UHFLI Lock-in Amplifier UHFLI Visão geral Vídeo UHFLI Aplicações Engenharia RampD: Teste de oscilador, FFT Analisador de Espectro, Analisador de Resposta de Freqüência (FRA), Vector Network Analyzer (VNA) Produção industrial: teste de chips, análise de falhas, desodorante de transmissão RFID, Laser Voltage Prober ( LVP), Teste não destrutivo (NDT) Espectroscopia laser, microscopia confocal: ultra-alta velocidade de digitalização, espectroscopia THz Medtech: citometria de fluxo, espectroscopia de impedância elétrica Amplificador Quantum Física Nano: MRFM, transistores de um único elétron, computação quântica, medição de ruído, grafeno Microscópio de sondagem de varredura: microscópio óptico de alta velocidade (AFM), varredura de microscópio óptico de campo próximo (SNOM) Atuadores de sensores: MEMS, NEMS (por exemplo, giroscópios, acelerômetros, etc.) UHFLI Opções disponíveis Digitalizador UHF-DIG A combinação de amplificador de bloqueio e digitalizador Em uma caixa permite uma ampla gama de novas oportunidades de medição, utilizando streaming contínuo, desencadeamento sofisticado de domínio cruzado e um 128 MS segmentado Uma memória para cada um dos canais de 2 Escopo. Diagrama Funcional UHFLI As 2 Entradas de Sinal e 2 Saídas de Sinal efetivamente fornecem 2 amplificadores de bloqueio em um único instrumento. Cada unidade de amplificação de bloqueio compreende 4 demoduladores de fase dupla que simultaneamente fornecem X, Y, R e. Entradas de sinal de alta precisão As 2 entradas de sinal da UHFLI fornecem excelentes especificações de ruído e operam em modo de extremidade única. O acoplamento de entrada é selecionável entre alta impedância e 50, adequando-se a aplicações de baixa freqüência e alta velocidade. Para o modo de referência externo e o desencadeamento preciso em eventos externos, o UHFLI vem com 2 conectores de entrada e 2 conectores bidirecionais adicionais. Também são suportados modos internos e de dupla auto-referência. Geradores de sinal O UHFLI gera 2 saídas de sinusoidais de baixa distorção ideais para dirigir o dispositivo sob teste ou a maioria dos dispositivos de modulação. A opção multi-frequência UHF-MF oferece 6 osciladores adicionais e permite a geração de uma combinação linear de até 8 sinusoides. Os conectores adicionais no painel frontal fornecem sinais de amplitude, fase ou quadratura demodulados, referências de onda quadrada ou sinais de disparo para hardware externo. Demoduladores e Filtros O UHFLI vem com 8 desmoduladores de fase dupla para medição simultânea em 4 freqüências harmônicas por entrada de sinal. Cada demodulador possui parâmetros de filtro individualmente configuráveis. Os dados de amplitude e fase medidos após a desmodulação são transmitidos em tempo real para o computador host. Uma rede de referência e de disparo fornece operação de alto desempenho: entrada de referência e trabalho de saída com uma largura de banda de 600 MHz, disparo de entrada e tempo de reação de recurso de saída até 100 ns. O UHFLI é o primeiro amplificador de bloqueio com funcionalidades dedicadas de gatilho de hardware e software. Os gatilhos de hardware permitem uma rápida reação às condições físicas, enquanto que os disparadores de software fornecem uma infra-estrutura para definir critérios de gatilho complexos. Os disparadores são usados para produzir amostras demoduladas em pontos específicos no tempo, ou para sincronizar ações entre vários domínios funcionais dentro da UHFLI. Unidade Aritmética A Unidade Aritmética UHF permite uma computação rápida em uma infinidade de dados de medição. Este processador possui adição, subtração, multiplicação e divisão de todos os dados que estão disponíveis nas saídas auxiliares. As aplicações incluem detecção equilibrada, normalização por referência ou rastreamento de ressonância de dupla freqüência. UHFLI Especificações Modos de operação de bloqueio O que é um filtro Em um sistema de controle moderno, um filtro é um algoritmo (ou bloco de função) usado principalmente para a redução de ruído em um sinal de medição de processo (Figura 1). Mas esse não é o seu único uso, como veremos mais adiante. Figura 1. Filtro de ruído. Tipos de filtros Os sistemas de controle geralmente fornecem filtros de média em movimento de primeira ordem e de média móvel. Alguns sistemas de controle fornecem filtros de ordem superior. Os diferentes tipos de filtros são brevemente discutidos abaixo. Filtro de atraso de primeira ordem O tipo de filtro mais comum é o filtro de atraso de primeira ordem do qual a saída aborda o valor da entrada de forma exponencial ao longo do tempo (Figura 2). Isso também é chamado de filtro passa-baixa porque as altas freqüências (mudanças rápidas) são atenuadas e baixas freqüências (mudanças lentas) são transmitidas. Isso torna o filtro de atraso de primeira ordem ideal para reduzir o componente de ruído em um sinal de medição do processo porque o ruído tende a ser de maior freqüência do que as mudanças de processo. Figura 2. Resposta de um filtro de atraso de primeira ordem de 20 segundos para uma mudança de passo em sua entrada. A constante de tempo de um filtro de atraso de primeira ordem é o tempo que leva para que sua saída mude 63.2 de uma mudança sustentada em sua entrada (Figura 2). Filtro de média móvel Outro tipo de filtro é o filtro de média móvel. Esse tipo de filtro armazena uma série de amostras em um buffer primeiro-em-primeiro-saída. Em cada ciclo de execução, um novo valor da entrada dos filtros é armazenado no buffer e o valor mais antigo é descartado. O filtro então calcula a média de todos os valores armazenados, que então se torna a nova saída do filtro, conforme descrito na Figura 3. Figura 3. Filtro médio em movimento. A saída de um filtro de média móvel se aproxima linearmente do valor final e, em seguida, ocorre uma parada abrupta, em oposição a um atraso de primeira ordem que se aproxima exponencialmente do valor final (Figura 4). Figura 4. Saída de um filtro de média móvel em comparação com o de um filtro de atraso de primeira ordem. Filtros de ordem superior Os filtros de ordem superior consistem em atrasos e derivações múltiplos dispostos de forma específica para fornecer um corte mais acentuado ou simplesmente filtrar as freqüências específicas (como 60 Hz). Embora esses filtros sejam muito mais comuns na indústria eletrônica, alguns sistemas de controle também fornecem pelo menos um subconjunto deles. Os tipos de filtro de ordem superior incluem passagem baixa, passagem de banda, entalhe e passe alto (embora o último seja muito incomum em aplicações de controle de processo. Provavelmente existem situações em que o uso de filtros de ordem superior seria preferível ao longo de Filtros de atraso simples de primeira ordem, mas para a maioria dos casos no controle de processo geral, os filtros de atraso de primeira ordem são adequados para suavizar sinais de medição de processo ruidosos. Como os filtros de ordem superior raramente são usados em loops de controle, não aprofundarei seu design E aplicativo aqui. Devo usar um filtro de primeira ordem ou de uma média móvel Se você tiver uma escolha, não use um filtro de média móvel para suavizar uma medida de processo ruidosa. Um filtro de atraso de primeira ordem é mais adequado para suavizar O motivo é o seguinte: com um filtro de atraso de primeira ordem, os valores recentemente amostrados contribuem mais para a saída do que as amostras mais antigas, o valor mais recente contribui mais e a contribuição das amostras mais antigas diminui exponencialmente ao longo do tempo. Com um filtro de média móvel, todos os valores no buffer contribuem igualmente para a saída. Se houver uma espiga na entrada de um filtro de média móvel, sua contribuição permanece inalterada até desaparecer de repente quando o valor cai do buffer. Com um filtro de atraso, a contribuição do pico irá diminuir ao longo do tempo. Aplicações de filtro Existem três aplicativos principais para filtros em sistemas de controle. Estes são discutidos abaixo. Filtro de ruído Também chamado de mais suave, os filtros de ruído são usados para suavizar o ruído de alta freqüência de um sinal de medição de processo, conforme ilustrado na Figura 1. Esses filtros são comumente aplicados a sinais de medição de fluxo, devido à tendência desses sinais de ter um Componente de ruído substancial. Um filtro de atraso de primeira ordem com uma constante de tempo de dois a três segundos é normalmente suficiente para um circuito de controle de fluxo. Maiores constantes de tempo podem ser usados se necessário, mas tenha cuidado para que o filtro não se torne o atraso dominante no circuito. Algumas medições de nível também podem ter um grande componente de ruído, e. Onde a separação de ferver ou líquido-gás afeta o nível. Os controladores de nível (exceto em cilindros de vapor e tanques de pressão) exigem frequentemente um alto ganho de controle, tornando a saída do controlador muito sensível ao ruído. Nesses casos, os filtros com constantes de tempo mais longas (por exemplo, 10 a 20 segundos) podem ser necessários. Uma constante de tempo de filtro apropriada (Tf) pode ser calculada da seguinte forma: Tf (Amplitude de Ruído) (Amplitude Desejada após Filtragem) (Período de Ruído) (2 x PI) Onde PI 3.14 e o período do ruído podem ser determinados contando O número de picos em um sinal durante um minuto, e depois inverter esse número, ou seja, usar 1x. A equação acima lhe dará o tempo do filtro em minutos. Converta este número em segundos (multiplique por 60) se seu sistema de controle usar segundos como unidade de tempo para filtros. Observe que adicionar um filtro em um loop de controle ou alterar a constante de tempo dos filtros muda o comportamento dinâmico do loop de controle. Isso requer o retorno do controlador para acomodar as novas dinâmicas de loops. Além disso, use a filtragem mínima possível, porque um filtro introduz o atraso, o que provavelmente resultará em um loop de controle de desempenho mais lento e pode ocultar problemas de processo. Filtro anti-aliasing No controle de processo, filtros anti-alias são usados em sinais de entrada analógicos para remover componentes de alta freqüência dos sinais antes de serem amostrados pelo sistema de controle digital. Isso é feito para evitar problemas de alias em que os componentes de alta freqüência no sinal original aparecem como aliases de baixa freqüência após a amostragem pelo sistema de controle. O YouTube tem alguns bons vídeos que demonstram aliasing. A filtragem anti-alias deve ser feita no transmissor, ou seja, antes que o sinal analógico seja amostrado pelo conversor AD no módulo de entrada dos sistemas de controle. O filtro anti-aliasing deve fornecer um mínimo de -12 dB de atenuação na freqüência de Nyquist, mas, de preferência, mais como explicado em um documento de 1994 pela EnTech. Isso pode ser fornecido por um filtro passa-baixa de primeiro ordem com uma constante de tempo ajustada para pelo menos 1,3 vezes o período de amostragem mais lento. Por exemplo, se o cartão de entrada amostrar as entradas analógicas a uma taxa de 1 amostra por 500 milissegundos e o intervalo de execução do controlador for 1 segundo, deve ser utilizada uma constante mínima de tempo de filtro de 1,3 segundos. Filtro de ponto de ajuste Um filtro de ponto de ajuste passa o ponto de ajuste de loops de controle através de um filtro de atraso de primeira ordem antes de o controlador receber o sinal. Um filtro de setpoint pode ser usado para reduzir ou eliminar overshoot em loops de controle que recebem alterações de setpoint feitas pelo operador. Isso se aplica principalmente aos processos dominantes de atraso que foram sintonizados para a rejeição de perturbações rápidas. Também pode ser usado para reduzir a quantidade de ação de controle abrupta como resultado da alteração do ponto de ajuste. (No entanto, a minha solução preferida em ambos os casos é aplicar os modos proporcional e derivado somente na variável de processo em vez de em erro, se o algoritmo de controle suportar isso.) Figura 5. Efeito de uma mudança padrão de ponto de ajuste versus filtragem de pontos de ajuste. O guru do controle Greg McMillan recomenda que o ponto de ajuste filtre a constante de tempo ser ajustado igual ao tempo integral no controlador, ou 1,5 vezes o tempo integral se o controlador for ajustado de forma mais agressiva para o tempo mínimo de ajuste. Os filtros de ponto de ajuste nunca devem ser usados em loops de controle necessários para rastrear atentamente seus pontos de ajuste (como em cascata, feedforward e controle de taxa), porque retarda a resposta dos controladores às mudanças de setpoint. Os Filtros de palavras finais são dispositivos acessíveis em sistemas de controle e têm múltiplos usos, sendo o principal para reduzir o componente de ruído em sinais de medição. Use apenas filtros quando necessário e, em seguida, a menor filtragem possível. E lembre-se de que um filtro altera a resposta dinâmica do loop (exceto para os filtros de setpoint), de modo que o controlador deve ser retomado depois que uma constante de tempo de filtros foi alterada.
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