Post on 08-Feb-2018
Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
dr inż. Artur Zieliński Katedra Elektrochemii, Korozji i Inżynierii Materiałowej
Wydział Chemiczny PG pokój 311
Politechnika Gdaoska, 2011 r.
Cyfrowy świat
Zwiad wojskowy
http://www.militaryaerospace.com Cyfrowa informacja
Cyfrowa sztuka
Cyfrowa rozrywka
Cyfrowa nauka
Autor: Thomas Nugent
Autor: Jamie Zawinski
2 wykład 1
Historia
• Cyfrowe przetwarzanie sygnałów (CPS), czyli digital signal processing (DSP),
jest bezpośrednio związane z zastosowaniem komputerów.
• Pojawienie się komputerów cyfrowych datowane jest na lata 60. Ze względu
na koszta zastosowanie technik cyfrowych ograniczone było do kilku
obszarów, takich jak RAdio Detection And Ranging, SOund NAviation and
Ranging, poszukiwania ropy, obrazowanie medyczne i eksploracja kosmosu.
• Wniosek patentowy na mikroprocesor został złożony przez Texas Instruments
4 września 1973 r.
• Wraz z upowszechnianiem się komputerów osobistych, technika cyfrowa
zdobyła rynek zastosowań komercyjnych i została okrzyknięta jednym z
czołowych rozwiązań kształtujących współczesny świat.
3 wykład 1
Interdyscyplinarny charakter CPS
CPS
•Obrazowanie diagnostyczne (rezonans, USG)
•Analiza przebiegów EEG i EKG
•Przechowywanie obrazów medycznych
•Kompresja danych i głosu
•Redukcja echa
•Filtracja
•Przełączanie rozmów
•Badania sejsmologiczne
•Rejestracja danych
•Analiza widmowa
•Symulacje i modelowanie
•Radar
•Sonar
•Naprowadzanie
•Bezpieczna komunikacja
•Poszukiwania minerałów
•Kontrola procesów technologicznych
•Testy nieniszczące
•CAD i inne narzędzia projektowe
4 wykład 1
Medycyna
USG umożliwia
uzyskanie obrazu za
pomocą sondowania
falami ultradźwiękowymi
EKG - rejestracja
elektrycznej czynności
mięśnia sercowego z
powierzchni klatki
piersiowej w postaci
różnicy potencjałów
pomiędzy dwiema
elektrodami
Tomografia pozwala na
otrzymanie obrazu
przekroju ciała bez
konieczności inwazji
chirurgicznej.
Godfrey N. Hounsfield, Allan
M. Cormack, Nagroda
Nobla 1979.
5 wykład 1
Wątpliwości
Sygnał cyfrowy to
przybliżanie linii prostej
za pomocą schodków
6 wykład 1
Miernictwo cyfrowe
Miernictwo, czyli sztuka wykonywania pomiarów, to niewielki wycinek
zagadnień związanych z cyfrowym przetwarzaniem sygnałów.
Istotą pomiaru jest zdobycie użytecznych informacji dotyczących badanego
obiektu.
badania elektrochemiczne mikroskopia tunelowa
pomiary mechaniczne
7 wykład 1
Zadania
• W jaki sposób algorytmy cyfrowego przetwarzania sygnałów mogą
być pomocne w realizacji pomiaru?
• W jaki sposób prawidłowo skonstruować (cyfrowe) stanowisko
pomiarowe?
• W jaki sposób bezpiecznie zastosować techniki cyfrowe, to znaczy
żeby nie wprowadzić błędu jakościowego?
• Jeśli uniknięcie błędu ilościowego nie jest możliwe, to jak
zminimalizować jego wielkość?
8 wykład 1
Pojęcia z cyfrowego świata
Sygnał to nośnik informacji. Sygnał może być rezultatem pomiaru.
Informacja zawarta jest w danych powiązanych z pewną dziedziną. Często
dziedzinę sygnału stanowi czas, ale nie jest to regułą.
kolor(x,y)
pH(t)
pole(x,y,z,t)
głos(t)
z(x,y)
9 wykład 1
Sygnały cyfrowe
Sygnały cyfrowe są nieciągłe. W tym przypadku sygnał (obrazek) określony
jest w dziedzinie przestrzennej x-y.
Dziedzina składa się z pikseli.
10 wykład 1
Sygnały cyfrowe II
Wartość sygnału, czyli kolor każdego
piksela, nie jest ciągła, a opisywana przez
trójkę liczb całkowitych z zakresu 0-255.
11 wykład 1
Sygnały analogowe
Dla jadącego samochodu w każdej chwili jego szybkość określona jest pewną funkcją V(t).
Wychylenie wskazówki prędkościomierza zmienia się analogicznie do zmian szybkości
pojazdu.
Rozumienie sygnałów analogowych jako „analogii do czegoś” ma znaczenie raczej historyczne. Współcześnie pojęcie sygnały analogowe oznacza sygnały zdefiniowane w ciągłej
dziedzinie i przyjmujący ciągły zakres wartości.
12 wykład 1
Sygnał cyfrowy z analogowego
Rezultatem pomiaru szybkości w określonych odstępach czasu jest ciąg wartości, które można ponumerować wskaźnikiem n. Ponieważ prędkościomierz ma podziałki odczyt musi zostać zaokrąglony.
Sygnał cyfrowy powstał z sygnału analogowego w procesie cyfryzacji (digitalizacji). Sygnał cyfrowy to sygnał określony w nieciągłej (dyskretnej) dziedzinie i przyjmujący przeliczalny zbiór możliwych wartości.
13 wykład 1
Cyfryzacja, digitalizacja
Sygnał cyfrowy jest mniejszy od swojego ciągłego pierwowzoru. + zajmuje mniej miejsca -- zawiera mniej informacji -Jak zminimalizować szkody wynikłe z utraty informacji?
Sygnał cyfrowy istnieje tylko w czerwonych kropkach. Łączenie ich linią jest błędem.
14 wykład 1
Układy Oprócz sygnałów muszą istnieć również byty wykonujące na nich operacje, czyli układy. Mogą mieć one postać fizycznych obiektów, takich jak wzmacniacze, filtry, procesory sygnałowe.
Mogą być też tworami wirtualnymi, czyli komputerową realizacją algorytmów matematycznych.
filtry analogowe
przedwzmacniacz
pomiarowy
procesor sygnałowy EMU10K1
algorytmy
realizowane
w pamięci
komputera
15 wykład 1
Cyfrowy system pomiarowy
Monitorowanie temperatury
termopara (czujnik)
zamienia wartość
temperatury na
napięcie elektryczne
jeśli termopara posiada
liniową charakterystykę
najłatwiej jest dokonać
przeliczenia wielkości
fizycznych
przetwornik analogowo-cyfrowy
analog / digital A/D
komputer zarządza
procesem rejestracji
sygnału i umożliwia
jego obróbkę
16 wykład 1
Cyfrowy system pomiarowy II
Rejestracja głosu
przetwornikiem A/D jest
karta dźwiękowa
rolę czujnika pełni
mikrofon
przedwzmacniacz
mikrofonowy to przykład
układu kondycjonującego.
Dopasowuje właściwości
sygnału wyjściowego z
jednego urządzenia do
potrzeb wejścia drugiego
Obraz barwy dźwięku jest
wynikiem wykonania przez
komputer jednego z
algorytmów CPS
17 wykład 1
Oprogramowanie
Oprócz zaplecza sprzętowego konieczne jest również posiadanie oprogramowania służącego do zarządzania procesem pomiaru cyfrowego, umożliwiającego obróbkę zarejestrowanego sygnału a także jego magazynowanie i odczyt z pliku.
Jednym ze zintegrowanych środowisk służących do realizacji powyższych celów jest LabVIEW firmy National Instuments.
Przykład rozbudowanego
interfejsu urządzenia
wirtualnego. Autor programu:
Kacper Jurak
18 wykład 1
Podsumowanie
• Ze względu na swoją powszechną dostępność urządzenia cyfrowe
stanowią jedno z podstawowych narzędzi współczesnego inżyniera.
• Pomiar cyfrowy opiera się na wykorzystaniu specyficznych
sygnałów o charakterze nieciągłym (dyskretnym).
• Istnieją pewne zasady, których należy przestrzegać przy
projektowaniu i budowie stanowiska pomiarowego oraz podczas
wykonywania rejestracji i analizy danych cyfrowych.
19 wykład 1
Literatura
• Richard G. Lyons, „Wprowadzenie do cyfrowego
przetwarzania sygnałów”, WKŁ, Warszawa, 2000.
• D. Świsulski, „Systemy pomiarowe. Laboratorium”,
Wydawnictwo PG, Gdańsk, 2004.
• J. Szabatin, „Podstawy teorii sygnałów”, WKŁ,
Warszawa, 2000.
• M. Chruściel, „LabVIEW w praktyce”, Wydawnictwo
BTC, Warszawa, 2008.
• Tomasz P. Zieliński, „Cyfrowe przetwarzanie sygnałów.
Od teorii do zastosowań”, WKŁ, Warszawa, 2005.
20 wykład 1