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.

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

Abtastratenerhöhung durch Messdatenverschränkung von Kanälen 1:
Signal 10 kHz, TC Scope

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.

Abtastratenerhöhung durch Messdatenverschränkung von Kanälen 2:
Signal 10 khz, dig. Ozilloskop, Signalgenerator

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.

Abtastratenerhöhung durch Messdatenverschränkung von Kanälen 3:
Schwebungseffekt

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

Abtastratenerhöhung durch Messdatenverschränkung von Kanälen 4:
Schwebungseffekt bei 49 kHz

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

Abtastratenerhöhung durch Messdatenverschränkung von Kanälen 5:
Peakwerte nicht verwertbar

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.

Abtastratenerhöhung durch Messdatenverschränkung von Kanälen 6:
Scope Scalefaktor

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.

Abtastratenerhöhung durch Messdatenverschränkung von Kanälen 7:
Verschränkung 2x EL3702
Abtastratenerhöhung durch Messdatenverschränkung von Kanälen 9:
PLC Code

In der TwinCAT PLC werden also beide Datenströme verschränkt:

Abtastratenerhöhung durch Messdatenverschränkung von Kanälen 10:
Datenstromverschränkung

Darstellung des verschränkten 49 kHz-Signals im TwinCAT Scope

Abtastratenerhöhung durch Messdatenverschränkung von Kanälen 11:
49 kHz-Signal verschränkt,
rot: EL3702_1_Ch1
blau: verschränktes Signal aus EL3702_1_Ch1 und EL3702_2_Ch2

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

Abtastratenerhöhung durch Messdatenverschränkung von Kanälen 12:
Signal 50 kHz
Abtastratenerhöhung durch Messdatenverschränkung von Kanälen 13:
5µs Auflösung

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:

Abtastratenerhöhung durch Messdatenverschränkung von Kanälen 14:
Auswertung mit TwinCAT Scope
Abtastratenerhöhung durch Messdatenverschränkung von Kanälen 15:

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.

Abtastratenerhöhung durch Messdatenverschränkung von Kanälen 16:

TwinCAT Filter-Bibliothek TF3680

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