Kybernetizace experimentu I - NEVF127

• Anglický název: Experiment Automation I
• Zajišťuje: Katedra fyziky povrchů a plazmatu (32-KFPP)
• Fakulta: Matematicko-fyzikální fakulta
• Platnost: od 2021
• Semestr: letní
• E-Kredity: 5
• Rozsah, examinace: letní s.:2/1, Z+Zk [HT]
• Počet míst: neomezen
• Minimální obsazenost: neomezen
• 4EU+: ne
• Virtuální mobilita / počet míst pro virtuální mobilitu: ne
• Stav předmětu: vyučován
• Jazyk výuky: čeština, angličtina
• Způsob výuky: prezenční
• Způsob výuky: prezenční
• Garant: doc. RNDr. Lubomír Přech, Dr.; doc. Mgr. Pavel Kudrna, Dr.; doc. Mgr. Josef Mysliveček, Ph.D.

Anotace

čeština

Poslední úprava: T_KEVF (07.05.2005)

Úvod do automatizace hromadného sběru dat a řízení fyzikálních měření a technologických procesů. Analogové filtry. D-A a A-D převodníky. Logické obvody a jejich charakteristiky. Základy regulační techniky. Základy mikroprocesorové techniky. Standardy připojení vnějších zařízení k počítači.

angličtina

Poslední úprava: T_KEVF (07.05.2005)

Introduction to data acquisition and control of physical experiments and technological processes. Analog filters. Process controller basics. D/A and A/D converters. Digital circuits and their characteristics. Introduction to microprocessor technology. Computer standards for connection of external devices.

Podmínky zakončení předmětu

Poslední úprava: doc. RNDr. Jiří Pavlů, Ph.D. (03.06.2020)

Získání zápočtu je podmínkou pro konání zkoušky.

Udělení zápočtu je podmíněno průběžnou účastí na výuce, aktivitou při cvičeních a vypracováním zjednodušeného protokolu z měření.

Povaha kontroly studia předmětu vylučuje opakování této kontroly, zápočet se tedy opakovat nedá.

Literatura

Poslední úprava: T_KEVF (10.05.2004)

1. M.Šícha, M.Tichý, Elektronické zpracování signálů, skripta MFF, Karolinum, 1998.

2. M.Tichý, Elektronika, www skripta, http://lucy.troja.mff.cuni.cz/~tichy/

3. M. Šnorek, Standardní rozhraní PC, Grada, 1992.

Požadavky ke zkoušce

Poslední úprava: doc. RNDr. Jiří Pavlů, Ph.D. (03.06.2020)

Předmět je zakončen ústní zkouškou.

Požadavky u zkoušky odpovídají sylabu předmětu v rozsahu, který byl prezentován na přednášce.

U zkoušky student dostává typicky 2 dílčí otázky a má 30 min. na přípravu (další doplňující otázky v průběhu zkoušky nejsou vyloučeny).

Sylabus

čeština

Poslední úprava: doc. RNDr. Jiří Pavlů, Ph.D. (20.02.2019)

1. Úvod do analogového a číslicového zpracování dat a řízení experimentu
Deterministické a náhodné signály a jejich charakterizace. Základní schéma počítačově řízeného experimentu. Převod neelektrických veličin na elektrický signál a zpět (čidla a akční členy - příklady základních typů). Úprava signálů. Vzorkování, kvantování, spektrum signálu, Nyquistovo kriterium.

2. Analogové filtry
Přehled analogových filtrů - výhody a nevýhody. RC a LC filtry, aktivní filtry. Aplikace filtrů při zpracování signálu.

3. Převodníky analogových a číslicových signálů
Analogový spínač a multiplexer, vzorkovací obvod. Metody převodu D/A - odporové sítě a proudové zdroje, nepřímý převodník s pulzně-šířkovou modulací. Integrační metody převodu A/D - jednoduchá a dvojitá integrace. Pokročilé metody rychlého A/D převodu - převodníky s postupnou aproximací, paralelní převodníky, sigma-delta převodník. Parametry a chyby A/D a D/A převodu.

4. Číselné reprezentace a operace s čísly
Booleova algebra, základní logické operace, parita. Logická funkce a ekvivalentní úpravy jejího zápisu. Dvojková soustava, reprezentace čísel v pevné a pohyblivé řádové čárce, základní aritmetické operace.

5. Logické obvody
Kombinační a sekvenční logika. Shrnutí základních logických obvodů. Základní logické členy, synchronní a asynchronní klopné obvody. Zpožďovací členy, monostabilní a astabilní klopné obvody. Multiplexery, dekodéry, aritmetické obvody, komparátory, generátor parity. Sériové a paralelní posuvné registry, čítače, paměti. Třístavová logika, obvody s otevřeným kolektorem (logické členy "wired-OR"), tvarovače, budiče a přijímače. Synchronní a asynchronní sběrnice, princip "handshake", přenos signálů dvouvodičový (diferenciální) a jednovodičový, proudová smyčka.

6. Základní parametry číslicový integrovaných obvodů (IO)
Mezní, statické a dynamické parametry IO. Logické úrovně, šumová odolnost, vstupní, výstupní a převodní charakteristiky, zatížitelnost, náběh a doběh, zpoždění, předstih a přesah. Implementace jednoduchých logických členů v bipolárních a unipolárních integrovaných obvodech.

7. Základy regulační techniky
Otevřený a uzavřený regulační obvod. Řídící, řízené a poruchové veličiny. Dynamické vlastnosti regulačního obvodu, odezva na jednotkový skok vstupní veličiny, dopravní zpoždění. Regulátory spojité a nespojité. Regulátory proporcionální, integrační, derivační, extremální a jejich kombinace (PI, PID).

8. Základy mikroprocesorové techniky
Základní schéma a princip funkce. Von Neumanova a harwardská architektura. Řadič, instrukce, registry, ALU, rozhraní sběrnice a řízení paměti. Přerušení a přímý přístup do paměti. Jednočipový mikropočítač. Periferní obvody mikroprocesorů - paralelní a sériové porty, čítače, integrované A/D a D/A.

9. Základní standardy připojení vnějších zařízení k počítači
Paralelní a sériové sběrnice, %RS232. Rychlá rozhraní - USB, síťové rozhraní Ethernet , lokální počítačová síť ve fyzikální laboratoři.

angličtina

Poslední úprava: T_KEVF (18.05.2005)

1. Introduction to data acquisition and control of physical experiments
Deterministic and random signals and their characteristics. Simplified block diagram of computer controlled experiment. Conversion of nonelectrical quantities to/from electrical signals (sensors and actuators - examples). Signal conditioning and shaping. Grounded and floating signal sources, differential, ground referenced and non-referenced single-ended measurement systems. Signal sampling and quantification, frequency spectrum, Nyquist criterion.

2. Analog filters
Overview of analog filtering - advantages and drawbacks. RC and LC filters, active filters. Applications of filters to signal processing.

3. Digital-analog and analog-digital conversion
Analog switch and multiplexer, sample and hold circuit. Methods of D/A conversion - resistor networks and current sources, indirect conversion using PWM. Integration A/D methods - single and double integrations. Advanced A/D conversion methods - successive approximation, parallel and sigma-delta converters. Parameters and errors of D/A and A/D conversions.

4. Digital number representations and operations
Boolean algebra, basic logical operations, parity. Logical function and its equivalent notations. Binary system, integer and floating-point number representations, basics of arithmetic operations.

5. Logical circuits
Combinative and sequential logic. Overview of basic logical circuits. Logical gates, synchronous and asynchronous flip-flop circuits, delay elements, monostable and astable flip-flop circuits. Multiplexers, decoders, arithmetic circuits, comparators, parity generator. Serial and parallel shift registers, counters, memory cells. Tri-state logic, open drain circuits (wired-or logical elements), buffers, link transmitters and receivers. Synchronous and asynchronous bus, handshake protocol, differential and single-ended signal transfer, current loop.

6. Basic properties of digital integrated circuits
Absolute maximum ratings, static and dynamic characteristics. Logical levels, noise tolerance, input, output and transfer characteristics, input/output load, rise and fall times, delay, lead and hold times.

7. Tutorial of microprocessor technology
Basic design and function. Von Neuman and harward architecture. Controller, instructions, registers, ALU, bus interface and memory access, I/O ports. Interrupt and DMA. Single chip microcontrollers. Peripheral circuits for microprocessors - parallel and serial ports, counters/timers, integrated ADC and DAC.

8. Selected standard computer interfaces
Parallel interface - EPP. Serial interface - %RS232, modem, null modem. Fast interfaces - USB, network adapters, FireWire.

9. Tutorial of process control
Open and close control loops. Set-point, measured variable, controller action. Dynamic characteristics of control loop, step function response, traffic delay. Continuous and discreet controllers. Proportional, integral, derivative and extremal controllers and their combinations.