Abtastratenerhöhung durch Messdatenverschränkung von Kanälen

Einige EtherCAT Analogeingänge unterstützen Distributed Clocks, d.h. die Messwerterfassung wird zyklisch von der lokalen Uhr getriggert. Diese Eigenschaft kann genutzt werden, um zwei Geräte zeitgesteuert abwechselnd das elektrische Signal abtasten zu lassen. Die beiden Datenströme können dann steuerungsseitig so zusammengesetzt (verschränkt) werden, dass die effektive Abtastrate des Signals doppelt so hoch ist wie bei der Abtastung mit nur einem Kanal.

In diesem Beispiel wird die Umsetzung einer 200 kSample/s (kSps) Analogwerterfassung mit zwei EL3702 (je 100 kSps) gezeigt.

• Aufgabe: Ein ±10V Analogsignal mit 50 kHz soll abgetastet werden. Es handle sich um einen Bitdatenstrom, der in der Amplitude kodiert ist. Der Einfachheit halber wird ein sinusförmiges Signal betrachtet, dies zeigt die maximale Anzahl von Pegelwechseln (50 kHz ~ 100 kBit).
• Versuch: Eine EL3702 wird mit 10x Oversampling und TwinCAT EtherCAT Zykluszeit 100 µs betrieben, erreicht also eine Abtastrate von 100 kSps bzw. 10 µs Sampledifferenz. Das ist das 2-fache der Signalfrequenz, könnte also theoretisch (Nyquist/Shannon) gerade ausreichen, um alle Pegeländerungen zu sehen.
• Zu Beginn ist das Signal 10 kHz:

Im TwinCAT Scope sind die Pegel der Klemme Kanal 1 noch deutlich zu erkennen

Elektrisch ist bei solchen Versuchen darauf zu achten, dass die Quelle (hier: Signalgenerator) gegen die Impedanz des Analogkanals (hier: EL3702 mit industrietauglichen 220 kOhm) treiben kann und die Amplitude generatorseitig nicht einbricht.

• Signal 50 kHz

Die Klemme kann kein durchgängiges Signal mehr erkennen, es kommt wegen der Frequenzähnlichkeit (Vielfache) von 100 µs zu 50 kHz bei gleichzeitig ganz leichter Abweichung zu einem Schwebungseffekt.

Bei allen Frequenzen um 50 kHz ist eine veränderte Schwebungsfrequenz zu erkennen (hier: 49 kHz).

Es sind je nach Position Peakwerte zu sehen, allerdings abschnittsweise mit nicht verwertbar kleinen Amplituden:

Hinweis: Es werden 16-Bit-INT-Werte erfasst. Im TwinCAT Scope ist jedoch ein Scalefactor eingetragen, der die Darstellung auf der ±10V Y-Achse ermöglicht.

• Das Signal wird nun auf Kanal 1 beider Klemmen gelegt.

Anmerkung: Die beiden Kanäle des EL3702 arbeiten simultan, deshalb muss für eine Verschränkung (=zeitversetzte Messung) eine zweite Klemme gewählt werden. Der zweite Kanal kann nicht zeitversetzt zum ersten betrieben werden.

• In den EtherCAT Distributed Clocks Einstellungen wird die 2.Klemme um +5µs „geshiftet“.
  In diesem Beispiel ergeben sich aus der Defaultangabe „-10 µs“ somit „-5 µs“.



• In der PLC lautet der Code:

In der TwinCAT PLC werden also beide Datenströme verschränkt:

Darstellung des verschränkten 49 kHz-Signals im TwinCAT Scope

Es ist gut erkennbar, dass das verschränkte Signal aus der Addition beider Signale resultiert.

• Das ursprünglich verfolgte 50 kHz Signal ist nun mit einer Zeitauflösung von 5 µs erkennbar. Schwebungseffekte spielen aufgrund der 4-fach höheren Abtastung keine Rolle mehr.

Mit dieser Datenlage ist es nun möglich, eine klare Auswertung der Pegel und Bits durchzuführen und somit das Versuchsziel zu erreichen. Eine einfache Bit-Interpretation „Amplitude > 0 = TRUE“ liefert bei einem Signal „1000“ mit analog f=25 kHz, DutyCycle = 25% sauber die 10 µs-Bits:

Eingangsdämpfung beachten Bei einem solchen Konzept ist es wichtig, die Eingangsdämpfung der verwendeten Analogeingänge zu beachten. Obwohl die effektive Messdatenrate verdoppelt wird, wird die Eingangscharakteristik (Stichwort: Grenzfrequenz, -3dB-Punkt) nicht angehoben.

TwinCAT Filter-Bibliothek TF3680 Mit der TwinCAT Filter-Bibliothek TF3680 kann das Analogsignal frequenzselektiv gedämpft oder verstärkt werden.