Hard- en software. 1 Gebruiksaanwijzing voor Labview-grafieken. 2 Data-acquisitie met de computer

Transcriptie

1 Hard- en software 1 Gebruiksaanwijzing voor Labview-grafieken 2 Data-acquisitie met de computer Voor metingen van fysische grootheden zijn twee programmeerbare systemen beschikbaar: Het nieuwe JULIA systeem dat zich buiten de computer bevindt (versies II en III). Het oude systeem bestaand uit een set van insteekkaarten binnen de computer (inmiddels bijna geheel vervangen door JULIA systemen) De belangrijkste functies van deze acquisitiesystemen zijn hierbij: Het genereren van spanningen (DAC s), Het meten van spanningen (ADC s), Het meten van tijdverschillen en frequenties + tellen van impulsen. 2.1 JULIA Specifiek voor de practica is door de afdeling Instrumentatie van de faculteit (destijds bekend als IGF: Instrumentele Groep Fysica) over een periode van meerdere jaren een dataacquisitie systeem ontwikkeld onder de naam JULIA. Dit systeem wordt gebruikt voor de automatisering van diverse practicumopstellingen. De communicatie tussen JULIA en de gebruikte computer is gebaseerd op het USB protocol waarbij gebruik wordt gemaakt van

2 een USB-poort op de computer. Bij een groot deel van de opstellingen bij het practicum PN wordt inmiddels gebruikgemaakt van JULIA systemen. Hieronder is een samenvatting te vinden van de functionaliteit van de beide JULIA systemen aan de gebruikerskant De beschikbare functies van JULIA-II/-III Voor de beide JULIA systemen geldt een zelfde opbouw in deelsystemen: - 8 langzame Analoog Digitaal Converters om langzaam variërende analoge spanningen te meten (desgewenst extern triggerbaar). (Slow ADC) - 2 snelle Analoog Digitaal Converters om snel variërende analoge spanningen te meten (desgewenst extern triggerbaar) (Fast ADC) - 4 Digitaal Analoog Converters die het mogelijk maken vanuit de computer regelbare spanningen uit te voeren (DAC) - Tijdsinterval/frequentie meter, pulsteller (Puls count) - Blokspanningsgenerator (Blok out) - Digitale signaal in- en uitvoer mogelijkheden. Om JULIA vanuit een PC te gebruiken moet op de PC de benodigde driver zijn geïnstalleerd. Verder moet JULIA op de netspanning zijn aangesloten en moet JULIA via een USB kabel met de PC zijn verbonden Specificaties van JULIA-III Gebruik In Fig.1 is het frontpaneel van JULIA-III weergegeven. Fig.1 Lay-out frontpaneel van JULIA-III. Een viertal groene led s geven informatie over de operationele status van JULIA-III, n.l. POWER (JULIA-III is voorzien van spanning), USB (USB verbinding met de PC is aanwezig), ANALOG en DIGITAL STATUS (geven aan dat er geen situatie van overbelasting is). Vooral deze laatste twee indicatoren zijn belangrijk voor de beveiliging van JULIA-III tegen beschadiging. Hoewel de in- en uitgangen van JULIA-III (beperkt) zijn beveiligd tegen overspanning resp. kortsluiting moet wanneer een beveiliging-led uit staat zo snel mogelijk een situatie van kennelijke overbelasting worden verholpen door de betreffende verbinding te ontkoppelen van JULIA-III. Als de beveiliging wordt geactiveerd is het zaak zo snel mogelijk de overspanning/overbelastingsituatie op te heffen om schade aan de elektronica te voorkomen: doe dit door de betreffende ingang/uitgang snel te ontkoppelen. 2

3 Detail specificaties van de JULIA-III functies. Analoge functies op ANALOG IO: Een groot deel van de analoge functionaliteit van JULIA-III is beschikbaar via de 37-pins ANALOG IO Dsub connector. Deze functies zijn de langzame analoog-digitaal conversie en de digitaal analoog conversie (de snelle analoog-digitaal conversie is alleen toegankelijk via de BNC connectoren op het frontpaneel). JULIA-III bevat acht (8) langzame ADC-kanalen met elk een resolutie van 14 bits. De ingangen zijn zowel differentieel als single-ended (dwz t.o.v. aarde) te gebruiken. Simultaan kunnen er tot 8 spanningen tegelijkertijd worden gemeten. Omdat in praktische meetsituaties vaak met veel minder ADC kanalen kan worden volstaan, is er ter vergroting van de toegankelijkheid een JULIA-III BREAKOUT BOX beschikbaar die op de ANLOG IO wordt aangesloten (zie Fig.2). Op de BREAKOUT BOX zijn o.m. vier van deze langzame ADC kanalen beschikbaar (SADC1,, SADC4) + triggeringang (TTL, opgaande flank). Per SADC kanaal is er een programmeerbare versterker opgenomen die de ingangsspanning 1, 10, of 100 keer kan versterken voordat deze wordt gedigitaliseerd. Bij versterking 1 is het spanningsgebied 10V tot +10V. Bij de andere versterkingen wordt dit bereik hiermee evenredig kleiner. De toelaatbare samplefrequenties zijn afhankelijk van het aantal kanalen waarop simultaan wordt gemeten met een maximum van ongeveer 250 khz. Fig.2 Lay-out BREAKOUT BOX. JULIA bevat vier (4) onafhankelijk aan te sturen digitaal-analoog-converters (DAC). De resolutie van deze DAC s is 16 bits met een bereik van 10V tot +10 V. Deze uitgangspanningen zijn ook beschikbaar via de BNC aansluitingen (DAC1,, DAC4) op de BREAKOUT BOX. Analoge IO functies: snelle ADC s JULIA-III bevat twee (2) snelle ADC-kanalen met elk een resolutie van 12 bits en een bereik van 1V tot +1V bij een samplefrequentie tot 8 MHz. Het is mogelijk simultaan op beide kanalen te meten. Invoer is uitsluitend via de BNC s (FADC1, FADC2) op het frontpaneel, waar ook de Trigger ingang (TTL, opgaande flank) is te vinden (zie Fig.1). Digitale functies op DIGITAL IO: De digitale IO interface bevat zestien kanalen elk te configureren als TTL ingang of TTLuitgang. Deze kanalen zijn beschikbaar op de 25-polige Dsub connector op het frontpaneel (DIGITAL IO). Een deel van deze functionaliteit (timer/counter functie) is ook op het frontpaneel toegankelijk via BNC aansluitingen op het frontpaneel (zie Fig.1). 3

4 Timer/counter functies: De BNC-ingang Dig-In op het frontpaneel van JULIA dient als gezamenlijke ingang voor meerdere functies: - het tellen van spanningpulsen (counter functie); - het meten van tijdsintervallen tussen twee pulsen (timer functie); - het meten van frequentie. Voor alle functies is de ingang van het type TTL. De BNC-uitgang Dig-Out op het frontpaneel is een TTL uitgang voor een programmeerbare blokgenerator (bereik van 0.5 mhz tot 2 MHz) Specificaties van JULIA-II Gebruik In de Figs.3 en 4 zijn voor- en achterpaneel van JULIA-II weergegeven. Trigger Data Ready Slow ADC 1+ Slow ADC 2+ Fast ADC 1 Fast ADC 2 DAC 1 DAC 2 DAC 3 DAC 4 Fig.3 Frontpaneel van JULIA-II. Puls count Blok out USB Reset Julia S/N 000 Fig.4 Achterpaneel van JULIA-II. De groene led rechts op het frontpaneel van JULIA staat aan als de USB verbinding in orde is (ook als JULIA-II niet op de netspanning is aangesloten). Bij JULIA-II wordt gebruikgemaakt van het USB-1.0 protocol met beperkte doorvoercapaciteit. In de praktijk heeft tot gevolg dat de onderstaande specificaties niet continu kunnen worden gehaald. De in- en uitgangen van JULIA-II zijn (beperkt) beveiligd tegen overspanning resp. kortsluiting. Als de beveiliging wordt aangesproken wordt een geluidssignaal gegeven en wordt JULIA-II deels geblokkeerd. De reset knop aan de achterzijde dient om het waarschuwingsgeluid te stoppen en de blokkering op te heffen. N.B. Deze knop geeft geen volledige reset van JULIA-II. Als de beveiliging wordt geactiveerd is het zaak zo snel mogelijk de overspanning/overbelastingsituatie op te heffen om schade aan de elektronica te voorkomen: doe dit door de betreffende ingang/uitgang snel te ontkoppelen. 4

5 Detail specificaties van de JULIA-II functies Analoge IO functies: JULIA-II bevat acht (8) langzame ADC-kanalen met elk een resolutie van 14 bits. De ingangen zijn zowel differentieel als single-ended (d.w.z. t.o.v. aarde) te gebruiken. Simultaan kan op 1, 2 of 4 kanalen worden gemeten. Maximaal kunnen er 8 spanningen in 2 blokken van 4 kanalen worden gemeten. Per kanaal is er een programmeerbare versterker opgenomen die de ingangsspanning 1, 10, of 100 keer kan versterken voordat deze wordt gedigitaliseerd. In versterkerstand 1 is het spanningsgebied 10V tot +10V. Bij de andere versterkerstanden wordt dit bereik evenredig met de versterking kleiner. De toelaatbare samplefrequenties zijn afhankelijk van het aantal kanalen waarop simultaan wordt gemeten: op één kanaal: 500 Hz -250 khz, op 4 kanalen: 500 Hz tot 50 khz. De single-ended ingangen voor kanaal 1 en kanaal 2 zijn zowel via BNC s op het frontpaneel beschikbaar (Slow ADC 1+ en Slow ADC 2+) als via de 37-polige Dsub connector; de andere zes en de acht differentiële ingangen zijn alleen via deze connector beschikbaar. N.B. Bij externe triggering van de ADC s wordt de maximale continue sample frequentie op dit moment beperkt door de capaciteit van USB-1.0 tot ongeveer 100 Hz. JULIA bevat twee (2) snelle ADC-kanalen met elk een resolutie van 12 bits en een bereik van 1V tot +1V bij een samplefrequentie tussen 10 khz en 8 MHz. Het is mogelijk simultaan op beide kanalen te meten. Invoer kan zowel via de BNC s (Fast ADC 1, Fast ADC 2) als via de 37-polige Dsub connector. Trigger: zowel voor de snelle, als voor de langzame ADC s is via deze BNC-ingang op het frontpaneel een externe triggerfunctie mogelijk (TTL signaal). JULIA bevat vier (4) onafhankelijk aan te sturen digitaal-analoog-converters (DAC). De resolutie van deze DAC s is 16 bits met een bereik van 10V tot +10 V/ maximale belasting 250 ma. De uitgangspanning is zowel op de BNC s (DAC1,, DAC4) als op de 37-polige Dsub connector beschikbaar. Timer/counter functies: De BNC-ingang Puls count op het achterpaneel van JULIA dient als gezamenlijke ingang voor verschillende functies: - het tellen van spanningpulsen (counter functie); - het meten van tijdintervallen tussen twee pulsen (timer functie); - het meten van frequentie. Voor alle functies is de ingang van het type TTL. De BNC-uitgang Blok out op het achterpaneel is een TTL uitgang voor een programmeerbare blokgenerator (bereik van 0.5 mhz tot 2 MHz). Digitale IO functies: De zestien (16)-kanaals digitale IO interface is te configureren in 2 blokken van elk acht (8) kanalen. Een blok kan hierbij softwarematig als ingang of als uitgang worden geconfigureerd. Deze kanalen zijn beschikbaar op de 25-polige Dsub connector (blauw) op het frontpaneel. De uitgangen zijn gelatched (=behouden hun signaal na programmeren) en een TTL signaal wordt gegenereerd op de BNC uitgang Data Ready zodra de uitgangen daadwerkelijk op de connector zijn geactiveerd. 5

6 2.2 Systeem van insteek-meetkaarten ( oude systeem ) De meetkaarten zijn toegankelijk via de achterkant van de computer. In Fig.5 zijn de fronten van de meest gebruikte kaarten weergegeven. De DAC-kaart bevat 4 onafhankelijk aan te sturen digitaal-analoog converters. Wanneer een computerprogramma in het register van een DAC een getal (tussen 0 en 4000) zet, genereert de DAC een gelijkspanning (tussen 0 en 10 V of 0 en 10 V). De timer/counterkaart (16 bits IO-kaart) heeft meerdere functies: Het genereren van een kanteelvormige periodieke spanning met instelbare frequentie (toegepast in de programmeerbare generator van de proef GELD). Het tellen van spanningspulsen (counterfunctie). Het meten van tijdsintervallen tussen twee spanningspulsen (timerfunctie). Fig.5 Fontpanelen van de meest gebruikte meetkaarten. De langzame ADC-kaart bevat één analoog-digitaal converter. Wanneer op de ingang van deze ADC een spanning (tussen 0 en 10 V, resp. 5 en +5 V) wordt gezet, komt in het uitgangsregister van de ADC een getal (tussen 0 en 4095) te staan, waarmee een computerprogramma aan het werk kan. De ADC kan maximaal 1000 conversies / s doen. De kaart bevat een 8-kanaals multiplexer, zodat maximaal 8 spanningen beurtelings kunnen worden gemeten en een programmeerbare versterker, die de ingangsspanning 1, 2, 4, 8 of 16 keer kan versterken voordat deze wordt geconverteerd. De snelle ADC-kaart bevat twee ADC s, die elk spanningen tussen ongeveer 2 en + 2 V omzetten in getallen tussen 0 en 127. Deze ADC s halen een conversiesnelheid van /s (16 MHz) en worden o.a. gebruikt om hoogfrequente wisselspanningen te meten. 6