Oversampling
Oversampling
Steigerung der Genaugkeit
Bei stark verrauschten Signalen oder einer erforderlichen hohen Genauigkeit können Standardabweichungen der Messwerterfassung durch mehrfaches Abtasten desselben Signales mit anschliessender mathematischer Mittelwertbildung nahezu eliminiert werden. Das sogenannte Bitrauschen des Wandlers (Wechsel des LSBs des AD-Wandlers) wird durch dieses Verfahren ebenfalls minimiert. Dieser Vorgang wird Oversampling genannt. Die reelle Auflösung eines 16-Bit AD-Wandlers von 13,5 Bit lässt sich durch 16x Oversampling auf 15,5 Bit steigern.
Transparentes Oversampling
Die HS-Versionen der Multichoice PCI-Serie sowie die Quattro-Reihe bieten die Möglichkeit, das Oversampling direkt auf den Messkarten ablaufen zu lassen. Dabei wird anstelle einer einfachen Erfassung der Kanal entsprechend den Einstellungen mehrfach hintereinander abgetastet und anschließend gemittelt. Es wird nur der gemittelte Wert an das Messprogramm übergeben, so daß der Oversampling-Vorgang zum Messprogramm absolut transparent ist. Es kann weiterhin jede gewohnte Funktion im Messprogramm genutzt werden, die auf die Messwerte zugreift.
Keine Mehrkosten
Das Oversampling ist auf allen Messkarten der HS-Reihe sowie auf allen Quattro-Karten ohne Mehrkosten verfügbar.
FFT
Schnelle Fouriertransformation (FFT)
Schnelle Fouriertransformation (FFT)
1.1 Das Realtime-Konzept der Goldammer-Messkarten
Die intelligenten Messkarten der MC4-PCI-Reihe aus dem Hause Goldammer entlasten den PC bei der Erfassung und Ausgabe von Signalen. Dies schließt eine Echtzeitverarbeitung von erfassten Signalen ein. Diese Echtzeitverarbeitung ist in unseren Treibern integriert und verlangt keine zusätzlichen Kapazitäten auf PC. Jeder Kanal kann dabei individuell konfiguriert werden.
Der Vorteil einer FFT auf dem Signalprozessor liegt in der Architektur der Prozessoren sowie in dem reduzierten Datenvolumen. Signalprozessoren können mit optimierten Algorithmen die FFT sehr schnell berechnen. Bei den Goldammer Messkarten erfolgt diese Berechnung in der Idle-Zeit des Prozessors, also wenn der Prozessor keine weiteren Aufgaben zu diesem Zeitpunkt zu erfüllen hat. Das Hostsystem wird deutlich entlastet, da es nur noch die fertigen Messwerte abholen und anzeigen muss. Die Berechnung sind so auf dem Signalprozessor verteilt, dass immer das letzte aktuelle Spektrum der FFT zur Verfügung steht. Weiterhin können natürlich auch die Zeitsignale abgerufen werden.
Erfasste Signale können auf der Karte einer schnellen Fourier-Transformation (im weiteren FFT genannt) unterzogen werden. Signale können damit in ihre Frequenzanteile zerlegt werden.
Der französische Mathematiker Fourier entdeckte, das jedes periodische Signal in viele einzelne sinus- und cosinusförmige Schwingungen zerlegt und auch durch diese nachgebildet werden kann.
Er entwickelte das mathematische Werkzeug der Fourier-Analyse. Mit einer Reihenentwicklung gelang es ihm, jedes periodische Signal durch eine unendliche Summe von mit Koeffizienten bewerteten Sinus- und Cosinus-Schwingungen zu beschreiben. Die Unendlichkeit ist eine mathematische Besonderheit, die in der Realität schwierig zu handhaben ist. Fourier wies nach, das eine endliche Anzahl von Summanden ausreichend ist, um ein periodisches Signal annähernd zu beschreiben. Durch den Abbruch der Reihenentwicklung entspricht die nachgebildete Funktion nicht mehr der Originalfunktion. Durch Verwendung von genügend Summanden kann die Originalfunktion aber beliebig genau angenähert werden.
1.2 Das Abtasttheorem oder Regeln für die Abtastung von Zeitsignalen
Für die Abtastung und die Bearbeitung von abgetasteten Signalen mit digitalen Systemen gelten einige Voraussetzungen. Diese sind:
- Das Signal muss bandbegrenzt sein, d.h. oberhalb einer Grenzfrequenz müssen alle Frequenzanteile Null sein. Die Grenzfrequenz wird „Nyquist-Frequenz“ genannt.
- Die Abtastfrequenz muss mindestens doppelt so hoch sein wie die Grenzfrequenz des Signals
Diese Regeln werden „SHANNON’sches Abtasttheorem“ genannt. Wird es nicht eingehalten, d.h. die Abtastrate ist nicht mindestens doppelt so groß wie die größte im Signalenthaltene Frequenz, treten Frequenzanteile im Spektrum auf, die im Signal eigentlich nicht enthalten sind. Dieser Effekt wird „Aliasing“ genannt und entsteht durch Spiegelung von Frequenzen oberhalb der Grenzfrequenz in den Bereich unterhalb der Grenzfrequenz. Dadurch wird sowohl das Frequenzspektrum als auch der zeitliche Verlauf des Signals verfälscht.
1.3 Arbeitsweise der FFT
Während digitale Filter in einer Einzelwertverarbeitung berechnet werden, arbeitet die FFT ausschließlich mit Datenblöcken. In diesen Datenblöcken sind die aktuellsten Abtastwerte enthalten.
Die Karten der MC4-PCI-Serie können Abtastwerte einer FFT unterziehen. Die Berechnung wird mit einen Basis-2-Algorithmus (Cooley-Tuckey) durchgeführt. Daher ist die Anzahl der Abtastwerte auf eine Potenz von 2 begrenzt (z.B. 512, 1024, 2048,…) .
Das Ergebnis ist das Frequenzspektrum des untersuchten Signals. Der FFT-Algorithmus liefert ein komplexes Spektrum. Der Realteil entspricht den Cosinus-Anteilen (), der Imaginärteil den Sinus-Anteilen ().
Durch Betragsbildung wird das Betragsspektrum gebildet.
Weitere Darstellungsarten sind:
- RMS-Spektrum
Das RMS-Spektrum ist der Effektivwert des Betragsspektrums. - Power-Spektrum
Das Power-Spektrum gibt das Quadrat der Effektivwerte an.
1.4 Beispiel: Rechteck-Signal
Im weiteren wird ein Rechteck-Signal mit einer Signalfrequenz von 100Hz betrachtet. Auf dieses Signal werden verschiedene FIR-Filter angewendet und die resultierenden Frequenzspektren mittels FFT berechnet.
Abbildung 1 zeigt den Zeitverlauf, Abbildung 2 die Frequenzspektren.
Oben ist jeweils das unbearbeitete Signal dargestellt. Neben der Frequenz bei 100Hz (der Grundfrequenz) sind im Rechteck-Signal noch weitere Frequenzen enthalten (Oberwellen). Theoretisch sind unendlich viele Oberwellen im Signal enthalten.
Der mittlere Kurvenverlauf zeigt das Rechteck-Signal nach einer FIR-Filterung mit einer Grenzfrequenz von 550Hz. Frequenzen oberhalb dieser Frequenz werden unterdrückt. Der zeitliche Verlauf weist eine starke Welligkeit auf. Im Frequenzspektrum sind nur noch 3 Frequenzanteile enthalten.
Unten wurde das Rechtecksignal einer Filterung mit der Grenzfrequenz 225Hz unterzogen. Das Filter unterdrückt alle Oberwellen, nur die Grundfrequenz bleibt erhalten. Daher wird aus dem Rechteck ein Sinussignal erzeugt.
Abbildung 1: Zeitverlauf des Rechteck-Signals, oben ohne Filterung, mitte Grenzfrequenz 550Hz, unten Grenzfrequenz 225Hz
Abbildung 2: Frequenzspektren des Rechteck-Signals, oben ohne Filterung, mitte Grenzfrequenz 550Hz, unten Grenzfrequenz 225Hz
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Echtzeit PID-Regler
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Echtzeit FIR- und -IIR-Filter
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Filter dienen zur Reduktionen unerwünschter Störanteile in einem Nutzsignal. Die Filter entfernen bestimmte Frequenzanteile des Gesamtsignals und sind so in der Lage, das Ergebnis der Messung zu verbessern. Die Filter können frei eingestellt werden, da die Berechnung der erforderlichen Koeffizienten dynamisch erfolgt, eine Einschränkung auf bestimmte Standardfilter ist nicht vorhanden.
Echtzeit FIR- und -IIR-Filter
Echtzeit Linearisierung
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Echtzeit Linearisierung
Characteristic scaling
Characteristic scaling
The characteristic curve scaling is used to scale the recorded signals in real time on the measurement card. The scaling takes place directly on the signal processor of the measurement card and therefore does not require any computing power on the PC side. The characteristic curve scaling on the measurement cards of the Multichoice PCI and USB series is only available with the “Online linearization” option enabled. The characteristic curve scaling is set in the measuring program via settings of the analog acquisition block. This transfers a list of the support points to the DSP, which describe the signal scaling. The scaling takes place on the entire set voltage range. The definition of the support points takes place in a separate text file in which the corner points are simply stored line by line.
To enable scaling, (2 exp. X) +1 corner points are required, whereby 0 If fewer coefficients are selected than are available in the file, the following values are ignored.
The coefficient files can be created very comfortably, for example with Excel, and saved as a text file. The point “.” Is used as the decimal separator. used!
An example of a coefficient file:
0.0
1.0
5.0
6th
10
The number of points given is 5 ((2 exp. 2) +1)
In the example, when the input voltage range is set from -10 to +10, the recorded measured values are scaled as follows according to the definition of the output range:
-10 to -5V -> 0 to 1V
-5 to 0V -> 1 to 5V
0 to 5V -> 5 to 6V
5 to 10V -> 6 to 10V
Online PWM and FM
Frequency modulation and 24-bit pulse width modulation available
Implementation in hardware
Since October 2001, new digital output types have been available for the cards of the Multichoice PCI series. The previously available pulse-width modulated output has been completely revised, earlier dropouts when writing a new pulse-pause ratio are a thing of the past. The PWM and FM switching mimics are implemented in the FPGA of the measurement card, so that this module takes over the controls in hardware, so to speak. This solution enables higher update speeds and better stability of the output without taking up computing time of the signal processor.
Completely new possibilities
With some drivers, pulse width modulation and frequency modulation are even available at the same time, so that pulse width and frequency can be modified in parallel in a circuit diagram during runtime. This parallel modification enables completely new solutions for previous problems such as valve controls or test stands.
Better resolution In
addition, a second variant of the pulse-width modulated output was developed which, instead of the previous 16-bit depth with a clock rate of 500 kHz, has a depth of 24 bits and a clock rate of 10 MHz. This significantly increased the accuracy of the PWM output. Furthermore, the frequency spectrum now ranges from 0.6 Hz to 5 MHz.
Frequency modulation as a free bonus
The third innovation was frequency modulation. This behaves like a pulse-width-modulated output with a variable frequency and a specified mark-to-space ratio.
The PWM modulates the pulse width of a square wave signal with a constant period. The pulse width is given as a percentage of the period. If the pulse width is 0%, the PWM output is always low. If it is 100%, the output is always high. At 50%, the low and high levels are the same length.
Pulse width signal with a) 0%, b) 25%, c) 50%, d) 75% and e) 100%
Frequency modulation (FM)
With FM, the period of a square wave signal is modulated. The duty cycle remains constant. The smallest possible period is the maximum possible frequency and the largest possible period is the minimum possible frequency.
Analog triggers
Analog triggers
Triggers are conditions that are monitored during the runtime of a measurement. These conditions relate to the measured values that have just been recorded; in the case of individual value processing, this monitoring takes place within a specified response time depending on the sampling rate.
Up to 10,000 times faster than software
triggers on the PC If trigger conditions are implemented by measuring programs on the PC system, the response times to a trigger that has occurred are well beyond the millisecond range, since the measured value is first recorded, transferred to the PC system, processed and the control commands sent back to the measurement hardware and output there. However, if this trigger is executed on the signal processor, it is processed immediately after the measurement value has been recorded before it is transmitted to the PC. The reactions can be started directly on the measurement card without the PC having to control it separately. The response times are in the nanosecond range without the PC system being burdened with additional controls.
Flexible combinations possible
By using triggers during a measurement, it is possible to react to events during a measurement at short notice. The limit or threshold values to be monitored are set before the start of the measurement and can be changed dynamically during the actual measurement. Several trigger conditions can be selected per channel, which can also be linked to one another using Boolean logic.
Control of external events
A trigger event that has occurred can start or stop a measurement, digital outputs can be configured or an analog output is controlled. Optionally, these trigger conditions can also activate or deactivate each other so that a whole network of dynamic triggers is available depending on the course of the measurement. The trigger conditions can be defined in a retriggerable manner, i.e. either deactivate or reactivate after a condition has been fulfilled in order to carry out the same or a changed monitoring.
Versatile trigger types Limit
or threshold value monitoring for edges, limit values or window conditions are available as trigger conditions; the measured values can be offset against the previous values and acted on depending on the slope of the resulting curve (gradient slope), this also within threshold value and window conditions.
Easy to automate
The adjustable actions, which are automatically carried out when an event is fulfilled, allows control or monitoring to be implemented within a guaranteed response time. For example, test bench monitoring with emergency shutdown via the digital outputs is conceivable, which shuts down the test bench quickly and safely if one of the monitored measured variables is exceeded, without external intervention being necessary. Saving the triggered trigger event with the last value is possible without any problems so that the cause of the emergency shutdown is not lost.
Easiest operation
Depending on the measuring program used, the trigger parameters are set simply via the user interface of the card settings. The predefined masks ensure user-friendly and simple operation, so that even complex conditions can be easily configured. Here you will find examples for trigger configurations in DIAdem , DasyLab and LabView .
Sitelinks
Get in Touch
Goldammer GmbH
Schlosserstrasse 6a
D-38440 Wolfsburg
+49 5361 29950
+49 5361 299529