Detail předmětu

Zpracování a digitalizace analogových signálů

FEKT-BZDAAk. rok: 2017/2018

Předmět se zabývá problematikou návrhu analogových obvodů pro zpracování signálů ze snímačů včetně představení nástrojů pro simulaci a analýzu elektronických obvodů, sběr a zpracování signálů, a hardwarových prostředků pro praktický návrh elektronických obvodů. Studenti se seznámí se základními zapojeními pro úpravu signálů z aktivních a pasivních snímačů - použití můstků, proudových zdrojů, zesilovačů a filtrů. Dále jsou podrobněji rozebrána obvodová řešení pro odporové, kapacitní a indukčnostní snímače, úprava a zpracování signálů z termočlánků, fotodiod a snímačů s piezoelementem. Pozornost je věnována také proudovým smyčkám, smíšený a izolovaným rozhraním a obvodům pro digitalizaci analogových signálů včetně konkrétních řešení snímačů s digitálním výstupem.

Výsledky učení předmětu

Absolvent předmětu je schopen samostatně navrhnout a prakticky realizovat základní elektronický obvod pro úpravu a zpracování analogového signálu ze snímačů nejčastěji měřených fyzikálních veličin, dokáže popsat základní postupy pro sběr a zpracování dat s využitím virtuální instrumentace. Dokáže identifikovat specifika návrhu obvodů pro jednotlivé typy fyzikálních převodníků a aplikovat je při teoretickém návrhu. Je schopen analyzovat základní obvodová řešení zpracování signálů ze snímačů s operačními zesilovači s počítačovou podporou v prostředí Multisim. Dokáže ovládat toto simulační prostředí a využít základní analýzy pro zjištění a ověření vlastností řešeného elektronického obvodu. Umí popsat vývojovou platformu NI Elvis a dokáže ji využít pro prototypový návrh a ověření elektronického obvodu se základními elektronickými součástkami a operačními zesilovači. Dokáže otestovat prakticky vytvořený elektronický obvod, srovnat výsledky se simulačním modelem a znázornit základní statické a dynamické parametry obvodu (pracovní bod, frekvenční charakteristiky, atd.). Je schopen popsat používaná elektrická rozhraní snímačů a vysvětlit základní principy A/D převodníků používané v elektronických obvodech snímačů fyzikálních veličin.

Prerekvizity

Student, který si zapíše předmět, by měl být schopen vysvětlit princip činnosti základních pasivních a aktivních elektronických součástek, definovat jejich základní vlastnosti a umět je využít v základních elektronických obvodech. Dále by měl být schopen vyjmenovat základní zákony a pravidla pro řešení lineárních elektronických obvodů a využít je pro jejich řešení. Dokázal definovat základní přenosové parametry pasivních dvojbranů, vypočítat a znázornit jejich frekvenční charakteristiky. Uměl vysvětlit princip jednoduchého operačního zesilovače a znázornit jeho základní vnitřní strukturu. Dokázal vyjmenovat základní typy A/D převodníků a popsat princip funkce D/A převodníků. Měl by být schopen definovat měřicí systém založený na virtuální instrumentaci a popsat základní možnosti vytvoření takového systému s využitím vývojového prostředí LabVIEW. Student by měl disponovat takovými jazykovými znalostmi, aby porozuměl studijním materiálům i v anglickém jazyce.

Doporučená nebo povinná literatura

KESTER, W. Practical design techniques for sensor signal conditioning. Analog Devices, Inc., USA, 1999. ISBN 0-916550-20-6. (EN)
PUNČOCHÁŘ, J. Operační zesilovače v elektronice. BEN - technická literatura, Praha, 5. vydání, 2002. 288 s. ISBN 80 7300-058-X. (CS)
JURÁNEK, A. MultiSIM - Elektronická laboratoř na PC. BEN - technická literatura, Praha, 1. vydání, 2008. 288 s. ISBN 978-80 7300-194. (CS)
SHEINGOLD, D. H. Transducer Interfacing Handbook - A Guide to Analog Signal Conditioning. Analog Device, Inc., USA, 1. vydání, březen 1980. 231 s. ISBN 0 916550-05-2. (EN)
KABEŠ, K. Operační zesilovače v automatizační technice. SNTL - Nakladatelství technické literatury n. p. Praha, 1. vydání, 1989. 260 s. (CS)
KŘIŠŤAN, L., VACHALA, V. Příručka pro navrhování elektronických obvodů. SNTL - Nakladatelství technické literatury n. p. Praha, 1. vydání, 1982. 400 s. (CS)
KITCHON CH., COUNTS, L. A Designer's Guide to Instrumentation Amplifiers. Analog Devices, Inc., USA, 2. vydání, 2004. 108 s. Dostupné z . (EN)
WILLIAMS, J. Application Note 43 - Bridge Circuits. Linear Technology, USA, červen 1990. 48 s. Dostupné z . (EN)
VLACH, J., HAVLÍČEK, J., VLACH, M. Začínamé s LabVIEW. BEN - technická literatura, Praha, 1. vydání, 2008. 248 s. ISBN 978-80 7300-245-9. (CS)
HOROWITZ, P., HILL, W. The art of electronics. Cambridge University Press, UK, 2. vydání, 1989 (2001). 1125 s. ISBN 0 521-37095-7. (EN)

Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody

Metody vyučování zahrnují přednášky a laboratoře.

Způsob a kritéria hodnocení

Až 40 bodů za laboratorní cvičení, v následující skladbě:
- až 5 bodů (2+3) ze dvou krátkých praktických úkolů v prostředí Multisim,
- až 5 bodů (2+3) ze dvou krátkých praktických úkolů při využívání platformy NI Elvis,
- až 10 bodů za teoretický test znalostí ovládání simulačních, vývojových a prototypových softwarových nástrojů pro řešení elektronických obvodů, sběr a zpracování signálů,
- až 10 bodů ze samostatného teoretického návrhu el. obvodu s využitím simulace v Multisim,
- až 10 bodů ze samostatné realizace a ověření vlastností el. obvodu na platformě NI Elvis.
Pro získání zápočtu z předmětu a možnosti přistoupit k závěrečné zkoušce je nutné získat alespoň polovinu bodů z laboratorních cvičení, tzn. 20 bodů.
Až 60 bodů za písemnou zkoušku.

Jazyk výuky

čeština, angličtina

Osnovy výuky

1. Úvod do problematiky návrhu analogových obvodů pro zpracování signálů ze snímačů.
2. Nástroje pro simulaci a analýzu elektronických obvodů. MultiSIM. Softwarové prostředky pro sběr a zpracování signálů. LabVIEW.
3. Hardwarové a softwarové prostředky pro praktický návrh elektronických obvodů a sběr analogových a digitálních signálů. NI ELVIS.
4. Snímače neelektrických veličin jako elektronické obvodové prvky (aktivní, pasivní).
5. Zapojování snímačů - použití můstků, proudových zdrojů, zesilovačů a filtrů.
6. Zesilovače (operační, přístrojové, nábojové). Můstková zapojení snímačů (odporové, kapacitní, indukčnostní).
7. Pasivní snímače - obvodová řešení pro snímače teploty, polohy. Snímače s vysokou impedancí.
8. Pasivní snímače II - obvodová řešení pro odporové snímače mech. deformace, síly, tlaku a průtoku.
9. Aktivní snímače - obvodová řešení pro termočlánky, fotodiody.
10. Aktivní snímače II - obvodová řešení pro snímače polohy, rychlosti a zrychlení.
11. Proudové smyčky, smíšená a izolovaná rozhraní.
12. Převodníky pro digitalizaci analogových signálů.
13. Snímače s digitálním rozhraním (I2C, SPI,…).

Cíl

Cílem předmětu je zvládnutí základních teoretických i praktických dovedností pro samostatný návrh analogových obvodů zejména pro zpracování signálů ze snímačů. Získat praktické zkušenosti s programovým vybavením pro teoretický návrh a simulaci analogových obvodů, o hardwarových a softwarových prostředcích pro úpravu a digitalizaci analogových signálů ze snímačů a se základními metodami pro vyhodnocení naměřených dat.

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky

Povinná účast na laboratorních cvičeních, v případě neúčasti je možno doplnit zameškanou látku náhradním cvičením v daném týdnu nebo samostatným studiem literatury. Tolerují se dvě omluvené neúčasti.

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program EEKR-B bakalářský

    obor B-AMT , 3. ročník, zimní semestr, 6 kreditů, volitelný oborový

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

Laboratorní cvičení

39 hod., povinná

Vyučující / Lektor