Számítógépes mérés és folyamatirányítás Váradiné Dr. Szarka Angéla egyetemi docens Kísérleti Fizika Tanszék angela.varadi@science.unideb.hu 1
A tantárgy követelményei: A tárgy lezárása: kollokvium és gyakorlati jegy; Kredit érték:4 A gyakorlati jegy megszerzésének feltételei: - 1 db zárthelyi dolgozat a 45. naptári héten (50 pont; elégséges 20 pont), - 1 db számítógépes mérési feladat a 46. naptári héten (50 pont; elégséges 20 pont) sikeres teljesítése. A gyakorlatokon a részvétel kötelező. 2-nél több hiányzás esetén a tantárgy gyakorlati jegye elégtelen, pótlási lehetőség ebben az esetben nincs. Az elégtelen zh és feladat a 47. oktatási héten pótolható. A vizsgára bocsátás feltétele: legalább elégséges gyakorlati jegy. Vizsga: Szóbeli a kiadott tételsor alapján. A hallgató 2 tételt húz, mindkét tételt legalább elégséges szinten kell teljesíteni a sikeres vizsgához. Megajánlott jegy: Megajánlott jegyet az a hallgató kaphat, akinek a zh-ra és feladatra kapott összes pontszáma eléri a megszerezhető pontszám 60%- át. Értékelés: 60-79% között jó; 80-100% között jeles jegyet ajánlunk meg. 2
A tantárgy követelményei: A tárgy lezárása: kollokvium és gyakorlati jegy; Kredit érték:4 A gyakorlati jegy megszerzésének feltételei: - 1 db zárthelyi dolgozat a 45. naptári héten (50 pont; elégséges 20 pont), - 1 db számítógépes mérési feladat a 46. naptári héten (50 pont; elégséges 20 pont) sikeres teljesítése. A gyakorlatokon a részvétel kötelező. 2-nél több hiányzás esetén a tantárgy gyakorlati jegye elégtelen, pótlási lehetőség ebben az esetben nincs. Az elégtelen zh és feladat a 47. oktatási héten pótolható. A vizsgára bocsátás feltétele: legalább elégséges gyakorlati jegy. Vizsga: Szóbeli a kiadott tételsor alapján. A hallgató 2 tételt húz, mindkét tételt legalább elégséges szinten kell teljesíteni a sikeres vizsgához. Megajánlott jegy: Megajánlott jegyet az a hallgató kaphat, akinek a zh-ra és feladatra kapott összes pontszáma eléri a megszerezhető pontszám 60%- át. Értékelés: 60-79% között jó; 80-100% között jeles jegyet ajánlunk meg. 3
ISMÉTLÉS 4
Méréselméleti alapok Mérési hibák csoportosítása Rendszeres hiba Véletlen hiba Durva hiba 5
Rendszeres hiba Nagysága és előjele meghatározható, így ezzel a mérési eredményt pontosítani lehet Véletlen hiba Időben változó hatást mutatnak, nagyságát és előjelét nem ismerjük. Megadása egy olyan szélességű intervallummal, amelyben a véletlen hibától mentes valódi érték 99,74%-os valószínűséggel benne van. Ezt az intervallumot megbízhatósági, vagy konfidencia intervallumnak nevezzük. 6
Mérési hibák megadása, számítása Abszolút hiba H m p m mért érték p pontos érték Relatív hiba h H p H vagy h% 100 % p Méréshatárra vonatkoztatott relatív hiba (katalógus adat) h v H p v 100% p v - méréshatár 7
Összefüggés az abszolút hiba és a relatív hiba között Mivel a méréshatárra vonatkoztatott relatív hiba állandó érték, így H h p v v 100 az abszolút hiba a méréstartomány teljes terjedelmén változatlan. 8
Összefüggés az abszolút hiba és a relatív hiba között Ebből következik, hogy a relatív hiba h% h v m p v mely a méréshatárhoz közelítve egyre csökken. 9
Relatív hiba változása a mért érték függvényében h mérés v 10
Példa: (valós érzékelő valós katalógus adataival) Hall elemes áramérzékelő adatai: Méréstartomány: 5 A Méréstartományra vonatkoztatott relatív mérési hiba: < ± 0,4% Mekkora a mérés relatív hibája, ha a. 4,5 A áramot mérünk b. 0,5 A áramot mérünk 11
Példa: (valós érzékelő valós katalógus adataival) A mérés abszolút hibája: H hv pv 0,4 5 0, 02A 100 100 A mérés relatív hibája: a.) H 0,02 h 100% 100% m 4,5 0,44% b.) h m H 0,02 100% 100% 0,5 4% 12
Mérési sorozatok kiértékelése Egy mérési sorozat álljon n darab olyan mérésből, amelyeket úgy végeztünk el, hogy minden általunk befolyásolható feltétel a mérések alatt változatlan maradt. A mért értékek halmaza ekkor rendre: x 1, x 2, x 3,...x i,...x n Állítjuk, hogy a várhatóérték legjobb becslése a méréssorozat átlaga. x n 1 n i i1 1 1... n 2 n x x x x 13
Véletlen hibák becslésének módszerei 1. Terjedelem. (Range) R=xmax-xmin A gyakorlatban gyakran nem a terjedelmet, hanem az L 1 = x max - x értékeket szokás megadni. illetve L 2 = x - x min L1 és L2 ismeretében az eredmény így írható: x - L L 1 2 14
2. Átlagos abszolút eltérés (Average of absoulte deviation) A hibák abszolút értékeinek összegéből a következő képlettel határozható meg: ahol E = i 1 n x i n i= 1 x i Az abszolút érték igen lényeges, mert e nélkül az egyenlet 0-val volna egyenlő. 15
3. Szórás, vagy standard eltérés (standard deviation) s 1 n -1 n 2 i1 i A méréselméletben gyakran használt a szórásnégyzet (variancia), kifejezés ami értelemszerűen az s 2 1 n -1 n 1 Ha n 1, ami a méréssorozatok nagy számát tekintve legtöbbször fennáll, az összefüggés jó közelítéssel úgy írható fel, hogy 2 i s 1 n n 2 ami nem más mint az átlagtól vett eltérések négyzetének középértéke. 1 1 16
4. Valószínű hiba. (P S ) Néha szokás a szóródást egy olyan P számmal jellemezni, amely azt mutatja meg, hogy a nagyság szerint sorba rendezett sorozat s százalékánál mekkora a sorozat elemének az értéke. Ezt a P számot az irodalomban, - nem túl szerencsésen - valószínű hibának szokták nevezni. A Ps mindig szűkebb intervallumot jellemez, mint a ± L P 95 jelenti azt a számot, amely a legkisebbtől a legnagyobb értékig sorba rendezett sorozat 95%-ába eső elemek közül a legnagyobb értékű elem értéke. Azaz az elemek közül azt az 5%-ot hagyjuk figyelmen kívül, amelyek a legnagyobb értékűek. P 5 jelenti azt a számot, amely a legkisebbtől a legnagyobb értékig sorba rendezett sorozat 5%-ába eső elemek közül a legnagyobb értékű elem értéke. Azaz az elemek közül azt az 5%-ot hagyjuk figyelmen kívül, amelyek a legkisebb értékűek. 17
Műveleti erősítők Műveleti erősítő áramköri jelölése Az áramkör két bemeneti pontja a + (nem-invertáló) illetve (invertáló) úgy értelmezett, hogy az ábrán megadott bemeneti feszültségirány esetén pozitív a kimeneti feszültség. Műveleti erősítő transzfer karakterisztikája u bes u ki u ki U bemax- U kimax+ U bemax+ u bes U kimax- lineáris üzem kapcsolóüzem 18
Műveleti erősítős alapkapcsolások (lineáris üzem) Invertáló erősítő i 1 i 1 U R i be 2 2 0 U R ki 1 Mert az ideális műveleti erősítő bemeneti árama 0. U 0 U ki be R R 1 2 A u u u ki be R R 1 2 u 2 R 2 i 2 R 1 u 1 Nem-invertáló erősítő u be u bes u ki i 1 R 1 i 2 A u u u ki be u u R 1 be be 1 u2 R2 1 R1 R u be u be u 2 u 2 R 2 u bes u 1 u ki u be 19
Műveleti erősítős alapkapcsolások (lineáris üzem) Feszültségkövető R 1 U ki U be A u 1 u be u ki 20
Műveleti erősítők alkalmazása (lineáris üzem) Összegző kapcsolás (invertáló) R 1 u be1 i 1 i o u be2 u be3 i 2 i 3 R o i u o u be i o u R o o n i1 i i u bei R i R u ki u ki u o u be1 R R o 1 u be2 R R o 2 u be3 R R o 3 u ben R R o n 21
Műveleti erősítők alkalmazása 2. (lineáris üzem) R 1 Kivonó (differencia) erősítő R R u 1 2 ki R R 3 4 u be2 u be1 u be1 u be2 R 2 R 4 R 3 u ki A differencia erősítő alkalmazása mérőerősítőként R s1 I t R s2 R 2 R 1 U d U s R s3 u ki R s4 R 4 R 3 22
Műveleti erősítők alkalmazása 3. (lineáris üzem) Integrátor Z 1 Z 2 C i 1 i 2 R u 1 u be u 2 u ki u i i 2 1 2 t t t i u t t u u1t i2t 2 2 be R t u i ki RC 1 C t 0 dt 1 C R t t u t u t dt 1 1 i t 0 t 0 u be be dt 1 RC t 0 u be t dt 23
Műveleti erősítők alkalmazása 3. (lineáris üzem) Az integrátor gyakorlati mérése R 1 =12 kω, R 2 =100kΩ, R 3 =12 kω, C=10 nf Törésponti frekvencia: f 1 1 159, Hz 2 R C 2 3,14 100.10 10 10 2 1 3 9 2 Integrálási időállandó és frekvencia: I R1 C 12k1010 1 f I 1,33kHz 2 I 9 F 120s 24
Műveleti erősítők alkalmazása 3. (lineáris üzem) Az integrátor gyakorlati mérése Amplitúdó Bode diagram 25
Műveleti erősítők alkalmazása 3. (lineáris üzem) Az integrátor gyakorlati mérése 10 Hz-es négyszögjel mérése 26
Műveleti erősítők alkalmazása 3. (lineáris üzem) Az integrátor gyakorlati mérése 130 Hz-es négyszögjel mérése 27
Műveleti erősítők alkalmazása 3. (lineáris üzem) Az integrátor gyakorlati mérése 2000 Hz-es négyszögjel mérése 28
Műveleti erősítők alkalmazása (lineáris üzem) Differenciáló áramkör Z 1 u i i 2 1 u u 2 t t t 1 d ki t RC t u i t t u t t du2 C dt i 2 1 be 1 R RC t du d be dt du t be dt u be t i 2 u 2 Z 2 C R u 1 i 1 u ki 29
Műveleti erősítők alkalmazása (lineáris üzem) Differenciáló áramkör mérése R 1 =12 kω, R 2 =100 kω, R 3 =12 kω, C=1,5 nω Az ideális differenciátor erősítése végtelen (a gyakorlatba az igen nagy) frekvencián végtelen, ezért a nagyfrekvenciás zajokat zavaróan felerősíti. Ezért a végtelen erősítést korlátozza az R1 ellenállás. Erősítés az arányos erősítési szakaszon: R2 100k A u ( f Hz) 20lg 20lg 18, 4dB R 12k Törésponti frekvencia: f 1 1 8, khz 2 R C 2 3,14 12.10 1,5 10 842 1 3 9 Differenciálási időállandó és frekvencia: 1 1 3 9 1 D R2 C 100.10 1,5 10 150s fd 1, 6kHz 2 30 D
Műveleti erősítők alkalmazása (lineáris üzem) Differenciáló áramkör mérése amplitúdó Bode diagram 31
Műveleti erősítők alkalmazása (lineáris üzem) Differenciáló áramkör mérése 100 Hz-es négyszögjel mérése 32
Műveleti erősítők alkalmazása (lineáris üzem) Differenciáló áramkör mérése 1000 Hz-es négyszögjel mérése 33
Műveleti erősítők alkalmazása (lineáris üzem) Differenciáló áramkör mérése 10 khz-es négyszögjel mérése 34
Műveleti erősítők alkalmazása (kapcsoló üzem) u ki U kimax+ U bemax+ U bemax- u bes U kimax- lineáris üzem kapcsolóüzem A legjellemzőbb alkalmazási területek: Komparátorok Multivibrátorok 35
Műveleti erősítők alkalmazása 2. (kapcsoló üzem) Komparátorok A komparátorok két feszültség összehasonlítására használt áramkörök. Az egyik feszültség a referencia feszültség (U REF ), amely kitüntetett feszültség és ezzel hasonlítjuk össze a másik feszültséget. A komparátor egyik kimeneti állapota az U be >U REF, míg a másik az U be <U REF állapotnak felel meg. Komparátor típusok: Hiszterézis-nélküli komparátorok Hiszterézises komparátorok Ablak-komparátorok 36
37 Hiszterézis nélküli komparátorok U REF u be U ki 0 0 0 0 0 ˆ, ˆ ˆ ˆ, ˆ, ˆ A U U u ha U A U U u A U U ha A u A U U u ha U U ki REF be ki ki REF be ki REF be ki REF be ki ki
Hiszterézises komparátorok A hiszterézises komparátorok pozitív visszacsatolást tartalmaznak, amelynek előnye, hogy határozottá teszi a komparálást (a legkisebb különbség hatására -a pozitív visszacsatolás miatt- a különbségi jel folyamatosan nő és a kimenet telítésbe megy) és felgyorsítja a kimenet telítési állapotának elérését. Gyakorlatilag lineáris erősítési tartomány nem lehet. A hiszterézises komparátorok egy elsősorban a digitális technikában használt- vállfajának elnevezése: Schmitt-triggerek. A Schmitt-triggereket megvalósítják diszkrét áramkörökkel, pl. tranzisztorokkal, de gyakrabban integrált formában a Schmitttriggeres digitális áramkörök formájában. A komparátort mind az invertáló, mind a neminvertáló bemenet felöl lehet vezérelni. 38
Hiszterézises komparátorok u be Û ki+ u ki U REF R 1 /(R 1 +R 2 ) u bes U be2 U be1 R 1 U REF R 2 u ki u be u p Û ki- U H 39
40
Számítógépes méréstechnika, folyamatirányítás eszközei 41
Analóg jelek digitalizálása mintavételezés kvantálás f(t) f(t 0 ) t 0 T mv t Mintavételezési törvény f mv 2 ( f ) max jel 1 1 1 1 1 1 2 N-1 2 N-2 2 N-3... 2 2 2 1 2 0 42
Analóg jelek digitalizálása mintavételezés és kvantálás 43
LSB Least Significant Bit 00000001 (kvantum) MSB Most Significant Bit 10000000 FS Full Scale 11111111 U LSB = U FS / 2 n U MSB = U FS / 2 Példa: 12 bites átalakító maximális bementi feszültsége 10 V. U FS = 10 V U MSB = 10/2 =5 V U LSB = 10/2 12 =10/4096 = 2,44 mv 44
Kvantálási hiba Abszolút kvantálási hiba: Relatív kvantálási hiba: Példa: U Q 2 2 HQ 100% U 1 LSB Az előző példában használt átalakítóval mérünk 8 V-ot. 2,44mV HQ 1,22mV 2 h h Q Qv 3 H h Q Q 1,2210 100% 0,015% 8 H 3 Q 1,2210 100% 100% 0,0122% 45 U 10 FS x
Az előző példában használt átalakítóval mérünk 50 mv-ot. Abszolút kvantálási hiba: U LSB 2,44mV HQ 1, 22mV 2 2 Méréshatárra vonatkoztatott kvantálási hiba: h Qv 1,2210 10 3 100 0,0122% Relatív hiba: h Q 1,2210 0,05 3 100% 2,44% 46
Végezzük el az előző méréseket egy 16 bites átalakítóval. U LSB 10 HQ 76V Abszolút kvantálási hiba: 2 65536 2 Méréshatárra vonatkoztatott kvantálási hiba: H hqv U Q FS 100% 7610 10 6 100 7,610 4 % Relatív hiba: h Q 6 7610 4 100% 9,5 10 % 8 h Q 7610 0,05 6 100% 0,152% 47
A digitalizálás elektronikus áramkörei Felbontás idő tartományban: Mintavételezés Eszköze: Mintavevő-tartó áramkör Felbontás amplitudó tartományban: Kvantálás Eszköze: Analóg-digitál átalakító 48
Mintavevő / tartó áramkör (Sample & hold - S/H) Feladata: mintavételezés és a vételezett minta tartása a feldolgozásig 49
Mintavevő / tartó áramkör (Sample & hold - S/H) 50
Mintavevő / tartó áramkör Összefüggés a kondenzátor kapacitása, a mintavételezési idő és a tartási drift között Kondenzátor Mintavételezési idő Tartási drift 10 nf 20 µs 3 mv/s 1 nf 4 µs 30 mv/s 100 pf 3 µs 200 mv/s 25 pf 170 ns 5 V/s 10 pf 10 ns 50 V/s 51
Analóg -digitál átalakító Feladata: az S/H áramkör kimenetéről érkező jel digitalizálása A/D átalakítók csoportosítása közvetlen közvetett számláló kétoldali párhuzamos U/t U/f 52
Digitál analóg átalakítás Q 0 R 0 Q 1 R 1 Q 2 R 2 Q 3 R 3 R v U be = 1 V + U ki Rv = 8 k R0 = 8 k R1 = 4 k R2 = 2 k R3 = 1 k - Q 3 Q 2 Q 1 Q 0 -U ki 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 2 0 0 1 1 3 0 1 0 0 4 0 1 0 1 5 1 1 1 1 15 53
Létrahálós D/A átalakítás 54
Létrahálós D/A átalakítás 55
Számláló típusú A/D U ref U x + U x > U ref _ A D Alacsony sebesség Gyenge technikai jellemzők Alacsony ár Elavult megoldás Számláló regiszter & Digitál kimenet START Vezérlő READY 56
Kétoldali közelítéses A/D U x + U[V] 8 bites átalíkótó mûködése U ref _ 10 A D U x =7.8 V 5 Regiszter Kimenet 1 SAR 2 7 2 6 2 5 2 4 2 3 2 2 2 1 2 0 START 1 1 0 0 0 1 1 1 Közepes sebesség Megfelelő jellemzők 57 Közepes ár
P ár h u z a m os A / D 58
3 bites átalakító: Párhuzamos A/D 3 U 2 1 U 2 5 U 2 7 U 2 LSB 9 U 2 LSB 11 U 2 13 U 2 LSB U x LSB LSB Ux C 1 C 2 C 3 C 4 C 5 C 6 C 7 Kód U LSB LSB x U x U U 1 U 2 x x U U x 3 U 2 x LSB 5 U 2 7 U 2 9 U 2 11 U 2 13 U x U LSB 2 LSB LSB LSB LSB LSB 0 0 0 0 0 0 0 000 0 0 0 0 0 0 1 001 0 0 0 0 0 1 1 010 0 0 0 0 1 1 1 011 0 0 0 1 1 1 1 100 0 0 1 1 1 1 1 101 0 1 1 1 1 1 1 110 1 1 1 1 1 1 1 111 Nagy sebesség Nagy megbízhatóság Magas ár 2 n -1 db nagy teljesítményű komparátor 59
Kétszeresen integráló A/D U x 1 R - -U ref 2 K1 - + + 2 K2 c 1 & Számláló Vezérlő Digitális kimenet U ki U t ref t x t U ki t ref Rc tx U x Uki U Rc t t x ref Uref U x Rc Rc tx U x Uref t ref ref 60
Kétszeresen integráló A/D Lassú működés Nagy pontosság Alkalmazás: digitális műszerekben Alkatrész öregedés kiküszöbölése 61
Feszültség-frekvencia A/D Frekvencia kimenet Könnyen és egyszerűen továbbítható nagy távolságra 62
A/D átalakítók hibái Javítható hibák: 1. Offset hiba 2. Erősítési hiba 0001 0000 Nem javítható hibák: 3. Linearitási hiba 4. Kódkiesés 63
Számítógépes mérőrendszer feladatai adatkezelés: gyűjtés, tömörítés, egyszerűsítés, kiértékelés, tárolás; műszerek, egyéb perifériák, folyamatok vezérlése; mérési folyamat fejlesztés; dokumentálás. 64
On-line és off-line rendszerek információ adat adatfeldolgozás mérés mérési rögzítés után egy későbbi időben folyamat folyamatos eredmények adatfeldolgozás részeredmények folyamat vezérlés vezérlés felhasználói adatok 65
Off-line számítógépes mérőrendszerek Többfunkciós mérésadatgyűjtők Ethernet alapú műszerpark GPIB műszerpark RS-485 rendszer Szimultán mintavételezők Multiplexelt mintavételezők 66
Simplex kommunkáció Adó Vevő Half duplex kommunkáció Adó-Vevő Adó-Vevő Full duplex kommunkáció Adó/Vevő Adó/Vevő 67
Számítógépes mérőrendszer struktúrái PC Műszer szabványos protokol Simplex kommunikáció Műszer Műsz Műsz Műsz Műsz Műsz Műsz Műsz Műsz PC PC PC PC kommunikációs csatorna PC szabványos protokolt támogató egységgel szerelve műszer műszer műszer egy vagy egy vagy egy vagy több műszer több műszer több műszer processzor processzor processzor PC vezérlés PC vezérlés PC vezérlés Interface kommunikációs csatorna Supervisor PC 68
Számítógépes mérőrendszerekben alkalmazott adattovábbítás módszerei Programozott Megszakítás vezérelt (Interrupt) Közvetlen memória eléréssel vezérelt (DMA) 69
Programozott (polen) adat továbbítás Időosztásos módszer Processzor vezérelt művelet Lassú 70
Megszakítás (Interrupt) vezérelt Prioritás kódoló adat továbbítás Processzor vezérelt művelet, a processzor a megszakítás engedélyezésekor felfüggeszti az éppen folyamatban lévő műveletet és levezérli az engedélyezett műveletet. A művelet végén folytatja a felfüggesztett műveletet Közepes sebességű 71
Megszakítás (Interrupt) vezérelt adat továbbítás dekódoló Engedélyezett IRQ jelek IRQ cím engedélyező vonal processzor periféria periféria bináris kód a megszakításhoz MAGAS prioritás kódoló ALACSONY megszakítás kérő vonalak 72
Közvetlen memória elérés (DMA) vezérelt adat továbbítás A perifériák prioritással rendelkeznek ebben az esetben is A processzor nem vesz részt a művelet vezérlésében Az engedélykérés a DMA vezérlőhöz fut be, amely engedélyezés esetén átveszi a processzortól a rendszer busz feletti vezérlést. Gyors 73
Közvetlen memória elérés (DMA) vezérelt adat továbbítás kommunikációs busz vezérlés vezérlés vezérlés vezérlés DMA engedély CPU DMA periféria memória vezérlő Engedély kérés 74
Számítógépes mérőrendszer felépítése Analóg jel érzékelése Analóg jel átalakítása Analóg jel digitalizálása Digitális jel feldolgozása 75
Multiplexelt mérőrendszer felépítése Ananlóg jel érzékelése Ananlóg jel átalakítása Ananlóg jel digitalizálása Digitális jel feldolgozása PC Táplálás Tápfeszültség Vezérlés vezérlés Érzékelő/ Jelkondí- Jelformáló MUX S/H A/D bemenet átalakító cionáló átalkító (hő, fény, erő, nyomaték, rezgés, stb.) Érzékelő/átalakító. Érzékelő/átalakító Jelkondícionáló. Jelkondícionáló Jelformáló 76
Szimultán mintavételező rendszer felépítése Ananlóg jel érzékelése Ananlóg jel átalakítása Ananlóg jel digitalizálása Digitális jel feldolgozása PC Táplálás Tápfeszültség Vezérlés vezérlés Érzékelő/ Jelkondí- Jelformáló MUX S/H A/D bemenet átalakító cionáló átalkító (hő, fény, erő, nyomaték, rezgés, stb.) Érzékelő/átalakító. Érzékelő/átalakító Jelkondícionáló. Jelkondícionáló Jelformáló. S/H. S/H A/D. A/D 77
Érzékelők, átalakítók Csoportosítás A felhasznált energia szerint Kimeneti jel szerint Egyéb jellemzők szerint aktív passzív analóg digitális frekvencia kódolt linearitás pontosság érzékenység terjedelem 78
Példák érzékelőkre Hőmérséklet Piezoelektromos gyorsulásmérő Lézeres távolságmérő Indukciós elmozdulásmérő Nyúlásmérő Hall elemes árammérő 79
Hőmérsékletmérés Forrás: Kézikönyv hőelemmel és ellenállás-hőmérővel történő méréshez. TC Méréstechnika Kft. 80
A hőmérséklet fogalma: A testek hőállapotának a mértéke KELVIN skála 1 kelvin (K) a víz hármaspontja termodinamikai hőmérsékletének 1/273,16-od része. Mértékegysége: K (kelvin). CELSIUS skála Légköri nyomás mellett az olvadó jég hőmérséklete jelenti a 0 értéket, a forrásban levő víz hőmérséklete pedig a 100. Mértékegysége: C (Celsius-fok). FAHREINHERT skála A nullpont a Fahreinhert által kísérleti úton előállított legjobban lehűlő sós oldat fagyáspontja, a másik alappontja az emberi test hőmérséklete volt, mely hőtartományt az oszthatóság kedvéért 96 egységre bontotta (így a víz fagyáspontja épp 32 F). Mértékegysége: F (Fahrenheit-fok) 81
Hőmérsékleti skála Hőmérsékleti skála definiálása nem egyszerű, mert nincs reprodukálható folytonosság a mérendő pontokban. Skála: megegyezéses fixpontok közötti interpoláció a legjobb elérhető érzékelési technológiát alkalmazva 82
Szabványos hőmérséklet érzékelő skála 1927 ITS-27 oxigén forráspontja (-200 C) arany dermedéspontja (+1065 C) között kalibrálás: 0 C-on, O, H 2 O és S forráspontján 1990 ITS-90 (16 fixpont) H hármaspont -259,3467 C H Forráspont 2 különböző nyomáson Ne, O, Ar, Hg, H 2 O hármaspont Ga olvadáspont 29,7646 C In, Sn, Zn, Al, Ag, Au dermedéspont Cu dermedéspont 1084,62 C -256,115 C; -252,88 C -248,59 C, -218,79 C, -189,34 C, -38,83 C, 0,01 C 156,59 C, 231,93 C, 419,53 C, 660,32 C, 961,78 C, 1064,18 C 83
Leggyakrabban alkalmazott hőmérséklet érzékelő típusok: Hőelem Seeback hatás (TJ Seeback 1822) Ellenállás-hőmérő R t R 0 (1 t) 84
Mérési tartomány Alkalmazási előnyök Hőelem Bővebb -250 C +3000 C Robosztusabb, sokoldalúbb Ellenállás-hőmérő Szűkebb -200 C +1000 C Pontosabb, stabilabb Mért mennyiség típusa Hőmérsékletkülönbség Abszolút hőmérséklet Hátrány Referenciapont szükséges (hidegpont kompenzáció) Bekötő vezetékek ellenállása 85
Hőelem Nemesfém típus stabilabb, drágább, szélesebb mérési tartomány, kisebb kimeneti jelszint Nem nemesfém típus 86
Hőelem Hidegpont kompenzáció 87
Nemesfém Jelölés Vezető anyaga Hőmérséklet tartomány Előnyök/hátrányok R (+) Pt - 13% Rh (-) Pt S (+) Pt - 10% Rh (-) Pt B (+) Pt - 30% Rh (-) Pt - 6% Rh 0 +1600 C Nagyon magas hőmérsékletre. Ellenáll az oxidációnak. Burkolat kell 0 +1500 C Burkolat kell +100 +1600 C Csak 600 C felett jó Nem nemesfém Jelölés Vezető anyaga Hőmérséklet tartomány Előnyök / hátrányok K (+) Ni Cr (-) Ni Al T (+) Cu (-) Cu Ni J (+) Fe (-) Cu Ni E (+) Ni Cr (-) Cu Ni N (+) Ni Cr Si (-) Ni Si 0 +1100 C Leggyakrabban használt Széles méréstartomány -185 +300 C Nedves, párás közegben használható, alacsony hőm. +20 +700 C Műanyag gyártásban elterjedt. Vas oxidálódik! 0 +800 C Legnagyobb termofeszültség változás 0 +1250 C Pontosság, ellenáll az oxidációnak, gyors 88
Általános hőelem kialakítások 89
Hőelem köpennyel 90
Hőmérséklet-ellenállás Ni, Pt, Au, Ag 91
RTD 92
RTD mérőkör 93
3 vezetékes RTD mérőkör 94
4 vezetékes RTD mérőkör 95
Példák érzékelőkre Piezoelektromos gyorsulás érzékelő töltéserősítővel 1 - kábel csatlakozó 2 - ház 3 precíziós tömeg 4 - kvarc lapocskák 5 - előfeszítő persely 7 - felfogó furat 96
Példák érzékelőkre Piezoelektromos gyorsulás érzékelő töltéserősítővel 97
Példák érzékelőkre Lézeres távolságmérő 98
Példák érzékelőkre Lézeres távolságmérő 99
Példák érzékelőkre Lézeres távolságmérő 100
Példák érzékelőkre Indukciós elmozdulás mérő 101
Példák érzékelőkre Nyúlásmérő bélyeges erőmérő Félvezetős bélyeg: Hagyományos bélyeg: Fólia elrendezések: 102
Példák érzékelőkre Nyúlásmérő bélyeges erőmérő Hőkompenzált mérés: 103
Példák érzékelőkre Nyúlásmérő bélyeges erőmérő 104
Példák érzékelőkre Nyúlásmérő bélyeg rozetták 105
Példák érzékelőkre Hall elemes áramátalakító (lakatfogó) U K H I H ahol UH - Hall feszültség K - Hall állandó ( a félvezető anyagától függő érték) H - A mérendő áram mágneses tere I C - állandó értékre beállított áram c N I N I P P S S N I N I P P S S 0 Hall generátorhoz használt anyagok: In (Indium), Sb (Antimonium) Ga (Gallium), As (Arsenium) ahol Np - primer menetszám Ip - primer áram Ns - szekunder menetszám Is - szekunder áram 106
Analóg jelkondicionáló Feladata: a jelet digitalizálásra alkalmassá tenni Típusai: Erősítő Zajszűrő Antialiasing szűrő 107
Analóg jelátalakító Feladata: a jelet feldolgozásra (analizálásra) alkalmassá tenni Típusai: integráló deriváló szűrők, stb. 108
Feladata: Analóg multiplexer csatornakiválasztó; többcsatornás mérés esetén a jelek sorbarendezése a mintavételezéshez 109
Többfunkciós mérésadatgyűjtők Analóg bemenet Analóg kimenet Digitális I/O Számláló, időzítő 110
Többfunkciós mérésadatgyűjtők FeszŘltsÚg Ref AD Kalibrßlßs Anaľg Mux Mux mˇd kivßlasztßs kapcsoľ + Progr. csatornßnkúnti er sýt - 3 12-bit Mintavev /tarť A/D ßtalakÝť FIFO ADC Interrupt PC/AT Interface Bus ßramk r Ground Ref Generßtor DMA Interface Id szinkronizßlßs 5-csatornßs Szßmlßľ AdatgyűjtÚs ßtalakÝtßs Acquisition vezúrlús Interrupt Interface DAC0 DAC Timing / Control TimerInterrupt Adat/ vezúrlús DAC1 PC/AT I/O csatorna Digitßl DA kalibrßlßs RTSI 4 Interface Bus Kimenet Digital Bemenet I/O csatlakozˇ RTSI Bus 111
Többfunkciós mérésadatgyűjtők analóg bemenete Felbontás (12 bites, 16 bites) Bemeneti feszültség tartomány (± 5V; 0-10V) Erősítési fokozatok (0.5 100) Mintavételezési sebesség (<5MHz) Csatornaszám (16, 32) Bemenetek referencia pontja (közös, független) (Single-ended; Differential) Pontossági jellemzők (linearitás, stb.) Bemeneti impedancia (nagy) 112
Többfunkciós mérésadatgyűjtők analóg bemenete 113
Többfunkciós mérésadatgyűjtők analóg kimente Felbontás (12 bites, 16 bites) Kimeneti feszültség tartomány (± 5V; 0-10V) Beállási idő [μs/lsb] Frissítési frekvencia Csatornaszám (1, 2, 4) TERHELHETŐSÉG!!!! (±2 ma) Pontossági jellemzők (linearitás, stb.) Kimeneti impedancia (kicsi) 114
Többfunkciós mérésadatgyűjtők analóg kimente 115
Többfunkciós mérésadatgyűjtők Portok száma TTL jelek Terhelhetőség!!! (±10 µa) DIO portjai 116
Többfunkciós mérésadatgyűjtők analóg bemenetének alkalmazása Mintavételezési lehetőségek: 1. Egycsatornás rövid idejű gyors 2. Többcsatornás rövid idejű gyors 3. Egycsatornás hosszú idejű lassú 4. Többcsatornás hosszú idejű lassú 117
Többfunkciós mérésadatgyűjtők analóg bemenetének alkalmazása 1. és 3. módszer esetén nem használjuk a multiplexert 3. és 4. módszer esetén multiplexert használunk 118
Többfunkciós mérésadatgyűjtők analóg bemenetének alkalmazása Vegyünk mintát egy adott időpillanatban. Nevezzük t ap nak azt az időt, amely az adat digitalizálásához és eltárolásához szükséges. A következő mintát a t ap idő eltelte után vehetjük. Amennyiben a mintavételezések közötti idő lényegesen nagyobb, mint az apertura idő, akkor rendelkezésünkre áll egy t free szabad gépidő. amelyben a processzorral egyéb műveleteket végeztethetünk el. 1. minta 2. minta t t ap t free t mv 119
Többfunkciós mérésadatgyűjtők analóg bemenetének alkalmazása A gyors mintavételezéseknél a t free időt nem használjuk ki, vagyis a 2. mintát egészen közel vihetjük a szaggatott vonallal jelölt időpillanathoz. Ezzel a mintavételi frekvencia nagy lehet, de a rendszer mintavételezés közben semmilyen egyéb műveletet nem tud elvégezni, tehát még a mérendő mintamennyiséget is előre definiálni kell. 1. minta 2. minta t ap t free ~0 t t mv 120
Többfunkciós mérésadatgyűjtők analóg bemenetének alkalmazása Amennyiben megfelelően alacsony mintavételi frekvenciát alkalmazhatunk, a t free gépidő alatt elvégezhetünk bizonyos adatfeldolgozásokat, figyelhetjük a felhasználói beavatkozásokat (pl. egy gomb megnyomását). Ez azonban csak akkor lehetséges, ha a feldolgozás alatt folyamatosan, mintavesztés nélkül tudunk adatokat begyűjteni. 1. minta 2. minta t ap t free >>0 t t mv 121
Többfunkciós mérésadatgyűjtők analóg bemenetének alkalmazása Osztott tárolós mintavételezés 1.lépés mintavételezés 2.lépés 1. féltároló megtelik, folytatódik a mérés a 2. féltárolóba 3.lépés 2. féltároló megtelik, folytatódik a mérés az 1. féltárolóba adatmentés READY jel READY jel adatmentés 122
Mintavételezés analóg triggereléssel 1. Beállított analóg triggerelési szint alatti értékek mintavételezése 2. Beállított analóg triggerelési szint alatti értékek mintavételezése 123
Mintavételezés analóg triggereléssel 3. Felfutó jelre induló hiszterézises triggerelés 4. Lefutó jelre induló hiszterézises triggerelés 124
Mintavételezés analóg triggereléssel 5. Ablak triggerelés 125
Mintavételezés digitális triggereléssel 5. Egyszerű felfutó élre triggerelés 126
Mintavételezés digitális triggereléssel 5. Egyszerű lefutó élre triggerelés 127
Mintavételezés digitális triggereléssel 5. Pre-triggerelt mintavételezés 128
GPIB 1972 - Hewlett Packard Corporation (General Purpose Interface Bus) 1975 IEEE488 szabvány Hálózatorientált rendszer Párhuzamos protokol A kommunikáció 16 csatornán folyik 8 adat vonal 5 vezérlő vonal 3 handshaking vonal 129
GPIB 3 típusú berendezés: vevő (listener) adatokat kap adó (talker) adatokat küld vezérlő (controller) - PC Vegyes üzemű műszerek is lehetnek a rendszerben Half duplex kommunikáció Party-line kapcsolatok létrehozása 1987 - IEEE488.2 szabvány a vezérlők és adatok formátumának, helyzet jelzések, vezérlési feltételek, stb. előírásai SCPI Standard Commands for Programmable Instruments 130
GPIB A rendszer szabványban rögzített korlátai: 2 berendezés közötti távolság max. 4 m 2 berendezés közötti átlagtávolság 2 m a berendezések közötti össztávolság 20 m legalább a műszerek 2/3-a be kell legyen kapcsolva. Műszerek száma max 15. Adatátviteli sebesség max. 1 Mbyte/s 131
GPIB Műszerek elrendezése: Csillag Vezérlő A műszer B műszer C műszer Lineáris Vezérlő A műszer B műszer C műszer Vegyes elrendezés 132
Soros átvitel protokoljai 1 1 soros kommunikáció 0 1 1 0 0 1 Számítógép 0 1 LSB Binárisan kódolt mérési eredmény (TTL jelek) 133
RS - 232 Formátum: St 0 1 2 3 4 5* 6* 7* P* Sp Sp St A karakterek közötti logikai 1 szint jelzi, hogy nincs adatforgalom Az St alacsony szintű (logikai 0 ) start bit, ami az adatközlés kezdetét jelzi. A 0,1...7 bitek az adatbitek, a -gal jelzett bitek opcionálisak. A P un. paritás bit, amely az esetleges hibafelismerést teszi lehetővé. Az egyes bitek szélessége, vagyis, hogy időben milyen hosszú az adott bit az un. baud periódus fejezi ki. Az Sp az adatközlés végét jelző magas (logikai 1 ) szintű jel 1, vagy annál több baud periódus ideig jelenik meg. 134
RS - 232 Jellemzők: 1 adó 1 vevő Adó vevő közös földön (Single-ended transmission) Aszinkron protokol (nincs közös órajel, szinkronizálás a start bit idejével Max. sebesség: 20 kbps Max távolság 15 m Simplex kommunkáció 135
RS - 422 Változások az RS232-höz képest: 1 adó 10 vevő Adó vevő külön földön (Differential transmission) Max. sebesség: 10 Mbps (10 m távolságra) Max távolság 1200 m (100 kbs sebességgel) Half duplex kommunikáció RS - 485 Változások az RS422-höz képest: 1 adó 32 vevő 136
Mintavételezett jelek frekvencia analízise 137
KÉRDÉSEK: Milyen hatással lehet a mérési módszer megválasztása, a mérési paraméterek beállítása a jelfeldolgozás eredményére? Igaz-e az az állítás, hogy minél nagyobb mintavételezési frekvenciával mérünk, annál pontosabb eredményt kapunk? 138
Mi az amit már tudunk? 1. Hogyan épül fel egy számítógépes mérőrendszer? 2. Mit nevezünk digitalizálásnak: mintavételezésnek, kvantálásnak, mik ezen folyamatok/műveletek fő szabályai? 3. Milyen jeleket mérünk? 4. Hogyan történhet a jelfeldolgozás? 139
Digitális mérés folyamata Analóg jel érzékelés e Analóg jel átalakítás a Analóg jel digitalizálás a Digitális jel feldolgozás a f(t) Mintavételezé s Kvantálás f(t 0 ) t 0 T mv t Mintavevő-tartó áramkör f mv > 2 f jelmax Analóg-digitál átalakító H Q = U FS / 2 n+1 140
Digitális mérés folyamata Analóg jel érzékelés e Analóg jel átalakítás a Analóg jel digitalizálás a Digitális jel feldolgozás a Időtartomán y Frekvenci a tartomán y 141
Matematikai alapok Jelek determinisztikus sztochasztikus periodikus nem periodikus stacionárius nem stacionárius szinuszos összetett kváziperiodikus tranziens Szinuszos jelek: x( t) Asin2f t Amplitúdó A 1 f 1 frekvencia 142
143 Matematikai alapok Összetett periodikus jelek: Jelek determinisztikus sztochasztikus periodikus nem periodikus stacionárius nem stacionárius szinuszos összetett kváziperiodikus tranziens 1 1 0 1 1 1 0 ) sin( ) ( ) sin( ) cos( ) ( i i i i i i t i A A t f t i B t i C A t f
144 Matematikai alapok Kváziperiodikus jelek: szám egész sin ) ( sin cos ) ( 1 1 0 1 0 i i i i i i i i i i t A A t f t B t C A t f Jelek determinisztikus sztochasztikus periodikus nem periodikus stacionárius nem stacionárius szinuszos összetett kváziperiodikus tranziens
Matematikai alapok Jelek determinisztikus sztochasztikus periodikus nem periodikus stacionárius nem stacionárius szinuszos összetett kváziperiodikus tranziens Tranziens jelek: egyszeri lefutású, nem periodikus jel, melynek véges az energiája: 2 f ( t) dt Részleges leírás: felfutási idő, lefutási idő, beállási idő, túllövés, bizonyos matematikai feltételek mellett Fourier ill. Laplace transzformációval. 145
A jelek feldolgozása Időtartományban Frekvenciatartományban Igaz-e az az állítás, hogy minél nagyobb mintavételezési frekvenciával mérünk, annál pontosabb eredményt kapunk? 146
A jelek feldolgozása Időtartományban Frekvenciatartományban 147
Periodikus jelek Fourier sora 1 1 0 2 2 2 / 2 / 0 2 / 2 / 1 2 / 2 / 1 1 1 1 0 ) 2 sin( ) ( ) ( 1 )sin ( 2 )cos ( 2 ) sin cos ( ) ( n n n n n n n n n T T T T n T T n n n n t f n A A t f tehát C B arctg B C A dt t f T A tdt n t f T B tdt n t f T C ahol t n B t n C A t f 148
Összetett periodikus jelek frekvencia spektruma A A 1 A 2 A 4 A 0 A 3 A 5 A n f 1 2f 1 3f 1 4f 1 5f 1... nf 1 f 149
Periodikus jelek Fourier sora f ( t) A 0 An sin( n2f 1t n) n1 T jel_valós T 1 jel _ valós f jel _ valós f 1 150
Periodikus jelek Fourier sora f ( t) A 0 An sin( n2f 1t n) n1 T jel_valós =???? 151
Mintavételezett jelek frekvencia analízise Mivel a jel pontos periodusidejét nem tudjuk meghatározni, ezért Fourier sorba fejtéskor elfogadjuk azt a feltételt, hogy az analizálásra kijelölt regisztrátum a periodikus jel 1 periódusa. T jel T T _ mért reg 1 152
Mintavételezett jelek frekvencia analízise Ha n darab mintát f mv mintavételi frekvenciával megmérünk, akkor a regisztrátum teljes időtartama: T reg Ez tehát a fentiek értelmében a jel 1 periódusának ideje, vagyis a T reg regisztrátum idő a jel periódusideje. Ha T reg a jel periódusideje, akkor 1/T reg a jel frekvenciája: f n mv f reg f mv n f 1 153
f 1 f mv n 154
Valós jel Valós spektrum Analizált jel Analizált jel spektruma 1,0 0,8 A 40 f [Hz] 155
Példa: Legyen a mérendő jel frekvenciája 50 Hz, amplitúdója 100 V. Mintavételezzünk 300 Hz-es mintavételezési frekvenciával, és gyűjtsünk be 200 mintát. Ebben az esetben a regisztrátum időtartama: A spektrum alapharmonikusa: A [V] 100......... f 1 =1,5 3 4,5 6.. 46,5 48 49,5 51 52,5 54 f [Hz] 156
Következtetés: Ha a mért jel frekvenciájának és a spektrum alapharmonikusának hányadosa nem egész szám, akkor a frekvencia spektrumban nem létező oldalharmonikusok jelennek meg. Vagyis ideális Fourier analizálás esetén: f f jel 1 f n egész szám, azaz 1 f mv egész szám 157
Mit lehet tenni? Növelni az analizált regisztrátum időtartamát, ezzel csökkentjük az alapharmonikus frekvenciáját, vagyis növeljük a spektrum frekvencia tengelyének felbontását. f 1 f mv n Shannon!!! f mv > 2 f jelmax 158
1. sz. PROBLÉMA A mintavételezési frekvencia csökkentésével növekszik az un. aliasing jelenség kockázata 159
Aliasing jelenség Bemutató Ha a mintavételezési törvényt nem tartjuk be, akkor a mintavételezett jelben nem létező összetevők jelenhetnek meg. Ezek az alias jelek. Védekezés: antialiasing szűrővel, ami egy aluláteresztő szűrő, nagy vágási meredekséggel, a mintavételi frekvencia felére beállított felsőhatár frekvenciával. 160
2. sz. PROBLÉMA A jel frekvenciája nem állandó, időben változó, és/vagy a jel kváziperiodikus Megoldások: 1. Ablakozó függvény alkalmazása 2. Szinkronizálni kell a mért jel frekvenciájához az f 1 alapharmonikus frekvenciát. 161
Leggyakrabban alkalmazott ablakozó függvények: Hanning ablak: w( i) 0,5 0,5cos(2 i n ) Háromszög ablak: Hamming ablak: w( i) 0,54 0,46cos(2 i n ) Blackmann ablak: w( i) 0,42 0,5cos(2 i n ) 0,08cos(4 i n ) 162
Ablakozás nélkül Blackmann ablak Háromszög ablak Hanning ablak 163
PLL Mintaszám szinkronizálás 164
Válaszaink a kérdésekre Milyen hatással lehet a mérési paraméterek beállítása a jelfeldolgozás eredményére? Frekvencia analízis esetén a mintavételi frekvencia és a mintaszám hányadosának csökkentése növeli a feldolgozás pontosságát Igaz-e az az állítás, hogy minél nagyobb mintavételezési frekvenciával mérünk, annál pontosabb eredményt kapunk? Időtartományban igen, frekvenciatartományban NEM, épp ellenkezőleg! 165
Elektronikai gyártás során alkalmazott tesztelési módszerek 166
I/o per CM 2 on PCB s Ipari trendek -áramkörök fizikai mérete csökken -Működési feszültség csökken -Működési sebesség nő / egyre kevésbé terhelhető az áramkör mérőrendszerrel 120 100 80 60 40 20 0 Automotive Handheld Motherboard Consumer I/O Density Következmény : ICT 2001 2003 2005 2007 2011 háttérbe szorul, optikai Reducing Pad Size vizsgálatok előtérbe kerülnek 167
/Chip méretek 30 mm QFP 20 mm BGA 15 mm TAB COB CSP 10 mm FC (.4 in.) 168
PC CPU Sebesség trend 169
Elektronikai tervezés és gyártás tesztelési módszerei Manufacturing Defects Analyser (MDA) In circuit Test (ICT) Flying Probe (FP) Manual Vision Inspection (MVI) Automated Optical Inspection (AOI) Automated X-ray inspection (AXI) Functional Test (FT) Boundary Scan (JTAG) Environmental Stress Screening (ESS) Highly Accelerated Life Test (HALT) 170
Klasszikus SMT gyártósor felépítése Paneladagolás cimkézés Paste printer Chip shooter IC mounter Reflow AOI AOI MVI AOI MVI ICT FT AOI AXI MVI 171
ICT Komplex tűágy ( bed of nails ) akár több ezer mérőtű Gyors teszt Rövidzár, szakadás, alkatrészhiba, rosszul behelyezett alkatrész, hiányzó alkatrész meghatározása Tápfeszültség nincs a tesztelendő kártyára kapcsolva, a tűágyon keresztül helyi alacsony feszültség vagy áramgenerátoros tesztpontok kialakítása Speciális földelési/leválasztási technikák alkalmazása a meghibásodások elkerülésére Korlátozott mértékű funkcionális teszt lehetőség Nagy beruházási és teszt tervezési költség és idő Nagymennyiségű mérőtű a kártya nagy erőhatásnak van kitéve 172
173
ICT Lehetőségek: Rövidzár/szakadás meghatározása Power off tesztek: Analóg tesztek: analóg alkatrészek helye és értéke (R,C, D, T) Forrasztás tesztek: IC forrasztás tesztelése Power-on teszt Analóg alkatrészek működése tápfeszültség, műv erősítők, stb. Digitális alkatrészek működése (JTAG) Flash memóriák programozása Fotódetektorok LED-ek tesztelésére Külső timerek alkalmazása kristályok és oszcillátorok tesztelésére 174
Korlátok/hátrányok: ICT Párhuzamosan kapcsolt komponensek mérése csak együtt lehetséges Elektrolit kondenzátorok polaritás tesztelése nem lehetséges Villamos kötések minősége nem állapítható meg Back drive problémák! Erőhatások okozta mechanikai meghibásodás lehetősége Annyira jó és használható, mint amilyen jó az áramkör terve DUT is DFT -!!! Device Under Test is Designed for Test 175
Fixtures és testing probes Fixtures: Pneumatikus Vákumos Mechanikus Testing probes: Többszáz féle >> 176
177
178
MDA Alacsony költségű ICT Bed of nails Csak rövidzás, szakadás, alkatrészhiány, vagy alkatrész orientáció meghatározása Tápfeszültség alkalmazása nélkül 179
FP ICT-vel megegyező elv, de nem fix helyre bekötött mérőtűk, hanem mozgó mérőfejek. Kevesebb mérőfej Kisebb mechanikai erőhatás Lassabb mérés 180
181
JTAG IEEE1149 Bondary Scan Peremfigyelés Virtuális nails DFT (Designed for Test) Eredetileg digitális rendeszrek tesztelése Kevesebb mérőfej Lényegesen alacsonyabb költség 182
183
JTAG eszköz 184
AOI 185
AOI 186
AOI a printelés után 1. Hiányzó paszta Missing 2. Paszta vastagság Height 3. Elmázolt paszta Smears 4. Kevés paszta Insuficient paste 5. Paszta átfolyás, rövidzár Bridging 6. Stencil bemozdulás Stencil offset 187
AOI alkarész beültetés után Presence/absence Placement accuracy Polarity Skew CSP, Fine-Pitch and BGA paste deposits 188
AOI IC beültetés után Presence/absence Placement accuracy Polarity Skew 189
AOI reflow után Coplanarity (egysíkúság) Insufficient/excess solder Tombstone Misplaced Shorts Dry joints Skewed components Lifted or broken leads Polarity 190
AOI hullám után Missing leads Shorts Blowholes (zárvány) Incomplete joints Dry joints 191
A teszter főbb részei PC: ez vezérli a gépet, benne speciális framegrabber kártyák a képfeldolgozáshoz Optikai fej-egység: kamerák, fényforrások - Kamerák: 13 CCD kamera - Fényforrások: Xenon villanólámpák Mozgató rendszer (tárgyasztal): ebben mozgatja a gép a panelt az optikai teszt során Elektromos fiók: további vezérlő kártyák, betáp, sorkapcsok, megszakítók etc. 192
Az optikai fej felépítése 193
AOI megvilágítási megoldások - Xenon villanólámpás - LED sor (vörös) - LED sor körben (három színű) - Egyedi LED elhelyezések - Színes gyűrűk 194
AXI - az AOI-val ellentétben átlát az alkatrészeken, és látja az AOI elől rejtett forrasztást is, azonban alkatrész feliratot nem képes leolvasni, a berendezés ára kb. háromszoros az AOI-hoz képest. 195
Röntgensugár FIZIKAI ALAPOK A röntgensugarak nagyon kis hullámhosszúságú elektromágneses hullámok. A röntgensugárzás áthatolóképessége hullámhosszától függ. Minél kisebb a hullámhossz, annál nagyobb az áthatolóképesség. A kis energiájú sugárzást lágy, a nagy energiájú sugárzást kemény sugárzásnak nevezzük. A röntgen sugárzás hullámhossza 0.0006nm és 1.25nm között van, energiája 11 és 500 kev között van. (1 ev = 1,60219 10-19 J) 196
FIZIKAI ALAPOK Röntgensugárzás előállítása Elektront gyorsítanak, majd azt fém céltárggyal ütköztetik. A céltárgynál az elektron hirtelen lefékeződik a fém céltárgyban, és ha elég nagy energiájú az elektron, akkor képes az atom belső héjon lévő elektronját kiütni. Az atom egy magasabb energiájú elektronja visszaesve az üressé vált szintre, röntgenfotont bocsát ki. 197
Röntgensugarak előállítása A röntgensugárzás előállításakor az elektronokat elektromos térrel gyorsítják. Ha a gyorsítófeszültség U az elektronok energiája: A keletkező gamma foton energiája: mozgási energia + kötési energia h v =1/2m e v 2 +E k Néhány ezer voltos gyorsítófeszültséggel az atomok gerjesztési energiájánál nagyobb energiájú fotonok kelthetők, ha ezek a fotonok valamely anyaggal kölcsönhatásba lépnek, az anyag atomjait ionizálni képesek. Ezért a röntgen-sugárzás áthatolóképessége nagy. Képes áthatolni az emberi testen is. A sugárzást a nagyobb rendszámú atomok jobban elnyelik. Leárnyékolására az ólomból készült eszközök legalkalmasabbak. (Az ólom rendszáma Z = 82 ) 198
Izzókatódos röntgencső 199
Miért wolfram? Nagy rendszám (74), magas olvadáspont (3370 C), nehezen párolog. Héj K L M N O P Elektronszám 2 8 18 32 12 2 Elektron kötési energiája (kev) K héj karakterisztikus foton (kev) L-héj karakterisztikus foton (kev) 69,5 12,1 2,8 0,6 0,08 0,003-59,0 (Mo 42-17) 67,2 (Mo 42-17) 69,1 ~69,5 ~69,5 - - 9,6 11,0 ~12 ~12 200
Képerősítő 201
DETEKTOROK Hagyományos film detektor Digitális detektor Gyorsabb, jobb minőség, archiválhatóság, digitális képalkotás és képjavítás eszközei 202
Laminográfia Mechanikus képintegrálás 203
Tomosythesis Digitális képalkotás, képszintézis 204
Mikrofókuszos röntgennel, tomográfiás képalkotással készült felvételek 205
FT Normál működési feltételek tesztelése DAQ rendszerek GPIB rendszerek PXI rendszerek 206
FT az áramkört működés közben vizsgálja, a be és kimenetek között is beavatkozik és/vagy vizsgál, többnyire a normál működési paramétereket túllépve A többitől eltérően, itt általában egyedi tervezésű berendezésekről van szó. Szabványosításra töreksvés, de csak szegmensen belül kivitelezhető költséghatékonyan. A berendezés és alkalmazás ktsge széles skálán mozog, 100USD és 300.000 USD közötti értékben. komoly, specifikus elektronikai és programozási tudást igényel Az optikai vizsgálatok sem szorítják ki 207
HALT Lehetséges meghibásodások meghatározása Meghibásodást okozó alkalmazási és környezeti hatások meghatározása Leghatékonyabb meghibásodás stimulusok (terhelések) meghatározása Alacsony terhelési szint alkalmazása, majd folyamatos terhelés emelés az első meghibásodásig Meghibásodás okának meghatározása és kiküszöbölése Step-stress alkalmazása A terhelés és teszt határértékeinek meghatározása és alkalmazása Folyamat ismétlése a fejlesztő által meghatározott ütemben 208
HALT (nyúzóteszt) Példa a HALT körülmények meghatározására: Motorok, pumpák, trafók, sebességváltók: Használt olaj, vagy hűtőfolyadék alkalmazása Alacsony folyadékszint Túlmelegedett vagy túlhűtött folyadék Elhasznált szűrők alkalmazása Egytengelyűség elállítása Kiegyensúlyozatlan forgórészek alkalmazása Elektronikai alkatrészek: Magas/alacsony hőmérséklet alkalmazása Rezgő környezet Poros/nedves környezet, stb. 209
Módszerek vegyes alkalmazása AOI + ICT ICT + JTAG AOI + FP + JTAG AXI + JTAG + FT 210
Jabil Circiut anyagából 211
Számítógépes mérőrendszerek alkalmazási példái 212
Motorok csapágyvizsgálata rezgésméréssel Görgőkosár hibájából eredő rezgések frekvenciája: f f f bc re r ri n r r i 0 ri r0 r r r r i 0 n ri Zb n r r i 0 r i a belső gördülő felület sugara r 0 a külső gördülő felület sugara n a fordulatszám [1/s] Gördülő elemek okozta rezgések frekvenciája: r r a gördülő elemek sugara Gyűrűk hibáiból származó rezgések frekvenciája: z b a gördülő elemek száma 213
A motor rezgés spektruma a figyelmeztető és a veszélyes rezgésszint jelölésével. Felújított motor rezgésképe 214
A motor rezgés spektruma a figyelmeztető és a veszélyes rezgésszint jelölésével. A rezgés spektrumának változása a veszélyes rezgésszint közelében A rezgés spektruma hibás csapággyal 215
Frekvenciaváltós szivattyú motor diagnosztikája Hálózati tápfeszültség ellenőrzése 216
Frekvenciaváltós szivattyú motor diagnosztikája Hálózati tápfeszültség frekvencia összetevői 217
Frekvenciaváltós szivattyú motor diagnosztikája Frekvenciaváltó feszültségének ellenőrzése 218
Frekvenciaváltós szivattyú motor diagnosztikája Frekvenciaváltó feszültségének frekvencia spektruma 219
Frekvenciaváltós szivattyú motor diagnosztikája Frekvenciaváltó kimeneti feszültségének (spektrum) változása a feszültség frekvenciájának függvényében 220
Frekvenciaváltós szivattyú motor diagnosztikája Motor által felvett áram vizsgálata 221
Frekvenciaváltós szivattyú motor diagnosztikája Motor által felvett áram vizsgálata 222
Frekvenciaváltós szivattyú motor diagnosztikája Motor által felvett áram spektruma 223
Frekvenciaváltós szivattyú motor diagnosztikája Az áram spektrumának változása a frekvencia függvényében 224
Frekvenciaváltós szivattyú motor diagnosztikája A motor rezgésének vizsgálata 225
Frekvenciaváltós szivattyú motor diagnosztikája A motor rezgésének vizsgálata 226
Frekvenciaváltós szivattyú motor diagnosztikája A motor rezgésének spektruma 227
Frekvenciaváltós szivattyú motor diagnosztikája A motor rezgés spektrumának változása a fordulatszám függvényében 228
Hálózati feszültségek és áramok vizsgálata 10 kv-os hálózat feszültsége árama 120 kv-os hálózat feszültsége árama 229
Hálózati feszültségek és áramok vizsgálata A 230 V-os lakossági hálózat feszültségének vizsgálata: Az alapharmónikus, a 150, 250 és 350 Hz-es összetevők amplitudóinak időbeli változása 230
A városi világítás hatása a lakossági 230 V-os hálózat feszültségére A hálózat felharmonikus tartalma a bekapcsolás előtt: A hálózat felharmonikus tartalma a bekapcsolás után: 231
6-TENGELYES PORTÁLROBOT REZGÉSVIZSGÁLATA Tengely X Y Z Lökethoss z 5 m 3 m 1 m Gyorsulá s 6 m/s 2 6 m/s 2 8 m/s 2 Sebessé g 1.7 m/s 1.7 m/s 1.0 m/s 232
6-TENGELYES PORTÁLROBOT REZGÉSVIZSGÁLATA Rezgések változása a befogószerkezet függőleges helyzetétől függően Pozícionálás a befogószerkezet leengedett helyzetében A rezgések idő és frekvencia diagrammjai Pozícionálás a befogószerkezet felemelt helyzetében 233
6-TENGELYES PORTÁLROBOT REZGÉSVIZSGÁLATA A pozícionálási sebesség hatása a befogószerkezet rezgésére Lassú pozícionálás (kb. 6 sec) Gyors pozícionálás (kb. 3.5 sec) 234
Felhasznált irodalom 1. Zoltán István: Méréstechnika, Műegyetemi Kiadó, 1997. 2. Robert G. Seippel: Transducers, Sensors, and Detectors, Prentice-Hall Inc., 1983. 3. L. Borucki-J.Dittmann: Bevezetés a digitális méréstechnikába, Műszaki Könyvkiadó, 1975. 4. E.O. Doebelin: Measurement Systems, McGraw-Hill, 1990. 5. Douglas M. Considine: Process/Industrial Instruments & Control Handbook, McGraw-Hill, 1993. 6. Tran Tien Lang: Computerized Instrumentation, John Wiley &Sons Ltd., England 1991. 7. John G. Webster: The Measurement, Instrumentation, and Sensors Handbook, Springer-Verlag GmbH &Co., 1999. 8. IPC-A-610 9. IPC J-STD-001D 10. Elektronikai gyártás és Minőségbiztosítás, Egyetemi jegyzet, BME-ETT 11. Brindley, K.: Soldering in Electronics Assembly. Newnes, 1999. 12. O Connor, P.D.T.: Test Engineering. Wley, 2001. 235