National Instruments Italy Lutilizzo della Strumentazione Virtuale per

National Instruments Italy L’utilizzo della Strumentazione Virtuale per le Misure Industriali

Agenda • Introduzione alla strumentazione Virtuale • Elementi di una catena di misura • Dimostrazione di Lab. VIEW • Esercitazioni e supporti

National Instruments Italy • 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 ISO 9002 Certified

Computer-Based Instruments

Strumento standard vs strumento virtuale RO M µP AY PL D OL DIS ANNTR CO A/D PR RY ES SO R O P 88 n Co RT 4 BU Te mp DISPLAY AND CONTROL era ture w Co ntr Pre ss u re ol Pa TI /O ne l Ala rm Co E OC itio n s OP D/ A • • • Mat µP h MEMORY ing ROM • Register-mapped I/O • Limitate capacità di espansione • Funzionalità fisse • Interfaccia esterna S BU PR Tim nd ST OR SS Flo ing µP D A/ S O DI/ nd O itio TI/ nin g Co ing ion dit O EM M OC Tim D/A th MaµP Memory mapped I/O Processamento Dati Veloce Connessione Internet/intranet Online data logging/trending Online report generation Memoria Espandibile 488 RT PO /O DI

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 Sorgente di Segnale Multimetri Matrici

Strumenti su scheda • Alta risoluzione (8 -24 bit) • Trasferimento dati ad alta Velocita’ (AT CPCI/PXI) • Fino a 100 MS/sec • Soluzioni: – DMMs – Oscilloscopi – Analizzatori di spettro – Frequenzimetri – RF Analyzer (2. 7 GHz) • Sofisticati sistemi di Triggering e Sincronizzazioni tra diversi dispositivi

Una soluzione: Il PC Strumento! Oscilloscopio Gen. di Funzioni Matrice Multimetro

Sistemi di Misura e Controllo Software Applicativo Hardware & Driver Software GPIB Serial DAQ VXI Image Acquisition Motion Control Unita’ sotto test PXI

Componenti della Misura Segnali Sensori Condizionamento Digitalizzazione Computer Termocoppie RTD Termistore Strain Gauge Pressioni Carichi Tensioni Correnti Digitali Amplificazione Attenuazione Isolamento Filtraggio Multiplexing Eccitazione SSH F-to-V Bridge Comp. Frequenza Risoluzione Analisi Presentazione Distribuzione

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 42 Volts – Da 8 a 32 I/O digitali TTL – 2 Contatori/Temporizzatori

Tecnologie presenti in una scheda DAQ

Schema a blocchi di una scheda DAQ Multiplexer Amplificatore Convertitore Analogico/Digitale MUX NI-PGIA Bus di sinconizzazio ne Analog Input Analog Output Digital I/O Counter I/O NI MITE NI DAQSTC ADC

Multiplexers ADC < Scopo: incrementare il numero dei canali

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 T/H No Phase Shift < 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 )

Noise + Quantization Error (LSB) Tecniche per il miglioramento della risoluzione Without NI Number of Averaged • Dithering (12 -bit only) Samples • Noise-rejecting op-amps • Carefully designed (Gaussian) noise floor

Dithering 12 -bit Without Dithering 9 1 bit (4. 8 m. V for 12 -bit board with +/- 10 V input range) Actual Signal 0 Weighted Average = 4. 8 m. V Actual Signal = 3. 3 m. V

Dithering 6 1 bit (4. 8 m. V for 12 -bit board with +/- 10 V input range) Dithering Applied 3 Weighted Average = 4. 8 m. V Actual Signal = 3. 3 m. V Dithered Weighted Average = 3. 2 m. V

Tecniche di miglioramento del rapporto segnale rumore Range & Guadagno

Range – La risoluzione dell’ A/D è distribuita all’ interno del range di acquisizione • Massima Risoluzione = Range Corretto Range = -10 to +10 volts 10. 00 7. 50 5. 00 2. 50 Amplitude 0 (volts) -2. 50 -5. 00 -7. 50 -10. 00 | (5 k. Hz Sine Wave) 111 110 3 -bit resolution 101 100 011 010 001 000 | 50 | 100 Time (ms) | 150 | 200

Condizionamento: amplificazione Amplifier Ottimizza la risoluzione nel range di misura scelto 16 -bit Digitizer 10 m. V signal Solo 32 livelli di risoluzione! 16 -bit Digitizer 10 V signal Range +/-10 Volts 65, 536 livelli di risoluzione

Condizionamento: amplificazione Amplifier Migliora il rapporto segnale/rumore (SNR) Rumore Amplificatore differenziale di classe strumentale + _ Segnale di basso livello Cavi Amplificato re esterno ADC Scheda DAQ

Esempio di amplificazione • Segnale d’ ingresso = 0 - 5 Volts • ADC Range = 0 - 10 Volts • Settaggio del guadagno dell’ amplificatore = 2 Different Gains for 16 -bit Resolution 10. 00 8. 75 7. 50 6. 25 Amplitude 5. 00 (volts) 3. 75 2. 50 1. 25 0| 0 (5 k. Hz Sine Wave) Amplified Signal Gain = 2 Your Signal Gain = 1 | 50 | 100 Time (ms) | 150 | 200

Signal to Noise Ratio (SNR) – Maggiore è l’ SNR, meglio è – Obbiettivo: amplificare il segnale, NON il rumore Signal Voltage S. C. * Noise in DAQ Board Digitized SNR Amplification Lead Wires Amplification Voltage Amplify only at DAQ Board . 01 V None . 001 V x 100 1. 1 V Amplify at S. C. * and DAQ Board . 01 V x 10 . 001 V x 10 1. 01 V 100 Amplify only at S. C. * . 01 V x 100 . 001 V None 1. 001 V 1000 * S. C. = Signal Conditioning 10

Esempio : acquisizione di una termocoppia DAQ Signal Accessory Scheda DAQ Termocoppia

Settling Time (LSB) Un amplificatore in classe strumentale: NI-PGIA Garantisce un tempo di assestamento bassissimo, anche a frequenze di campionamento elevate Other NI Sampling Rate (k. S/s)

• Misure migliori e più stabili nel tempo • Riduzione dell’ effetto del drift in temperatura dei componenti Drift Error (%) Altre tecniche: auto calibrazione Other NI Time

Temperature Error (%) Circuito di protezione dal drift in temperatura • Uso di reti di compensazione e componentistica di grado superiore • Auto calibrazione basata su una sorgente a bordo precisa • Tutto Sensore temperatura a ciò di assicura un comportamento bordo uniforme a standard elevati a prescindere dalla temperatura ambiente Other NI Temperature (°C)

Caratterizazione del convertitore analogico/digitale

Risoluzione di un convertitore AD 16 -Bit Versus 3 -Bit Resolution (5 k. Hz Sine Wave) 10. 00 8. 75 111 7. 50 110 6. 25 101 Amplitude 5. 00 (volts) 3. 75 100 2. 50 010 1. 25 001 0 16 -bit 3 -bit 011 | 0 000 | 50 | 100 Time (ms) | 150 | 200 • 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

Lab. VIEW™ • Pannello Frontale • Interfaccia Utente Grafica • Indicatori e Controlli • Diagramma a Blocchi • • Codice Sorgente Libreria delle “funzioni” Rapido sviluppo di codice Auto-documentante

Lab. VIEW Programming • • Compiled graphical programming Wires and icons Development time reduction by 4 to 10 X Full-fledged programming environment

Dataflow Programming Plot RMS Execute In Parallel Save • 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