background image

PODSTAWY 
METROLOGII

Wykład 6

background image

Pomiar

zgodnie z definicją 

słownikową, to zbiór operacji 
mających na celu wyznaczenie 
wartości wielkości. 

Informacje

 o parametrach 

mierzonego obiektu przejmowanie są 
za pośrednictwem czujników.

Informacja ma postać 

sygnału

.

background image

Podczas obserwacji zjawisk mechanicznych 
analizuje się parametry ruchu (prędkość, 
przyspieszenie, przemieszczenie), zmiany 
ciśnienia, siły, naprężeń, odkształceń itp. 

Niektóre z parametrów zmieniają się na tyle 
powoli, że można je obserwować 
bezpośrednio, wykorzystując wyłącznie 
ludzkie zmysły (

pomiar statyczny

). 

Inne (

pomiary dynamiczne

) wymagają 

narzędzi specjalistycznych, umożliwiających 
przejęcie wybranych parametrów do postaci 
czytelnej dla człowieka.

background image

Najczęściej analizowanym parametrem 
jest amplituda (zmiana amplitudy) cech 
charakterystycznych dla badanego 
zjawiska.

 Do wnioskowania o charakterze procesów  
wolnozmiennych wystarczy co pewien czas 
zmierzyć chwilową wartość amplitudy. 

Badanie zjawisk szybkozmiennych 
wymaga operowania wartościami 
uśrednionymi.

background image
background image

Sygnał zamieniony przez przetwornik na 

proporcjonalny do niego sygnał elektryczny 

jest przetwarzany wstępnie dalej operacjami:

• 

Wzmocnienie 

polega na zwiększeniu wartości 

określonego parametru sygnału o ustaloną wartość 

po przejściu przez układ elektryczny wzmacniacza. 

Szczególnym przykładem wzmacniacza jest układ, 

którego wzmocnienie równe jest jedności, tak 

zwany przedwzmacniacz. 

• 

Tłumienie

 polega na zmniejszeniu wartości 

określonego parametru sygnału o ustaloną wartość 

po przejściu przez układ elektryczny tłumika;

• 

Filtracja

 czyli ograniczenie pasma częstotliwości 

(widma) do zakresu określonego przez parametry 

charakterystyczne filtru, przez który przechodzi 

sygnał. 

background image

Sygnał

Sygnał

 to abstrakcyjny  model dowolnej mierzalnej 

wielkości zmieniającej się w czasie, generowanej 

przez 

zjawiska fizyczne

 lub 

systemy

Tak jak wszystkie zjawiska może być opisany za 

pomocą aparatu matematycznego, np. poprzez 

podanie pewnej 

funkcji zależnej czasu

Ponieważ sygnał niesie informację o naturze 

badanych zjawisk lub systemów, w niektórych 

dziedzinach nauk jest on traktowany jak 

nośnik 

informacji

Sygnał oznacza zatem przepływ strumienia 

informacji, przy czym przepływ może odbywać się 

w jednym lub w wielu wymiarach

.

background image

Za pomocą sygnału można:

badać 

stan i zachowanie się badanych 

układów fizycznych lub systemów,

mierzyć

 badane wielkości,

przekazywać

 informacje w czasie i 

przestrzeni,

sterować

 wybranymi zjawiskami lub 

systemami.

background image

Sygnały znajdują zastosowanie w 
następujących dziedzinach: 

astronomia:

 sygnały przenoszą informację 

o naturze zjawisk pozaziemskich. 
Najczęściej bada się impulsy świetlne i 
radiowe emitowane przez obiekty 
pozaziemskie. Na ich podstawie można 
powiedzieć z jakim obiektem lub zjawiskiem 
mamy do czynienia, jaka jest jego struktura 
(badanie widma), jak szybko porusza się, 
jakie jest jego położenie i kierunek ruchu,

background image

ekonomia:

 sygnały niosą informację o 

zjawiskach ekonomicznych badanych w 

określonym przedziale czasowym, np. 

podaż, popyt, udział w rynku itp.

elektronika:

 sygnały wykorzystywane są 

do badania zachowania (odpowiedzi) 

układów elektronicznych, pomiarów 

zmieniających się wartości napięć 

elektrycznych, zmieniających się wartości 

prądu, itp.

medycyna:

 sygnały wykorzystywane są 

do mierzenia funkcji życiowych takich jak: 

puls, czynności oddechowe, rytm serca, 

czynności układu nerwowego i innych, 

których działanie można badać za pomocą 

takich przyrządów jak: EKG, USG, itp.

background image

motoryzacja:

 sygnały wykorzystywane są 

np. sterowania systemami wtrysku paliwa, 

ABS itp.

przemysł:

 sygnały służą do sterowania 

różnego rodzaju urządzeniami 

przemysłowymi, takimi jak obrabiarki, piece, 

roboty, a ponadto umożliwiają przenoszenie 

informacji o stanie urządzenia, co jest dość 

powszechnie wykorzystywane do zdalnego 

nadzorowania pracy bezobsługowych 

urządzeń pomiarowych, monitoringu, itp.

sejsmologia:

 sygnały (wstrząsy) umożliwiają 

badanie energii wyzwalanej przez masy 

górotworu, dzięki czemu można odpowiednio 

wcześniej przewidzieć zachowanie się 

obserwowanych obiektów, ostrzec przed 

grożącymi niebezpieczeństwami itp, 

background image

telekomunikacja:

 sygnały są nośnikiem 

informacji przekazywanych na dowolne 

odległości i podobnie jak w zastosowaniach 

przemysłowych mogą służyć również do 

przekazywania informacji sterujących pracą 

urządzeń telekomunikacyjnych, takich jak: 

centrale telefoniczne, modemy, faksy itp.

wojsko:

 sygnały znajdują zastosowanie 

m.in. w systemach naprowadzania i 

nawigacji, systemach bezpieczeństwa, 

systemach identyfikacji, systemach 

łączności, systemach zdalnego sterowania 

bezzałogowymi maszynami zwiadowczymi i 

bojowymi i wielu innych systemów, które 

wspierają działania określonych związków 

taktycznych na polu walki.

background image

Sygnały można przedstawić w 
postaci

:

analitycznej

 - za pomocą wzoru 

matematycznego, który definiuje funkcję 
opisującą zmiany wartości sygnału np. w 
dziedzinie czasu, częstotliwości itp.,

liczbowej 

– za pomocą sekwencji jego 

wartości chwilowych lub próbek

graficznej

 - za pomocą wykresu lub grafu.

background image

Każdy sygnał może być opisany przez 
jedną z następujących wielkości: 

czasem trwania

, który może być ograniczony 

jakimś przedziałem czasowym, formalnie 

przedstawionym jako różnica pomiędzy końcem 

przedziału T2 i początkiem przedziału T1,

wartością chwilową

 sygnału, mierzoną w 

jednostkach właściwych dla danej wielkości,

funkcją

 opisującą przebieg sygnału, przy czym 

sygnał może być funkcją jednej zmiennej lub 

wielu zmiennych niezależnych,

statystyką

 – czyli parametry opisujące rozkład 

prawdopodobieństwa

specyficznymi własnościami

 opisującymi 

naturę danego sygnału, takimi jak: amplituda, 

częstotliwość, energia, moc, okresowość, itp. 

background image

Rodzaje sygnałów 

ze względu na 

czas trwania

skończony

 — czas jest ograniczony 

jakimś przedziałem czasowym, 
formalnie przedstawionym jako różnica 
pomiędzy końcem przedziału T2 i 
początkiem przedziału T1,

nieskończony

 — początek lub koniec 

przedziału jest nieosiągalny.

background image

Rodzaje sygnałów

ze względu na 

wartość energii i mocy

o zerowej energii,

o ograniczonej energii,

o nieskończonej energii

ze względu na 

okresowość

sygnały okresowe,

sygnały nieokresowe.

background image

Rodzaje sygnałów

ze względu na 

ciągłość dziedziny i 

wartości

sygnały ciągłe (analogowe)

 — dziedzina i wartości sygnału 

są ciągłe,

sygnały dyskretne

 — dziedzina sygnału jest dyskretna, a 

wartość ciągła,

sygnały cyfrowe

 — dziedzina i wartość sygnału jest 

dyskretna.

sygnał pomocy

: SOS, Mayday

sygnał pomiarowy

sygnał diagnostyczny

background image

Postać sygnałów

Sygnał ciagły w czasie

Sygnał ciągły w czasie               Sygnał dyskretny w 

czasie

background image

Postać sygnałów

Sygnał o nieskończonym czasie                       Sygnał 

impulsowy

                  trwania

background image

Postać sygnałów

Ciągły sygnał binarny                                Dyskretny sygnał 

binarny

                                         

background image

Sygnał losowy (przypadkowy)

background image

Linearyzacja sygnału (e – błędy linearyzacji 

sygnału)

background image

Funkcja Dirac’a (delta Dirac’a)

δ(t) = 1 gdy  t = 0

δ(t) = 0 dla   t ≠ 0 

background image

Impuls prostokątny П(t)

background image

Przesunięty impuls prostokątny

background image

Impuls trójkątny ^(t)

 

background image

Sygnał liniowo-narastający

background image

Impuls Gauss’a

bardziej

 

ogólnie

background image

Sygnał pomiarowy

Sygnał pomiarowy

 (lub sygnał testowy) - 

specjalnie ukształtowany sygnał o zadanych, 

znanych metrologowi parametrach, służący 

do pobudzenia mierzonego układu lub 

sprawdzanego przyrządu.

 Na podstawie reakcji na ten sygnał, można 

ocenić ich 

sprawność, dokładność, klasę 

lub inne parametry

, które są istotne dla 

dokonującego pomiary.

background image

Rodzaje sygnałów

Istnieje szereg sposobów klasyfikacji 

sygnałów.

 Dla potrzeb pomiarów najbardziej 
użyteczny wydaje się podział na dwie 
główne grupy: 

-

sygnały losowe,      

-

sygnały zdeterminowane

.

background image
background image
background image

Sygnał zdeterminowany 

background image

Piezoceramicz
ny
wzbudnik

Czujnik   
siły   

Badana 
belka

Akcelerometr

background image
background image

Sygnał losowy stacjonarny

background image

Okresowy (i prawie okresowy) 
sygnał

Sygnał tachometru z 
obracającego się 
silnika

Sygnał telefoniczny

background image

Sygnał okresowy z szumem

Transformatoro
wy „brum” 
szum

Sygnał telefonu + 
szum

background image

Sygnał niestacjonarny (dzwięk 
śmigieł helikoptera)

background image
background image

Sygnał zanikający (tłumiony)

background image

 Przebieg jest okresowy, jeżeli można go 
opisać funkcją 

x(t)

, dla której istnieje 

taka dodatnia wielkość 

T

, że w każdej 

chwili 

t

x(t) = x(t +nT) 

Wielkość 

T

, dla której zachodzi powyższa 

równość, nazywana jest 

okresem

, zaś 

część przebiegu przypadająca na jeden 
okres zwana jest 

cyklem

.

background image

Sygnał okresowy

Sygnał sinusowy

Sygnał tangensowy

Ogólnie sygnał okresowy

background image

Odwrotność okresu, czyli ilość cykli w 
jednostce czasu, to 

częstość 

(częstotliwość):

background image

Sygnał w domenie częstotliwości

Składowa  stała - d.c. (lub wartość 
średnia)

background image
background image

      Sygnał dźwiękowy transformatora w domenie czasu i częstotliwości

background image

Prawie okresowe sygnały

background image

Najważniejszym (z punktu widzenia 

teorii przetwarzania sygnałów) 

przypadkiem szczególnym sygnałów 

okresowych są 

przebiegi 

harmoniczne 

opisane zależnością:

x(t) = a sin(2πft + Φ)

gdzie:     

a

 - amplituda,

         

2πft

 - faza chwilowa,

             

Φ

 - faza początkowa.

background image

Parametry sygnałów

 

okres

częstotliwość

wartość maksymalna

wartość średnia

wartość skuteczna

wartość chwilowa

amplituda

energia

moc

background image

Parametry sygnału

Pełną informację o zachodzących procesach 

daje obraz zmian parametrów w czasie. 

Dla poznania istoty zjawiska należałoby 

nieustannie obserwować zmiany wartości 

chwilowej. 

Jest to możliwe dla zjawisk wolnozmiennych,

 Wnioskowanie na podstawie wartości 

chwilowej przebiegów dynamicznych 

przekracza ludzkie możliwości postrzegania.

Istnieje konieczność posłużenia się 

wartościami zastępczymi (zwykle 

uśrednionymi), które pozwalają na ilościowy 

opis zjawiska.

background image

Praktycznie wszystkie sygnały generowane 
przez obiekty techniczne i spotykane 
realnie są w rzeczywistości losowe. 

W badaniach tych sygnałów składowa 
losowa jest często pomijana ze względu na 
jej niewielki udział energetyczny w całości 
zjawiska.

 Istnieją również specjalistyczne techniki 
przetwarzania sygnałów służące eliminacji 
elementów losowych. 

Takie postępowanie służy ułatwieniu 
interpretacji analizowanych przebiegów i 
może ułatwić modelowanie zjawisk.

background image

Do grupy 

sygnałów losowych

 zaliczymy 

wszystkie nie dające się opisać 
jednoznacznymi zależnościami 
matematycznymi ze względu na fakt, że 
konkretna obserwacja daje tylko jeden z 
wielu możliwych rezultatów. 

Pojedyncze funkcje czasu opisujące 
zjawisko losowe zwane są realizacjami lub 

funkcjami losowymi.

 

Realizacja w skończonym przedziale czasu 
to 

sygnał obserwowany

.

background image

Kształt przebiegu harmonicznego i 
jego parametry

background image

Przebiegi poliharmoniczne

 składają się z 

kilku (wielu) harmonicznych o różnych 

amplitudach i fazach początkowych. 

Najprostszy przebieg poliharmoniczny będzie 

wyrażony jako suma dwóch składowych 

harmonicznych.

Sygnały prawie okresowe

 powstają przez 

zsumowanie kilku (wielu) harmonicznych o 

częstotliwościach, których co najmniej jeden 

iloraz jest liczbą niewymierną.

Sygnały przejściowe (nieustalone) 

są 

opisane ścisłymi formułami matematycznymi 

innymi od omówionych dotychczas, nie 

będąc zarazem okresowymi. Przykładem 

może być impuls, wymuszenie prostokątne 

bądź proces opisany funkcją wykładniczą.

background image

Wśród 

sygnałów losowych 

zwróćmy uwagę na 

sygnały stacjonarne

, a zwłaszcza 

stacjonarne i 

ergodyczne

.

 

Stacjonarność

 polega na identycznych 

wartościach średniej i funkcji autokorelacji procesu 
losowego w kolejnych chwilach czasowych.

Ergodyczność

 zawęża grupę procesów 

stacjonarnych do takich, których funkcja 
autokorelacji i wartość średnia są identyczne dla 
wszystkich realizacji. 

O parametrach procesów stacjonarnych i 
ergodycznych zarazem można wnioskować na 
podstawie konkretnych pojedynczych realizacji.

background image

Charakterystyczne parametry 
przebiegu dynamicznego

background image

Elektryczne sygnały pomiarowe 

Ze względu na kształt można 
podzielić je na:

 - sinusoidalne
 - prostokątne
 - piłokształtne

background image

Sygnały cyfrowe 

Ze względu na częstość powtarzania można 

podzielić je na:

sygnały o zadanym wzorze

sygnały losowe 

(wzór sygnału nie powtarza się 

i nie da się przewidzieć jaki będzie w 

przyszłości)

sygnały pseudolosowe 

(wzór sygnału powtarza 

się, ale dopiero po długim czasie, w stosunku 

do czasu trwania pojedynczego bitu; 

sekwencja do czasu jej powtórzenia ma 

rozkład podobny do losowego). 

background image

Sygnał pomiarowy

background image

Sygnał w dziedzinie czasu

background image

Parametry amplitudowe sygnału w 
dziedzinie czasu

background image

Sygnał przemienny ze składową 
stałą

background image

Wartość skuteczna sygnału

background image

Analiza wartości skutecznej

background image

Parametry czasowe sygnału 
impulsowego

background image

Przekształcenie (transformata) 
Fouriera

Transformacja z dziedziny czasu do dziedziny 

częstotliwości

Proste przekształcenie Fouriera sygnału 
x(t) jest zdefiniowane 
całką

Odwrotne przekształcenie Fouriera jest 
zdefiniowane całka

background image

Szeregi Fouriera

background image

Dziedzina czasu – dziedzina 
częstotliwości

background image

Sygnał w dziedzinie czasu i 
częstotliwości

background image

Sygnał w dziedzinie czasu i 
częstotliwości

background image

Podstawowe zalety przetwarzania cyfrowego 

to: 

uniwersalność

 – inaczej programowalność, 

ten sam układ cyfrowy (mikroprocesor) może 

realizować różne zadania w zależności od 

programu (algorytmu) 

stabilność

 – układy cyfrowe są mniej 

wrażliwe na zmiany temperatury i procesy 

starzeniowe (nie zmieniają swoich 

parametrów z upływem czasu) 

powtarzalność

 – odpowiedź układu 

cyfrowego, na daną kombinację stanów 

wejściowych, powinna być zawsze taka sama 

realizowalność

 – w technice analogowej 

trudno jest zrealizować niektóre funkcje, np. 

filtry szczelinowe 

background image

Parametry sygnału w dziedzinie 
częstotliwości

background image

Tor przetwarzania

background image

Podstawowe właściwości 
przetwarzania analogowo-
cyfrowego

background image

Przetwarzanie analogowo-cyfrowe jest 

we współczesnych technice 

pomiarowej jednym z najważniejszych 

procesów realizowanych w trakcie 

przetwarzania sygnałów pomiarowych. 

Właściwości przetwornika analogowo-

cyfrowego często decydują o 

właściwościach metrologicznych przyrządu 

lub systemu pomiarowego. 

Zalety cyfrowego przetwarzania sygnałów 

powodują, że konstruując przyrządy i układy 

pomiarowe dąży się do zastępowania 

elementów analogowych przez elementy 

realizujące przetwarzanie cyfrowe. 

background image

Cyfrowe przetwarzanie 
sygnałów
 CPS; (ang. Digital Signal 
Processing, DSP

Dziedzina nauki i techniki zajmująca 
się 

sygnałami

 w postaci 

cyfrowej

 i metodami 

przetwarzania takich sygnałów.

 Cyfrowe przetwarzanie sygnałów i analogowe 
przetwarzanie sygnałów są gałęziami nadrzędnej 
dyscypliny: przetwarzanie sygnałów. 

W ramach CPS wskazać można takie obszary 
jak: 

cyfrowe przetwarzanie dźwięku

 ,

cyfrowe 

przetwarzanie obrazu

 oraz 

przetwarzanie mowy

.

background image

Pierwszym etapem cyfrowego przetwarzania 
sygnałów jest zazwyczaj konwersja sygnału 
z postaci analogowej na cyfrową za pomocą 
przetwornika analogowo-cyfrowego.

 Często, sygnał przetworzony cyfrowo jest 
sygnałem wejściowym dla układu 
analogowego - wymaga to zastosowania 
przetwornika cyfrowo-analogowego.

background image

Algorytmy Cyfrowego Przetwarzania Sygnałów 
są niekiedy realizowane przez specjalizowane 
urzadzenia kompterowego, które korzystają ze 
specjalizowanych procesorów sygnałowych 
(ang. Digital Signal Processor, 

DSP

). Pozwalają 

one na przetwarzanie sygnałów w czasie 
rzeczywistym (ang. real time signal processing).

CPS

 zazwyczaj analizuje się sygnał w jednej z 

następujących dziedzin: w dziedzinie czasu 
(sygnały jednowymiarowe), w dziedzinie 
przestrzeni (sygnały wielowymiarowe), w 
dziedzinie częstotliwości  i w dziedzinie 
przestrzeni transformaty.

background image

Filtracja

 

Dziedzina czasu

 to naturalna dziedzina opisu i 

analizy sygnałów i układów w funkcji zmiennej  t .

Do najpowszechniejszych operacji przetwarzania 
sygnałów w dziedzinie czasu i przestrzeni należy 
obróbka sygnału wejściowego w celu poprawienia 
jego własności. Odbywa się to w procesie 
nazywanym 

filtracją

Filtracja

 sprowadza się do wykonania pewnych 

operacji na zbiorze próbek wejściowych 
sąsiadujących z bieżącą próbką sygnału 
wyjściowego. 

background image

Filtry

Filtr "

liniowy

" jest liniowym przekształceniem próbek 

wejściowych; pozostałe filtry określane są jako 
"nieliniowe". Filtry liniowe spełniają zasadę 
superpozycji.

Filtr "

przyczynowy

" używa wyłącznie poprzednich 

próbek wejściowych lub wyjściowych; podczas gdy 
filtr "

nieprzycznynowy

" do obliczenia aktualnej 

próbki wyjściowej przyszłych próbek wejściowych. 

Filtr nieprzyczynowy może być zmieniony w filtr 
przyczynowy poprzez dodanie do niego opóźnienia.

background image

Filtry

Filtr "

niezmienny w czasie

" ma stałe 

właściwości w czasie; inne filtry, takie jak 
np. filtry adaptacyjne zmieniają swoje 
właściwości w czasie.

Filtry o "

skończonej odpowiedzi impulsowej

(SOI) korzystają tylko z sygnału wejściowego, 
podczas gdy filtry o "

nieskończonej odpowiedzi 

impulsowej

" (NOI) korzystają zarówno z próbek 

wejściowych jak i poprzednich wartości próbek. 

background image

Rodzaje filtrów

Dolnoprzepustowy

Środkowoprzepustowy

Górnoprzepustowy

Środkowozaporowy

background image

Rodzaje filtrów

•  Filtr

 Butterwortha 

- charakteryzuje się całkowicie 

płaską odpowiedzią amplitudową w pełnym obszarze.

•   Filtr

 Czebyszewa 

- zawiera niewielkie tętnienia w 

paśmie przepustowym ale jego nachylenie obszaru 
przejściowego jest o wiele bardziej ostre.

Filtr

 eliptyczny 

- charakteryzuje się najkrótszym 

obszarem przejściowym, ale jego odpowiedź fazowa 
jest wyjątkowo nieliniowa.

Filtr

 Bessela 

- mają wyjątkowo płaską charakterystykę 

odpowiedzi fazowej w całym paśmie przepustowym.

background image

Kryteria oceny filtrów

Powszechnie stosowanymi kryteriami oceny odpowiedzi 

filtru w dziedzinie czasowej są:

   

Czas narastania 

(czas po jakim napięcie wyjściowe 

osiągnie 90% swej wartości maksymalnej)

   

Czas ustalania 

(czas w jakim napięcie wyjściowe 

ustala się w obrębie 5% odchylenia od swej wartości 
końcowej)

  

 Przerzut 

(maksymalna wartość napięcia o jaką 

napięcie wyjściowe przewyższa chwilowo swą wartość 
końcową po przekroczeniu czasu narastania)

   

Dzwonienie 

(oscylacje wokół wartości końcowej)

background image

Przekształcenia sygnału

 

Dziedzina częstotliwości

 to dziedzina opisu i 

analizy sygnałów i układów w funkcji zmiennej f – 
częstotliwości

Sygnały są przekształcane z dziedziny czasu do 
dziedziny częstotliwości zazwyczaj za pomocą 

transformacji Fouriera

  (w praktyce 

wykorzystuje się  FFT).

 Z wyniku transformaty  możemy dowiedzieć się o 
amplitudzie i fazie poszczególnych składowych 
częstotliwościowych.

background image

Dyskretna transformata Fouriera 

Metody analizy widmowej sygnałów opierają się na koncepcji 

dyskretnego przekształcenia Fouriera

Dyskretna transformata Fouriera (DFT z ang. Discrete 
 Fourier Transform) jest transformatą Fouriera  wyznaczoną 
dla sygnału próbkowanego , a więc dyskretnego.

DFT przekształca skończony ciąg próbek sygnału   w ciąg 
harmonicznych zgodnie ze wzorem:

gdzie: 

i

 - jednostka urojona,

 k

 - numer harmonicznej, 

n

 - numer próbki 

sygnału,, N - liczba próbek.

background image

Proces przekształcenia sygnału analogowego 

na dyskretny nazywany jest 

dyskretyzacją 

(

próbkowaniem, 

digitalizacją

). 

Zamianę wartości analogowej na cyfrową 
określa się jako 

kwantyzację

.

 Podczas obu tych przekształceń tracona 
jest część informacji zawartej w sygnale 
analogowym, co opisuje się jako 

szum 

kwantyzacji

.

Urządzenie przetwarzające jeden sygnał na 
inny nazywane jest 

przetwornikiem

.

background image

Przetwarzanie analogowo-cyfrowe

Przetwarzanie analogowo-cyfrowe jest 
procesem składającym się z dwóch 
etapów: 

-

dyskretyzacji w dziedzinie czasu 

czyli 

próbkowania

 

-

 

dyskretyzacji w dziedzinie amplitudy 

czyli 

kwantowania

background image

Próbkowanie polega na rejestracji 

wartości sygnału z odstępem czasowym 

określanym jako okres próbkowania

.  

Elementarnym zagadnieniem jest 

dopasowania częstotliwości próbkowania do 

pasma przetwarzanych sygnałów. 

Z twierdzenia 

Nyquista

, wynika, że aby 

można było odtworzyć sygnał z jego próbek 

bez zniekształceń, 

częstotliwość 

próbkowania musi być przynajmniej 2 

razy większa od częstotliwości 

najwyższej harmonicznej występującej 

w sygnale

background image
background image
background image

Częstotliwość Nyquista

Częstotliwość Nyquista

 jest to największa częstotliwość 

sygnału ciągłego, przy której możliwa jest zamiana sygnału w 
postać dyskretną  bez straty informacji przy danym okresie 
próbkowania.

 Sygnał o częstotliwości mniejszej niż częstotliwość Nyquista 
może być odtworzony z powrotem do postaci analogowej bez 
zniekształceń.

Częstotliwość Nyquista wyrażona jest wzorem:

gdzie: T – okres próbkowania.

 Częstotliwość Nyquista jest równa połowie częstotliwości 
próbkowania
.

background image

Próbkowanie sygnału 1

background image

Próbkowanie sygnału 2

background image

Próbkowanie i podtrzymanie 
sygnału

                                                 

background image

W praktyce relacja pomiędzy częstotliwością 

próbkowania, a częstotliwością sygnału zależy 

zarówno od celu przetwarzania (pomiar 

parametrów, rejestracja, analiza widmowa) jak i 

charakteru zmienności sygnału (ciągły sygnał 

okresowy, przebieg jednokrotny, sygnał logiczny). 

Proces próbkowania może być realizowany 

zarówno przez sam przetwornik analogowo-

cyfrowy jak i przez specjalny układ próbkująco-

pamiętający (S/H). 

Układy scalone, realizujące przetwarzanie 

analogowo-cyfrowe, często zawierają w swojej 

strukturze układ S/H i właściwy przetwornik a/c. 

W odniesieniu do przetworników a/c podstawowy 

podział tych przetworników to układy 

przetwarzające wartość chwilową i wartość 

średnią. 

background image

Kwantowanie sygnału

Kwantowanie sygnału polega na 

przyporządkowaniu ciągłym przedziałom 

wartości sygnału analogowego pewnych 

wartości dyskretnych w postaci cyfrowej

Nieuchronnie następuje przy tym strata informacji, 

ponieważ nieskończonej liczbie wartości sygnału w 

każdym przedziale jest przypisana tylko jedna 

wartość cyfrowa. 

Odwzorowanie ciągłych wartości sygnału 

analogowego (w praktyce napięcia) na cyfrowe 

będzie tym dokładniejsze im przedział wartości 

analogowych będzie mniejszy. 

Ten elementarny przedział jest określany jako 

przedział kwantowania i opisany jako q (U

FS

 jest 

pełnym zakresem przetwarzania, a n liczbą bitów 

przetwornika). 

background image

Kwantowanie sygnału

background image
background image
background image

Charakterystyka przetwarzania

background image

Rzeczywista charakterystyka przetwarzania 
może mieć przebieg nieco odmienny od 
przedstawionej właśnie charakterystyki 
idealnej (dla określonego przedziału 
kwantowania).

 Najczęściej można się spotkać z błędami 
przesunięcia (rys. 1) i wzmocnienia (rys. 2). 

Oba błędy należą do błędów statycznych 
oraz systematycznych, zatem mogą być 
skorygowane w procesie kalibracji 
przetwornika.

background image

Charakterystyki przetwarzania z 
błędami

background image

Błędy nieliniowości

background image

Własności dynamiczne 
przetworników a/c

background image

Klasyfikacji metod przetwarzania

W kontekście przyrządów i układów 

pomiarowych podstawowe znaczenie 
mają: 

metody integracyjne 

metoda bezpośredniego porównania 
równoległego 

metody wieloprzebiegowe 

metoda kompensacji wagowej 

background image

Metody przetwarzania analogowo-
cyfrowego

background image

Właściwości przetwarzania 
integracyjnego

background image

Przetwarzanie kompensacyjne

background image

Właściwości przetwarzania 
kompensacyjnego

background image

Właściwości przetwarzania 
równoległego

background image

MODULACJA    SYGNAŁU

Bez modulacji przesyłanie sygnałów na 
dalekie odległości byłoby niemożliwe.

Modulacja ma przede wszystkim na celu 
dopasowanie właściwości widmowych 
sygnału do charakterystyk 
częstotliwościowych kanału transmisyjnego.

Modulacja umożliwia efektywne 
wykorzystanie pasma przepustowego kanału.

background image

Modulację określa się często jako proces 
uzmienniania parametrów ustalonego 
standardowego sygnału 

c(t)

, nazywanego 

sygnałem nośnym 

lub 

falą nośną

.

Parametry te są uzmienniane w zależności od 
bieżących wartości sygnału informacyjnego.

Sygnał informacyjny jest nazywany 

sygnałem 

modulującym

, a fala nośna  – 

sygnałem 

modulowanym. 

Sygnał otrzymany w wyniku operacji modulacji 
 

jest nazywany 

sygnałem zmodulowanym

.

background image

 Modulacja impulsowa - zmiany wartosci 
parametrów nastepują od impulsu do impulsu (od 
próbki do próbki),a wiec zachodzą w czasie w 
sposób skokowy.

Jeśli uzmienniany parametr przybiera wartości w 
zbiorze ciągłym, modulację impulsową nazywamy 

analogową

.

Jeśli natomiast w wyniku kwantowania uzmienniany 
parametr przybiera wartości w zbiorze skończonym, 
modulację impulsową nazywamy 

cyfrową

W tym drugim przypadku modulacja jest nazywana 
także modulacją 

impulsowo-kodową .

background image

Fale nośne: harmoniczna (a) i unipolarna fala prostokątna (b)

background image

Klasyfikacja systemów modulacji

background image

Modulacje analogowe, w których w zależności od 
sygnału informacyjnego jest uzmienniana 
amplituda fali nośnej, są nazywane 

modulacjami 

amplitudy

.

Modulacje analogowe, w których zmianom podlega 
kąt fali nośnej, są nazywane 

modulacjami kąta

.

Do najczęściej stosowanych w praktyce cyfrowych 
systemów modulacji zaliczamy modulacje z 

kluczowaniem

:

                 – amplitudy
                 – fazy 
                 – częstotliwości 
                 
– jednoczesnym amplitudy i fazy.

background image

Sygnał modulujący (a), jego widmo (b) oraz sygnał zmodulowany AM 

(c) i jego widmo (d)

background image

Sygnał PM 

zmodulowany sygnałem 

x(t)

 jest 

równoważny 

sygnałowi FM 

zmodulowanemu 

sygnałem pochodnej 

dx(t)/dt

, natomiast sygnał FM 

zmodulowany sygnałem x(t) jest równoważny 
sygnałowi PM zmodulowanemu sygnałem całki

                                  ∫x(t) dt.

 

Modulację PM 

można zatem zrealizować z 

wykorzystaniem modulatora FM, podając na jego 
wejście 

zróżniczkowany sygnał modulujący

, a 

modulacje FM 

można zrealizować z wykorzystaniem 

modulatora PM, podając na jego wejście 

scałkowany 

sygnał modulujący.

background image

Realizacja modulatora PM za pomocą modulatora FM i 

układu różniczkującego (a) oraz realizacja modulatora 
FM za pomocą modulatora PM i układu całkującego (b)

background image

Fala nośna sygnału PAM 

(ang. Pulse Amplitude 
Modulation)
 (a), 

sygnał modulujący (b),
sygnał zmodulowany PAM 

(c)  

jego widmo (d)

background image

Sygnały: 
b) PAM (ang. Pulse 

Amplitude Modulation)

c)  PDM (ang. Pulse 

Duration Modulation)

d) PPM (ang. Pulse 

Position Modulation)

 zmodulowane tym 

samym sygnałem 
informacyjnym (a)

 

background image

Kodowanie 

sygnału PAM 

(modulacja 
amplitudy 
impulsów)

background image

Sygnały 
występujące w 
kolejnych etapach 
generacji sygnału 
PCM (modulacja 
delta DM 
modulacja 
impulsowo-kodowa)

background image

Koniec wykładu


Document Outline