea monotonă a codului
N, iar in caz contrar, datorită neliniarității diferențiale avem eroare de monotonie.

h) Timpul de stabilire

Timpul de stabilire este necesar pentru ca tensiunea de ieșire să atingă valoarea finală cu
eroare impusă ε,pentru o variatie a codului N. De cele mai multe ori se consider variația
codului numeric la intrare de la 0 la valoarea maximă.

Fig. 2.16. Monotonia CAN Fig.2.17. Definirea timpului de stabilire

i) Cadența conversiilor (rata conversiilor)

Reprezintă numărul de conversii per secundă, respectându -se specificațiile.

j) Mărimi de influență

Temperatura, printr -un coeficient de temperatură( ppm/ °C)
Deriva, datorată îmbătrânirii componentelor
Cea mai afectată, eroarea de amplificare fiind exprimată în ppm/6 luni – 1 an. [10]

3.3.1 .Alegerea CAN pentru sistemele de măsurare

Alegerea CAN se face în funcție de cerințele de viteză și precizie.In primul rând se alege
rezoluția(numărul de biți) dupa care viteza, liniaritatea etc
La CAN de mare rezoluție se impugn următoarele reguli de montare[9]:
– separarea masei analogice a semnalului de masă digitală;
– pentru a micșora efectele c apacitive, scurtarea conexiunii între ieșirea CNA și
amplificator;
– decuplarea cât mai aproape de CNA a celor două alimentări;
.

Criteriile de alegere ale CNA pentru diferite aplicații sunt, în deosebi , legate de
performanțele impuse de aplicați e, de cost si de unde trebuie folosit [13].

 cel mai important criteriu este legat de rezoluție îi îl constituie numărul de biți
al semnalului numeric ce trebuie convertit
 alt criteriu important este viteza conversiei , care impune rata conversiilor.
 un alt criteriu îl reprezintă exactitatea , legată de erori menționate anterior ș i de
mărimea acestora
 criteriul de fiabilitate trebuie avut în vedere pentru a obține funcționare cerută
în siguranța

2.4.Princip alele caracteristici ale unui convertor analog – numeric

Multe caracteristici sunt def inite în mod identic ca cele ale CNA : rezoluția, precizia,
erorile de decalaj, de amplificare, de liniaritate, viteza con versiei, mărimile de influență.
Celelalte caracteristici ale CAN vor fi descrise în continuare.

a) Eroarea de histerezis

Acest tip de eroare provine de la comparator și ea nu trebuie să depășească ±q/2 ( q reprezinta
cuanta de numerizare). [13]

b) Eroarea de cuantificare

Caracteristica de transfer a CAN este o funcție în trepte de scară. Cuantificarea introduce o
eroare sistematică c e poate fi decalată sau centrată.

Fig. 2.18. Caracteristica de transfer (a) și cuantificarea semnalului la ieșire (b)

În cazul unui semnal analogic U x,, eroarea de cuantificare va fi :
Ux =U0 (t)−Ui (t) (3.4)

Această eroare de cuantificare este considerată ca un zgomot dinamic s uprapus cu semnalul.
Valoarea efectivă la eroarea centrată este egală cu:
122q iar la eroarea decalată
32q .

Fig. 2.19 . Erorile de cuantificare

La un semnal sinusoidal, zgomot va avea alura din f ig. 2.19.Eroarea de cuantificare este
reprezentată ca fiind valoarea pătratică medie datorată semnalului de eroare în funcție de
timp.

Fig. 2.20. Zgomotul de cuantificare la un semnal sinusoidal

16

c)Coduri lipsă

Atunci când eroarea diferențială de liniaritate este superioară unui LSB apare un răsunps
nemonoton, acest tip de eroare este datorat codurilor lipsă.

d) Rejecția semnalelor parazite
Acestea pot afecta foarte mult precizia măsurătorilor si se pot distinge doua tipuri de zgomote:
 serie (sursă de zgomot în serie cu semnal util)
 comun e

3.4.1.Alegerea CAN pentru sistemele de măsurare

Principalele criterii după care se aleg CAN pentr u diferite aplicații sunt [13] :

 timpul de conversie ;
 precizia de conversie (legată de erori menționate anterior și de mărimea acestora )
 rejecția zgomotelor.

17
Exemple de plăci de achiziț ie de la firma NATIONAL INSTRUMENTS:

Fig. 2.21. Plac ă de
achizitie NI USB –
6008
Număr de canale 16, 8
Canale cu un singur terminal (măsurare
fața de zero) 16
Canale diferențiale 8
Rezoluție 16 biți
Număr de canale 12
Canale cu un singur terminal (măsurare
fața de zero) 16
Canale diferențiale 8
Rezoluție 16 biți
Rata de eșantionare 400 kS/s
Tensiune maximă 10 V
Plaja maxima de tensiune -10V +10V
Precizia de măsurare a tensiunii pentru
întreaga plaje de tensiune 2.71 mV
Sensibilitate pentru întreaga plaje de
tensiune 118 µV
Plaja minimă de tensiune –
Memorie 4095 eșantioane

18
Rata de eșantionare 400 kS/s
Tensiune maximă 11 V
Plaja maxima de tensiune -10V +10V
Precizia de măsurare a tensiunii pentru
întreaga plaje de tensiune 2.71 mV
Sensibilitate pentru întreaga plaje de
tensiune 118 µV
Plaja minimă de tensiune –
Memorie 4095 eșantioane

Fig. 2.22. Plac ă de achizi ție NI USB -6361

Alte tipuri de pl ăci :

Fig. 2.23. Plac ă de achizitie NI 9205 Module with 1 -slot CompactDAQ Chassis

19

Fig. 2.24. Plac ă de achizitie NI 9219 Module with 1 -slot NI CompactDAQ Chassis

Fig. 2.25. Plac ă de achizitie NI cFP -AI-100

20

Fig. 2.26. Plac ă de achizitie NI 9214 Measurement System
O placă de achiziție făra software ar fi complet inutilă ș i foarte greu de progr amat si configurat.
Pachetul so ftware utilizat î n acest scop este LabVIEW, creat de National Instruments
(www.ni.com). Acest mediu de dezvolt are utilizat pentru instrumentația virtuală, reprezintă
pachetul sofware lider mondial în aplicații de instrumentaț ie și achiziț ii de date [11].

Fig. 2.27. Schema genera lă de comunicare a programului LabVIEW pri n pachetul de drivere NI –
DAQMX.

Mediul LabVIEW oferă un limbaj g rafic de programare (limbaj G) ș i toate uneltele
necesare pentru achiziț ia, citirea, prelucrarea, stocarea și afiș area datelor. Cu La bVIEW,

21
programatorul proiectează virtual foarte repe de interfaț a cu utilizatorul (GUI) si asamblează
grafic soluția, după propriile necesitați. LabVIEW accelerează obținerea soluț iei cu un factor
de cel putin 4 sau 10 ori, față de mediile tradiț ionale de programa re. Limbajul grafic de
programa re a evoluat de la o alternativă î n programare la un standard industrial [11].

Fig. 2.28 . Exemple de interfete utilizator realizate cu ajutorul programului LabVIEW

22