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