AKADEMIA GÓRNICZO - HUTNICZA
IM. STANISAAWA STASZICA w KRAKOWIE
WYDZIAA ELEKTROTECHNIKI, AUTOMATYKI, INFORMATYKI i ELEKTRONIKI
KATEDRA METROLOGII
LABORATORIUM METROLOGII
Podstawy akwizycji i cyfrowego przetwarzania
sygnałów
dr inż. Andrzej Skalski
mgr inż. Mirosław Socha
Kraków, 2010
Akwizycja sygnałów Laboratorium Metrologii
Spis treści
1. Wstęp .............................................................................................................................................. 3
2. Szeregi Fouriera .............................................................................................................................. 3
3. Reprezentacja sygnałów ................................................................................................................. 5
4. Przekształcenie Fouriera
................................................................................................................. 7
5. Przetwarzanie sygnału analogowego na cyfrowy ......................................................................... 8
6. Ograniczenie długości sygnału oraz Twierdzenie o próbkowaniu ................................................ 8
7. Widmo sygnału ............................................................................................................................. 11
8. Kwantowanie ................................................................................................................................ 14
9. Kodowanie .................................................................................................................................... 15
10. Literatura....................................................................................................................................... 16
2
Katedra Metrologii AGH dr inż. Andrzej Skalski, mgr inż. Mirosław Socha
Laboratorium Metrologii Akwizycja sygnałów
1. Wstęp
Rozwój urządzeń pomiarowych oraz mocy obliczeniowej komputerów umożliwia budowę
komputerowych systemów pomiarowych lub kontrolno pomiarowych dających nowe możliwości w
porównaniu z klasycznymi przyrządami analogowymi. Projektowanie systemów pomiarowych zwykle
ma celu umożliwienie pomiaru różnych wielkości fizycznych obiektu. Jako przykład można podać:
pomiar temperatury, przemieszczeń, przyspieszeń, prędkości obrotowej czy naprężeń. Jednym z
możliwych rozwiązań jest system pomiarowy wykorzystujący kartę akwizycji danych. Przykładową
ideę takiego systemu przedstawiono na rys. 1.
Rysunek 1 Idea sytemu pomiarowego wykorzystującego kartę pomiarową.
Pierwszym elementem systemu są czujniki pomiarowe, w których następuje zmiana określonego
parametru w funkcji wartości wielkości mierzonej. Przykładowo, w czujniku Pt100 następuje zmiana
wartości rezystancji wraz ze zmianami temperatury, które chcemy mierzyć. Następnie przetwornik
pomiarowy zamienia parametr elektryczny na napięcie lub prąd stały (mostek Wheatstone a z
czujnikiem rezystancyjnym wpiętym w gałąz mostka). Ponieważ urządzania pomiarowe posiadają
zdefiniowany zakres pomiarowy, poziom sygnałów mierzonych musi zostać dostosowany do
zakresów wejściowych tegoż urządzenia. Zadanie to realizują układy kondycjonowania sygnałów,
które normalizują sygnał wejściowy do odpowiednich wartości. Tak przygotowany sygnał podawany
jest na wejście karty pomiarowej, gdzie przetwornik analogowy cyfrowy (a/c) zamienia pomiarowy
sygnał analogowy na cyfrowy, który może zostać wprowadzony do komputera w celu wizualizacji,
diagnostyki obiektu oraz jego stanu lub wykorzystania go do sterowania procesami technologicznymi.
Szczegółowy opis poszczególnych bloków, rozwiązania sprzętowe, interfejsy pomiarowe oraz inne
typy systemów (np. modułowe) można znalezć w [1].
Jednym z problemów występujących przy projektowaniu systemów pomiarowych jest
odpowiedni dobór parametrów akwizycji sygnałów (częstotliwość próbkowania, rozdzielczość
przetwornika a/c), tak aby nie utracić informacji pomiarowej zawartej w mierzonym sygnale. Celem
ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawami akwizycji sygnałów pomiarowych tj.: twierdzeniem o
próbkowaniu, kwantowaniem, kodowaniem oraz widmową reprezentacją sygnałów.
2. Szeregi Fouriera
Dowolny okresowy sygnał rzeczywisty x(t) można przybliżyć przy pomocy rozwinięcia w szereg
sumę odpowiednio dobranych funkcji np. trygonometrycznych. Szczególne znaczenie ma rozwinięcie
nazywane szeregiem Fouriera, które jest protoplastą dyskretnej transformacji (przekształcenia)
Fouriera [3].
3
Katedra Metrologii AGH
dr inż. Andrzej Skalski, mgr inż. Mirosław Socha
mierzone
Wielkości
Akwizycja sygnałów Laboratorium Metrologii
Tabela 1 zawiera wzory umożliwiające wyznaczenie współczynników szeregu Fouriera dla kilku
podstawowych przebiegów. Ponieważ transformacja Fouriera jest operacją liniową, przytoczone
współczynniki szeregu Fouriera mogą służyć do obliczenia teoretycznego udziału poszczególnych
harmonicznych (całkowitych wielokrotności pulsacji podstawowej 0) dla sygnałów okresowych.
Szersze zestawienie rozkładów innych funkcji okresowych w szereg Fouriera można znalezć w
poradniku encyklopedycznym [5].
Pamiętaj!
Związek częstotliwości z pulsacją wyraża się zależnością:
= 2Ąf
Tabela 1 Współczynniki szeregu Fouriera podstawowych sygnałów (tab. 3 1 w [3])
Sygnał Współczynniki szeregu Fouriera
Prostokąt bipolarny:
4A 1 1
#sin 0t + sin 30t + sin 50t +& ś#
x(t) =
ś# ź#
Ą 3 5
# #
Prostokąt unipolarny wypełniony
50%:
A 2A 1
#cos t - 1
x(t) = + cos 30t + cos 50t -& ś#
ś# ź#
0
2 Ą 3 5
# #
Prostokąt unipolarny o dowolnym
wypełnieniu:
"
A 2A sin(Ąk / T )
x(t) = + cos k0t
"
T T Ąk / T
k =1
Trójkąt bipolarny:
8A 1
#sin 0t - 1
x(t) = sin 30t + sin 50t -& ś#
ś# ź#
2
Ą 32 52
# #
Trójkąt typu piła, bipolarny:
2A 1
#sin 0t - 1
x(t) = sin 20t + sin 30t -& ś#
ś# ź#
Ą 2 3
# #
4
Katedra Metrologii AGH dr inż. Andrzej Skalski, mgr inż. Mirosław Socha
Laboratorium Metrologii Akwizycja sygnałów
Trójkąt unipolarny:
"
A 4A 1
x(t) = - cos(2k +1)0t
"
2
2 Ą (2k +1)2
k =0
Trójkąt typu piła, unipolarny:
"
A A sin k0t
x(t) = -
"
2 Ą k
k =1
Sinusoida wyprostowana
dwupołówkowo:
"
2A 4A 1
x(t) = - cos 2k0t
"
Ą Ą 4k2 -1
k =0
Sinusoida wyprostowana
jednopołówkowo:
"
A A 2A 1
x(t) = + sin 0t - cos 2k0t
"
Ą 2 Ą 4k2 -1
k =1
Można zauważyć, że funkcje parzyste (x(t)=x( t)) oraz nieparzyste (x(t)= x( t)) są odtwarzane przy
pomocy sumy funkcji kosinus bądz sinus. Dodatkowo, nie zawsze występują wszystkie wielokrotności
pulsacji podstawowej (pierwszej harmonicznej) 0, np. przebieg trójkątny może zawierać jedynie
harmoniczne nieparzyste (3,5& ) zaś trójkątny typu piła zawiera również harmoniczne parzyste.
Amplitudy poszczególnych harmonicznych dość szybko maleją, dlatego podczas analizy wyników
prezentowanych na wykresach w dziedzinie częstotliwości, na osi amplitudy stosuje się skalę
logarytmiczną, która umożliwia obserwowanie wartości zarówno dużych jak i małych.
Pamiętaj!
Pierwsza składowa harmoniczna jest sygnałem o częstotliwości (pulsacji)
równej częstotliwości (pulsacji) analizowanego sygnału okresowego. Kolejne
harmoniczne ( 2, 3, 4...) są całkowitą wielokrotnością pierwszej harmonicznej.
3. Reprezentacja sygnałów
Sygnał pomiarowy może być przedstawiany w różnej sposób. Naturalnym podejściem wydaje się
reprezentacja w dziedzinie czasu, gdzie przedstawiana jest zmiana wartości sygnału w czasie (rys. 2a).
5
Katedra Metrologii AGH
dr inż. Andrzej Skalski, mgr inż. Mirosław Socha
Akwizycja sygnałów Laboratorium Metrologii
Innym podejściem jest reprezentacja sygnału w dziedzinie częstotliwości (rys. 2b), która umożliwia
przeprowadzanie jego analizy częstotliwościowej. Informacja o składowych częstotliwościowych
zawartych w sygnałach, z którymi często się spotykamy: sygnały biomedyczne
(np. elektrokardiograficzne, elektromiograficzne), sygnały pochodzące z urządzeń technicznych
(np. drgania maszyn) itd., pozwalają wnioskować o właściwościach lub stanach obiektu
analizowanego.
Z drugiej strony, człowiek sam dokonuje podziału dostępnego pasma częstotliwościowego na
podpasma, w których generuje sygnały użytkowe o różnych częstotliwościach. Wykorzystujemy to w
życiu codziennym zmieniając stację radiową, kanał w telewizji, czy korzystając z telefonii
komórkowej.
Rysunek 2 Przykładowy sygnał w dziedzinie: a) czasu; b) częstotliwości.
Urządzenia cyfrowe (np. komputer, kalkulator) nie są wstanie przedstawić dowolnej liczby. Mogą
one przedstawić skończoną ich ilość oraz skończoną liczbę wartości (ściśle zdefiniowanych). Z tego
powodu nie jest możliwe bezpośrednie wprowadzenie do komputera np. sygnału EKG. Sygnały
występujące w przyrodzie i technice w głównej mierze są tak zwanymi sygnałami analogowymi.
Termin analogowy wykorzystuje się do opisu sygnałów, które są ciągłe w czasie oraz mogą
przyjmować wartości z ciągłego zakresu liczb. W celu analizy czy wykorzystania sygnału w procesach
technologicznych, konieczna jest zamiana takiego sygnału na sygnał cyfrowy (dyskretny), czyli taki,
który jest reprezentowany jako ciąg wartości liczbowych. Wartości te nie należą do ciągłego
przedziału czasu lub amplitudy, mogą tylko przyjąć ściśle określoną liczbę wartości w dziedzinie czasu
oraz amplitudy. Przykładowy sygnał analogowy oraz jego reprezentacja cyfrowa została
przedstawiona w postaci graficznej na rysunku 3. Szczegółowe wyjaśnienia wraz z przykładami można
znalezć w [2] (str. 18 24) lub w [3].
6
Katedra Metrologii AGH dr inż. Andrzej Skalski, mgr inż. Mirosław Socha
Laboratorium Metrologii Akwizycja sygnałów
Rysunek 3 a) Przykładowy sygnał analogowy; b) reprezentacja cyfrowa sygnału z a).
4. Przekształcenie Fouriera
Analiza częstotliwościowa sygnałów wykonywana jest zwykle przy wykorzystaniu przekształcenia
Fouriera, które zdefiniowane jest za pomocą prostej i odwrotnej transformacji (dla sygnałów ciągłych
w dziedzinie czasu):
+ "
X ( f ) = "e- j"2"Ą " f "tdt (1)
+"x(t)
- "
+ "
j"2"Ą " f "t
x(t) = X ( f )"e df (2)
+"
- "
gdzie X(f) jest zespolonym widmem Fouriera sygnału x(t) i zawiera informację o jego zawartości
częstotliwościowej (f częstotliwość wyrażona w Hz, e podstawa logarytmu naturalnego,
eksponenta), [2,3].
Transformata Fouriera sygnałów sinus i kosinus wynosi (rozdział 4.3 w [3]):
j0t
1 1
cos0t = (e + e- j0t ) "! (2Ą ( - 0) + 2Ą ( + 0)) (3)
2 2
j0t j
1
sin0t = (e - e- j0t ) "! - (2Ą( - 0) - 2Ą( + 0)) (4)
2 j 2
gdzie jest impulsem (deltą) Diraca, funkcją uogólnioną reprezentującą nieskończenie krótki impuls o
nieskończonej amplitudzie i jednostkowym polu powierzchni, zdefiniowaną w następujący sposób:
7
Katedra Metrologii AGH
dr inż. Andrzej Skalski, mgr inż. Mirosław Socha
Akwizycja sygnałów Laboratorium Metrologii
0 dla t `" 0
ż#
(t) =
#
# " dla t = 0
(5)
"
+" (t)dt = 1
- "
Deltę Diraca (t) lub () przedstawia się graficzne w postaci szpilki o jednostkowej
amplitudzie, umieszczonej na osi odciętych w punkcie określonym przez argument funkcji (dla
przytoczonych oznaczeń będą to punkty t na osi czasu oraz na osi pulsacji).
Analizując wyrażenia na transformatę Fouriera funkcji okresowych sinus i kosinus można
stwierdzić, że ich transformata w dziedzinie częstotliwości ( ) ma postać sumy dwóch impulsów
Diraca. Idąc dalej tym tropem, można zauważyć, że skoro dowolny okresowy przebieg x(t) można
zapisać jako sumę funkcji sinus i kosinus (szereg Fouriera), to jego transformata Fouriera będzie
miała postać sumy transformat funkcji sinus i kosinus (gwarantuje to liniowość transformaty). Tak
więc każdej częstotliwości występującej w sygnale odpowiada prążek będący deltą Diraca o
amplitudzie, której wartość można wyznaczyć na podstawie rozwinięcia sygnału w szereg Fouriera.
Transformata Fouriera delty Dirca ma następującą postać:
(t) "! 1 (6)
Transformata Fouriera funkcji stałej:
1 "! 2Ą () (7)
Bardzo często deltę Diraca traktuje się jako funkcję próbkowania sygnałów analogowych:
"
x(t) (t - )dt = x( ) (8)
+"
- "
5. Przetwarzanie sygnału analogowego na cyfrowy
Jak już wspomniano, proces przetwarzania sygnału analogowego na cyfrowy (a/c) powinien być
dokonany w sposób staranny z uwzględnieniem właściwości oraz ograniczeń dotyczących tego
procesu. Z przetwarzaniem a/c związane są trzy procesy, które zostaną bardziej szczegółowo
omówione w dalszej części: próbkowanie, kwantowanie oraz kodowanie.
6. Ograniczenie długości sygnału oraz Twierdzenie o próbkowaniu
Ponieważ żadne urządzenie cyfrowe nie jest wstanie zarejestrować nieskończenie wielu próbek
sygnału zebranych w nieskończenie krótkich odstępach czasu, konieczne jest zastosowanie
określonych reguł pozwalających zarejestrować próbki sygnału w taki sposób, aby była możliwość ich
pózniejszego odtworzenia bez strat informacji w sygnale.
Pierwszy problem rozwiązuje się rejestrując (próbkując) tylko skończony fragment
nieskończonego sygnału. Proces ten można sobie wyobrazić jak zastosowanie okna, które pokazuje
(wycina) fragment przebiegu. Okno takie można zdefiniować jako funkcję prostokątną, której
8
Katedra Metrologii AGH dr inż. Andrzej Skalski, mgr inż. Mirosław Socha
Laboratorium Metrologii Akwizycja sygnałów
amplituda jest równa 1 tylko w obszarze równym szerokości czasowej okna. Dla pozostałych chwil
czasu, okno ma wartość równą zero (jest nieprzezroczyste ). Tylko ten fragment sygnału, który jest
widziany przez okno, jest dalej przetwarzany. W praktyce wykorzystuje się rożne rodzaje i kształty
okien, w których wartości zmieniają się w inny sposób niż skokowy [2,3]. W dalszej części instrukcji
ograniczymy się tylko do okna prostokątnego, ponieważ analiza wpływu okien wybiega poza program
tego ćwiczenia.
Na rysunku 4 przedstawiono przykład zastosowania okna prostokątnego (linia przerywana) o
różnej długości (różny czas obserwacji sygnału).
Rysunek 4. Pierwszy i drugi wiersz: wycięcie fragmentu sygnału oknem; w kolumnach: wpływ doboru szerokości
okna na widmo częstotliwościowe.
W pierwszym przypadku (lewa kolumna), okno obserwacji sygnału ma długość równą okresowi
badanego sygnału, w drugim zaś (prawa kolumna) jest krótsze. W drugim wierszu przedstawiono
9
Katedra Metrologii AGH
dr inż. Andrzej Skalski, mgr inż. Mirosław Socha
Akwizycja sygnałów Laboratorium Metrologii
wycięte fragmenty sygnału. Wycięty fragment sygnału traktowany jest jako fragment reprezentujący
cały, nieskończenie długi sygnał (trzeci wiersz). Porównując nieskończony sygnałem okresowy
(pierwszy wiersz rysunku) z sygnałem odtworzonym na podstawie wyciętego fragmentu, można
zauważyć, że w wyniku zastosowania krótszego okna, analizowany sygnał nie może być już
traktowany jako czysta sinusoida. Zawiera on gwałtowny skok wartości chwilowej, który musi być
odtworzony w dziedzinie częstotliwości objawia się w widmie sygnału w postaci rozmycia prążka.
Podsumowując: jeżeli w oknie (czasie) obserwacji sygnału nie znajduje się całkowita wielokrotność
okresów sygnału (rysunek 4. kolumna druga) to każdej harmonicznej odpowiada kilka prążków
sygnału.
Próbkowanie jest operacją polegającą na dyskretyzacji czasu wybierane są ściśle określone
momenty w czasie, w których to dokonywany jest pomiar wartości amplitudy sygnału analogowego.
Dobór częstotliwości z jaką powinno się zrejestrować próbki sygnału, tak aby możliwe było pózniejsze
odtworzenie sygnału analogowego, określa twierdzenie o próbkowaniu znane również pod nazwą
Twierdzenie Kotielnikowa Shannona:
Pamiętaj!
TWIERDZENIE O PRÓBKOWANIU: Dolnopasmowy sygnał ciągły może być
ponownie wiernie odtworzony z sygnału dyskretnego, jeśli był próbkowany
z częstotliwością fp co najmniej dwa razy większą od największej częstotliwości
występującej w widmie sygnału (częstotliwość graniczna, częstotliwość
Nequista).
Dolnopasmowość sygnału oznacza, że w sygnale można wyróżnić pewną największą
częstotliwość graniczną, czyli w sygnale występują jedynie częstotliwości mniejsze od częstotliwości
granicznej. Sygnały, których rozwinięcia w szeregi Fouriera przedstawiono w tabeli 1 są przykładami
sygnałów o teoretycznie nieskończonym widmie, ponieważ opisane są sumami harmonicznych dla
których pulsacja rośnie do nieskończoności. Jednocześnie amplitudy kolejnych harmonicznych dążą
do zera. Ze względu na ograniczoną rozdzielczość amplitudową, wyższe harmoniczne nie mogą więc
być poprawnie mierzone. Dla rzeczywistych sygnałów przyjmuje się, że są to sygnały o szerokim ale
skończonym widmie.
Rysunek 5 przedstawia wynik próbkowania trzech przebiegów sinusoidalnych o różnych
częstotliwościach (20Hz, 120Hz i 240Hz) z częstotliwością fp=100Hz. Można zauważyć, że zaznaczone
na rysunku wartości zmierzonych próbek sygnałów są identyczne, zarówno co do czasu jak i wartości
chwilowej. Jest to wynik niepoprawnego doboru częstotliwości próbkowania dla przebiegów
drugiego i trzeciego nie zostało dla nich spełnione twierdzenia o próbkowaniu.
W przypadku niespełnienia twierdzenia o próbkowaniu, ciąg x(n) próbek reprezentujących
przebieg sinusoidalny o częstotliwości f0 Hz może również reprezentować przebiegi o innych
częstotliwościach równych f0+kfp, będącymi całkowitymi wielokrotnościami częstotliwości
próbkowania:
x(n) = sin(2Ąf0nt ) = sin(2Ą ( f0 + kf )ntp ) (9)
p p
gdzie tp=1/fp.
10
Katedra Metrologii AGH dr inż. Andrzej Skalski, mgr inż. Mirosław Socha
Laboratorium Metrologii Akwizycja sygnałów
Rysunek 5 Wynik próbkowania sygnałów sinusoidalnych o częstotliwościach od góry: 20 Hz, 120 Hz, 220 Hz.
Czarne słupki oznaczają próbkowanie z częstotliwością fp=100 Hz.
Pamiętaj!
Podczas próbkowania z szybkością fp próbek na sekundę, jeśli k jest dowolną
liczbą całkowitą, nie jesteśmy w stanie rozróżnić spróbkowanych wartości
przebiegu sinusoidalnego o częstotliwości f0 Hz oraz przebiegu sinusoidalnego
o częstotliwości (f0+kfp) Hz.
7. Widmo sygnału
W praktyce bardzo często spotykamy się z cyfrową reprezentacją sygnałów analogowych.
W konsekwencji prowadzi to do konieczności stosowania odpowiednich narzędzi dostosowanych do
tego typu sygnałów. Odpowiednikiem transformacji Fouriera dla sygnałów ciągłych jest Dyskretne
Przekształcenie Fouriera (ang. Discrete Fourier Transform DFT):
2"Ą "n"k
N -1
- j"
N
X (k) = x(n) "e (9)
"
n=0
gdzie x(n) jest n próbką sygnału dyskretnego, k numer prążka (numer składowej
częstotliwościowej), N liczba próbek sygnału. W wyniku przekształcenia otrzymujmy N dyskretnych
prążków X(k). Innymi słowy, liczba składowych częstotliwościowych otrzymywanych w wyniku
przekształcenia jest równa liczbie próbek sygnału, na którym stosowane jest przekształcenie.
Szczegółowy opis, właściwości przekształcenia wraz z przykładami obliczeniowymi można znalezć
w [2,3].
11
Katedra Metrologii AGH
dr inż. Andrzej Skalski, mgr inż. Mirosław Socha
Akwizycja sygnałów Laboratorium Metrologii
Pamiętaj!
W wyniku Dyskretnego Przekształcenia Fouriera wyznaczona liczba
składowych częstotliwościowych (prążków) jest równa liczbie próbek sygnału,
na którym wykonywane jest przekształcenie.
Pojęciem widma posługujemy się w sposób bardzo ogólny za każdym razem, gdy rozważamy
dowolnego typu rozwinięcie częstotliwościowe sygnału. W szczególności, bardzo często
wykorzystujemy widmo Fouriera.
Sygnał w dziedzinie częstotliwości przedstawiany jest zwykle w postaci tak zwanego widma
amplitudowego oraz widma fazowego. Widmo amplitudowe sygnału jest to moduł z wyników
przekształcenia Fouriera:
X (k) = Re(X (k))2 + Im(X (k))2 (10)
Widmo fazowe sygnału definiowane jest jako argument z wyników przekształcenia Fouriera:
# Im(X (k))ź# (11)
ś#
ś#
arg(X (k)) = arctgś#
Re(X (k))ź#
# #
Pamiętaj!
Widmo amplitudowe sygnału jest symetryczne względem fp/2.
Pamiętaj!
Sygnał sinusoidalny w widmie amplitudowym jest reprezentowany przez
pojedynczy prążek (rys. 2). Jeżeli sygnał jest złożony z sumy sygnałów
sinusoidalnych to w widmie każda składowa będzie reprezentowana przez
oddzielny prążek.
Składowa stała sygnału w widmie amplitudowym ujawnia się zawsze jako
prążek zerowy (0 Hz).
12
Katedra Metrologii AGH dr inż. Andrzej Skalski, mgr inż. Mirosław Socha
Laboratorium Metrologii Akwizycja sygnałów
Rozdzielczość częstotliwościowa takiego widma wyznaczana jest z zależności:
f
p
"f = (12)
N
gdzie fp jest częstotliwością próbkowania, natomiast N liczbą próbek, z której jest liczone DFT. Należy
tutaj podkreślić fakt, iż ze względu na symetrie występujące w DFT (patrz: [2], [3]) widmo jest
przedstawiane od 0 do fp/2.
Przykład 1: Kartą pomiarową zarejestrowano 512 próbek sygnału sinusoidalnego o częstotliwości
f = 20 Hz, amplitudzie równej 1 V i składowej stałej DC=2 V. Częstotliwość próbkowania fp wynosiła
256 Hz. Narysuj widmo amplitudowe (w zakresie od 0 do fp/2) oraz wyznacz rozdzielczość
częstotliwościową widma.
Widmo amplitudowe:
Ponieważ w sygnale występuje składowa stała, w widmie pojawi się niezerowy prążek dla
częstotliwości 0 Hz (prążek zerowy). Dodatkowo uwidoczni się składowa sinusoidalna dla
częstotliwości 20 Hz.
Wysokość prążków została przeliczona na wartość amplitudy A=2*M(k) gdzie M(k) jest wartością
k prążka ([2] str).
Rozdzielczość częstotliwościowa:
f
256
p
"f = = = 0,5 Hz
N 512
13
Katedra Metrologii AGH
dr inż. Andrzej Skalski, mgr inż. Mirosław Socha
Akwizycja sygnałów Laboratorium Metrologii
Przykład 2: Kartą pomiarową zarejestrowano 512 próbek sygnału sinusoidalnego o częstotliwości
f = 456 Hz, amplitudzie równej 1 V. Częstotliwość próbkowania fp wynosiła 256 Hz. Narysuj widmo
amplitudowe (w zakresie od 0 do fp/2).
Widmo amplitudowe:
Wybierzmy widmo zawierające częstotliwość równą częstotliwości sygnału czyli prążek 456 Hz.
Będzie to widmo w zakresie (fp do 2fp) co odpowiada (256 Hz do 512 Hz). Ze względu na symetrię
widma Fouriera względem fp/2 (w naszym wypadku względem 3 fp/2) prążek 456 Hz pojawi się w 312
Hz (512Hz 456Hz = 56 Hz czyli prążek pojawi się w 256 Hz + 56 Hz = 312 Hz). Uwzględniając zjawisko
powielenia widma, widmo z zakresu fp do 2fp będzie takie samo jak w zakresie 0 do fp. Podsumowując
w zakresie 0 do fp/2 pojawi się niezerowy prążek dla 56 Hz.
2. Powielenie
widma
1. Symetria
względem fp/2
8. Kwantowanie
Kwantowanie lub inaczej dyskretyzacja wartości spróbkowanych sygnałów, jest obok
próbkowania i kodowania jednym z trzech podstawowych etapów przetwarzania analogowo
cyfrowego. Polega na przypisaniu zmierzonej amplitudzie skończonej liczby kwantów. Wartość
kwantu określa najmniejszy rozróżniany poziomu amplitudy przetwarzanego sygnału. Celem
kwantowania jest zastąpienie ciągłego opisu amplitudy, zapisem dyskretnym o ograniczonej liczbie
możliwych stanów, który możliwy jest do dalszego przetwarzania w systemach komputerowych.
Wartość kwantu zależy od dwóch parametrów:
" liczby bitów przetwornika A/C (najczęściej od 8b do 24b), która określa liczbę możliwych do
rozróżnienia stanów, równą 2Nbit
14
Katedra Metrologii AGH dr inż. Andrzej Skalski, mgr inż. Mirosław Socha
Laboratorium Metrologii Akwizycja sygnałów
" pełnego zakresu pomiarowego, czyli przedziału dopuszczalnej zmienności wielkości
przetwarzanej przez przetwornik, definiowanego jako moduł różnicy wartości maksymalnej oraz
minimalnej przedziału dopuszczalnej wartości chwilowej sygnału; zakres pomiarowy może być
unipolarny (np. przedział od 0V do 1V pełen zakres 1V) oraz bipolarny (np. przedział od 10V do
+10V pełen zakres 20V).
Rozdzielczość przetwornika równa jest wartości kwantu i wyznaczana jest jako iloczyn zakresu
pomiarowego oraz liczby rozróżnialnych poziomów:
Umax -Umin
q = (13)
2Nbit
Przykład 3: Oblicz rozdzielczość 8 bitowego przetwornika a/c pracującego na zakresie 0 1 V.
Umax -Umin 1- 0
q = = = 3.9 mV
2Nbit 28
9. Kodowanie
Ostatnim krokiem przetwarzania analogowo cyfrowego jest kodowanie, podczas którego liczba
kwantów odpowiadająca skwantowane wartości chwilowe sygnału, zapisywana jest w postaci słowa
binarnego na skończonej liczbie bitów Nbit przy użyciu konkretnego kodu binarnego (dwójkowego).
W kodach tych używa się dwóch symboli: 1 (włączony) i 0 (wyłączony). Rozróżnia się dwa szczególne
bity w słowach: bit najstarszy lub najbardziej znaczący, który w zapisie znajduje się na skrajnej lewej
pozycji oraz bit najmłodszy lub inaczej najmniej znaczący (LSB) ustawiany najbardziej po prawej
stronie. Liczba bitów w słowie nazywana jest długością słowa bitowego. Każdy przetwornik
analogowo cyfrowy, po kwantyzacji koduje liczbę kwantów do postaci słowa bitowego o
odpowiedniej długości oraz z wykorzystaniem odpowiedniego kodu, który wynika z metody
przetwarzania lub przewidzianego interfejsu. Etap kodowania ma szczególne znaczenie w przypadku
wykorzystywania konkretnych przetworników a/c do projektowania aparatury pomiarowej.
W przypadku kart pomiarowych, kodowanie ma mniejsze znaczenie, ponieważ jest ono ukryte przed
użytkownikiem i nie ma ono bezpośredniego wpływu na sposób obsługi karty.
Rozróżnia się dwa podstawowe rodzaje reprezentacji dwójkowej: stałoprzecinkową oraz
zmiennoprzecinkową.
W reprezentacji stałoprzecinkowej, każdy bit w słowie posiada przypisaną wagę. W najprostszym
przypadku, kolejnym bitom słowa przypisuje się wagi równe kolejnym potęgom dwójki. Bit
najmłodszy ma wagę 20, kolejny bit 21, itd. Kod ten nazywany jest naturalnym kodem binarnym
(NKB) i można go zapisać w postaci równania:
an 2n + ... + a222 + a121 + a020 (14)
Przykład 4: Zamień na wartość dziesiętną słowo binarne 10012 zakodowane w NKB.
Słowu binarne 10012 zakodowane w naturalnym kodzie dwójkowym ma następującą wartość
dziesiętną: 1*23 + 0*22 + 0*21 + 1*20 = 1*8 + 0*4 + 0*2 + 1*1=910
15
Katedra Metrologii AGH
dr inż. Andrzej Skalski, mgr inż. Mirosław Socha
Akwizycja sygnałów Laboratorium Metrologii
Jeżeli wagi bitów mogą przyjmować wartości ułamkowe, np. poprzez wprowadzenie ujemnego
wykładnika potęgi (np. 2 2=1/4), wówczas możliwe jest kodowanie liczb rzeczywistych. Pozycja
przecinka w ciągu binarnym jest stała, ponieważ wagi bitów przypisywane są na stałe.
Przykład 5: Zamień na wartość dziesiętną słowo binarne 10012 zakodowane w kodzie binarnym
z przecinkiem ustalonym po drugim bicie.
Wartość dziesiętną można zdekodować następująco:
1*21 + 0*20 + 0*2 1 + 1*2 2 = 1*2 + 0*1 + 0*1/2 + 1*1/4 = 2,2510
Kodowanie zmiennoprzecinkowe pozwala na znaczne zwiększenie zakresu oraz precyzji
kodowanych wartości. W kodowaniu zmiennoprzecinkowym słowo podzielone jest na dwie części:
mantysę m oraz wykładnik e. Każdej części przydziela się konkretną liczbę bitów, od której zależą
zakres oraz precyzja kodowania. Wartość zakodowanej liczby równa jest iloczynowi mantysy i liczby 2
podniesionej do potęgi wykładnika:
n = m " 2e (15)
Więcej informacji na temat stosowanych kodów oraz ich właściwości można znalezć w pracy [2].
10. Literatura
[1] W. Nawrocki. Komputerowe Systemy Pomiarowe . WKA, Warszawa, 2002.
[2] R. G. Lyons. Wprowadzenie do cyfrowego przetwarzania sygnałów . WKA, Warszawa 1999.
[3] T. P. Zieliński. Cyfrowe przetwarzanie sygnałów. Od teorii do zastosowań . WKA, Warszawa,
2005.
[4] Dokumentacja karty pomiarowej: USER GUIDE AND SPECIFICATIONS NI USB 6008/6009 ,
http://digital.ni.com/manuals.nsf/websearch/7781F8E689519ED786257411006FB09F
[5] I. N. Bronsztejn, K. A. Siemiendiajew Matematyka, Poradnik encyklopedyczny , Wydawnictwo
Naukowe PWN, 1997
16
Katedra Metrologii AGH dr inż. Andrzej Skalski, mgr inż. Mirosław Socha
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
ELE III cw 5 teoria wybrane Bcw teoriaELE III cw 5 teoria wybraneopis cw 2 teoriautk cw 3 1 karta graficzna teoriautk cw 3 2 lacze szeregowe teoriaćw 2, Surowce browarnicze (teoria)Ćw 6 Gorzelnictwo i wyroby spirytusowe teoriautk cw 3 3 lacze rownolegle teoriautk cw 3 4 karta dzwiekowa teoriapawlikowski, fizyka, szczególna teoria względnościTeoria i metodologia nauki o informacjiteoria produkcjiMATLAB cw Skryptycad2 cw 5 6cw formularzCw 2 zespol2 HIPSwięcej podobnych podstron