Zeitliche Aspekte der analog/digital bzw. digital/analog Wandlung

Zeitliche Aspekte der analog/digital bzw. digital/analog Wandlung 1:

Analoge Ausgabe

Die folgenden Angaben gelten sinngemäß auch für die analoge Signalausgabe über DAC (Digital-Analog-Converter).

Die Umwandlung des stetigen analogen elektrischen Eingangssignals in eine wertdiskrete digitale und maschinenlesbare Form wird in den Beckhoff analogen Eingangsbaugruppen EL/KL/EP mit sogenanntem ADC (Analog-Digital-Konverter) realisiert. Obwohl verschiedene ADC-Technologien in der Praxis Anwendung finden, weisen sie aus Anwendersicht eine Gemeinsamkeit auf: Nach Abschluss des Umwandlungsprozesses steht ein spezifischer digitaler Wert zur weiteren Verarbeitung in der Steuerung bereit. Dieser Digitalwert, das sogenannte Analoge Prozessdatum, ist in einem festen zeitlichen Zusammenhang mit der "Ur-Größe", dem elektrischen Eingangswert, zu sehen. Infolgedessen können für Beckhoff analoge Eingangsgeräte entsprechende zeitliche Kenndaten ermittelt und spezifiziert werden.

In dem beschriebenen Prozess sind mehrere funktionale Komponenten involviert, die in unterschiedlichem Maße in jeder AI-(Analog Input) Baugruppe agieren.

Zeitliche Aspekte der analog/digital bzw. digital/analog Wandlung 2:Abb.38: Signalverarbeitung Analogeingang

Aus Anwendersicht sind dabei drei Aspekte entscheidend:

  1. Wie oft werden neue Werte empfangen?
    Gemeint ist eine Sampling-Rate im Sinne einer Schnelligkeit bezüglich des Gerätes/des Kanals.
  2. Wieviel Verzögerung verursacht die (gesamte) AD-Wandlung des Gerätes/des Kanals, bezogen auf den einzelnen Kanal?
    Hard- und Firmware-Teile werden im Ganzen betrachtet. Aus technologischen Gründen muss bei der Bestimmung dieses Wertes die Signalcharakteristik betrachtet werden: Je nach Signalfrequenz kann es zu unterschiedlichen Laufzeiten durch das System kommen.
  3. Gibt es einen zeitlichen Versatz (Offset) in der Erfassung zwischen Kanälen?
    Bei Geräten mit simultaner Erfassung per Definition nicht: alle Kanäle erfassen gleichzeitig. Bei Multiplex-Kanälen per Definition ja, die Kanäle erfassen einzeln oder in Gruppen nacheinander.
  4. Ggf. weitere Angaben

Dies ist die „äußere“ Betrachtung des Systems „Beckhoff AI Kanal“ - intern setzt sich insbesondere die Signalverzögerung aus den verschiedenen Anteilen Hardware, Verstärker, Wandlung selbst, Datentransport und Verarbeitung zusammen. Auch kann intern ggf. eine höhere Abtastrate verwendet werden (z.B. bei DeltaSigma-Wandlern) als „außen“ aus Anwendersicht angeboten wird. Dies ist jedoch für eine nutzerseitige Betrachtung der Komponente „Beckhoff AI Kanal“ in der Regel irrelevant bzw. wird entsprechend spezifiziert, wenn es für die Funktion relevant ist.

Damit können für Beckhoff AI Geräte folgende Spezifikationsangaben zum AI-Kanal aus zeitlicher Sicht für den Anwender angegeben werden:

1. Minimale Wandlungszeit [ms, µs]

Dies ist der Kehrwert der maximalen Sampling-Rate [Sps, Samples per second]:
gibt an, wie oft der analoge Kanal einen neu festgestellten Prozessdatenwert zur Abholung durch den Feldbus bereitstellt. Die Triggerung (Start) der Messung ist geräteseitig durch den Betriebsmodus bestimmt und ggf. einstellbar z.B. als FreeRun (freilaufend), EtherCAT-Zyklus („Sync-Manager synchron“) oder zeitgesteuert (DistributedClocks).
Ob der Feldbus (EtherCAT, K-Bus) den Prozessdatenwert/Messwert dann auch genauso schnell (also im Gleichtakt), schneller (weil der AI Kanal im FreeRun läuft) oder langsamer (z.B. bei Oversampling) abholt, ist dann eine Frage der Einstellung des Feldbusses und welche Betriebsmodi das AI Gerät unterstützt.
Bei EtherCAT-Geräten zeigt das sog. ToggleBit bei den Diagnose-PDO an (indem es toggelt), dass ein neu ermittelter Analogwert vorliegt.
Entsprechend kann eine maximale Wandlungszeit, also eine minimal vom AI Gerät unterstützte Samplingrate spezifiziert werden.
Entspricht IEC 61131-2 Kap 7.10.2 2) „Abtast-Wiederholzeit“

2. Typ. Signalverzögerung

Entspricht IEC 61131-2 Kap. 7.10.2 1) „Abtastdauer“. Sie beinhaltet nach dieser Betrachtung alle geräteinternen Hardware- und Firmwareanteile, jedoch keine „äußeren“ Verzögerungsanteile aus dem Feldbus oder der Steuerung (TwinCAT).
Diese Verzögerung ist insbesondere für absolute Zeitbetrachtungen relevant, wenn AI-Kanäle neben dem Amplitudenwert auch einen zugehörigen Zeitstempel (Timestamp) liefern, von dem angenommen werden kann, dass er in seinem Zeitwert dem zuvor physikalisch anliegenden Amplitudenwert entspricht.
Aufgrund der frequenzabhängigen Laufzeit eines Signals, kann ein dezidierter Wert nur für ein gegebenes Signal spezifiziert werden. Der Wert ist auch abhängig von ggf. veränderlichen Filtereinstellungen des Kanals.
Eine typische Charakterisierung in der Gerätedokumentation kann sein:

2.1 Signalverzögerung (Sprungantwort)

Stichwort Einschwingzeit:
Das Rechtecksignal kann extern mit einem Frequenzgenerator (Impedanz beachten!) erzeugt werden.
Als Erkennungsschwelle wird die 90% Grenze verwendet.
Die Signalverzögerung [ms, µs] ist dann der zeitliche Abstand zwischen dem (idealen) elektrischen Rechtecksignal und der Zeitpunkt, bei dem der analoge Prozesswert die 90% Amplitude erreicht hat.

Zeitliche Aspekte der analog/digital bzw. digital/analog Wandlung 3:Abb.39: Diagramm Signalverzögerung (Sprungantwort)

2.2 Signalverzögerung (linear)

beschreibt die Verzögerung eines Signals mit konstanter Frequenz

Das Testsignal kann extern mit einem Frequenzgenerator erzeugt werden, z. B. als Sägezahn oder Sinus. Referenz wäre dann ein zeitgleiches Rechtecksignal.
Die Signalverzögerung [ms, µs] ist dann der zeitliche Abstand zwischen dem eingespeisten elektrischen Signal einer bestimmten Amplitude und dem Moment, bei dem der analoge Prozesswert denselben Wert erreicht.
Dazu muss die Testfrequenz in einem sinnvollen Bereich gewählt werden; diese kann z. B. bei 1/20 der maximalen Sampling-Rate liegen.

Zeitliche Aspekte der analog/digital bzw. digital/analog Wandlung 4:Abb.40: Diagramm Signalverzögerung (linear)

3. Zeitlicher Offset zwischen Kanälen/Kanalgruppen

Wenn ein Gerät multiplext, kann der Zeitversatz in der Spezifikation angegeben werden. Er ist in der Regel statisch, d.h. er ändert sich nicht.

Hinweis: Die Messwerte aller Kanäle werden gleichzeitig vom Bus/EtherCAT abgeholt! Wenn der Multiplex-Offset (deutlich) kleiner als die Zykluszeit ist, ist der Zeitversatz in den Messdaten (z.B. Scope-Aufzeichnung) nur schwer erkennbar und insbesondere kaum von Amplitudenabweichungen zu unterscheiden.

Als Testsignal für eine grobe Effektbeobachtung hat sich ein Sinussignal mit fSinus = 45%EtherCAT Zykluszeit bewährt.

4. Weitere Angaben

Weitere Angaben können in der Spezifikation optional angeführt sein, wie z. B.