Πρόλογος
Η συγγραφή του παρόντος βιβλίου έγινε με βάση την ύλη του προ -γράμματος σπουδών, που καθόρισε το Υπουργείο Εθνικής Παιδείας και Θρησκευμάτων για τη διδασκαλία του μαθήματος Συλλογή, Μεταφορά και Έλεγχος Δεδομένων στην Α' τάξη του 2ου κύκλου της ειδικότητας Ηλεκτρονικού Υπολογιστικών Συστημάτων και Δικτύων του Ηλεκτρονι -κού Τομέα. Το βιβλίο αυτό απευθύνεται σε μαθητές, που έχουν διδαχθεί τις βασικές έννοιες των ηλεκτρονικών σε μικρότερες τάξεις. Εντούτοις, όπου κρίνεται σκόπιμο, γίνεται αναδρομή σε έννοιες, που μπορεί να είναι γνωστές στον επιμελή μαθητή, αλλά χρειάζεται να επαναληφθούν για το λιγότερο επιμελή.

Η ύλη του βιβλίου εκτείνεται από τη συλλογή σήματος από το φυσικό του περιβάλλον, τη μετατροπή του έως και τη μεταφορά του στο χώρο επεξεργασίας και την αξιοποίησή του. Είναι ευνόητο, ότι περιλαμβάνει το μεγαλύτερο μέρος των ηλεκτρονικών εφαρμογών, που μπορεί κάποιος να συναντήσει. Ταυτόχρονα, αναφέρεται σε σύγχρονα αντικείμενα της ηλεκτρονικής, που ξεφεύγουν από την παραδοσιακή μελέτη των ηλε -κτρονικών. Το γεγονός αυτό επιβάλλει την αναγνώριση της σπουδαιό τητας του βιβλίου, ελπίζουμε και της ποιότητάς του. Ταυτόχρονα, όμως, αποτελεί και δείκτη της δυσκολίας του. Παρόλα αυτά, έχει καταβληθεί προσπάθεια να παρουσιαστούν οι βασικές έννοιες με όσο γίνεται απλού -στερο τρόπο και όσο το δυνατό λιγότερους μαθηματικούς τύπους, χωρίς βέβαια αυτό να είναι εφικτό σε όλες τις περιπτώσεις. Πράγματι, σε ορι -σμένες περιπτώσεις προτιμήθηκε να παρουσιαστούν αναλυτικά κάποιες έννοιες και εναπόκειται στην κρίση του καθηγητή και του επιπέδου της τάξης το πόσο θα εμβαθύνουν σε αυτές.

Η συγγραφή του βιβλίου ήταν αρκετά δύσκολη υπόθεση, αν αναλογιστεί κανείς, ότι ουσιαστικά είναι η πρώτη φορά, που παρουσιάζονται τα αντί -στοιχα αντικείμενα σε σχολικά βιβλία. Ένας από τους λόγους γι' αυτό, ήταν η προσπάθεια που έγινε έτσι ώστε το περιεχόμενο του βιβλίου να συμβαδίζει με την εξέλιξη της τεχνολογίας και ειδικά των ηλεκτρονικών (το αποδεικνύει, άλλωστε, και η βιβλιογραφία, που χρησιμοποιήθηκε).
Είναι γεγονός, ότι στο σημερινό ηλεκτρονικό και μάλιστα στον ηλεκτρονικό υπολογιστικών συστημάτων και δικτύων δεν αρκεί μόνο η καλή γνώση του παλμογράφου ή και της τηλεόρασης, αλλά και η καλή γνώση της δόμησης, διασύνδεσης και επικοι -νωνίας των υπολογιστικών συστημάτων γενικά, είτε αυτά είναι υπολογιστές, είτε απλοί μικροελεγκτές και μικροϋπολογιστές, επειδή το απαιτούν οι ανάγκες της αγοράς. Εξαιτίας όλων των παραπάνω μπορούν να δικαιολογηθούν και οι όποιες αδυναμίες ή πιθανές δυσκολίες, που παρουσιάζει το βιβλίο στη σημερινή του μορ -φή. Ένας επιπρόσθετος λόγος, χωρίς να χρησιμοποιείται, όμως, ως δικαιολογία, είναι και ο μικρός χρόνος που μας διατέθηκε για τη συγ -γραφή του. Οποιεσδήποτε, λοιπόν, υποδείξεις για διόρθωση φρα στικού ή άλλου χαρακτήρα, που αφορούν τον τρόπο παρουσίασης ορισμένων εννοιών είναι ευπρόσδεκτες, τόσο από καθηγητές όσο και από μαθητές.

Τέλος, οι συγγραφείς θα ήθελαν να ευχαριστήσουν όλους όσους συ -ντέλεσαν στη συγγραφή του παρόντος βιβλίου και κυρίως τον κύριο Δ. Πυρομάλη για την πολύτιμη συνεργασία του.
Οι συγγραφείς
Οκτώβριος 2000

Συστήματα μέτρησηςχαρακτηριστικά
-  Εισαγωγή
-  Τυπικό Σύστημα Μετρήσεων
- Τύποι Μετρήσεων
- Τύποι Συστημάτων Μετρήσεων
-  Χαρακτηριστικά Συστημάτων Μετρήσεων

Σκοπός
Όταν ολοκληρώσεις το κεφάλαιο αυτό, θα μπορείς:
-  Να αναφέρεις τους διάφορους τύπους μέτρησης φυσικών μεγεθών.
-  Να περιγράφεις τα συγκεντρωτικά και αποκεντρωμένα συστήματα μέτρησης.
- Να κατονομάζεις και να περιγράφεις από τι αποτελείται ένα τυπικό σύστημα μέτρησης.
-  Να κατονομάζεις και να περιγράφεις τα διάφορα χαρακτηριστικά των συστημάτων μέτρησης.
Η μελέτη των διαφόρων φυσικών φαινομένων γίνεται εφικτή, όταν έχουμε πλη -ροφορίες, δηλαδή δεδομένα ή περιγραφές, που σχετίζονται με τα διάφορα αντι -κείμενα ή γεγονότα. Τις πληροφορίες αυτές μεταφέρουν τα διάφορα σήματα ή φυσικά μεγέθη . Η σύγκριση ενός φυσικού μεγέθους με άλλο ομοειδές, το οποίο αυθαίρετα ή με συμφωνία λαμβάνουμε σα μονάδα, ονομάζεται μέτρηση του μεγέθους αυτού.

Οι μετρήσεις (measurements) είναι πολύ σημαντικές για την εξέλιξη των σύγ -χρονων επιστημών και των τεχνολογιών αιχμής. Βασικός στόχος τους είναι η ακριβής παρακολούθηση της εξέλιξης οποιασδήποτε μορφής φαινομένου με φυσικά ή όχι μεγέθη, που αναφέρονται άμεσα ή έμμεσα στις ανθρώπινες αισθήσεις, όπως για παράδειγμα η γωνιακή επιτάχυνση, το ΡΗ διαλύματος ή η ροπή. Πολλές φορές χρειαζόμαστε πληροφορία για τη ταχύτητα αυτοκινήτου, τη θερμοκρασία στο χώρο εργασίας ή την ποσότητα μιας χημικής ουσίας κατά την εξέλιξη μιας χημικής αντίδρασης. Αυτό επιτυγχάνεται με ειδικές μετρητικές διατάξεις, τα αισθητήρια , τα οποία συνδυασμένα με κατάλληλα στοιχεία επε -ξεργασίας δεδομένων εκτελούν τις επιθυμητές μετρήσεις.

Το φυσικό σύστημα, που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση ενός μεγέθους, ονο -μάζεται σύστημα μέτρησης . Παράδειγμα συστήματος μέτρησης αποτελεί η παρακολούθηση της σεισμικής συμπεριφοράς κάποιων περιοχών ή ηφαιστεί -ων, με σκοπό την πρόβλεψη, ίσως, κάποιου σεισμού ή την προφύλαξη από την έκρηξη ενός ηφαιστείου.

Εισαγωγή
1.2 Τύποι Μετρήσεων
Ανάλογα με τις απαιτήσεις ακρίβειας και τις ιδιομορφίες ενός συστήματος, διακρίνουμε διάφορους τύπους μετρήσεων. Οι κλασικοί τύποι μετρήσεων είναι:
-  Μετρήσεις, που βασίζονται στη διαφορά μεταξύ δύο όμοιων μεγεθών ή αντικειμένων, όπως η διάκριση αντικειμένων με βάση το χρώμα τους ή την οσμή τους.
-  Μετρήσεις σχετικών μεγεθών και διάταξη σε αύξουσα ή φθίνουσα τάξη, όπως η στοίχιση μαθητών από το μεγαλύτερο προς το μικρότερο ύψος.
- Μετρήσεις, που βασίζονται στην κατάταξη μεγεθών σε διαστήματα, που είναι και οι πιο ακριβείς. Αν η μεγαλύτερη μέτρηση ληφθεί ως μονάδα και οι υπόλοιπες μετατραπούν σε κλάσματά της (διαιρώντας τις με τη μέγιστη), λέμε ότι κανονικοποιούμε τις μετρήσεις. Παράδειγμα τέτοιων μετρήσεων έχουμε στα δοσομετρικά δοχεία, που χρησιμοποιούμε στην μαγειρική και βασίζονται, κυρίως, σε υποδιαιρέσεις του λίτρου.

Τα τελευταία χρόνια, αφ' ενός, οι απαιτήσεις εξαιτίας της αλματώδους ανάπτυ -ξης της παραγωγικής ικανότητας και, αφ' ετέρου, οι δυνατότητες, που προσφέ -ρει η τεχνολογία, οδήγησαν στην ανάπτυξη νέων τύπων συστημάτων μετρή -σεων:
-  Συστήματα μετρήσεων με χρήση ηλεκτρονικών εξαρτημάτων.
- Συστήματα μετρήσεων, που την κεντρική θέση κατέχει κάποιου είδους υπολογιστής .
Η τάση, που κυριαρχεί στη σημερινή εποχή, είναι η αυτοματοποίηση των με -τρήσεων. Επίσης, η ανάπτυξη νέων εργαλείων για την ανάλυση, σύνθεση, αποτίμηση και παρουσίαση των αποτελεσμάτων των μετρήσεων οδηγεί στην αύξηση της απόδοσης των συστημάτων μετρήσεων.

Για τις μετρήσεις των διαφόρων φυσικών μεγεθών έχουν καθιερωθεί διάφορες μονάδες. Προκειμένου να απλοποιηθεί η μελέτη των φυσικών φαινομένων και να παγιωθεί παγκόσμια ενιαία έκφραση των μετρήσεων, έχει καθιερωθεί διε -θνώς, ως αποδεκτό σύστημα μονάδων το Διεθνές Σύστημα Μονάδων (S.I.). Σύμφωνα με αυτό το σύστημα, ορισμένα μεγέθη ορίζονται ως θεμελιώδη και οι αντίστοιχες μονάδες μέτρησής τους ως θεμελιώδεις μονάδες, ενώ άλλα μεγέθη και μονάδες, που προκύπτουν μέσω διαφόρων σχέσεων από τα θεμελιώδη, ως παράγωγα. Τα μεγέθη αυτά εμφανίζονται στους πίνακες 1.2.1 και 1.2.2.

Πίνακας 1.2.1. Θεμελιώδη μεγέθη στο S.I.

Πίνακας 1.2.2. Παράγωγα μεγέθη στο S.I.

Ειδικά για τις τεχνικές μετρήσεις υπάρχουν, κατά γεωγραφικές περιοχές, και άλλες μονάδες, με αντιστοιχία προς το S.I., που διευκολύνουν ως προς την έκφραση των αποτελεσμάτων των μετρήσεων ή έχουν καθιερωθεί ιστορικά, όπως π.χ. η χρήση της ίντσας ως μονάδα μέτρησης του μήκους στην Αγγλία.

1.3 Τυπικό Σύστημα Μετρήσεων
Ο σκοπός ενός συστήματος μετρήσεων είναι να παρουσιάζει στον παρατηρη -τή, σε επιλεγμένες χρονικές στιγμές, αριθμητική τιμή, που να ανταποκρίνεται στην μεταβλητή, που μελετάται. Η μετρούμενη τιμή , που παίρνει ο παρατηρη -τής, δεν είναι ίδια με την πραγματική τιμή της μεταβλητής, σχήμα 1.3.1, διότι το όργανο μέτρησης εισάγει σφάλμα μέτρησης στην όλη διαδικασία.
Σχήμα 1.3.1. Μεγέθη συστήματος μέτρησης
Κατά κανόνα, ένα τυπικό σύστημα μέτρησης (measurement system) μπορεί να θεωρηθεί, ότι αποτελείται από τέσσερις βασικές βαθμίδες, όπως φαίνεται στο σχήμα 1.3.2.

Σχήμα 1.3.2. Δομή τυπικού συστήματος μέτρησης
Με βάση τη σημερινή τεχνολογία, όμως, τα όρια μεταξύ των βαθμίδων αυτών είναι δυσδιάκριτα έως ανύπαρκτα, αφού κυριαρχεί η χρήση των ολοκληρωμέ -νων εξαρτημάτων. Για παράδειγμα, πάνω στο αισθητήριο προσαρμόζεται ο μετατροπέας σήματος και ο επεξεργαστής, καθώς και ότι άλλο χρειάζεται. Πολ -λές φορές συμβαίνει να λείπει κάποια βαθμίδα ή οι ανάγκες της εφαρμογής να απαιτούν κάποιες άλλες. Ας εξετάσουμε, όμως, πιο αναλυτικά το παραπάνω βασικό δομικό (block) διάγραμμα ενός τυπικού συστήματος μετρήσεων. Αυτό αποτελείται από:

- α) Τ ο αισθητήριο (sensing element ή sensor) ή τον μετατροπέα (transducer)
Παρά το γεγονός ότι και οι δύο λέξεις (αισθητήριο και μετατροπέας) απο -δίδουν την κυρίως βαθμίδα, που αντιλαμβάνεται τις μεταβολές της ελεγ -χόμενης μεταβλητής (measurant), αυτές παρουσιάζουν ουσιαστικές διαφο -ρές. Πρώτα απ' όλα, το αισθητήριο περιγράφει τη συσκευή, που εκτελεί απ' ευθείας τη μέτρηση, χωρίς να αλλάζει το ενεργειακό περιεχόμενο του σήματος, π.χ. το θερμόμετρο, ενώ ο μετατροπέας περιγράφει την αρχή της μέτρησης του σήματος και της μετατροπής του από μία μορφή ενέργειας σε άλλη. Περιγράφει, δηλαδή, τη διάταξη (το σύνολο των διατάξεων μαζί με το αισθητήριο), που μετατρέπει μια μη ηλεκτρική παράμετρο σε ηλεκτρικό σήμα προς επεξεργασία. Οι μεταβολές της ηλεκτρικής παραμέτρου εξόδου είναι συνάρτηση της παραμέτρου εισόδου. Το μικρόφωνο, για παράδειγμα, είναι ηλεκτρακουστικός μετατροπέας, που μετατρέπει ηχητικό σήμα σε ηλε -κτρικό, σχήμα 1.3.3, ενώ, το μεγάφωνο είναι ηλεκτρακουστικός μετατροπέ -ας, που μετατρέπει ηλεκτρικό σήμα σε ηχητικό, σχήμα 1.3.4.

Σχήμα 1.3.3. (α) Πυκνωτικά μικρόφωνα, (β) διάφοροι τύποι μικροφώνων
Σχήμα 1.3.4. Μεγάφωνα (Speakers)
Οι μετατροπείς αποτελούνται από διάφορα χωρητικά, επαγωγικά, ηλεκτρο -μηχανικά, ηλεκτρομαγνητικά, φωτοβολταϊκά, πιεζοηλεκτρικά και άλλα στοι -
χεία. Τα περισσότερα από αυτά χρειάζονται εξωτερική ηλεκτρική διέγερση, με εξαίρεση τα πιεζοηλεκτρικά, τα φωτοηλεκτρικά και τα ηλεκτρομαγνητικά. Τέλος, οι μετατροπείς, που τίθενται στην έξοδο των συστημάτων, προκειμέ -νου να εκτελεστεί μια λειτουργία, ονομάζονται δράστες (actuators).

β) Η βαθμίδα μετατροπής σήματος
Η βαθμίδα μετατροπής σήματος λαμβάνει την έξοδο του αισθητηρίου και τη μετατρέπει σε μορφή κατάλληλη για περαιτέρω επεξεργασία, όπως συ -νεχή τάση, συνεχές ρεύμα ή σήμα, που είναι συνάρτηση της συχνότητας. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελούν οι ενισχυτές. Οι ενισχυτές εκτελούν διάφορες λειτουργίες, κυρίως, όμως, απλή ενίσχυση, όπως φαίνεται στο σχήμα 1.3.5. Η σχέση (1.3.1) δίνει το λόγο της τάσης εξόδου του παρακάτω ενισχυτή προς τη τάση εισόδου. Στη βαθμίδα μετατροπής περιλαμβάνε -ται, συνήθως, και ο μετατροπέας αναλογικού σήματος σε ψηφιακό (ADC: analog-to-digital converter), που προετοιμάζει το αναλογικό σήμα για ψηφι -ακή επεξεργασία. Αν έχουμε πολλά κανάλια εισόδου (multiple-input), χρησι -μοποιούμε πολυπλέκτες, που είναι πολλές φορές τμήμα του ίδιου του ADC.

Σχήμα 1.3.5. Αναστρέφων ενισχυτής
V V =-R R o i 2 1 (1.3.1)

γ) Η βαθμίδα επεξεργασίας σήματος
Η βαθμίδα επεξεργασίας σήματος λαμβάνει την έξοδο του στοιχείου με -τατροπής σήματος σε ψηφιακή μορφή (από τον ADC), την επεξεργάζεται κατά υλικό και λογισμικό (hardware-software), την επαναφέρει σε αναλογι -κή μορφή με μετατροπέα ψηφιακού σήματος σε αναλογικό (DAC: digital-toanalog converter) και τη διοχετεύει στην επόμενη βαθμίδα. Χαρακτηριστικό παράδειγμα βαθμίδας επεξεργασίας είναι ο μικροϋπολογιστής PIC ή και οι διάφοροι μικροελεγκτές (μCs) ή και οι επεξεργαστές ψηφιακών σημά -των (DSPs). Αν έχουμε πολλά κανάλια εξόδου (multiple-output) χρησιμο -ποιούμε αποπλέκτες. Στο σχήμα 1.3.6 βλέπουμε τη διάταξη ακροδεκτών μετατροπέα αναλογικού σήματος σε ψηφιακό (ADC0809) και μετατροπέα ψηφιακού σήματος σε αναλογικό (DAC0808).

Σχήμα 1.3.6. Διατάξεις ακροδεκτών ενός DAC και ενός ADC

δ) Η βαθμίδα παρουσίασης μέτρησης και διανομής δεδομένων
Η βαθμίδα παρουσίασης απεικονίζει τη μετρούμενη τιμή σε μορφή εύκολα αναγνωρίσιμη από τον παρατηρητή, όπως το στοιχείο επίδειξης με χρήση 7-γραμμών (seven segment display), οι οθόνες υγρών κρυστάλλων (LCD), κ.ά., σχήμα 1.3.7.
Σχήμα 1.3.7. Διάφοροι τύποι οθονών
Όταν η βαθμίδα επεξεργασίας βρίσκεται σε μεγάλη απόσταση από τη βαθ -μίδα μέτρησης, όπως π.χ. γίνεται στις σεισμολογικές μετρήσεις, τότε γίνεται
χρήση των τηλεμετρικών συστημάτων . Τα συστήματα αυτά, εκτός των βαθμίδων, που αναφέρθηκαν, περιλαμβάνουν και τμήματα αποστολής και λήψης της πληροφορίας σε μακρινές αποστάσεις. Στο τμήμα που παρέχει την πληροφορία, υπάρχει πομπός και στο τμήμα, που δέχεται την πληρο -φορία, υπάρχει δέκτης (π.χ. FM πομποδέκτες). Το κανάλι μετάδοσης μετα -ξύ πομπού και δέκτη μπορεί να είναι ραδιοφωνικός δίαυλος, τηλεφωνικό κανάλι, ομοαξονικό καλώδιο ή οπτική ίνα, σχήμα 1.3.8.

Σχήμα 1.3.8. Διάταξη τηλεμετρικού συστήματος με χρήση πομπού και δέκτη
Ανάλογα με τον αριθμό των μετατροπέων αναλογικού σήματος σε ψηφιακό (ADC) και ψηφιακού σήματος σε αναλογικό (DAC), καθώς και το είδος των πο -λυπλεκτών, που χρησιμοποιούνται σε σύστημα μέτρησης, τα συστήματα αυτά διακρίνονται στις παρακάτω κατηγορίες:
-  Συγκεντρωτικό σύστημα απόκτησης δεδομένων, όταν περιλαμβάνει ανα -λογικούς πολυπλέκτες/αποπλέκτες, ένα ADC καθώς και ένα DAC για όλα τα κανάλια, σχήμα 1.4.1
Σχήμα 1.4.1. Συγκεντρωτικό σύστημα
-  Αποκεντρωμένο σύστημα απόκτησης δεδομένων, όταν περιλαμβάνει πολλούς ADC και DAC (π.χ. ένας για κάθε κανάλι) και ο πολυπλέκτης/απο -πλέκτης είναι ψηφιακός, άμεσα συνδεόμενος με τη βαθμίδα επεξεργασίας (μέσω θύρας εισόδου/εξόδου), σχήμα 1.4.2.

Σχήμα 1.4.2. Αποκεντρωμένο σύστημα

1.4 Τύποι Συστημάτων Μετρήσεων

Χαρακτηρι -στικά

Μετρήσεων
Συστημάτων
Έως τώρα εξετάστηκε το τυπικό σύστημα μέτρησης και η δομή του. Στη συ -νέχεια, παρουσιάζονται τα βασικά χαρακτηριστικά τέτοιου συστήματος. Τα χα -ρακτηριστικά αυτά είναι εκείνα, που περιγράφουν ουσιαστικά το σύστημα και προκύπτουν από τις αποκρίσεις των βαθμίδων του συστήματος, με στατιστικές μεθόδους των οποίων η μαθηματική ανάλυση παραλείπεται.
-  Απόλυτο σφάλμα ή απλά σφάλμα (error): Η απόκλιση της μέτρησης, δη -λαδή, η διαφορά ανάμεσα στη μετρούμενη και στην πραγματική τιμή του μετρούμενου μεγέθους, που διατυπώνεται με τη μορφή:

Ε = (μετρούμενη τιμή)-(πραγματική τιμή) = (έξοδος)-(είσοδος) (1.5.1)
-  Σχετικό σφάλμα ή ακρίβεια (accuracy): Ο λόγος του απόλυτου σφάλμα -τος προς την πραγματική τιμή του μεγέθους εκφραζόμενος επί τοις εκατό:
(μετρούμενη τιμή) - (πραγματική τιμή) (πραγματική τιμή) 100% (1.5.2.)
-  Ανάλυση (resolution) ή διακριτική ικανότητα συστήματος: Η μικρότερη μεταβολή της εισόδου, που μπορεί να γίνει αντιληπτή από το σύστημα, ώστε αυτή να το διεγείρει σε επεξεργασία. Είναι, δηλαδή, η ελάχιστη ποσό -τητα, με την οποία μία παράμετρος μπορεί να μετρηθεί.
-  Περιοχή μέτρησης (range): Είναι η περιοχή μεταξύ ελάχιστης και μέγιστης τιμής, που μπορεί να λάβει ένα μέγεθος.
- Δυναμική περιοχή: Είναι ο λόγος της μέγιστης προς την ελάχιστη τιμή του σήματος εισόδου, που μπορεί να διεγείρει το σύστημα και να υποστεί επεξεργασία με την καθορισμένη ακρίβεια.
-  Οι τύποι μετρήσεων βασίζονται στη διαφορά, διάταξη και κατάταξη των μεγεθών. Ως ενιαίο σύστημα μονάδων χρησιμοποιείται, κυρίως, το Διεθνές Σύστημα Μονάδων (S.I.), ενώ τα διάφορα μεγέθη διακρίνονται σε θεμελιώδη και παράγωγα.
-  Τα συστήματα μετρήσεων διακρίνονται σε συγκεντρωτικά και αποκεντρωμένα συστήματα.
-  Ένα τυπικό σύστημα μετρήσεων αποτελείται από το αισθητήριο (μετατροπέας), τη βαθμίδα μετατροπής, τη βαθμίδα επεξεργασίας και τη βαθμίδα παρουσίασης μέτρησης, χωρίς να υπάρχει απόλυτος διαχωρισμός μεταξύ τους.
-  Το σφάλμα, η ακρίβεια, η διακριτική ικανότητα, η περιοχή μέτρησης και η δυναμική περιοχή αποτελούν μερικά από τα χαρακτηριστικά των συστημάτων μετρήσεων.

Ανακεφαλαίωση

 Ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής Αξιολόγηση
- 1. Η στοίχιση των μαθητών είναι μέτρηση που βασίζεται:
- α) στη διαφορά των μεγεθών
- β) στη διάταξη των μεγεθών
- γ) στην κατάταξη των μεγεθών
- δ) στη διαφορά και κατάταξη των μεγεθών
- 2. Ένα αποκεντρωμένο σύστημα μέτρησης περιλαμβάνει:
- α) ένα ADC και ένα DAC για όλα τα κανάλια
- β) πολλούς ADC και DAC (ένα για κάθε κανάλι)
- γ) ADC και DAC, που οδηγούνται σε ομοαξονικό καλώδιο
- δ) ένα ADC στην είσοδο και πολλούς DAC στην έξοδο
- 3. Ανάλυση ή διακριτική ικανότητα συστήματος ονομάζεται:
- α) η περιοχή μεταξύ ελάχιστης και μέγιστης τιμής, που μπορεί να λάβει ένα μέγεθος
- β) η μικρότερη μεταβολή εισόδου, που μπορεί να γίνει αντιληπτή από το σύστημα
- γ) ο λόγος της μέγιστης προς την ελάχιστη τιμή του σήματος εισόδου
- δ) η μέγιστη διακύμανση ενός μεγέθους

 Ερωτήσεις του τύπου Σωστό/Λάθος
- 1. Η ίντσα είναι μονάδα μέτρησης, που ανήκει στο S.I.
- 2. Η μετρούμενη τιμή, που παίρνει ο παρατηρητής από ένα σύστημα μέτρη -σης, είναι ίδια με την πραγματική τιμή της μεταβλητής.
- 3. Ένα τυπικό σύστημα μέτρησης αποτελείται από τέσσερις βαθμίδες, χωρίς αυτός ο διαχωρισμός να είναι απόλυτος.
- 4. Το μικρόφωνο είναι ηλεκτρακουστικός μετατροπέας, που μετατρέπει ηλε -κτρικό σήμα σε ηχητικό.
- 5. Το τηλεμετρικό σύστημα χρησιμοποιείται, όταν η βαθμίδα επεξεργασίας βρίσκεται κοντά στη βαθμίδα μέτρησης.

 Ερωτήσεις συμπλήρωσης κενού
- 1.
- 1.
Το μικρόφωνο είναι  , που μετατρέπει  σήμα
σε , ενώ το μεγάφωνο είναι   που μετατρέ
πει  σήμα σε  .
Όταν η βαθμίδα  βρίσκεται σε μεγάλη απόσταση από τη βαθμίδα
 , όπως π.χ. γίνεται στις  μετρήσεις, τότε γίνεται χρήση
 , όπως π.χ. γίνεται στις  μετρήσεις, τότε γίνεται χρήση
των   .

 Ερωτήσεις αντιστοίχισης
- 1. Να αντιστοιχίσετε τα στοιχεία της πρώτης στήλης με αυτά της δεύτερης στή -λης:
χρόνος
Pa (Πασκάλ)
ταχύτητα
παράγωγο μέγεθος
πίεση
W (Βατ)
ηλεκτρικό φορτίο
θεμελιώδες μέγεθος
ισχύς
C (Κουλόμπ)

 Ερωτήσεις ανοικτού τύπου
- 1. Περιγράψτε τους κλασικούς τύπους μετρήσεων. Τι είναι το S.I.;
- 2. Περιγράψτε και αναλύστε τις βαθμίδες, από τις οποίες αποτελείται ένα τυπικό σύστημα μέτρησης.
- 3. Τι είναι και πότε χρησιμοποιείται ένα τηλεμετρικό σύστημα;
- 4. Περιγράψτε και αναλύστε τους τύπους συστημάτων μετρήσεων.
- 5. Ποια είναι τα βασικά χαρακτηριστικά των συστημάτων μετρήσεων;
-  Εισαγωγή
-  Χαρακτηριστικά Αισθητηρίων
- Ταξινόμηση Αισθητηρίων
- Αισθητήρια Θερμοκρασίας
- Αισθητήρια Κίνησης, Δόνησης και Δύναμης
-  Αισθητήρια Πίεσης, Ροής και Στάθμης
-  Αισθητήρια Φωτός
- Διατάξεις Πυρηνικής και Χημείας

Σκοπός
Όταν ολοκληρώσεις το κεφάλαιο αυτό, θα μπορείς:
-  Να εξηγείς την έννοια του μετατροπέα και την ολοκλήρωσή του σε αισθητήριο.
-  Να κατονομάζεις και να περιγράφεις τα διάφορα χαρακτηριστικά των αισθητη -ρίων.
- Να αναφέρεις διάφορους τρόπους ταξινόμησης των αισθητηρίων.
-  Να κατονομάζεις διάφορα αισθητήρια θερμοκρασίας, πίεσης, ροής, στάθμης, κίνησης, δόνησης, δύναμης, φωτός, πυρηνικής και χημείας και να περιγράφεις την αρχή λειτουργίας τους καθώς και να αναφέρεις τις χρήσεις τους.
-  Να αναλύεις και να περιγράφεις διάφορες διατάξεις με αισθητήρια.

Κατά το σχεδιασμό μιας εφαρμογής μετρήσεων επιλέγονται τα διάφορα εξαρ -τήματα και ηλεκτρονικά κυκλώματα, με βάση τα οποία θα υλοποιηθεί το σύστη -μα μέτρησης. Ο σημαντικότερος, όμως, παράγοντας, στον οποίο στηρίζεται η όλη εφαρμογή, είναι το αισθητήριο. Αυτό γίνεται, επειδή στην αγορά διατίθενται συγκεκριμένοι τύποι αισθητηρίων, σχήμα 2.1.1, με συγκεκριμένα ηλεκτρικά χα -ρακτηριστικά ενώ όλα τα άλλα δομικά στοιχεία ενός συστήματος βρίσκονται σε μεγάλη ποικιλία και αφθονία. Προσαρμόζεται, λοιπόν, όλο το σύστημα, πάνω στα χαρακτηριστικά του αισθητηρίου. Στο κεφάλαιο αυτό εξετάζονται οι βασικό -τερες κατηγορίες αισθητηρίων.

Σχήμα 2.1.1. Διάφορα αισθητήρια της Watlow Gordon

2.1

Εισαγωγή

Ταξινόμηση

2.2 Αισθητηρίων
Τα αισθητήρια θα μπορούσαν να ταξινομηθούν ανάλογα με τη λειτουργία, που επιτελούν (π.χ. μέτρηση πίεσης ή θερμοκρασίας), τη φυσική αρχή, στην οποία στηρίζεται η λειτουργία τους (π.χ. πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο), ή τη μορφή ενέρ -γειας, που μεταφέρει το σήμα (π.χ. μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας, θερμικής ενέργειας, κ.ά.). Ο πίνακας 2.2.1 δείχνει τις διάφορες μορφές ενέργειας, που χρησιμοποιούνται, συνήθως, για τη ταξινόμηση των αισθητηρίων καθώς και μερικά τυπικά μεγέθη, που μετράμε με τη βοήθειά τους.

Πίνακας 2.2.1. Ταξινόμηση αισθητηρίων ανάλογα με τον τύπο σήματος

Το βιολογικό σύστημα μέτρησης του ανθρώπου έχει πέντε βασικές αισθήσεις: όραση, ακοή, αφή, οσμή και γεύση. Αυτές μπορούν να περιγραφούν ανάλογα με τον τύπο του σήματος, με το οποίο μεταφέρεται η ενέργεια, το μέγεθος, που μετρούν, ή το όργανο αισθήσεως. Αυτές οι ταξινομήσεις δείχνονται όλες μαζί στον πίνακα 2.2.2, καθώς και κάποιες ηλεκτρονικές συσκευές, που είναι ισοδύ -ναμες με τα βιολογικά όργανα.
Πίνακας 2.2.2. Ταξινόμηση ανθρώπινων αισθήσεων

Ένα αισθητήριο, στην πιο απλή του μορφή, μπορεί να θεωρηθεί ως σύστημα με είσοδο x(t) και έξοδο y(t). Το σχήμα 2.3.1 δείχνει την αναπαράσταση συστήμα -τος α) αυτοδιεγειρόμενου (self-exciting) αισθητηρίου και β) διαμορφούμενου (modulating) αισθητηρίου. Στο αυτοδιεγειρόμενο αισθητήριο, η έξοδος είναι συ -νάρτηση αποκλειστικά της εισόδου (π.χ. θερμοζεύγος ή πιεζοηλεκτρικός κρύ -σταλλος). Στο διαμορφούμενο αισθητήριο υπάρχει και εξωτερικό σήμα xd(t) (π.χ. σταθερό ρεύμα οδήγησης ή τάση αναφοράς).
Σχήμα 2.3.1. (α) Αυτοδιεγειρόμενο αισθητήριο και (β) διαμορφούμενο αισθητήριο

Σε ιδανικό αισθητήριο το σήμα εξόδου πρέπει να είναι εντελώς ανάλογο με το σήμα εισόδου. Η χαρακτηριστική εξόδου-εισόδου ενός ιδανικού αισθητηρίου (αυτοδιεγειρόμενου ή διαμορφούμενου) δείχνεται στο σχήμα 2.3.2.
Σχήμα 2.3.2. Ιδανική χαρακτηριστική εξόδου-εισόδου αυτοδιεγειρόμενου (πορτοκαλί) και διαμορφούμενου (πράσινο) αισθητηρίου
Για ιδανικό αισθητήριο ισχύει: y(t) = S  x(t) (2.3.1)
όπου S η κλίση της χαρακτηριστικής εξόδου-εισόδου. Έχει σταθερή τιμή για γραμμικό αισθητήριο και συχνά αναφέρεται ως ευαισθησία. Στην πράξη, βέβαια, κανένα αισθητήριο δεν μπορεί να ανταποκριθεί ακαριαία σε κάποια αλλαγή του σήματος εισόδου, αλλά χρειάζεται κάποιο χρονικό διάστημα. Πα -ρακάτω ορίζουμε μερικές πολύ σημαντικές παραμέτρους ενός ιδανικού αι -σθητηρίου.

2.3

Χαρακτηριστικά Αισθητηρίων
-  Απόκριση (response) Δy αισθητηρίου είναι η μεταβολή του σήματος εξό -δου.
-  Ευαισθησία (sensitivity) S αισθητηρίου είναι ο λόγος της μεταβολής της απόλυτης τιμής εξόδου προς τη μεταβολή της απόλυτης τιμής εισόδου:
S= dy dx (2.3.2)
-  Χρόνος ανόδου και καθόδου (rise and fall time) τ ή χρόνος απόκρισης αισθητηρίου είναι ο χρόνος, που χρειάζεται το σήμα στην έξοδο του αισθη -τηρίου, για να φτάσει το 90% της τελικής του τιμής. Είναι επιθυμητό να είναι λιγότερο από μερικά δευτερόλεπτα, για να έχει πρακτική αξία.
- Περιοχή μετρήσεων (range) αισθητηρίου είναι η περιοχή όλων των δυνα -τών μετρήσεων, που μπορεί να κάνει (από το μηδέν ως το άπειρο). Στην πράξη, βέβαια, η περιοχή λειτουργίας (working range) ενός αισθητηρίου είναι περιορισμένη.
- Ο πίνακας 2.3.1 δείχνει τα επιθυμητά χαρακτηριστικά αισθητηρίου και δίνει τις ιδανικές τιμές τους.

Π. 2.3.1. Επιθυμητά χαρακτηριστικά αισθητηρίου

Όταν θεωρούμε ιδανικά πραγματικά αισθητήρια και όχι ιδανικά βρίσκουμε ότι υπάρχουν ορισμένα κοινά αλλά ανεπιθύμητα χαρακτηριστικά, που πρέπει να λάβουμε υπόψη. Αυτά δείχνονται στον πίνακα 2.3.2.
Πίνακας 2.3.2. Ανεπιθύμητα χαρακτηριστικά αισθητηρίου

Η μέτρηση της θερμοκρασίας στηρίζεται, κυρίως, στην αποκατάσταση θερμι -κής ισορροπίας ανάμεσα στο θερμομετρούμενο σώμα και το αισθητήριο. Ως αισθητήρια θερμοκρασίας σε συστήματα συλλογής δεδομένων χρησιμοποιού -νται, κυρίως, τα θερμοηλεκτρικά ζεύγη, τα θερμίστορ, οι θερμικές αντιστάσεις (RTD), τα διμεταλλικά ελάσματα καθώς και τα οπτικά πυρόμετρα. Μερικά από αυτά δείχνονται στο σχήμα 2.4.1.
Σχήμα 2.4.1. (α) Διάφορα αισθητήρια θερμοκρασίας και (β) αισθητήρια θερμοκρασίας της Watlow Gordon
Τα αισθητήρια θερμοκρασίας βρίσκουν εφαρμογή στην προστασία των κι -νητήρων από υπερφόρτωση, στην προστασία ημιαγωγών και ηλεκτρονικών κυκλωμάτων, στην αντιστάθμιση θερμοκρασίας, στη ρύθμιση θερμοκρασίας, στον έλεγχο θερμοκρασίας αέρα και λαδιού στα αυτοκίνητα, κ.α. Παρακάτω θα γνωρίσουμε ορισμένα τυπικά αισθητήρια θερμοκρασίας.

α) Τα θερμοηλεκτρικά ζεύγη (thermocouples)
Τα θερμοηλεκτρικά ζεύγη ή θερμοζεύγη αποτελούνται από δύο σύρματα διαφορετικών μετάλλων (πχ. χαλκός και κωνσταντάνη), που ενώνονται σε ένα σημείο. Αν η επαφή αυτή βρίσκεται στο χώρο της μετρούμενης θερμοκρασίας και τα άλλα δύο ελεύθερα άκρα σε γνωστή θερμοκρασία, τότε η διαφορά θερμοκρασίας δημιουργεί θερμοηλεκτρική τάση, που είναι περίπου ανάλογη της διαφοράς θερμοκρασίας, και ονομάζεται δυναμικό επαφής . Έτσι, η θερμοηλεκτρική τάση στα άκρα του στοιχείου θα δίνεται από την εξίσωση:

(2.4.1)
όπου α$\_{1}$, α$\_{2}$, α$\_{3}$, ... είναι σταθερές, Τ$\_{1}$ η μετρούμενη θερμοκρασία και Τ$\_{2}$ η γνω -στή θερμοκρασία.
Το σχήμα 2.4.2 δείχνει το κύκλωμα θερμοζεύγους, καθώς και το πώς είναι κα -τασκευασμένο θερμοζεύγος με μεταλλική μόνωση. Η μόνωση γίνεται με υλικό, που είναι καλός αγωγός της θερμότητας και κακός αγωγός του ηλεκτρισμού.
Αισθητήρια Θερμοκρασίας
Σχήμα 2.4.2. (α) Κύκλωμα θερμοζεύγους και (β) θερμοζεύγος με μεταλλική μόνωση
Τα θερμοζεύγη βρίσκουν εφαρμογή σε φαινόμενα τήξης, στην επεξεργασία ημιαγωγών, στη διαχείριση θερμότητας, στα ιατρικά όργανα, στους φούρνους, στη μέτρηση καυσαερίων, κ.α. Στο σχήμα 2.4.3 βλέπουμε ορισμένα θερμοζεύ -γη του εμπορίου.

Σχήμα 2.4.3. Θερμοζεύγη της Watlow Gordon
Η σωστή εγκατάσταση των θερμοζευγών αποτελεί πολύ σημαντικό πρόβλημα και μπορούμε να το διαπιστώσουμε με τη βοήθεια του σχήματος 2.4.4. Επι -θυμούμε να μετρήσουμε τη θερμοκρασία ατμού υπό υψηλή πίεση μέσα σε σωλήνα. Η εγκατάσταση (α), με το θερμοζεύγος και το μετρητή δίπλα στο σω -λήνα, είναι εντελώς άχρηστη γιατί η θερμοκρασία Τ$\_{2}$ μπορεί να μεταβάλλεται από τιμές κάτω από το μηδέν (σε κρύο καιρό) μέχρι +50°C, αν υπάρχει διαρ -ροή ατμού. Η εγκατάσταση (β), με το μετρητή στο χώρο ελέγχου, εξακολουθεί
να μην είναι η σωστή, αφού το θερμοζεύγος είναι πάλι δίπλα στο σωλήνα. Η εγκατάσταση (γ), με το θερμοζεύγος και το μετρητή μέσα στο χώρο ελέγχου, είναι πιο σωστή, γιατί η θερμοκρασία Τ$\_{2}$ μπορεί να μεταβάλλεται το πολύ 10°C.

Σχ. 2.4.4. Εγκαταστάσεις θερμοζευγών
Ο πίνακας 2.4.1 παρουσιάζει το χρωματικό κώδικα των θερμοζευγών, σύμφω -να με τον κώδικα ANSI (American National Standard Institute) και τις προδιαγραφές British BS1843 και International IEC 584-3 (από την Precision Engi -neering Ltd).
Πίνακας 2.4.1. Χρωματικός κώδικας θερμοζευγών

- β) Οι θερμοηλεκτρικές αντιστάσεις (RTDs: resistance-thermometer-devices) Η θερμοηλεκτρική αντίσταση ή RTD είναι ηλεκτρικό θερμόμετρο, το οποίο χρησιμοποιεί τη μεταβολή της αντίστασης αγωγού συναρτήσει της θερμο -κρασίας για να μετρήσει τη θερμοκρασία του εκάστοτε περιβάλλοντος. Οι RTDs παρέχουν μεγαλύτερη ανάλυση από τα θερμοηλεκτρικά ζεύγη, που ορίζεται κατά προσέγγιση στον 1°C. Αποτελούνται από μικρό σωληνοειδές με σύρμα (συνήθως από πλατίνα και άλλα μέταλλα που χρησιμοποιούνται σε χαμηλές θερμοκρασίες), το οποίο περιβάλλεται από πορσελάνη, όπως φαίνεται στο σχήμα 2.4.5.

Η αλλαγή της τιμής της αντίστασης με την αλλαγή της θερμοκρασίας πιστο -ποιείται τοποθετώντας το σωληνοειδές σε κλάδο γέφυρας Wheatstone. Οι RTDs έχουν κλίμακα μέτρησης από -200°C έως 1200°C. Όπως αναφέρθη -κε παραπάνω, οι RTDs χρησιμοποιούνται κατά περίπτωση σε συνδυασμό με γέφυρα, πράγμα που σημαίνει, ότι απαιτούν διέγερση, για να λειτουργή -σουν.
- Οι θερμοηλεκτρικές αντιστάσεις μεταβάλλονται συναρτήσει της απόλυτης θερμοκρασίας, σε αντίθεση με τα θερμοζεύγη, που μπορούν να μετρήσουν μόνο σχετικές θερμοκρασίες (διαφορές θερμοκρασίας). Οι RTDs χρησι -μοποιούνται στα ιατρικά όργανα, στην παραγωγή υφασμάτων, στην επε -ξεργασία πλαστικών, στην επεξεργασία πετροχημικών, στην κατασκευή ημιαγωγών, κ.α. Στο σχήμα 2.4.6 δείχνονται διάφορες θερμοηλεκτρικές αντιστάσεις.

Σχήμα 2.4.5. Θερμοηλεκτρική αντίσταση με σωληνοειδές από μίκα
Σχήμα 2.4.6. RTDs της (α) Wako Electronics Inc. και (β) Watlow Gordon

γ) Τα θερμίστορ (thermistor)
Παραλλαγή της θερμοηλεκτρικής αντίστασης είναι τα θερμίστορ. Οι πα -θητικές αυτές αντιστάσεις, ανάλογα με το είδος της μεταβολής της αντί -στασης σε σχέση με τη θερμοκρασία, δηλαδή αύξηση ή μείωση, ορίζονται ως PTC (positive temperature coefficients) ή NTC (negative temperature coefficients) αντίστοιχα. Σε σχέση με τις αντιστάσεις μεταλλικού φιλμ, που έχουν πιο εκτεταμένη και γραμμική κλίμακα μέτρησης, τα θερμίστορ είναι δέκα φορές πιο ευαίσθητα. Στο σχήμα 2.4.7 βλέπουμε δύο σύμβολα, που χρησιμοποιούμε, για να παραστήσουμε τα θερμίστορ, ενώ στο σχήμα 2.4.8 δείχνεται η εξάρτηση της αντίστασης από τη θερμοκρασία τόσο για NTC όσο και για PTC. Στα σχήματα 2.4.9 και 2.4.10 βλέπουμε διάφορους τύ -πους NTC και PTC θερμίστορ.

Σχήμα 2.4.7. Σύμβολα των θερμίστορ
Σχήμα 2.4.8. Εξάρτηση της αντίστασης από τη θερμοκρασία για NTC και PTC
Σχήμα 2.4.9. NTC θερμίστορ της Therm-O-Disc
Σχήμα 2.4.10. PTC θερμίστορ της Therm-O-Disc
Η έντονη μεταβολή της αντίστασης με την αλλαγή της θερμοκρασίας επιτρέπει τη συνεργασία των θερμίστορ με διατάξεις τελεστικών ενισχυτών. Μια βασική συνδεσμολογία θερμίστορ με τελεστικό ενισχυτή δείχνεται στο σχήμα 2.4.11. Σε αυτό το κύκλωμα, η μεταβολή της αντίστασης με τη θερμοκρασία επηρεάζει την έξοδο σύμφωνα με τη σχέση:

V$\_{o}$ = R R + R$\_{T}$  V$\_{cc}$ (2.4.2)
Σχήμα 2.4.11. Βασικό κύκλωμα για θερμίστορ

δ) Τα διμεταλλικά ελάσματα
Τα διμεταλλικά ελάσματα, όταν θερμαίνονται, παραμορφώνονται, καθώς τα μέταλλα, που τα απαρτίζουν, έχουν διαφορετικούς συντελεστές γραμμι -κής διαστολής. Η παραμόρφωση είναι δυνατόν να παρασύρει μια βελόνη πάνω σε βαθμονομημένη κλίμακα, ώστε να προκύψουν άμεσες ενδείξεις μέτρησης, να ανοιγοκλείσει επαφές (ενεργοποίηση σειρήνας) ή να διεγεί -ρει αισθητήριο θέσης. Μερικά διμεταλλικά ελάσματα δείχνονται στο σχήμα 2.4.12.
Σχήμα 2.4.12. Διμεταλλικά ελάσματα της Therm-Ο-Disc

ε) Τα οπτικά πυρόμετρα (optical pyrometer)
Τα οπτικά πυρόμετρα χρησιμοποιούνται για μετρήσεις θερμοκρασίας, όταν η φυσική επαφή του αισθητηρίου με την όλη διαδικασία είναι αδύνατη, αλλά είναι εφικτή η οπτική επαφή. Το πυρόμετρο εκπέμπει ενέργεια προς την πηγή, που θέλουμε να ελέγξουμε, ένα μέρος της οποίας ανακλάται από την πηγή αυτή και επιστρέφει στο πυρόμετρο. Η ανάκλαση αυτή εξαρτάται από τη θερμοκρασία της πηγής. Η σύγκριση της ενέργειας, που επιστρέφει στο πυρόμετρο, με την ενέργεια μιας πρότυπης βαθμονομημένης πηγής, δίνει ως αποτέλεσμα ρεύμα, που ανταποκρίνεται στη μεταβολή της θερμοκρα -σίας. Τα αυτόματα πυρόμετρα χρησιμοποιούν σερβομηχανισμό με κλειστό βρόχο ελέγχου, για να πετύχουν τη σύγκριση, όπως φαίνεται στο σχήμα 2.4.13. Τα πυρόμετρα μπορούν να λειτουργούν μέχρι τους 5000°C.

Σχήμα 2.4.13. Αυτόματο πυρόμετρο με σερβομηχανισμό για τον έλεγχο της παραγωγής
Υπάρχουν διάφοροι ορισμοί πίεσης, ανάλογα με τη φύση του σώματος, που εξετάζουμε (στερεό, υγρό, αέριο) καθώς και διάφοροι τρόποι μέτρησης αυτής. Ως πίεση ρευστού ορίζεται η δύναμη ανά μονάδα επιφάνειας, που ασκείται από υγρό ή αέριο στα τοιχώματα του δοχείου, που το περιέχει:
P= F A (2.5.1)
Η πίεση εκφράζει το εσωτερικό ενεργειακό περιεχόμενο των υδραυλικών υγρών. Η υδροστατική πίεση αναφέρεται στην εσωτερική πίεση, που ασκείται σε κάθε σημείο ενός υγρού και είναι ανάλογη με το ύψος h του υγρού μέσα στο δοχείο, που βρίσκεται, ανεξάρτητα από το σχήμα του, και ανάλογη με την πυκνότητα ρ του υγρού:

P=ρgh  (2.5.2)
όπου g=9.81 N/kg.
Μερικές από τις μονάδες μέτρησης της πίεσης είναι τα Pascal (1Pa= 1N/m 2 ), η φυσική ατμόσφαιρα Atm (1Atm=76cmHg=760Torr=1.033kp/cm 2 ), η τεχνητή ατμόσφαιρα at (1at= 1kp/cm 2 ), τα psi (pounds per square inch=lb/in 2 =6895Pa), κ.ά. Η άμεση μέτρηση της πίεσης γίνεται με τα γνωστά μανόμετρα και η έμμεση με σωλήνες, διαφράγματα κ.α.
Κάθε πίεση που είναι μικρότερη από την ατμοσφαιρική, θεωρείται ως πίεση κενού ( vacuum ) και αν είναι μηδενική, ονομάζεται πίεση απόλυτου κενού (perfect vacuum). Τα αισθητήρια πίεσης μετρούν πάντοτε πίεση σε σχέση με πίεση αναφοράς. Αν η πίεση αναφοράς είναι η πίεση του απόλυτου κενού, τότε μετράμε απόλυτη πίεση (absolute pressure). Άρα, απόλυτη πίεση ονομάζεται η διαφορά μεταξύ της μετρούμενης πίεσης και της πίεσης του απόλυτου κενού. Οι μονάδες της απόλυτης πίεσης είναι psia (pounds per square inch absolute). Αν η πίεση αναφοράς είναι η ατμοσφαιρική, τότε παίρνουμε τη μετρούμενη πίεση (gage pressure). Άρα, μετρούμενη πίεση ονομάζεται η διαφορά ανάμε -σα στην πίεση, που πραγματικά μετράμε και την ατμοσφαιρική. Οι μονάδες της μετρούμενης πίεσης είναι psig (pounds per square inch gage). Αν η πίεση αναφοράς είναι τυχαία πίεση, τότε μετράμε διαφορική πίεση. Άρα, διαφορική πίεση ονομάζεται η διαφορά μεταξύ της μετρούμενης πίεσης και της δοσμένης πίεσης αναφοράς. Στο σχήμα 2.5.1 φαίνονται οι παραπάνω περιπτώσεις μέ -τρησης πίεσης.

Σε κινούμενο ρευστό μπορούν να μετρηθούν δύο μορφές πίεσης. Έτσι, ορί -ζουμε τη στατική (static) και τη δυναμική (total ή impact) πίεση. Η δυναμική πίεση είναι η πίεση του ρευστού, αν το θεωρήσουμε ισοτροπικό και μετράται δειγματοληπτώντας τη ροή του ρευστού με τη χρήση ενός σωλήνα Pitot, όπως φαίνεται στο σχήμα 2.5.2 (ο μετατροπέας πίεσης β). Εμπειρικά, η στατική πί -εση είναι η πίεση, που αντιλαμβάνεται ένας παρατηρητής, όταν κινείται κατά μήκος της ροής του ρευστού (μετατροπέας πίεσης α).

2.5

Αισθητήρια Πίεσης, Ροής και Στάθμης
Σχήμα 2.5.1. Σχέσεις μεταξύ των διαφόρων ειδών πίεσης
Σχήμα 2.5.2. Μέτρηση στατικής (α) και δυναμικής πίεσης (β)
Ένας τυπικός αισθητήρας πίεσης επαγωγικού χαρακτήρα ανιχνεύει πίε -ση και παρέχει αναλογικό σήμα, ανάλογο με την ασκούμενη δύναμη-πίεση. Ένα τέτοιο όργανο υλοποιείται με διάφραγμα ή πιεζοηλεκτρική αντίσταση (piezoresistor) συνδεδεμένο σε ηλεκτρικό κύκλωμα, όπως δείχνει το σχήμα 2.5.3.
Σχήμα 2.5.3. Κύκλωμα μετρητή πίεσης με διάφραγμα επαγωγικού χαρακτήρα

Η μέτρηση της ροής των ρευστών επιτυγχάνεται είτε με τη βοήθεια διαφορικής πίεσης (διαφορά της στατικής πίεσης από τη δυναμική), είτε με τη βοήθεια μη -χανολογικών αισθητηρίων. Τρία είναι τα βασικά μεγέθη, με τα οποία μετράμε τη ροή:
-  Ο ρυθμός ροής (flow velocity), που ορίζεται σαν τη χρονική μεταβολή της κίνησης του ρευστού και μετριέται σε m/sec και m/min.
- Η ογκομετρική ροή (volume flow rate), που ορίζεται ως ο όγκος του ρευ -στού ανά μονάδα χρόνου και μετριέται m 3 /sec ή lt/sec (λίτρα ανά δευτερό -λεπτο).

-  Η ροή μάζας (mass flow), που ορίζεται σαν τη μάζα ή το βάρος της ύλης, που μεταφέρεται στη μονάδα χρόνου και μετριέται σε kg/sec και kg/min.
Τα σχήματα 2.5.4 και 2.5.5 δείχνουν, πως υπολογίζεται ο ρυθμός ροής και η ογκομετρική ροή ενός ρευστού. Για τον υπολογισμό του ρυθμού ροής μετράμε τη διαφορική πίεση στο σωλήνα, ενώ για την ογκομετρική ροή μας ενδιαφέρει ο όγκος, που μεταβάλλεται.
Σχήμα 2.5.4. Μέτρηση ροής ρευστού
Σχήμα 2.5.5. Μέτρηση ογκομετρικής ροής
Η μέτρηση του ύψους της στάθμης υγρού μέσα σε δοχεία και δεξαμενές επι -τελείται με διάφορες τεχνικές, όπως χρησιμοποιώντας επιπλέουσες συσκευές (φλοτέρ), διαφορική πίεση, συσκευές υπερήχων και εξαρτήματα δημιουργίας φυσαλίδων (bubblers). Η μέτρηση στάθμης γίνεται ή άμεσα με παρακολούθη -ση της στάθμης επιφάνειας ενός υγρού ή έμμεσα με μέτρηση κάποιας μετα -βλητής (π.χ. πίεση), που εξαρτάται από τη στάθμη ή τον όγκο του υγρού.

Τα φλοτέρ (float devices) προσφέρουν απλότητα και πολλαπλούς τρόπους μετατροπής της κίνησης της φούσκας σε μέτρηση στάθμης. Ένας μετατροπέας διαφορικής πίεσης, επίσης, μπορεί να μετρήσει τη στάθμη υγρού, όταν είναι γνωστό το ειδικό βάρος του υγρού και το αντίστοιχο αισθητήριο βρίσκεται στον πυθμένα του δοχείου.
Τα συστήματα υπερήχων χρησιμοποιούνται ιδιαίτερα σε ογκώδεις δεξαμε -νές, αφού δεν απαιτούν άμεση επαφή με το υγρό. Οι συσκευές δημιουργίας φυσαλίδων μετρούν, ουσιαστικά, την υδροστατική πίεση στο σημείο ακριβώς που δημιουργούνται οι φυσαλίδες αέρα, σχήμα 2.5.6. Η βασική ιδέα είναι, ότι κατά τη δημιουργία της φυσαλίδας μέσα στο σωλήνα επιστρέφεται πίεση, η οποία είναι ίση με την υδροστατική πίεση του υγρού στο συγκεκριμένο βάθος.

Σχήμα 2.5.6. Σύστημα δημιουργίας φυσαλίδων
Στο σχήμα 2.5.7 δείχνονται ορισμένα αισθητήρια πίεσης, ρυθμού ροής και στάθμης.
Σχήμα 2.5.7. Αισθητήρια (α) πίεσης της Motorola, (β) ρυθμού ροής και (γ) στάθμης της Fine Automation Co., Ltd.

2.6
Αισθητήρια Κίνησης, Δόνησης και Δύναμης
Σχήμα 2.6.1. LVDT και η χαρακτηριστική του
Η ακριβής αίσθηση της κίνησης, της θέσης, της γωνίας αξόνων και της γραμμι -κής μετατόπισης είναι δυνατή με το γραμμικό μετασχηματιστή μεταβλητής μετατόπισης LVDT (linear variable displacement transformer). Αυτός ο μετα -τροπέας έχει ως κύριο στοιχείο του μετασχηματιστή με απλό πρωτεύον τύλιγ -μα και δύο πανομοιότυπα δευτερεύοντα τυλίγματα γύρω από σιδηρομαγνητικό πυρήνα, σχήμα 2.6.1. Το πρωτεύον τύλιγμα διεγείρεται από εναλλασσόμενη τάση:

V$\_{ext}$ = V$\_{S }$sin 2πf$\_{S}$t
Τα δύο δευτερεύοντα τυλίγματα είναι συνδεδεμένα σε σειρά, έτσι ώστε η τάση εξόδου να προκύπτει από τη διαφορά των τάσεων, που παράγονται στα τυλίγ -ματα του δευτερεύοντος:
V$\_{1}$ - V$\_{2}$ = V$\_{out}$ sin(2πf$\_{S}$t + φ) (2.6.2)
Ανάμεσα στα τυλίγματα τοποθετείται πυρήνας από σιδηρομαγνητικό υλικό του οποίου, η κίνηση αλλάζει την αμοιβαία επαγωγή και η τελική θέση καθορίζει την τάση εξόδου, σχήμα 2.6.1. Με τον πυρήνα απομακρυσμένο από τα τυλίγ -ματα, οι τάσεις στα άκρα τους είναι ίσες, οπότε η τάση εξόδου είναι μηδέν. Όταν ο πυρήνας είναι μέσα στο μετασχηματιστή, οι τάσεις μεταβάλλονται ανάλογα με τη θέση του x, οπότε αλλάζει και η τάση εξόδου καθώς και η φάση της. Η σχέση φ ανάμεσα στην μετατόπιση x, τη φάση φ και την τάση εξόδου δείχνεται στο σχήμα 2.6.1. Η τάση εξόδου μηδενίζεται πάλι, όταν ο πυρήνας βρίσκε -ται ακριβώς στο κέντρο C ανάμεσα στα δύο τυλίγματα, δηλαδή όταν x=L/2. Στο σημείο αυτό, η σύζευξη του πρωτεύοντος με τα δευτερεύοντα είναι τέτοια, ώστε V1=V2. Στα σημεία Α και Β, τα οποία ισαπέχουν από το C, η τάση εξόδου λαμβάνει ακριβώς την ίδια τιμή V o. Ωστόσο στο Α υπάρχει διαφορά φάσης -180° με την τάση του πρωτεύοντος, ενώ στο Β δεν υπάρχει διαφορά φάσης. Στα άκρα D και Ε της χαρακτηριστικής παύει να υπάρχει γραμμικότητα.

Σχήμα 2.6.2. Βασικό κύκλωμα LVDT
Το εναλλασσόμενο σήμα που προκύπτει στην έξοδο του LVDT, μετατρέπεται σε συνεχές με χρήση διόδων, όπως φαίνεται στο σχήμα 2.6.2, ή και με άλλες ανορθωτικές διατάξεις, έχοντας όμως κατά νου, ότι η dc χαρακτηριστική πρέ -πει να κυμαίνεται ανάμεσα στα σημεία Α και Β, δηλαδή, πρέπει να έχει σταθερό πλάτος Vo και μεταβαλλόμενη φάση ως 180°. Στο σημείο αυτό είναι σκόπιμο να
αναφερθεί, ότι το LDVT χρησιμοποιείται κατά κόρο με αποδιαμορφωτή φάσης (phase sensitive demodulator), όπως φαίνεται και στο σχήμα 2.6.1, ο οποίος ανιχνεύει τη διαφορά φάσης και δίνει αρνητική τάση στο σημείο Α και θετική στο σημείο Β.

Ως προς τις τεχνικές δυνατότητες, οι μετατροπείς αυτού του είδους είναι ικα -νοί να καλύψουν περιοχές μετατόπισης αντικειμένων (σιδηροπυρήνων) από ±0.25cm ως ±25cm. Για τυπικό αισθητήρα της κλίμακας ± 2.5cm προτείνεται πλάτος διέγερσης V$\_{s}$=4-6V και f$\_{s}$=5kHz (400Hz minimum, 50kHz maximum). Εκτός από τα LVDT η αίσθηση της κίνησης γίνεται με τα ποτενσιόμετρα και τους κωδικοποιητές (encoders) (Σχ. 2.6.3).
Σχήμα 2.6.3. (α) Σερβο-ποτενσιόμετρο, (β) LVDT και (γ) περιστρεφόμενος κωδικοποιητής

Τα ποτενσιόμετρα χρησιμοποιούν μεταβλητή αντίσταση, για να μετατρέψουν γωνία ή μετατόπιση σε αντίσταση-τάση. Λειτουργούν μετακινώντας έναν δρο -μέα πάνω σε αντίσταση, για να παραχθεί τάση ανάλογη με τη μετατόπιση.
Οι κωδικοποιητές είναι αισθητήρια μηχανικής κίνησης. Μετατρέπουν την κίνη -ση (όπως θέση, ταχύτητα και επιτάχυνση) σε ηλεκτρικά σήματα. Διακρίνονται σε απόλυτους (absolute) και αυξητικούς (incremental) κωδικοποιητές. Οι απόλυτοι κωδικοποιητές έχουν μοναδική τιμή για κάθε μηχανική θέση. Έτσι, δε χάνεται ποτέ η πληροφορία της θέσης και είναι στη στιγμή διαθέσιμη σα ψηφι -ακή λέξη στην παροχή ισχύος. Στους αυξητικούς κωδικοποιητές κάθε μηχανική θέση δεν ορίζεται μοναδικά. Η κάθε θέση ανιχνεύεται αυξητικά από τη θέση, που είχε τελευταία ανιχνευτεί δηλαδή, ξεκινώντας από την τελευταία ανίχνευση και με διαδοχικές αυξήσεις προσπαθούν να προσεγγίσουν τη νέα θέση.

Οι μετρήσεις επιτάχυνσης ή δύναμης (αφού η δύναμη είναι ανάλογη με την επιτάχυνση, σύμφωνα με το θεμελιώδη νόμο της φυσικής) στηρίζονται σε κραδασμικά αισθητήρια. Όλες οι συνηθισμένες μορφές μετατροπέων έχουν εκτοπισθεί από τους πιεζοηλεκτρικούς μετατροπείς. Στο σημείο αυτό, θα αναφερθούμε σύντομα στο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο.
Αν μια δύναμη εφαρμοστεί σε κρύσταλλο, τότε τα άτομα του κρυστάλλου μετα -τοπίζονται ελαφρώς από τις κανονικές τους θέσεις στο πλέγμα. Η μετατόπιση x είναι ανάλογη με την εφαρμοζόμενη δύναμη F στη σταθερή κατάσταση:

x= 1 k F × (2.6.3)
όπου k η σκληρότητα του κρυστάλλου, με μονάδες N/m.
Σε πιεζοηλεκτρικό κρύσταλλο, αυτή η παραμόρφωση του κρυσταλλικού πλέγ -ματος έχει σαν αποτέλεσμα ο κρύσταλλος να αποκτήσει καθαρό φορτίο q ανά -λογο με τη μετατόπιση x:
q = Κ  x (2.6.4)
όπου Κ σταθερά με μονάδες C/m. Τότε, από τις σχέσεις 2.6.3 και 2.6.4 παίρ -νουμε:
q= K k F=dF ×× (2.6.5)
όπου d=K/k (με μονάδες C/N) είναι η ευαισθησία του φορτίου ως προς τη δύ -ναμη.
Έτσι, ο πιεζοηλεκτρικός κρύσταλλος δίνει απευθείας ηλεκτρική έξοδο ανάλογη με την εφαρμοζόμενη δύναμη, χωρίς να απαιτείται δεύτερος αισθητήρας με -τατόπισης. Η σχέση 2.6.5 παρουσιάζει το ορθό πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο (direct piezoelectric effect). Υπάρχει και το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο (inverse piezoelectric effect), όταν τάση V, που εφαρμόζεται σε κρύσταλλο, προκαλεί μηχανική μετατόπιση x:

x = d  V (2.6.6)
Το αντίστροφο φαινόμενο είναι σημαντικό στους υπερηχητικούς πομπούς (ul -trasonic transmitters). Οι διαστάσεις του d στη σχέση 2.6.5 (C/N) είναι ισοδύ -ναμες με τις διαστάσεις, που έχει στη σχέση 2.6.6 (m/V).
Για να μετρηθεί το φορτίο q, μεταλλικά ηλεκτρόδια τοποθετούνται στις απέναντι πλευρές του κρυστάλλου, για να προκύψει πυκνωτής. Τότε η χωρητικότητα του πυκνωτή είναι:
ο (2.6.7)
όπου I το πάχος του κρυστάλλου, S το εμβαδόν των πλακών των ηλεκτροδίων, ε η διηλεκτρική σταθερά του κρυστάλλου και εo η διηλεκτρική σταθερά του κενού.

Τα πιεζοηλεκτρικά στοιχεία χρησιμοποιούνται ευρέως στη μέτρηση επιτάχυν -σης (acceleration) και δόνησης (vibration). Ο πιεζοηλεκτρικός κρύσταλλος χρη -σιμοποιείται σε συνδυασμό με μάζα m. Αν δοθεί επιτάχυνση α στο περίβλημα του επιταχυνσιομέτρου (accelerometer), τότε προκύπτει δύναμη αδράνειας F, που ενεργεί στη μάζα και στον πιεζοηλεκτρικό κρύσταλλο. Έτσι, ο κρύσταλλος αποκτά το φορτίο της σχέσης 2.6.5. Στο σχήμα 2.6.4 δείχνεται επιταχυνσιό -
μετρο συμπίεσης (compression mode accelerometer) και επιταχυνσιόμετρο διάτμησης (shear mode accelerometer).

Σχήμα 2.6.4. Πιεζοηλεκτρικά επιταχυνσιόμετρα (α) συμπίεσης και (β) διάτμησης
Στο επιταχυνσιόμετρο συμπίεσης το πιεζοηλεκτρικό στοιχείο βρίσκεται ανάμε -σα στη μάζα και το περίβλημα. Τα τρία αυτά επίπεδα είναι κατά κάποιο τρόπο βιδωμένα μεταξύ τους και το σύνολο βρίσκεται κλεισμένο κάτω από υψηλή στατική πίεση. Έτσι, η παραμικρή ασκούμενη δύναμη ή επιτάχυνση στην εξω -τερική επιφάνεια προκαλεί ευθέως ανάλογη διέγερση του κρυστάλλου. Στο επιταχυνσιόμετρο διάτμησης το πιεζοηλεκτρικό στοιχείο έχει το σχήμα κόλου -ρου κωνικού σωλήνα και βρίσκεται ανάμεσα σε κεντρικό στύλο, που μικραίνει βαθμιαία και στην εξωτερική μάζα. Στο σχήμα 2.6.5 δείχνονται διάφορα επιτα -χυνσιόμετρα.

Σχήμα 2.6.5. Επιταχυνσιόμετρα
Η τελική λήψη του αρχικού σήματος του κρυστάλλου λαμβάνεται ύστερα από κατάλληλη επεξεργασία. Αυτό σημαίνει, ότι ο κρύσταλλος παράγει πολύ ασθε -
νές ρεύμα εξόδου, οπότε για κάθε εφαρμογή χρησιμοποιούνται πολλοί κρύ -σταλλοι συνοδευόμενοι από ενισχυτή ρεύματος ασθενούς σήματος.
Ενδιαφέρον, επίσης, παρουσιάζει η περίπτωση της μέτρησης αποκλειστικά και μόνο δύναμης με αισθητήρια, που αντιλαμβάνονται δύναμη-τάση στην επιφάνειά τους (strain gage transducers). Η βασική αρχή λειτουργίας είναι, ότι με την αλλαγή του μέτρου της δύναμης, που ασκείται πάνω τους, αλλάζει και η αντίσταση του συνοδευτικού ηλεκτρονικού κυκλώματος (όπως η γέφυρα wheatstone). Στο σχήμα 2.6.6 φαίνεται ένα τέτοιο κλασσικό παράδειγμα, ενώ στο σχήμα 2.6.7 βλέπουμε διάφορους τέτοιους μετατροπείς.

Σχήμα 2.6.6. Κύκλωμα μέτρησης επιφανειακής τάσης
Σχήμα 2.6.7. Strain gage μετατροπείς
Τα συστήματα μέτρησης απόστασης με υπερήχους εφαρμόζονται ευρέως σε βιομηχανικούς και ιατρικούς σκοπούς. Στο σχήμα 2.6.8 φαίνεται ένα τέτοιο σύ -στημα, αποτελούμενο από το μετατροπέα και το απαιτούμενο κύκλωμα επε -ξεργασίας σήματος. Ένας παλμός εκπέμπεται προς το στόχο, ανακλάται σε αυτόν και ανιχνεύεται ο ανακλώμενος παλμός. Ο χρόνος, που χρειάστηκε, για να επιστρέψει ο ανακλώμενος παλμός, μετατρέπεται σε απόσταση ανάλογα με τη διάδοση του ήχου στο συγκεκριμένο μέσο διάδοσης της εφαρμογής.

Τέλος, οι μετατροπείς φαινομένου-Hall ελέγχουν την ένταση μαγνητικού πε -δίου. Η αρχή λειτουργίας τους περιγράφεται στο σχήμα 2.6.9. Όταν μαγνητικό πεδίο Βz εφαρμοστεί κάθετα σε αγώγιμο υλικό, ασκείται δύναμη, που δημιουρ -γεί μεταβολή στη ροή του ρεύματος Ιx που είναι ανάλογη με διαφορά δυναμι -κού.
Σχήμα 2.6.8. Σύστημα μέτρησης απόστασης με υπερήχους
Σχήμα 2.6.9. Αρχή λειτουργίας μετατροπέα φαινομένου-Hall
Οι ανιχνευτές φωτός (photon detectors) είναι ημιαγώγιμες διατάξεις, στις οποίες, όταν προσπίπτει φως, δηλαδή ορατή ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, προκαλείται διέγερση των ηλεκτρονίων του ημιαγωγού, με αποτέλεσμα αυτά να μεταπίπτουν από τη στοιβάδα σθένους στη στοιβάδα αγωγιμότητας, παρά -γοντας έτσι μετρήσιμη ηλεκτρική ροή. Αυτοί οι ανιχνευτές διεγείρονται μόνο, όταν η ενέργεια της προσπίπτουσας ακτινοβολίας έχει μια κατάλληλη τιμή. Οι αισθητήρες φωτός διακρίνονται σε δύο βασικά είδη, ανάλογα με την ατομική τους συμπεριφορά στην ορατή ακτινοβολία.

 Φωτοαγώγιμοι αισθητήρες (photoconductive detectors)
Το ουσιαστικό φαινόμενο, που παρατηρείται εδώ είναι, ότι η παρουσία των διεγερμένων ηλεκτρονίων στη στοιβάδα αγωγιμότητας αυξάνει την ηλεκτρι -κή αγωγιμότητα και την ισχύ Ρ, που καταναλώνεται από το στοιχείο, μειώ -νοντας παράλληλα την αντίστασή του R, σχήμα 2.7.1.
Σχήμα 2.7.1. Γραφική παράσταση αντίστασης-ισχύος για αισθητήρια θειούχου καδμίου

 Φωτοβολταϊκοί αισθητήρες (photovoltaic detectors)
Στην κατηγορία αυτή ανήκουν οι φωτοδίοδοι, που δημιουργούνται από επαφή εξωγενών ημιαγωγών τύπου-Ν και τύπου-Ρ. Στο σχήμα 2.7.2 απει -κονίζονται οι χαρακτηριστικές φωτοδιόδου στο φως και το σκοτάδι. Από την μελέτη τους προκύπτει το συμπέρασμα ότι, η παρουσία του φωτός μετατο -πίζει προς τα κάτω ολόκληρη τη χαρακτηριστική κατά ποσότητα ίση με το φωτορεύμα ip:
Σχήμα 2.7.2. Χαρακτηριστική τάσης-ρεύματος φωτοδιόδου

Συστήματα μέτρησηςχαρακτηριστικά
-  Εισαγωγή
-  Τυπικό Σύστημα Μετρήσεων
- Τύποι Μετρήσεων
- Τύποι Συστημάτων Μετρήσεων
-  Χαρακτηριστικά Συστημάτων Μετρήσεων

Σκοπός
Όταν ολοκληρώσεις το κεφάλαιο αυτό, θα μπορείς:
-  Να αναφέρεις τους διάφορους τύπους μέτρησης φυσικών μεγεθών.
-  Να περιγράφεις τα συγκεντρωτικά και αποκεντρωμένα συστήματα μέτρησης.
- Να κατονομάζεις και να περιγράφεις από τι αποτελείται ένα τυπικό σύστημα μέτρησης.
-  Να κατονομάζεις και να περιγράφεις τα διάφορα χαρακτηριστικά των συστημάτων μέτρησης.
Η μελέτη των διαφόρων φυσικών φαινομένων γίνεται εφικτή, όταν έχουμε πλη -ροφορίες, δηλαδή δεδομένα ή περιγραφές, που σχετίζονται με τα διάφορα αντι -κείμενα ή γεγονότα. Τις πληροφορίες αυτές μεταφέρουν τα διάφορα σήματα ή φυσικά μεγέθη . Η σύγκριση ενός φυσικού μεγέθους με άλλο ομοειδές, το οποίο αυθαίρετα ή με συμφωνία λαμβάνουμε σα μονάδα, ονομάζεται μέτρηση του μεγέθους αυτού.

Οι μετρήσεις (measurements) είναι πολύ σημαντικές για την εξέλιξη των σύγ -χρονων επιστημών και των τεχνολογιών αιχμής. Βασικός στόχος τους είναι η ακριβής παρακολούθηση της εξέλιξης οποιασδήποτε μορφής φαινομένου με φυσικά ή όχι μεγέθη, που αναφέρονται άμεσα ή έμμεσα στις ανθρώπινες αισθήσεις, όπως για παράδειγμα η γωνιακή επιτάχυνση, το ΡΗ διαλύματος ή η ροπή. Πολλές φορές χρειαζόμαστε πληροφορία για τη ταχύτητα αυτοκινήτου, τη θερμοκρασία στο χώρο εργασίας ή την ποσότητα μιας χημικής ουσίας κατά την εξέλιξη μιας χημικής αντίδρασης. Αυτό επιτυγχάνεται με ειδικές μετρητικές διατάξεις, τα αισθητήρια , τα οποία συνδυασμένα με κατάλληλα στοιχεία επε -ξεργασίας δεδομένων εκτελούν τις επιθυμητές μετρήσεις.

Το φυσικό σύστημα, που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση ενός μεγέθους, ονο -μάζεται σύστημα μέτρησης . Παράδειγμα συστήματος μέτρησης αποτελεί η παρακολούθηση της σεισμικής συμπεριφοράς κάποιων περιοχών ή ηφαιστεί -ων, με σκοπό την πρόβλεψη, ίσως, κάποιου σεισμού ή την προφύλαξη από την έκρηξη ενός ηφαιστείου.

Εισαγωγή
1.2 Τύποι Μετρήσεων
Ανάλογα με τις απαιτήσεις ακρίβειας και τις ιδιομορφίες ενός συστήματος, διακρίνουμε διάφορους τύπους μετρήσεων. Οι κλασικοί τύποι μετρήσεων είναι:
-  Μετρήσεις, που βασίζονται στη διαφορά μεταξύ δύο όμοιων μεγεθών ή αντικειμένων, όπως η διάκριση αντικειμένων με βάση το χρώμα τους ή την οσμή τους.
-  Μετρήσεις σχετικών μεγεθών και διάταξη σε αύξουσα ή φθίνουσα τάξη, όπως η στοίχιση μαθητών από το μεγαλύτερο προς το μικρότερο ύψος.
- Μετρήσεις, που βασίζονται στην κατάταξη μεγεθών σε διαστήματα, που είναι και οι πιο ακριβείς. Αν η μεγαλύτερη μέτρηση ληφθεί ως μονάδα και οι υπόλοιπες μετατραπούν σε κλάσματά της (διαιρώντας τις με τη μέγιστη), λέμε ότι κανονικοποιούμε τις μετρήσεις. Παράδειγμα τέτοιων μετρήσεων έχουμε στα δοσομετρικά δοχεία, που χρησιμοποιούμε στην μαγειρική και βασίζονται, κυρίως, σε υποδιαιρέσεις του λίτρου.

Τα τελευταία χρόνια, αφ' ενός, οι απαιτήσεις εξαιτίας της αλματώδους ανάπτυ -ξης της παραγωγικής ικανότητας και, αφ' ετέρου, οι δυνατότητες, που προσφέ -ρει η τεχνολογία, οδήγησαν στην ανάπτυξη νέων τύπων συστημάτων μετρή -σεων:
-  Συστήματα μετρήσεων με χρήση ηλεκτρονικών εξαρτημάτων.
- Συστήματα μετρήσεων, που την κεντρική θέση κατέχει κάποιου είδους υπολογιστής .
Η τάση, που κυριαρχεί στη σημερινή εποχή, είναι η αυτοματοποίηση των με -τρήσεων. Επίσης, η ανάπτυξη νέων εργαλείων για την ανάλυση, σύνθεση, αποτίμηση και παρουσίαση των αποτελεσμάτων των μετρήσεων οδηγεί στην αύξηση της απόδοσης των συστημάτων μετρήσεων.

Για τις μετρήσεις των διαφόρων φυσικών μεγεθών έχουν καθιερωθεί διάφορες μονάδες. Προκειμένου να απλοποιηθεί η μελέτη των φυσικών φαινομένων και να παγιωθεί παγκόσμια ενιαία έκφραση των μετρήσεων, έχει καθιερωθεί διε -θνώς, ως αποδεκτό σύστημα μονάδων το Διεθνές Σύστημα Μονάδων (S.I.). Σύμφωνα με αυτό το σύστημα, ορισμένα μεγέθη ορίζονται ως θεμελιώδη και οι αντίστοιχες μονάδες μέτρησής τους ως θεμελιώδεις μονάδες, ενώ άλλα μεγέθη και μονάδες, που προκύπτουν μέσω διαφόρων σχέσεων από τα θεμελιώδη, ως παράγωγα. Τα μεγέθη αυτά εμφανίζονται στους πίνακες 1.2.1 και 1.2.2.

Πίνακας 1.2.1. Θεμελιώδη μεγέθη στο S.I.

| Θεμελιώδες Μέγεθος         | Μονάδα   | Ονομασία     |
|----------------------------|----------|--------------|
| Χρόνος                     | s        | Δευτερόλεπτο |
| Μήκος                      | m        | Μέτρο        |
| Μάζα                       | kg       | Χιλιόγραμμο  |
| Ένταση ηλεκτρικού ρεύματος | Α        | Αμπέρ        |
| Θερμοκρασία                | Κ        | Κέλβιν       |
| Ποσότητα ύλης              | mol      | Μολ          |
| Φωτεινή ένταση             | cd       | Κανδέλα      |

Πίνακας 1.2.2. Παράγωγα μεγέθη στο S.I.

| Παράγωγο Μέγεθος      | Μονάδα   | Ονομασία                           |
|-----------------------|----------|------------------------------------|
| Εμβαδόν               | m 2      | Τετραγωνικό μέτρο                  |
| Όγκος                 | m 3      | Κυβικό μέτρο                       |
| Ταχύτητα              | m/sec    | Μέτρο ανά δευτερόλεπτο             |
| Επιτάχυνση            | m/sec 2  | Μέτρο ανά τετραγωνικό δευτερόλεπτο |
| Πυκνότητα             | kg/m 3   | Χιλιόγραμμο ανά κυβικό μέτρο       |
| Πίεση                 | Pa       | Πασκάλ                             |
| Έργο                  | J        | Τζάουλ                             |
| Ισχύς                 | W        | Βατ                                |
| Ηλεκτρικό φορτίο      | C        | Κουλόμπ                            |
| Ηλεκτρική τάση        | V        | Βολτ                               |
| Ηλεκτρική αντίσταση   | Ω        | Ωμ                                 |
| Ηλεκτρική αγωγιμότητα | S        | Ζίμενς                             |
| Συχνότητα             | Hz       | Χερτζ                              |
| Δύναμη                | N        | Νιούτον                            |
| Χωρητικότητα          | F        | Φαράντ                             |
| Αυτεπαγωγή            | H        | Ανρί                               |
| Θερμοκρασία Celsius   | °C       | Βαθμός κελσίου                     |

Ειδικά για τις τεχνικές μετρήσεις υπάρχουν, κατά γεωγραφικές περιοχές, και άλλες μονάδες, με αντιστοιχία προς το S.I., που διευκολύνουν ως προς την έκφραση των αποτελεσμάτων των μετρήσεων ή έχουν καθιερωθεί ιστορικά, όπως π.χ. η χρήση της ίντσας ως μονάδα μέτρησης του μήκους στην Αγγλία.

1.3 Τυπικό Σύστημα Μετρήσεων
Ο σκοπός ενός συστήματος μετρήσεων είναι να παρουσιάζει στον παρατηρη -τή, σε επιλεγμένες χρονικές στιγμές, αριθμητική τιμή, που να ανταποκρίνεται στην μεταβλητή, που μελετάται. Η μετρούμενη τιμή , που παίρνει ο παρατηρη -τής, δεν είναι ίδια με την πραγματική τιμή της μεταβλητής, σχήμα 1.3.1, διότι το όργανο μέτρησης εισάγει σφάλμα μέτρησης στην όλη διαδικασία.
Σχήμα 1.3.1. Μεγέθη συστήματος μέτρησης
Κατά κανόνα, ένα τυπικό σύστημα μέτρησης (measurement system) μπορεί να θεωρηθεί, ότι αποτελείται από τέσσερις βασικές βαθμίδες, όπως φαίνεται στο σχήμα 1.3.2.

Σχήμα 1.3.2. Δομή τυπικού συστήματος μέτρησης
Με βάση τη σημερινή τεχνολογία, όμως, τα όρια μεταξύ των βαθμίδων αυτών είναι δυσδιάκριτα έως ανύπαρκτα, αφού κυριαρχεί η χρήση των ολοκληρωμέ -νων εξαρτημάτων. Για παράδειγμα, πάνω στο αισθητήριο προσαρμόζεται ο μετατροπέας σήματος και ο επεξεργαστής, καθώς και ότι άλλο χρειάζεται. Πολ -λές φορές συμβαίνει να λείπει κάποια βαθμίδα ή οι ανάγκες της εφαρμογής να απαιτούν κάποιες άλλες. Ας εξετάσουμε, όμως, πιο αναλυτικά το παραπάνω βασικό δομικό (block) διάγραμμα ενός τυπικού συστήματος μετρήσεων. Αυτό αποτελείται από:

- α) Τ ο αισθητήριο (sensing element ή sensor) ή τον μετατροπέα (transducer)
Παρά το γεγονός ότι και οι δύο λέξεις (αισθητήριο και μετατροπέας) απο -δίδουν την κυρίως βαθμίδα, που αντιλαμβάνεται τις μεταβολές της ελεγ -χόμενης μεταβλητής (measurant), αυτές παρουσιάζουν ουσιαστικές διαφο -ρές. Πρώτα απ' όλα, το αισθητήριο περιγράφει τη συσκευή, που εκτελεί απ' ευθείας τη μέτρηση, χωρίς να αλλάζει το ενεργειακό περιεχόμενο του σήματος, π.χ. το θερμόμετρο, ενώ ο μετατροπέας περιγράφει την αρχή της μέτρησης του σήματος και της μετατροπής του από μία μορφή ενέργειας σε άλλη. Περιγράφει, δηλαδή, τη διάταξη (το σύνολο των διατάξεων μαζί με το αισθητήριο), που μετατρέπει μια μη ηλεκτρική παράμετρο σε ηλεκτρικό σήμα προς επεξεργασία. Οι μεταβολές της ηλεκτρικής παραμέτρου εξόδου είναι συνάρτηση της παραμέτρου εισόδου. Το μικρόφωνο, για παράδειγμα, είναι ηλεκτρακουστικός μετατροπέας, που μετατρέπει ηχητικό σήμα σε ηλε -κτρικό, σχήμα 1.3.3, ενώ, το μεγάφωνο είναι ηλεκτρακουστικός μετατροπέ -ας, που μετατρέπει ηλεκτρικό σήμα σε ηχητικό, σχήμα 1.3.4.

Σχήμα 1.3.3. (α) Πυκνωτικά μικρόφωνα, (β) διάφοροι τύποι μικροφώνων
Σχήμα 1.3.4. Μεγάφωνα (Speakers)
Οι μετατροπείς αποτελούνται από διάφορα χωρητικά, επαγωγικά, ηλεκτρο -μηχανικά, ηλεκτρομαγνητικά, φωτοβολταϊκά, πιεζοηλεκτρικά και άλλα στοι -
χεία. Τα περισσότερα από αυτά χρειάζονται εξωτερική ηλεκτρική διέγερση, με εξαίρεση τα πιεζοηλεκτρικά, τα φωτοηλεκτρικά και τα ηλεκτρομαγνητικά. Τέλος, οι μετατροπείς, που τίθενται στην έξοδο των συστημάτων, προκειμέ -νου να εκτελεστεί μια λειτουργία, ονομάζονται δράστες (actuators).

β) Η βαθμίδα μετατροπής σήματος
Η βαθμίδα μετατροπής σήματος λαμβάνει την έξοδο του αισθητηρίου και τη μετατρέπει σε μορφή κατάλληλη για περαιτέρω επεξεργασία, όπως συ -νεχή τάση, συνεχές ρεύμα ή σήμα, που είναι συνάρτηση της συχνότητας. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελούν οι ενισχυτές. Οι ενισχυτές εκτελούν διάφορες λειτουργίες, κυρίως, όμως, απλή ενίσχυση, όπως φαίνεται στο σχήμα 1.3.5. Η σχέση (1.3.1) δίνει το λόγο της τάσης εξόδου του παρακάτω ενισχυτή προς τη τάση εισόδου. Στη βαθμίδα μετατροπής περιλαμβάνε -ται, συνήθως, και ο μετατροπέας αναλογικού σήματος σε ψηφιακό (ADC: analog-to-digital converter), που προετοιμάζει το αναλογικό σήμα για ψηφι -ακή επεξεργασία. Αν έχουμε πολλά κανάλια εισόδου (multiple-input), χρησι -μοποιούμε πολυπλέκτες, που είναι πολλές φορές τμήμα του ίδιου του ADC.

Σχήμα 1.3.5. Αναστρέφων ενισχυτής
V V =-R R o i 2 1 (1.3.1)

γ) Η βαθμίδα επεξεργασίας σήματος
Η βαθμίδα επεξεργασίας σήματος λαμβάνει την έξοδο του στοιχείου με -τατροπής σήματος σε ψηφιακή μορφή (από τον ADC), την επεξεργάζεται κατά υλικό και λογισμικό (hardware-software), την επαναφέρει σε αναλογι -κή μορφή με μετατροπέα ψηφιακού σήματος σε αναλογικό (DAC: digital-toanalog converter) και τη διοχετεύει στην επόμενη βαθμίδα. Χαρακτηριστικό παράδειγμα βαθμίδας επεξεργασίας είναι ο μικροϋπολογιστής PIC ή και οι διάφοροι μικροελεγκτές (μCs) ή και οι επεξεργαστές ψηφιακών σημά -των (DSPs). Αν έχουμε πολλά κανάλια εξόδου (multiple-output) χρησιμο -ποιούμε αποπλέκτες. Στο σχήμα 1.3.6 βλέπουμε τη διάταξη ακροδεκτών μετατροπέα αναλογικού σήματος σε ψηφιακό (ADC0809) και μετατροπέα ψηφιακού σήματος σε αναλογικό (DAC0808).

Σχήμα 1.3.6. Διατάξεις ακροδεκτών ενός DAC και ενός ADC

δ) Η βαθμίδα παρουσίασης μέτρησης και διανομής δεδομένων
Η βαθμίδα παρουσίασης απεικονίζει τη μετρούμενη τιμή σε μορφή εύκολα αναγνωρίσιμη από τον παρατηρητή, όπως το στοιχείο επίδειξης με χρήση 7-γραμμών (seven segment display), οι οθόνες υγρών κρυστάλλων (LCD), κ.ά., σχήμα 1.3.7.
Σχήμα 1.3.7. Διάφοροι τύποι οθονών
Όταν η βαθμίδα επεξεργασίας βρίσκεται σε μεγάλη απόσταση από τη βαθ -μίδα μέτρησης, όπως π.χ. γίνεται στις σεισμολογικές μετρήσεις, τότε γίνεται
χρήση των τηλεμετρικών συστημάτων . Τα συστήματα αυτά, εκτός των βαθμίδων, που αναφέρθηκαν, περιλαμβάνουν και τμήματα αποστολής και λήψης της πληροφορίας σε μακρινές αποστάσεις. Στο τμήμα που παρέχει την πληροφορία, υπάρχει πομπός και στο τμήμα, που δέχεται την πληρο -φορία, υπάρχει δέκτης (π.χ. FM πομποδέκτες). Το κανάλι μετάδοσης μετα -ξύ πομπού και δέκτη μπορεί να είναι ραδιοφωνικός δίαυλος, τηλεφωνικό κανάλι, ομοαξονικό καλώδιο ή οπτική ίνα, σχήμα 1.3.8.

Σχήμα 1.3.8. Διάταξη τηλεμετρικού συστήματος με χρήση πομπού και δέκτη
Ανάλογα με τον αριθμό των μετατροπέων αναλογικού σήματος σε ψηφιακό (ADC) και ψηφιακού σήματος σε αναλογικό (DAC), καθώς και το είδος των πο -λυπλεκτών, που χρησιμοποιούνται σε σύστημα μέτρησης, τα συστήματα αυτά διακρίνονται στις παρακάτω κατηγορίες:
-  Συγκεντρωτικό σύστημα απόκτησης δεδομένων, όταν περιλαμβάνει ανα -λογικούς πολυπλέκτες/αποπλέκτες, ένα ADC καθώς και ένα DAC για όλα τα κανάλια, σχήμα 1.4.1
Σχήμα 1.4.1. Συγκεντρωτικό σύστημα
-  Αποκεντρωμένο σύστημα απόκτησης δεδομένων, όταν περιλαμβάνει πολλούς ADC και DAC (π.χ. ένας για κάθε κανάλι) και ο πολυπλέκτης/απο -πλέκτης είναι ψηφιακός, άμεσα συνδεόμενος με τη βαθμίδα επεξεργασίας (μέσω θύρας εισόδου/εξόδου), σχήμα 1.4.2.

Σχήμα 1.4.2. Αποκεντρωμένο σύστημα

1.4 Τύποι Συστημάτων Μετρήσεων

Χαρακτηρι -στικά

Μετρήσεων
Συστημάτων
Έως τώρα εξετάστηκε το τυπικό σύστημα μέτρησης και η δομή του. Στη συ -νέχεια, παρουσιάζονται τα βασικά χαρακτηριστικά τέτοιου συστήματος. Τα χα -ρακτηριστικά αυτά είναι εκείνα, που περιγράφουν ουσιαστικά το σύστημα και προκύπτουν από τις αποκρίσεις των βαθμίδων του συστήματος, με στατιστικές μεθόδους των οποίων η μαθηματική ανάλυση παραλείπεται.
-  Απόλυτο σφάλμα ή απλά σφάλμα (error): Η απόκλιση της μέτρησης, δη -λαδή, η διαφορά ανάμεσα στη μετρούμενη και στην πραγματική τιμή του μετρούμενου μεγέθους, που διατυπώνεται με τη μορφή:

Ε = (μετρούμενη τιμή)-(πραγματική τιμή) = (έξοδος)-(είσοδος) (1.5.1)
-  Σχετικό σφάλμα ή ακρίβεια (accuracy): Ο λόγος του απόλυτου σφάλμα -τος προς την πραγματική τιμή του μεγέθους εκφραζόμενος επί τοις εκατό:
(μετρούμενη τιμή) - (πραγματική τιμή) (πραγματική τιμή) 100% (1.5.2.)
-  Ανάλυση (resolution) ή διακριτική ικανότητα συστήματος: Η μικρότερη μεταβολή της εισόδου, που μπορεί να γίνει αντιληπτή από το σύστημα, ώστε αυτή να το διεγείρει σε επεξεργασία. Είναι, δηλαδή, η ελάχιστη ποσό -τητα, με την οποία μία παράμετρος μπορεί να μετρηθεί.
-  Περιοχή μέτρησης (range): Είναι η περιοχή μεταξύ ελάχιστης και μέγιστης τιμής, που μπορεί να λάβει ένα μέγεθος.
- Δυναμική περιοχή: Είναι ο λόγος της μέγιστης προς την ελάχιστη τιμή του σήματος εισόδου, που μπορεί να διεγείρει το σύστημα και να υποστεί επεξεργασία με την καθορισμένη ακρίβεια.
-  Οι τύποι μετρήσεων βασίζονται στη διαφορά, διάταξη και κατάταξη των μεγεθών. Ως ενιαίο σύστημα μονάδων χρησιμοποιείται, κυρίως, το Διεθνές Σύστημα Μονάδων (S.I.), ενώ τα διάφορα μεγέθη διακρίνονται σε θεμελιώδη και παράγωγα.
-  Τα συστήματα μετρήσεων διακρίνονται σε συγκεντρωτικά και αποκεντρωμένα συστήματα.
-  Ένα τυπικό σύστημα μετρήσεων αποτελείται από το αισθητήριο (μετατροπέας), τη βαθμίδα μετατροπής, τη βαθμίδα επεξεργασίας και τη βαθμίδα παρουσίασης μέτρησης, χωρίς να υπάρχει απόλυτος διαχωρισμός μεταξύ τους.
-  Το σφάλμα, η ακρίβεια, η διακριτική ικανότητα, η περιοχή μέτρησης και η δυναμική περιοχή αποτελούν μερικά από τα χαρακτηριστικά των συστημάτων μετρήσεων.

Ανακεφαλαίωση

 Ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής Αξιολόγηση
- 1. Η στοίχιση των μαθητών είναι μέτρηση που βασίζεται:
- α) στη διαφορά των μεγεθών
- β) στη διάταξη των μεγεθών
- γ) στην κατάταξη των μεγεθών
- δ) στη διαφορά και κατάταξη των μεγεθών
- 2. Ένα αποκεντρωμένο σύστημα μέτρησης περιλαμβάνει:
- α) ένα ADC και ένα DAC για όλα τα κανάλια
- β) πολλούς ADC και DAC (ένα για κάθε κανάλι)
- γ) ADC και DAC, που οδηγούνται σε ομοαξονικό καλώδιο
- δ) ένα ADC στην είσοδο και πολλούς DAC στην έξοδο
- 3. Ανάλυση ή διακριτική ικανότητα συστήματος ονομάζεται:
- α) η περιοχή μεταξύ ελάχιστης και μέγιστης τιμής, που μπορεί να λάβει ένα μέγεθος
- β) η μικρότερη μεταβολή εισόδου, που μπορεί να γίνει αντιληπτή από το σύστημα
- γ) ο λόγος της μέγιστης προς την ελάχιστη τιμή του σήματος εισόδου
- δ) η μέγιστη διακύμανση ενός μεγέθους

 Ερωτήσεις του τύπου Σωστό/Λάθος
- 1. Η ίντσα είναι μονάδα μέτρησης, που ανήκει στο S.I.
- 2. Η μετρούμενη τιμή, που παίρνει ο παρατηρητής από ένα σύστημα μέτρη -σης, είναι ίδια με την πραγματική τιμή της μεταβλητής.
- 3. Ένα τυπικό σύστημα μέτρησης αποτελείται από τέσσερις βαθμίδες, χωρίς αυτός ο διαχωρισμός να είναι απόλυτος.
- 4. Το μικρόφωνο είναι ηλεκτρακουστικός μετατροπέας, που μετατρέπει ηλε -κτρικό σήμα σε ηχητικό.
- 5. Το τηλεμετρικό σύστημα χρησιμοποιείται, όταν η βαθμίδα επεξεργασίας βρίσκεται κοντά στη βαθμίδα μέτρησης.

 Ερωτήσεις συμπλήρωσης κενού
- 1.
- 1.
Το μικρόφωνο είναι  , που μετατρέπει  σήμα
σε , ενώ το μεγάφωνο είναι   που μετατρέ
πει  σήμα σε  .
Όταν η βαθμίδα  βρίσκεται σε μεγάλη απόσταση από τη βαθμίδα
 , όπως π.χ. γίνεται στις  μετρήσεις, τότε γίνεται χρήση
 , όπως π.χ. γίνεται στις  μετρήσεις, τότε γίνεται χρήση
των   .

 Ερωτήσεις αντιστοίχισης
- 1. Να αντιστοιχίσετε τα στοιχεία της πρώτης στήλης με αυτά της δεύτερης στή -λης:
χρόνος
Pa (Πασκάλ)
ταχύτητα
παράγωγο μέγεθος
πίεση
W (Βατ)
ηλεκτρικό φορτίο
θεμελιώδες μέγεθος
ισχύς
C (Κουλόμπ)

 Ερωτήσεις ανοικτού τύπου
- 1. Περιγράψτε τους κλασικούς τύπους μετρήσεων. Τι είναι το S.I.;
- 2. Περιγράψτε και αναλύστε τις βαθμίδες, από τις οποίες αποτελείται ένα τυπικό σύστημα μέτρησης.
- 3. Τι είναι και πότε χρησιμοποιείται ένα τηλεμετρικό σύστημα;
- 4. Περιγράψτε και αναλύστε τους τύπους συστημάτων μετρήσεων.
- 5. Ποια είναι τα βασικά χαρακτηριστικά των συστημάτων μετρήσεων;
-  Εισαγωγή
-  Χαρακτηριστικά Αισθητηρίων
- Ταξινόμηση Αισθητηρίων
- Αισθητήρια Θερμοκρασίας
- Αισθητήρια Κίνησης, Δόνησης και Δύναμης
-  Αισθητήρια Πίεσης, Ροής και Στάθμης
-  Αισθητήρια Φωτός
- Διατάξεις Πυρηνικής και Χημείας

Σκοπός
Όταν ολοκληρώσεις το κεφάλαιο αυτό, θα μπορείς:
-  Να εξηγείς την έννοια του μετατροπέα και την ολοκλήρωσή του σε αισθητήριο.
-  Να κατονομάζεις και να περιγράφεις τα διάφορα χαρακτηριστικά των αισθητη -ρίων.
- Να αναφέρεις διάφορους τρόπους ταξινόμησης των αισθητηρίων.
-  Να κατονομάζεις διάφορα αισθητήρια θερμοκρασίας, πίεσης, ροής, στάθμης, κίνησης, δόνησης, δύναμης, φωτός, πυρηνικής και χημείας και να περιγράφεις την αρχή λειτουργίας τους καθώς και να αναφέρεις τις χρήσεις τους.
-  Να αναλύεις και να περιγράφεις διάφορες διατάξεις με αισθητήρια.

Κατά το σχεδιασμό μιας εφαρμογής μετρήσεων επιλέγονται τα διάφορα εξαρ -τήματα και ηλεκτρονικά κυκλώματα, με βάση τα οποία θα υλοποιηθεί το σύστη -μα μέτρησης. Ο σημαντικότερος, όμως, παράγοντας, στον οποίο στηρίζεται η όλη εφαρμογή, είναι το αισθητήριο. Αυτό γίνεται, επειδή στην αγορά διατίθενται συγκεκριμένοι τύποι αισθητηρίων, σχήμα 2.1.1, με συγκεκριμένα ηλεκτρικά χα -ρακτηριστικά ενώ όλα τα άλλα δομικά στοιχεία ενός συστήματος βρίσκονται σε μεγάλη ποικιλία και αφθονία. Προσαρμόζεται, λοιπόν, όλο το σύστημα, πάνω στα χαρακτηριστικά του αισθητηρίου. Στο κεφάλαιο αυτό εξετάζονται οι βασικό -τερες κατηγορίες αισθητηρίων.

Σχήμα 2.1.1. Διάφορα αισθητήρια της Watlow Gordon

2.1

Εισαγωγή

Ταξινόμηση

2.2 Αισθητηρίων
Τα αισθητήρια θα μπορούσαν να ταξινομηθούν ανάλογα με τη λειτουργία, που επιτελούν (π.χ. μέτρηση πίεσης ή θερμοκρασίας), τη φυσική αρχή, στην οποία στηρίζεται η λειτουργία τους (π.χ. πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο), ή τη μορφή ενέρ -γειας, που μεταφέρει το σήμα (π.χ. μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας, θερμικής ενέργειας, κ.ά.). Ο πίνακας 2.2.1 δείχνει τις διάφορες μορφές ενέργειας, που χρησιμοποιούνται, συνήθως, για τη ταξινόμηση των αισθητηρίων καθώς και μερικά τυπικά μεγέθη, που μετράμε με τη βοήθειά τους.

Πίνακας 2.2.1. Ταξινόμηση αισθητηρίων ανάλογα με τον τύπο σήματος

| Τύπος σήματος   | Μέγεθος προς μέτρηση                                                           |
|-----------------|--------------------------------------------------------------------------------|
| Θερμικό         | θερμοκρασία, θερμότητα, ροή θερμότητας, εντροπία κ.ά.                          |
| Ακτινοβολία     | ακτίνες γ, ακτίνες X, υπεριώδη, ορατή, υπέρυθρη, μικροκύματα, ραδιοκύματα κ.α. |
| Μηχανικό        | μετατόπιση, ταχύτητα, επιτάχυνση, δύναμη, στρέψη, πίεση, μάζα, ροή κ.α.        |
| Μαγνητικό       | μαγνητικό πεδίο, μαγνητική ροπή, μαγνήτιση, μαγνητική διαπερατότητα κ.α.       |
| Χημικό          | υγρασία, ΡΗ, συγκέντρωση αερίων, ατμοί, τοξικά και εύφλεκτα υλικά κ.α.         |
| Βιολογικό       | πρωτεΐνες, ορμόνες κ.α.                                                        |

Το βιολογικό σύστημα μέτρησης του ανθρώπου έχει πέντε βασικές αισθήσεις: όραση, ακοή, αφή, οσμή και γεύση. Αυτές μπορούν να περιγραφούν ανάλογα με τον τύπο του σήματος, με το οποίο μεταφέρεται η ενέργεια, το μέγεθος, που μετρούν, ή το όργανο αισθήσεως. Αυτές οι ταξινομήσεις δείχνονται όλες μαζί στον πίνακα 2.2.2, καθώς και κάποιες ηλεκτρονικές συσκευές, που είναι ισοδύ -ναμες με τα βιολογικά όργανα.
Πίνακας 2.2.2. Ταξινόμηση ανθρώπινων αισθήσεων

| Ανθρώπινη  αίσθηση   | Σήμα        | Μετρούμενο μέγεθος              | Βιολογικό  αισθητήριο     | Ισοδύναμο  αισθητήριο   |
|----------------------|-------------|---------------------------------|---------------------------|-------------------------|
| όραση                | Ακτινοβολία | ένταση και μήκος  κύματος φωτός | αμφιβληστροειδής  χιτώνας | φωτογραφικό φιλμ        |
| ακοή                 | Μηχανικό    | ένταση και συχνότητα  ήχου      | κοχλίας αυτιού            | μικρόφωνο               |
| αφή                  | Μηχανικό    | πίεση, δύναμη                   | νεύρα                     | ποτενσιόμετρα           |
| οσμή                 | Χημικό      | ευωδιά                          | οσφραντικά κύτταρα μύτης  | ηλεκτρονική μύτη        |
| γεύση                | Βιολογικό   | πρωτεΐνες                       | γλώσσα                    |                         |

Ένα αισθητήριο, στην πιο απλή του μορφή, μπορεί να θεωρηθεί ως σύστημα με είσοδο x(t) και έξοδο y(t). Το σχήμα 2.3.1 δείχνει την αναπαράσταση συστήμα -τος α) αυτοδιεγειρόμενου (self-exciting) αισθητηρίου και β) διαμορφούμενου (modulating) αισθητηρίου. Στο αυτοδιεγειρόμενο αισθητήριο, η έξοδος είναι συ -νάρτηση αποκλειστικά της εισόδου (π.χ. θερμοζεύγος ή πιεζοηλεκτρικός κρύ -σταλλος). Στο διαμορφούμενο αισθητήριο υπάρχει και εξωτερικό σήμα xd(t) (π.χ. σταθερό ρεύμα οδήγησης ή τάση αναφοράς).
Σχήμα 2.3.1. (α) Αυτοδιεγειρόμενο αισθητήριο και (β) διαμορφούμενο αισθητήριο

Σε ιδανικό αισθητήριο το σήμα εξόδου πρέπει να είναι εντελώς ανάλογο με το σήμα εισόδου. Η χαρακτηριστική εξόδου-εισόδου ενός ιδανικού αισθητηρίου (αυτοδιεγειρόμενου ή διαμορφούμενου) δείχνεται στο σχήμα 2.3.2.
Σχήμα 2.3.2. Ιδανική χαρακτηριστική εξόδου-εισόδου αυτοδιεγειρόμενου (πορτοκαλί) και διαμορφούμενου (πράσινο) αισθητηρίου
Για ιδανικό αισθητήριο ισχύει: y(t) = S  x(t) (2.3.1)
όπου S η κλίση της χαρακτηριστικής εξόδου-εισόδου. Έχει σταθερή τιμή για γραμμικό αισθητήριο και συχνά αναφέρεται ως ευαισθησία. Στην πράξη, βέβαια, κανένα αισθητήριο δεν μπορεί να ανταποκριθεί ακαριαία σε κάποια αλλαγή του σήματος εισόδου, αλλά χρειάζεται κάποιο χρονικό διάστημα. Πα -ρακάτω ορίζουμε μερικές πολύ σημαντικές παραμέτρους ενός ιδανικού αι -σθητηρίου.

2.3

Χαρακτηριστικά Αισθητηρίων
-  Απόκριση (response) Δy αισθητηρίου είναι η μεταβολή του σήματος εξό -δου.
-  Ευαισθησία (sensitivity) S αισθητηρίου είναι ο λόγος της μεταβολής της απόλυτης τιμής εξόδου προς τη μεταβολή της απόλυτης τιμής εισόδου:
S= dy dx (2.3.2)
-  Χρόνος ανόδου και καθόδου (rise and fall time) τ ή χρόνος απόκρισης αισθητηρίου είναι ο χρόνος, που χρειάζεται το σήμα στην έξοδο του αισθη -τηρίου, για να φτάσει το 90% της τελικής του τιμής. Είναι επιθυμητό να είναι λιγότερο από μερικά δευτερόλεπτα, για να έχει πρακτική αξία.
- Περιοχή μετρήσεων (range) αισθητηρίου είναι η περιοχή όλων των δυνα -τών μετρήσεων, που μπορεί να κάνει (από το μηδέν ως το άπειρο). Στην πράξη, βέβαια, η περιοχή λειτουργίας (working range) ενός αισθητηρίου είναι περιορισμένη.
- Ο πίνακας 2.3.1 δείχνει τα επιθυμητά χαρακτηριστικά αισθητηρίου και δίνει τις ιδανικές τιμές τους.

Π. 2.3.1. Επιθυμητά χαρακτηριστικά αισθητηρίου

| Χαρακτηριστικά       | Ιδανική τιμή                                  |
|----------------------|-----------------------------------------------|
| Απόκριση Δy          | απολύτως γραμμική και χωρίς θόρυβο            |
| Χρόνος απόκρισης τ   | μηδέν                                         |
| Εύρος συχνοτήτων     | άπειρο                                        |
| Περιοχή εργασίας     | άπειρη                                        |
| Ευαισθησία S         | υψηλή και σταθερή σε όλη την περιοχή εργασίας |
| Ανάλυση (resolution) | άπειρη                                        |

Όταν θεωρούμε ιδανικά πραγματικά αισθητήρια και όχι ιδανικά βρίσκουμε ότι υπάρχουν ορισμένα κοινά αλλά ανεπιθύμητα χαρακτηριστικά, που πρέπει να λάβουμε υπόψη. Αυτά δείχνονται στον πίνακα 2.3.2.
Πίνακας 2.3.2. Ανεπιθύμητα χαρακτηριστικά αισθητηρίου

| Χαρακτηριστικά         | Εξήγηση                                            |
|------------------------|----------------------------------------------------|
| Μη γραμμικότητα        | απόκριση μη ανάλογη του σήματος εισόδου            |
| Αργή απόκριση          | μεγάλη τιμή του χρόνου απόκρισης                   |
| Μικρή περιοχή εργασίας | περιορισμένη περιοχή λειτουργίας                   |
| Χαμηλή ευαισθησία      | ανταπόκριση μόνο σε μεγάλα σήματα εισόδου          |
| Μετατόπιση ευαισθησίας | η έξοδος διαφέρει με το χρόνο, π.χ. λόγω αλλαγής   |
| Γήρανση                | θερμοκρασίας η έξοδος αλλάζει με το χρόνο          |
| Παρεμβολή              | επίδραση από εξωτερικές συνθήκες, π.χ. ακτινοβολία |
| Θόρυβος                | η έξοδος περιέχει ανεπιθύμητο τυχαίο σήμα          |

Η μέτρηση της θερμοκρασίας στηρίζεται, κυρίως, στην αποκατάσταση θερμι -κής ισορροπίας ανάμεσα στο θερμομετρούμενο σώμα και το αισθητήριο. Ως αισθητήρια θερμοκρασίας σε συστήματα συλλογής δεδομένων χρησιμοποιού -νται, κυρίως, τα θερμοηλεκτρικά ζεύγη, τα θερμίστορ, οι θερμικές αντιστάσεις (RTD), τα διμεταλλικά ελάσματα καθώς και τα οπτικά πυρόμετρα. Μερικά από αυτά δείχνονται στο σχήμα 2.4.1.
Σχήμα 2.4.1. (α) Διάφορα αισθητήρια θερμοκρασίας και (β) αισθητήρια θερμοκρασίας της Watlow Gordon
Τα αισθητήρια θερμοκρασίας βρίσκουν εφαρμογή στην προστασία των κι -νητήρων από υπερφόρτωση, στην προστασία ημιαγωγών και ηλεκτρονικών κυκλωμάτων, στην αντιστάθμιση θερμοκρασίας, στη ρύθμιση θερμοκρασίας, στον έλεγχο θερμοκρασίας αέρα και λαδιού στα αυτοκίνητα, κ.α. Παρακάτω θα γνωρίσουμε ορισμένα τυπικά αισθητήρια θερμοκρασίας.

α) Τα θερμοηλεκτρικά ζεύγη (thermocouples)
Τα θερμοηλεκτρικά ζεύγη ή θερμοζεύγη αποτελούνται από δύο σύρματα διαφορετικών μετάλλων (πχ. χαλκός και κωνσταντάνη), που ενώνονται σε ένα σημείο. Αν η επαφή αυτή βρίσκεται στο χώρο της μετρούμενης θερμοκρασίας και τα άλλα δύο ελεύθερα άκρα σε γνωστή θερμοκρασία, τότε η διαφορά θερμοκρασίας δημιουργεί θερμοηλεκτρική τάση, που είναι περίπου ανάλογη της διαφοράς θερμοκρασίας, και ονομάζεται δυναμικό επαφής . Έτσι, η θερμοηλεκτρική τάση στα άκρα του στοιχείου θα δίνεται από την εξίσωση:

(2.4.1)
όπου α$\_{1}$, α$\_{2}$, α$\_{3}$, ... είναι σταθερές, Τ$\_{1}$ η μετρούμενη θερμοκρασία και Τ$\_{2}$ η γνω -στή θερμοκρασία.
Το σχήμα 2.4.2 δείχνει το κύκλωμα θερμοζεύγους, καθώς και το πώς είναι κα -τασκευασμένο θερμοζεύγος με μεταλλική μόνωση. Η μόνωση γίνεται με υλικό, που είναι καλός αγωγός της θερμότητας και κακός αγωγός του ηλεκτρισμού.
Αισθητήρια Θερμοκρασίας
Σχήμα 2.4.2. (α) Κύκλωμα θερμοζεύγους και (β) θερμοζεύγος με μεταλλική μόνωση
Τα θερμοζεύγη βρίσκουν εφαρμογή σε φαινόμενα τήξης, στην επεξεργασία ημιαγωγών, στη διαχείριση θερμότητας, στα ιατρικά όργανα, στους φούρνους, στη μέτρηση καυσαερίων, κ.α. Στο σχήμα 2.4.3 βλέπουμε ορισμένα θερμοζεύ -γη του εμπορίου.

Σχήμα 2.4.3. Θερμοζεύγη της Watlow Gordon
Η σωστή εγκατάσταση των θερμοζευγών αποτελεί πολύ σημαντικό πρόβλημα και μπορούμε να το διαπιστώσουμε με τη βοήθεια του σχήματος 2.4.4. Επι -θυμούμε να μετρήσουμε τη θερμοκρασία ατμού υπό υψηλή πίεση μέσα σε σωλήνα. Η εγκατάσταση (α), με το θερμοζεύγος και το μετρητή δίπλα στο σω -λήνα, είναι εντελώς άχρηστη γιατί η θερμοκρασία Τ$\_{2}$ μπορεί να μεταβάλλεται από τιμές κάτω από το μηδέν (σε κρύο καιρό) μέχρι +50°C, αν υπάρχει διαρ -ροή ατμού. Η εγκατάσταση (β), με το μετρητή στο χώρο ελέγχου, εξακολουθεί
να μην είναι η σωστή, αφού το θερμοζεύγος είναι πάλι δίπλα στο σωλήνα. Η εγκατάσταση (γ), με το θερμοζεύγος και το μετρητή μέσα στο χώρο ελέγχου, είναι πιο σωστή, γιατί η θερμοκρασία Τ$\_{2}$ μπορεί να μεταβάλλεται το πολύ 10°C.

Σχ. 2.4.4. Εγκαταστάσεις θερμοζευγών
Ο πίνακας 2.4.1 παρουσιάζει το χρωματικό κώδικα των θερμοζευγών, σύμφω -να με τον κώδικα ANSI (American National Standard Institute) και τις προδιαγραφές British BS1843 και International IEC 584-3 (από την Precision Engi -neering Ltd).
Πίνακας 2.4.1. Χρωματικός κώδικας θερμοζευγών

| ANSI CODE   | Θετικός Ακροδέκτης   | Αρνητικός Ακροδέκτης   | British BS1843   | International IEC 584-3   |
|-------------|----------------------|------------------------|------------------|---------------------------|
| Ε           | Νικέλιο-χρώμιο       | Κωνσταντάνη            |                  |                           |
| J           | Σίδηρος              | Κωνσταντάνη            |                  |                           |
| Κ           | Νικέλιο-χρώμιο       | Νικέλιο-αλουμίνιο      |                  |                           |
| Ν           | Nicrosil             | Nisiil                 |                  |                           |
| Τ           | Χαλκός               | Χαλκός-νικέλιο         |                  |                           |

- β) Οι θερμοηλεκτρικές αντιστάσεις (RTDs: resistance-thermometer-devices) Η θερμοηλεκτρική αντίσταση ή RTD είναι ηλεκτρικό θερμόμετρο, το οποίο χρησιμοποιεί τη μεταβολή της αντίστασης αγωγού συναρτήσει της θερμο -κρασίας για να μετρήσει τη θερμοκρασία του εκάστοτε περιβάλλοντος. Οι RTDs παρέχουν μεγαλύτερη ανάλυση από τα θερμοηλεκτρικά ζεύγη, που ορίζεται κατά προσέγγιση στον 1°C. Αποτελούνται από μικρό σωληνοειδές με σύρμα (συνήθως από πλατίνα και άλλα μέταλλα που χρησιμοποιούνται σε χαμηλές θερμοκρασίες), το οποίο περιβάλλεται από πορσελάνη, όπως φαίνεται στο σχήμα 2.4.5.

Η αλλαγή της τιμής της αντίστασης με την αλλαγή της θερμοκρασίας πιστο -ποιείται τοποθετώντας το σωληνοειδές σε κλάδο γέφυρας Wheatstone. Οι RTDs έχουν κλίμακα μέτρησης από -200°C έως 1200°C. Όπως αναφέρθη -κε παραπάνω, οι RTDs χρησιμοποιούνται κατά περίπτωση σε συνδυασμό με γέφυρα, πράγμα που σημαίνει, ότι απαιτούν διέγερση, για να λειτουργή -σουν.
- Οι θερμοηλεκτρικές αντιστάσεις μεταβάλλονται συναρτήσει της απόλυτης θερμοκρασίας, σε αντίθεση με τα θερμοζεύγη, που μπορούν να μετρήσουν μόνο σχετικές θερμοκρασίες (διαφορές θερμοκρασίας). Οι RTDs χρησι -μοποιούνται στα ιατρικά όργανα, στην παραγωγή υφασμάτων, στην επε -ξεργασία πλαστικών, στην επεξεργασία πετροχημικών, στην κατασκευή ημιαγωγών, κ.α. Στο σχήμα 2.4.6 δείχνονται διάφορες θερμοηλεκτρικές αντιστάσεις.

Σχήμα 2.4.5. Θερμοηλεκτρική αντίσταση με σωληνοειδές από μίκα
Σχήμα 2.4.6. RTDs της (α) Wako Electronics Inc. και (β) Watlow Gordon

γ) Τα θερμίστορ (thermistor)
Παραλλαγή της θερμοηλεκτρικής αντίστασης είναι τα θερμίστορ. Οι πα -θητικές αυτές αντιστάσεις, ανάλογα με το είδος της μεταβολής της αντί -στασης σε σχέση με τη θερμοκρασία, δηλαδή αύξηση ή μείωση, ορίζονται ως PTC (positive temperature coefficients) ή NTC (negative temperature coefficients) αντίστοιχα. Σε σχέση με τις αντιστάσεις μεταλλικού φιλμ, που έχουν πιο εκτεταμένη και γραμμική κλίμακα μέτρησης, τα θερμίστορ είναι δέκα φορές πιο ευαίσθητα. Στο σχήμα 2.4.7 βλέπουμε δύο σύμβολα, που χρησιμοποιούμε, για να παραστήσουμε τα θερμίστορ, ενώ στο σχήμα 2.4.8 δείχνεται η εξάρτηση της αντίστασης από τη θερμοκρασία τόσο για NTC όσο και για PTC. Στα σχήματα 2.4.9 και 2.4.10 βλέπουμε διάφορους τύ -πους NTC και PTC θερμίστορ.

Σχήμα 2.4.7. Σύμβολα των θερμίστορ
Σχήμα 2.4.8. Εξάρτηση της αντίστασης από τη θερμοκρασία για NTC και PTC
Σχήμα 2.4.9. NTC θερμίστορ της Therm-O-Disc
Σχήμα 2.4.10. PTC θερμίστορ της Therm-O-Disc
Η έντονη μεταβολή της αντίστασης με την αλλαγή της θερμοκρασίας επιτρέπει τη συνεργασία των θερμίστορ με διατάξεις τελεστικών ενισχυτών. Μια βασική συνδεσμολογία θερμίστορ με τελεστικό ενισχυτή δείχνεται στο σχήμα 2.4.11. Σε αυτό το κύκλωμα, η μεταβολή της αντίστασης με τη θερμοκρασία επηρεάζει την έξοδο σύμφωνα με τη σχέση:

V$\_{o}$ = R R + R$\_{T}$  V$\_{cc}$ (2.4.2)
Σχήμα 2.4.11. Βασικό κύκλωμα για θερμίστορ

δ) Τα διμεταλλικά ελάσματα
Τα διμεταλλικά ελάσματα, όταν θερμαίνονται, παραμορφώνονται, καθώς τα μέταλλα, που τα απαρτίζουν, έχουν διαφορετικούς συντελεστές γραμμι -κής διαστολής. Η παραμόρφωση είναι δυνατόν να παρασύρει μια βελόνη πάνω σε βαθμονομημένη κλίμακα, ώστε να προκύψουν άμεσες ενδείξεις μέτρησης, να ανοιγοκλείσει επαφές (ενεργοποίηση σειρήνας) ή να διεγεί -ρει αισθητήριο θέσης. Μερικά διμεταλλικά ελάσματα δείχνονται στο σχήμα 2.4.12.
Σχήμα 2.4.12. Διμεταλλικά ελάσματα της Therm-Ο-Disc

ε) Τα οπτικά πυρόμετρα (optical pyrometer)
Τα οπτικά πυρόμετρα χρησιμοποιούνται για μετρήσεις θερμοκρασίας, όταν η φυσική επαφή του αισθητηρίου με την όλη διαδικασία είναι αδύνατη, αλλά είναι εφικτή η οπτική επαφή. Το πυρόμετρο εκπέμπει ενέργεια προς την πηγή, που θέλουμε να ελέγξουμε, ένα μέρος της οποίας ανακλάται από την πηγή αυτή και επιστρέφει στο πυρόμετρο. Η ανάκλαση αυτή εξαρτάται από τη θερμοκρασία της πηγής. Η σύγκριση της ενέργειας, που επιστρέφει στο πυρόμετρο, με την ενέργεια μιας πρότυπης βαθμονομημένης πηγής, δίνει ως αποτέλεσμα ρεύμα, που ανταποκρίνεται στη μεταβολή της θερμοκρα -σίας. Τα αυτόματα πυρόμετρα χρησιμοποιούν σερβομηχανισμό με κλειστό βρόχο ελέγχου, για να πετύχουν τη σύγκριση, όπως φαίνεται στο σχήμα 2.4.13. Τα πυρόμετρα μπορούν να λειτουργούν μέχρι τους 5000°C.

Σχήμα 2.4.13. Αυτόματο πυρόμετρο με σερβομηχανισμό για τον έλεγχο της παραγωγής
Υπάρχουν διάφοροι ορισμοί πίεσης, ανάλογα με τη φύση του σώματος, που εξετάζουμε (στερεό, υγρό, αέριο) καθώς και διάφοροι τρόποι μέτρησης αυτής. Ως πίεση ρευστού ορίζεται η δύναμη ανά μονάδα επιφάνειας, που ασκείται από υγρό ή αέριο στα τοιχώματα του δοχείου, που το περιέχει:
P= F A (2.5.1)
Η πίεση εκφράζει το εσωτερικό ενεργειακό περιεχόμενο των υδραυλικών υγρών. Η υδροστατική πίεση αναφέρεται στην εσωτερική πίεση, που ασκείται σε κάθε σημείο ενός υγρού και είναι ανάλογη με το ύψος h του υγρού μέσα στο δοχείο, που βρίσκεται, ανεξάρτητα από το σχήμα του, και ανάλογη με την πυκνότητα ρ του υγρού:

P=ρgh  (2.5.2)
όπου g=9.81 N/kg.
Μερικές από τις μονάδες μέτρησης της πίεσης είναι τα Pascal (1Pa= 1N/m 2 ), η φυσική ατμόσφαιρα Atm (1Atm=76cmHg=760Torr=1.033kp/cm 2 ), η τεχνητή ατμόσφαιρα at (1at= 1kp/cm 2 ), τα psi (pounds per square inch=lb/in 2 =6895Pa), κ.ά. Η άμεση μέτρηση της πίεσης γίνεται με τα γνωστά μανόμετρα και η έμμεση με σωλήνες, διαφράγματα κ.α.
Κάθε πίεση που είναι μικρότερη από την ατμοσφαιρική, θεωρείται ως πίεση κενού ( vacuum ) και αν είναι μηδενική, ονομάζεται πίεση απόλυτου κενού (perfect vacuum). Τα αισθητήρια πίεσης μετρούν πάντοτε πίεση σε σχέση με πίεση αναφοράς. Αν η πίεση αναφοράς είναι η πίεση του απόλυτου κενού, τότε μετράμε απόλυτη πίεση (absolute pressure). Άρα, απόλυτη πίεση ονομάζεται η διαφορά μεταξύ της μετρούμενης πίεσης και της πίεσης του απόλυτου κενού. Οι μονάδες της απόλυτης πίεσης είναι psia (pounds per square inch absolute). Αν η πίεση αναφοράς είναι η ατμοσφαιρική, τότε παίρνουμε τη μετρούμενη πίεση (gage pressure). Άρα, μετρούμενη πίεση ονομάζεται η διαφορά ανάμε -σα στην πίεση, που πραγματικά μετράμε και την ατμοσφαιρική. Οι μονάδες της μετρούμενης πίεσης είναι psig (pounds per square inch gage). Αν η πίεση αναφοράς είναι τυχαία πίεση, τότε μετράμε διαφορική πίεση. Άρα, διαφορική πίεση ονομάζεται η διαφορά μεταξύ της μετρούμενης πίεσης και της δοσμένης πίεσης αναφοράς. Στο σχήμα 2.5.1 φαίνονται οι παραπάνω περιπτώσεις μέ -τρησης πίεσης.

Σε κινούμενο ρευστό μπορούν να μετρηθούν δύο μορφές πίεσης. Έτσι, ορί -ζουμε τη στατική (static) και τη δυναμική (total ή impact) πίεση. Η δυναμική πίεση είναι η πίεση του ρευστού, αν το θεωρήσουμε ισοτροπικό και μετράται δειγματοληπτώντας τη ροή του ρευστού με τη χρήση ενός σωλήνα Pitot, όπως φαίνεται στο σχήμα 2.5.2 (ο μετατροπέας πίεσης β). Εμπειρικά, η στατική πί -εση είναι η πίεση, που αντιλαμβάνεται ένας παρατηρητής, όταν κινείται κατά μήκος της ροής του ρευστού (μετατροπέας πίεσης α).

2.5

Αισθητήρια Πίεσης, Ροής και Στάθμης
Σχήμα 2.5.1. Σχέσεις μεταξύ των διαφόρων ειδών πίεσης
Σχήμα 2.5.2. Μέτρηση στατικής (α) και δυναμικής πίεσης (β)
Ένας τυπικός αισθητήρας πίεσης επαγωγικού χαρακτήρα ανιχνεύει πίε -ση και παρέχει αναλογικό σήμα, ανάλογο με την ασκούμενη δύναμη-πίεση. Ένα τέτοιο όργανο υλοποιείται με διάφραγμα ή πιεζοηλεκτρική αντίσταση (piezoresistor) συνδεδεμένο σε ηλεκτρικό κύκλωμα, όπως δείχνει το σχήμα 2.5.3.
Σχήμα 2.5.3. Κύκλωμα μετρητή πίεσης με διάφραγμα επαγωγικού χαρακτήρα

Η μέτρηση της ροής των ρευστών επιτυγχάνεται είτε με τη βοήθεια διαφορικής πίεσης (διαφορά της στατικής πίεσης από τη δυναμική), είτε με τη βοήθεια μη -χανολογικών αισθητηρίων. Τρία είναι τα βασικά μεγέθη, με τα οποία μετράμε τη ροή:
-  Ο ρυθμός ροής (flow velocity), που ορίζεται σαν τη χρονική μεταβολή της κίνησης του ρευστού και μετριέται σε m/sec και m/min.
- Η ογκομετρική ροή (volume flow rate), που ορίζεται ως ο όγκος του ρευ -στού ανά μονάδα χρόνου και μετριέται m 3 /sec ή lt/sec (λίτρα ανά δευτερό -λεπτο).

-  Η ροή μάζας (mass flow), που ορίζεται σαν τη μάζα ή το βάρος της ύλης, που μεταφέρεται στη μονάδα χρόνου και μετριέται σε kg/sec και kg/min.
Τα σχήματα 2.5.4 και 2.5.5 δείχνουν, πως υπολογίζεται ο ρυθμός ροής και η ογκομετρική ροή ενός ρευστού. Για τον υπολογισμό του ρυθμού ροής μετράμε τη διαφορική πίεση στο σωλήνα, ενώ για την ογκομετρική ροή μας ενδιαφέρει ο όγκος, που μεταβάλλεται.
Σχήμα 2.5.4. Μέτρηση ροής ρευστού
Σχήμα 2.5.5. Μέτρηση ογκομετρικής ροής
Η μέτρηση του ύψους της στάθμης υγρού μέσα σε δοχεία και δεξαμενές επι -τελείται με διάφορες τεχνικές, όπως χρησιμοποιώντας επιπλέουσες συσκευές (φλοτέρ), διαφορική πίεση, συσκευές υπερήχων και εξαρτήματα δημιουργίας φυσαλίδων (bubblers). Η μέτρηση στάθμης γίνεται ή άμεσα με παρακολούθη -ση της στάθμης επιφάνειας ενός υγρού ή έμμεσα με μέτρηση κάποιας μετα -βλητής (π.χ. πίεση), που εξαρτάται από τη στάθμη ή τον όγκο του υγρού.

Τα φλοτέρ (float devices) προσφέρουν απλότητα και πολλαπλούς τρόπους μετατροπής της κίνησης της φούσκας σε μέτρηση στάθμης. Ένας μετατροπέας διαφορικής πίεσης, επίσης, μπορεί να μετρήσει τη στάθμη υγρού, όταν είναι γνωστό το ειδικό βάρος του υγρού και το αντίστοιχο αισθητήριο βρίσκεται στον πυθμένα του δοχείου.
Τα συστήματα υπερήχων χρησιμοποιούνται ιδιαίτερα σε ογκώδεις δεξαμε -νές, αφού δεν απαιτούν άμεση επαφή με το υγρό. Οι συσκευές δημιουργίας φυσαλίδων μετρούν, ουσιαστικά, την υδροστατική πίεση στο σημείο ακριβώς που δημιουργούνται οι φυσαλίδες αέρα, σχήμα 2.5.6. Η βασική ιδέα είναι, ότι κατά τη δημιουργία της φυσαλίδας μέσα στο σωλήνα επιστρέφεται πίεση, η οποία είναι ίση με την υδροστατική πίεση του υγρού στο συγκεκριμένο βάθος.

Σχήμα 2.5.6. Σύστημα δημιουργίας φυσαλίδων
Στο σχήμα 2.5.7 δείχνονται ορισμένα αισθητήρια πίεσης, ρυθμού ροής και στάθμης.
Σχήμα 2.5.7. Αισθητήρια (α) πίεσης της Motorola, (β) ρυθμού ροής και (γ) στάθμης της Fine Automation Co., Ltd.

2.6
Αισθητήρια Κίνησης, Δόνησης και Δύναμης
Σχήμα 2.6.1. LVDT και η χαρακτηριστική του
Η ακριβής αίσθηση της κίνησης, της θέσης, της γωνίας αξόνων και της γραμμι -κής μετατόπισης είναι δυνατή με το γραμμικό μετασχηματιστή μεταβλητής μετατόπισης LVDT (linear variable displacement transformer). Αυτός ο μετα -τροπέας έχει ως κύριο στοιχείο του μετασχηματιστή με απλό πρωτεύον τύλιγ -μα και δύο πανομοιότυπα δευτερεύοντα τυλίγματα γύρω από σιδηρομαγνητικό πυρήνα, σχήμα 2.6.1. Το πρωτεύον τύλιγμα διεγείρεται από εναλλασσόμενη τάση:

V$\_{ext}$ = V$\_{S }$sin 2πf$\_{S}$t
Τα δύο δευτερεύοντα τυλίγματα είναι συνδεδεμένα σε σειρά, έτσι ώστε η τάση εξόδου να προκύπτει από τη διαφορά των τάσεων, που παράγονται στα τυλίγ -ματα του δευτερεύοντος:
V$\_{1}$ - V$\_{2}$ = V$\_{out}$ sin(2πf$\_{S}$t + φ) (2.6.2)
Ανάμεσα στα τυλίγματα τοποθετείται πυρήνας από σιδηρομαγνητικό υλικό του οποίου, η κίνηση αλλάζει την αμοιβαία επαγωγή και η τελική θέση καθορίζει την τάση εξόδου, σχήμα 2.6.1. Με τον πυρήνα απομακρυσμένο από τα τυλίγ -ματα, οι τάσεις στα άκρα τους είναι ίσες, οπότε η τάση εξόδου είναι μηδέν. Όταν ο πυρήνας είναι μέσα στο μετασχηματιστή, οι τάσεις μεταβάλλονται ανάλογα με τη θέση του x, οπότε αλλάζει και η τάση εξόδου καθώς και η φάση της. Η σχέση φ ανάμεσα στην μετατόπιση x, τη φάση φ και την τάση εξόδου δείχνεται στο σχήμα 2.6.1. Η τάση εξόδου μηδενίζεται πάλι, όταν ο πυρήνας βρίσκε -ται ακριβώς στο κέντρο C ανάμεσα στα δύο τυλίγματα, δηλαδή όταν x=L/2. Στο σημείο αυτό, η σύζευξη του πρωτεύοντος με τα δευτερεύοντα είναι τέτοια, ώστε V1=V2. Στα σημεία Α και Β, τα οποία ισαπέχουν από το C, η τάση εξόδου λαμβάνει ακριβώς την ίδια τιμή V o. Ωστόσο στο Α υπάρχει διαφορά φάσης -180° με την τάση του πρωτεύοντος, ενώ στο Β δεν υπάρχει διαφορά φάσης. Στα άκρα D και Ε της χαρακτηριστικής παύει να υπάρχει γραμμικότητα.

Σχήμα 2.6.2. Βασικό κύκλωμα LVDT
Το εναλλασσόμενο σήμα που προκύπτει στην έξοδο του LVDT, μετατρέπεται σε συνεχές με χρήση διόδων, όπως φαίνεται στο σχήμα 2.6.2, ή και με άλλες ανορθωτικές διατάξεις, έχοντας όμως κατά νου, ότι η dc χαρακτηριστική πρέ -πει να κυμαίνεται ανάμεσα στα σημεία Α και Β, δηλαδή, πρέπει να έχει σταθερό πλάτος Vo και μεταβαλλόμενη φάση ως 180°. Στο σημείο αυτό είναι σκόπιμο να
αναφερθεί, ότι το LDVT χρησιμοποιείται κατά κόρο με αποδιαμορφωτή φάσης (phase sensitive demodulator), όπως φαίνεται και στο σχήμα 2.6.1, ο οποίος ανιχνεύει τη διαφορά φάσης και δίνει αρνητική τάση στο σημείο Α και θετική στο σημείο Β.

Ως προς τις τεχνικές δυνατότητες, οι μετατροπείς αυτού του είδους είναι ικα -νοί να καλύψουν περιοχές μετατόπισης αντικειμένων (σιδηροπυρήνων) από ±0.25cm ως ±25cm. Για τυπικό αισθητήρα της κλίμακας ± 2.5cm προτείνεται πλάτος διέγερσης V$\_{s}$=4-6V και f$\_{s}$=5kHz (400Hz minimum, 50kHz maximum). Εκτός από τα LVDT η αίσθηση της κίνησης γίνεται με τα ποτενσιόμετρα και τους κωδικοποιητές (encoders) (Σχ. 2.6.3).
Σχήμα 2.6.3. (α) Σερβο-ποτενσιόμετρο, (β) LVDT και (γ) περιστρεφόμενος κωδικοποιητής

Τα ποτενσιόμετρα χρησιμοποιούν μεταβλητή αντίσταση, για να μετατρέψουν γωνία ή μετατόπιση σε αντίσταση-τάση. Λειτουργούν μετακινώντας έναν δρο -μέα πάνω σε αντίσταση, για να παραχθεί τάση ανάλογη με τη μετατόπιση.
Οι κωδικοποιητές είναι αισθητήρια μηχανικής κίνησης. Μετατρέπουν την κίνη -ση (όπως θέση, ταχύτητα και επιτάχυνση) σε ηλεκτρικά σήματα. Διακρίνονται σε απόλυτους (absolute) και αυξητικούς (incremental) κωδικοποιητές. Οι απόλυτοι κωδικοποιητές έχουν μοναδική τιμή για κάθε μηχανική θέση. Έτσι, δε χάνεται ποτέ η πληροφορία της θέσης και είναι στη στιγμή διαθέσιμη σα ψηφι -ακή λέξη στην παροχή ισχύος. Στους αυξητικούς κωδικοποιητές κάθε μηχανική θέση δεν ορίζεται μοναδικά. Η κάθε θέση ανιχνεύεται αυξητικά από τη θέση, που είχε τελευταία ανιχνευτεί δηλαδή, ξεκινώντας από την τελευταία ανίχνευση και με διαδοχικές αυξήσεις προσπαθούν να προσεγγίσουν τη νέα θέση.

Οι μετρήσεις επιτάχυνσης ή δύναμης (αφού η δύναμη είναι ανάλογη με την επιτάχυνση, σύμφωνα με το θεμελιώδη νόμο της φυσικής) στηρίζονται σε κραδασμικά αισθητήρια. Όλες οι συνηθισμένες μορφές μετατροπέων έχουν εκτοπισθεί από τους πιεζοηλεκτρικούς μετατροπείς. Στο σημείο αυτό, θα αναφερθούμε σύντομα στο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο.
Αν μια δύναμη εφαρμοστεί σε κρύσταλλο, τότε τα άτομα του κρυστάλλου μετα -τοπίζονται ελαφρώς από τις κανονικές τους θέσεις στο πλέγμα. Η μετατόπιση x είναι ανάλογη με την εφαρμοζόμενη δύναμη F στη σταθερή κατάσταση:

x= 1 k F × (2.6.3)
όπου k η σκληρότητα του κρυστάλλου, με μονάδες N/m.
Σε πιεζοηλεκτρικό κρύσταλλο, αυτή η παραμόρφωση του κρυσταλλικού πλέγ -ματος έχει σαν αποτέλεσμα ο κρύσταλλος να αποκτήσει καθαρό φορτίο q ανά -λογο με τη μετατόπιση x:
q = Κ  x (2.6.4)
όπου Κ σταθερά με μονάδες C/m. Τότε, από τις σχέσεις 2.6.3 και 2.6.4 παίρ -νουμε:
q= K k F=dF ×× (2.6.5)
όπου d=K/k (με μονάδες C/N) είναι η ευαισθησία του φορτίου ως προς τη δύ -ναμη.
Έτσι, ο πιεζοηλεκτρικός κρύσταλλος δίνει απευθείας ηλεκτρική έξοδο ανάλογη με την εφαρμοζόμενη δύναμη, χωρίς να απαιτείται δεύτερος αισθητήρας με -τατόπισης. Η σχέση 2.6.5 παρουσιάζει το ορθό πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο (direct piezoelectric effect). Υπάρχει και το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο (inverse piezoelectric effect), όταν τάση V, που εφαρμόζεται σε κρύσταλλο, προκαλεί μηχανική μετατόπιση x:

x = d  V (2.6.6)
Το αντίστροφο φαινόμενο είναι σημαντικό στους υπερηχητικούς πομπούς (ul -trasonic transmitters). Οι διαστάσεις του d στη σχέση 2.6.5 (C/N) είναι ισοδύ -ναμες με τις διαστάσεις, που έχει στη σχέση 2.6.6 (m/V).
Για να μετρηθεί το φορτίο q, μεταλλικά ηλεκτρόδια τοποθετούνται στις απέναντι πλευρές του κρυστάλλου, για να προκύψει πυκνωτής. Τότε η χωρητικότητα του πυκνωτή είναι:
ο (2.6.7)
όπου I το πάχος του κρυστάλλου, S το εμβαδόν των πλακών των ηλεκτροδίων, ε η διηλεκτρική σταθερά του κρυστάλλου και εo η διηλεκτρική σταθερά του κενού.

Τα πιεζοηλεκτρικά στοιχεία χρησιμοποιούνται ευρέως στη μέτρηση επιτάχυν -σης (acceleration) και δόνησης (vibration). Ο πιεζοηλεκτρικός κρύσταλλος χρη -σιμοποιείται σε συνδυασμό με μάζα m. Αν δοθεί επιτάχυνση α στο περίβλημα του επιταχυνσιομέτρου (accelerometer), τότε προκύπτει δύναμη αδράνειας F, που ενεργεί στη μάζα και στον πιεζοηλεκτρικό κρύσταλλο. Έτσι, ο κρύσταλλος αποκτά το φορτίο της σχέσης 2.6.5. Στο σχήμα 2.6.4 δείχνεται επιταχυνσιό -
μετρο συμπίεσης (compression mode accelerometer) και επιταχυνσιόμετρο διάτμησης (shear mode accelerometer).

Σχήμα 2.6.4. Πιεζοηλεκτρικά επιταχυνσιόμετρα (α) συμπίεσης και (β) διάτμησης
Στο επιταχυνσιόμετρο συμπίεσης το πιεζοηλεκτρικό στοιχείο βρίσκεται ανάμε -σα στη μάζα και το περίβλημα. Τα τρία αυτά επίπεδα είναι κατά κάποιο τρόπο βιδωμένα μεταξύ τους και το σύνολο βρίσκεται κλεισμένο κάτω από υψηλή στατική πίεση. Έτσι, η παραμικρή ασκούμενη δύναμη ή επιτάχυνση στην εξω -τερική επιφάνεια προκαλεί ευθέως ανάλογη διέγερση του κρυστάλλου. Στο επιταχυνσιόμετρο διάτμησης το πιεζοηλεκτρικό στοιχείο έχει το σχήμα κόλου -ρου κωνικού σωλήνα και βρίσκεται ανάμεσα σε κεντρικό στύλο, που μικραίνει βαθμιαία και στην εξωτερική μάζα. Στο σχήμα 2.6.5 δείχνονται διάφορα επιτα -χυνσιόμετρα.

Σχήμα 2.6.5. Επιταχυνσιόμετρα
Η τελική λήψη του αρχικού σήματος του κρυστάλλου λαμβάνεται ύστερα από κατάλληλη επεξεργασία. Αυτό σημαίνει, ότι ο κρύσταλλος παράγει πολύ ασθε -
νές ρεύμα εξόδου, οπότε για κάθε εφαρμογή χρησιμοποιούνται πολλοί κρύ -σταλλοι συνοδευόμενοι από ενισχυτή ρεύματος ασθενούς σήματος.
Ενδιαφέρον, επίσης, παρουσιάζει η περίπτωση της μέτρησης αποκλειστικά και μόνο δύναμης με αισθητήρια, που αντιλαμβάνονται δύναμη-τάση στην επιφάνειά τους (strain gage transducers). Η βασική αρχή λειτουργίας είναι, ότι με την αλλαγή του μέτρου της δύναμης, που ασκείται πάνω τους, αλλάζει και η αντίσταση του συνοδευτικού ηλεκτρονικού κυκλώματος (όπως η γέφυρα wheatstone). Στο σχήμα 2.6.6 φαίνεται ένα τέτοιο κλασσικό παράδειγμα, ενώ στο σχήμα 2.6.7 βλέπουμε διάφορους τέτοιους μετατροπείς.

Σχήμα 2.6.6. Κύκλωμα μέτρησης επιφανειακής τάσης
Σχήμα 2.6.7. Strain gage μετατροπείς
Τα συστήματα μέτρησης απόστασης με υπερήχους εφαρμόζονται ευρέως σε βιομηχανικούς και ιατρικούς σκοπούς. Στο σχήμα 2.6.8 φαίνεται ένα τέτοιο σύ -στημα, αποτελούμενο από το μετατροπέα και το απαιτούμενο κύκλωμα επε -ξεργασίας σήματος. Ένας παλμός εκπέμπεται προς το στόχο, ανακλάται σε αυτόν και ανιχνεύεται ο ανακλώμενος παλμός. Ο χρόνος, που χρειάστηκε, για να επιστρέψει ο ανακλώμενος παλμός, μετατρέπεται σε απόσταση ανάλογα με τη διάδοση του ήχου στο συγκεκριμένο μέσο διάδοσης της εφαρμογής.

Τέλος, οι μετατροπείς φαινομένου-Hall ελέγχουν την ένταση μαγνητικού πε -δίου. Η αρχή λειτουργίας τους περιγράφεται στο σχήμα 2.6.9. Όταν μαγνητικό πεδίο Βz εφαρμοστεί κάθετα σε αγώγιμο υλικό, ασκείται δύναμη, που δημιουρ -γεί μεταβολή στη ροή του ρεύματος Ιx που είναι ανάλογη με διαφορά δυναμι -κού.
Σχήμα 2.6.8. Σύστημα μέτρησης απόστασης με υπερήχους
Σχήμα 2.6.9. Αρχή λειτουργίας μετατροπέα φαινομένου-Hall
Οι ανιχνευτές φωτός (photon detectors) είναι ημιαγώγιμες διατάξεις, στις οποίες, όταν προσπίπτει φως, δηλαδή ορατή ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, προκαλείται διέγερση των ηλεκτρονίων του ημιαγωγού, με αποτέλεσμα αυτά να μεταπίπτουν από τη στοιβάδα σθένους στη στοιβάδα αγωγιμότητας, παρά -γοντας έτσι μετρήσιμη ηλεκτρική ροή. Αυτοί οι ανιχνευτές διεγείρονται μόνο, όταν η ενέργεια της προσπίπτουσας ακτινοβολίας έχει μια κατάλληλη τιμή. Οι αισθητήρες φωτός διακρίνονται σε δύο βασικά είδη, ανάλογα με την ατομική τους συμπεριφορά στην ορατή ακτινοβολία.

 Φωτοαγώγιμοι αισθητήρες (photoconductive detectors)
Το ουσιαστικό φαινόμενο, που παρατηρείται εδώ είναι, ότι η παρουσία των διεγερμένων ηλεκτρονίων στη στοιβάδα αγωγιμότητας αυξάνει την ηλεκτρι -κή αγωγιμότητα και την ισχύ Ρ, που καταναλώνεται από το στοιχείο, μειώ -νοντας παράλληλα την αντίστασή του R, σχήμα 2.7.1.
Σχήμα 2.7.1. Γραφική παράσταση αντίστασης-ισχύος για αισθητήρια θειούχου καδμίου

 Φωτοβολταϊκοί αισθητήρες (photovoltaic detectors)
Στην κατηγορία αυτή ανήκουν οι φωτοδίοδοι, που δημιουργούνται από επαφή εξωγενών ημιαγωγών τύπου-Ν και τύπου-Ρ. Στο σχήμα 2.7.2 απει -κονίζονται οι χαρακτηριστικές φωτοδιόδου στο φως και το σκοτάδι. Από την μελέτη τους προκύπτει το συμπέρασμα ότι, η παρουσία του φωτός μετατο -πίζει προς τα κάτω ολόκληρη τη χαρακτηριστική κατά ποσότητα ίση με το φωτορεύμα ip:
Σχήμα 2.7.2. Χαρακτηριστική τάσης-ρεύματος φωτοδιόδου

2.7

Αισθητήρια Φωτός
i$\_{p}$ = K$\_{D}$  P (2.7.2)
όπου K D (με μονάδες A/W) η ευαισθησία και Ρ η συνολική ισχύς, που κα -ταναλώνεται. Αυτός ο τύπος ανιχνευτή βρίσκει εφαρμογή στις υπέρυθρες διόδους.
Εκτός από την ΡΝ δίοδο, μεγάλη διάδοση στα αισθητήρια φωτός γνωρίζει και η δίοδος PIN, που επιπλέον των γνωστών τύπων ημιαγωγών Ρ και Ν, συ -μπληρώνεται από μη εμπλουτισμένο στρώμα I τοποθετημένο ανάμεσα στα δύο προηγούμενα. Όταν, λοιπόν, προσπίπτουν πάνω σε αυτό τα φωτόνια, παράγονται επιπρόσθετα ζεύγη οπών-ηλεκτρονίων στην περιοχή αυτή με αύ -ξηση του φωτορεύματος ανάλογη της πραγματικής διόδου ΡΝ. Μία τυπική PIN δίοδος έχει πολύ μικρό μέγεθος και αυτό την καθιστά ιδανική, για να χρησιμο -ποιηθεί στις οπτικές ίνες. Στο σημείο αυτό, θα πρέπει να σημειωθεί η διαφο -ρά μεταξύ φωτοδιόδου χιονοστιβάδας και PIN διόδου. Η PIN δίοδος για κάθε φωτόνιο, που προσπίπτει στην επιφάνειά της, διεγείρει ένα ηλεκτρόνιο, ενώ η κοινή φωτοδίοδος διεγείρει πολλά περισσότερα.

Τα τελευταία χρόνια έχουν αναπτυχθεί πολλές μέθοδοι για πυρηνικές μετρή -σεις, δηλαδή, μέθοδοι, που ανιχνεύουν την πυρηνική ακτινοβολία βασιζόμενες στα φαινόμενα του ιονισμού, που προκαλούν αυτές οι ακτινοβολίες. Διακρίνου -με δύο κατηγορίες:
-  τους παλμικούς ανιχνευτές φαινομένων ιονισμού και
- τους ανιχνευτές συνεχούς παρακολούθησης φαινομένων , που, ουσια -στικά, παρέχουν τα αποτελέσματα της μέσης ακτινοβολίας.
Ως παράδειγμα της πρώτης κατηγορίας θεωρούνται οι σωλήνες Geiger- Muel -ler, όπου θέλουμε να παρακολουθήσουμε συγκεκριμένο φάσμα ακτινοβολίας, π.χ. ακτίνες X, που μεταβάλλονται με ταχύτατους ρυθμούς. Για τη δεύτερη κα -τηγορία μπορούμε να αναφέρουμε τον υπέρυθρο διασκορπιστικό αναλυτή και τον αναλυτή οξυγόνου. Χρησιμοποιούνται, κυρίως, για on-line παρακολούθη -ση συνεχούς παραγωγικής διαδικασίας σε πραγματικό χρόνο.

Για την ανίχνευση χημικών και αερίων, υπάρχουν πολλοί τύποι αισθητηρίων. Οι πιο σημαντικοί είναι οι παρακάτω:

 Οι αισθητήρες υπέρυθρου (infrared sensors)
-  Οι ηλεκτροχημικοί-καταλυτικοί αισθητήρες (electrochemical-catalytic sensors), σχήμα 2.8.1.
- Αυτοί ανιχνεύουν αέρια όπως, διοξείδιο του άνθρακα, μονοξείδιο του άν -θρακα, μεθάνιο, διοξείδιο του θείου κ.α., ενώ δεν μπορούν να ανιχνεύσουν οξυγόνο, υδρογόνο και χλώριο. Βασικό τους πλεονέκτημα είναι το γεγονός, ότι δεν απαιτείται η παρουσία οξυγόνου. Ωστόσο είναι αρκετά ακριβοί και πολύπλοκοι.
Σχήμα 2.8.1. Καταλυτικοί αισθητήρες
Κάθε αέριο, που μπορεί να οξειδωθεί ή να ελαττωθεί ηλεκτροχημικά, μπορεί να ανιχνευτεί μέσω ηλεκτροχημικού αισθητήρα, που βασίζεται σε στοιχείο μετατροπής καύσιμης ύλης σε ηλεκτρική ενέργεια (fuel cell). Άλλα αέρια μπορούν να ανιχνευτούν με γαλβανικούς ηλεκτροχημικούς αισθητήρες. Οι fuel cell αισθητήρες είναι ηλεκτρικές μπαταρίες, που καταναλώνουν αέ -ριο από το εξωτερικό περιβάλλον και οξυγόνο παρά στερεά ή υγρά υλι -κά από το εσωτερικό τους. Οι αισθητήρες αυτοί, αφού δεν χρησιμοποιούν

2.8

Διατάξεις Πυρηνικής και Χημείας
εσωτερικά υλικά, θα έπρεπε να έχουν άπειρη διάρκεια ζωής. Στην πράξη, όμως, διαρκούν τρία με τέσσερα χρόνια.
Στους γαλβανικούς ηλεκτροχημικούς αισθητήρες χρησιμοποιούνται ηλε -κτρόδια ή ηλεκτρολύτες. Το μέταλλο βαθμιαία καταναλώνεται και, έτσι, πε -ριορίζεται ο χρόνος ζωής τους. Με τον τρόπο αυτό ανιχνεύουμε αμμωνία και υδροκυάνιο.
-  Οι αισθητήρες διόδου laser (diode laser based sensors) Οι αισθητήρες αυτοί ανιχνεύουν αέρια όπως, υδροφθόριο, υδροχλώριο, υδρατμούς, διοξείδιο του άνθρακα, μεθάνιο και αμμωνία. Οι κατηγορίες αισθητηρίων, που γνωρίσαμε σε αυτό το κεφάλαιο, δεν εί -ναι οι μοναδικές αλλά σίγουρα οι σημαντικότερες. Υπάρχουν πολλές ακόμα κατηγορίες όπως, τα αισθητήρια υγρασίας, σχήμα 2.8.2, τα ηχητικά αισθη -τήρια κ.α.
-  Οι αισθητήρες θερμικής αγωγιμότητας (thermal conductivity sensors) Οι ανιχνευτές αυτοί λειτουργούν συγκρίνοντας τη θερμική αγωγιμότητα του δείγματος με αυτή ενός αερίου αναφοράς, που είναι συνήθως ο αέρας. Χρησιμοποιούνται, συνήθως, για μέτρηση υδρογόνου, ηλίου, μεθανίου, νέου, φρέον και διοξειδίου του άνθρακα.

Σχήμα 2.8.2. Αισθητήρια υγρασίας
-  Ένας τρόπος ταξινόμησης των αισθητηρίων είναι ανάλογα με τη μορφή ενέργειας, που μεταφέρει το σήμα.
-  Τυπικά αισθητήρια θερμοκρασίας είναι τα θερμοηλεκτρικά ζεύγη, οι θερμοηλεκτρικές αντιστάσεις (RTDs), τα θερμίστορ, τα διμεταλλικά ελάσματα και τα οπτικά πυρόμετρα. Τα θερμοηλεκτρικά ζεύγη βασίζονται στη μέτρηση του δυναμικού επαφής, που είναι ανάλογο με τη διαφορά θερμοκρασίας. Οι θερμοηλεκτρικές αντιστάσεις βασίζονται στη μεταβολή της αντίστασης συναρτήσει της θερμοκρασίας. Τα θερμίστορ διακρίνονται σε NTC και PTC, ανάλογα με το αν η αντίσταση ελαττώνεται ή αυξάνεται με τη θερμοκρασία. Τα διμεταλλικά ελάσματα βασίζονται στους διαφορετικούς συντελεστές γραμμικής διαστολής των μετάλλων.
-  Τα αισθητήρια διακρίνονται σε αυτοδιεγειρόμενα και διαμορφούμενα. Στα πρώτα η έξοδος είναι συνάρτηση αποκλειστικά της εισόδου, ενώ στα δεύτερα υπάρχει και ένα εξωτερικό σήμα οδήγησης. Στο ιδανικό αισθητήριο, το σήμα εξόδου πρέπει να είναι εντελώς ανάλογο με το σήμα εισόδου. Η απόκριση, η ευαισθησία, ο χρόνος ανόδου και καθόδου και η περιοχή μετρήσεων είναι μερικά από τα χαρακτηριστικά των αισθητηρίων.
-  Τα αισθητήρια πίεσης μετρούν στατική και δυναμική πίεση και διακρίνονται σε αυτά, που χρησιμοποιούν σωλήνα Pitot και σε αισθητήρια πίεσης επαγωγικού χαρακτήρα. Τα αισθητήρια ροής μετρούν ρυθμό ροής, ογκομετρική ροή και ροή μάζας. Η μέτρηση στάθμης γίνεται με φλοτέρ, συστήματα υπερήχων και συσκευές δημιουργίας φυσαλίδων.
-  Τα αισθητήρια φωτός διακρίνονται σε φωτοαγώγιμα και φωτοβολταϊκά.
-  Ο γραμμικός μετασχηματιστής μεταβλητής μετατόπισης LVDT, τα ποτενσιόμετρα και οι κωδικοποιητές είναι τυπικά αισθητήρια κίνησης. Τα αισθητήρια δύναμης και δόνησης βασίζονται στο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο.
- Στις πυρηνικές μετρήσεις χρησιμοποιούνται οι παλμικοί ανιχνευτές ιονισμού και οι ανιχνευτές συνεχούς παρακολούθησης φαινομένων. Οι αισθητήρες υπέρυθρου, οι ηλεκτροχημικοί-καταλυτικοί αισθητήρες, οι αισθητήρες θερμικής αγωγιμότητας και οι αισθητήρες διόδου laser χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση χημικών αερίων.

Ανακεφαλαίωση

 Ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής Αξιολόγηση
- 1. Σε ιδανικό αισθητήριο το σήμα εξόδου πρέπει να είναι:
- α) αντιστρόφως ανάλογο με το σήμα εισόδου
- β) ανάλογο με το σήμα εισόδου
- γ) ανάλογο με το τετράγωνο του σήματος εισόδου
- δ) αντιστρόφως ανάλογο με το τετράγωνο του σήματος εισόδου
- 2. Μια ομάδα τυπικών αισθητηρίων θερμοκρασίας είναι:
- α) τα θερμοηλεκτρικά ζεύγη, τα οπτικά πυρόμετρα και τα επιταχυνσιόμε -τρα
- β) τα θερμίστορ, τα θερμοηλεκτρικά ζεύγη και τα διμεταλλικά ελάσματα
- γ) τα θερμίστορ, τα LVDT και οι ανιχνευτές υπέρυθρου
- δ) οι θερμοηλεκτρικές αντιστάσεις, τα οπτικά πυρόμετρα και ο σωλήνας Pitot
- 3. Η λειτουργία των διμεταλλικών ελασμάτων βασίζεται:
- α) στη μέτρηση του δυναμικού επαφής
- β) στη μέτρηση της ογκομετρικής ροής
- γ) στους διαφορετικούς συντελεστές γραμμικής διαστολής των μετάλλων
- δ) στη μέτρηση της θερμοκρασίας από απόσταση
- 4. Πίεση Vacuum ονομάζεται η πίεση που είναι:
- α) μεγαλύτερη από την ατμοσφαιρική πίεση
- β) ίση με την ατμοσφαιρική πίεση
- γ) ίση με την πίεση απόλυτου κενού
- δ) μικρότερη από την ατμοσφαιρική πίεση

 Ερωτήσεις του τύπου Σωστό/Λάθος
- 1. Αυτοδιεγειρόμενο είναι το αισθητήριο, η έξοδος του οποίου είναι συ -νάρτηση αποκλειστικά της εισόδου.
- 2. Τα θερμοηλεκτρικά ζεύγη βασίζονται στη μεταβολή της αντίστασης συ -ναρτήσει της θερμοκρασίας.
- 3. Στα θερμίστορ NTC η αντίσταση μειώνεται, όταν αυξάνεται η θερμο -κρασία.
- 4. Σύμφωνα με το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, όταν εφαρμόζεται τάση σε κρύσταλλο, προκαλεί μηχανική μετατόπιση.
- 5. Η διαφορά της διόδου PIN από την απλή ΡΝ είναι, ότι η πρώτη, για κάθε φωτόνιο, που προσπίπτει στην επιφάνειά της, διεγείρει πολλά περισσότερα, ενώ η δεύτερη μόνο ένα.

 Ερωτήσεις αντιστοίχισης
- 1. Να αντιστοιχίσετε τα στοιχεία της πρώτης στήλης με αυτά της δεύτερης στήλης:
διμεταλλικό έλασμα
κίνηση
στάθμη
αισθητήριο διόδου laser
θερμοκρασία
φωτοδίοδος
φλοτέρ
χημικό αέριο

 Ερωτήσεις συμπλήρωσης κενού
- 1. Η μέτρηση
  .
 στηρίζεται κυρίως στην αποκατάσταση ανάμεσα στο  σώμα και το
ισορροπίας
- 2. To LVDT έχει ως κύριο στοιχείο του έναν


με απλό

τύλιγμα και δύο πανομοιότυπα  τυλίγματα γύρω από 

πυρήνα.

 Ερωτήσεις ανοικτού τύπου
- 1. Με βάση ποια αρχή ταξινομούνται τα διάφορα αισθητήρια;
- 2. Περιγράψτε τις βασικές παραμέτρους ενός αισθητηρίου.
- 3. Ποια είναι τα αισθητήρια θερμοκρασίας και σε ποιες αρχές βασίζεται η λειτουργία τους;
- 4. Αναλύστε τις έννοιες της πίεσης κενού, της απόλυτης πίεσης, της μετρού -μενης πίεσης και της διαφορικής πίεσης.
- 5. Ποια είναι τα αισθητήρια πίεσης, ροής και στάθμης και σε ποιες αρχές βασίζεται η λειτουργία τους;
- 6. Περιγράψτε αναλυτικά τη λειτουργία ενός LVDT.
- 7. Αναλύστε το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο. Ποια επιταχυνσιόμετρα γνωρίζε -τε;
- 8. Ποια είναι τα αισθητήρια φωτός και σε ποιες αρχές βασίζεται η λειτουργία τους;
- 9. Ποια είναι τα αισθητήρια, που ανιχνεύουν πυρηνική ακτινοβολία;

Τελεστικοί ενισχυτές Ενισχυτές μετρήσεων
-  Εισαγωγή
-  Τελεστικός Ενισχυτής
- Διαφορικός Ενισχυτής
- Χαρακτηριστικά DC και AC Λειτουργίας Τελεστικού Ενισχυτή
-  Ενισχυτές Μετρήσεων
-  Βασικά Κυκλώματα Τελεστικών Ενισχυτών
- Θόρυβος Ενισχυτών

Σκοπός
Όταν ολοκληρώσεις το κεφάλαιο αυτό, θα μπορείς:
-  Να περιγράφεις τη λειτουργία του διαφορικού ενισχυτή, να κατονομάζεις και να περιγράφεις τα βασικά μεγέθη, που τον περιγράφουν.
-  Να κατονομάζεις και να περιγράφεις διάφορα χαρακτηριστικά των τελεστικών ενισχυτών, που χαρακτηρίζουν την απόκρισή τους.
-  Να κατονομάζεις και να περιγράφεις τις βαθμίδες από τις οποίες αποτελείται ο τελεστικός ενισχυτής.
-  Να αναφέρεις και να σχεδιάζεις βασικά κυκλώματα τελεστικών ενισχυτών και να αναφέρεις τη χρησιμότητά τους.
-  Να συγκρίνεις τους διάφορους ενισχυτές μετρήσεων και να μπορείς να κρίνεις, ποιος είναι κατάλληλος για κάθε εφαρμογή.
-  Να εξηγείς τη χρησιμότητα ενός ενισχυτή μετρήσεων και τη διαφορά του από έναν τελεστικό ενισχυτή.
-  Να κατονομάζεις και να περιγράφεις τις βασικές πηγές θορύβου σε έναν ενι -σχυτή.

Στο κεφάλαιο αυτό μελετάμε εκείνη τη κατηγορία ενισχυτών, που χρησιμο -ποιείται, κυρίως, σε διατάξεις μετρήσεων. Οι ενισχυτές αυτοί έχουν ιδιαίτερα υψηλές προδιαγραφές και ονομάζονται ενισχυτές μετρήσεων (instrumentation amplifiers). Είναι απαραίτητο να τονίσουμε, ότι ο ενισχυτής μετρήσεων δεν είναι τελεστικός ενισχυτής. Ο ολοκληρωμένος τελεστικός ενισχυτής έχει χαμηλό κόστος και επαρκεί για απλή ενίσχυση, αλλά όχι για εφαρμογές με αυξημένες απαιτήσεις. Σε αυτές τις περιπτώσεις, θα έπρεπε να προστεθούν ειδικής κατασκευής ηλεκτρονικά στοιχεία στο κύκλωμα του τελεστικού ενισχυτή και θα χρειάζονταν εξειδικευμένοι σχεδιαστές κυκλωμάτων. Αλλά αντί αυτού χρησιμοποιούμε ενισχυτές μετρήσεων. Προτού, όμως, δούμε τι ακριβώς είναι ένας ενισχυτής μετρήσεων, πότε και σε ποιες εφαρμογές προτιμάται έναντι του τελεστικού ενισχυτή, θα περιγράψουμε το διαφορικό ενισχυτή, που απο -τελεί βασική βαθμίδα τόσο των τελεστικών ενισχυτών όσο και των ενισχυτών μετρήσεων. Έπειτα, θα μελετήσουμε τους τελεστικούς ενισχυτές και θα πα -ρουσιάσουμε σύντομα τους παράγοντες, που επηρεάζουν την ιδανική τους λειτουργία, τόσο στο συνεχές όσο και στο εναλλασσόμενο. Τέλος, θα παρουσι -άσουμε ορισμένες κατηγορίες ενισχυτών μετρήσεων, καθώς και την επίδραση του θορύβου σε αυτούς.

3.1 Εισαγωγή
Διαφορικός Ενισχυτής
- Ο διαφορικός ενισχυτής αποτελεί, συνήθως, το πρώτο ηλεκτρονικό κύκλωμα σε σύστημα συλλογής δεδομένων (DAS: data acquisition system), που επε -ξεργάζεται το σήμα αισθητηρίου. Είναι βαθμίδα dc σύζευξης και συνιστά την πρώτη βαθμίδα εισόδου τυπικού ενισχυτή μετρήσεων. Μερικά από τα πλε -ονεκτήματα του διαφορικού ενισχυτή είναι η υψηλή διαφορική ενίσχυση, η απόρριψη σημάτων κοινού τρόπου, η ενίσχυση συνεχούς, η υψηλή αντίσταση εισόδου, η αποφυγή πυκνωτή διαρροής, η δυνατότητα διαφορικής εξόδου, η σταθερότητα του σημείου λειτουργίας και η καταλληλότητά του για ολοκληρω -μένο κύκλωμα.
- Ο ενισχυτής του σχήματος 3.2.1 είναι συμμετρικός διαφορικός ενισχυτής με δύο εισόδους V$\_{1}$ και V$\_{2}$. Ονομάζεται συμμετρικός, γιατί αποτελείται από δύο όμοια τρανσίστορ Q$\_{1}$ και Q$\_{2}$ ( ταιριασμένα, matched), σε σύζευξη κοινού εκ -πομπού και από δύο όμοιες αντιστάσεις συλλέκτη R$\_{c1}$ και R$\_{c2}$ (R$\_{c1}$=R$\_{c2}$). Ονο -μάζεται δε διαφορικός, γιατί έχει δύο εισόδους, των οποίων ενισχύει τη δια -φορά τάσης. Η σταθερή πηγή ρεύματος θεωρείται ως αντίσταση φορτίου του εκπομπού της τάξης των ΜΩ. Αν είναι το μέτρο της ενίσχυσης του διαφορικού ενισχυτή, τότε η τάση εξόδου V$\_{o}$, μεταξύ των συλλεκτών, είναι:

V$\_{ο }$ = Α$\_{v}$(V$\_{1}$ - V$\_{2}$) (3.2.1)
Η τάση εισόδου V$\_{1}$ ονομάζεται μη αναστρέφουσα είσοδος , επειδή βρίσκεται σε φάση με την τάση εξόδου. Η τάση εισόδου V$\_{2}$ ονομάζεται αναστρέφουσα είσοδος , επειδή παρουσιάζει διαφορά φάσης 180° με την τάση εξόδου. Όταν V$\_{1}$>V$\_{2}$ , το σημείο Α του σχήματος 3.2.1 έχει αρνητικό δυναμικό σε σχέση με το σημείο Β. Το αντίστροφο ισχύει, όταν V$\_{2}$ >V$\_{1}$ . Ο διαφορικός ενισχυτής τροφο -δοτείται, συνήθως, με συμμετρικά σήματα, όπως φαίνεται στο σχήμα 3.2.1. Είναι προφανές ότι, όταν στις δύο εισόδους εφαρμόζονται ίσες τάσεις, αυτές αλληλοαναιρούνται λόγω της συμμετρίας του κυκλώματος.

Σχήμα 3.2.1. Συμμετρικός διαφορικός ενισχυτής
Η διαφορική ενίσχυση του διαφορικού ενισχυτή προσδιορίζεται, αν θεωρή -σουμε αντίθετα σήματα στις εισόδους του, V$\_{1}$=-V$\_{2}$. Θεωρώντας ως έξοδο του ενισχυτή την τάση συλλέκτη του τρανσίστορ Q$\_{1}$, V$\_{o1}$, τότε η διαφορική ενίσχυση δίνεται από τη σχέση:
A= V V-V =-hR 2h +R =-hR 2R d o1 1 2 fe c ie s fe c b ( ) (3.2.2)
όπου h$\_{fe}$ η ενίσχυση ρεύματος του τρανσίστορ σε συνδεσμολογία CE, h$\_{ie}$ η αντίσταση εισόδου του τρανσίστορ σε συνδεσμολογία CE, R$\_{s}$ η εσωτερική αντί -σταση της πηγής σήματος και R$\_{b}$=h$\_{ie}$+R$\_{s}$.

Η ενίσχυση κοινού τρόπου του διαφορικού ενισχυτή προσδιορίζεται αν θε -ωρήσουμε ίδια σήματα στις εισόδους του, V$\_{1}$ =V$\_{2}$. Θεωρώντας ως έξοδο του ενισχυτή την τάση συλλέκτη του τρανσίστορ Q$\_{1}$, V$\_{o1}$, τότε η ενίσχυση κοινού τρόπου δίνεται από τη σχέση:
A= V V =-hR R+21+h R -R 2R cm o1 1 fe c b fe E c E ( ) ≈ (3.2.3)
όπου R$\_{e}$ η αντίσταση εκπομπού. Στη σχέση 3.2.3 θεωρήσαμε ότι h$\_{fe}$>>1 και R$\_{b}$<<h$\_{fe}$R$\_{E}$.
Η διαφορική αντίσταση εισόδου του διαφορικού ενισχυτή, όταν λειτουργεί με αντίθετα σήματα (διαφορικός τρόπος λειτουργίας), είναι της τάξης των kΩ, ενώ η αντίσταση εισόδου κοινού τρόπου , όταν λειτουργεί με ίδια σήματα (κοινός τρόπος λειτουργίας), είναι της τάξης των ΜΩ. Ο λόγος απόρριψης κοινού τρόπου (CMRR: common mode rejection ratio) ορίζεται ως το πηλίκο της διαφορικής ενίσχυσης προς την ενίσχυση κοινού τρόπου:

CMRR = A A$^{d}$ cm (3.2.4)
Ένας καλός διαφορικός ενισχυτής δεν επιτρέπει στα σήματα που είναι κοινά και στις δύο εισόδους του, όπως τα σήματα παρεμβολής και ο θόρυβος, να εμφανίζονται στην έξοδό του. Αυτό είναι εφικτό, όταν η ενίσχυση κοινού τρόπου είναι πολύ μικρότερη από τη διαφορική ενίσχυση, οπότε τα κοινά σήματα ουσι -αστικά υποβαθμίζονται και απορρίπτονται. Έτσι, σύμφωνα με τη σχέση 3.2.4, όσο μεγαλύτερη τιμή έχει ο λόγος απόρριψης κοινού τρόπου CMRR, που είναι αδιάστατο μέγεθος, τόσο καλύτερος είναι ο ενισχυτής.

Ο διαφορικός ενισχυτής, εκτός από την απόρριψη του θορύβου και των τυχαί -ων παρεμβολών, προσφέρει και σημαντική dc σταθεροποίηση και ελαχιστο -ποίηση των σφαλμάτων εισόδου. Τα σφάλματα εισόδου διαφορικού ενισχυτή, τα οποία εξαλείφονται με ρυθμίσεις πάνω στα εξαρτήματα του ίδιου του ενι -σχυτή, είναι κυρίως το ρεύμα μετατόπισης εισόδου l$\_{os}$ (input offset current) και η αντισταθμιστική τάση μετατόπισης εισόδου V$\_{io}$ (input offset voltage)
που εμφανίζεται στην έξοδο του ενισχυτή όταν και οι δύο είσοδοι είναι σε δυ -ναμικό μηδέν. Τα μεγέθη αυτά περιγράφονται αναλυτικά στην παράγραφο 3.4. Η ρύθμιση της αντισταθμιστικής τάσης μετατόπισης εισόδου πραγματοποιείται με την εισαγωγή του ποτενσιόμετρου ΡΟΤ στο σχήμα 3.2.1. Τα τρανσίστορ Q$\_{1}$ και Q$\_{2}$ μοιράζονται, τότε, κοινή αντίσταση εκπομπού και το ποτενσιόμετρο δίνει τη δυνατότητα ισοστάθμισης των τάσεων των εκπομπών, ώστε σε κατάσταση ηρεμίας να έχουμε μηδενική τάση εξόδου.

Οι περισσότεροι τελεστικοί ενισχυτές Τ.Ε. (operational amplifier -opamp) έχουν κοινή σχεδίαση, που φαίνεται στο σχήμα 3.3.1. Συγκεκριμένα αποτε -λούνται από βαθμίδα εισόδου, υλοποιούμενη από διαφορικό ενισχυτή, σε διαδοχή με υψηλής ενίσχυσης ενδιάμεση βαθμίδα, που ακολουθείται από βαθμί -δα ισχύος στην έξοδο. Οι τελεστικοί ενισχυτές χαρακτηρίζονται από υψηλή dc ενίσχυση, ζώνη διέλευσης συχνοτήτων από 0Hz έως 1ΜΗz ρυθμιζόμενη κατά περίπτωση με εξωτερικές αντιστάσεις και ομοιόμορφη μείωση (roll-off) της ενί -σχυσης με τη συχνότητα.

Σχήμα 3.3.1. Στοιχειώδης τελεστικός ενισχυτής
Στο σχήμα 3.3.2 φαίνεται το ισοδύναμο κύκλωμα αναστρέφοντος τελεστικού ενισχυτή. Η ενδιάμεση βαθμίδα ενίσχυσης παρέχει ενίσχυση τάσης ανοικτού βρόχου Α$\_{Vo}$ της τάξης του 227250, τιμή, που σχεδόν επιτρέπει την πραγματο -ποίηση του ιδανικού τελεστικού ενισχυτή. Υπενθυμίζεται, ότι ο ιδανικός τελε -στικός ενισχυτής παρουσιάζει άπειρη αντίσταση εισόδου, με αποτέλεσμα να μην εισέρχεται ρεύμα στην είσοδό του, καθώς και μηδενική αντίσταση εξόδου. Επίσης, ο ιδανικός Τ.Ε. παρουσιάζει άπειρη ενίσχυση τάσης ανοικτού βρόχου Α$\_{Vο}$, όταν δέχεται ίδια σήματα στις εισόδους του:

V=V V =0 A= V V 1 2 d Vo o d ⇔ ⇔ →∞ (3.3.1)

3.3

Τελεστικός Ενισχυτής
Σχήμα 3.3.2. Αναστρέφων τελεστικός ενισχυτής
Στην πράξη, η ενίσχυση τάσης δεν μπορεί να επιτευχθεί χωρίς ανάδραση, λόγω της αστάθειας του ανοικτού βρόχου και της μη γραμμικότητας, που παρουσιά -ζεται. Η εισαγωγή της αρνητικής ανάδρασης, στο σχήμα 3.3.2, προκαλεί ανά -μεσα στην αναστρέφουσα και μη αναστρέφουσα είσοδο του Τ.Ε. εικονική γη (virtual ground) στο V$\_{2}$, οπότε παίρνουμε τελικά V$\_{d}$=V$\_{1}$ -V$\_{2}$ =0. Τότε, η ενίσχυση τάσης του αναστρέφοντος τελεστικού ενισχυτή είναι:

$^{V-V}$ R = V-V R V-0 R = 0-V R V V =-R R s 2 1 2 o f s 1 o f o s f 1   (3.3.2)
Στις dc εφαρμογές υπάρχουν ορισμένα χαρακτηριστικά του τελεστικού ενισχυ -τή, που μπορεί να εισάγουν λανθασμένες συνιστώσες στην τάση εξόδου του. Αν η ιδανική τάση εξόδου είναι μεγάλη σε σχέση με τη λανθασμένη συνιστώσα, μπορούμε να αγνοήσουμε την αιτία δημιουργίας της. Αν, όμως, η συνιστώσα αυτή είναι συγκρίσιμη ή και μεγαλύτερη από την ιδανική τάση εξόδου, πρέπει να ελαχιστοποιήσουμε το σφάλμα. Τα χαρακτηριστικά του Τ.Ε., που εισάγουν λανθασμένες συνιστώσες στην dc τάση εξόδου, είναι:

-  Τα ρεύματα πόλωσης εισόδου (input bias currents)
- Το ρεύμα μετατόπισης εισόδου (input offset current)
- Η αντισταθμιστική τάση μετατόπισης εισόδου (input offset voltage)
- Η ολίσθηση (drift)
Στις ac εφαρμογές, οι πυκνωτές σύζευξης ελαχιστοποιούν τα σφάλματα της dc τάσης εξόδου. Έτσι, τα σφάλματα, που εισάγονται από τα παραπάνω χαρακτη -ριστικά, είναι ασήμαντα στις ac εφαρμογές. Υπάρχουν, όμως νέα προβλήματα, όπως:
-  Η απόκριση συχνότητας (frequency response)
- Ο ρυθμός μεταβολής σήματος εξόδου (slew rate)

Η απόκριση συχνότητας περιγράφει τη μεταβολή της ενίσχυσης τάσης με τη συχνότητα με τη βοήθεια διαγράμματος. Οι κατασκευαστές Τ.Ε. δίνουν τέτοια διαγράμματα για την ενίσχυση ανοικτού βρόχου ως προς τη συχνότητα. Ένα επιπλέον σφάλμα, που εισάγει ο ίδιος ο Τ.Ε., είναι το πόσο γρήγορα μπορεί να αλλάξει η τάση εξόδου. Αν το σήμα εισόδου αναγκάζει την έξοδο του Τ.Ε. να αλλάξει τιμή γρηγορότερα από ότι μπορεί, τότε η έξοδος του Τ.Ε. παραμορφώ -νεται. Υπεύθυνη για αυτό το σφάλμα είναι η εσωτερική χωρητικότητα του Τ.Ε. Το σφάλμα αυτό ονομάζεται ρυθμός μεταβολής σήματος εξόδου (slew rate). Όλα τα παραπάνω συνοψίζονται στον πίνακα 3.4.1.

DC εφαρμογή
AC εφαρμογή
Πίνακας 3.4.1. Εισαγωγή σφαλμάτων από τα χαρακτηριστικά του Τ.Ε. ανάλογα με την εφαρμογή και την έξοδο.

| Χαρακτηριστικά τελεστικού ενισχυτή  που εισάγουν σφάλματα   | Μικρή Έξοδος   | Μεγάλη Έξοδος   | Μικρή Έξοδος   | Μεγάλη έξοδος   |
|-------------------------------------------------------------|----------------|-----------------|----------------|-----------------|
| Ρεύμα πόλωσης εισόδου                                       | Ναι            | Πιθανή          | Όχι            | Όχι             |
| Ρεύμα μετατόπισης εισόδου                                   | Ναι            | Πιθανή          | Όχι            | Όχι             |
| Αντισταθμιστική τάση μετατόπισης εισόδου                    | Ναι            | Πιθανή          | Όχι            | Όχι             |
| Ολίσθηση                                                    | Ναι            | Όχι             | Όχι            | Όχι             |
| Απόκριση συχνότητας                                         | Όχι            | Όχι             | Ναι            | Ναι             |
| Ρυθμός μεταβολής σήματος εξόδου                             | Όχι            | Ναι             | Όχι            | Ναι             |

Τα τρανσίστορ στο εσωτερικό του Τ.Ε. είναι πολωμένα σωστά, πριν εφαρμο -στεί οποιοδήποτε σήμα στην είσοδο. Η εφαρμογή του σήματος εισόδου δεν επηρεάζει την πόλωσή τους, αν πρόκειται για ιδανικό Τ.Ε., αφού δεν εισέρχεται

3.4
Χαρακτηριστικά DC και AC Λειτουργίας Τελεστικού Ενισχυτή
ρεύμα από τις εισόδους. Στον πραγματικό Τ.Ε., όμως, εισέρχεται μικρό dc ρεύ -μα, που επηρεάζει την πόλωση. Το ισοδύναμο αυτών των ρευμάτων πόλωσης εισόδου (input bias currents) φαίνεται στο σχήμα 3.4.1.
Σχήμα 3.4.1. Ισοδύναμο dc ρευμάτων πόλωσης εισόδου
Το ρεύμα πόλωσης I$\_{B-}$ δεν είναι συνήθως ακριβώς ίσο με το I$\_{B+}$ Oι κατασκευα -στές καθορίζουν ένα μέσο ρεύμα πόλωσης εισόδου I$\_{B}$, που είναι η μέση τιμή των μέτρων των I$\_{B-}$ και I$\_{B+}$:

I= I+ I 2 B B+ B(3.4.1)
Το I$\_{B}$ είναι της τάξης του 1μΑ για γενικού σκοπού Τ.Ε. και 1pΑ ή και λιγότερο για Τ.Ε. με FET στο εσωτερικό τους. Επίσης, είναι λιγότερο από 60fA (1fA= 10 -15 Α) σε Τ.Ε., που χρησιμοποιούνται σε ειδικά κυκλώματα διευθέτησης σημάτων, όπως είναι οι μετρήσεις ΡΗ. Στο σχήμα 3.4.2 φαίνεται η χαρακτηριστική του ρεύματος πόλωσης εισόδου σε σχέση με τη θερμοκρασία τόσο για τρανσίστορ BJT όσο και για JFET. Στις χαμηλές θερμοκρασίες το τυπικό JFET πλεονεκτεί του BJT, αφού προϋποθέτει μικρότερο ρεύμα πόλωσης, ενώ πάνω από τους 100°C πλεονεκτεί το BJT.

Σχήμα 3.4.2. Χαρακτηριστική ρεύματος πόλωσης εισόδου συναρτήσει της θερμοκρασίας
Η διαφορά των μέτρων των I$\_{B+}$ και I$\_{B-}$ ορίζεται ως ρεύμα μετατόπισης εισόδου I$\_{os}$ (input offset current):
I= II os B+ B(3.4.2)
Οι κατασκευαστές καθορίζουν το I$\_{os}$ στην περίπτωση, που η έξοδος του κυκλώ -ματος είναι 0V και η θερμοκρασία 25°C. Ένα τυπικό I$\_{os}$ είναι 25% μικρότερο από το μέσο ρεύμα πόλωσης εισόδου. Ένας γενικού σκοπού Τ.Ε., όπως ο ΟΡ77, έχει τυπικές τιμές Ι$\_{B}$=1,2nΑ και I$\_{os}$=0.3nA.

Τα ρεύματα πόλωσης και μετατόπισης έχουν σαν αποτέλεσμα να παρουσιά -ζεται τάση στην έξοδο του Τ.Ε., ενώ δεν υπάρχει σήμα εισόδου. Στην ιδανική περίπτωση θα έπρεπε να ήταν μηδενική. Για να αντιμετωπίσουμε το σφάλμα αυτό θέτουμε πάντα αντίσταση αντιστάθμισης R (compensation) σε σειρά με τη μη αναστρέφουσα είσοδο του Τ.Ε. (εκτός από Τ.Ε. με FET). Η αντίστα -ση αυτή ισούται με τον παράλληλο συνδυασμό όλων των αντιστάσεων, που συνδέονται με την αναστρέφουσα είσοδο. Η εσωτερική αντίσταση της πηγής πρέπει να λαμβάνεται υπόψη στους υπολογισμούς. Στο σχήμα 3.4.3 φαί -νεται, πως αντισταθμίζεται ένας αναστρέφων ή μη αναστρέφων ενισχυτής. Σε κυκλώματα, που περισσότερες από μια αντιστάσεις συνδέονται στην μη αναστρέφουσα είσοδο, ακολουθούμε τον εξής κανόνα: Η dc αντίσταση, που φαίνεται από τη μη αναστρέφουσα είσοδο προς τη γη, πρέπει να είναι ίση με την dc αντίσταση, που φαίνεται από την αναστρέφουσα είσοδο προς τη γη. Για να εφαρμοστεί αυτός ο κανόνας, οι πηγές σήματος αντικαθίστανται από τις εσωτερικές τους dc αντιστάσεις και η έξοδος του Τ.Ε. θεωρείται, ότι βρίσκεται σε δυναμικό μηδέν.

Σχ. 3.4.3. Αντιστάθμιση αναστρέφοντος ή μη αναστρέφοντος ενισχυτή
Άλλη αιτία εμφάνισης τάσης στην έξοδο του Τ.Ε. (της τάξης των μV ως mV), χωρίς να υπάρχει τάση στην είσοδο, είναι η ύπαρξη μικρών, αλλά αναπόφευκτων ανισορροπιών στο εσωτερικό του Τ.Ε. Αυτές μελετώνται εύκολα με την τοποθέτηση μικρής dc πηγής τάσης, η οποία ονομάζεται αντισταθμιστική τάση μετατόπισης εισόδου V$\_{io}$, σε σειρά με μια από τις εισόδους του Τ.Ε., όπως φαίνεται στο σχήμα 3.4.4. Δεν υπάρχει διαφορά,
αν η πηγή αυτή τοποθετηθεί στην αναστρέφουσα ή μη αναστρέφουσα είσο -δο του ενισχυτή.

Σχ. 3.4.4. Ισοδύναμο dc αντισταθμιστικής τάσης μετατόπισης εισόδου
Το πρόβλημα της V$\_{io}$ αντιμετωπίζεται με κατάλληλα κυκλώματα ελαχιστοποίη -σης των σφαλμάτων αυτών, που προτείνονται στο φύλλο δεδομένων του κα -τασκευαστή, όπως φαίνεται και στο σχήμα 3.4.5.
Σχήμα 3.4.5. Κυκλώματα ελαχιστοποίησης σφαλμάτων λόγω της V$\_{io}$ για τον ΟΡ-77 και τον μΑ741
Το ρεύμα μετατόπισης εισόδου και η αντισταθμιστική τάση μετατόπισης εισό -δου μεταβάλλονται με την πάροδο του χρόνου λόγω γήρανσης των στοιχείων του Τ.Ε. Επίσης, μεταβάλλονται με την αλλαγή της θερμοκρασίας ή της τάσης τροφοδοσίας. Καλά σταθεροποιημένη τάση τροφοδοσίας περιορίζει τα σφάλ -ματα, που οφείλονται σε αυτή. Οι αλλαγές, λόγω της θερμοκρασίας, ελαχι -στοποιούνται, αν α) διατηρούμε σταθερή τη θερμοκρασία περιβάλλοντος ή β) επιλέγουμε Τ.Ε., των οποίων τα I$\_{os}$ και V$\_{io}$ μεταβάλλονται πολύ λίγο με τις αλλαγές της θερμοκρασίας.

Οι αλλαγές στο ρεύμα μετατόπισης εισόδου και στην αντισταθμιστική τάση με -τατόπισης εισόδου, λόγω αλλαγών της θερμοκρασίας, περιγράφονται με τον όρο ολίσθηση (drift). Η ολίσθηση του ρεύματος μετατόπισης εισόδου, ΔI$\_{os}$/ΔT, μετριέται σε nA/°C και η ολίσθηση της αντισταθμιστικής τάσης
μετατόπισης εισόδου, ΔV$\_{io}$/ΔΤ, σε μV/ o C. Οι ολισθήσεις μπορεί να διαφέ -ρουν σε διαφορετικές θερμοκρασίες και να είναι και αντίθετες. Για παράδειγ -μα, στις χαμηλές θερμοκρασίες η V$\_{io}$ μπορεί να ολισθαίνει κατά +20μV/°C (αύξηση) και στις υψηλές να αλλάζει κατά -10μV/°C (μείωση). Για το λόγο αυτό, οι κατασκευαστές ορίζουν μέση ή μέγιστη ολίσθηση μεταξύ δύο ακραί -ων θερμοκρασιών. Μερικές τυπικές μέγιστες τιμές ολίσθησης είναι 0.1nA/°C και 20μV/°C για το μΑ741 και 1.5pA/°C και 0.1μV/°C για τον ΟΡ-77.

Ο Τ.Ε. είναι εσωτερικά ισοσταθμισμένος, καθώς ο κατασκευαστής τοποθετεί έναν μικρό πυκνωτή, συνήθως 30pF, στο εσωτερικό του. Αυτός ο πυκνωτής δεν επιτρέπει στον Τ.Ε. να ταλαντώνει στις υψηλές συχνότητες. Οι ταλαντώσεις αποφεύγονται μειώνοντας την ενίσχυση του Τ.Ε. με την αύξηση της συχνότη -τας. Σε αντίθετη περίπτωση, θα υπήρχε ικανοποιητική ενίσχυση και ολίσθηση φάσης, ώστε μεγάλο μέρος από το σήμα εξόδου να επιστρέφει, μέσω ανά -δρασης, στην είσοδο και να προκαλεί ταλαντώσεις. Όσο αυξάνει η συχνότητα, μειώνεται η εμπέδηση του πυκνωτή. Έτσι, δεν είναι τυχαίο, ότι η ενίσχυση τάσης του Τ.Ε. μειώνεται καθώς αυξάνεται η συχνότητα του σήματος εισόδου. Μεταβολή της συχνότητας κατά 10 ονομάζεται δεκάδα (decade). Οι κατασκευ -αστές παραθέτουν καμπύλη, που δείχνει, πως μεταβάλλεται η ενίσχυση ανοι -κτού βρόχου με τη συχνότητα του σήματος εισόδου και ονομάζεται απόκριση μικρών σημάτων (small signal response).

Τυπική καμπύλη για το μΑ741 Τ.Ε. φαίνεται στο σχήμα 3.4.6. Στις χαμηλές συ -χνότητες η ενίσχυση είναι πολύ υψηλή. Τυπική τιμή είναι 200000 (106dB) για το μΑ741 και 107 (140dB) για τον ΟΡ-77. Το σημείο Α δηλώνει τη συχνότητα, που η ενίσχυση τάσης έχει μειωθεί στο 0.707 της τιμής, που είχε στις χαμηλές συχνότητες και ονομάζεται συχνότητα αποκοπής .
Σχήμα 3.4.6. Ενίσχυση τάσης ανοικτού βρόχου μΑ741 Τ.Ε.
Τα σημεία Γ και Δ δείχνουν, πως η ενίσχυση μειώνεται κατά ένα παράγοντα 10 (ή 20dΒ), όταν η συχνότητα αυξάνει κατά έναν παράγοντα 10 (μια δεκάδα). Έτσι, η καμπύλη απόκρισης συχνότητας από το Α ως το Β χαρακτηρίζεται από μείωση κατά 20dΒ/δεκάδα. Εναλλακτική περιγραφή είναι 6dΒ/οκτάβα, όπου η λέξη οκτάβα δηλώνει αλλαγή της συχνότητας κατά 2.

Το βασικό χαρακτηριστικό ενός Τ.Ε. είναι η συχνότητα, όπου η ενίσχυσή του είναι μονάδα (unity) και ονομάζεται συχνότητα μοναδιαίας ενίσχυσης f$\_{T}$. Υπάρχουν δύο τρόποι να πληροφορηθούμε τη συχνότητα αυτή: Ο πρώτος είναι από την απόκριση ενίσχυσης τάσης ανοικτού βρόχου βρίσκοντας τη συ -χνότητα, που η ενίσχυση είναι μοναδιαία (σημείο Β, 1ΜΗz στο σχήμα 3.4.6). Ο δεύτερος, αν γνωρίζουμε την ενίσχυση τάσης ανοικτού βρόχου σε συχνότητα, οπότε απλά πολλαπλασιάζουμε τη τιμή της ενίσχυσης με την αντίστοιχη συ -χνότητα. Για παράδειγμα, αν η ενίσχυση είναι 1000 σε συχνότητα 1500Ηz, τότε f$\_{T}$= 1500x1000= 1.5ΜΗz.

Στο σχήμα 3.4.7 φαίνεται γραφική μέθοδος, για να πάρουμε την απόκριση συχνότητας μη αναστρέφοντος ενισχυτή. Το γινόμενο ενίσχυσης-εύρους ζώνης συχνοτήτων (gain-bandwidth) είναι πάντα ίσο με τη συχνότητα μονα -διαίας ενίσχυσης f$\_{T}$. Έτσι, αν αυξηθεί η ενίσχυση κλειστού βρόχου, θα μειωθεί το εύρος ζώνης συχνοτήτων και το αντίστροφο.
Σχήμα 3.4.7. Ενίσχυση τάσης ανοικτού και κλειστού βρόχου
Ο ρυθμός μεταβολής σήματος εξόδου SR (slew rate) Τ.Ε. περιγράφει το πόσο γρήγορα μπορεί να αλλάξει η τάση εξόδου του. Για το μΑ741 ο μέγιστος ρυθμός είναι 0.5V/μs. Ο ρυθμός αυτός εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, όπως η ενίσχυση, οι πυκνωτές αντιστάθμισης ακόμα και το γεγονός αν η τάση
εξόδου γίνεται θετική ή αρνητική. Η χειρότερη περίπτωση, δηλαδή το μικρότε -ρο slew rate, εμφανίζεται στην μοναδιαία ενίσχυση. Αν I είναι το μέγιστο ρεύμα με το οποίο Τ.Ε. μπορεί να εφοδιάσει τον εσωτερικό του πυκνωτή ισοστάθμι -σης C, τότε το slew rate ορίζεται ως:

SR = I C (3.4.3)
Για το μΑ741 έχουμε Ι=15μΑ και C=30pF, οπότε SR=0.5V/μs. Από την παρα -πάνω σχέση φαίνεται, ότι για μεγάλο slew rate απαιτείται μεγαλύτερο ρεύμα ή μικρότερος πυκνωτής. Οι Τ.Ε. με slew rate μεγαλύτερο από 100V/μs χαρακτη -ρίζονται ως Τ.Ε. υψηλής ταχύτητας. Σε ειδικές εφαρμογές, όπως συστήματα video, χρησιμοποιούμε Τ.Ε. με slew rate μεγαλύτερο από 1000V/μs. Πολύ ση -μαντικό φαινόμενο για τους ενισχυτές αποτελεί η μεγιστοποίηση του εύρους ζώνης με ταυτόχρονη επίτευξη της επιθυμητής ενίσχυσης τάσης. Για το σκοπό αυτό, συνδέουμε πολλές βαθμίδες σε διαδοχή. Όμως, ο μεγάλος αριθμός βαθ -μίδων, που απαιτείται, για να επιτευχθεί η ζητούμενη ενίσχυση τάσης, καθιστά αναποτελεσματική αυτή τη μέθοδο, αφού ελαττώνεται το εύρος ζώνης, όπως φαίνεται και στο σχήμα 3.4.8. Από το σχήμα αυτό φαίνεται, ότι ο βέλτιστος αριθμός όμοιων βαθμίδων σε διαδοχή, για μέγιστο ολικό BW, είναι e=2.718 ( μόνο 2 με 3 βαθμίδες ).

Σχήμα 3.4.8. Εύρος ζώνης και ενίσχυση όμοιων βαθμίδων σε διαδοχή
3.5 Βασικά
Τελεστικών

Κυκλώματα

Ενισχυτών
Στη συνέχεια θα γνωρίσουμε, σύντομα, ορισμένα βασικά κυκλώματα με τελε -στικούς ενισχυτές, που χρησιμοποιούνται στη σχεδίαση συστημάτων μετρή -σεων. Αυτά είναι κυρίως ο αθροιστής, ο λογαριθμικός ενισχυτής, ο εκθετικός ενισχυτής, ο φωρατής κορυφής και ο συγκριτής.

 Αθροιστής τάσεων
Ο αναστρέφων αθροιστής τάσεων είναι ουσιαστικά αναστρέφων ενισχυτής με περισσότερες από μία εισόδους, όπως φαίνεται στο σχήμα 3.5.1. Χρη -σιμοποιείται για την πρόσθεση δύο ή περισσοτέρων τάσεων. Η έξοδός του δίνεται από τη σχέση:
V=R R V+ R R V+...+ R R V o f 1 1 f 2 2 f n n       (3.5.1)
Σχήμα 3.5.1. Αναστρέφων αθροιστής τάσεων
Ρυθμίζοντας τους λόγους των αντιστάσεων μπορούμε να προσθέσουμε, να αφαιρέσουμε, να πολλαπλασιάσουμε ή να διαιρέσουμε δύο ή περισσότερα σή -ματα. Αν, για παράδειγμα, είχαμε R$\_{1}$=R$\_{2}$=R$\_{3}$=3R$\_{f}$, τότε η τάση εξόδου θα ήταν ο μέσος όρος των τριών εισόδων.

Στο σχήμα 3.5.2 φαίνεται ένας μη αναστρέφων αθροιστής τάσεων. Η έξοδός του, στην περίπτωση που R$\_{1}$=R$\_{2}$=...=R$\_{n}$, δίνεται από τη σχέση:
β α (3.5.2)
Σχήμα 3.5.2. Μη αναστρέφων αθροιστής τάσεων

 Λογαριθμικός ενισχυτής
Ο λογαριθμικός ενισχυτής χρησιμοποιείται, όταν θέλουμε να ανιχνεύσουμε και καταγράψουμε τάσεις ή ρεύματα με τιμές που κείνται μέσα σε μεγάλα όρια. Ο ενισχυτής αυτός προκύπτει συνδυάζοντας ένα τελεστικό ενισχυτή με δίοδο ή τρανζίστορ, όπως φαίνεται και στο σχήμα 3.5.3. Για το κύκλωμα αυτό ισχύει:
V=-V ln V RI o T i s × (3.5.3)
όπου V$\_{t}$ σταθερά, που ονομάζεται θερμική τάση (thermal voltage) και Is το ανάστροφο ρεύμα κόρου του τρανσίστορ.
Σχήμα 3.5.3. Λογαριθμικός ενισχυτής

 Εκθετικός ενισχυτής
Ο εκθετικός ενισχυτής προκύπτει, αν εναλλάξουμε τον αντιστάτη με το τραν -σίστορ ή τη δίοδο του λογαριθμικού ενισχυτή, του σχήματος 3.5.3. Έτσι, προκύπτει ο εκθετικός ενισχυτής του σχήματος 3.5.4, για τον οποίο ισχύει:
V=RI e o s V V$^{i}$ T ×× (3.5.4)
Σχήμα 3.5.4. Εκθετικός ενισχυτής

 Φωρατής κορυφής
Σε ac μετρήσεις, όταν θέλουμε να υπολογίσουμε την ενεργό τιμή ενός ημι -τονικού σήματος, αρκεί να βρούμε τη τιμή κορυφής (πλάτος) και να την
πολλαπλασιάσουμε επί 0.707. Για τη φώραση κορυφής (peak detection) χρησιμεύει το κύκλωμα του σχήματος 3.5.5. Η έξοδός του συγκρατεί τη με -γαλύτερη τιμή, όταν R$\_{1}$=R$\_{2}$, ενώ δείχνει ενεργό τιμή, όταν R$\_{2}$/R$\_{1}$=0.707.
Σχήμα 3.5.5. Φωρατής κορυφής

 Συγκριτής τάσης
Η χρήση του τελεστικού ενισχυτή ως συγκριτή (comparator) δύο τάσεων βασίζεται στην υψηλή ενίσχυση ανοικτού βρόχου, που διαθέτει και την πε -ριορισμένη μέγιστη τάση εξόδου του. Σε ανοικτό βρόχο, ελάχιστη διαφορά στις τάσεις εισόδων του θα οδηγήσει τον τελεστικό ενισχυτή σε κόρο. Έτσι, στο σχήμα 3.5.6, αν V$\_{1}$ >V$\_{α}$ θα ισχύει V$\_{o}$=V$\_{κ}$, ενώ αν V$\_{1}$ <V$\_{α}$ θα ισχύει V$\_{ο}$=-V$\_{κ}$, όπου V$\_{κ }$ η τάση κόρου.
Σχήμα 3.5.6. (α) Συγκριτής τάσης και (β) χαρακτηριστική εισόδου εξόδου συγκριτή

Ουσιαστικά, η διάταξη αυτή ανιχνεύει, αν η τάση V$\_{1}$ είναι μεγαλύτερη ή μι -κρότερη από την τάση V$\_{α}$. Άρα, μπορεί να χρησιμεύσει και στην ανίχνευση της χρονικής στιγμής, κατά την οποία μεταβαλλόμενη τάση παίρνει την τιμή τάσης αναφοράς, που περιλαμβάνει και την μηδενική τάση. Εφαρμογή στην ανίχνευση διόδου της τάσης από την μηδενική τιμή έχουμε στην παραγωγή τετραγωνικών παλμών από ημιτονικό σήμα, όπως φαίνεται και στο σχήμα 3.5.7.
Σχ. 3.5.7. Παραγωγή τετραγωνικών παλμών από ημιτονικό σήμα εισόδου

3.6 Ενισχυτές Μετρήσεων
Ο ενισχυτής μετρήσεων είναι στοιχείο ενίσχυσης διαφορικής τάσης μεγάλης ακρίβειας, που χρησιμοποιείται για μετρήσεις στις περιπτώσεις, που είναι δύ -σκολο να έχουμε ακρίβεια με τους συνηθισμένους τελεστικούς ενισχυτές. Στις πραγματικές συνθήκες έχουμε αποκλίσεις από τις ιδανικές συνθήκες λόγω διακυμάνσεων της θερμοκρασίας, ύπαρξης ηλεκτρικού θορύβου και πτώσης τάσης πάνω στους αγωγούς. Επιπλέον, οι πραγματικοί μετατροπείς σπάνια παρουσιάζουν μηδενική εμπέδηση εξόδου. Πάντα εμφανίζονται διαρροές και επαγωγικές ή συζευγμένες ηλεκτρικές παρεμβολές ( θόρυβος ).

Οι ενισχυτές μετρήσεων χρησιμοποιούνται για την καλύτερη λήψη (acquisi -tion) ενός σήματος. Πρέπει να έχουν υψηλή εμπέδηση εισόδου , επειδή οι εμπεδήσεις των πηγών μπορεί να είναι υψηλές και/ή μη ισοσταθμισμένες. Τα ρεύματα πόλωσης και μετατόπισης είναι μικρά και σχετικά σταθερά, έτσι ώστε η εμπέδηση της πηγής να μην απαιτείται να είναι σταθερή. Παρέχουν συμμετρικές διαφορικές εισόδους, έτσι ώστε το σήμα της πηγής να μπορεί να αναφέρεται ως προς οποιοδήποτε σημείο, ανεξάρτητα από το σημείο ανα -φοράς του φορτίου εξόδου του ενισχυτή. Παρουσιάζουν υψηλή απόρριψη κοινού τρόπου και, επομένως, ελαχιστοποίηση του θορύβου , που χαρα -κτηρίζει τις εφαρμογές με απομακρυσμένους αισθητήρες. Παρέχουν υψηλή ευστάθεια σε κρίσιμες παραμέτρους κάτω από διάφορες θερμοκρασίες και τάσεις τροφοδοσίας. Τέλος, όλα τα εξαρτήματα που είναι κρίσιμα για τις καλές επιδόσεις του ενισχυτή μετρήσεων βρίσκονται ολοκληρωμένα στο εσωτερικό του (με εξαίρεση μια αντίσταση ή ένα ζεύγος αντιστάσεων που ρυθμίζει την ενίσχυση).

Ο ενισχυτής μετρήσεων δεν χρησιμοποιείται για απλή ολοκλήρωση, διαφόρι -ση, ανόρθωση ή οποιαδήποτε άλλη συνάρτηση μη ενίσχυσης τάσης. Αν και είναι δυνατό να υλοποιηθούν αυτές οι συναρτήσεις με ενισχυτή μετρήσεων, υλοποιούνται κυρίως από τελεστικούς ενισχυτές.
Για να χρησιμοποιήσουμε ενισχυτή μετρήσεων, δεν είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε την εσωτερική του κατασκευή. Στο σχήμα 3.6.1, το διάγραμμα λειτουργίας βασικού ενισχυτή μετρήσεων παρέχει ικανοποιητική πληροφο -ρία για πολλές εφαρμογές. Οι δύο είσοδοι επιτρέπουν άμεση σύνδεση με επιπλέουσες (floating) πηγές σήματος (δηλαδή, μη γειωμένες πηγές). Ο ενισχυτής μετρήσεων, όντας διαφορικός, ανιχνεύει μόνο τη διαφορά τάσης ανάμεσα στις εισόδους. Τα σήματα κοινού τρόπου, όπως ο θόρυβος και οι πτώσεις τάσης στις γραμμές γείωσης, αφαιρούνται και αναιρούνται στις εισό -δους προτού ενισχυθούν. Απλός αντιστάτης ή ζεύγος αντιστάσεων χρησιμο -ποιείται για να ρυθμίσει την ενίσχυση. Ο κατασκευαστής παρέχει στο χρήστη τη συνάρτηση μεταφοράς ή την εξίσωση ενίσχυσης, που του επιτρέπει, να υπολογίσει τις τιμές των αντιστάσεων για επιθυμητή ενίσχυση. Η έξοδος είναι απλή (single-ended) και σχεδιασμένη να οδηγεί φορτία με αναφορά στη γη, που είναι και τα πιο συνηθισμένα στα συστήματα μετρήσεων. Το σημείο ανα -φοράς του φορτίου είναι κοινό με την τάση τροφοδοσίας.

Οι ενισχυτές μετρήσεων τροφοδοτούνται, όπως και οι τελεστικοί ενισχυτές, από συμμετρική διαφορική τάση. Οι περισσότεροι ενισχυτές μετρήσεων πα -ρέχουν μέσα για τη ρύθμιση της αντισταθμιστικής τάσης μετατόπισης εισό -δου (input offset voltage). Αυτή η ρύθμιση γίνεται με τη βοήθεια εξωτερικού
ποτενσιόμετρου. Παρακάτω θα παρουσιαστούν ορισμένες βασικές κατηγορί -ες ενισχυτών μέτρησης και θα εξεταστούν τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά τους.
Σχήμα 3.6.1. Διάγραμμα λειτουργίας βασικού ενισχυτή μετρήσεων

 Ενισχυτής μέτρησης με ένα τελεστικό ενισχυτή
Σχήμα 3.6.2. Ενισχυτής μέτρησης με έναν Τ.Ε.
Ο πιο απλός ενισχυτής μέτρησης, που περιέχει ένα Τ.Ε. (ονομάζεται και ενισχυτής αφαίρεσης), φαίνεται στο σχήμα 3.6.2. Για ιδανικό Τ.Ε. η τάση εξόδου δίνεται από τη σχέση:
V=R R V+1+ R R R R+R V o 2 1 1 2 1 4 3 4 2          (3.6.1)
και ο λόγος απόρριψης κοινού τρόπου είναι:
CMRR = A A = 1 2 RR +RR+2R R RR -R R d cm 14 23 24 14 23 × (3.6.2)
Από τη στιγμή, όμως, που επιθυμούμε να ενισχύσουμε τη διαφορά των σημά -των και όχι τα σήματα κοινού τρόπου, πρέπει να θέσουμε A$\_{cm}$=0, που σημαίνει:

R R = R R =k 4 3 2 1 (3.6.3)
Σύμφωνα με τη σχέση 3.6.2, Ο CMRR θα έπρεπε να γίνεται άπειρος. Στην πράξη, βέβαια, είναι πεπερασμένος, γιατί δεν είναι δυνατό πετύχουμε ακριβή ισότητα των λόγων της σχέσης 3.6.3. Ο CMRR ενισχυτή μέτρησης με ένα Τ.Ε. λαμβάνει τυπικές τιμές της τάξης του 10 4 . Η υλοποίηση ενός τέτοιου ενισχυ -τή είναι ιδιαίτερα οικονομική, χάρη στη χρήση ενός μόνο τελεστικού ενισχυτή αλλά η απόδοσή του είναι χαμηλή αφού, όπως είδαμε, είναι δύσκολο να επιτευ -χθεί η ακριβής ισότητα της σχέσης 3.6.3. Βελτίωση της απόδοσης του ενισχυτή μέτρησης με ένα Τ.Ε. επιτυγχάνεται με τη χρήση υψηλής απόδοσης διπολικών ενισχυτών, όπως ο AD 0Ρ-07.

 Ενισχυτής μέτρησης με δύο τελεστικούς ενισχυτές
Η ανάλυση ενισχυτή μέτρησης με δύο τελεστικούς ενισχυτές (ή και με τρεις, όπως θα δούμε παρακάτω) παρουσιάζει μεγάλο ενδιαφέρον, γιατί ένας τέ -τοιος ενισχυτής μπορεί να υλοποιηθεί εύκολα και γρήγορα χρησιμοποιώ -ντας φθηνά διακριτά στοιχεία. Η βασική δομή ενός τέτοιου ενισχυτή μέτρη -σης φαίνεται στο σχήμα 3.6.3.
Σχήμα 3.6.3. Ενισχυτής μέτρησης με δύο Τ.Ε.
Ο ενισχυτής μέτρησης με ένα Τ.Ε. παρουσιάζει χαμηλή αντίσταση εισόδου και δεν είναι εύκολο να ρυθμιστεί η ενίσχυσή του, αφού, όπως είδαμε, οι λόγοι των αντιστάσεων πρέπει να είναι ταιριασμένοι (matched). Ο ενισχυτής μέτρησης με δύο Τ.Ε. εξαλείφει τα μειονεκτήματα αυτά. Για να αντιμετωπίσει τη χαμηλή αντίσταση εισόδου, απομονώνει (buffers ή isolates) τις εισόδους με τη χρήση
ακολουθητών τάσης (voltage followers), που υλοποιούνται από τους δύο Τ.Ε. Βέβαια, ο ενισχυτής μέτρησης με δύο Τ.Ε. παρουσιάζει διαφορική έξοδο, που αποτελεί σημαντικό μειονέκτημα. Το πρόβλημα της ρύθμισης της ενίσχυσης αντιμετωπίζεται με τη χρήση των τριών αντιστάσεων του σχήματος 3.6.3. Η αντίσταση αR ρυθμίζεται με ποτενσιόμετρο και, έτσι, ρυθμίζεται η ενίσχυση στην τιμή που επιθυμούμε. Η τάση εξόδου, όταν V$\_{1}$ >V$\_{2}$ , δίνεται από την παρα -κάτω σχέση, όπου βλέπουμε την εξάρτηση από το α:

V=V-V1 + 2 α o 1 2 ( ) (3.6.4)

 Ενισχυτής μέτρησης με τρεις τελεστικούς ενισχυτές
Το πρόβλημα της διαφορικής εξόδου του ενισχυτή μέτρησης με δύο Τ.Ε. αντιμετωπίζεται από τον ενισχυτή μέτρησης με τρεις Τ.Ε., που φαίνεται στο σχήμα 3.6.4. Αυτός είναι ένας από τους πιο χρήσιμους και ακριβείς ενισχυ -τές, που υπάρχουν σήμερα. Υπάρχει τουλάχιστον ένας σε κάθε σύστημα συλλογής δεδομένων. Αποτελείται από τρεις Τ.Ε. και επτά αντιστάσεις. Στην ουσία είναι ένας ενισχυτής μέτρησης με δύο Τ.Ε. συνδεδεμένος με ενισχυτή μέτρησης με ένα Τ.Ε. Σύμφωνα, λοιπόν, με τα προηγούμενα, πρέπει να ισχύει η σχέση 3.6.3 για τις αντιστάσεις R$\_{1}$, R$\_{2}$, R$\_{3}$ και R$\_{4}$, ενώ η ενίσχυση ρυθμίζεται από την αντίσταση αR.

Σχήμα 3.6.4. Ενισχυτής μέτρησης με τρεις Τ.Ε.
Τελικά, λοιπόν, συνδυάζοντας τις προηγούμενες σχέσεις παίρνουμε:

(3.6.5)
Όπως έχουμε αναφέρει και στον ενισχυτή μέτρησης με ένα Τ.Ε., υπάρχει το πρόβλημα του σωστού ταιριάσματος των αντιστάσεων της δεύτερης βαθμίδας.
Για το λόγο αυτό, φροντίζουμε, συνήθως, να ρυθμίζουμε εξωτερικά τη μια αντί -σταση, και συνήθως τη R4 (σχήμα 3.6.4), για να πετύχουμε την ακριβή ισότητα στη σχέση 3.6.3.
Υπάρχουν πολλοί ολοκληρωμένοι ενισχυτές μετρήσεων, που βασίζονται στη δομή του σχήματος 3.6.4. Τέτοιοι είναι οι ΙΝΑ 101, ΙΝΑ 102, ΙΝΑ 104 και ΙΝΑ 110 της εταιρίας Burr-Brown και ο AD 522 της εταιρίας Analog Devices. Με αυ -τούς είναι εύκολο να πετύχουμε ένα CMRR της τάξης των 90dB, στα 60Ηz με μοναδιαία διαφορική ενίσχυση. Μερικοί κατασκευαστές ολοκληρωμένων κυ -κλωμάτων κατασκευάζουν ενισχυτές, που περιλαμβάνουν κύκλωμα αντιστά -σεων, το οποίο μερικές φορές προγραμματίζεται ψηφιακά, παίζοντας, έτσι, το ρόλο της αR. Έτσι, μπορούμε να αλλάξουμε την ενίσχυση με ψηφιακό τρόπο. Αυτοί οι ενισχυτές ονομάζονται ενισχυτές μετρήσεων προγραμματισμένης ενίσχυσης.

 Μονολιθικός ενισχυτής μέτρησης
Οι τεχνικές μονολιθικής ολοκλήρωσης επιτρέπουν τη μείωση του κόστους παραγωγής διαφόρων κυκλωμάτων. Ένας από τους πρώτους μονολιθι -κούς ενισχυτές μετρήσεων ήταν ο AD 520 της εταιρίας Analog Devices. Αυτός έχει αντικατασταθεί από βελτιωμένους ενισχυτές, όπως ο ΑΜΡ-01 της εταιρίας Precision Monolithics, οι AD524 και AD624 της Analog Devices και ο LΜ363 της National Semiconductors.
Στο σχήμα 3.6.5 φαίνεται ένα απλοποιημένο εσωτερικό διάγραμμα λειτουρ -γίας του AD624 ενισχυτή μετρήσεων. Ο μαθητής ενθαρρύνεται να μελετή -σει, σε συνεργασία με τον καθηγητή του, το φύλλο δεδομένων (data sheet) του AD624, που μπορεί να βρει στην ιστοσελίδα της εταιρίας Analog De -vices. Έτσι, θα μπορέσει να διαπιστώσει και μόνος του τις βελτιώσεις του ενισχυτή αυτού έναντι του απλού ενισχυτή μετρήσεων με τρεις Τ.Ε. Ταυτό -χρονα, θα μπορέσει να εμπεδώσει όλα τα χαρακτηριστικά ενός ενισχυτή, που ήδη έχουν αναφερθεί ή πρόκειται να αναφερθούν.

Σχ. 3.6.5. Εσωτερικό διάγραμμα λειτουργίας του AD 624 ενισχυτή μετρήσεων

 Ενισχυτής απομόνωσης
Πολλές φορές οι διαφορετικές συνθήκες, ανάμεσα σε διαφορετικά κυκλώ -ματα μέτρησης της ίδιας εφαρμογής, προκαλούν την ανάπτυξη μεγάλων δυναμικών. Αυτό μπορεί να συμβεί, αν χρησιμοποιούμε συσκευές υψη -λής τάσης, αν ένα αισθητήριο τροφοδοτηθεί με περισσότερο από 20V, ή αν υπάρξουν δύο σημεία γείωσης με διαφορά δυναμικού μερικές δεκάδες volts. Τα μεγάλα δυναμικά αντιμετωπίζονται ικανοποιητικά μόνο με ενι -σχυτές απομόνωσης (isolation amplifiers). Ο ενισχυτής απομόνωσης είναι ενισχυτής, που προσφέρει ωμική απομόνωση ανάμεσα στην είσοδο και στην έξοδο. Η απομόνωση αυτή πρέπει να έχει υψηλή αντίσταση και μικρή χωρητικότητα. Τυπικές τιμές είναι 10ΤΩ (1ΤΩ=10 12 Ω) και 10pF. Στους ενι -σχυτές απομόνωσης υπάρχει ωμική ασυνέχεια ανάμεσα στη γείωση της ει -σόδου και στη γείωση της εξόδου. Επίσης, η γείωση της εισόδου είναι ανε -ξάρτητη από τη γείωση της τροφοδοσίας. Σε μερικές περιπτώσεις, μάλιστα, η γείωση της τροφοδοσίας είναι ανεξάρτητη από τη γείωση της εξόδου. Στο σχήμα 3.6.6 δίνονται ορισμένα σύμβολα, που χρησιμοποιούνται για τους ενισχυτές απομόνωσης.

Σχήμα 3.6.6. Διάφοροι συμβολισμοί για ενισχυτές απομόνωσης
Τα σήματα και η τάση τροφοδοσίας συνδέονται μέσω μετασχηματιστή στο εσωτερικό του ενισχυτή απομόνωσης. Τα σήματα αυτά μπορούν να συνδε -θούν και με οπτικά ή χωρητικά μέσα, όπως φωτοζεύκτες και χωρητικότητες. Η ικανότητα απόρριψης σημάτων, που εμφανίζονται μεταξύ της γείωσης της εισόδου και των άλλων γειώσεων, μετριέται με το γνωστό μας λόγο απόρριψης κοινού τρόπου CMRR και το λόγο απόρριψης απομονώσιμου σήματος IMRR, που ορίζεται με παρόμοιο τρόπο με το CMRR.

Πρέπει να σημειωθεί, ότι οι ενισχυτές απομόνωσης δεν είναι τελεστικοί ενι -σχυτές ούτε ενισχυτές μέτρησης. Είναι ενισχυτές, που η βαθμίδα εισόδου τους μπορεί να είναι ένας Τ.Ε. ή ενισχυτής μέτρησης με δύο ή τρεις Τ.Ε. Οι ενισχυτές απομόνωσης διατίθενται σε μορφή ολοκληρωμένου κυκλώματος. Συνήθως, δεν είναι συσκευές ακριβείας. Εντούτοις, όμως, χρησιμοποιούνται σε μεγάλης ακρίβειας διευθετήσεις σημάτων από αισθητήρια. Χαρακτηριστι -κό παράδειγμα ενισχυτή απομόνωσης είναι ο 3656 της Burr Brown, που το διάγραμμα λειτουργίας του φαίνεται στο σχήμα 3.6.7. Στην ιστοσελίδα της εταιρίας Burr Brown, υπάρχει το πλήρες φύλλο δεδομένων του 3656 ενισχυ -τή απομόνωσης.

Σχήμα 3.6.7. Εσωτερικό διάγραμμα λειτουργίας του 3656 ενισχυτή απομόνωσης
Η εφαρμογή ενισχυτή σε σύστημα διευθέτησης σήματος αισθητήρα απαιτεί την επίτευξη χαμηλού θορύβου, ειδικά στην περίπτωση ενίσχυσης σημάτων πολύ χαμηλής στάθμης. Ως θόρυβο μπορούμε να ορίσουμε την ενέργεια, η οποία, όταν προστίθεται σε κάποιο σήμα, αλλοιώνει το πληροφοριακό περιεχόμενό του . Η ποσότητα του θορύβου της εισόδου δεν πρέπει να υπερ -βαίνει κάποιο συγκεκριμένο πλάτος, το οποίο καθορίζεται από την ελάχιστη τιμή του πλάτους του σήματος εισόδου. Τα στοιχεία, που είναι υπεύθυνα για την παραγωγή του θορύβου, χωρίζονται σε δύο κατηγορίες:

-  Στοιχεία, που παρεμβάλλουν θόρυβο στον ενισχυτή, αλλά ανήκουν στο κύ -κλωμα του αισθητήρα.
-  Στοιχεία ή μέρη εσωτερικά του ίδιου του ενισχυτή, τα οποία λειτουργούν ως πηγές θορύβου με αναφορά προς την είσοδό του, όπως φαίνεται στο σχήμα 3.7.1.
Σχήμα 3.7.1. Πηγές θορύβου σε ενισχυτή
Στο σχήμα 3.7.1, V$\_{t}$ είναι ο θερμικός θόρυβος, V$\_{c}$ ο θόρυβος επαφής, I$\_{n}$ το ρεύμα θορύβου ενισχυτή και V$\_{n}$ η τάση θορύβου ενισχυτή. Ο τυχαίος θόρυβος απεικονίζεται σα γεννήτρια τάσης.
Πολύ σημαντική κατηγορία θορύβου, που παρουσιάζεται σε όλα τα στοιχεία, που περιέχουν αντίσταση, είναι ο θερμικός θόρυβος . Ο θερμικός θόρυβος (thermal noise) V$\_{t}$ ορίζεται ως η ενεργός τιμή της τάσης, που αναπτύσσεται στα άκρα της κάθε αντίστασης, λόγω τυχαίας κίνησης των ηλεκτρονίων στην αντίσταση αυτή στην απόλυτη θερμοκρασία και περιγράφεται από τη σχέση:

V= 4kTR t s Volt /H z ( ) (3.7.1)
Είναι προφανές, ότι, για να μειωθεί ο θερμικός θόρυβος, είναι απαραίτητο να ελαχιστοποιηθεί η θερμοκρασία περιβάλλοντος Τ και η αντίσταση της πηγής R$\_{s}$. Η παραπάνω σχέση ονομάζεται και τύπος του Johnson .
Η ροή συνεχούς ρεύματος στο βρόχο του αισθητήρα έχει σαν αποτέλεσμα την εμφάνιση θορύβου επαφής ή θορύβου Schottky , όταν συναντάει εμπόδιο με τη μορφή σύνδεσης αγωγών ή επαφής p-n. Ο θόρυβος αυτός οφείλεται στη με -

3.7

Θόρυβος Ενισχυτών
ταβολή της αγωγιμότητας και έχει το μοναδικό χαρακτηριστικό, ότι μεταβάλλε -ται αντιστρόφως ανάλογα με τη συχνότητα του σήματος f και ευθέως ανάλογα με το συνεχές ρεύμα I$\_{dc}$. Αξίζει να σημειωθεί, ότι η ροή αυτής της διακύμανσης μέσα από την αντίσταση του βρόχου του αισθητηρίου, ο οποίος αντιμετωπίζε -ται ως πηγή, παράγει τάση θορύβου επαφής.
Οι κατασκευαστές των ενισχυτών μετρήσεων, προκειμένου να εντοπίσουν τις εσωτερικές πηγές θορύβου του ενισχυτή, θεωρούν πηγή θορύβου τάσης V$\_{n}$ και πηγή θορύβου έντασης ρεύματος I$\_{n}$, όπως φαίνεται και στο σχήμα 3.7.1. Η ισοδύναμη ενεργός τάση θορύβου με βραχυκυκλωμένη την είσοδο (shortcircuit input rms noise voltage) V$\_{n}$ είναι η τυχαία διαταραχή, που εμφανίζεται στην είσοδο αθόρυβου ενισχυτή, για να πιστοποιήσει, ότι οι ακροδέκτες εισό -δου είναι βραχυκυκλωμένοι. Η ισοδύναμη ενεργός τιμή ρεύματος θορύβου ανοικτού κυκλώματος (open-circuit rms noise current) I$\_{n}$ είναι ο θόρυβος ο οποίος εμφανίζεται στην είσοδο αθόρυβου ενισχυτή και οφείλεται στα εσωτε -ρικά ρεύματα θορύβου. Αυτό μπορεί να καταλήξει σε υπολογίσιμη διαταραχή στην είσοδο, όταν υπάρχουν στο κύκλωμα μεγάλες αντιστάσεις πηγής. Είναι αμελητέα για συσκευές τεχνολογίας FET.

Ορίζουμε ως λόγο σήματος προς θόρυβο SNR (signal-to-noise ratio) ενισχυ -τή το λόγο της ισχύος του σήματος στην είσοδο του ενισχυτή προς την ισχύ του θορύβου. Για την ποσοτική περιγραφή διάταξης από πλευράς θορύβου χρησιμοποιείται ο δείκτης θορύβου NF (noise figure). Ορίζεται ως ο λόγος της συνολικής ισχύος θορύβου στην έξοδο, προς την ισχύ θορύβου στην έξοδο, η οποία οφείλεται μόνο στο θερμικό θόρυβο της αντίστασης της πηγής του σήματος. Ο δείκτης θορύβου εκφράζεται σε decibels, είναι δε μηδέν, όταν η ενισχυτική διάταξη είναι απαλλαγμένη από θόρυβο. Εκφράζεται ως:

NF =10log N GN po pp i × (3.7.2)
όπου Ν$\_{pο }$η ολική ισχύς θορύβου στην έξοδο, Ν$\_{pi}$ η ισχύς θορύβου στην είσοδο, η οποία οφείλεται στην αντίσταση της πηγής του σήματος και G$\_{p}$ η ενίσχυση ισχύος του σήματος. Θέτοντας G$\_{p}$=S$\_{po}$/S$\_{pi}$, όπου S$\_{pi}$ και S$\_{po}$ η ισχύς του σήματος στην είσοδο και έξοδο αντίστοιχα, βρίσκουμε:
NF =10log S/N S/N pi pi po po × (3.7.3)
Άρα, ο δείκτης θορύβου δίνει σε dB το πηλίκο του λόγου σήματος προς θόρυ -βο στην είσοδο δια του λόγου σήματος προς θόρυβο στην έξοδο του ενισχυτή.

-  Ο διαφορικός ενισχυτής είναι η πρώτη βαθμίδα τυπικού ενισχυτή μετρήσεων. Χαρακτηριστικά μεγέθη του είναι η διαφορική ενίσχυση, η ενίσχυση κοινού τρόπου και ο λόγος απόρριψης κοινού τρόπου CMRR. Ο καλός διαφορικός ενισχυτής δεν επιτρέπει στα σήματα, που είναι κοινά και στις δύο εισόδους του, όπως ο θόρυβος, να εμφανίζονται στην έξοδό του. Όσο μεγαλύτερη τιμή έχει ο CMRR, τόσο καλύτερος είναι ο ενισχυτής.
-  Τα χαρακτηριστικά, που επηρεάζουν τη dc λειτουργία τελεστικού ενισχυτή, είναι τα ρεύματα πόλωσης εισόδου, το ρεύμα μετατόπισης εισόδου, η αντισταθμιστική τάση μετατόπισης εισόδου και οι ολισθήσεις τους. Τα χαρακτηριστικά, που επηρεάζουν την ac λειτουργία, είναι η απόκριση συχνότητας και ο ρυθμός μεταβολής σήματος εξόδου (slew rate).
-  Ο τελεστικός ενισχυτής αποτελείται από βαθμίδα εισόδου, υλοποιούμενη από διαφορικό ενισχυτή, ενδιάμεση βαθμίδα υψηλής ενίσχυσης και βαθμίδα ισχύος στην έξοδο. Ο ιδανικός τελεστικός ενισχυτής παρουσιάζει άπειρη αντίσταση εισόδου, με αποτέλεσμα να μην εισέρχεται ρεύμα στην είσοδό του. Έτσι, οι δύο είσοδοί του βρίσκονται στο ίδιο δυναμικό, με αποτέλεσμα στις περισσότερες εφαρμογές να εμφανίζεται εικονική γείωση στη μια είσοδο, όταν η άλλη βρίσκεται στην πραγματική γείωση. Για τη μεγιστοποίηση του εύρους ζώνης με ταυτόχρονη επίτευξη του επιθυμητού κέρδους τάσης, συνδέουμε πολλές βαθμίδες σε διαδοχή.
-  Βασικά κυκλώματα με τελεστικούς ενισχυτές, που χρησιμοποιούνται στη σχεδίαση συστημάτων μετρήσεων, είναι ο αθροιστής, ο λογαριθμικός ενισχυτής, ο εκθετικός ενισχυτής, ο φωρατής κορυφής και ο συγκριτής.
-  Ο θόρυβος σε ένα ενισχυτή μπορεί να είναι εξωτερικός ή εσωτερικός. Σημαντικές κατηγορίες εξωτερικού θορύβου είναι ο θερμικός θόρυβος και ο θόρυβος επαφής. Για την ποσοτική περιγραφή μιας διάταξης από πλευράς θορύβου χρησιμοποιείται ο δείκτης θορύβου NF.
-  Οι ενισχυτές μετρήσεων είναι ενισχυτές υψηλών προδιαγραφών. Χαρακτηρίζονται από υψηλή εμπέδηση εισόδου, μικρά ρεύματα πόλωσης και μετατόπισης, συμμετρικές διαφορικές εισόδους, υψηλή απόρριψη κοινού τρόπου, ελαχιστοποίηση θορύβου και υψηλή ευαισθησία. Σημαντικές κατηγορίες ενισχυτών μέτρησης είναι οι ενισχυτές με ένα Τ.Ε., οι ενισχυτές με δύο Τ.Ε., οι ενισχυτές με τρεις Τ.Ε., οι μονολιθικοί ενισχυτές και οι ενισχυτές απομόνωσης.

Ανακεφαλαίωση

 Ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής Αξιολόγηση
- 1. Για να είναι καλός ένας διαφορικός ενισχυτής, πρέπει να χαρακτηρίζεται από:
- α) πολύ μικρό CMRR
- β) πολύ υψηλό CMRR
- γ) μοναδιαίο CMRR
- δ) χαμηλή διαφορική ενίσχυση και υψηλή ενίσχυση κοινού τρόπου
- 2. Στον τελεστικό ενισχυτή:
- α) προηγείται η βαθμίδα υψηλής ενίσχυσης, ακολουθεί η βαθμίδα ισχύος και μετά η βαθμίδα του διαφορικού ενισχυτή
- β) προηγείται η βαθμίδα ισχύος, ακολουθεί η βαθμίδα υψηλής ενίσχυσης και μετά η βαθμίδα του διαφορικού ενισχυτή
- γ) προηγείται η βαθμίδα του διαφορικού ενισχυτή, ακολουθεί η βαθμίδα υψη -λής ενίσχυσης και μετά η βαθμίδα ισχύος
- δ) προηγείται η βαθμίδα υψηλής ενίσχυσης, ακολουθεί η βαθμίδα του διαφο -ρικού ενισχυτή και μετά η βαθμίδα ισχύος
- 3. Ο βέλτιστος αριθμός όμοιων βαθμίδων σε διαδοχή για τη μεγιστοποίηση του εύρους ζώνης με ταυτόχρονη επίτευξη της επιθυμητής ενίσχυσης τά -σης είναι:
- α) όσο το δυνατό περισσότερες
- β) μία
- γ) δέκα
- δ) δύο με τρεις

 Ερωτήσεις του τύπου Σωστό/Λάθος
- 1. Η αντισταθμιστική τάση μετατόπισης εισόδου εμφανίζεται στην έξοδο συμμετρικών κυκλωμάτων δύο εισόδων, όταν και οι δύο είσοδοι είναι σε δυναμικό μηδέν.
- 2. Η διαφορική ενίσχυση του διαφορικού ενισχυτή προσδιορίζεται, αν θεω -ρήσουμε ίδια σήματα στις εισόδους του.
- 3. Ο ιδανικός τελεστικός ενισχυτής παρουσιάζει μηδενική αντίσταση εισόδου και άπειρη αντίσταση εξόδου.
- 4. Οι ενισχυτές μετρήσεων χαρακτηρίζονται από χαμηλή σταθερότητα και υψηλό θόρυβο.
- 5. Ο θερμικός θόρυβος και ο θόρυβος επαφής είναι εσωτερικοί θόρυβοι ενι -σχυτή.

 Ερωτήσεις αντιστοίχισης
- 1. Να αντιστοιχίσετε τα στοιχεία της πρώτης στήλης με αυτά της δεύτερης στήλης:

| Συχνότητα αποκοπής                  | A$\_{d}$   |
|-------------------------------------|-----------|
| Διαφορική ενίσχυση                  | CMRR      |
| Slew rate                           | SR        |
| Ενίσχυση κοινού τρόπου              | f$\_{c}$   |
| Συντελεστής απόρριψης κοινού τρόπου | A$\_{cm}$  |

 Ερωτήσεις συμπλήρωσης κενού
Ο  θόρυβος ορίζεται ως η ενεργός τάση, που αναπτύσσεται
στα άκρα της κάθε  λόγω  κίνησης των .
Ο   ορίζεται ως ο λόγος της συνολικής  θορύβου στην έξοδο προς την  θορύβου στην έξοδο, που οφείλεται μόνο στο  θόρυβο της αντίστασης της πηγής του σήματος.

 Ερωτήσεις ανοικτού τύπου
- 1. Περιγράψτε τα βασικά χαρακτηριστικά του διαφορικού ενισχυτή.
- 2. Περιγράψτε τις βαθμίδες, από τις οποίες αποτελείται ο τελεστικός ενισχυ -τής.
- 3. Εξάγετε από βασικές εξισώσεις την ενίσχυση τάσης του αναστρέφοντος τελεστικού ενισχυτή. Τι είναι η εικονική γη;
- 4. Τι είναι το slew rate;
- 5. Τι είναι ο συγκριτής τάσης και που χρησιμοποιείται;
- 6. Ποια είναι τα χαρακτηριστικά των ενισχυτών μετρήσεων;
- 7. Περιγράψτε δύο κατηγορίες ενισχυτών μέτρησης.
Ασκήσεις
- 1. Έστω ένας τελεστικός ενισχυτής 741, που έχει I$\_{Β+}$=0.4μΑ και Ι$\_{Β-}$=0.3μΑ. Να βρεθεί το μέσο ρεύμα πόλωσης Ι$\_{Β}$ και το ρεύμα μετατόπισης εισό -δου I$\_{os}$.

(0.35μΑ, 0.1μΑ)
- 2. Έστω το κύκλωμα του σχήματος 3.4.3. Να υπολογιστεί η αντίσταση αντιστάθμισης R, αν α) R$\_{f}$=100kΩ και R$\_{i}$=10kΩ και β) R$\_{f}$=100kΩ και R$\_{i}$=100kΩ.
(9.1kΩ, 50kΩ)
- 3 Ποια είναι η ενίσχυση τάσης ανοικτού βρόχου Τ.Ε. σε συχνότητα 1kHz, αν παρουσιάζει συχνότητα μοναδιαίας ενίσχυσης 1,5ΜΗz;
(1500)
- 4. Η είσοδος αναστρέφοντος ενισχυτή μοναδιαίας ενίσχυσης μεταβάλ -λεται ακαριαία κατά 10V. Αν χρησιμοποιείται Τ.Ε. μΑ741 με slew rate 0.5V/μs, πόσο χρόνο θα χρειαστεί η τάση εξόδου, για να αλλάξει κατά 10V;

(20μs)
- 5. Σχεδιάστε μη αναστρέφοντα αθροιστή δύο τάσεων V$\_{1}$ και V$\_{2}$, που να εκτελεί την πράξη V$\_{o}$=V$\_{1}$+V$\_{2}$.
(R$\_{1}$=R$\_{2}$, R$\_{α}$=R$\_{β}$)
- 6. Σχεδιάστε αναστρέφοντα αθροιστή τριών τάσεων V$\_{1}$, V$\_{2}$ και V$\_{3}$, που να εκτελεί την πράξη V$\_{o}$=-(2V$\_{1}$ +3V$\_{2}$+4V$\_{3}$), αν R$\_{f}$=60kΩ.
(R$\_{1}$=30kΩ, R$\_{2}$=20kΩ, R$\_{3}$=15kΩ)
- 7. Να βρεθεί η τάση εξόδου ενισχυτή μέτρησης με δύο Τ.Ε., αν R=9kΩ, αR=2kΩ, V$\_{1}$= 10mV και V$\_{2}$=5mV.

(50mV)
- 8. Να υπολογιστεί η ενίσχυση τάσης του ενισχυτή του σχήματος 3.6.4 αν α=0.002 και k=1.
(1001)
-  Εισαγωγή
-  Φίλτρα Χαμηλών Συχνοτήτων
- Τύποι Φίλτρων
- Παθητικά Φίλτρα
- Φίλτρα Ζώνης
-  Ενεργά Φίλτρα
-  Μετατροπείς Ρεύματος - Τάσης
- Γειώσεις - Θωράκιση - Τερματισμός

Σκοπός
Όταν ολοκληρώσεις το κεφάλαιο αυτό, θα μπορείς:
-  Να κατονομάζεις τους διάφορους τύπους φίλτρων, να περιγράφεις τα βα -σικά μεγέθη που τα περιγράφουν και να επιλέγεις το σωστό τύπο φίλτρου ανάλογα με την εφαρμογή.
-  Να κατονομάζεις και να περιγράφεις τους διάφορους τύπους ενεργών φίλ -τρων και να υπολογίζεις τις συναρτήσεις μεταφοράς τους.
-  Να σχεδιάζεις και να υπολογίζεις τις τιμές των στοιχείων ενός παθητικού φίλτρου.
-  Να αναφέρεις και να περιγράφεις διάφορους μετατροπείς ρεύματος σε τάση και τάσης σε ρεύμα.
-  Να κατονομάζεις και να περιγράφεις διάφορες τεχνικές γείωσης, θωράκι -σης και τερματισμού.

Σ' ένα σύστημα μέτρησης το αισθητήριο αποτελεί το συνδετικό κρίκο του συ -στήματος με το περιβάλλον. Είναι αυτό, που «αφουγκράζεται» τις φυσικές και μη μεταβολές και στέλνει κάποιας μορφής σήμα προς επεξεργασία. Τις περισ -σότερες φορές, όμως, το σήμα αυτό περιέχει διάφορες συνιστώσες, όπως θό -ρυβο και παρεμβολές, που δεν επιτρέπουν ή καθιστούν δύσκολη την ανάλυση των δεδομένων, που περιέχει. Επίσης, πολλές φορές η μορφή του σήματος απαιτεί μεγάλο κόστος επεξεργασίας. Για τους λόγους αυτούς, χρησιμοποιού -νται φίλτρα, πριν ή μετά από τους ενισχυτές μετρήσεων, ώστε να λαμβάνονται μόνο οι κατάλληλες συχνότητες, τεχνικές γειώσεων και θωράκισης σε όλο το μήκος του αγωγού καθώς και τεχνικές τερματισμού γραμμών. Τέλος, χρησιμο -ποιούνται μέθοδοι διευθέτησης αναλογικών και ψηφιακών σημάτων, ώστε το σήμα να μετατραπεί σε μορφή της επιλογής μας.

Εισαγωγή

Τύποι Φίλτρων
Το φίλτρο είναι ένα κύκλωμα σχεδιασμένο να επιτρέπει τη διέλευση μιας συγκεκριμένης ζώνης συχνοτήτων και να εξασθενεί όλα τα άλλα σήματα, που βρίσκονται έξω από αυτή τη ζώνη. Τα φίλτρα βρίσκονται στο εσωτερικό ηλε -κτρονικών κυκλωμάτων και χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές από κυκλώματα audio μέχρι συστήματα ψηφιακής επεξεργασίας σήματος. Τα φίλτρα μπορεί να είναι είτε ενεργά, είτε παθητικά. Τα παθητικά φίλτρα (passive filters) πε -ριέχουν μόνο αντιστάσεις, πηνία και πυκνωτές. Τα ενεργά φίλτρα (active filters) αποτελούνται από τρανσίστορ ή τελεστικούς ενισχυτές μαζί με αντι -στάσεις, πηνία και πυκνωτές. Τα πηνία, συνήθως, δεν χρησιμοποιούνται στα ενεργά φίλτρα, επειδή είναι ογκώδη, ακριβά και έχουν μεγάλες εσωτερικές αντιστάσεις.

Υπάρχουν τέσσερις τύποι φίλτρων: βαθυπερατά (lowpass), υψηπερατά (highpass), ζωνοδιαβατά (bandpass) και απόρριψης ζώνης (bandreject ή bandelimination ή notch) φίλτρα. Στο σχήμα 4.2.1 φαίνονται οι αποκρίσεις μέτρου A(f) των παραπάνω φίλτρων σε σχέση με τη συχνότητα.
Σχήμα 4.2.1. Απόκριση μέτρου των τεσσάρων κατηγοριών φίλτρων
Τα βαθυπερατά φίλτρα (ή φίλτρα χαμηλών συχνοτήτων) είναι κυκλώμα -τα, που παρουσιάζουν σταθερή τάση εξόδου από το dc ως τη συχνότητα αποκοπής f$\_{c}$ (cutoff frequency). Καθώς η συχνότητα αυξάνει πάνω από τη f$\_{c}$, η τάση εξόδου εξασθενεί (μειώνεται). Στο σχήμα 4.2.1(α), η συνεχής γραμμή παριστάνει το ιδανικό βαθυπερατό φίλτρο, ενώ οι διακεκομμένες γραμμές τις καμπύλες των πρακτικών βαθυπερατών φίλτρων. Η ζώνη των συχνοτή -των, που διέρχεται χωρίς εξασθένηση, είναι γνωστή ως ζώνη διέλευσης (passband). Η ζώνη συχνοτήτων, που εξασθενείται, είναι γνωστή ως ζώνη αποκοπής (stopband). Η συχνότητα αποκοπής ονομάζεται, επίσης, 0.707 συχνότητα, -3dB συχνότητα ή οριακή συχνότητα (break frequency).

Τα υψηπερατά φίλτρα εξασθενούν τη τάση εξόδου για όλες τις συχνότητες κάτω από τη συχνότητα αποκοπής. Πάνω από τη f$\_{c}$ η τάση εξόδου είναι σταθε -ρή. Στο σχήμα 4.2.1 (β), η συνεχής γραμμή παριστάνει το ιδανικό υψηπερατό φίλτρο, ενώ οι διακεκομμένες γραμμές τις καμπύλες των πρακτικών υψηπερα -τών φίλτρων.
Τα ζωνοδιαβατά φίλτρα επιτρέπουν τη διέλευση μόνο μιας ζώνης συχνοτή -των, ενώ εξασθενούν όλες τις άλλες συχνότητες έξω από αυτή τη ζώνη. Στο σχήμα 4.2.1 (γ), η συνεχής γραμμή παριστάνει το ιδανικό ζωνοδιαβατό φίλτρο, ενώ η διακεκομμένη γραμμή την καμπύλη του πρακτικού ζωνοδιαβατού φίλ -τρου. Το φίλτρο παρουσιάζει μέγιστη ενίσχυση στην κεντρική συχνότητα f$\_{o}$. Στην κατώτερη συχνότητα αποκοπής f$\_{c1}$ και στην ανώτερη συχνότητα αποκο -πής f$\_{c2}$ η ενίσχυση πέφτει στο 0.707 της μέγιστης τιμής της. Η ζώνη συχνοτή -των μεταξύ f$\_{c1}$ και f$\_{c2 }$ονομάζεται εύρος ζώνης Β (bandwidth):

B = f$\_{c2}$ - f$\_{c1}$ (4.2.1)
Αν είναι γνωστή η κατώτερη και η ανώτερη συχνότητα αποκοπής, τότε η κε -ντρική συχνότητα δίνεται από τη σχέση:
f= ff o c1 c2 × (4.2.2)
Αν είναι γνωστή η κεντρική συχνότητα f$\_{o}$ και το εύρος ζώνης Β, τότε οι συχνό -τητες αποκοπής δίνονται από τις σχέσεις:
f= B 4 +f B 2 c1 2 o 2 f= B 4 +f + B 2 c2 2 o 2 (4.2.3)
Ο παράγοντας ποιότητας Q ορίζεται ως ο λόγος της κεντρικής συχνότητας προς το εύρος ζώνης του φίλτρου:
Q= f B o (4.2.4)
Ο παράγοντας Q είναι δείκτης επιλεκτικότητας (selectivity) ζωνοδιαβατού φίλτρου. Υψηλός παράγοντας Q δηλώνει, ότι το φίλτρο επιλέγει μικρότερη ζώνη συχνοτήτων. Ένα φίλτρο ευρείας ζώνης (wideband) έχει εύρος ζώνης δύο και περισσότερες φορές μεγαλύτερο από την κεντρική συχνότητα. Αυτό σημαίνει ότι Q≤0.5. Γενικά, τέτοια φίλτρα κατασκευάζονται θέτοντας σε δια -δοχή ένα βαθυπερατό και ένα υψηπερατό φίλτρο. Ένα φίλτρο στενής ζώνης (narrowband) κατασκευάζεται, συνήθως, με απλή βαθμίδα και παρουσιάζει Q>0.5.

Τα φίλτρα απόρριψης ζώνης λειτουργούν με τον αντίθετο ακριβώς τρόπο. Δηλαδή, απορρίπτουν μια συγκεκριμένη ζώνη συχνοτήτων, ενώ επιτρέπουν τη διέλευση όλων των άλλων συχνοτήτων έξω από αυτή τη ζώνη. Στο σχήμα 4.2.1 (δ), η συνεχής γραμμή παριστάνει το ιδανικό φίλτρο απόρριψης ζώνης, ενώ η διακεκομμένη γραμμή την καμπύλη του πρακτικού φίλτρου.
4.3 Φίλτρα Χαμηλών Συχνοτήτων
Τα φίλτρα χαμηλών συχνοτήτων χρησιμεύουν στον περιορισμό του εύρους ζώνης των μετρουμένων σημάτων, ώστε να καθίσταται δυνατή η λήψη των προεπιλεγμένων χαμηλών συχνοτήτων. Το ιδανικό βαθυπερατό φίλτρο, το οποίο προσπαθούμε να προσεγγίσουμε όσο το δυνατό περισσότερο, φαίνεται στο σχήμα 4.3.1., όπου Α(f) είναι η απόκριση μέτρου και φ(f) η απόκριση φάσης του φίλτρου αυτού. Υπενθυμίζεται ότι η απόκριση φάσης ενός φίλτρου παριστάνει τη φάση σε σχέση με τη συχνότητα. Το ιδανικό βαθυπερατό φίλτρο πετυχαίνει απόλυτη αποκοπή των ανεπιθύμητων συχνοτήτων χωρίς μεταβο -λή του φάσματος ή πρόσθεση σφαλμάτων στη ζώνη διέλευσης. Όμως, είναι αδύνατο να υλοποιηθεί στην ιδανική του μορφή, αλλά κάθε φορά το προσεγ -γίζουμε σε κάποιο βαθμό τελειότητας, ανάλογα με τις απαιτήσεις της εφαρμο -γής και τους διατιθέμενους οικονομικούς πόρους. Ο λόγος για τον οποίο είναι ανέφικτη η υλοποίηση του τέλειου φίλτρου, είναι, ότι αυτά παριστάνονται από συντελεστές πολυωνύμων, που δεν μπορούν να απεικονίσουν την ασυνέχεια της αποκοπής, δηλαδή δεν μπορούν να υλοποιήσουν την κάθετη πτώση του φάσματος στη συχνότητα αποκοπής f$\_{c}$.

Σχήμα 4.3.1. Απόκριση μέτρου και φάσης ιδανικού βαθυπερατού φίλτρου
Η συνάρτηση μεταφοράς ενός φίλτρου ορίζεται ως το πηλίκο της τάσης εξό -δου προς τη τάση εισόδου και είναι της μορφής:
Hs=K N(s) D(s) ( )  (4.3.1)
όπου, Κ πραγματικός αριθμός, που ονομάζεται σταθερά ενίσχυσης, N(s) το πολυώνυμο του αριθμητή, του οποίου οι ρίζες ονομάζονται μηδενισμοί της συνάρτησης, D(s) το πολυώνυμο του παρανομαστή, του οποίου οι ρίζες ονο -μάζονται πόλοι της συνάρτησης και s μιγαδική ποσότητα εξαρτώμενη από τη συχνότητα. Γνωρίζοντας τους πόλους και τους μηδενισμούς μπορούμε να ορί -σουμε πλήρως τη συνάρτηση μεταφοράς ενός φίλτρου. Υπάρχουν πολλοί τύ -ποι φίλτρων με περισσότερο διαδεδομένα, τα φίλτρα Butterworth, Chebyshev και Bessel. Τα φίλτρα αυτά έχουν συναρτήσεις μεταφοράς, που αποτελούνται μόνο από πόλους και γι' αυτό ονομάζονται φίλτρα μόνο πόλων .

 Φίλτρα Butterworth
Η απόκριση μέτρου ενός φίλτρου Butterworth είναι:
(4.3.2)
όπου, ε μια σταθερά και n ο βαθμός του πολυωνύμου, που φανερώνει και το πλήθος των πόλων του φίλτρου. Η συνάρτηση μεταφοράς ενός φίλτρου But -terworth για Κ= 1 είναι:
H(s) = 1 s+bs +b s+ ...+bs+b n n-1 n-1 n-2 n-2 1 0 (4.3.3)
όπου, b$\_{i}$ i=0,1,...,n-1 οι συντελεστές του πολυωνύμου Butterworth, οι οποίοι φαίνονται στον πίνακα 4.3.1. Στα σχήματα 4.3.2 και 4.3.3 φαίνονται οι αποκρί -σεις μέτρου και φάσης, αντίστοιχα, των φίλτρων Butterworth για διάφορα n.

Πίνακας 4.3.1. Συντελεστές πολυωνύμων Butterworth
Σχήμα 4.3.2. Απόκριση μέτρου βαθυπερατού φίλτρου Butterworth
Σχήμα 4.3.3. Απόκριση φάσης βαθυπερατού φίλτρου Butterworth
Τα βαθυπερατά φίλτρα Butterworth χαρακτηρίζονται από επίπεδη (flat) από -κριση μέτρου στην περιοχή διέλευσης, που εκτείνεται προς την περιοχή της συχνότητας αποκοπής fc, καθώς το n αυξάνει. Επίσης, η μείωση του πλάτους των συνιστωσών υψηλών συχνοτήτων του σήματος αυξάνει σημαντικά με την αύξηση της τάξης του φίλτρου δίνοντας παράλληλα και μία ελαφρά μη γραμμι -κή απόκριση φάσης.

 Φίλτρα Chebyshev ή φίλτρα ίσης κυμάτωσης
Στο φίλτρο Chebyshev η απόκριση μέτρου διατηρεί μέγιστη τιμή σε μεγάλο εύρος συχνοτήτων διέλευσης, παρουσιάζει κυμάτωση (ripple) ίσου ύψους στη ζώνη διέλευσης και μέγιστο ρυθμό πτώσης πέρα από τη συχνότητα αποκοπής. Η απόκριση μέτρου δίνεται από τη σχέση (για Κ= 1):
(4.3.4)
ρ = 10 log(1+ε 2 ) (dB) (4.3.5)
όπου, ε μια σταθερά και Cn(f/fc) τα πολυώνυμα Chebyshev. Τα πολυώνυμα αυτά φαίνονται στον πίνακα 4.3.2 για διάφορες τιμές του n. Το ύψος της κυμά -τωσης δίνεται από τη σχέση: 

Πίνακας 4.3.2. Πολυώνυμα Chebyshev

|   n | Cn(f/f$\_{c}$)                                        |
|-----|------------------------------------------------------|
|   0 | 1                                                    |
|   1 | (f/fc)                                               |
|   2 | 2(f/fc) 2 -1                                         |
|   3 | 4(f/fc) 3 -3(f/fc)                                   |
|   4 | 8(f/fc) 4 -8(f/fc) 2 +1                              |
|   5 | 16(f/fc) 5 -20(f/fc) 3 +5(f/fc)                      |
|   6 | 32(f/fc) 6 -48(f/fc) 4 +18(f/fc) 2 -1                |
|   7 | 64(f/fc) 7 -112(f/fc) 5 +56(f/fc) 3 -7(f/fc)         |
|   8 | 128(f/fc) 8 -256(f/fc) 6 +160(f/fc) 4 -32(f/fc) 2 +1 |

Η συνάρτηση μεταφοράς ενός φίλτρου Chebyshev μπορεί να παρασταθεί με την ίδια μορφή, που παριστάνεται και η συνάρτηση μεταφοράς του φίλτρου Butterworth, σύμφωνα με τη σχέση 4.3.3. Ο πίνακας 4.3.3 παρουσιάζει τους συντελεστές των πολυωνύμων Chebyshev για διάφορες κυματώσεις.
(α) κυμάτωση 0.1 dB
(β) κυμάτωση 0.5dB
(γ) κυμάτωση 1dB
(δ) κυμάτωση 2dB
(ε) κυμάτωση 3dB
Πίνακας 4.3.3. Συντελεστές πολυωνύμων Chebyshev
Στα σχήματα 4.3.4 και 4.3.5 φαίνονται οι αποκρίσεις μέτρου και φάσης, αντί -στοιχα, των φίλτρων Chebyshev για διάφορα n και για κυμάτωση 1dΒ. Από τις σχέσεις 4.3.4 και 4.3.5 παρατηρούμε ότι:

-  Αυξάνοντας το ε, για συγκεκριμένη τιμή του n, αυξάνει ο ρυθμός της εξα -σθένησης στη ζώνη μετάβασης και κατά συνέπεια η απόδοση της ζώνης αποκοπής. Από την άλλη, προκαλείται μεγαλύτερη κυμάτωση στη ζώνη διέλευσης.
-  Αυξάνοντας τη τάξη του φίλτρου n, για σταθερή τιμή του ε, βελτιώνεται η απόδοση της ζώνης αποκοπής χωρίς μεγάλη κυμάτωση, αλλά με κόστος πολυπλοκότητας.
Σχήμα 4.3.4. Απόκριση μέτρου βαθυπερατού φίλτρου Chebyshev με 1dB κυμάτωση
Σχήμα 4.3.5. Απόκριση φάσης βαθυπερατού φίλτρου Chebyshev με 1dΒ κυμάτωση

Συγκρίνοντας τις δύο οικογένειες φίλτρων, που εξετάσαμε μέχρι τώρα, για δεδομένη τάξη n, προκύπτει, ότι το βαθυπερατό φίλτρο Chebyshev παρέχει
καλύτερη προσέγγιση του ιδανικού φίλτρου στη συχνότητα αποκοπής και στη ζώνη αποκοπής, μολονότι υστερεί στην ομαλότητα της ζώνης διέλευσης έναντι του βαθυπερατού φίλτρου Butterworth.

 Φίλτρα Bessel
Μια τρίτη κατηγορία φίλτρων, που χαρακτηρίζεται από γραμμική καθυστέρηση φάσης, που εκτείνεται από το συνεχές μέχρι και μετά τη συ -χνότητα αποκοπής ως συνάρτηση της τάξης του φίλτρου, είναι τα βαθυ -περατά φίλτρα Bessel. Τα φίλτρα Bessel χρησιμοποιούνται για χρονικές καθυστερήσεις, για φιλτράρισμα σημάτων μετρήσεων παλμικού τύπου (μετατροπής τάσης-συχνότητας) και σε φίλτρα εξομάλυνσης. Η συνάρ -τηση μεταφοράς ενός φίλτρου Bessel μπορεί να παρασταθεί με την ίδια μορφή, που παριστάνεται και η συνάρτηση μεταφοράς του φίλτρου But -terworth, σύμφωνα με τη σχέση 4.3.3, θέτοντας K=b$\_{o}$. Ο πίνακας 4.3.4 παρουσιάζει τους συντελεστές των πολυωνύμων Bessel. Στα σχήματα 4.3.6 και 4.3.7 φαίνονται οι αποκρίσεις μέτρου και φάσης, αντίστοιχα, των φίλτρων Bessel για διάφορα n.

Πίνακας 4.3.4. Συντελεστές πολυωνύμων Bessel
Σχήμα 4.3.6. Απόκριση μέτρου βαθυπερατού φίλτρου Bessel
Σχήμα 4.3.7. Απόκριση φάσης βαθυπερατού φίλτρου Bessel
Σχήμα 4.3.8. Απόκριση μέτρου βαθυπερατών φίλτρων Butterworth, Chebyshev (με 1dB κυμάτωση) και Bessel πέμπτης τάξης
Σχήμα 4.3.9. Απόκριση φάσης βαθυπερατών φίλτρων Butterworth, Chebyshev (με 1dB κυμάτωση) και Bessel πέμπτης τάξης
Στα σχήματα 4.3.8 και 4.3.9 απεικονίζονται συγκριτικά οι αποκρίσεις μέτρου και φάσης, αντίστοιχα, των βαθυπερατών φίλτρων Butterworth, Chebyshev (με κυμάτωση 1 dΒ) και Bessel πέμπτης τάξης.

Η πιο παλιά τεχνολογία για την υλοποίηση των φίλτρων χρησιμοποιεί διακριτά στοιχεία όπως, αντιστάσεις, πυκνωτές και πηνία και τα κυκλώματα, που προ -κύπτουν, ονομάζονται παθητικά φίλτρα . Αυτά τα φίλτρα δουλεύουν ικανοποι -ητικά στις υψηλές συχνότητες, ωστόσο στις εφαρμογές χαμηλών συχνοτήτων (100kHz) τα απαιτούμενα πηνία είναι ογκώδη και ακριβά, ενώ τα χαρακτηρι -στικά τους είναι εντελώς μη ιδανικά. Επίσης, τέτοια πηνία είναι αδύνατο να κα -τασκευαστούν σε μονολιθική μορφή και δεν είναι συμβατά με τις νέες τεχνικές κατασκευής ηλεκτρονικών συστημάτων. Για τους λόγους αυτούς υπάρχει ενδι -αφέρον για την εύρεση δομών υλοποίησης φίλτρων, που δεν απαιτούν πηνία. Τέτοια φίλτρα είναι τα ενεργά φίλτρα, που θα γνωρίσουμε παρακάτω.

Σχήμα 4.4.1. Κυκλώματα (α) διαφόρισης και (β) ολοκλήρωσης με παθητικά στοιχεία
Βασικά κυκλώματα για την υλοποίηση των φίλτρων είναι τα κυκλώματα διαφόρισης και ολοκλήρωσης. Στο σχήμα 4.4.1 φαίνεται, πως υλοποιούνται τα κυκλώματα αυτά με παθητικά στοιχεία. Το κύκλωμα διαφόρισης επιτρέπει τη διέλευση των υψηλών συχνοτήτων, οπότε είναι ουσιαστικά υψηπερατό φίλτρο πρώτης τάξης, με συνάρτηση μεταφοράς:
H(s) = V V = s s+ 1 RC o i (4.4.1)
Η απόκριση μέτρου του είναι:
A(f) = 1 1+ f f$^{c}$ 2       (4.4.2)
όπου, f$\_{c}$= 1/2πRC η συχνότητα αποκοπής. Η ενίσχυση στη ζώνη διέλευσης είναι μοναδιαία. Η απόκριση χρόνου του διαφοριστή είναι (αν δεχθούμε V$\_{i}$ (t)>>V$\_{o}$(t)):

Παθητικά Φίλτρα
V(t) =RC dV t dt o i ( ) (4.4.3)
Αντίστοιχα, το κύκλωμα ολοκλήρωσης είναι ουσιαστικά βαθυπερατό φίλτρο πρώτης τάξης, με συνάρτηση μεταφοράς:
H(s) = V V = 1 RCs +1 o i (4.4.4)
Η απόκριση μέτρου του είναι:
A(f) = 1 1+ f f$\_{c}$ 2       (4.4.5)
όπου, f$\_{c}$= 1/2πRC η συχνότητα αποκοπής. Η ενίσχυση στη ζώνη διέλευσης εί -ναι μοναδιαία. Η απόκριση χρόνου του ολοκληρωτή, αν δεχθούμε V$\_{i}$(t) > >V$\_{o}$(t), είναι:
V(t) = 1 RC V(t)dt +V(0) o i o ò (4.4.6)
Αν ως απόκριση θεωρήσουμε το ρεύμα κάποιου πυκνωτή, στα άκρα του οποί -ου εφαρμόζεται ως διέγερση τάση, ισχύει:

i = C dV dt (4.4.7)
Δηλαδή, ο πυκνωτής δρα ως ιδανικός διαφοριστής της τάσης στα άκρα του. Αντίστοιχα, το πηνίο δρα ως ιδανικός ολοκληρωτής της τάσης στα άκρα του και ισχύει:
i= 1 L Vdt ò (4.4.8)
Η υλοποίηση των κυκλωμάτων διαφόρισης και ολοκλήρωσης με τελεστικούς ενισχυτές φαίνεται στο σχήμα 4.4.2. Η συνάρτηση μεταφοράς του διαφοριστή αυτού του σχήματος είναι:
H(s) = V V =-R R s s+ 1 RC o i 2 1 1 × (4.4.9)
Η συχνότητα αποκοπής του είναι f$\_{c}$= 1/2πR$\_{1}$C και η ενίσχυση στη ζώνη διέλευ -σης -R$\_{2}$/R$\_{1}$.

Σχήμα 4.4.2. Κυκλώματα (α) διαφόρισης και (β) ολοκλήρωσης με τελεστικούς ενισχυτές
Η συνάρτηση μεταφοράς του παραπάνω ολοκληρωτή είναι:
H(s) = V V =-R R 1 1+sR C o i 2 1 2 × (4.4.10)
Η συχνότητα αποκοπής του είναι f$\_{c}$= 1/2πR$\_{2}$C και η ενίσχυση στη ζώνη διέλευ -σης -R$\_{2}$/R$\_{1}$.
Για την υλοποίηση των παθητικών φίλτρων, υπάρχουν έτοιμοι πίνακες στη βι -βλιογραφία, που δίνουν τις τιμές των στοιχείων, που απαιτούνται για την υλο -ποίηση του φίλτρου σε κανονικοποιημένη μορφή. Οι πίνακες 4.4.1 και 4.4.2 παρουσιάζουν τις κανονικοποιημένες τιμές στοιχείων για υλοποίηση ορισμέ -νων φίλτρων Butterworth και Chebyshev αντίστοιχα.

Για την αποκανονικοποίηση των τιμών των στοιχείων χρειαζόμαστε την επιθυμητή συχνότητα αποκοπής του φίλτρου f$\_{c}$ και τη στάθμη εμπέδησης R$\_{o}$. Υπενθυμίζεται, ότι η στάθμη εμπέδησης αναφέρεται στην αντίσταση τερματι -σμού, που τη θεωρούμε μονάδα, αλλά πρακτικά φανερώνει τη τάξη μεγέθους των αντιστάσεων, που χρησιμοποιούμε στο φίλτρο. Αν R$\_{n}$, C$\_{n}$ και L$\_{n}$ είναι οι κανονικοποιημένες τιμές των στοιχείων, η αποκανονικοποίηση γίνεται ως εξής:
RRR n o → C C 2πfR n c o L LR 2πf n o c (4.4.11)

Πίνακας 4.4.1. Κανονικοποιημένα παθητικά φίλτρα χαμηλών συχνοτήτων Butterworth
(α) κυμάτωση 0.1 db
(β) κυμάτωση 0.5 db

|   3 |   1.864 |   1.280 |   1.864 |       |       |       |       |
|-----|---------|---------|---------|-------|-------|-------|-------|
|   5 |   1.807 |   1.302 |   2.691 | 1.302 | 1.807 |       |       |
|   7 |   1.79  |   1.296 |   2.718 | 1.382 | 2.718 | 1.296 | 1.790 |
(γ) κυμάτωση 1 db

|   3 |   2.216 |   1.088 |   2.216 |       |       |       |       |
|-----|---------|---------|---------|-------|-------|-------|-------|
|   5 |   2.207 |   1.128 |   3.102 | 1.128 | 2.207 |       |       |
|   7 |   2.204 |   1.131 |   3.147 | 1.194 | 3.147 | 1.131 | 2.204 |
(δ) κυμάτωση 2 db

|   3 |   2.800 |   0.860 |   2.800 |       |       |       |       |
|-----|---------|---------|---------|-------|-------|-------|-------|
|   5 |   2.864 |   0.909 |   3.827 | 0.909 | 2.864 |       |       |
|   7 |   2.882 |   0.917 |   3.901 | 0.959 | 3.901 | 0.917 | 2.882 |

|   3 |   3.350 |   0.712 |   3.350 |       |       |       |       |
|-----|---------|---------|---------|-------|-------|-------|-------|
|   5 |   3.482 |   0.762 |   4.538 | 0.762 | 3.482 |       |       |
|   7 |   3.519 |   0.772 |   4.639 | 0.804 | 4.639 | 0.772 | 3.519 |
(ε) κυμάτωση 3 db
Πίνακας 4.4.2. Κανονικοποιημένα παθητικά φίλτρα χαμηλών συχνοτήτων Chebyshev
Ας δούμε, όμως, ένα παράδειγμα υπολογισμού των αποκανονικοποιημένων τιμών των στοιχείων ενός φίλτρου.

 Παράδειγμα
Να σχεδιαστεί βαθυπερατό φίλτρο Butterworth τέταρτης τάξης, με χρήση παθητικών στοιχείων, με συχνότητα αποκοπής 2kHz και στάθμη εμπέδησης 5kΩ.

Λύση:
Από τον πίνακα 4.4.1 βρίσκουμε, ότι το επιθυμητό φίλτρο έχει την κανονικοποι -ημένη μορφή του σχήματος 4.4.3
Σχήμα 4.4.3. Κανονικοποιημένο βαθυπερατό φίλτρο Butterworth τέταρτης τάξης
Για την αποκανονικοποίηση εφαρμόζουμε τις σχέσεις 4.4.11 και παίρνουμε:
L= 0.765 5kΩ 2π 2kHz = 304.4mH 1  
C= 1.848 2π 2kHz 5kΩ = 29.4nF 2  
L= 1.848 5kΩ 2π 2kHz = 735.3mH 3  
C = 0.765 2π 2kHz 5kΩ = 12.2nF   GLYPH<four.denominator>
R$\_{s }$= R$\_{L }$= 1 5kΩ = 5kΩ
To αποκανονικοποιημένο φίλτρο φαίνεται στο σχήμα 4.4.4.

Σχήμα 4.4.4. Αποκανονικοποιημένο βαθυπερατό φίλτρο Butterworth τέταρτης τάξης
Ενεργά φίλτρα (active filters) είναι τα φίλτρα, που ενισχύουν το διερχόμενο σήμα, σε αντίθεση με τα παθητικά, που όχι μόνο δεν το ενισχύουν, αλλά πολ -λές φορές το εξασθενούν. Έχουν το πλεονέκτημα της απομόνωσης μεταξύ των διαφόρων βαθμίδων λόγω της υψηλής εμπέδησης εισόδου και χαμηλής εμπέδησης εξόδου του τελεστικού ενισχυτή. Η τάξη του φίλτρου καθορίζεται από τον αριθμό των πυκνωτών στην είσοδο και το βρόχο ανατροφοδότησης του ενισχυτή. Υπάρχουν τρεις βασικοί σχεδιασμοί ενεργών φίλτρων, που πα -ρουσιάζουν χαμηλή ευαισθησία στις μεταβολές των εξαρτημάτων κατασκευ -ής τους.

Η ευαισθησία , σε ένα κύκλωμα, αντιπροσωπεύει τις μεταβολές της εξόδου σε μεταβολές θερμοκρασίας των τιμών των εξαρτημάτων και γενικά οποιωνδήπο -τε παραγόντων, που μπορούν να επηρεάσουν το κύκλωμα. Για παράδειγμα, η μεταβολή της τιμής ενός παθητικού στοιχείου προκαλεί μεταβολή του παράγο -ντα Q και, κατά συνέπεια, της απόδοσης του κυκλώματος. Οι βασικές κατηγο -ρίες ενεργών φίλτρων είναι:

 Φίλτρα μοναδιαίας ενίσχυσης
Τα φίλτρα μοναδιαίας ενίσχυσης (unity-gain filters) προσφέρουν εξαιρετι -κή απόδοση ως βαθυπερατά και υψηπερατά φίλτρα και μπορούν να συν -δεθούν σε διαδοχή για το σχηματισμό φίλτρων υψηλότερης τάξης. Στο σχήμα 4.5.1 φαίνεται ένα τυπικό φίλτρο μοναδιαίας ενίσχυσης. Τα φίλτρα αυτά είναι τα πιο διαδομένα ενεργά φίλτρα και παρουσιάζουν πολύ μικρές ευαισθησίες ως προς τα παθητικά στοιχεία. Παρουσιάζουν, όμως, υψηλή ευαισθησία ενίσχυσης σε υλοποιήσεις, που απαιτούν ενίσχυση μεγαλύτε -ρη της μονάδας, με αποτέλεσμα να μην προτιμούνται σε αυτές τις περι -πτώσεις.

Σχήμα 4.5.1. Βαθυπερατό φίλτρο δεύτερης τάξης (φίλτρο Sallen-Key)

 Φίλτρα πολλαπλής ανατροφοδότησης
Τα φίλτρα πολλαπλής ανατροφοδότησης (multiple feedback filters), μαζί με τα φίλτρα μοναδιαίας ενίσχυσης, επιτυγχάνουν παράγοντες Q της τάξης του 10 και έχουν ιδιαίτερη αξία στην υλοποίηση βαθυπερατών και υψηπε -ρατών φίλτρων. Ταυτόχρονα, το βασικότερο πλεονέκτημα των κυκλωμάτων

4.5 Ενεργά Φίλτρα
πολλαπλής ανατροφοδότησης είναι ότι μπορούν να σχηματίσουν ζωνοδια -βατά φίλτρα με ένα και μόνο τελεστικό ενισχυτή. Στο σχήμα 4.5.2 φαίνεται ένα τυπικό φίλτρο πολλαπλής ανατροφοδότησης.
Σχήμα 4.5.2. Βαθυπερατό φίλτρο δεύτερης τάξης

 Biquad συντονιστές
Οι biquad συντονιστές (biquad resonators) παρέχουν χαμηλή ευαισθησία και παράγοντες Q της τάξης του 200. Χρησιμοποιούνται σε ζωνοδιαβατά συστήματα υψηλού Q. Το υψηλό Q, όμως, δεν εξασφαλίζει σταθερότητα στα φίλτρα αυτά. Αυτή εξαρτάται από τη διαθεσιμότητα επαρκούς ενίσχυ -σης βρόχου ενισχυτή στην κεντρική συχνότητα. Στο σχήμα 4.5.3 φαίνεται ένα τυπικό biquad φίλτρο.
Σχήμα 4.5.3. Biquad φίλτρο
Πρόσφατη τεχνική, που κάνει χρήση της τεχνολογίας MOS, κατέστησε δυνατή την πραγματοποίηση ενεργών φίλτρων μοναδιαίας ενίσχυσης σε ολοκληρωμέ -νο κύκλωμα, χωρίς την ανάγκη χρήσης εξωτερικών εξαρτημάτων.

Πυκνωτές MOS μικρής χωρητικότητας και διακόπτες MOS χρησιμοποιούνται σε κύκλωμα διακοπτόμενου πυκνωτή (switched-capacitor filters) για την εξομοίωση αντιστατών μεγάλης αντίστασης, υπό τον έλεγχο ενός πολυφασι -κού ρολογιού. Η συχνότητα λειτουργίας f$\_{c}$ του πυκνωτή καθορίζει τη φόρτισή του σε τάση V$\_{1}$ και την εκφόρτισή του σε τάση V$\_{2}$. Κατά συνέπεια, το μέσο ρεύ -μα i, από V$\_{1}$ σε V$\_{2}$, καθορίζει ισοδύναμη αντίσταση R, όπως φαίνεται και στο σχήμα 4.5.4. Η αντίσταση αυτή ορίζεται ως:

R= V-V i = 1 Cf 1 2 c × (4.5.1)
Σχήμα 4.5.4. Ισοδυναμία αντιστάτη με διακοπτόμενο πυκνωτή
Η συχνότητα λειτουργίας f$\_{c}$ είναι συνήθως πολύ υψηλότερη από τις συχνό -τητες του σήματος, ώστε ο χρόνος δειγματοληψίας του σήματος να μπορεί να παραβλεφθεί σε πιο απλοποιημένη ανάλυση. Σε τελική ανάλυση, η ακρί -βεια του φίλτρου καθορίζεται από τη σταθερότητα της συχνότητας f$\_{c}$ και την ακρίβεια της υλοποίησης των συντελεστών των MOS πυκνωτών. Στο σχήμα 4.5.5 φαίνεται ένας τυπικός μη αναστρέφων ολοκληρωτής με διακοπτόμε -νους πυκνωτές.

Σχήμα 4.5.5. Μη αναστρέφων ολοκληρωτής με διακοπτόμενους πυκνωτές
Η πιο σημαντική παράμετρος στην επιλογή τελεστικού ενισχυτή για ενεργά φίλτρα είναι η ενίσχυση ανοικτού βρόχου (openloop gain). Ο λόγος της ενί -σχυσης ανοικτού βρόχου προς την ενίσχυση κλειστού βρόχου πρέπει να εί -ναι της τάξης του 100 ή και μεγαλύτερος, για σταθερή απόδοση στις υψηλές συχνότητες. Αυτός ο περιορισμός είναι κρίσιμος στην υλοποίηση ζωνοδιαβα -τών φίλτρων, ώστε να είναι σίγουρο, ότι η υλοποίηση ακολουθεί τους υπολογι -σμούς της σχεδίασης. Όσον αφορά τη χρήση αντιστατών στα ενεργά φίλτρα, προτείνονται οι αντιστάσεις μεταλλικού φιλμ με θερμοκρασιακό συντελεστή 50ppm/°C. Οι αντιστάσεις άνθρακα πρέπει να αποφεύγονται, εκτός και αν ο ρόλος τους δεν είναι κρίσιμος.

Η επιλογή πυκνωτή είναι πιο δύσκολη λόγω των πολλών παραγόντων, που αλ -ληλεπιδρούν. Στις περισσότερες εφαρμογές προτείνονται πυκνωτές πολυστε -ρίνης λόγω του αξιόπιστου θερμοκρασιακού συντελεστή τους (-120ppm/°C). Για πυκνωτές πάνω από 0.1μF διατίθενται πολυκαρβονικοί πυκνωτές στο 1μF, με θερμοκρασιακό συντελεστή ±50ppm/°C. Οι πυκνωτές μίκας είναι πιο σταθεροί, με θερμοκρασιακό συντελεστή ±50ppm/°C, αλλά με χωρητικότητες από 100pF έως 5000pF.
Η επιλογή των ανοχών των αντιστατών και των πυκνωτών καθορίζει την ακρί -βεια της υλοποίησης του φίλτρου και ιδιαίτερα της συχνότητας αποκοπής και της ομαλότητας της ζώνης διέλευσης. Το κόστος, συνήθως, υπαγορεύει επιλο -γή αντιστάσεων με ανοχή 1% και ανοχή πυκνωτών 2-5%. Σε κρίσιμες εφαρμο -γές, δηλαδή εφαρμογές υψηλού Q, πρέπει να υπάρχει πρόβλεψη για περαιτέ -ρω ρυθμίσεις.

Ολοκληρώνοντας την περιγραφή των ενεργών φίλτρων, συνοψίζουμε σύντο -μα τα απαραίτητα βήματα για το σχεδιασμό βαθυπερατών και υψηπερατών φίλτρων μοναδιαίας ενίσχυσης, όπως αυτά που φαίνονται στο σχήμα 4.5.6. Πρώτα, επιλέγουμε την κατάλληλη προσέγγιση του φίλτρου, που δίνει την επι -θυμητή απόκριση, με βάση τις χαρακτηριστικές των φίλτρων, που αναπτύχθη -καν στις προηγούμενες παραγράφους. Έπειτα, επιλέγουμε το καταλληλότερο φίλτρο για την εφαρμογή από αυτά του σχήματος 4.5.6 και αποκανονικοποιού -με τις τιμές των στοιχείων του στις κατάλληλες συχνότητες και στάθμες εμπέ -δησης. Τέλος, υλοποιούμε το φίλτρο επιλέγοντας αντιστάσεις και πυκνωτές με όσο το δυνατόν μικρότερες ανοχές.

Στο σχήμα 4.5.6, αναφέρεται ο μετασχηματισμός RC:CR . Με τη βοήθεια του μετασχηματισμού αυτού εύκολα προκύπτει υψηπερατό φίλτρο από βαθυπερα -τό και το αντίστροφο. Αυτό γίνεται, αν αντικαταστήσουμε τις αντιστάσεις τιμής R με πυκνωτές τιμής 1/R και τους πυκνωτές τιμής C με αντιστάσεις τιμής 1/C.
Σχήμα 4.5.6. Βαθυπερατά και υψηπερατά φίλτρα μοναδιαίας ενίσχυσης με δύο και τρεις πόλους, συνδεδεμένα με τον RC:CR μετασχηματισμό

4.6 Φίλτρα Ζώνης
Τα φίλτρα ζώνης ή ζωνοδιαβατά φίλτρα επιτρέπουν, όπως είδαμε, τη διέλευ -ση ζώνης συχνοτήτων με εύρος Β και κεντρική συχνότητα f$\_{o}$, ενώ εξασθενούν όλες τις άλλες συχνότητες. Η συνάρτηση μεταφοράς ζωνοδιαβατού φίλτρου είναι της μορφής:
H(s) =K 2πf Q s s+ 2πf Q s+ 2πf o 2 o o 2 ( ) (4.6.1)
όπου Q ο παράγοντας ποιότητας του φίλτρου. Η απόκριση μέτρου ζωνοδιαβα -τού φίλτρου φαίνεται στο σχήμα 4.6.1 (για Κ=1). Για όλες τις τιμές του Q, πα -ρουσιάζεται μείωση πλάτους -12dB/octave, μια οκτάβα πάνω και μια οκτάβα κάτω από την κεντρική συχνότητα f$\_{o}$. Υπενθυμίζεται, ότι ως οκτάβα ορίζεται το διάστημα για το διπλασιασμό της συχνότητας. Μεγαλύτερες εξασθενήσεις μπορούν να επιτευχθούν συνδέοντας σε διαδοχή τέτοια φίλτρα. Η απόκριση φάσης ζωνοδιαβατού φίλτρου είναι ισοδύναμη με την απόκριση υψηπερατού και βαθυπερατού συνδεδεμένα σε διαδοχή. Αυτή η φάση έχει κλίση, της οποίας η μεταβολή είναι μονοτονική και έχει τιμή μηδέν στην κεντρική συχνότητα.

Σχήμα 4.6.1. Απόκριση μέτρου ζωνοδιαβατού φίλτρου
Εκτός από το ζωνοδιαβατό φίλτρο, χρησιμοποιείται ευρέως και το φίλτρο απόρριψης ζώνης (bandreject ή band-elimination ή notch filter), το οποίο επιτρέπει τη διέλευση όλων των συχνοτήτων εκτός από αυτές, που βρίσκονται γύρω από την κεντρική συχνότητα. Η συνάρτηση μεταφοράς ενός τέτοιου φίλ -τρου είναι της μορφής:
H(s) =K s 2πf s+ 2πf Q s+ 2πf 2 o 2 2 o o 2 + ( ) ( ) (4.6.2)
Η απόκριση μέτρου ενός φίλτρου απόρριψης ζώνης φαίνεται στο σχήμα 4.6.2 (για Κ=1). Η απόκριση φάσης έχει τα ίδια χαρακτηριστικά με αυτή του ζωνοδι -αβατού φίλτρου.

Σχήμα 4.6.2. Απόκριση μέτρου φίλτρου απόρριψης ζώνης
Στη συνέχεια εξετάζουμε ορισμένα χαρακτηριστικά φίλτρα, που αποτελούν εφαρμογές ή και ειδικές περιπτώσεις των παραπάνω. Στο σχήμα 4.6.3 φαίνε -ται ένα ζωνοδιαβατό φίλτρο πολλαπλής ανατροφοδότησης.
Σχήμα 4.6.3. Ζωνοδιαβατό φίλτρο πολλαπλής ανατροφοδότησης
Οι τιμές των στοιχείων του παραπάνω φίλτρου δίνονται από τις σχέσεις:
$\_{ }$R= Q 2πfC 1 o R= R 2Q -1 2 1 2 R$\_{3}$ = 2R$\_{1}$ (4.6.3)
Η τιμή του πυκνωτή C επιλέγεται, συνήθως, με το σκεπτικό, ότι οι τιμές των αντιστάσεων πρέπει να έχουν λογικές τιμές και ανοχή 1%. Αξίζει να σημειωθεί, ότι το κύκλωμα αυτό παρέχει αντιστροφή σήματος.

Για υψηλότερο παράγοντα Q προτείνεται το biquad ζωνοδιαβατό φίλτρο του σχήματος 4.6.4 (Tow-Thomas biquad). Παρά το γεγονός ότι απαιτεί τρεις τε -λεστικούς ενισχυτές, παρέχει τη δυνατότητα ανεξάρτητης ρύθμισης της κε -ντρικής συχνότητας f$\_{o}$, του παράγοντα Q και της ενίσχυσης Κ. Οι τιμές των στοιχείων του φίλτρου αυτού σχετίζονται ως εξής:
$\_{ }$C= 1 2πfR o Rd = Q  R R= R K g d (4.6.4)
Σχήμα 4.6.4. Biquad ζωνοδιαβατό φίλτρο
Ο πίνακας 4.6.1 δείχνει τις τιμές των στοιχείων του φίλτρου του παραπάνω σχήματος για διάφορα f$\_{o}$, Q, Κ και για R=10kΩ. Οι τιμές των αντιστάσεων r είναι αυθαίρετες, αλλά ίδιες μεταξύ τους.

Πίνακας 4.6.1. Τιμές των στοιχείων του φίλτρου του σχήματος 4.6.4

|   f$\_{0}$ (Hz) |   Q | K     |   C (nF) |   R$\_{d}$ (MΩ) |   R$\_{g}$ (kΩ) |
|----------------|-----|-------|----------|----------------|----------------|
|             10 |  10 | Q/100 |   1600   |            0.1 |           1000 |
|            100 |  50 | Q/50  |    160   |            0.5 |            500 |
|           1000 | 100 | Q/10  |     16   |            1   |            100 |
|          10000 | 200 | Q     |      1.6 |            2   |             10 |
Τα περισσότερα συστήματα μετρήσεων στηρίζονται στη μέτρηση του πλάτους των εξόδων των μετατροπέων, με αποτέλεσμα να επιδιώκουμε, σε αυτές τις περιπτώσεις, τη διατήρηση της ομαλότητας και του πλάτους στη ζώνη διέλευ -σης του σήματος. Στα προηγούμενα φίλτρα η απόκριση μέτρου ελαττώνεται απότομα αριστερά και δεξιά από την κεντρική συχνότητα. Για το λόγο αυτό, κρίνονται ανεπαρκή για σήματα με εκτεταμένο φασματικό περιεχόμενο. Στη θέση τους χρησιμοποιούνται φίλτρα με εκτεταμένη και ομαλή (χωρίς μεγάλη κυμάτωση) ζώνη διέλευσης. Τέτοιο φίλτρο είναι το φίλτρο συντονισμένων βαθμίδων (stagger tuned filter), που αποτελείται από πολλά ζωνοδιαβατά φίλ -τρα απλού συντονισμού (single tuned bandpass filter) σε διαδοχή, όπως φαί -νεται στο σχήμα 4.6.5. Σε τέτοιο φίλτρο συνδέουμε σε διαδοχή συντονισμένα κυκλώματα με παραπλήσιες συχνότητες συντονισμού, ώστε η τελική απόκριση να παρουσιάζει μεγάλο εύρος ζώνης με απότομη κλίση στα όρια της αποκο -πής.

Σχήμα 4.6.5. Ζωνοδιαβατό φίλτρο συντονισμένων βαθμίδων πολλαπλής ανατροφοδότησης
Στον πίνακα 4.6.2 παρουσιάζονται οι κεντρικές συχνότητες f$\_{oi}$ και το εύρος ζώ -νης Β$\_{i}$, που πρέπει να έχουν τα απλά συντονισμένα φίλτρα, για να πετύχουμε την επιθυμητή κεντρική συχνότητα f$\_{o }$και το επιθυμητό εύρος ζώνης Β του φίλ -τρου συντονισμένων βαθμίδων συναρτήσει του αριθμού των βαθμίδων.
Πίνακας 4.6.2. Κεντρικές συχνότητες και εύρη ζώνης κάθε βαθμίδας ενός φίλτρου συντονισμένων βαθμίδων

| Αριθμός Βαθμίδων   | B$\_{i}$   | f$\_{oi}$      |
|--------------------|-----------|---------------|
| 1                  | B         | f$\_{o}$       |
|                    | 0.71Β     | f$\_{ο}$+0.35Β |
| 2                  | 0.71Β     | f$\_{o}$-0.35B |
|                    | 0.5Β      | f$\_{o}$+0.43B |
|                    | 0.5Β      | f$\_{o}$-0.43B |
| 3                  | Β         | f$\_{o}$       |
|                    | 0.38Β     | f$\_{o}$+0.46B |
|                    | 0.38Β     | f$\_{o}$-0.46Β |
|                    | 0.93Β     | f$\_{o}$+0.19B |
| 4                  | 0.93Β     | f$\_{o}$-0.19B |

Το βασικότερο μειονέκτημα των φίλτρων συντονισμένων βαθμίδων είναι η απώλεια ενίσχυσης. Βέβαια, η απώλεια αυτή μπορεί να ισοσταθμιστεί για κάθε βαθμίδα χωριστά.
Η μετατροπή ρεύματος σε τάση είναι χρήσιμη, όταν το ρεύμα πρέπει να μετρη -θεί, χωρίς να επηρεαστεί από την εισαγωγή αντίστασης στο κύκλωμα, καθώς και όταν είναι επιθυμητή η μέτρηση ρεύματος μιας πραγματικής πηγής ρεύμα -τος, όπως π.χ. ενός φωτοκύτταρου. Εξάλλου χρησιμεύει για τη μετατροπή του ρεύματος εξόδου ενός DAC σε τάση. Στο σχήμα 4.7.1 φαίνεται ένα κύκλωμα κατάλληλο για τη μετατροπή ρεύματος σε τάση. Στην ιδανική περίπτωση η αντίσταση εισόδου του είναι μηδέν. Η τάση εξόδου του είναι:

V$\_{ο }$ = -R$\_{f}$  I (4.7.1)
Σχήμα 4.7.1. Μετατροπέας ρεύματος σε τάση (current-to-voltage converter)
Στο σχήμα 4.7.2 φαίνεται η χρήση του παραπάνω μετατροπέα ρεύματος σε τάση για τη μέτρηση ρεύματος από φωτοανιχνευτές (photodetectors), όπως είναι το φωτοκύτταρο και η φωτοδίοδος. Όταν ο διακόπτης βρίσκεται στη θέση 1, συνδέεται το φωτοκύτταρο. Η αντίστασή του είναι πολύ υψηλή στο σκοτάδι (>500kΩ) και πολύ χαμηλή όταν φωτίζεται (~ 5kΩ). Αν E=5V, τότε το ρεύμα στο φωτοκύτταρο είναι 10μΑ στο σκοτάδι και 1mA σε ηλιοφάνεια. Όταν ο διακό -πτης βρίσκεται στη θέση 2, η φωτοδίοδος συνδέεται ανάστροφα. Στο σκοτάδι η φωτοδίοδος άγει μικρό ρεύμα διαρροής της τάξης των nA, αλλά ανάλογα με την ακτινοβολία, που προσπίπτει πάνω της, μπορεί να γίνει 50μΑ και περισ -σότερο. Έτσι, το ρεύμα εξαρτάται από την προσπίπτουσα ακτινοβολία και όχι από την τάση Ε.

Σχήμα 4.7.2. Μέτρηση ρεύματος εξόδου από φωτοανιχνευτές

Μετατροπείς Ρεύματος Τάσης
Στο σχήμα 4.7.3 φαίνεται κύκλωμα κατάλληλο για τη μετατροπή τάσης σε ρεύ -μα, που διέρχεται μέσα από το στοιχείο Ζ. Για ιδανικό τελεστικό ενισχυτή το ρεύμα στο στοιχείο Ζ δίνεται από τη σχέση:
I= V R$^{i}$ (4.7.2)
Σχήμα 4.7.3. Μετατροπέας τάσης σε ρεύμα
Το παραπάνω κύκλωμα είναι χρήσιμο στις περιπτώσεις, όπου φορτίο μικρής αντίστασης (π.χ. ένα πηνίο) πρέπει να τροφοδοτηθεί από πηγή τάσης υψηλής σχετικά αντίστασης. Αξίζει να σημειωθεί, ότι το παραπάνω κύκλωμα ενεργεί και ως πηγή σταθερού ρεύματος, αφού η έξοδος είναι ανεξάρτητη από το φορτίο Ζ. Στο σχήμα 4.7.4 φαίνεται ένας εναλλακτικός μετατροπέας τάσης σε ρεύμα, που κάνει χρήση της έννοιας της αρνητικής αντίστασης. Πράγματι, το κύκλω -μα εντός των διακεκομμένων γραμμών ονομάζεται μετατροπέας αρνητικής εμπέδησης (NIC: negative impedance converter) και υλοποιεί την αρνητική αντίσταση -R. Για το συνολικό κύκλωμα ισχύει η σχέση 4.7.2.

Σχήμα 4.7.4. Μετατροπέας τάσης σε ρεύμα με τη χρήση αρνητικής αντίστασης
Στα σχήματα 4.7.5(α) και (β) φαίνονται εναλλακτικοί μετατροπείς τάσης σε ρεύμα, στην περίπτωση που η τάση εισόδου δεν αναφέρεται ως προς τη γείωση.
Σχήμα 4.7.5. Μετατροπείς τάσης σε ρεύμα
4.8 Γειώσεις
- - Τερματισμός
- - Θωράκιση
Ως γείωση (grounding) ορίζεται το τμήμα ηλεκτρικού ή ηλεκτρονικού κυκλώμα -τος, που βρίσκεται σε μηδενικό δυναμικό σε σχέση με τη γη. Ο τρόπος, που θα γειωθεί ένα κύκλωμα, του εξασφαλίζει ή όχι προστασία απέναντι σε διάφορες μορφές θορύβου. Την προστασία αυτής της μορφής προσπαθούμε να εξασφα -λίσουμε και σε κυκλώματα εισόδου συστημάτων μέτρησης, που βασίζονται σε υπολογιστή (computer based).

Στο σχήμα 4.8.1 φαίνονται τρεις διαφορετικοί τρόποι γείωσης και τα αντίστοιχα ισοδύναμα κυκλώματα, που τους αναλύουν. Η μέθοδος σύνδεσης με σειρια -κή γείωση μονού σημείου έχει σαν αποτέλεσμα τα ρεύματα τροφοδοσίας των κυκλωμάτων να δημιουργούν πτώσεις τάσης, που καταλήγουν σε διαφορετική τάση αναφοράς σε κάθε κύκλωμα:
V$\_{A}$ = (I$\_{1}$ + I$\_{2}$ + I$\_{3}$)Z$\_{1}$ (4.8.1)
V$\_{B}$ = (I$\_{1}$ + I$\_{2}$ + I$\_{3}$)Z$\_{1}$ + (I$\_{2}$ + I$\_{3}$)Z$\_{2}$ (4.8.2)
V$\_{C}$ = (I$\_{1}$ + I$\_{2}$ + I$\_{3}$)Z$\_{1}$ + (I$\_{2}$ + I$\_{3}$)Z$\_{2}$ + I$\_{3}$Z$\_{3}$ (4.8.3)

Επειδή τα σήματα εξόδου του κάθε κυκλώματος αναφέρονται σε διαφορετικές τάσεις αναφοράς, αυτή η πηγή παρεμβολής μπορεί να είναι πολύ σημαντική. Έτσι, αυτή η μέθοδος δεν πρέπει να χρησιμοποιείται, αν τα κυκλώματα έχουν παρόμοια ρεύματα τροφοδοσίας.
Σχήμα 4.8.1. Τρόποι γείωσης και ισοδύναμα κυκλώματα: α) σειριακή μονού σημείου, β) παράλληλη μονού σημείου και γ) παράλληλη πολλαπλών σημείων
Σε κάθε περίπτωση, οι πιο ευαίσθητες βαθμίδες πρέπει να τοποθετούνται κο -ντά στο κοινό σημείο αναφοράς. Το πρόβλημα της σειριακής γείωσης μονού σημείου αντιμετωπίζεται με την παράλληλη γείωση μονού σημείου, που είναι η καλύτερη μέθοδος γείωσης στις χαμηλές συχνότητες. Στις υψηλές συχνότη -τες (>10ΜΗz), οι γειώσεις πολλαπλών σημείων είναι καλύτερες γιατί εισάγουν μικρότερη εμπέδηση.

Η θωράκιση (shielding) αγωγού είναι υλικό κατάλληλα μορφοποιημένο, για να εμποδίζει ή να ελαττώνει την επιρροή από ηλεκτρικό ή από μαγνητικό πεδίο, που υπάρχει στον περιβάλλοντα χώρο. Όταν πρόκειται για θωρακισμένο κα -λώδιο, αυτό είναι καλυμμένο με μεταλλικό μονό ή διπλό πλέγμα συρμάτων ή άλλου υλικού. Ειδικότερα, η εξωτερική παρεμβολή, που επιδρά σε κυκλώματα χαμηλού επιπέδου σήματος, είναι κοινό πρόβλημα σε βιομηχανικές εφαρμο -γές, με αποτέλεσμα να έχουν αναπτυχθεί διάφορες τεχνικές αντιμετώπισης, με σπουδαιότερη αυτή της θωράκισης. Ο θόρυβος, που επιδρά σε καλώδια σήματος και σε ενεργειακούς διαύλους εισόδου, έχει ως αιτία δημιουργίας, όπως ήδη αναφέρθηκε, τις τοπικές πηγές ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου. Για παράδειγμα, ένα μη θωρακισμένο καλώδιο σήματος δέχεται παρεμβολή (interference) 1 mV, για κάθε kW φορτίου 60Ηz και για κάθε 30cm περίπου καλωδίου, που βρίσκεται σε απόσταση 30cm από γειτονικό αγωγό ισχύος. Οι περισσότερες παρεμβολές προέρχονται από γειτονικές πηγές ηλεκτρικών πε -δίων, όπου ο αποτελεσματικότερος μηχανισμός εξασθένησής τους είναι η ανά -κλαση από μη μαγνητικό υλικό, όπως ο χαλκός ή το αλουμίνιο. Τα καλώδια, που είναι θωρακισμένα με αυτά τα υλικά, προσφέρουν εξασθένηση παρεμβο -λής 90dB τάσης στα 60Hz. Ωστόσο, η δυνατότητα εξασθένησης μειώνεται κατά 20dB/decade, όταν η συχνότητα αυξάνεται.

Για μαγνητικά πεδία, η απορρόφηση είναι αποτελεσματικός μηχανισμός, που πραγματοποιείται με ατσαλένια ή μεταλλική θωράκιση. Η παρεμβολή μαγνητι -κού πεδίου παρουσιάζει τις μεγαλύτερες δυσκολίες στην αντιμετώπιση της με θωράκιση, γιατί όταν αυξάνεται η συχνότητα, η αποτελεσματικότητα της θωρά -κισης ελαττώνεται. Εφαρμογές, που απαιτούν μαγνητική θωράκιση, υλοποιού -νται συνήθως με την εγκατάσταση καλωδίων σήματος σε ατσαλένιους οδηγούς με το απαραίτητο πάχος τοιχωμάτων.
Ως τερματισμός (termination) γραμμής ορίζεται η συνδεδεμένη εμπέδηση φορτίου στην έξοδο γραμμής μεταφοράς ή μετατροπέα, που κλείνει το κύ -κλωμα, ενώ εξασφαλίζει προσαρμογή εμπεδήσεων για την αποφυγή ανα -κλάσεων. Ο τερματισμός έχει πολύ μεγάλη σημασία σε συστήματα συλλογής δεδομένων (DAS: data acquisition systems) και, ειδικότερα, στον τρόπο, που τα αισθητήρια λαμβάνουν τα σήματα από το περιβάλλον. Συνήθως, τα DAS συνδέονται με το φυσικό περιβάλλον μέσω πίνακα (panel) σύνδεσης, όπως το screw-terminal barrier strip.

Ανακεφαλαίωση
-  Τα φίλτρα διακρίνονται σε βαθυπερατά, υψηπερατά, ζωνοδιαβατά και απόρριψης ζώνης. Χαρακτηριστικά φίλτρα χαμηλών συχνοτήτων μόνο πόλων είναι τα φίλτρα Butterworth με επίπεδη απόκριση μέτρου στην περιοχή δι -έλευσης, τα φίλτρα Chebyshev με κυμάτωση στη ζώνη διέλευσης και τα φίλτρα Bessel με γραμμική καθυστέρηση φάσης.
-  Τα παθητικά φίλτρα υλοποιούνται με τη βοήθεια πινάκων, που δίνουν τις κανονικοποιημένες τιμές των στοιχείων τους. Οι τιμές αυτές αποκανονικο -ποιούνται στην επιθυμητή συχνότητα αποκοπής και στην ανάλογη στάθμη εμπέδησης.
- Τα ενεργά φίλτρα διακρίνονται σε φίλτρα μοναδιαίας ενίσχυσης, πολλαπλής ανατροφοδότησης και biquad. Σημαντικά είναι τα κυκλώματα διακοπτόμε -νου πυκνωτή. Για τη μετατροπή βαθυπερατών φίλτρων σε υψηπερατά, χρησιμοποιείται ο RC:CR μετασχηματισμός.
-  Οι μετατροπείς ρεύματος σε τάση και τάσης σε ρεύμα είναι πολύ σημαντικοί στην μέτρηση σημάτων.
-  Τα ζωνοδιαβατά φίλτρα υλοποιούνται με φίλτρα πολλαπλής ανατροφοδότη -σης, biquad φίλτρα και φίλτρα συντονισμένων βαθμίδων. 
-  Οι γειώσεις διακρίνονται σε σειριακές μονού σημείου, παράλληλες μονού σημείου και παράλληλες πολλαπλών σημείων. Στη θωράκιση χρησιμοποι -είται η ανάκλαση για τις παρεμβολές από ηλεκτρικά πεδία και η απορρό -φηση για παρεμβολές από μαγνητικά. Ο τερματισμός γραμμής εξασφαλίζει προσαρμογή εμπεδήσεων για την αποφυγή ανακλάσεων.

 Ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής
- 1. Τα φίλτρα Butterworth παρουσιάζουν:
- α) κυμάτωση στην περιοχή διέλευσης
- β) επίπεδη απόκριση μέτρου στην περιοχή διέλευσης
- γ) γραμμική καθυστέρηση φάσης
- δ) όλα τα παραπάνω
- 2. Το κύκλωμα διαφόρισης είναι ουσιαστικά:
- α) βαθυπερατό φίλτρο
- β) υψηπερατό φίλτρο
- γ) ζωνοδιαβατό φίλτρο
- δ) φίλτρο απόρριψης ζώνης
- 3. Με τον RC:CR μετασχηματισμό προκύπτει:
- α) υψηπερατό φίλτρο από βαθυπερατό
- β) ζωνοδιαβατό φίλτρο από υψηπερατό
- γ) βαθυπερατό φίλτρο από ζωνοδιαβατό
- δ) τίποτα από τα παραπάνω
- 4. Για να αποφύγουμε τις παρεμβολές από ηλεκτρικά πεδία χρησιμοποιού -
- α) θωράκιση με ανάκλαση
- β) θωράκιση με απορρόφηση
- γ) θωράκιση με ανάκλαση και απορρόφηση
- δ) τίποτα από τα παραπάνω

 Ερωτήσεις του τύπου Σωστό/Λάθος
- 1. Τα παθητικά φίλτρα αποτελούνται από τρανσίστορ ή τελεστικούς ενισχυ -τές μαζί με αντιστάσεις, πηνία και πυκνωτές.
- 2. Το ζωνοδιαβατό φίλτρο πολλαπλής ανατροφοδότησης παρέχει τη δυνατό -τητα ανεξάρτητης ρύθμισης της κεντρικής συχνότητας και της ενίσχυσης.
- 3. Η μέθοδος σύνδεσης με σειριακή γείωση μονού σημείου έχει σαν αποτέ -λεσμα τα ρεύματα τροφοδοσίας των κυκλωμάτων να δημιουργούν πτώ -σεις τάσης που καταλήγουν σε διαφορετική τάση αναφοράς σε κάθε κύ -κλωμα.
- 4. Ο τερματισμός γραμμής εξασφαλίζει προσαρμογή εμπεδήσεων για την αποφυγή ανακλάσεων.

 Ερωτήσεις αντιστοίχισης
- 1. Να αντιστοιχίσετε τα στοιχεία της πρώτης στήλης με αυτά της δεύτερης στήλης:
Βαθυπερατό φίλτρο
Αποκόπτονται χαμηλές συχνότητες
Υψηπερατό φίλτρο
Διέρχονται χαμηλές συχνότητες
Ζωνοδιαβατό φίλτρο
Αποκόπτεται ζώνη συχνοτήτων
Φίλτρο απόρριψης ζώνης
Διέρχεται ζώνη συχνοτήτων

 Ερωτήσεις συμπλήρωσης κενού
- 1. Τα  φίλτρα εξασθενούν τη τάση εξόδου για όλες τις συχνό -τητες κάτω από τη συχνότητα  .
- 2. Η απόκριση μέτρου του φίλτρου  παρουσιάζει κυμάτωση ίσου ύψους στη ζώνη  και μέγιστο ρυθμό  πέρα από τη συχνότητα αποκοπής.
- 3. Για την  των τιμών των στοιχείων ενός  φίλ -τρου χρειαζόμαστε την επιθυμητή συχνότητα  του φίλτρου και τη στάθμη .
- 4. Σε ζωνοδιαβατό φίλτρο

 βαθμίδων συνδέουμε σε  συντονισμένα κυκλώματα με παραπλήσιες συχνότη -τες , ώστε η τελική απόκριση να παρουσιάζει μεγάλο
 ζώνης με απότομη κλίση στα όρια της .

 Ερωτήσεις ανοικτού τύπου
- 1. Περιγράψτε τους τύπους φίλτρων, που γνωρίζετε.
- 2. Συγκρίνετε τα φίλτρα χαμηλών συχνοτήτων Butterworth, Chebyshev και Bessel.
- 3. Πώς σχεδιάζουμε ένα παθητικό βαθυπερατό φίλτρο;
- 4. Περιγράψτε τους τύπους των ενεργών φίλτρων, που γνωρίζετε.
- 5. Περιγράψτε την υλοποίηση ζωνοδιαβατού φίλτρου με τη μέθοδο συντονι -σμένων βαθμίδων.
- 6. Σχεδιάστε και αναλύστε έναν μετατροπέα ρεύματος σε τάση. Που χρησι -μοποιείται;
- 7. Περιγράψτε τους τύπους γείωσης, που γνωρίζετε.
- 1. Ένα ζωνοδιαβατό φίλτρο έχει κατώτερη συχνότητα αποκοπής 300Ηz και ανώτερη 3kHz. Να βρεθεί το εύρος ζώνης και η κεντρική συχνότητα του φίλτρου.

(2.7kHz, 948.7Hz)
- 2. Ένα ζωνοδιαβατό φίλτρο έχει κεντρική συχνότητα 950Hz και εύρος ζώνης 2.7kHz. Να βρεθεί η ανώτερη και κατώτερη συχνότητα αποκοπής. (3kHz, 300Hz)
- 3. Να βρεθεί ο παράγοντας Q ενός ζωνοδιαβατού φίλτρου με κεντρική συ -χνότητα 950Ηz και εύρος ζώνης 2.7kHz.
(0.35)
- 4. Να βρεθεί το ρεύμα εισόδου του κυκλώματος του σχήματος 4.7.1, αν η τάση εξόδου είναι 5V και R$\_{f}$ = 100kΩ.
(50μΑ)
- 5. Στο κύκλωμα του σχήματος 4.7.2, ο διακόπτης βρίσκεται στη θέση 1 και R$\_{f}$=10kΩ. Αν το ρεύμα στο φωτοκύτταρο είναι 10μΑ στο σκοτάδι και 1mA σε ηλιοφάνεια, να βρεθεί η τάση εξόδου στην κάθε περίπτωση.

(0.1V, 10V)
- 6. Στο κύκλωμα του σχήματος 4.7.2, ο διακόπτης βρίσκεται στη θέση 2 και R$\_{f}$=100kΩ. Να βρεθεί η τάση εξόδου, όταν το ρεύμα στη φωτοδίοδο είναι 1μΑ και 50μΑ.
(0.1V, 5V)
- 7. Να σχεδιαστεί βαθυπερατό φίλτρο Butterworth τρίτης τάξης, με χρήση πα -θητικών στοιχείων, με συχνότητα αποκοπής 5kHz και στάθμη εμπέδησης 10kΩ.
- 8. Να σχεδιαστεί βαθυπερατό φίλτρο Chebyshev τρίτης τάξης κυμάτωσης 0.1 dB, με χρήση παθητικών στοιχείων, με συχνότητα αποκοπής 5kHz και στάθμη εμπέδησης 10kΩ.

Ασκήσεις
-  Συστήματα Συλλογής και Μετατροπής Δεδομένων
-  Κυκλώματα Δειγματοληψίας-Κράτησης
- Πολυπλέκτες
- Κώδικες Αναπαράστασης και Σφάλματα Μετατροπέων
- Ολοκληρωμένοι DACs
-  Μετατροπείς Ψηφιακού Σήματος σε Αναλογικό
-  Μετατροπείς Αναλογικού Σήματος σε Ψηφιακό
-  Δειγματοληπτημένα Δεδομένα
- Μετατροπείς και Μικροεπεξεργαστές/Μικροελεγκτές
- Θόρυβος Αλίασης
- Επιλογή Κατάλληλου Μετατροπέα, Πολυπλέκτη, S/H
-  Σφάλματα σε Σχέση με τη Δειγματοληψία

Σκοπός
Όταν ολοκληρώσεις το κεφάλαιο αυτό, θα μπορείς:
-  Να κατονομάζεις και να περιγράφεις τις βασικές δομικές μονάδες (ολοκληρω -μένα κυκλώματα) από τα οποία αποτελείται ένα σύστημα συλλογής και μετα τροπής σημάτων.
-  Να σχεδιάζεις και να περιγράφεις κυκλώματα μετατροπής ψηφιακού σήματος σε αναλογικό.
-  Να κατονομάζεις και να περιγράφεις τους βασικότερους κώδικες που χρησιμο -ποιούνται στις μετατροπές σημάτων, καθώς και τα σφάλματα που απαντώνται στους μετατροπείς.
-  Να κατονομάζεις και να περιγράφεις τη λειτουργία διαφόρων κυκλωμάτων με -τατροπής αναλογικού σήματος σε ψηφιακό.
-  Να κατονομάζεις και να περιγράφεις τα σημαντικότερα σφάλματα σε σχέση με τη δειγματοληψία σημάτων.
-  Να κατονομάζεις πρακτικά ολοκληρωμένα κυκλώματα μετατροπέων και να πε -ριγράφεις τη διασύνδεσή τους με μικροεπεξεργαστές/μικροελεγκτές.
-  Να κατονομάζεις τρόπους ανασύνθεσης σημάτων.
- Να αποφασίζεις ποιο κύκλωμα μετατροπέα, πολυπλέκτη ή δειγματοληψίας κράτησης είναι κατάλληλο για κάθε εφαρμογή.

Τα συστήματα συλλογής και μετατροπής δεδομένων χρησιμοποιούνται για τη συλλογή αναλογικών σημάτων από μια ή περισσότερες πηγές και τη μετατρο -πή αυτών των σημάτων σε ψηφιακή μορφή για ανάλυση ή επεξεργασία από υπολογιστές ή μετάδοση μέσω τηλεπικοινωνιακών δικτύων. Αυτά τα αναλογικά σήματα προέρχονται, συνήθως, από αισθητήρια, τα οποία μετατρέπουν πραγ -ματικές φυσικές παραμέτρους, όπως π.χ. πίεση, θερμοκρασία και ροή, σε ισοδύναμα ηλεκτρικά σήματα. Τα ισοδύναμα ηλεκτρικά σήματα μετατρέπονται, στη συνέχεια, από το σύστημα συλλογής δεδομένων και χρησιμοποιούνται από τις συσκευές, στις οποίες καταλήγουν, σε ψηφιακή μορφή. Η ικανότητα του ηλεκτρονικού συστήματος να διατηρεί την ακρίβεια του αρχικού σήματος, αποτελεί και τον κύριο παράγοντα ποιότητας του συστήματος.

Τα κύρια στοιχεία, που απαιτούνται για ένα σύστημα συλλογής και μετατροπής αναλογικών σημάτων σε ισοδύναμη ψηφιακή μορφή και αντίστροφα, είναι τα ακόλουθα:
-  Αναλογικός/ψηφιακός πολυπλέκτης
- Κύκλωμα δειγματοληψίας κράτησης
- Μετατροπέας αναλογικού σήματος σε ψηφιακό / ψηφιακού σήματος σε αναλογικό
-  Λογική χρονισμού/διαχείρισης της όλης διαδικασίας
Σχήμα 5.1.1. Μετατροπή δεδομένων μονού καναλιού
Τα σημερινά συστήματα συλλογής δεδομένων περιέχουν, συνήθως, όλα τα απαραίτητα στοιχεία για τη συλλογή και μετατροπή, εκτός, ίσως, από το φιλ -τράρισμα της εισόδου και τη διευθέτηση του σήματος πριν την αναλογική πο -λυπλεξία. Σε τέτοιο σύστημα, τα αναλογικά σήματα πολυπλέκονται από τον αναλογικό πολυπλέκτη, το σήμα εξόδου, του οποίου εφαρμόζεται σε ένα κύ -κλωμα δειγματοληψίας κράτησης S/Η. Το κύκλωμα αυτό είναι προγραμματι -σμένο να συλλέγει και να κρατά κάθε δείγμα πολυπλεγμένων δεδομένων, το οποίο μετατρέπεται σε ψηφιακή μορφή από μετατροπέα αναλογικού σήματος σε ψηφιακό (ADC). Το δείγμα, που έχει μετατραπεί, παρουσιάζεται, στη συνέ -χεια, στην έξοδο του ADC σε παράλληλη ή/και σειριακή ψηφιακή μορφή για περαιτέρω επεξεργασία. Στο σχήμα 5.1.1 φαίνονται τα παραπάνω στοιχεία για τη μετατροπή δεδομένων σε ένα μονό κανάλι, οπότε δεν απαιτείται και η

5.1

Συστήματα Συλλογής και Μετατροπής Δεδομένων
σχετική πολυπλεξία. Ο μετατροπέας ADC ενημερώνει τον καταχωρητή για την κατάσταση, στην οποία βρίσκονται τα δεδομένα, ενώ ο καταχωρητής ενημε -ρώνει το κύκλωμα δειγματοληψίας κράτησης για το πότε πρέπει να αρχίσει τη δειγματοληψία και τον ADC για το πότε να ξεκινήσει τη μετατροπή.
Σχήμα 5.1.2. Μετατροπή πολλών καναλιών με πολυπλεξία πριν τη δειγματοληψία
Σχήμα 5.1.3. Μετατροπή πολλών καναλιών με πολυπλεξία μετά τη δειγματοληψία
Στο σχήμα 5.1.2 φαίνεται ένα άλλο σχήμα μετατροπής με πολλά κανάλια, όπου η πολυπλεξία προηγείται της δειγματοληψίας. Όταν μια μετατροπή ολοκλη -
ρώνεται, η γραμμή κατάστασης από τον ADC αναγκάζει το S/Η να ξεκινήσει νέα δειγματοληψία και να συλλέξει το επόμενο κανάλι. Όταν ολοκληρωθεί η συλλογή, το S/Η περνάει σε κατάσταση κράτησης, νέα μετατροπή ξεκινά και ο κύκλος συνεχίζεται. Το σχήμα 5.1.3 δείχνει σχήμα μετατροπής με πολλά κανά -λια όπου, όμως, η πολυπλεξία γίνεται μετά τη δειγματοληψία. Όλα τα κανάλια δειγματοληπτούνται ταυτόχρονα, γεγονός, που αυξάνει τον αριθμό των κυ -κλωμάτων S/Η και την ταχύτητα της όλης μετατροπής. Το σχήμα 5.1.4 δείχνει εναλλακτική μετατροπή με πολλά κανάλια, όπου η πολυπλεξία γίνεται μετά τη μετατροπή, οπότε και είναι ψηφιακή. Ο τρόπος αυτός εφαρμόζεται συχνά τον τελευταίο καιρό, επειδή έχει μειωθεί πολύ το κόστος των ADCs και των υπολοί -πων κυκλωμάτων.

Σχήμα 5.1.4. Μετατροπή πολλών καναλιών με ψηφιακή πολυπλεξία πριν τη μετάδοση

5.2 Πολυπλέκτες
Ο αναλογικός πολυπλέκτης (AMUX) είναι κύκλωμα, που χρησιμοποιείται για να κατανέμει πολλά και διαφορετικά μετρούμενα σήματα σε μια και μόνο είσοδο συστήματος μετατροπής δεδομένων. Το κύκλωμα αυτό επιλέγει ένα από τα διαθέσιμα σήματα εισόδου, σύμφωνα με κάποια διαδικασία επιλογής, πετυχαίνοντας έτσι, οικονομία, αφού η μετατροπή πολλών σημάτων γίνεται μέσω ενός και μόνο μετατροπέα. Ο αναλογικός πολυπλέκτης αποτελείται από διάταξη διακοπτών μεταγωγής που επιτρέπουν τη ροή σήματος και προς τις δύο κατευθύνσεις, τόσο για εφαρμογές πολυπλεξίας όσο και απόπλεξης κάτω από σχετικό έλεγχο (σχήμα 5.2.1). Οι διακόπτες σχεδιάζονται να ανοί -γουν γρηγορότερα από ότι κλείνουν. Κατά τη διάρκεια της πολυπλεξίας, μόνο ένας διακόπτης είναι κλειστός κάθε φορά.

Σχήμα 5.2.1. Αναλογικός πολυπλέκτης
Στο παρελθόν, οι αναλογικοί πολυπλέκτες κατασκευάζονταν με μηχανικούς διακόπτες, όπως οι ηλεκτρονόμοι ακίδας (reed relay). Αυτοί χρησιμοποιούνται και σήμερα σε εφαρμογές με μικρό ρυθμό δεδομένων και συχνότητες δειγματο -ληψίας μικρότερες των 200Hz. Επίσης, όταν έχουν επαφές επικαλυμμένες με υδράργυρο, προτιμούνται για σήματα μικρότερα του mV, γιατί ελαχιστοποιούν τα διάφορα σφάλματα. Όταν απαιτείται υψηλή απομόνωση, χρησιμοποιούμε τους διαφορικούς πολυπλέκτες με πυκνωτή επιστροφής (differential fly -ing-capacitor multiplexer). Ο πυκνωτής επιστροφής, που φαίνεται στο σχήμα 5.2.2, μεταφέρεται ανάμεσα στα κυκλώματα εισόδου και εξόδου, επιτυγχάνο -ντας ταυτόχρονα πολυπλεξία και απομόνωση τάσεων μερικών εκατοντάδων Volt. Υπάρχουν διακόπτες με πυκνωτή επιστροφής στερεάς κατάστασης, αλλά δεν παρέχουν υψηλή απομόνωση.

Σχήμα 5.2.2. Διαφορικός διακόπτης με πυκνωτή επιστροφής
Σήμερα, οι πιο διαδεδομένοι διακόπτες είναι τα τρανσίστορ επίδρασης πεδίου (CMOS και JFET). Οι CMOS διακόπτες πλεονεκτούν, γιατί παρουσιάζουν λι -γότερες ηλεκτρικές ανωμαλίες και μπορούν να πολυπλέκουν σήματα της τάξης της τάσης τροφοδοσίας.
Στον πίνακα 5.2.1 συγκρίνονται οι παραπάνω τύποι διακοπτών πολυπλεκτών, όπου φαίνονται οι αντιστάσεις, που παρουσιάζουν στην κατάσταση αγωγής ή όχι, καθώς και οι ρυθμοί δειγματοληψίας, στους οποίους χρησιμοποιούνται.

Πίνακας 5.2.1. Χαρακτηριστικά διακοπτών πολυπλεκτών

| Τύπος      | Αντίσταση  Κατάστασης  ON   | Απομόνωση  Κατάστασης OFF   | Συχνότητα  Δειγματοληψίας   |
|------------|-----------------------------|-----------------------------|-----------------------------|
| CMOS       | 100Ω                        | 70dB                        | 1MHz                        |
| JFET       | 50Ω                         | 70dB                        | 1MHz                        |
| Reed Relay | 0.1Ω                        | 90dB                        | 250Hz                       |

Οι ψηφιακοί πολυπλέκτες είναι συνδυαστικά κυκλώματα χωρίς μνήμη, οι οποίοι ελέγχονται από τη διεύθυνση του επιλογέα και καθοδηγούν ένα από τα σήματα εισόδου στην έξοδο. Μπορούν να θεωρηθούν ισοδύναμοι των διακο -πτών πολλαπλών θέσεων ή των ημιαγώγιμων διακοπτών.
5.3 Κυκλώματα Δειγματοληψίας Κράτησης
Τα κυκλώματα δειγματοληψίας-κράτησης S/H (sample-hold circuits) δίνουν τη δυνατότητα 'προσωρινής αναλογικής μνήμης' συνεχώς μεταβαλλόμενων σημάτων, που χρησιμοποιούνται σε συστήματα συλλογής και μετατροπής δε -δομένων. Υπάρχει μεγάλη ποικιλία τέτοιων κυκλωμάτων ανάλογα με τις απαι -τήσεις ταχύτητας και ακρίβειας. Στο σχήμα 5.3.1 γίνεται αναφορά σε ένα τέτοιο κύκλωμα. Το κύκλωμα αυτό αποτελείται από δύο τελεστικούς ενισχυτές, ένα πυκνωτή κράτησης (της τάξης του 1nF) και έναν αναλογικό διακόπτη υψηλής ταχύτητας. Το κύκλωμα αυτό συνδέεται ανάμεσα σε μια αναλογική είσοδο και ένα μετατροπέα αναλογικού σήματος σε ψηφιακό ADC.

Σχήμα 5.3.1. Κύκλωμα δειγματοληψίας-κράτησης
Όταν το κύκλωμα βρίσκεται σε κατάσταση δειγματοληψίας, ο διακόπτης είναι κλειστός και ο πυκνωτής κράτησης φορτίζεται σύμφωνα με την τάση εισόδου. Μια εντολή κράτησης ανοίγει το διακόπτη και ο πυκνωτής κρατάει ένα φορτίο, που ισοδυναμεί με την τάση εισόδου τη στιγμή ανοίγματος του διακόπτη. Έτσι, το κύκλωμα S/Η κρατάει την τάση εισόδου 'την αποθηκεύει στον πυκνωτή', τη στιγμή, που ο ADC εκτελεί μια μετατροπή.
Μεγάλη σημασία στην ποιότητα κυκλώματος S/Η έχει ο χρόνος διανοίγματος (aperture time), ο οποίος είναι συνήθως μικρότερος από το χρόνο μετατρο -πής. Πρόκειται για το χρόνο, που μεσολαβεί ανάμεσα στην εντολή κράτησης και το πραγματικό άνοιγμα του διακόπτη. Είναι φανερό, σε αυτό το σημείο, το γιατί ο διακόπτης πρέπει να είναι υψηλής ταχύτητας. Τα κυκλώματα δειγμα -τοληψίας κράτησης του εμπορίου έχουν χρόνους διανοίγματος μικρότερους από 50nsec.

Εκτός από το χρόνο διανοίγματος, στα κυκλώματα S/Η εμφανίζονται και άλλα σφάλματα με σημαντικότερα αυτά, που προέρχονται από τη συνεχή μείωση του φορτίου του πυκνωτή (capacitor charge droop), την απορρόφηση του διηλεκτρικού του πυκνωτή (dielectric absorption), την ολίσθηση της αντισταθμι -στικής τάσης μετατόπισης (offset voltage drift) και την ανεπιθύμητη μετάδοση σημάτων, όταν βρισκόμαστε σε κατάσταση κράτησης.
Οι ψηφιακοί αριθμοί είναι δυαδικοί. Αυτό σημαίνει, ότι κάθε ψηφίο (bit) αντιστοι -χεί σε μία μόνο από δύο πιθανές καταστάσεις. Οι καταστάσεις αυτές είναι 'οff', 'λάθος' ή '0' και 'on', 'σωστό' ή '1'. Η πιο διαδεδομένη λογική, που χρησιμοποι -είται και στην τεχνολογία TTL (λογική τρανσίστορ-τρανσίστορ), θεωρεί ως '1' το υψηλό επίπεδο τάσης και ως '0' το χαμηλό. Μια ομάδα τέτοιων ψηφίων ή ένας κώδικας (code) αντιστοιχεί σε μια αναλογική τιμή. Ένας τέτοιος ψηφιακός κώδικας θα ήταν:

101110101
Αυτός αποτελείται από εννέα ψηφία. Το '1' στα αριστερά ονομάζεται περισσότερο σημαντικό ψηφίο (MSB: Most Significant Bit) και το '1' στα δεξιά ονομάζεται λιγότερο σημαντικό ψηφίο (LSB: Less Significant Bit). Η ερμηνεία του κώδικα, είτε ως αριθμού είτε ως αναπαράστασης αναλογικής με -ταβλητής, είναι αδύνατη, αν δεν οριστεί ο κώδικας και η σχέση μετατροπής. Ας δούμε, στη συνέχεια, διάφορους κώδικες.

 Δυαδικός κώδικας
Είναι ο πιο γνωστός κώδικας και γι' αυτό ονομάζεται και φυσικός . Αν ένας τέτοιος κλασματικός κώδικας περιλαμβάνει n ψηφία, τότε το MSB έχει βά -ρος 2 -1 , το δεύτερο ψηφίο έχει βάρος 2 -2 , κ.τ.λ., ενώ το LSB έχει βάρος 2 -n . Η τιμή ενός δυαδικού αριθμού προσδιορίζεται με την άθροιση όλων των βαρών των μη μηδενικών ψηφίων. Για παράδειγμα, ο πίνακας 5.4.1 δείχνει τις δυνατές τιμές μιας λέξης 4-bit μαζί με τα δυαδικά βάρη και τους ισοδύνα -μους αριθμούς εκφρασμένους σε δεκαδικά και δυαδικά κλάσματα.

Πίνακας 5.4.1. Κλασματικοί δυαδικοί κώδικες

|                        |                | Δυαδικός κώδικας   | Δυαδικός κώδικας   | Δυαδικός κώδικας   | Δυαδικός κώδικας                   |
|------------------------|----------------|--------------------|--------------------|--------------------|------------------------------------|
| Δεκαδικό κλάσμα        | Δυαδικό κλάσμα |                    |                    |                    | MSBx1/2 Bit2x1/4 Bit3x1/8 LSBx1/16 |
| 0                      | 0.0000         | 0                  | 0                  | 0                  | 0                                  |
| 1/16=2 -4  (LSB)       | 0.0001         | 0                  | 0                  | 0                  | 1                                  |
| 2/16=1/8               | 0.0010         | 0                  | 0                  | 1                  | 0                                  |
| 3/16=1/8+1/16          | 0.0011         | 0                  | 0                  | 1                  | 1                                  |
| 4/16=1/4               | 0.0100         | 0                  | 1                  | 0                  | 0                                  |
| 5/16=1/4+1/16          | 0.0101         | 0                  | 1                  | 0                  | 1                                  |
| 6/16=1/4+1/8           | 0.0110         | 0                  | 1                  | 1                  | 0                                  |
| 7/16=1/4+1/8+1/16      | 0.0111         | 0                  | 1                  | 1                  | 1                                  |
| 8/16=1/2 (MSB)         | 0.1000         | 1                  | 0                  | 0                  | 0                                  |
| 9/16=1/4+1/16          | 0.1001         | 1                  | 0                  | 0                  | 1                                  |
| 10/16=1/2+1/8          | 0.1010         | 1                  | 0                  | 1                  | 0                                  |
| 11/16=1/2+1/8+1/16     | 0.1011         | 1                  | 0                  | 1                  | 1                                  |
| 12/16=1/2+1/4          | 0.1100         | 1                  | 1                  | 0                  | 0                                  |
| 13/16=1/2+1/4+1/8      | 0.1101         | 1                  | 1                  | 0                  | 1                                  |
| 14/16=1/2+1/4+1/8      | 0.1110         | 1                  | 1                  | 1                  | 0                                  |
| 15/16=1/2+1/4+1/8+1/16 | 0.1111         | 1                  | 1                  | 1                  | 1                                  |

5.4
Κώδικες Αναπαράστασης και Σφάλματα Μετατροπέων
Όταν όλα τα ψηφία είναι '1', η τιμή του αριθμού είναι 1-2 -n ή σε κανονικοποιημένη μορφή FS-1LSB (full scale -1LSB, πλήρης κλίμακα -1LSB). Στο παράδειγμα έχουμε 1-1/16=15/16. Ο αριθμός, που πραγματι -κά αναπαριστάνεται, είναι ο 0.1111, αλλά πρακτικά γράφουμε απλά 1111. Το βάρος, που αντιστοιχεί στο LSB, ονομάζεται διακριτική ικανότητα (resolution). Έτσι, σε κώδικες με n ψηφία, η διακριτική ικανότητα είναι 2 -n ή 1/2 n .
Ο πιο εύκολος και κατανοητός τρόπος για να δείξουμε τη σχέση ανάμεσα στις αναλογικές και ψηφιακές ποσότητες, που συμμετέχουν σε μετατροπή, είναι να σχεδιάσουμε ένα γράφημα. Από τη στιγμή, που μας απασχολούν δύο συ -μπληρωματικές μετατροπές, πρέπει να σχεδιάσουμε δύο γραφήματα, ένα για τη μετατροπή αναλογικού σήματος σε ψηφιακό (A/D) και ένα για τη μετατροπή ψηφιακού σήματος σε αναλογικό (D/A).

Το σχήμα 5.4.1 δείχνει το γράφημα για ιδανικό 3-bit μετατροπέα ψηφιακού σήματος σε αναλογικό (DAC). Ένας μετατροπέας 3-bit έχει οκτώ διακριτές κω -δικοποιημένες στάθμες, δηλαδή, οκτώ διαφορετικές εισόδους και οκτώ αντί -στοιχες εξόδους, που κυμαίνονται από το 0 ως τα 7/8 της πλήρους κλίμακας (FS). Από τη στιγμή, που δεν υπάρχουν άλλες στάθμες, σχεδιάζεται σα ρα -βδόγραμμα.
Σχήμα 5.4.1. Ιδανική σχέση εισόδου-εξόδου ενός 3-bit DAC
Στους πραγματικούς DACs, η ράβδος του μηδενός μπορεί να μην είναι ακρι -βώς μηδέν, οπότε μιλάμε για σφάλμα αντιστάθμισης (offset error). Η κλί -μακα από το μηδέν μέχρι τα 7/8 FS μπορεί να μην είναι ακριβώς, όπως έχει προσδιοριστεί στην ιδανική περίπτωση, οπότε μιλάμε για σφάλμα ενίσχυσης (gain error). Οι διαφορές στα ύψη των ράβδων μπορεί να μην είναι ίδιες, οπότε μιλάμε για σφάλμα μη γραμμικότητας (nonlinearity). Αν, μάλιστα, η μη γραμ -μικότητα είναι αρκετά μεγάλη, μερικές τιμές της αναλογικής εξόδου μπορεί να είναι μικρότερες από αυτές που προβλέπει ο κώδικας και τότε έχουμε σφάλμα διαφορικής μη γραμμικότητας (differential nonlinearity). Το σχήμα 5.4.2 πε -ριγράφει γραφικά όλα τα παραπάνω σφάλματα.

Σχήμα 5.4.2. Τυπικά σφάλματα στις σχέσεις μετατροπής ενός 3-bit DAC
Το σχήμα 5.4.3 δείχνει το γράφημα για ένα 3-bit μετατροπέα αναλογικού σήμα -τος σε ψηφιακό (ADC). Από τη στιγμή, που οι αναλογικές είσοδοι μπορούν να πάρουν οποιαδήποτε τιμή, πρέπει να κβαντιστούν παίρνοντας τιμές σε οκτώ διακριτές ζώνες. Όλες οι αναλογικές τιμές, που βρίσκονται μέσα σε δοσμένη ζώνη, αναπαριστάνονται με τον ίδιο ψηφιακό κώδικα, ο οποίος αντιστοιχεί στην ονομαστική τιμή του μέσου της ζώνης αυτής. Αυτές οι ονομαστικές τιμές αντι -στοιχούν στα ύψη των ράβδων του DAC.

Σχήμα 5.4.3. Ιδανική σχέση εισόδου-εξόδου ενός 3-bit ADC
Και στην A/D μετατροπή, όπως και στη D/Α, εμφανίζεται σφάλμα αντιστάθ -μισης, αφού η πρώτη μετάβαση μπορεί να μη συμβεί στο +1/2LSB. Επίσης, εμφανίζεται σφάλμα ενίσχυσης, αφού η διαφορά ανάμεσα στις τιμές, που συμβαίνει η πρώτη και η τελευταία μετάβαση, δεν είναι FS-2LSB. Υπάρχει και σφάλμα μη γραμμικότητας, επειδή οι διαφορές ανάμεσα στις τιμές μετά -βασης δεν είναι ίδιες. Επίσης, υπάρχει και σφάλμα διαφορικής μη γραμμικό -τητας, το οποίο, αν είναι αρκετά μεγάλο, μπορεί να προκαλέσει τον αφανισμό ορισμένων από τους κώδικες. Όλα τα παραπάνω σφάλματα φαίνονται στο σχήμα 5.4.4. Ωστόσο, εδώ εμφανίζεται και ένα επιπλέον σφάλμα, το σφάλμα κβάντισης ±1/2LSB (σχήμα 5.4.3). Αυτό οφείλεται στο γεγονός, ότι μια ανα -λογική είσοδος είναι υποχρεωμένη να αναπαρασταθεί με την τιμή του μέσου της ζώνης, στην οποία αντιστοιχεί. Αν η τιμή αυτή ήταν ακριβώς στο μέσο, το σφάλμα θα ήταν μηδενικό. Αν, όμως, είναι στο άκρο της ζώνης το σφάλμα κβάντισης παίρνει τη μέγιστη τιμή του +1/2LSB ή -1/2LSB. Ο μόνος σίγου -ρος τρόπος, για να μειωθεί το σφάλμα αυτό, είναι να αυξηθεί ο αριθμός των ψηφίων.

Αν και ο δυαδικός κώδικας είναι ο πιο διαδεδομένος, υπάρχουν και πολύ άλλοι δημοφιλείς κώδικες, που χρησιμοποιούνται σε διασυνδέσεις συστημάτων ανά -λογα με το εύρος του σήματος και την πολικότητά του, την τεχνική μετατροπής, κ.ά. Αυτοί οι κώδικες είναι:
Σχήμα 5.4.4. Τυπικά σφάλματα στις σχέσεις μετατροπής ενός 3-bit ADC

 Κώδικας BCD (binary-coded decimal)
Σύμφωνα με αυτόν, κάθε δεκαδικό ψηφίο αναπαριστάνεται από ομάδα τεσσάρων δυαδικά κωδικοποιημένων ψηφίων. To LSB της πιο σημαντικής ομάδας έχει βάρος 0.1, το LSB της επόμενης ομάδας έχει βάρος 0.01, το LSB της επόμενης ομάδας έχει βάρος 0.001, κ.ο.κ. Ο πίνακας 5.4.2 δείχνει την κωδικοποίηση BCD για ποικιλία αριθμών από το 0 ως το 0.99.
Μετατροπείς αναλογικού σήματος σε ψηφιακό με κώδικα BCD χρησιμοποιού -νται, κυρίως, στα ψηφιακά βολτόμετρα και στους πίνακες μετρήσεων, αφού η έξοδος από κάθε ομάδα μπορεί να αποκωδικοποιηθεί, ώστε να «οδηγήσει» μια αριθμητική μονάδα απεικόνισης χρησιμοποιώντας τους γνωστούς δεκαδι -κούς αριθμούς. Ο κώδικας BCD είναι κατά κάποιο τρόπο «σπάταλος», αφού με τον ίδιο αριθμό ψηφίων πετυχαίνει μικρότερη διακριτική ικανότητα από το δυαδικό κώδικα. Ο πίνακας 5.4.3 δείχνει σύγκριση των διακριτικών ικανοτήτων των δύο κωδίκων.

Μερικοί μετατροπείς απαιτούν ή χρησιμοποιούν κώδικες, όπως ο δυαδικός και ο BCD, τα ψηφία των οποίων αναπαριστάνονται από τα συμπληρωμα -τικά τους (το 0 από το 1 και το 1 από το 0). Αυτοί οι κώδικες ονομάζονται συμπληρωματικοί κώδικες. Έτσι, στον 4-bit συμπληρωματικό δυαδικό
Πίνακας 5.4.2. Παράδειγμα κώδικα BCD για δύο ψηφία

|                 | Κώδικας BCD                             | Κώδικας BCD                        |
|-----------------|-----------------------------------------|------------------------------------|
| Δεκαδικό κλάσμα | Πιο σημαντική ομάδα  x0.1 (x8 x4 x2 x1) | Δεύτερη ομάδα  x0.01 (x8 x4 x2 x1) |
| 0.00=0.00+0.00  | 0000                                    | 0000                               |
| 0.01=0.00+0.01  | 0000                                    | 0001                               |
| 0.02=0.00+0.02  | 0000                                    | 0010                               |
| 0.03=0.00+0.03  | 0000                                    | 0011                               |
| 0.04=0.00+0.04  | 0000                                    | 0100                               |
| 0.05=0.00+0.05  | 0000                                    | 0101                               |
| 0.06=0.00+0.06  | 0000                                    | 0110                               |
| 0.07=0.00+0.07  | 0000                                    | 0111                               |
| 0.08=0.00+0.08  | 0000                                    | 1000                               |
| 0.09=0.00+0.09  | 0000                                    | 1001                               |
| 0.10=0.10+0.00  | 0001                                    | 0000                               |
| 0.11=0.10+0.01  | 0001                                    | 0001                               |
| …               | …                                       | …                                  |
| 0.20=0.20+0.00  | 0010                                    | 0000                               |
| …               | …                                       | …                                  |
| 0.30=0.30+0.00  | 0011                                    | 0000                               |
| …               | …                                       | …                                  |
| 0.90=0.90+0.00  | 1001                                    | 0000                               |
| 0.91=0.90+0.01  | 1001                                    | 0001                               |
| …               | …                                       | …                                  |
| 0.98=0.90+0.08  | 1001                                    | 1000                               |
| 0.99=0.90+0.09  | 1001                                    | 1001                               |

μετατροπέα το μηδέν αναπαριστάνεται με 1111 και το FS-1LSB με 0000. Ομοί -ως, στο συμπληρωματικό BCD το μηδέν αναπαριστάνεται με 1111 και το εννέα με 0110.
Πίνακας 5.4.3. Διακριτική ικανότητα BCD και δυαδικού κώδικα

|   Αριθμός bit |   Δυαδικό LSB |   BCD LSB |
|---------------|---------------|-----------|
|             4 |       0.062   |    0.1    |
|             8 |       0.0039  |    0.01   |
|            12 |       0.00024 |    0.001  |
|            16 |       1.5e-05 |    0.0001 |
|            20 |       1e-06   |    1e-05  |
|            24 |       2e-07   |    1e-06  |
Ως τώρα, οι κώδικες, που αναφέρθηκαν, είναι μονοπολικοί (unipolar), επειδή αναπαριστάνουν μόνο το μέτρο αναλογικών μεταβλητών και όχι και το πρό -σημό τους. Ένας μονοπολικός ADC μετατρέπει μόνο αναλογικά σήματα μιας πολικότητας και ένας μονοπολικός DAC παράγει αναλογικά σήματα μόνο μιας πολικότητας. Για την μετατροπή αναλογικών σημάτων, τόσο θετικών όσο και αρνητικών, απαιτείται ένα επιπλέον ψηφίο πρόσημου (sign bit), για να διατηρήσει ο ψηφιακός κώδικας και την πληροφορία του πρόσημου. Σε αυτή την περίπτωση, το πιο σημαντικό ψηφίο διπλασιάζει την αναλογική κλίμακα και υποδιπλασιάζει τη διακριτική ικανότητα. Σε μερικές περιπτώσεις, το ψηφίο πρόσημου παρέχεται από το υπάρχον MSB, με αποτέλεσμα να διπλασιάζε -ται πάλι η αναλογική κλίμακα αλλά και η διακριτική ικανότητα. Για παράδειγ -μα, αν η διακριτική ικανότητα ενός 10-bit μετατροπέα είναι 1/1024 σε κλίμακα 0-10V, χρησιμοποιώντας 11-bit διπολικό κώδικα, η διακριτική ικανότητα γίνε -ται 1/2048 σε κλίμακα ±10V. Αν διατηρήσουμε τα 10-bits και επεκτείνουμε την κλίμακα στα ±10V, τότε η διακριτική ικανότητα παραμένει 1/1024, οπότε ουσι -αστικά διπλασιάζεται σε σχέση με τη τιμή, που είχε πριν, και την κλίμακα, στην οποία αναφέρεται τώρα. Πρέπει να σημειωθεί, ότι, επειδή το ψηφίο πρόσημου διπλασιάζει και την κλίμακα και τον αριθμό των σταθμών, ο λόγος του LSB προς την πλήρη κλίμακα παύει να είναι 2 -n και γίνεται 2 -(n-1) για κάθε πολικότητα. Οι πιο σημαντικοί διπολικοί κώδικες αναλύονται παρακάτω και αναφέρονται στον πίνακα 5.4.4 εκφρασμένοι ως 4-bit (3 bit και το πρόσημο).

Πίνακας 5.4.4. Σημαντικοί διπολικοί κώδικες

| Δεκαδικό  κλάσμα   | Μέτρου-  πρόσημου   | Δυαδικός  αντιστάθμισης   | Συμπλήρωμα ως προς 2   | Συμπλήρωμα  ως προς 1   |
|--------------------|---------------------|---------------------------|------------------------|-------------------------|
| +7/8               | 0111                | 1111                      | 0111                   | 0111                    |
| +6/8               | 0110                | 1110                      | 0110                   | 0110                    |
| +5/8               | 0101                | 1101                      | 0101                   | 0101                    |
| +4/8               | 0100                | 1100                      | 0100                   | 0100                    |
| +3/8               | 0011                | 1011                      | 0011                   | 0011                    |
| +2/8               | 0010                | 1010                      | 0010                   | 0010                    |
| +1/8               | 0001                | 1001                      | 0001                   | 0001                    |
| +0                 | 0000                | 1000                      | 0000                   | 0000                    |
| -0                 | 1000                | (1000)                    | (0000)                 | 1111                    |
| -1/8               | 1001                | 0111                      | 1111                   | 1110                    |
| -2/8               | 1010                | 0110                      | 1110                   | 1101                    |
| -3/8               | 1011                | 0101                      | 1101                   | 1100                    |
| -4/8               | 1100                | 0100                      | 1100                   | 1011                    |
| -5/8               | 1101                | 0011                      | 1011                   | 1010                    |
| -6/8               | 1110                | 0010                      | 1010                   | 1001                    |
| -7/8               | 1111                | 0001                      | 1001                   | 1000                    |
| -8/8               |                     | (0000)                    | (1000)                 |                         |

 Κώδικας μέτρου-προσήμου (sign-magnitude)

 Δυαδικός κώδικας αντιστάθμισης (offset binary)
Είναι ο πιο άμεσος τρόπος, για να εκφραστούν ψηφιακά αναλογικές ποσό -τητες με πρόσημο. Απλά καθορίζεται ο κώδικας για το μέτρο και προστίθε -ται το bit πρόσημου. Χρησιμοποιείται, κυρίως, σε DACs, που λειτουργούν στην περιοχή του μηδενός, οπότε απαιτούνται ομαλές και γραμμικές με -ταβάσεις από μικρές θετικές τάσεις σε μικρές αρνητικές. Ο BCD κώδικας μέτρου-πρόσημου κυριαρχεί στα διπολικά ψηφιακά βολτόμετρα (ADCs). Παρουσιάζει ορισμένα μειονεκτήματα, με κυριότερο το γεγονός, ότι το μη -δέν αντιστοιχεί σε δύο κώδικες (1000 και 0000 στο παράδειγμα του πίνακα 5.4.4). Αυτό κάνει δύσκολη τη ψηφιακή διασύνδεση και απαιτείται επιπλέον λογισμικό και εξαρτήματα.

Είναι ο πιο εύκολος κώδικας για ενσωμάτωση στα κυκλώματα μετατροπής. Πρόκειται, απλά, για το δυαδικό κώδικα, με τη διαφορά, ότι το 0000 δεν αντιστοιχεί στο μηδέν, αλλά στην αρνητική πλήρη κλίμακα. To MSB αλλάζει στο αναλογικό μηδέν. Είναι ο πιο εύκολος στην υλοποίηση, συμβατός με τις εισόδους και εξόδους των υπολογιστών, μετατρέπεται εύκολα στον κώδικα συμπληρώματος ως προς δύο, που αναφέρεται παρακάτω, και έχει ένα μόνο κώδικα για το μηδέν. Το βασικό του μειονέκτημα είναι, ότι η πιο μεγάλη αλλαγή ψηφίων γίνεται στο μηδέν (αλλάζουν όλα από 0111 σε 1000), γεγο -νός, που μπορεί να οδηγήσει σε σφάλματα γραμμικότητας και μη σωστή κωδικοποίηση.

Ο κώδικας αυτός είναι ο γνωστός δυαδικός για τα θετικά, ενώ για τα αρνητι -κά παίρνουμε το συμπλήρωμα ως προς ένα, που είναι το απλό συμπλήρω -μα των θετικών (το '1' γίνεται '0' και το '0' γίνεται '1'). Έτσι, το συμπλήρωμα ως προς ένα του 3/8 (0011) είναι 1100. Αυτός ο κώδικας βοηθάει στις αφαι -ρέσεις, μόνο που το επιπλέον κρατούμενο, που προκύπτει, δεν αγνοείται, αλλά προστίθεται στο αποτέλεσμα. Έτσι, η αφαίρεση του 3/8 από το 4/8 γίνεται 0100+1100=0000+0001=0001, δηλαδή 1/8. Και εδώ παρουσιάζεται το πρόβλημα της ύπαρξης δύο κωδίκων για το μηδέν.

 Κώδικας συμπληρώματος ως προς 1

 Κώδικας συμπληρώματος ως προς 2
Ο κώδικας αυτός αποτελείται από το δυαδικό κώδικα για τους θετικούς αριθμούς (το θετικό πρόσημο αναπαριστάνεται με 0) και το συμπλήρωμα ως προς δύο κάθε θετικού αριθμού για τον αντίστοιχο αρνητικό. Το συμπλή -ρωμα ως προς δύο βρίσκεται παίρνοντας το συμπληρωματικό ενός αριθ -μού και προσθέτοντας 1LSB. Για παράδειγμα, το συμπλήρωμα ως προς δύο του 3/8 (0011) θα είναι το συμπληρωματικό του συν 1LSB, δηλαδή 1100+0001 = 1101. Ο κώδικας αυτός είναι πολύ χρήσιμος σε διάφορους υπολογισμούς, γιατί μπορούμε να κάνουμε πρόσθεση αντί για αφαίρεση. Για παράδειγμα, προκειμένου να αφαιρέσουμε το 3/8 από το 4/8, προσθέ -τουμε το 4/8 στο -3/8, δηλαδή το 0100 στο 1101. Το αποτέλεσμα είναι 0001 (αγνοώντας το κρατούμενο, που προκύπτει), δηλαδή 1/8. Ο κώδικας αυτός παρουσιάζει τα ίδια μειονεκτήματα με το δυαδικό κώδικα αντιστάθμισης.

Οι μετατροπείς ψηφιακού σήματος σε αναλογικό (DACs) μετατρέπουν τα ψηφιακά σήματα διακριτού χρόνου σε αναλογικά και χρησιμοποιούνται στην έξοδο υπολογιστών για την ανασύνθεση δεδομένων, σε μονάδες απεικόνισης (displays), σε συνθέτες σημάτων (signal synthesizers), κ.ά. Η αναφορά στους DACs προηγείται εκείνης των μετατροπέων αναλογικού σήματος σε ψηφιακό (ADCs), γιατί πολλά κυκλώματα των ADCs χρησιμοποιούν DACs στην υλο -ποίηση τους. Ένας DAC μπορεί να θεωρηθεί ως ένα ψηφιακά ελεγχόμενο ποτενσιόμετρο, που παρέχει τάση ή ρεύμα εξόδου κανονικοποιημένο ως προς την τιμή της πλήρους κλίμακας.

Σχήμα 5.5.1. (α) Βασική δομή και (β) σύμβολο ενός DAC
Η βασική δομή ενός τυπικού DAC δείχνεται στο σχήμα 5.5.1. Η τάση αναφο -ράς συνδέεται σε κύκλωμα αποτελούμενο από αντιστάσεις. Μια ψηφιακή είσο -δος συνδέεται στο κύκλωμα αυτό μέσω κυκλώματος ελέγχου, που βασίζεται σε διακόπτες. Το κλείσιμο κάθε διακόπτη συνεισφέρει στην αύξηση του ρεύματος εξόδου ανάλογα με το δυαδικό βάρος, που του αναλογεί. Η έξοδος του κυ -κλώματος των αντιστάσεων είναι με τη μορφή ρεύματος, το οποίο μπορεί να μετατραπεί σε τάση με μετατροπέα ρεύματος σε τάση. Τόσο το ρεύμα όσο και η τάση αποτελούν αναλογικές αναπαραστάσεις της ψηφιακής εισόδου. Από τα πολλά κυκλώματα μετατροπέων ψηφιακού σήματος σε αναλογικό, που έχουν προταθεί, τα παρακάτω δύο θεωρούνται τα βασικότερα:

5.5
Μετατροπείς Ψηφιακού Σήματος σε Αναλογικό

 Μετατροπείς με βάρη αντιστάσεων (weighted-resistor converters)
Σχήμα 5.5.2. Μετατροπέας D/Α με βάρη αντιστάσεων
Οι μετατροπείς αυτοί, που φαίνονται στο σχήμα 5.5.2, χρησιμοποιούνταν αρ -χικά, όταν οι DACs κατασκευάζονταν με διακριτά στοιχεία. Οι διακόπτες ελέγ -χονται από τη ψηφιακή είσοδο και ανοίγουν για '0', ενώ κλείνουν για '1'. Το βασικό τους μειονέκτημα είναι, ότι απαιτούνται πολλές διαφορετικές τιμές αντι -στάσεων, για να προκαλέσουν ρεύματα με τα ανάλογα βάρη. Η τάση εξόδου σε τέτοιο μετατροπέα δίνεται από τη σχέση:

V=-I R=R R V 2 o o f f ref -i i=0 n    ∑ (5.5.1)
όπου:
2= 1+2+ 2+ ... +2 -i i=0 n -1 -2 -n å
-  Μετατροπείς R-2R (R-2R resistor converters)
Σχήμα 5.5.3. R-2R μετατροπέας D/A
Οι μετατροπείς R-2R, που φαίνονται στο σχήμα 5.5.3, σε αντίθεση με τους με -τατροπείς με βάρη αντιστάσεων, είναι παγκόσμια αποδεκτοί, λόγω της σχετι -κής ευκολίας με την οποία επιτυγχάνονται οι λόγοι των αντιστάσεων με μονολι -θική τεχνολογία. Κάθε διακόπτης ελέγχεται από το αντίστοιχο bit της ψηφιακής εισόδου δίνοντας, έτσι, το κατάλληλο βάρος στο ρεύμα, που περνά από την αντίστοιχη αντίσταση 2R. Αν το bit είναι '1', συνδέει τον ακροδέκτη της αντίστα -σης 2R με την είσοδο του τελεστικού ενισχυτή και αν είναι '0' τον προσγειώνει. Η τάση εξόδου υπολογίζεται από τη σχέση:

V=-I R=R 4R V 2 o o f f ref -i i=0 n    ∑ (5.5.2)
όπου:
2= 1+2+ 2+ ... +2 -i i=0 n -1 -2 -n å
- Μετατροπείς τύπου πολλαπλασιασμού (multiplying converters) Οι μετατροπείς αυτοί δέχονται μεταβλητή τάση αναφοράς και είναι χρήσιμοι στις τηλεπικοινωνίες και στα συστήματα αυτομάτου ελέγχου. Αν D είναι η ψηφιακή είσοδος, η τάση εξόδου τους δίνεται από τη σχέση:
V$\_{o}$ = (σταθερά)  V$\_{ref}$  D (5.5.3)
Τέλος, σε εφαρμογές, που απαιτείται υψηλή ταχύτητα χρησιμοποιούνται DACs, που ως έξοδο παρέχουν ρεύμα, οπότε δεν χρησιμοποιούν το μετατροπέα ρεύ -ματος σε τάση. DACs με έξοδο ρεύμα χρησιμοποιούνται σε συστήματα ελέγ -χου κίνησης και ρομποτικής.

Ολοκληρωμένοι DACs
Ο DAC-08, που φαίνεται στο σχήμα 5.6.1, είναι φθηνός ολοκληρωμένος με -τατροπέας ψηφιακού σήματος σε αναλογικό. Παρουσιάζει ευελιξία στο γεγο -νός, ότι διαθέτει δύο εισόδους αναφοράς (ακίδες 14 και 15), που επιτρέπουν και θετικές και αρνητικές τάσεις αναφοράς. Στο σχήμα 5.6.1 βλέπουμε θετική τάση αναφοράς, η οποία μπορεί να εξασφαλίσει ρεύμα αναφοράς από 4μΑ ως 4mΑ με τυπική τιμή τα 2mA. Στις ακίδες 5-12 συνδέονται τα οκτώ ψηφία της ψηφιακής εισόδου. Διαθέτει δύο ακροδέκτες για το ρεύμα εξόδου, όπου παρέχει το Ι$\_{ο}$ και το συμπλήρωμά του. Η διακριτική ικανότητα του LSB σε τιμή ρεύματος είναι 2 -n I$\_{ref}$. Αν D η δεκαδική τιμή της ψηφιακής εισόδου, το ρεύμα εξόδου είναι: 

I$\_{o}$ = I$\_{ref }$ $\_{ }$2 -n  D (5.6.1)
Σχήμα 5.6.1. Σύνδεση DAC-08 για (α) θετική έξοδο και (β) θετική και αρνητική έξοδο
Αν I$\_{fs}$ το ρεύμα εξόδου, που αντιστοιχεί σε είσοδο 11111111, το συμπληρωμα -τικό ρεύμα εξόδου είναι:
I=II o FS o (5.6.2)
Ο DAC-08 δίνει τη δυνατότητα λήψης μονοπολικής (unipolar) εξόδου, όπως φαίνεται στο σχήμα 5.6.1(α), καθώς και εξόδου, τόσο θετικής όσο και αρνητι -κής, δηλαδή διπολικής (bipolar), όπως φαίνεται στο σχήμα 5.6.1(β). Στη δεύ -τερη περίπτωση, όταν η ψηφιακή είσοδος αυξάνει κατά 1 bit, το ρεύμα εξό -δου αυξάνει κατά 1LSB και το συμπληρωματικό ρεύμα εξόδου μειώνεται κατά 1LSB, με αποτέλεσμα το συνολικό διαφορικό ρεύμα εξόδου να αλλάζει κατά 2LSBs.

Οι μετατροπείς αναλογικού σήματος σε ψηφιακό (ADCs) μετατρέπουν τα ανα -λογικά σήματα σε ψηφιακά (σχήμα 5.7.1), ώστε οι λαμβανόμενες τιμές μέτρη -σης να μπορούν να τύχουν περαιτέρω επεξεργασίας από ένα υπολογιστή. Υπάρχουν τρεις τρόποι ταξινόμησης των μετατροπέων αναλογικού σήματος σε ψηφιακό:
-  Ανάλογα με το αν είναι προγραμματιζόμενοι ή μη προγραμματιζόμενοι. Στους προγραμματιζόμενους ADCs η μετατροπή εκτελείται σε χρονικά δο -σμένο αριθμό βημάτων.
- Ανάλογα με το αν είναι τύπου ανατροφοδότησης ή ανοικτού βρόχου. Στους ADCs ανοικτού βρόχου γίνεται απευθείας σύγκριση μεταξύ της ανα -λογικής εισόδου και μιας τάσης αναφοράς. Στους ADCs ανατροφοδότησης η αναλογική τάση εισόδου συγκρίνεται με αναλογική τάση, που δημιουργεί -ται εσωτερικά ως συνάρτηση της ψηφιακής εξόδου και ανατροφοδοτεί τη μια είσοδο του συγκριτή.

-  Ανάλογα με το αν χρησιμοποιούν μεθόδους σύγκρισης τάσεων ή μεθό -δους ολοκλήρωσης . Κάθε μια από αυτές τις δύο μεθόδους μετατροπής πραγματοποιείται με τρεις τουλάχιστον διαφορετικές τεχνικές, που είναι εμπορικά διαθέσιμες και φαίνονται στον πίνακα 5.7.1, όπου με f$\_{s}$ δηλώνεται η συχνότητα δειγματοληψίας.
Σχήμα 5.7.1. Σύμβολο ενός ADC
Πίνακας 5.7.1. Μέθοδοι μετατροπής αναλογικού σήματος σε ψηφιακό

| Μέθοδος        | Ταχύτητα   | Τεχνική                    | 12-bit fs   | 8-bit fs   |
|----------------|------------|----------------------------|-------------|------------|
| Σύγκριση τάσης | 1ms - 10ns | Διαδοχική προσέγγιση       | 500kHz      | 8MHz       |
|                |            | Ανίχνευση                  | 250Hz       | 4kHz       |
|                |            | Ταυτόχρονα                 |             | 100MHz     |
| Ολοκλήρωση     | 0.4s - 1ms | Διπλή κλίση                | 100Hz       | 1.6kHz     |
|                |            | Εξισορρόπηση φορτίου       | 60Hz        | 1kHz       |
|                |            | Μετατροπή τάσης-συχνότητας | 2.5Hz       | 40Hz       |

Από τη μέθοδο μετατροπής τάσεων, ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η τεχνι -κή της διαδοχικής προσέγγισης (successive approximation). Ένας τέτοιος μετατροπέας δείχνεται στο σχήμα 5.7.2. Αποτελείται από DAC, συγκριτή και κύκλωμα λογικής, που τα συνδέει. Ένας ακροδέκτης απαιτείται αναλογική τάση

5.7

Μετατροπείς Αναλογικού Σήματος σε Ψηφιακό
εισόδου, ενώ η ψηφιακή έξοδος μπορεί να ληφθεί είτε σειριακά είτε παράλλη -λα. Οι ακροδέκτες έναρξη της μετατροπής και τέλος της μετατροπής δηλώνουν αντίστοιχα πότε αρχίζει και πότε τελειώνει η μετατροπή. Ένα εξωτερικό ρολόι θέτει το χρόνο για την ολοκλήρωση κάθε μετατροπής.
Σχήμα 5.7.2. Διάγραμμα μονάδων μετατροπέα διαδοχικής προσέγγισης
Όσον αφορά τη λειτουργία του παραπάνω κυκλώματος, η εντολή έναρξης της μετατροπής αρχικοποιεί, κατ' αρχήν, τον κύκλο μετατροπής A/D. Το κύκλωμα λογικής, στη συνέχεια, συνδέει ακολουθία ψηφιακών αριθμών στις εισόδους του DAC. Ο DAC μετατρέπει κάθε ψηφιακό αριθμό σε αναλογική έξοδο V$\_{o}$. Ο συγκριτής συγκρίνει τη V$\_{o}$ με την αναλογική είσοδο V$\_{i}$ και αναφέρει στο κύκλω -μα της λογικής, αν η V$\_{i}$ είναι μικρότερη ή μεγαλύτερη από τη V$\_{o}$. Οι συγκρίσεις ξεκινούν από το MSB και τελειώνουν με το LSB. Με το τέλος της σύγκρισης του LSB, το κύκλωμα της λογικής στέλνει το σήμα τέλους μετατροπής, οπότε και η ψηφιακή έξοδος αναπαριστάνει την αναλογική είσοδο.

Παράδειγμα μετατροπής δείχνεται στο σχήμα 5.7.3. Η αναλογική είσοδος των 6.5V θα μετατραπεί σε ψηφιακή των 3-bit. Το κάθε bit έχει βάρος 1LSB, 2LSB και 4LSB, όπου το LSB αντιστοιχεί στην τιμή 1Volt. Πρώτα συγκρίνεται η είσο -δος με το βάρος 4LSB. Αν είναι μεγαλύτερη, το MSB παίρνει την τιμή 1 διαφορετικά την τιμή 0 και συνεχίζεται η ίδια διαδικασία με τα άλλα ψηφία. Με την έντονη πράσινη γραμμή φαίνεται η λύση για τα 6.5V. Επίσης, φαίνεται, ότι χρειάζεται ένας παλμός ρολογιού για τη σύγκριση κάθε ψηφίου. Ωστόσο, στην περίπτωσή μας, χρειάζεται άλλος ένας για την αρχικοποίηση της μετατροπής. Έτσι, αν n ο αριθμός των ψηφίων και Τ η περίοδος του ρολογιού, ο χρόνος T$\_{c}$ που απαιτείται για τη μετατροπή A/D είναι:

T$\_{c}$ = T (n +1) (5.7.1)
Σχήμα 5.7.3. Παράδειγμα μετατροπής αναλογικού σήματος σε ψηφιακό με μετατροπέα διαδοχικής προσέγγισης
Οι μετατροπείς ανίχνευσης (tracking) (σχήμα 5.7.4) χρησιμοποιούν απαριθ -μητή και προς τις δύο κατευθύνσεις (up/down counter). Οι μετατροπείς αυτοί είναι αρκετά γρήγοροι, γιατί ο απαριθμητής δεν αρχικοποιείται ύστερα από κάθε δείγμα, αλλά προσπαθεί να ακολουθήσει την αναλογική είσοδο. Όσο η έξοδος του DAC είναι μικρότερη από την αναλογική είσοδο, η έξοδος του συγκριτή είναι σε στάθμη '1' και ο απαριθμητής απαριθμεί προς τα πάνω, με αποτέλεσμα να αυξάνει η έξοδος του DAC. Όταν η έξοδος του DAC γίνει ίση με την αναλογική είσοδο, η έξοδος του συγκριτή τίθεται σε στάθμη '0' και ο απαριθμητής απαριθμεί προς τα κάτω, με αποτέλεσμα να μειώνεται η έξοδος του DAC και συνεχίζεται η ίδια διαδικασία. Έτσι, με απαριθμήσεις προς τα πάνω και προς τα κάτω ο μετατροπέας προσπαθεί να ακολουθήσει την ανα -λογική είσοδο, όπως παραστατικά δείχνεται στο σχήμα 5.7.5.

Σχήμα 5.7.4. A/D μετατροπή ανίχνευσης
Σχήμα 5.7.5. Διαδικασία ανίχνευσης σε έναν ADC ανίχνευσης
Οι ταυτόχρονοι μετατροπείς (flash converters) είναι οι ταχύτεροι από όλους τους ADCs, γιατί όλα τα bits παίρνουν τιμή ταυτόχρονα. Τέτοιος μετατροπέας σύγκρισης τάσης φαίνεται στο σχήμα 5.7.6. Ο διαιρέτης τάσης διανέμει την τάση αναφοράς. Η αναλογική είσοδος τάσης εφαρμόζεται στις εισόδους όλων των συγκριτών. Οι έξοδοί τους καταλήγουν σε κωδικοποιητή 8 γραμμών σε 3. Η λογική του κωδικοποιητή δίνει δυαδική λέξη, που αναπαριστάνει την ανα -λογική είσοδο. Η πολυπλοκότητά τους αυξάνει με γεωμετρική πρόοδο, καθώς αυξάνει το μήκος λέξης της ψηφιακής εξόδου, γιατί η υλοποίησή τους απαιτεί 2 n-1 συγκριτές για n-bit μετατροπή. Οι μετατροπείς αυτοί διατίθενται σε ολοκλη -ρωμένη μορφή με συχνότητες μετατροπής στα 125ΜΗz για 6 bits και μικρότε -ρες για μεγαλύτερα μήκη λέξεων.

Σχήμα 5.7.6. 3-bit ταυτόχρονη A/D μετατροπή (flash converter)

| Αναλογική   | Ψηφιακή έξοδος   | Ψηφιακή έξοδος   | Ψηφιακή έξοδος   |
|-------------|------------------|------------------|------------------|
| είσοδος (V) | D2               | D1               | D0               |
| 0-0.5       | 0                | 0                | 0                |
| 0.5-1.5     | 0                | 0                | 1                |
| 1.5-2.5     | 0                | 1                | 0                |
| 2.5-3.5     | 0                | 1                | 1                |
| 3.5-4.5     | 1                | 0                | 0                |
| 4.5-5.5     | 1                | 0                | 1                |
| 5.5-6.5     | 1                | 1                | 0                |
| >6.5        | 1                | 1                | 1                |

Σχήμα 5.7.7. Απλοποιημένο διάγραμμα μονάδων μετατροπέα διπλής κλίσης
Τυπικός μετατροπέας διπλής κλίσης (dual slope) φαίνεται στο σχήμα 5.7.7. Χαρακτηριστικό του είναι τόσο η αυτορρύθμιση, που τον κάνει αναίσθητο στη μεταβολή της θερμοκρασίας, όσο και η χρήση φθηνών εξαρτημάτων. Η μονά -δα ελέγχου χρησιμοποιεί ρολόι συχνότητας 12kHz, η οποία τίθεται από το χρή -στη μέσω της εξωτερικής αντίστασης R$\_{t}$ και του πυκνωτή C$\_{t}$. Πρέπει να είναι πολλαπλάσια της συχνότητας της τοπικής γραμμής (50 ή 60Hz) για απαλλαγή από το θόρυβο. Η μετατροπή A/D γίνεται σε τρεις φάσεις και διαρκεί χρόνο περίπου 1/3 του δευτερολέπτου. Οι φάσεις αυτές είναι:

-  Φάση ολοκλήρωσης σήματος, Τ$\_{1}$: Η μονάδα ελέγχου συνδέει την ανα -λογική τάση εισόδου στον ολοκληρωτή. Η τάση εξόδου του ολοκληρωτή ανεβαίνει ή κατεβαίνει ανάλογα με την πολικότητα της V$\_{i}$ και σε χρόνο, που εξαρτάται από την αντίσταση R και τον πυκνωτή C. Αν η V$\_{i}$ είναι αρνητική, η V$\_{o}$ ανεβαίνει, όπως φαίνεται στο σχήμα 5.7.8. Ο χρόνος Τ$\_{1}$ καθορίζεται από την μονάδα ελέγχου στους 1000 παλμούς ρολογιού. Το ρολόι των 12kHz έχει περίοδο 83.3μs, οπότε Τ$\_{1}$=83.3ms. Αν V$\_{i}$=-100V, η V$\_{o}$ ανεβαίνει από τα 0 στα 833mV. Αν V$\_{i}$=-200V, η V$\_{o}$ ανεβαίνει από τα 0 στα 1666mV. Είναι φα -νερό, ότι η V$\_{o}$ είναι ανάλογη με τη V$\_{i}$. Στο τέλος των 1000 παλμών ρολογιού, η μονάδα ελέγχου αποσυνδέει τη V$\_{i}$ και συνδέει την τάση αναφοράς στον ολοκληρωτή, για να αρχίσει η επόμενη φάση.
-  Φάση ολοκλήρωσης αναφοράς, Τ$\_{2}$: Στη διάρκεια της φάσης Τ$\_{1}$, η μονάδα ελέγχου καθόρισε την πολικότητα της V$\_{i}$ και φόρτισε πυκνωτή (δεν φαίνε -ται στο σχήμα) σε τάση αναφοράς V$\_{ref}$=100mV. Στην αρχή της φάσης Τ$\_{2}$, η μονάδα ελέγχου συνδέει τον πυκνωτή στον ολοκληρωτή, έτσι ώστε η V$\_{ref}$ να έχει αντίθετη πολικότητα από τη V$\_{i}$. Τότε, η V$\_{ref}$ αρχίζει να κατεβάζει την έξοδο του ολοκληρωτή προς το μηδέν, όπως δείχνει και το σχήμα 5.7.8. Από τη στιγμή που η τάση αναφοράς είναι σταθερή και η κλίση της πτώ -σης είναι σταθερή. Ταυτόχρονα, οι παλμοί του ρολογιού αθροίζονται, για να αναπαραστήσουν το πλάτος του σήματος εισόδου. Όταν η V$\_{o}$ φτάσει στο μηδέν, ο συγκριτής ενημερώνει την μονάδα ελέγχου και τελειώνει η δεύτερη φάση, για να αρχίσει η επόμενη. Ο χρόνος Τ$\_{2}$ είναι ανάλογος με την V$\_{o }$και, επομένως, με τη V$\_{i}$. Η ακριβής σχέση είναι η 5.7.2.

T=T V V 2 1 i ref × (5.7.2)
Με αντικατάσταση βρίσκεται T$\_{2}$=83.3ms
-  Φάση αυτόματου μηδενισμού, Τ$\_{z}$: Στη διάρκεια της τρίτης φάσης, η μο -νάδα ελέγχου συνδέει πυκνωτή αυτόματου μηδενισμού (δεν φαίνεται στο σχήμα). Ο πυκνωτής αυτός φορτίζεται σε τάση περίπου ίση με το σφάλμα τάσης λόγω των τάσεων αντιστάθμισης. Στη διάρκεια των φάσεων Τ$\_{1}$ και Τ$\_{2}$, το σφάλμα τάσης, που αποθηκεύτηκε σε αυτό τον πυκνωτή αναιρεί το όποιο σφάλμα στον πυκνωτή αναφοράς. Έτσι, ο ADC αυτόματα αρχικοποι -είται για την επόμενη μετατροπή.

Σχήμα 5.7.8. Χρονισμός φάσεων Τ$\_{1}$, Τ$\_{2}$ και Τ$\_{z}$
Οι μετατροπείς εξισορρόπησης φορτίου (charge balancing) χρησιμοποιούν κύκλωμα μετατροπής τάσης σε συχνότητα, για να μετατρέψουν σήμα εισόδου σε ρεύμα Ι$\_{i}$ από το οποίο αφαιρείται ρεύμα αναφοράς I$\_{ref}$. Το ρεύμα διαφοράς, που προκύπτει ολοκληρώνεται σε διαδοχικά διαστήματα, που καθορίζονται από συγκριτή κατωφλίου (threshold comparator) και από τις μετρήσεις απαριθ -μητή. Ο μετατροπέας αυτός παρουσιάζει παρόμοια ταχύτητα και πολυπλοκό -τητα με το μετατροπέα διπλής κλίσης. Ωστόσο, ο ADC εξισορρόπησης φορτίου είναι περισσότερο συμβατός και, επομένως, περισσότερο πιθανό να βρεθεί σε ολοκληρωμένη μορφή μέσα σε μικροελεγκτές και συσκευές που σχετίζονται με μικροεπεξεργαστές. Στο σχήμα 5.7.9 περιγράφεται η λειτουργία μετατροπέα εξισορρόπησης φορτίου.

Σχήμα 5.7.9. A/D μετατροπή εξισορρόπησης φορτίου
Οι ADCs, που βασίζονται σε μετατροπή τάσης-συχνότητας (V/F: voltage-tofrequency) χρησιμοποιούνται σε φθηνά και χαμηλού ρυθμού μετάδοσης συ -στήματα συλλογής δεδομένων από μεγάλες αποστάσεις, ενσωματώνοντας απομόνωση (isolation). Διάγραμμα βαθμίδων πλήρους 8-bit V/F ADC φαίνε -ται στο σχήμα 5.7.10. Ο V/F μπορεί να παρέχει έξοδο συχνότητας παλμών 0-10kHz για σήμα εισόδου 1mV-10V. Οι παλμοί αυτοί απλά απαριθμούνται για καθορισμένο χρονικό διάστημα (gating time) από απαριθμητή. Ο χρόνος αυτός είναι 25.6ms για 8-bit μετατροπή και 0.41s για 12-bit μετατροπή. Σε κάθε περίοδο λαμβάνεται η μέση τιμή του σήματος εισόδου, οπότε πρόκειται για μετατροπέα ολοκλήρωσης.

Σχήμα 5.7.10. A/D μετατροπή V/F
Η διασύνδεση των μετατροπέων με μικροεπεξεργαστές/μικροελεγκτές διέπεται από κάποιες αρχές. Οι καταχωρητές ενός DAC ή οποιουδήποτε άλλου περιφε -ρειακού βλέπονται συνήθως ως διεύθυνση μνήμης ή I/O. Οι DACs διαθέτουν μόνο καταχωρητές εγγραφής. Αυτό σημαίνει, ότι ο DAC έχει έναν καταχωρητή, στον οποίο ο μικροεπεξεργαστής μπορεί να στείλει δεδομένα μέσω του διαύ -λου δεδομένων. Οι ADCs διαθέτουν μόνο καταχωρητές ανάγνωσης, τα περι -εχόμενα των οποίων διαβάζονται από το μικροεπεξεργαστή μέσω του διαύλου δεδομένων. Και οι DACs και οι ADCs διαθέτουν λογική, που επιτρέπει την επιλογή τους.

Τόσο οι καταχωρητές ανάγνωσης όσο και εκείνοι της εγγραφής έχουν δύο κα -ταστάσεις λειτουργίας: την κατάσταση προσπέλασης (transparent) και την κατάσταση ασφάλισης (latching). Όταν ένας καταχωρητής είναι ανενεργός, θυμάται (latches) την τελευταία ψηφιακή λέξη, που γράφτηκε σε αυτόν και μπο -ρεί να αποσυνδεθεί από το δίαυλο δεδομένων. Όταν ο καταχωρητής είναι συν -δεδεμένος στο δίαυλο δεδομένων, τότε είναι προσπελάσιμος (transparent). Για παράδειγμα, 8-bit καταχωρητής ενός DAC (σχήμα 5.8.1) μπορεί να διαβάσει τα bits D$\_{7}$ ως D$\_{0}$ από το δίαυλο δεδομένων, όπου τα έχει τοποθετήσει ο μικρο -επεξεργαστής. Πώς, όμως, ένας μικροεπεξεργαστής ενημερώνει ένα DAC ή έναν ADC, ότι έχει επιλεγεί;

Σχήμα 5.8.1. Διασύνδεση DAC με διαύλους δεδομένων και διευθύνσεων
Κάθε καταχωρητής ενός DAC ή ADC έχει μια διεύθυνση, όπως οποιαδήποτε θέση μνήμης ή θέση I/O μικροεπεξεργαστή. Για να γίνει εγγραφή σε συγκε -κριμένο DAC, ο μικροεπεξεργαστής τοποθετεί τη διεύθυνση αυτού του DAC στο δίαυλο διευθύνσεων (σχήμα 5.8.1). Μια από τις εξόδους ενός αποκωδι -κοποιητή γίνεται μηδέν, για να ενεργοποιηθεί ο ακροδέκτης επιλογής CS του επιλεγόμενου DAC. Ο καταχωρητής του DAC δεν είναι, ακόμα, προσπελάσι -μος. Για να επιλεγεί πλήρως ο μικροεπεξεργαστής θέτει μηδέν στον ακροδέκτη

5.8
Μετατροπείς και Μικροεπεξεργαστές/Μικροελεγκτές
ενεργοποίησης CE του DAC. Αυτό γίνεται μέσα από τη γραμμή ελέγχου read/ write, που μπορεί να αναφέρεται και ως R/W . Όταν και το CS και το CE βρίσκονται σε στάθμη '0', μόνο τότε ένας DAC μπορεί να επικοινωνήσει με το μικροεπεξεργαστή. Τότε, ο εσωτερικός του καταχωρητής γίνεται προσπελάσι -μος και δέχεται δεδομένα από το δίαυλο δεδομένων. Ο DAC μετατρέπει, τότε, τα ψηφιακά δεδομένα σε αναλογική τάση εξόδου V$\_{o}$. Έτσι, ολοκληρώνεται η διαδικασία εγγραφής. Όταν και το CS και το CE βρίσκονται σε στάθμη '1', ο καταχωρητής του DAC εισέρχεται σε κατάσταση ασφάλισης και αποθηκεύει τα δεδομένα, που γράφτηκαν σε αυτόν. Η επιλογή ADC είναι παρόμοια. Δηλαδή, και εδώ πρέπει και το CS και το CE να βρίσκονται σε στάθμη '0'. Τότε, ο κα -ταχωρητής του ADC γίνεται προσπελάσιμος και μπορεί να διαβαστεί από το μικροεπεξεργαστή μέσω του διαύλου δεδομένων.

Παράδειγμα 8-bit DAC, συμβατού με μικροεπεξεργαστή, αποτελεί ο AD558 , που φαίνεται στο σχήμα 5.8.2. Περιέχει τελεστικό ενισχυτή, για να δίνει ανα -λογική τάση εξόδου, που μπορεί να προγραμματιστεί να παίρνει τιμές από 0 έως 2.56V ή από 0 έως 9.961V. Απαιτεί τροφοδοσία μεταξύ 4.5V και 16.5V. Διαθέτει ψηφιακή και αναλογική γείωση (ακροδέκτες 12 και 13 αντίστοιχα), 8 ακροδέκτες για τη ψηφιακή είσοδο με το D$\_{o}$ να είναι το LSB και το D$\_{7}$ το MSB. Οι ακροδέκτες αυτοί συνδέουν το δίαυλο δεδομένων στον εσωτερικό καταχω -ρητή του AD558, όταν επιλέγεται ο AD558. Όταν το CS και το CE είναι '1', οι ψηφιακές είσοδοι βρίσκονται σε κατάσταση ασφάλισης και αποσυνδέονται από το δίαυλο δεδομένων. Αν και το CS και το CE είναι '0', οι είσοδοι βρίσκονται σε κατάσταση προσπέλασης και συνδέονται με το δίαυλο δεδομένων. Τότε, εκτελείται η μετατροπή D/Α, που διαρκεί περίπου 200nsec.

Σχήμα 5.8.2. Διάταξη ακροδεκτών του DAC AD558 για V$\_{o}$=0 με 9.961V
Η αναλογική έξοδος εμφανίζεται μεταξύ των ακροδεκτών 16 και 13. Ο ακρο -δέκτης 14 επιλέγει (select) το πόσο υψηλή θα είναι η έξοδος. Όταν συνδέεται, όπως στο σχήμα 5.8.2, παρέχει τάση 0 με 9.961V. Όταν βραχυκυκλώνεται με τους ακροδέκτες 15 και 16, παρέχει τάση 0 με 2.56V. Ο ακροδέκτης 15 (sense) χρησιμοποιείται για επικοινωνία με φορτία, που βρίσκονται σε μεγάλη απόστα -ση.
Παράδειγμα ADC 8-bit διαδοχικής προσέγγισης συμβατού με μικροεπεξεργα -στή αποτελεί ο AD670 , που φαίνεται στο σχήμα 5.8.3. Εκτός από τα βασικά χαρακτηριστικά που έχουν ήδη περιγραφεί, ο ADC διαδοχικής προσέγγισης περιέχει ρολόι, ενισχυτή μέτρησης (instrumentation amplifier) και χρειάζεται μόνο 5V τροφοδοσία. Οι αναλογικές είσοδοι 16-19 είναι είσοδοι στον ενισχυτή μέτρησης. Μπορούν να προγραμματιστούν, για να πετύχουμε την επιθυμητή διακριτική ικανότητα. Το σχήμα 5.8.3 δείχνει τη σύνδεση για είσοδο 0 με 2.55V διακριτικής ικανότητας 10mV/LSB. Για είσοδο από 0 έως 255mV πρέπει να βραχυκυκλωθεί ο ακροδέκτης 16 με τον 17 και ο 18 με τον 19. Η ψηφιακή έξοδος λαμβάνεται από τους ακροδέκτες 1-8. Όταν ο μικροεπεξεργαστής δίνει εντολή στον AD670 να εκτελέσει μια μετατροπή, το αποτέλεσμα αποθηκεύεται στον καταχωρητή του ADC μέχρι να λάβει εντολή ανάγνωσης. Επομένως, συ -νήθως, ο καταχωρητής του ADC είναι αποσυνδεδεμένος από το δίαυλο δεδο -μένων. Ο ακροδέκτης 11 επιτρέπει στο μικροεπεξεργαστή να ενημερώσει τον AD670, αν θα δεχθεί είσοδο μονοπολική ή διπολική. Αν βρίσκεται σε στάθμη '0', επιλέγεται η μονοπολική είσοδος. Ο ακροδέκτης 12 επιτρέπει στο μικροε -πεξεργαστή να ενημερώσει τον AD670, αν πρέπει να παρουσιάσει την έξοδο με δυαδικό κώδικα ή κώδικα συμπληρώματος ως προς 2.

Σχήμα 5.8.3. Διάταξη ακροδεκτών του AD670 για διακριτική ικανότητα 10mV/bit
Η λειτουργία των ακροδεκτών 13-15 είναι ήδη γνωστή. Αν και οι τρεις αυτοί ακροδέκτες είναι '0', ο ADC μετατρέπει συνεχώς κάνοντας μια μετατροπή κάθε 10μsec, ενώ είναι αποσυνδεδεμένος από το δίαυλο δεδομένων. Αν και οι τρεις ακροδέκτες είναι '1', ο AD670 είναι μη επιλεγμένος. Ο ακροδέκτης κατάστασης 9 παραμένει σε στάθμη '1' κατά τη διάρκεια μιας μετατροπής. Όταν η μετατρο -πή ολοκληρώνεται, γίνεται '0' για να ενημερωθεί ο μικροεπεξεργαστής, ότι τα δεδομένα είναι διαθέσιμα στον καταχωρητή. Για να διαβάσει τα δεδομένα, ο μικροεπεξεργαστής θέτει το R/W '1' και τα status, CS και CE '0', οπότε αυτά συνδέονται στο δίαυλο δεδομένων. Θα παραμείνουν εκεί μέχρι τα CS και CE να γίνουν '1' ή το R/W '0'.

Τα συστήματα, που χρησιμοποιούν δειγματοληπτημένα δεδομένα, παρέχουν διακριτά σήματα πεπερασμένης ακρίβειας από συνεχή σήματα, που, θεωρη -τικά, έχουν την πραγματική ακρίβεια. Αυτό, που παρουσιάζει ενδιαφέρον στις διαδικασίες δειγματοληψίας είναι το μέγεθος της πληροφορίας, που χάνεται κατά τη δειγματοληψία και η ακρίβεια, με την οποία μπορεί να γίνει η ανασύν -θεση του αρχικού σήματος από τις δειγματοληπτημένες τιμές του. Μπορούμε να διακρίνουμε δύο κατηγορίες περιοδικής δειγματοληψίας: τη δειγματοληψία χωρίς επιστροφή στο μηδέν (NRZ: nonreturn-to-zero) και τη με επιστροφή στο μηδέν (RZ: return-to-zero). Στο σχήμα 5.9.1 παρουσιάζο -νται οι δύο αυτές κατηγορίες. Ο όρος τ παριστάνει το εύρος της δειγματοληψίας σε κάθε περίοδο δειγματοληψίας Τ. Η δειγματοληψία RZ χρησιμοποιείται κυρί -ως για πολυπλεξία σημάτων πολλών καναλιών σε ένα μονό κανάλι, όπως σε συστήματα τηλεμετρίας. Η δειγματοληψία NRZ γίνεται εσωτερικά στη λειτουρ -γία όλων των συσκευών μετατροπής δεδομένων, που αφορούν συστήματα εισόδου και εξόδου υπολογιστών.

Σχήμα 5.9.1. Παράσταση δειγματοληπτημένων δεδομένων

5.9

Δειγματοληπτημένα Δεδομένα
5.10 Θόρυβος Αλίασης
Υπενθυμίζεται, ότι, σύμφωνα με το θεώρημα Nyquist, η συχνότητα δειγματο -ληψίας πρέπει να είναι τουλάχιστον διπλάσια από τη συχνότητα του αναλογι -κού σήματος, ώστε η ανασύνθεση του σήματος να μπορεί να γίνει με ικανοποι -ητική προσέγγιση.
Σχήμα 5.10.1. Υποδειγματοληψία - Αλίαση
Το φαινόμενο της υποδειγματοληψίας (undersampling) συνεχούς σήματος παριστάνεται στο σχήμα 5.10.1. Αυτό δείχνει, ότι το σήμα, που ανασυνθέ -τουμε από ένα υποδειγματοληπτημένο αρχικό σήμα, δεν είναι πανομοιότυ -πο με αυτό, αλλά παρουσιάζει παραμόρφωση. Τα παραμορφωμένα σήματα εμφανίζονται με μικρότερη συχνότητα (aliases) από το αρχικό, όταν η συ -χνότητα δειγματοληψίας είναι μικρότερη από το διπλάσιο της συχνότητας του σήματος, δηλαδή όταν δεν ισχύει το θεώρημα Nyquist. Όσο μειώνεται η συχνότητα δειγματοληψίας, εμφανίζονται επικαλύψεις στο φάσμα του δειγμα -τοληπτημένου σήματος και παρατηρείται το φαινόμενο της αλίασης. Τα απο -τελέσματα της αλίασης συνοψίζονται στην παραγωγή της παραμόρφωσης της ενδοδιαμόρφωσης (intermodulation distortion). Ως ενδοδιαμόρφωση ορίζεται το φαινόμενο της διαμόρφωσης συνιστώσας σύνθετου σήματος από άλλη συνιστώσα του ίδιου σήματος. Ως συχνότητα αναδίπλωσης f$\_{o}$ (folding frequency) ορίζεται η μεγαλύτερη δυνατή συχνότητα, στην οποία μπορεί να υπάρχουν δειγματοληπτημένα δεδομένα, χωρίς να έχουν υποδειγματοληπτη -θεί. Συνεπώς, η συχνότητα δειγματοληψίας πρέπει να επιλέγεται μεγαλύτερη από το διπλάσιο της συχνότητας του σήματος, για να αποφεύγεται η εμφάνι -ση της αλίασης, πράγμα που είναι δύσκολο να επιτευχθεί στην πράξη. Όλα τα παραπάνω προβλήματα, μαζί με θόρυβο λόγω συνιστωσών εκτός της βα -σικής ζώνης του κύριου σήματος, όπως η σύμφωνη παρεμβολή (coherent interference), είτε τυχαίο θόρυβο (random noise spectra), που παρουσιάζε -ται πάνω από τη συχνότητα f$\_{o}$, οπότε και υποδειγματοληπτείται, αποτελούν το θόρυβο αλίασης (noise aliasing) στα συστήματα δειγματοληψίας.

Η λήψη διακριτών τιμών από σήμα συνεχούς χρόνου με μέθοδο δειγματολη -ψίας, όπως είδαμε στο σχήμα 5.9.1, προσφέρει ακριβή αναπαράσταση του σήματος μόνο μέσα στο διάστημα δειγματοληψίας. Η αναπαράσταση δεδομέ -νων στη NRZ δειγματοληψία, που φαίνεται στο σχήμα 5.9.1, αναπαριστάνεται με την πορτοκαλί γραμμή στο σχήμα 5.11.1. και δηλώνει τον τρόπο με τον οποίο τα δεδομένα τυγχάνουν διαχείρισης στους υπολογιστές. Δηλαδή, το πα -ρόν δείγμα είναι το τρέχον δεδομένο μέχρι να αποκτηθεί νέο δείγμα. Σε αυτή την εξέλιξη εμφανίζεται το σφάλμα μεταξύ δειγμάτων ΔV$\_{pp}$ (intersample) και το σφάλμα διανοίγματος ΔV'$\_{pp}$ (aperture), που είναι ουσιαστικά σχέσεις χρό -νου και πλάτους. To intersample και το aperture σφάλμα είναι σφάλματα του συστήματος, σε αντίθεση με το σφάλμα κβάντισης, που είναι σφάλμα του ADC. To intersample σφάλμα ΔV$\_{pp}$ για ημιτονικό σήμα V$\_{s}$ παίρνει τη μέγιστη τιμή του, όταν η V$\_{s}$ έχει τη μέγιστη κλίση, δηλαδή κατά το πέρασμα από τη μηδενική τάση (σχήμα 5.11.1). Γενικά, το σφάλμα αυτό παριστάνει την απόκλιση των δε -δομένων στην έξοδο του A/D από τις αντίστοιχες τιμές του συνεχούς σήματος εισόδου, ως συνέπεια της δειγματοληψίας, κβάντισης και κωδικοποίησης του σήματος.

Ο χρόνος διανοίγματος (aperture) t$\_{α}$ παρέχει το πεπερασμένο πλάτος αβε -βαιότητας ΔV'$\_{pp}$, μέσα στο οποίο αποκτάται δειγματοληπτημένο σήμα (σχήμα 5.11.1). Το σφάλμα διανοίγματος πρέπει να ελαχιστοποιείται στα συστήματα δειγματοληψίας δεδομένων. Η μεταβολή του χρόνου διανοίγματος t$\_{α}$ δεν επη -ρεάζει το intersample σφάλμα. Για παράδειγμα, ένα γρήγορο κύκλωμα S/Η, που προηγείται ενός A/D μετατροπέα, παρέχει μικρό σφάλμα διανοίγματος, αλλά το intersample σφάλμα εξακολουθεί να καθορίζεται από την περίοδο δειγ -ματοληψίας Τ.

Σχήμα 5.11.1. Αναπαράσταση intersample και aperture σφάλματος

5.11

Σφάλματα σε Σχέση με τη Δειγματοληψία

5.12
Επιλογή Κατάλληλου Μετατροπέα, Πολυπλέκτη, S/H
Όπως είναι γνωστό, στην αγορά υπάρχει μεγάλος αριθμός D/Α και A/D μετα -τροπέων, πολυπλεκτών και S/Η κυκλωμάτων από διάφορους κατασκευαστές, γεγονός που κάνει δύσκολη την επιλογή των κατάλληλων κυκλωμάτων για συ -γκεκριμένη εφαρμογή. Για το λόγο αυτό, ο σχεδιαστής συστήματος συλλογής και μετατροπής δεδομένων πρέπει να έχει πλήρη γνώση των απαιτήσεων της εφαρμογής, που θέλει να υλοποιήσει, τόσο σε σχέση με το μετατροπέα, όσο και σε σχέση με τον πολυπλέκτη και το S/Η, για να προβεί στην κατάλληλη επιλογή. Έτσι, θα πρέπει για κάθε μια από τις περιπτώσεις να γνωρίζει:

 Επιλογή μετατροπέα
- ► Τι διακριτική ικανότητα απαιτείται, πόσα bit εισόδου πρέπει να μετατρα -πούν και με πόση ακρίβεια σε ένα DAC; Ποιο είναι το εύρος της αναλο -γικής εισόδου ενός ADC;
- ► Τι κώδικα πρέπει να χρησιμοποιήσει; Η ψηφιακή είσοδος είναι σειριακή ή παράλληλη;
- ► Τι σήμα εξόδου χρειάζεται, ρεύμα ή τάση; Ποιο πρέπει να είναι το εύρος της πλήρους κλίμακας;
- ► Τι τάση αναφοράς απαιτείται, σταθερή ή μεταβλητή (MDAC);
- ► Τι είδους ψηφιακή διασύνδεση επιθυμεί; Τι απαιτήσεις ταχύτητας υπάρ -χουν; Πόσο χρόνο πρέπει να περιμένει το σύστημα για να αποκατα -σταθεί το σήμα εξόδου στον DAC; Γενικά, σε πόσο χρόνο πρέπει να ολοκληρώνεται μια μετατροπή D/Α ή A/D;
- ► Σε τι περιοχές θερμοκρασίας πρέπει να λειτουργεί ο μετατροπέας;
- ► Πόσο σταθεροποιημένες είναι οι τάσεις τροφοδοσίας, που θα χρησιμο -ποιηθούν;
- ► Τι χαρακτηριστικά έχει το σήμα εισόδου; Είναι θορυβώδες, δειγματολη -πτημένο, φιλτραρισμένο, μεταβάλλεται γρήγορα ή αργά; Τι είδους A/D μετατροπή πρέπει να επιλέξει;

 Επιλογή πολυπλέκτη
- ► Πόσα κανάλια εισόδου απαιτούνται;
- ► Πόσος χρόνος απαιτείται για την αποκατάσταση της επιθυμητής ακρί -βειας όταν μεταβαίνει από το ένα κανάλι στο άλλο; Ποιος είναι ο μέγι -στος ρυθμός εναλλαγής;
- ► Ο ρυθμός εναλλαγής θα είναι σταθερός ή θα πρέπει να είναι προσαρ -μόσιμος στις εκάστοτε συνθήκες της εφαρμογής;

 Επιλογή S/H
- ► Ποιο είναι το εύρος του σήματος εισόδου;
- ► Τι ακρίβεια απαιτείται;
- ► Τι διαρροές επιτρέπεται να υπάρχουν στη διάρκεια της κράτησης;
- ► Πόσο επηρεάζει η θερμοκρασία και οι διακυμάνσεις της τάσης τροφοδο -σίας;
-  Τα βασικότερα στοιχεία συστήματος συλλογής και μετατροπής δεδομένων είναι ο αναλογικός πολυπλέκτης, το κύκλωμα δειγματοληψίας κράτησης και ο μετατροπέας αναλογικού σήματος σε ψηφιακό ADC.
-  Οι σημαντικότεροι μετατροπείς ψηφιακού σήματος σε αναλογικό (DACs) είναι οι μετατροπείς με βάρη αντιστάσεων και οι μετατροπείς R-2R. Σε ολοκληρωμένη μορφή, μετατροπέας που έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως είναι ο DAC-08.
-  Απαραίτητοι στη μετατροπή δεδομένων είναι οι κώδικες, με σημαντικότερο τον δυαδικό. Άλλοι σημαντικοί κώδικες είναι ο BCD, συμπληρωματικός δυαδικός, συμπληρωματικός BCD, μέτρου πρόσημου, δυαδικός αντιστάθμισης, συμπληρώματος ως προς 2 και συμπληρώματος ως προς 1. Κατά τη χρήση των μετατροπέων εμφανίζονται ορισμένα σφάλματα, όπως το σφάλμα αντιστάθμισης, ενίσχυσης, μη γραμμικότητας και διαφορικής μη γραμμικότητας. Στους ADCs εμφανίζεται επίσης το σφάλμα κβάντισης
-  Οι μετατροπείς αναλογικού σήματος σε ψηφιακό (ADCs) βασίζονται είτε στην τεχνική της σύγκρισης είτε της ολοκλήρωσης. Χαρακτηριστικοί τέτοιοι μετατροπείς είναι οι διαδοχικής προσέγγισης, διπλής κλίσης, εξισορρόπησης φορτίου, μετατροπής τάσης-συχνότητας, ανίχνευσης και οι ταυτόχρονοι μετατροπείς (flash converters).
-  Βασικές κατηγορίες δειγματοληψίας είναι η δειγματοληψία χωρίς επιστροφή στο μηδέν NRZ και η δειγματοληψία με επιστροφή στο μηδέν RZ.
-  Οι μετατροπείς, που είναι συμβατοί με μικροεπεξεργαστές/μικροελεγκτές, διαθέτουν τόσο εσωτερικούς καταχωρητές όσο και σχετική λογική διασύνδεσης.
-  Για να αποφεύγονται τα προβλήματα υποδειγματοληψίας και αλίασης πρέπει να ικανοποιείται το θεώρημα Nyquist. Σημαντικά σφάλματα σε σχέση με τη δειγματοληψία είναι το σφάλμα μεταξύ δειγμάτων (intersample) και το σφάλμα διανοίγματος (aperture).
-  Για τη σωστή επιλογή μετατροπέα, πολυπλέκτη και S/Η σε μια εφαρμογή απαιτείται καλή γνώση των απαιτήσεων της εφαρμογής.

Ανακεφαλαίωση

 Ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής Αξιολόγηση
- 1. Το σφάλμα κβάντισης κυμαίνεται μεταξύ:
- α) -LSB και +LSB
- β) -MSB και + MSB
- γ) -1/2LSB και +1/2LSB
- δ) -1/2MSB και +1/2MSB
- 2. Ο δεκαδικός αριθμός 0.91 κωδικοποιείται σε κώδικα BCD ως:
- α) 1010 0010
- β) 1001 0001
- γ) 0110 1110
- δ) 0010 0001
- 3. Το συμπληρωματικό ρεύμα εξόδου DAC-08 είναι:
- α) αντίθετο του ρεύματος εξόδου
- β) το μισό του ρεύματος εξόδου
- γ) το διπλάσιο του ρεύματος εξόδου
- δ) το ρεύμα πλήρους κλίμακας μείον το ρεύμα εξόδου
- 4. Η A/D μετατροπή διπλής κλίσης γίνεται σε:
- α) δύο φάσεις
- β) μία φάση
- γ) τρεις φάσεις
- δ) τέσσερις φάσεις

 Ερωτήσεις του τύπου Σωστό/Λάθος
- 1. Διακριτική ικανότητα ονομάζεται το βάρος, που αντιστοιχεί στο MSB.
- 2. Οι διπολικοί κώδικες κωδικοποιούν αριθμούς ενός μόνο πρόσημου.
- 3. Οι DACs τύπου πολλαπλασιασμού δέχονται σταθερή τάση αναφοράς.
- 4. Η A/D μετατροπή διαδοχικής προσέγγισης βασίζεται σε ολοκλήρωση.
- 5. Οι μετατροπείς, που είναι συμβατοί με μικροεπεξεργαστές, εμπεριέχουν εσωτερικούς καταχωρητές.
- 6. Κατά την ενδοδιαμόρφωση, συνιστώσα σύνθετου σήματος διαμορφώνεται από άλλη συνιστώσα του ίδιου σήματος.

 Ερωτήσεις αντιστοίχισης
- 1. Να αντιστοιχίσετε τους παρακάτω αριθμούς σύμφωνα με τον κώδικα μέ -τρου πρόσημου:

|   1101 | +5/8   |
|--------|--------|
|   0101 | +4/8   |
|   1100 | -3/8   |
|   0100 | -4/8   |
|   1011 | -5/8   |

 Ερωτήσεις συμπλήρωσης κενού
- 1. Οι τεχνικές μετατροπής από
κατηγορίες,
πρώτη
μεθόδους
 οποίες η
 χρησιμοποιεί
, ενώ η δεύτερη μεθόδους  τάσεων.
Οι  μετατροπείς (flash converters) είναι οι  από όλους
τους ADCs γιατί όλα τα bits παίρνουν τιμή .
- 3. Σύμφωνα με το θεώρημα , η συχνότητα  πρέπει να είναι
τουλάχιστον  από τη συχνότητα του αναλογικού σήματος, ώστε η

 του σήματος να μπορεί να γίνει με ικανοποιητική προσέγγιση.

 Ερωτήσεις ανοικτού τύπου
- 1. Περιγράψτε τα είδη των αναλογικών πολυπλεκτών.
- 2. Πώς λειτουργεί το κύκλωμα δειγματοληψίας κράτησης;
- 3. Τι είδους σφάλματα παρουσιάζουν οι μετατροπείς A/D και D/A;
- 4. Περιγράψτε τη λειτουργία του βασικού κυκλώματος DAC.
- 5. Περιγράψτε τη λειτουργία του ADC διαδοχικής προσέγγισης.
- 6. Περιγράψτε τη λειτουργία του ADC διπλής κλίσης.
- 7. Περιγράψτε τις βασικές αρχές διασύνδεσης μετατροπέων με μικροεπε -ξεργαστή.
- 8. Ποια είναι τα προβλήματα από την μη ικανοποίηση του θεωρήματος του Nyquist;
σήμα σε
βασίζονται
- 1. Να υπολογιστεί το ρεύμα αναφοράς του DAC-08, του σχήματος 5.6.1 (α), και η διακριτική ικανότητα που αντιστοιχεί στο 1LSB. Ασκήσεις

(2mA, 7.8125μΑ)
- 2. Να υπολογιστεί το ρεύμα εξόδου και το συμπληρωματικό ρεύμα εξόδου του DAC-08, του σχήματος 5.6.1(α), για ψηφιακή είσοδο 00000001,10000000 και 11111111.
(7.8125μΑ, 1.984mA, 1mA, 0.992mA, 1.992mA, 0)
- 3. Να υπολογιστεί η τάση εξόδου του DAC-08, του σχήματος 5.6.1(α), για ψηφιακή είσοδο 00000001 και 11111111.
(39.0625mV, 9.961V)
- 4. Ένας 8-bit ADC διαδοχικής προσέγγισης ελέγχεται από ρολόι 1ΜΗz. Να υπολογιστεί ο χρόνος της μετατροπής A/D.
(9μsec)
- 5. Για τον ADC, του σχήματος 5.7.3, να υπολογιστεί ο χρόνος Τ$\_{2}$ για V$\_{i}$= 100mV και V$\_{i}$=200mV.

(83.33msec, 166.6msec)

Συστήματα μετρήσεων και μικροϋπολογιστές
-  Εισαγωγή
-  Προγραμματισμένη Μεταφορά Δεδομένων
- Τεχνικές Μεταφοράς Δεδομένων
- Μεταφορά Δεδομένων με Άμεση Προσπέλαση στη Μνήμη
- Εσωτερικοί Δίαυλοι Διακίνησης Πληροφοριών
-  Θύρες Εισόδου/Εξόδου
-  Εξωτερικοί Δίαυλοι Διακίνησης Πληροφοριών
-  Λογισμικό Συστημάτων Μετρήσεων
- Διασύνδεση Συσκευών I/O σε Μικροϋπολογιστή
- Πρακτικά Συστήματα Συλλογής Δεδομένων

Σκοπός
Όταν ολοκληρώσεις το κεφάλαιο αυτό, θα μπορείς:
-  Να κατονομάζεις και να περιγράφεις διάφορες τεχνικές μεταφοράς δεδομένων, τόσο προγραμματιζόμενες όσο και άμεσης προσπέλασης στη μνήμη.
-  Να εξηγείς έννοιες σχετικές με τη μετάδοση δεδομένων, όπως σειριακή και πα -ράλληλη, ασύγχρονη και σύγχρονη, μονόδρομη, ημι-αμφίδρομη και αμφίδρομη.
-  Να κατονομάζεις και να περιγράφεις τα είδη διαύλων διακίνησης δεδομένων, τόσο εσωτερικών όσο και εξωτερικών.
-  Να περιγράφεις τη διασύνδεση μερικών τυπικών συσκευών I/O σε μικροϋπο -λογιστή.
- Να περιγράφεις πρακτικό σύστημα συλλογής δεδομένων.
-  Να περιγράφεις τις γενιές του λογισμικού των συστημάτων μετρήσεων.

Στο κεφάλαιο αυτό αναλύονται διάφορες τεχνικές μεταφοράς δεδομένων και γίνεται αναφορά στους διαύλους διακίνησης πληροφοριών των υπολογιστών, τη διασύνδεση συσκευών εισόδου-εξόδου και στις γλώσσες προγραμματισμού συστημάτων συλλογής δεδομένων και ελέγχου. Στο τέλος του κεφαλαίου περι -γράφεται πρακτικό σύστημα συλλογής δεδομένων ανακεφαλαιώνοντας, ουσιαστικά, τα όσα αναφέρονται στα πρώτα έξι κεφάλαια.

Εισαγωγή

6.2 Τεχνικές Μεταφοράς Δεδομένων
Η διασύνδεση των συσκευών εισόδου-εξόδου και περιφερειακών (I/O: Input/ Output devices-peripherals) σε ένα μικροεπεξεργαστή παρουσιάζει αρκετά προβλήματα, σε αντίθεση με τη διασύνδεση μνημών, οι οποίες, επειδή κατα -σκευάζονται με την ίδια τεχνολογία, που κατασκευάζονται και οι μικροεπεξερ -γαστές, είναι συμβατές μαζί του, τόσο σε επίπεδο ταχύτητας όσο και σε επίπε -δο ηλεκτρικών χαρακτηριστικών. Οι κύριοι λόγοι εμφάνισης προβλημάτων στη διασύνδεση συσκευών I/O είναι οι παρακάτω:

-  Η μεγάλη ποικιλία των κατηγοριών των συσκευών εισόδου-εξόδου, όπως μηχανικές, ηλεκτρικές, ηλεκτρομηχανικές και ηλεκτρονικές. Σαν απο -τέλεσμα αυτού, σπάνια υπάρχει συμβατότητα όσον αφορά τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά τους και γι' αυτό πρέπει να χρησιμοποιούνται κατάλληλα κυκλώματα διασύνδεσής τους για την επίλυση της ηλεκτρικής ασυμβατό -τητας με το μικροεπεξεργαστή (CPU). Σε μερικές περιπτώσεις πρέπει να χρησιμοποιηθούν μετατροπείς (transducers), μετατροπείς αναλογικού σή -ματος σε ψηφιακό (ADCs) ή μετατροπείς ψηφιακού σήματος σε αναλογικό (DACs).
-  Η μεγάλη ποικιλία στο format των δεδομένων. Υπάρχουν πολλά περι -φερειακά, τα οποία είναι εκ φύσης σειριακά, δηλαδή ανταλλάσσουν δεδο -μένα σειριακά. Για παράδειγμα, οι κασέτες ήχου, τα συστήματα μαλακού δίσκου, κ.ά. ανήκουν στην κατηγορία αυτή. Για τη μετατροπή από τη σει -ριακή μορφή της λέξης σε παράλληλη, πρέπει να κατασκευαστεί κατάλ -ληλο κύκλωμα διασύνδεσης και αντίστροφα. Από την άλλη μεριά μερικά περιφερειακά παράγουν δεδομένα με τέτοια μορφή, η οποία δεν είναι απο -δεκτή από τη CPU. Για παράδειγμα, σε μικροεπεξεργαστικό σύστημα, οι χαρακτήρες, συνήθως, αναπαρίστανται σε κώδικα ASCII των 7-bit, ενώ ο «αναγνώστης» καρτών (card reader) παράγει κώδικα Hollerith των 12-bit για κάθε χαρακτήρα. Έτσι, πρέπει να χρησιμοποιηθεί μετατροπέας κώδικα για τη διασύνδεση του «αναγνώστη» καρτών με CPU.
-  Το εύρος της περιοχής ταχυτήτων ποικίλει πάρα πολύ, με ρυθμό με -ταφοράς (transfer rate) από μερικά bytes ανά λεπτό μέχρι αρκετές εκατο -ντάδες kbytes το δευτερόλεπτο. Για παράδειγμα, ένας άνθρωπος, ο οποίος χειρίζεται ένα υπολογιστή μπορεί να μεταδώσει μερικά bytes με την πίεση των πλήκτρων του πληκτρολογίου, ένα τηλέτυπο μεταδίδει 110 bytes ανά δευτερόλεπτο, ένα σύστημα μαλακού δίσκου (floppy disk) μεταφέρει δεδο -μένα με ρυθμό 250 kbits/sec και ένα σύστημα δίσκου Winchester μεταφέρει δεδομένα με ρυθμό 5000 kbits/sec.

Εξαιτίας των παραπάνω πηγών ασυμβατοτήτων, κάθε περιφερειακό αντιπρο -σωπεύει μοναδικό πρόβλημα, το οποίο πρέπει να λυθεί με τη σχεδίαση κα -τάλληλου κυκλώματος διασύνδεσης. Εκτός από την αποκωδικοποίηση διεύθυνσης και τη διασύνδεση, που αφορά συνήθως τη μνήμη, πρέπει να χρη -σιμοποιηθούν επίσης κατάλληλες τεχνικές για το συμβιβασμό του τεράστιου εύρους ταχυτήτων των περιφερειακών. Τις τελευταίες δύο δεκαετίες έχει επι -νοηθεί αριθμός τεχνικών μεταφοράς δεδομένων για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος. Οι τεχνικές μεταφοράς δεδομένων μπορούν γενικά να κα-
ταταχτούν σε δύο κατηγορίες, την προγραμματισμένη μεταφορά δεδομένων και την μεταφορά δεδομένων με άμεση προσπέλαση στην μνήμη (DMA).

Προγραμματισμένη Μεταφορά Δεδομένων
Το κύριο χαρακτηριστικό της τεχνικής προγραμματισμένης μεταφοράς δεδομέ -νων είναι ότι η μεταφορά δεδομένων πραγματοποιείται κάτω από τον έλεγχο προγράμματος, που βρίσκεται στην κύρια μνήμη του μικροϋπολογιστικού συ -στήματος. Για τη μεταφορά ενός byte δεδομένων ανάμεσα στη μνήμη και στις συσκευές I/O απαιτείται η εκτέλεση μερικών εντολών. Σαν αποτέλεσμα αυτού, η προγραμματισμένη μεταφορά δεδομένων είναι εν γένει αργή και κατάλλη -λη για μεταφορά δεδομένων της τάξης ενός μικρού αριθμού bytes με σχετικά αργά περιφερειακά.

Για την ικανοποίηση των διαφορετικών απαιτήσεων του κάθε περιφερειακού, χρησιμοποιούνται μερικές τεχνικές προγραμματισμένης μεταφοράς δεδομέ -νων, οι οποίες μπορούν να ταξινομηθούν σε τρεις κατηγορίες: σύγχρονος τρόπος (synchronous mode), ασύγχρονος τρόπος (asynchronous mode) και τρόπος οδηγούμενος από διακοπή (interrupt driven mode).

 Σύγχρονος τρόπος
Ο σύγχρονος τρόπος μεταφοράς δεδομένων χρησιμοποιείται για συσκευές I/O, των οποίων τα χαρακτηριστικά χρονισμού τους είναι ακριβώς καθορι -σμένα, ή είναι αρκετά γρήγορες, έτσι ώστε να είναι συμβατές σε επίπεδο ταχύτητας με τη CPU, με την οποία επικοινωνούν. Η κεντρική ιδέα είναι, ότι η κατάσταση της συσκευής I/O, δηλαδή αν η συσκευή είναι σε ετοιμότητα ή όχι, δεν ελέγχεται πριν γίνει η μεταφορά των δεδομένων. Για παράδειγμα, στην περίπτωση της μεταφοράς δεδομένων προς και από τη μνήμη, η CPU εκτελεί την εντολή STORE ή LOAD και υποθέτει, ότι η μνήμη είναι έτοιμη να δεχτεί ή να δώσει δεδομένα, σύμφωνα με τις απαιτήσεις χρονισμού της CPU. Σωστή μεταφορά δεδομένων μπορεί να συμβεί μόνο, όταν η μνήμη είναι συμβατή σε ταχύτητα με τη CPU. Η μεταφορά δεδομένων με τις συ -σκευές I/O μπορεί να πραγματοποιηθεί με παρόμοιο τρόπο, απλά σε αυτή την περίπτωση εκτελούνται είτε εντολές εισόδου και εξόδου είτε εντολές ανάγνωσης/εγγραφής στη μνήμη ανάλογα με το εάν η συσκευή I/O απεικο -νίζεται στο μικροϋπολογιστικό σύστημα σαν συσκευή Ι/Ο ή μνήμη (σχήμα 6.3.1).

Σχήμα 6.3.1. Διάγραμμα ροής σύγχρονου τρόπου μεταφοράς δεδομένων συμβατού σε ταχύτητα με τη CPU
Ο σύγχρονος τρόπος μπορεί να εφαρμοστεί και σε αργές συσκευές I/O, αν τα χαρακτηριστικά χρονισμού των διατάξεων αυτών είναι επακριβώς γνωστά. Στην περίπτωση αυτή, η μεταφορά δεδομένων ξεκινά με την αίτηση προς τις συσκευές I/O να τεθούν σε ετοιμότητα στη συνέχεια, η CPU περιμένει για κά -ποιο προκαθορισμένο χρόνο και, μετά, εκτελεί την εντολή I/O για την ολοκλή -ρωση της μεταφοράς δεδομένων. Το διάγραμμα ροής δείχνεται στο σχήμα 6.3.2.

Σχήμα 6.3.2. Διάγραμμα ροής σύγχρονου τρόπου μεταφοράς δεδομένων για συσκευές I/O με γνωστά χαρακτηριστικά ταχύτητας
Ο σύγχρονος τρόπος είναι πολύ απλός στην υλοποίησή του. Ωστόσο, συσκευ -ές I/O με γνωστές παραμέτρους χρονισμού ή συμβατές σε ταχύτητα με τη CPU απαντώνται σπάνια. Έτσι, πρέπει να χρησιμοποιούνται κατάλληλες μέθοδοι για τέτοιες περιπτώσεις. Οι ακόλουθοι τρόποι χρησιμοποιούνται για τη διευθέ -τηση του προβλήματος αυτού.

 Ασύγχρονος τρόπος
Κάθε φορά, που τα χαρακτηριστικά χρονισμού συσκευής I/O δεν μπορούν να προβλεφθούν, μπορεί να χρησιμοποιηθεί η ασύγχρονη μέθοδος. Το κύριο χαρακτηριστικό του τρόπου αυτού είναι, ότι η CPU ξεκινά τη μεταφορά των δεδομένων ζητώντας από τη συσκευή να τεθεί σε ετοιμότητα και στη συνέχεια, συνεχίζει με τον έλεγχο της κατάστασής της. Η εντολή I/O εκτελείται μόνο, όταν η συσκευή I/O είναι έτοιμη να δεχθεί ή να δώσει δεδομένα. Έτσι, δημιουργείται σήμα «αίτησης ετοιμότητας» (request ready signal) από τη CPU και σήμα επιβεβαίωσης (acknowledge signal), το οποίο προέρχεται από τη συσκευή I/O, πριν από κάθε μεταφορά δεδομένων. Η μέθοδος αυτή είναι γνωστή σα μέθοδος χειραψίας (handshaking mode) μεταφοράς δεδομένων, καθώς μοιάζει με την κίνηση των χεριών μπρος και πίσω, που συμβαίνει σε μια χειραψία, για το συντονισμό της μεταφοράς

Σχήμα 6.3.3. Διάγραμμα ροής ασύγχρονου τρόπου μεταφοράς δεδομένων
των δεδομένων. Τα παραπάνω δείχνονται στο σχήμα 6.3.3. Ο ασύγχρονος τρόπος είναι ιδανικός για τη διευθέτηση των διαφορών στους χρονισμούς ανάμεσα στη CPU και στις συσκευές I/O. Ωστόσο, σημαντικό μειονέκτημα είναι, ότι μεγάλο ποσό χρόνου καταναλώνεται από τη CPU για τον έλεγχο της κατάστασης της συσκευής I/O. Η σπατάλη του χρόνου της CPU μπορεί να είναι απαγορευτική ή μη πρακτική σε αρκετές περιπτώσεις.

 Τρόπος οδηγούμενος από διακοπή
Για την υπερπήδηση των μειονεκτημάτων των δύο προηγούμενων τρόπων μεταφοράς δεδομένων, έχει σχεδιαστεί άλλη τεχνική προγραμματισμένης με -ταφοράς δεδομένων, η οποία ονομάζεται τρόπος οδηγούμενος από διακοπή (interrupt driven mode). Η βασική φιλοσοφία της μεθόδου αυτής είναι, ότι ο επεξεργαστής ξεκινά τη μεταφορά δεδομένων ζητώντας από τη συσκευή να τεθεί σε ετοιμότητα και συνεχίζει την εκτέλεση του αρχικού προγράμματος, αντί να χάνει χρόνο παρακολουθώντας συνεχώς την κατάσταση της συσκευής I/O. Όταν η συσκευή είναι έτοιμη να δεχθεί ή να δώσει δεδομένα, πληροφορεί τον επεξεργαστή διαμέσου ειδικής γραμμής ελέγχου, η οποία ονομάζεται γραμμή αίτησης διακοπής (interrupt line). Σε απάντηση αυτού, ο επεξεργαστής ολο -κληρώνει την εκτέλεση της τρέχουσας εντολής. Στη συνέχεια, αντί να εκτελέσει την επόμενη εντολή, αποθηκεύει το μετρητή προγράμματος (Program Count -er) και ενδεχόμενα και σειρά άλλων καταχωρητών, όπως αυτό επιβάλλεται από
την αρχιτεκτονική της εκάστοτε CPU, στο σωρό (stack) και κάνει «άλμα» σε προκαθορισμένη θέση, η οποία είναι η διεύθυνση έναρξης της υπορουτίνας, που καλείται υπορουτίνα εξυπηρέτησης διακοπής (ISS: interrupt service subroutine). Η ISS με τη σειρά της αποθηκεύει την κατάσταση του επεξερ -γαστή στο σωρό, ολοκληρώνει τη μεταφορά των δεδομένων προς ή από τη συσκευή I/O, που είναι υπεύθυνη για τη διακοπή, αποκαθιστά την προτέρα κατάσταση στον επεξεργαστή και, στη συνέχεια, επιστρέφει στο αρχικό πρό -γραμμα, το οποίο εκτελούσε η CPU πριν από τη διακοπή. Το σχήμα 6.3.4 δεί -χνει το διάγραμμα ροής αυτού του τρόπου μεταφοράς δεδομένων.

Σχήμα 6.3.4. Μεταφορά δεδομένων με τρόπο οδηγούμενο από διακοπή (η πορτοκαλί γραμμή υπονοεί μεταφορά υπό τον έλεγχο hardware)
Μπορεί να παρατηρηθεί στο σημείο αυτό, ότι ο χρόνος, που απαιτείται από τη συσκευή I/O, για να τεθεί σε ετοιμότητα έπειτα από τη λήψη του σήματος «θέ -σεως σε ετοιμότητα» (get ready signal), χρησιμοποιείται από την CPU. Ωστό -σο, χρειάζεται επιπλέον χρόνο για την αποθήκευση και την αποκατάσταση της κατάστασης (status) του επεξεργαστή από και προς το σωρό. Ο τρόπος αυτός έχει ένα άλλο σημαντικό πλεονέκτημα. Αντί να ξεκινά από την CPU η μεταφορά δεδομένων, μπορεί να ξεκινήσει από τη συσκευή I/O. Αυτό δεν είναι δυνατό να συμβεί σε περιπτώσεις άλλων τρόπων προγραμματισμένης μεταφοράς δεδο -μένων.

Μεταφορά Δεδομένων με Άμεση Προσπέλαση στη Μνήμη
Αν κοιτάξει κανείς το σύνολο των εντολών μιας CPU, θα παρατηρήσει, ότι υπάρχουν εντολές για τη μεταφορά δεδομένων από τη μνήμη ή τη συσκευή I/O στους καταχωρητές της CPU και αντίστροφα. Όμως, δεν υπάρχει κα -μία εντολή για μεταφορά δεδομένων ανάμεσα στη μνήμη και στις συσκευές I/O άμεσα. Επομένως, χρησιμοποιώντας οποιονδήποτε από τους τρόπους προγραμματισμένης μεταφοράς, η μεταφορά δεδομένων ανάμεσα στη μνήμη και στις συσκευές I/O μπορεί να πραγματοποιηθεί σε δύο βήματα, χρησιμο -ποιώντας έναν από τους καταχωρητές της CPU (συνήθως το συσσωρευτή) σαν ενδιάμεσο μέσο. Το γεγονός αυτό κάνει τους τρόπους μεταφοράς δεδομένων με προγραμματισμό της I/O εν γένει αργούς. Αν χρειάζεται μάλιστα να μεταφερθεί μεγάλο κομμάτι δεδομένων ανάμεσα στην μνήμη και σε μια γρήγορη συσκευή I/O, η καθυστέρηση, που δημιουργείται από αυτή την αργή διαδικασία, μπορεί να είναι απαγορευτική. Για την υπερπήδηση του προβλήματος αυτού έχει σχεδιαστεί ο τρόπος μεταφοράς δεδομένων με άμε -ση προσπέλαση στην μνήμη ή τρόπος μεταφοράς δεδομένων DMA (direct memory access). Η κεντρική ιδέα, που αποτελεί τη βάση της μεθόδου είναι, ότι η CPU απομακρύνεται από τη διαδικασία μεταφοράς δεδομένων με την τοποθέτηση σε τρίτη κατάσταση (tristated) του διαύλου διευθύνσεων, του διαύλου δεδομένων και των γραμμών ελέγχου της μνήμης και των συσκευών I/O. Εγκαθίσταται άμεση σύνδεση ανάμεσα στη μνήμη και στη συσκευή I/O και η μεταφορά δεδομένων ελέγχεται από εξωτερικό κύκλωμα γνωστό σαν ελεγκτής άμεσης προσπέλασης μνήμης ή για συντομία ελεγκτής DMA (DMA controller). Στην περίπτωση αυτή, ο ρυθμός μεταφοράς δεδομένων περιορίζεται μόνο από την ελάχιστη ταχύτητα των δύο συσκευών. Ωστόσο, για να διευκολυνθεί ο τρόπος μεταφοράς δεδομένων με DMA, η CPU πρέπει να είναι εξοπλισμένη με τα ακόλουθα χαρακτηριστικά:

-  Γραμμή ελέγχου εισόδου, με τη βοήθεια της οποίας η συσκευή I/O, διαμέ -σου του ελεγκτή DMA, ζητά από την CPU μεταφορά δεδομένων με DMA.
- Γραμμή ελέγχου εξόδου, με τη βοήθεια της οποίας η CPU αποδέχεται την μεταφορά με DMA.
-  Η CPU πρέπει να είναι ικανή να θέτει σε τρίτη κατάσταση (tristate) τις γραμ -μές διευθύνσεων, δεδομένων και απαραίτητων γραμμών ελέγχου κατά τη διάρκεια της μεταφοράς δεδομένων με DMA.
Σχεδόν όλες οι CPUs διαθέτουν τα παραπάνω χαρακτηριστικά. Ο ελεγκτής DMA θα πρέπει επίσης να εκτελεί τις ακόλουθες λειτουργίες: 

-  Διασύνδεση των διαύλων της CPU με τη συσκευή I/O.
- Δημιουργία του σήματος αίτησης μεταφοράς DMA (DMA request signal).
- Προς απάντηση του σήματος αποδοχής DMA από την CPU, πρέπει να ελέγχει τον δίαυλο δεδομένων και τις γραμμές ελέγχου, που απαιτούνται για τη μεταφορά δεδομένων. 
-  Πρέπει να διατηρεί πληροφορίες σχετικά με τον αριθμό των bytes, που θα μεταφερθούν, καθώς και τη διεύθυνση έναρξης των δεδομένων στη μνήμη, έτσι ώστε να μπορεί να παράγει ακολουθιακά τις διευθύνσεις της RAM μια προς μια και να αποσύρει την αίτηση για μεταφορά με DMA, όταν τελειώσει η μεταφορά και του τελευταίου byte δεδομένων.

Το σχηματικό διάγραμμα μικροϋπολογιστικού συστήματος για τρόπο μεταφοράς δεδομένων με DMA δείχνεται στο σχήμα 6.4.1. Η ακολουθία των γεγονότων, που συμβαίνουν, δείχνεται από το διάγραμμα ροής του σχήματος 6.4.2. Είναι δυνα -τοί δύο διαφορετικοί τύποι μεταφοράς με DMA. Στην πρώτη περίπτωση, από τη στιγμή, που ξεκινά η διαδικασία μεταφοράς δεδομένων, δεν σταματά παρά μόνο μετά τη μεταφορά ολόκληρου του συνόλου (block) των δεδομένων. Για το λόγο αυτό είναι γνωστός σαν τρόπος block DMA . Αν, ωστόσο, η CPU δεν μπορεί να κρατηθεί αδρανής για τη μεγάλη χρονική διάρκεια, που απαιτείται για τη μεταφο -ρά ολόκληρου του συνόλου των δεδομένων, ή υπάρχει σημαντική καθυστέρηση ανάμεσα στην δημιουργία των διαδοχικών δεδομένων, μπορεί να χρησιμοποι -ηθεί άλλη τεχνική, η οποία είναι γνωστή σαν τρόπος DMA «κλοπής» κύκλου (cycle stealing DMA mode). Στην περίπτωση αυτή, ένα ή δύο bytes δεδομένων μεταφέρονται, μόλις η CPU επιτρέψει την DMA, και μετά ο ελεγκτής DMA αποσύ -ρει την αίτηση (request). Έπειτα από καθορισμένο χρονικό διάστημα, ο ελεγκτής DMA διακόπτει την CPU, υποδεικνύοντας το τέλος της μεταφοράς DMA.

Σχήμα 6.4.1. Σχηματικό διάγραμμα μικροϋπολογιστικού συστήματος που χρησιμοποιεί μεταφορά δεδομένων με DMA
Σχήμα 6.4.2. Διάγραμμα ροής της μεταφοράς δεδομένων με DMA (όπου η πορτοκαλί γραμμή υπονοεί τη μεταφορά υπό τον έλεγχο hardware)

6.5 Θύρες Εισόδου/ Εξόδου
Η μνήμη συνδέεται άμεσα στους διαύλους του συστήματος και επιλέγεται η κατάλληλη θέση μνήμης για τη μεταφορά δεδομένων εφόσον και όταν απαι -τείται. Οι συσκευές I/O δεν μπορούν να διασυνδεθούν με τον ίδιο τρόπο, γιατί οι συσκευές I/O δεν είναι εξοπλισμένες με τα κατάλληλα λογικά κυκλώματα, που απαιτούνται για την άμεση διασύνδεσή τους στους διαύλους του συστή -ματος. Συνήθως, διασυνδέονται με τη βοήθεια κάποιων επιπλέον κυκλωμά -των (διατάξεων) γνωστών ως θύρες I/O (I/O ports). Οι θύρες I/O μπορούν να υλοποιηθούν, είτε χρησιμοποιώντας πύλες TTL είτε χρησιμοποιώντας ειδικά κυκλώματα (chips), τα οποία κατασκευάζονται από τους κατασκευαστές των μικροεπεξεργαστών. Μια θύρα I/O αναμένεται εν γένει να περιλαμβάνει τα ακό -λουθα:

-  Λογική επιλογής διάταξης (device selection logic). Η λογική επιλογής της διάταξης είναι ουσιώδης για την επιλογή της επιθυμητής συσκευής I/O και την αποσύνδεση των άλλων διατάξεων για δεδομένη διεύθυνση I/O, που δημιουργείται στο δίαυλο διευθύνσεων της CPU.
-  Οδηγούς διαύλου (bus drivers). Εφόσον εν γένει αρκετές συσκευές I/O μπορούν να συνδεθούν φυσικά στο δίαυλο του συστήματος και μόνο μια πρέπει να είναι λογικά συνδεδεμένη σε συγκεκριμένη χρονική στιγμή, πρέ -πει να χρησιμοποιηθούν απομονωτές τρίτης κατάστασης για τη λογική αποσύνδεση εκείνων των συσκευών I/O, στις οποίες δεν απευθύνεται το σύστημα.
-  Απομονωτές δεδομένων (data buffers). Οι συσκευές I/O μπορούν να δώ -σουν ή να δεχθούν δεδομένα για σύντομη χρονική διάρκεια και σε χρονικές στιγμές τελείως ασυσχέτιστες με το ρολόι (clock) της CPU. Επίσης, μπορεί να υπάρχουν ασυμβατότητες χρονισμού. Για να υπερνικηθούν όλα αυτά τα προβλήματα, μπορεί να χρησιμοποιηθεί καταχωρητής απομόνωσης (latch) για να διατηρεί προσωρινά τα δεδομένα, είτε από συσκευή I/O είτε από την CPU.
-  Καταχωρητής κατάστασης (status register). Πρέπει να ληφθεί πρόνοια για την υπενθύμιση της κατάστασης της μεταφοράς δεδομένων με τη χρή -ση bits σημαίας (flag bits) ή καταχωρητών.
- Γραμμές ελέγχου (control lines). Τέλος, η θύρα πρέπει να είναι εξοπλισμέ -νη με κατάλληλες γραμμές ελέγχου εισόδου και εξόδου για την υλοποίηση τόσο του ασύγχρονου τρόπου μεταφοράς δεδομένων όσο και του τρόπου μεταφοράς δεδομένων οδηγούμενου από διακοπή.

Οι θύρες I/O είναι διαθέσιμες σε μεγάλη ποικιλία. Οι απλούστερες από αυτές είναι οι μη-προγραμματιζόμενες (non-programmable), οι οποίες μπορούν να διαμορφωθούν, για ένα περιορισμένο αριθμό τρόπων, με την κατάλληλη αλλαγή των καλωδιώσεων. Από την άλλη πλευρά, οι προγραμματιζόμενες (programmable) θύρες I/O μπορούν, επίσης, να διαμορφωθούν για ποικιλία τρόπων με την εγγραφή κατάλληλων κωδικών ελέγχου σε ένα ή περισσότε -ρους καταχωρητές μέσα στο chip (on-chip registers).
Οι μη-προγραμματιζόμενες θύρες I/O έχουν το μειονέκτημα, ότι αφ' ενός είναι απαραίτητη η τροποποίηση στις συνδέσεις των κυκλωμάτων, που χρησιμοποι -ούν, για την ικανοποίηση των διαφορετικών απαιτήσεων για I/O και αφ' ετέρου
δεν μπορούν να υλοποιηθούν όλοι οι δυνατοί τρόποι μεταφοράς δεδομένων. Τα μειονεκτήματα αυτά μπορούν να ξεπεραστούν με τη χρήση ολοκληρωμέ -νων προγραμματιζόμενων θυρών I/O, τα οποία είναι ειδικά κατασκευασμένα από τους κατασκευαστές της CPU στα πλαίσια της υποστήριξης, που παρέ -χουν για τα συστήματα τους. Μια προγραμματιζόμενη θύρα I/O έχει τις ακόλου -θες δυνατότητες:
-  Δυνατότητα για άμεση διασύνδεση με τους διαύλους της CPU, για την οποία έχει σχεδιαστεί.
-  Απομονωτές τριών καταστάσεων (tristate buffers) για τη λογική αποσύνδε -ση του διαύλου δεδομένων της CPU, όταν η διάταξη I/O, που ενδιαφέρει δεν χρησιμοποιείται.
- Λογική επιλογής διάταξης (device selection logic) για την επιλογή συγκεκρι -μένης θύρας I/O, όταν είναι αναγκαίο. 
-  Καταχωρητές απομόνωσης (buffer registers) ή μανταλωτές (latches) για την προσωρινή «κράτηση» των δεδομένων κατά την διαδικασία μεταφοράς τους.
-  Γραμμές ελέγχου για τη διευκόλυνση της «χειραψίας» (handshaking) και του τρόπου μεταφοράς δεδομένων οδηγούμενου από διακοπή.
-  Καταχωρητή κατάστασης (status register) για την ένδειξη της πορείας της μεταφοράς δεδομένων για τους διάφορους τρόπους. 
- Καταχωρητές εντολών ελέγχου (control command registers), οι οποίοι χρη -σιμοποιούνται για τον καθορισμό του τρόπου λειτουργίας και της κατεύθυν -σης των γραμμών θύρας (port lines).
-  Λογική ανάγνωσης/εγγραφής και ελέγχου για την εκτέλεση της ανάγνωσης και εγγραφής των διάφορων καταχωρητών μέσα στο chip.

Εσωτερικοί Δίαυλοι Διακίνησης Πληροφοριών
Οι εσωτερικοί δίαυλοι σε υπολογιστή (δίαυλος διευθύνσεων, δεδομένων και ελέγχου) μεταφέρουν διευθύνσεις, δεδομένα και σήματα ελέγχου ανάμεσα στον μικροεπεξεργαστή, στη λανθάνουσα μνήμη (cache memory), στη στατική και δυναμική μνήμη RAM, στους οδηγούς δίσκων (disk drives), στις σχισμές επέκτασης (expansion slots) καθώς και άλλες εσωτερικές διατάξεις. Οι περισ -σότεροι σημερινοί προσωπικοί υπολογιστές αποτελούνται από τρεις τύπους εσωτερικών διαύλων: τον τοπικό δίαυλο (local bus), το δίαυλο PCI και το δί -αυλο ISA. Στο σχήμα 6.6.1 δείχνεται η βασική δομή συστήματος εσωτερικών διαύλων.

Σχήμα 6.6.1. Απλοποιημένο σύστημα διαύλων σε προσωπικό υπολογιστή

 Τοπικός δίαυλος (local bus)
Αυτός ο δίαυλος ενώνει απευθείας το μικροεπεξεργαστή με τη λανθάνουσα μνήμη, την κύρια μνήμη, το συνεπεξεργαστή και τον ελεγκτή διαύλου PCI. Πρόκειται για το μοναδικό εσωτερικό δίαυλο, που ενώνεται απευθείας με το μικροεπεξεργαστή. Εν γένει, περιέχει το δίαυλο διευθύνσεων, το δίαυλο δεδομένων και το δίαυλο ελέγχου, που επιτρέπουν στο μικροεπεξεργαστή να επικοινωνεί με τις άλλες διατάξεις. Ο τοπικός δίαυλος μπορεί να θεωρη -θεί ως ο πρωταρχικός δίαυλος σε υπολογιστικό σύστημα. Για παράδειγμα, ο τοπικός δίαυλος Pentium προσωπικού υπολογιστή αποτελείται από 32 γραμμές διευθύνσεων, 64 γραμμές δεδομένων και πολυάριθμες γραμμές ελέγχου.

 Δίαυλος PCI (peripheral control interconnect)

 Δίαυλος ISA (industry standard architecture)
Ο δίαυλος PCI χρησιμεύει στη διασύνδεση του μικροεπεξεργαστή με εξω -τερικές διατάξεις μέσω των σχισμών επέκτασης (expansion slots). Ο PCI αναπτύχθηκε από την Intel και πρωτοπαρουσιάστηκε το 1993. Έχει καθιε -ρωθεί ως ο υποδειγματικός δίαυλος διασύνδεσης σε προσωπικό υπολογι -στή αντικαθιστώντας όλες τις προηγούμενες τυποποιήσεις. Ο PCI είναι δί -αυλος 64-bit, αν και συνήθως υλοποιείται ως δίαυλος 32-bit, όπου οι δίαυλοι διευθύνσεων και δεδομένων είναι πολυπλεγμένοι. Μπορεί να λειτουργήσει σε ταχύτητες 33ΜΗz ή 66ΜΗz. Απομονώνεται από τον τοπικό δίαυλο μέσω μονάδας ελεγκτή διαύλου (σχήμα 6.6.1), που ενεργεί ως γέφυρα ανάμεσα στους δύο διαύλους. Ο PCI θεωρείται, ως ο δευτερεύων δίαυλος και δέχεται χρονισμό ανεξάρτητα από το μικροεπεξεργαστή. Ο PCI μπορεί να συνδέ -σει το μικροεπεξεργαστή με περιφερειακές συσκευές, όπως για παράδειγ -μα σκληρό δίσκο, μέσω των σχισμών επέκτασης με χρήση καρτών προ -σαρμογής. Ο PCI υποστηρίζει «plug-and-play», δηλαδή την ικανότητα του υπολογιστή να «βλέπει» αυτόματα κάρτες επέκτασης (expansion boards) και άλλες συσκευές. Έτσι, μια συσκευή μπορεί να συνδεθεί σε υπολογιστή χωρίς να χρειάζεται να τοποθετηθούν κάποιοι διακόπτες κατάλληλα, να αλ -λάξουν κάποιες διασυνδέσεις (jumper) ή να διαφοροποιηθούν κάποια άλλα στοιχεία.

Πρόκειται για δίαυλο επέκτασης, που αναπτύχθηκε από την IBM για τους AT προσωπικούς υπολογιστές της. Ο δίαυλος ISA είναι ενσωματωμένος, σήμερα, στους περισσότερο μοντέρνους προσωπικούς υπολογιστές, ως συνεργάτης του PCI, για σκοπούς συμβατότητας. Τελικά, ο δίαυλος PCI θα αντικαταστήσει, πιθανώς, το δίαυλο ISA. Ο ISA έχει δίαυλο δεδομένων είτε 8-bit είτε 16-bit και λειτουργεί στα 8ΜHz. Αν δεχθούμε, ότι η μεταφορά των δεδομένων απαιτεί δύο με οκτώ κύκλους, τότε ο μέγιστος, θεωρητικά, ρυθ -μός δεδομένων είναι 64Mbps (8ΜΗz x 16bits / 2 κύκλους). Έκδοση επέκτα -σης, ο EISA, παρέχει δίαυλο δεδομένων 32-bit, αλλά δεν χρησιμοποιείται ιδιαίτερα λόγω μικρής ταχύτητας και αντικαθίσταται από τον PCI.

6.7 Εξωτερικοί Δίαυλοι Διακίνησης Πληροφοριών
Πριν γίνει αναφορά στους εξωτερικούς διαύλους δεδομένων, είναι σκόπιμο, να γίνει σύντομη παρουσίαση ορισμένων βασικών εννοιών μετάδοσης δεδο -μένων.

 Παράλληλη και σειριακή μετάδοση
Έστω ότι χρειάζεται να μεταδοθεί πληροφορία των 8 bits, π.χ. η 01000001. Το σύνολο αυτών των ψηφίων τυχαίνει να αναπαριστάνουν το γράμμα 'A' σε κώδικα ASCII. Πώς μεταδίδονται αυτά τα '0'ς και '1'ς;
Ένας τρόπος είναι να μεταδοθούν ταυτόχρονα και τα 8 bit, οπότε μιλάμε για παράλληλη μετάδοση , όπως φαίνεται στο σχήμα 6.7.1. Αυτός ο τρόπος απαιτεί τουλάχιστον 8 γραμμές για μετάδοση, μία για κάθε ψηφίο. Επίσης, απαιτούνται και επιπρόσθετες γραμμές για άλλες λειτουργίες. Το βασικό πλεονέκτημα της παράλληλης μετάδοσης είναι, ότι ολόκληρο το byte λαμ -βάνεται ταυτόχρονα ενώ το μειονέκτημα ο μεγάλος αριθμός καλωδίων, που απαιτείται. Χαρακτηριστικό παράδειγμα τέτοιας μετάδοσης έχουμε στην επικοινωνία προσωπικών υπολογιστών με εκτυπωτές. Συνήθως η απόστα -ση δεν ξεπερνά τα 3 ή 6 μέτρα, οπότε το κόστος των επιπλέον καλωδίων, που απαιτούνται, για την παράλληλη μετάδοση, εξισορροπείται από την αύξηση της ταχύτητας.

Σχήμα 6.7.1. Παράλληλη μετάδοση δεδομένων
Άλλος τρόπος είναι να μεταδοθούν τα 8 bit το ένα κατόπιν του άλλου, οπότε απαιτείται μόνο ένα καλώδιο, όπως φαίνεται στο σχήμα 6.7.2. Τότε μιλάμε για σειριακή μετάδοση . Το πλεονέκτημά της είναι, ότι ελαχιστοποιείται ο αριθμός των καλωδίων, αλλά αυξάνει ο χρόνος μετάδοσης. Η σειριακή μετάδοση χρησι -μοποιείται για μεγάλες αποστάσεις, οπότε το κόστος των καλωδίων αυτό καθ' αυτό κάνει απαγορευτική τη χρήση της παράλληλης μετάδοσης.
Σχήμα 6.7.2. Σειριακή μετάδοση δεδομένων

 Ασύγχρονη και σύγχρονη σειριακή μετάδοση
Σήμερα, επικρατούν δύο τρόποι στο χρονισμό της σειριακής μετάδοσης: η ασύγχρονη και η σύγχρονη μετάδοση.
Κατά την ασύγχρονη μετάδοση , πρέπει να ορίζεται σε κάθε συσκευή ο ρυθμός, με τον οποίο θα μεταδίδει και θα λαμβάνει δεδομένα (bps). Η μετά -δοση ενός byte ξεκινά με την αποστολή ενός bit αρχής (start bit), που είναι πάντα το '0', ακολουθεί η μετάδοση των 8 bit του byte και τέλος μεταδίδεται ένα ή δύο bit τέλους (stop bit), που είναι πάντα το '1'. Έτσι, δημιουργείται πακέτο των 10 ή 11-bit για μετάδοση. Η ασύγχρονη μετάδοση του γράμμα -τος 'A', ακολουθούμενου από το γράμμα 'Β' σε κώδικα ASCII, φαίνεται στο σχήμα 6.7.3. Το πρώτο bit του κάθε byte είναι το 0 και χρησιμοποιείται ως bit ισοτιμίας (parity bit), σύμφωνα με τον κώδικα ASCII. Έστω ότι το τερμα -τικό έχει οριστεί να μεταδίδει ένα bit ανά δευτερόλεπτο. Πρώτα στέλνει το bit αρχής (0), μετά από ένα δευτερόλεπτο στέλνει το πρώτο bit δεδομένων (1), μετά το δεύτερο, κ.ο.κ. μέχρι να σταλεί και το bit (τα bits) τέλους. Από τη στιγμή, που ο υπολογιστής λαμβάνει το bit αρχής, αναμένει επτά bit δε -δομένων, ένα bit ισοτιμίας και ένα bit τέλους ανά ένα δευτερόλεπτο. Ουσιαστικά το bit αρχής ενεργοποιεί το εσωτερικό ρολόι του υπολογιστή, ώστε να αναμένει τα υπόλοιπα εννέα bit ανά ένα δευτερόλεπτο. To bit τέλους σταμα -τά το ρολόι. Αν ληφθούν λιγότερα από δέκα bits ή το bit τέλους δεν έρθει τη χρονική στιγμή, που αναμένεται, έχουμε λανθασμένη μετάδοση.

Σχήμα 6.7.3. Ασύγχρονη μετάδοση δεδομένων
Η ασύγχρονη μετάδοση είναι γνωστή και ως μετάδοση έναρξης-διακοπής (start-stop transmission), λόγω των bit αρχής και τέλους. Οι πραγματικοί ρυθ -μοί δεδομένων δεν είναι προφανώς 1 bps, όπως στο παράδειγμα, αλλά συνή -θως 110bps, 300bps, 1200bps, 2400bps, 4800bps, 9600bps, 19200bps. Είναι σαφές, ότι και η συσκευή μετάδοσης και η συσκευή λήψης πρέπει να τίθενται στην ίδια ταχύτητα.
Σχήμα 6.7.4. Σύγχρονη μετάδοση δεδομένων
Εκτός από την ασύγχρονη μετάδοση, υπάρχει και η σύγχρονη μετάδοση (σχήμα 6.7.4). Σε αυτήν δεν χρησιμοποιούνται bit αρχής και τέλους, αλλά ο χρονισμός γίνεται με δύο άλλους τρόπους. Οι δύο αυτοί τρόποι χρησιμοποιούν χαρακτήρες χρονισμού (sync characters) ή σήματα ρολογιού (clock signals) και χρησιμοποιούνται είτε ανεξάρτητα είτε σε συνδυασμό μεταξύ τους. Ο πρώτος τρόπος χρησιμοποιείται, όταν μεταδίδονται μεγά -λα πακέτα δεδομένων, οπότε ειδικοί χαρακτήρες συγχρονισμού στέλνονται στην αρχή αυτών των πακέτων. Πρόκειται για ειδική ακολουθία ψηφίων που χρησιμοποιεί η συσκευή λήψης, για να συγχρονιστεί με τη ταχύτητα της συ -σκευής μετάδοσης. Ο δεύτερος τρόπος χαρακτηρίζεται από μετάδοση και λήψη σημάτων ρολογιού. Ξεχωριστά καλώδια ή κανάλια στέλνουν πληροφο -ρία σχετικά με το χρονισμό των δεδομένων, που μεταδίδονται. Η σύγχρονη μετάδοση πλεονεκτεί, όταν μεταδίδονται μεγάλα πακέτα δεδομένων, αφού δεν σπαταλάται χρόνος, για να μεταδοθούν bit αρχής και τέλους για κάθε χαρακτήρα. Το σχήμα 6.7.5 δείχνει συγκριτικά την ασύγχρονη και σύγχρονη μετάδοση δεδομένων.

Σχήμα 6.7.5. Σύγχρονη μετάδοση δεδομένων
-  Μονόδρομη, ημι-αμφίδρομη και αμφίδρομη επικοινωνία Κατά τη μονόδρομη επικοινωνία (simplex communication), η μια συσκευή μεταδίδει και η άλλη λαμβάνει, π.χ. ο υπολογιστής στέλνει πληροφορία στο τερματικό, αλλά το τερματικό δεν στέλνει στον υπολογιστή (σχήμα 6.7.6).
Σχήμα 6.7.6. Μονόδρομη επικοινωνία
Η ημι-αμφίδρομη επικοινωνία (half-duplex communication) αποτελεί εναλ -λακτική μετάδοση, όπου υπάρχουν δύο δρόμοι, αλλά μόνο μια κατεύθυνση κάθε φορά. Ο χρήστης του τερματικού στέλνει κάποια πληροφορία στον υπο -λογιστή και ο υπολογιστής απαντά (σχήμα 6.7.7). Μόνο μια συσκευή μεταδίδει δεδομένα κάθε φορά.

Κατά την αμφίδρομη επικοινωνία (full-duplex communication) ο υπολογι -στής και το τερματικό μπορούν να μεταδίδουν και να λαμβάνουν ταυτόχρο -να. Το τερματικό δεν είναι υποχρεωμένο να περιμένει, πότε θα σταματήσει να μεταδίδει ο υπολογιστής, για να μεταδώσει το ίδιο. Το ίδιο ισχύει και για τον υπολογιστή (σχήμα 6.7.8).
Σχήμα 6.7.8. Ημι-αμφίδρομη επικοινωνία
Σχήμα 6.7.8. Αμφίδρομη επικοινωνία
Οι εξωτερικές συσκευές συνδέονται σε υπολογιστή μέσω διασύνδεσης εισό -δου/εξόδου (I/O), που ονομάζεται θύρα. Υπάρχουν δύο βασικοί τύποι θυρών σε έναν υπολογιστή, η σειριακή θύρα και η παράλληλη θύρα. Οι περισσότε -ροι υπολογιστές διαθέτουν μια παράλληλη και τουλάχιστον μια σειριακή θύρα για σύνδεση modems, εκτυπωτών, ποντικιού και άλλων περιφερειακών συ -σκευών.

Η σειριακή θύρα χρησιμοποιείται για σειριακή μετάδοση δεδομένων, όπου μόνο ένα bit μεταφέρεται κάθε φορά. Τα modems και το ποντίκι είναι παρα -δείγματα τυπικών σειριακών συσκευών. Επίσης, οι σειριακές θύρες χρησιμο -ποιούνται μερικές φορές για διασύνδεση συσκευών ελέγχου και μέτρησης με υπολογιστή. Η παράλληλη θύρα χρησιμοποιείται για παράλληλη μετάδοση δεδομένων, όπου τουλάχιστον ένα byte (8 bit) μεταφέρεται κάθε φορά. Υπάρ -χουν αρκετές τυποποιήσεις διαύλων, που χρησιμοποιούνται σήμερα τόσο για σειριακές όσο και για παράλληλες θύρες. Οι πιο σημαντικές περιγράφονται παρακάτω.

► Δίαυλοι διασύνδεσης εξωτερικών σειριακών συσκευών I/O

 RS-232C
Πρόκειται για το πιο παλιό και συνηθισμένο πρότυπο για σειριακή διασύν -δεση, που αποδέχεται ο Σύνδεσμος Ηλεκτρονικών Βιομηχανιών (ΕΙΑ: elec -tronics industries association). Για το λόγο αυτό, το RS-232C αναφέρεται και ως ΕΙΑ-232. Σχεδόν όλα τα modems συμμορφώνονται με το πρότυπο ΕΙΑ-232 και οι περισσότεροι προσωπικοί υπολογιστές διαθέτουν θύρα RS232C. Το ποντίκι, μερικές οθόνες απεικόνισης και οι σειριακοί εκτυπωτές, μαζί με τα modems, σχεδιάζονται έτσι, ώστε να συνδέονται στη θύρα RS232C. To RS-232C χρησιμοποιείται, συνήθως, για διασύνδεση τερματι -κών ( DTE : D ata T erminal E quipment) με συσκευές μετάδοσης δεδομένων ( DCE : D ata C ommunications E quipment). Για παράδειγμα, ένας υπολογι -στής θεωρείται ως DTE, ενώ ένα modem DCE.

Σχήμα 6.7.9. RS-232C 25-pin βύσμα
Σχήμα 6.7.10. Σήματα και επεξηγήσεις ακίδων βυσμάτων RS-232C 25-pin και 9-pin
Το πρότυπο ΕΙΑ-232 καθορίζει 25 γραμμές μεταξύ ενός DTE και ενός DCE, που απαιτούν βύσμα 25-pin (DB-25), όπως δείχνεται στο σχήμα 6.7.9. Σε εφαρμογές προσωπικού υπολογιστή δεν χρειάζονται όλα τα σήματα του RS232C. Συνήθως χρησιμοποιούνται από τρία ως έντεκα σήματα. Για το λόγο αυτό, σύνδεσμος 9-pin (DB-9) ορίστηκε από την IBM για τις σειριακές της διασυνδέσεις. Στο σχήμα 6.7.10 δείχνονται τα σήματα και οι επεξηγήσεις των ακί -δων βύσματος 25-pin RS-232C και βύσματος 9-pin. Τα τρία βασικότερα σήμα -τα δηλώνονται με αστερίσκο (ακίδες 2,3,7).

Τι σημαίνει, όμως, η μετάδοση του '1' ή του '0'; Στο RS-232C τα '1'ς και τα '0'ς μεταδίδονται χρησιμοποιώντας αρνητικές και θετικές τάσεις. Η αποστολή του '1' είναι γνωστή ως mark και ορίζεται ως ηλεκτρικό σήμα μεταξύ -3V και -15V. Η αποστολή του '0' είναι γνωστή ως space και ορίζεται ως ηλεκτρικό σήμα μεταξύ +3V και +15V. Τα σήματα, που βρίσκονται έξω από αυτές τις ζώνες, θε -ωρούνται απροσδιόριστα και αγνοούνται από το λήπτη. Αυτός ο ορισμός των σημάτων δείχνεται στο σχήμα 6.7.11. Έτσι, ένα τερματικό, που επικοινωνεί με RS-232C, πρέπει να είναι σε θέση να στέλνει και να λαμβάνει τάση στην περι -οχή -15V με +15V. Για παράδειγμα, για να μεταδοθεί το γράμμα 'A' (σε κώδικα ASCII) με 0 ως bit ισοτιμίας (01000001) και 0 ως bit αρχής και 1 ως bit τέλους, πρέπει να μεταδοθούν οι παλμοί που φαίνονται στο σχήμα 6.7.11.

Σχήμα 6.7.11. Επίπεδα τάσης RS-232C και μετάδοση του χαρακτήρα 'A' (ASCII)
Οι γραμμές δεδομένων δεν είναι συμβατές με τη λογική TTL. Για το λόγο αυτό απαιτούνται «μεταφραστές» τάσης, οι οποίοι ονομάζονται οδηγοί γραμμής (line drivers) και δέκτες γραμμής (line receivers), για διασύνδεση της TTL λο -γικής με τα σήματα RS-232, όπως φαίνεται στο σχήμα 6.7.12. Ο οδηγός γραμ -μής MC1488 μετατρέπει το '1' σε περίπου -9V και το '0' σε περίπου +9V. Πριν παραληφθεί από το DCE, μετατρέπεται πάλι από το δέκτη γραμμής MC1489 σε λογική συμβατή με την TTL.

Σχήμα 6.7.12. Τυπική διασύνδεση σημάτων RS-232C και σταθμών τάσης
Ο ρυθμός με τον οποίο μεταδίδονται τα bit (bits/sec) ονομάζεται baud . Από τεχνικής πλευράς ορίζεται ως ο αριθμός αλλαγών του σήματος ανά δευτερό -λεπτο. Η κάθε συσκευή έχει τις δικές της απαιτήσεις σε baud. Ωστόσο, στα περισσότερα τερματικά και εκτυπωτές το baud είναι ρυθμιζόμενο, συνήθως μεταξύ 50 και 9600baud. Στο σχήμα 6.7.13, φαίνεται πως μεταδίδεται ο ASCII χαρακτήρας I με 1200baud. Ο χρόνος για κάθε bit, δηλαδή η καθυστέρηση με -ταξύ δύο διαδοχικών bit, είναι 0.83msec και καθορίζεται από το baud ως εξής: για τα 1200bit απαιτείται χρόνος 1sec, για το 1bit 1/1200=0.83msec.

Σχήμα 6.7.13. Σειριακή μετάδοση του ASCII χαρακτήρα 'Ι' στα 1200 Baud
Το μέγιστο μήκος καλωδίου για το RS-232C είναι 15 μέτρα με ρυθμό μετάδο -σης δεδομένων στα 20kbaud. Η χρησιμοποίηση μικρότερου καλωδίου επιτρέ -πει υψηλότερο ρυθμό μετάδοσης δεδομένων.
Για να ξεπεραστούν οι περιορισμοί του RS-232C, αναπτύχθηκαν δύο άλλα πρότυπα, το RS-422 και το RS-423 . Τα πρότυπα αυτά καθορίζουν πολύ με -γαλύτερα μήκη καλωδίων και πολύ υψηλότερους ρυθμούς δεδομένων κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες. Για παράδειγμα, και τα δύο αυτά πρότυπα επι -τρέπουν μέγιστο μήκος καλωδίου 1200 μέτρα. Ο μέγιστος ρυθμός δεδομένων στη RS-422 είναι 10Mbaud για 12 μέτρα καλώδιο και 100kbaud για 1200 μέτρα καλώδιο. Ο μέγιστος ρυθμός δεδομένων στη RS-423 είναι 100kbaud για 9 μέ -τρα καλώδιο και 1kbaud για 1200 μέτρα καλώδιο. Ωστόσο, το RS-232C εξακο -λουθεί να παραμένει το πιο συνηθισμένο. Σύγκριση των προτύπων RS-232C, RS-422 και RS-423 δίνεται στον πίνακα 6.7.1.

Πίνακας 6.7.1. Σύγκριση προτύπων σειριακών I/O

| Προδιαγραφές        | RS-232C   | RS-422                              | RS-423                            |
|---------------------|-----------|-------------------------------------|-----------------------------------|
| Ταχύτητα            | 20kbaud   | 10Mbaud στα 12m 100kbaud στα  1200m | 100kbaud στα 9m 1kbaud στα  1200m |
| Απόσταση            | 15m       | 4000m                               | 4000m                             |
| Τάση εισόδου  λήπτη | ±15V      | ±7V                                 | ±12V                              |

 IEEE-1394

 USB (Universal Serial Bus)
Πρόκειται για σχετικά νέο και πολύ γρήγορο πρότυπο εξωτερικού σειριακού διαύλου, που υποστηρίζει ρυθμούς μεταφοράς δεδομένων ως και 400Mbps και χρησιμοποιείται, συνήθως, για διασύνδεση με περιφερειακά γραφικών και video, όπως οι ψηφιακές κάμερες. Το ΙΕΕΕ-1394 αναπτύχθηκε από την Apple. Τα αρχικά IEEE δηλώνουν το Ινστιτούτο Ηλεκτρολόγων και Ηλεκτρο -νικών Μηχανικών (Institute of Electrical and Electronics Engineers). Στο IEEE-1394 μπορούν να συνδεθούν μέχρι και 63 συσκευές. Το ΙΕΕΕ-1394 αποτελείται από έξι καλώδια, δύο συνεστραμμένα ζεύγη για δεδομένα και δύο για τροφοδοσία. Επίσης, αυτό το πρότυπο επιτρέπει ενεργό σύνδεση (hot plugging) δηλαδή, σύνδεση και αποσύνδεση συσκευών σε υπολογιστή κατά τη διάρκεια λειτουργίας του.

Αυτό το σχετικά νέο πρότυπο για εξωτερικούς σειριακούς διαύλους μπορεί να αντικαταστήσει τα περισσότερα από τα υπάρχοντα πρότυπα για χαμηλές ως μέσες ταχύτητες με εξαίρεση, ίσως, το ΙΕΕΕ-1394 το οποίο είναι σχεδιασμένο να ικανοποιεί υψηλές ταχύτητες και να συνεργάζεται με το USB. To USB υποστηρίζει δύο ταχύτητες μεταφοράς δεδομένων, μια υψηλή στα 12Mbps και μια χαμηλή στο 1.5Mbps. Μια θύρα USB μπορεί να χρησιμοποιηθεί για σύνδεση ως και 127 περιφερειακών συσκευών και επιτρέπει τόσο plug-and-play όσο και hot plugging. Το καλώδιο USB έχει τέσσερα καλώδια, δύο για δεδομένα και δύο για τροφοδοσία, και συνδέει τον υπολογιστή στα USB περιφερειακά, καθένα από τα οποία μπορεί να ενεργεί ως σύνδεσμος (hub) για σύνδεση με άλλα USB περιφερειακά. Στο σχήμα 6.7.14 δείχνεται υπολογιστικό σύστημα με διασύνδεση USB.

► Δίαυλοι διασύνδεσης εξωτερικών παράλληλων συσκευών I/O

 ΙΕΕΕ-488
Αυτό το πρότυπο διαύλου χρησιμοποιείται για πολλά χρόνια και είναι γνω -στό και ως δίαυλος διασύνδεσης γενικού σκοπού GPIB (general- purpose interface bus) (σχήμα 6.7.15). Αναπτύχθηκε από την Hewlett-Packard στη δεκαετία του 1960 και χρησιμοποιείται σε εφαρμογές ελέγχου και μετρήσε -ων. Το ΙΕΕΕ-488 αποτελείται από 24 γραμμές, που χρησιμοποιούνται για την παράλληλη μεταφορά οκτώ ψηφίων δεδομένων κάθε φορά και παρέ -χουν οκτώ σήματα ελέγχου, που περιλαμβάνουν τρεις γραμμές χειραψίας
και πέντε γραμμές διαχείρισης διαύλου. Επίσης, περιλαμβάνονται οκτώ γραμμές γείωσης για γείωση και θωράκιση. Σήμερα, ο μέγιστος ρυθμός μεταφοράς δεδομένων είναι 1Mbyte/sec και τείνει να αυξηθεί στα 8Mbytes/ sec.

Σχήμα 6.7.14. Παράδειγμα υπολογιστικού συστήματος με διασύνδεση USB
Σχήμα 6.7.15. Καλώδιο IEEE-488 (GPIB)
Για να συνδεθούν ελεγχόμενες συσκευές σε υπολογιστή μέσω του διαύλου ΙΕΕΕ-488, εγκαθίσταται κάρτα διασύνδεσης στον υπολογιστή, που μετατρέπει τον υπολογιστή σε ελεγκτή (controller). Σε τυπική GPIB εγκατάσταση μπορούν να συνδεθούν έως και 14 ελεγχόμενες συσκευές (όργανα ελέγχου και μέτρη -σης) σε έναν ελεγκτή. Όταν ο ελεγκτής δίνει εντολή σε ελεγχόμενη συσκευή, για να εκτελέσει συγκεκριμένη λειτουργία, όπως η μέτρηση συχνότητας, τότε ο ελεγκτής «μιλάει» και η ελεγχόμενη συσκευή «ακούει». Ο ακροατής (listener) είναι όργανο ικανό να λαμβάνει δεδομένα από το GPIB, όταν διευθυνσιοδοτεί -ται από τον ελεγκτή. Παραδείγματα ακροατών είναι οι εκτυπωτές, οι οθόνες κα -θώς και οι προγραμματιζόμενες πηγές τροφοδοσίας και γεννήτριες σημάτων. Ο ομιλητής (talker) είναι όργανο ικανό να στέλνει δεδομένα μέσω GPIB. Πα -ράδειγμα αποτελεί ο μετρητής συχνότητας, που μπορεί να δώσει στην έξοδο δεδομένα συμβατά με το δίαυλο. Μερικά όργανα μπορούν να στείλουν και να λάβουν δεδομένα και ονομάζονται ομιλητές/ακροατές . Τέτοια όργανα είναι οι υπολογιστές, τα modems και ορισμένα όργανα μετρήσεων. Ο ελεγκτής μπορεί να ορίσει κάθε ένα από τα άλλα όργανα στο δίαυλο ως ομιλητή ή ακροατή για τη μεταφορά των δεδομένων. Ο ελεγκτής είναι συνήθως ομιλητής/ακροατής. Μια τυπική GPIB διευθέτηση φαίνεται στο σχήμα 6.7.16. Τα σήματα ομαδοποι -ούνται σε τρεις βασικούς διαύλους: το δίαυλο δεδομένων, το δίαυλο ελέγχου μεταφοράς δεδομένων και το δίαυλο διαχείρισης διασύνδεσης.

Σχήμα 6.7.16. Τυπική σύνδεση IEEE-488 (GPIB)
Τα πέντε σήματα του διαύλου διαχείρισης διασύνδεσης ελέγχουν τη σωστή ροή των δεδομένων. Η γραμμή προσοχής ΑΤΝ (attention) παρακολουθείται από όλες τις συσκευές που βρίσκονται συνδεδεμένες στο δίαυλο. Όταν η ΑΤΝ είναι ενεργή, ο ελεγκτής επιλέγει κάποια από τις λειτουργίες διασύνδεσης, ορί -ζει τους ομιλητές και τους ακροατές και παρέχει τις απαραίτητες διευθύνσεις για τους ακροατές. Κάθε συσκευή GPIB έχει διεύθυνση αναγνώρισης, που δί -νεται από τον ελεγκτή. Ο πίνακας 6.7.2 περιγράφει τις γραμμές διαχείρισης διασύνδεσης και τις λειτουργίες τους.

Πίνακας 6.7.2. Γραμμές διαχείρισης GPIB

| Όνομα   | Περιγραφή                                                                                                                                  |
|---------|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| ΑΤΝ     | Προσοχή: αναγκάζει όλες τις συσκευές στο δίαυλο να ερμηνεύσουν  τα δεδομένα ως εντολή του ελεγκτή και ενεργοποιεί τη διαδικασία  χειραψίας |
| IFC     | Αρχικοποιεί το δίαυλο                                                                                                                      |
| SRQ     | Ενημερώνει τον ελεγκτή ότι κάποια συσκευή ζητάει επικοινωνία                                                                               |
| REN     | Δίνει τη δυνατότητα στις συσκευές να ανταποκριθούν σε έλεγχο από απομακρυσμένο πρόγραμμα                                                   |
| EOI     | Δηλώνει το τελευταίο byte δεδομένων που μεταφέρεται                                                                                        |

To GPIB περιορίζεται σε μέγιστο μήκος καλωδίου 15 μέτρα και δεν μπορεί να υπάρξει παραπάνω από ένα όργανο ανά μέτρο με μέγιστη χωρητικότητα φορτίου 50pF το καθένα. Ο περιορισμός του μήκους ξεπερνιέται με επεκτάσεις διαύλου και modems.

 SCSI (Small Computer System Interface)
Πρόκειται για ευρέως χρησιμοποιούμενο πρότυπο για διασύνδεση προσωπικών υπολογιστών με περιφερειακά, που προφέρεται ως scuzzy (σκάζι). Αν και το SCSI είναι πρότυπο του Αμερικανικού Εθνικού Ινστιτούτου Τυποποίησης ANSI (American National Standards Institute) υπάρχουν πολ -λές παραλλαγές από ποικιλία κατασκευαστών. Ο ένας τύπος SCSI μπορεί να μην είναι συμβατός με τον άλλο. Το SCSI-1 είναι σύνδεσμος 25-pin, που παρέχει δίαυλο δεδομένων 8-bit και υποστηρίζει ρυθμούς μεταφοράς δεδομένων 4Mbytes/sec. Άλλοι τύποι προτύπων SCSI είναι:

- ► SCSI-2. Είναι το ίδιο με το SCSI-1, αλλά χρησιμοποιεί σύνδεσμο 50-pin και υποστηρίζει πολλαπλές συσκευές.
- ► Εκτεταμένο SCSI (wide SCSI). Χρησιμοποιεί ευρύτερο σύνδεσμο από το SCSI-2, για να υποστηρίξει μεταφορές δεδομένων 16-bit.
- ► Γρήγορο SCSI (fast SCSI). Παρέχει μεταφορά δεδομένων 8-bit, αλλά υποστηρίζει ρυθμούς μεταφοράς δεδομένων 10Mbytes/sec.
- ► Γρήγορο εκτεταμένο SCSI (fast wide SCSI). Αυτή η έκδοση επιτρέπει μεταφορά δεδομένων 16-bit στα 20Mbytes/sec.
- ► Έξτρα SCSI (ultra SCSI). Μεταφέρει δεδομένα 8-bits στα 20Mbytes/ sec.
- ► SCSI-3. Έχει 16 γραμμές δεδομένων και τρέχει στα 40Mbytes/sec.
- ► Έξτρα SCSI-2 (ultra SCSI-2). Μεταφέρει 8-bits στα 40Mbytes/sec.
- ► Έξτρα εκτεταμένο SCSI-2 (wide ultra SCSI-2). Αυτή η έκδοση παρέχει μεταφορά δεδομένων 16-bits και λειτουργεί στα 80Mbytes/sec.

Οι περιγραφές των σημάτων συνδέσμου SCSI 25-pin φαίνονται στον πίνακα 6.7.3.
Πίνακας 6.7.3. Σήματα SCSI

|   Αριθμός pin | Όνομα σήματος   | Περιγραφή σήματος   | Αριθμός pin   | Όνομα σήματος   | Περιγραφή σήματος   |
|---------------|-----------------|---------------------|---------------|-----------------|---------------------|
|             1 | REQ             | Αίτηση              | 14            | GND             | Γείωση σήματος      |
|             2 | MSG             | Μήνυμα              | 15            | C/D             | Εντολή/δεδομένα     |
|             3 | I/O             | Είσοδος/έξοδος      | 16            | GND             | Γείωση σήματος      |
|             4 | RST             | Αρχικοποίηση        | 17            | ATN             | Προσοχή             |
|             5 | ACK             | Επιβεβαίωση         | 18            | GND             | Γείωση σήματος      |
|             6 | BSY             | Απασχολημένο        | 19            | SEL             | Επιλογή             |
|             7 | GND             | Γείωση σήματος      | 20            | DBP             | Bit ισοτιμίας       |
|             8 | DB0             | Bit 0               | 21            | DB1             | Bit 1               |
|             9 | GND             | Γείωση σήματος      | 22            | DB2             | Bit 2               |
|            10 | DB3             | Bit 3               | 23            | DB4             | Bit 4               |
|            11 | DB5             | Bit 5               | 24            | GND             | Γείωση σήματος      |
|            12 | DB6             | Bit 6               | 25            | TPWR            | Τροφοδοσία          |
|            13 | DB7             | Bit 7               |               |                 |                     |

6.8 Διασύνδεση Συσκευών I/O

Μικροϋπολογιστή
Πολλές εφαρμογές σε υπολογιστικά συστήματα απαιτούν κατάλληλη διασύνδε -ση (digital interface) συσκευών εισόδου/εξόδου. Ανταλλαγή δεδομένων μεταξύ της συσκευής και του επεξεργαστή λαμβάνει χώρα μόνο με την έγκριση του επε -ξεργαστή και με την προϋπόθεση, ότι ικανοποιούνται οι απαιτήσεις χρονισμού. Η χρήση θύρας εισόδου-εξόδου I/O κάνει ευκολότερη την υλοποίηση αυτών των απαιτήσεων με τη χρήση λογικής, η οποία παρέχει ελεγχόμενη πρόσβαση στο δίαυλο μέσω αποκωδικοποίησης διευθύνσεων, συγχρονισμού επεξεργαστή και μεταφοράς δεδομένων, όπως ειπώθηκε στην αρχή του κεφαλαίου.

Μερικά από τα πιο συνήθη σήματα ελέγχου του επεξεργαστή είναι το RD (read) και WR (write), η κατάσταση των οποίων καθορίζει και το χρονισμό των ανταλλαγών στο δίαυλο. Στη συνέχεια, γίνεται εκτενέστερη αναφορά στη διασύνδεση μερικών συνήθων συσκευών I/O σε μικροϋπολογιστικό σύστημα.

 Διασύνδεση πληκτρολογίου
Σε τυπικό μικροϋπολογιστικό σύστημα για λήψη και καταγραφή μετρήσεων, η ύπαρξη αλφαριθμητικού πληκτρολογίου δίνει στο σύστημα αυτονομία και στο χρήστη πολλές δυνατότητες, αφού το σύστημα μπορεί να καταστεί υπό ορισμένες προϋποθέσεις πλατφόρμα ανάπτυξης ποικίλων εφαρμογών χωρίς τον περιορισμό της εξάρτησης από κάποιο τερματικό σταθμό. Οι δυνατότητες αυτές αυξάνονται περαιτέρω με τη διασύνδεση στο σύστημα οθόνης υγρών κρυστάλλων (LCD: Liquid Crystal Display). Ένα προτεινόμενο πληκτρολόγιο για σύνδεση έχει τα πλήκτρα του υπό μορφή πίνακα 8 στηλών και 4 γραμ -μών, σχήμα 6.8.1, καθώς και τα ειδικά πλήκτρα control και shift.

Σχήμα 6.8.1. Διάταξη πληκτρολογίου
Η διασύνδεση του πληκτρολογίου στο υπολογιστικό σύστημα γίνεται με χρή -ση του προγραμματιζόμενου ολοκληρωμένου 8279 της Intel, όπως φαίνεται στο σχήμα 6.8.2. Η λειτουργία του 8279 είναι, εν συντομία, η ακόλουθη: Με τις 4 γραμμές εξόδου SL3-SL0 (γραμμές σάρωσης) σαρώνει τις 4 γραμμές του πίνακα του πληκτρολογίου, ενώ οι γραμμές εισόδου RL7-RL0 (γραμμές
Σχήμα 6.8.2. Διασύνδεση του πληκτρολογίου μέσω του 8279 με τον μικροεπεξεργαστή
επιστροφής) συνδέονται στις 8 στήλες της μήτρας του πληκτρολογίου. Αν πα -τηθεί κάποιο πλήκτρο, βραχυκυκλώνει η αντίστοιχη γραμμή σάρωσης με την αντίστοιχη γραμμή επιστροφής, οπότε το 8279 αναγνωρίζει ποιο πλήκτρο πα -τήθηκε. Το πρόβλημα των αναπηδήσεων των πλήκτρων αντιμετωπίζεται με δυο τρόπους:
- ► Είτε με χρήση του αμοιβαίου αποκλεισμού δυο πλήκτρων, οπότε με τον τρόπο αυτό, αν πατηθούν περισσότερα από ένα πλήκτρα δεν μπο -ρούν να αναγνωριστούν. Αυτό που πατήθηκε πρώτο, αναγνωρίζεται και καταγράφεται, αν τα υπόλοιπα πλήκτρα ελευθερωθούν πριν από αυτό. Αν δεν υπάρχει πρώτο πλήκτρο, επειδή περισσότερα από ένα πατήθηκαν ταυτόχρονα, αναγνωρίζεται και καταγράφεται όποιο από αυτά εξακολουθεί να παραμένει πατημένο, αφού όλα τα υπόλοιπα αφε -θούν ελεύθερα.
- ► Είτε με χρήση της επικάλυψης πολλαπλών πλήκτρων, όπου με τον τρόπο αυτό κάθε πλήκτρο καταγράφεται με τη σειρά που πατιέται, ανε -ξάρτητα από το αν κατά τη διάρκεια, που είναι πατημένο, πιεστούν και άλλα πλήκτρα. Αν πιεστούν ταυτόχρονα περισσότερα από ένα πλήκτρα,
καταγράφονται με τη σειρά με την οποία τα βρίσκει το 8279 πάνω στον πίνακα του πληκτρολογίου.

Η εξυπηρέτηση του 8279 από το μικροεπεξεργαστή (8085) του συστήμα -τος γίνεται με τη μέθοδο της διακοπής. Χρησιμοποιείται η είσοδος διακοπών RST5.5 του μικροεπεξεργαστή, όταν υπάρχει αίτηση διακοπής IRQ από το 8279.

 Διασύνδεση οθόνης υγρών κρυστάλλων (LCD)
Η διασύνδεση της οθόνης υγρών κρυστάλλων Μ4024 της Seiko αποτελεί δεύτερο παράδειγμα (σχήμα 6.8.3). Πρόκειται για οθόνη LCD 4 γραμμών με 40 χαρακτήρες ανά γραμμή, πίνακα 5x7 στιγμών για την εμφάνιση του κάθε χαρακτήρα και cursor. Διαθέτει 8 pins (DB7-DB0) για σύνδεση με το δί -αυλο δεδομένων. Τα pins Ε1-Ε2 αποτελούν σήματα εκκίνησης λειτουργίας (Ε1 για τις πάνω δύο γραμμές και Ε2 για τις κάτω δύο), το R/W για εγγραφή και ανάγνωση, το RS για επιλογή καταχώρησης, το V$\_{lc}$ για μεταβολή του contrast της οθόνης, το V$\_{ss}$ για γείωση και το V$\_{dd}$ για τροφοδοσία.

Η επικοινωνία του LCD με το μικροϋπολογιστικό σύστημα γίνεται παράλ -ληλα μέσω προγραμματιζόμενης θύρας εισόδου/εξόδου του 8255 (σχήμα 6.8.4). Συγκεκριμένα, χρησιμοποιούνται οι θύρες Β και C του 8255. Οι συν -δέσεις είναι τέτοιες, ώστε ο μικροεπεξεργαστής να στέλνει και να διαβάζει δεδομένα σε (από) μια θύρα. Εκτός από τα 8 bit του διαύλου δεδομένων της οθόνης (DB7-DB0), τα οποία συνδέονται στη θύρα Β του 8255, υπάρ -χουν ακόμα 4 σήματα (pins), τα οποία είναι σήματα ελέγχου και οδηγούνται από τις εξόδους PC7-PC4 της θύρας C.

Σχήμα 6.8.3. Η οθόνη Μ4024

 Διασύνδεση μετατροπέα A/D
Στο σχήμα 6.8.5 φαίνεται η διασύνδεση του μετατροπέα αναλογικού σή -ματος σε ψηφιακό, ADC0809, με το υπόλοιπο κύκλωμα του μικροϋπολο -γιστή μέσω της προγραμματιζόμενης θύρας I/O, 8255. Ο ADC0809 διαθέ -τει οκτώ πολυπλεγμένες εισόδους ΙΝ7-ΙΝ0. Η ενεργοποίηση κάθε εισόδου καθορίζεται από τους ακροδέκτες ADD A, ADD Β και ADD C. Η είσοδος CLOCK συνδέεται με την έξοδο μετρητή του χρονιστή 8253, ο οποίος έχει προγραμματιστεί να δίνει παλμούς συχνότητας 500kHz. Για την ανάγνωση των δεδομένων χρησιμοποιείται η θύρα Α του 8255, για τα σήματα ελέγχου

Σχήμα 6.8.4. Διασύνδεση της οθόνης με το υπόλοιπο κύκλωμα του μικροϋπολογιστή μέσω της προγραμματιζόμενης θύρας I/O
ADD A, ADD Β, ADD C, ALE και START χρησιμοποιείται η θύρα Β και για το σήμα τέλους μετατροπής EOC η θύρα C. Η είσοδος OUTPUT ENABLE έχει τεθεί σε '1' καθ' όλη τη διάρκεια της μετατροπής. Μια τυπική διαδικασία μετατροπής έχει ως εξής:
- ► Από τη θύρα Β (από όπου θα σταλεί εντολή) καθορίζεται, ότι θα χρησι -μοποιηθεί η είσοδος ΙΝ0 (ADD A=ADD B=ADD C=0) για μετατροπή της.
- ► Μετά ενεργοποιείται το σήμα START, ενώ το σήμα ALE παραμένει ενερ -γό.
- ► Απενεργοποιείται το ALE.

Σχήμα 6.8.5. Διασύνδεση του μετατροπέα ADC0809 με το υπόλοιπο κύκλωμα του μικροϋπολογιστή μέσω της προγραμματιζόμενης θύρας I/O
- ► Απενεργοποιείται το START. Η διαδικασία μετατροπής αναλογικού σή -ματος σε ψηφιακό αρχίζει. Η μετατροπή διαρκεί οκτώ περιόδους και η ψηφιακή λέξη μανταλώνεται στην έξοδο, με άνοδο του σήματος START. Το σήμα EOC είναι σε '0'.
- ► Μετά από συνολικά 64 περιόδους το σήμα EOC ανέρχεται και είναι έτοι -μη η ψηφιακή λέξη για ανάγνωση.
Το λογισμικό (software), που χρησιμοποιείται σήμερα στα συστήματα μετρήσε -ων, καλύπτει ευρύτατο φάσμα, ξεκινώντας από απλά προγράμματα οδηγών διατάξεων (device drivers) και φθάνοντας σε αναπτυξιακά συστήματα υψηλού επιπέδου. Τα προγράμματα οδηγών συσκευών βοηθούν το χρήστη στον έλεγχο των συσκευών του συστήματός του, απαλλάσσοντάς τον από την υποχρέωση να έχει σαφή αντίληψη του υφιστάμενου hardware ή του λειτουρ -γικού συστήματος του υπολογιστή. Αυτά αποτέλεσαν και την πρώτη γενιά προ -γραμμάτων μετρήσεων.

Οι ανάγκες, όμως, των χρηστών δεν περιορίζονται μόνο στον έλεγχο των συ -σκευών του συστήματος, αλλά εκτείνονται και σε άλλα επίπεδα. Έτσι, χρειά -ζονται προγράμματα για την ανάλυση των δεδομένων (επεξεργασία σήματος, στατιστική μελέτη, προσαρμογή καμπυλών, εξομοίωση, υλοποίηση ελεγκτών, κ.ά.) καθώς και τη διαχείριση και παρουσίαση των δεδομένων αυτών (γραφή -ματα, επικοινωνία αρχείων, κ.ά.).
Η δεύτερη γενιά προγραμμάτων στηρίζεται στη δημιουργία πυρήνα υψηλού επιπέδου για την ανάπτυξη προγραμμάτων εφαρμογών (application pro -grams), στον οποίο εμπεριέχονται συναρτήσεις οδηγών συσκευών και με -τρήσεων. Οι συναρτήσεις αυτές μπορούν να καλούνται από το πρόγραμμα εφαρμογής, που γράφεται σε γλώσσα υψηλού επιπέδου . Τυπικό παράδειγμα αυτής της γενιάς είναι το LOTUS 1-2-3, το οποίο τείνει να καταστεί πρότυπο (DIF: data interchange format).

Άλλη τάση, που αναπτύχθηκε, ήταν ο εμπλουτισμός γλωσσών υψηλού επιπέδου (Visual Basic, C++, κ.ά.) με συναρτήσεις μετρήσεων σε μορφή βιβλιοθηκών.
Σχήμα 6.9.1. Επίδειξη συστήματος θερμοκρασίας με το LabVIEW

6.9

Λογισμικό Συστημάτων Μετρήσεων
Άλλη τάση είναι η πρόσθεση σε γνωστές γλώσσες «εντολών» μετρήσεων. Πα -ράδειγμα, εδώ, αποτελεί το ASYST, το οποίο στηρίχθηκε στη γλώσσα FORTH. Τρίτη τάση αποτελεί η σύνταξη λογισμικού (software), που δίνει δυνατότητες μετρήσεων σε γνωστό φύλλο εργασίας (spreadsheet). Τυπικό παράδειγμα, εδώ, αποτελεί το Measure, το οποίο προσθέτει ρουτίνες μετρήσεων στο Lotus 1-2-3 ή στο Symphony σε μορφή μακροεντολών.
Η τρίτη γενιά προγραμμάτων δίνει τη δυνατότητα σχεδίασης του συστήματος μετρήσεων και προγραμματισμού των λειτουργιών του με γραφικό τρόπο . Έτσι, απαλλάσσεται ο τεχνικός από την καταπόνηση της σύνταξης προγραμ -μάτων, ενώ του προσφέρεται συμπαγές, ευέλικτο και φιλικό πλαίσιο ανάπτυ -ξης. Τυπικό παράδειγμα αυτής της κατηγορίας είναι το LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) (σχήμα 6.9.1).

To LabVIEW είναι αναπτυξιακό περιβάλλον, που βασίζεται σε γραφική γλώσ -σα προγραμματισμού την G. Είναι πλήρως ολοκληρωμένο για επικοινωνία με hardware, όπως το GPIB, VXI, ΡΧΙ, RS-232 και RS-485. Έχει ενσωματωμέ -νες βιβλιοθήκες για τη χρήση λογισμικών προτύπων, όπως TCP/IP δικτύω -ση. Με το LabVIEW μπορεί κάποιος να δημιουργήσει 32-bit μεταγλωττισμέ -να προγράμματα (compiled programs), που προσφέρουν μεγάλες ταχύτητες εκτέλεσης για συλλογή δεδομένων, έλεγχο και μέτρηση. Επίσης, μπορεί να δημιουργήσει εκτελέσιμα αρχεία, αφού το LabVIEW είναι το ίδιο ένας 32-bit μεταγλωττιστής (compiler).

Στο σχήμα 6.10.1 φαίνεται ένα τυπικό σύστημα συλλογής δεδομένων οκτώ κα -ναλιών. Το όλο σύστημα επικοινωνεί μέσω δύο διαύλων, του διαύλου δεδομέ -νων και του διαύλου ελέγχου. Στο δίαυλο δεδομένων συνδέονται όλες εκείνες οι συσκευές, που θέλουν να στείλουν ή να λάβουν παράλληλα δεδομένα των 8-bit σε ή από οποιονδήποτε εντός του συστήματος. Στο παράδειγμα υπάρ -χουν τρεις τέτοιες συσκευές στο σύστημα: ο A/D μετατροπέας, ο μικροελεγκτής και η μνήμη. Ο δίαυλος ελέγχου παρέχει σήματα ελέγχου προς και από τις διάφορες συσκευές για περιπτώσεις επιλογής ολοκληρωμένου, ενεργοποίησης εξόδου, χρονισμού και ρυθμίσεις. Κάθε ένα από τα οκτώ αισθητήρια δίνει ως έξοδο τάση, που εξαρτάται από το αναλογικό μέγεθος, που μετράει. Καθήκον του μικροελεγκτή είναι να σαρώνει όλες αυτές τις εξόδους σε προκαθορισμένα χρονικά διαστήματα και να αποθηκεύει τα ψηφιακά δεδομένα στη μνήμη για μελλοντική χρήση. Από τη στιγμή, που οι αναλογικές ποσότητες μεταβάλλο -νται πολύ αργά, το σάρωμα (διάβασμα) των μεταβλητών σε διαστήματα ενός δευτερολέπτου είναι αρκετά γρήγορο, για να έχουμε ακριβή εικόνα των τιμών τους. Αυτό εύκολα διορθώνεται με μικροελεγκτές, που έχουν ρυθμούς ρολο -γιού της τάξης των μsecs. Για να γίνει αυτό, ο μικροελεγκτής πρέπει να στείλει κατάλληλα σήματα ελέγχου σε κάθε μια από τις συσκευές, ξεκινώντας από τον πολυπλέκτη και καταλήγοντας στον A/D μετατροπέα. Αυτή η διαδικασία ονο -μάζεται χειραψία (handshaking) ή επιλογή (polling) και γίνεται με τη βοήθεια λογισμικού. Η διασύνδεση και η χειραψία, που γίνεται μεταξύ του μικροελεγκτή και των αισθητηρίων, γίνεται κατανοητή με προσεκτικότερη ματιά σε κάθε μια από τις διατάξεις του συστήματος.

Σχήμα 6.10.1. Σύστημα συλλογής δεδομένων

Πρακτικά Συστήματα Συλλογής Δεδομένων
Ο αναλογικός πολυπλέκτης μειώνει την πολυπλοκότητα του κυκλώματος και τον αριθμό των καλωδίων, αφού η έξοδος του κάθε αισθητηρίου δε συνδέεται σε κάθε διάταξη. Ο μικροελεγκτής επιλέγει ένα από τα αισθητήρια την κατάλ -ληλη στιγμή, θέτοντας τον κατάλληλο δυαδικό κώδικα στις εισόδους Α, Β, C μέσω του διαύλου ελέγχου. Έτσι, το σήμα του επιλεγμένου αισθητηρίου περ -νάει στην επόμενη διάταξη.
Οι αναλογικές ποσότητες μπορεί να μεταβάλλονται, οπότε πρέπει να επιλέ -γεται συγκεκριμένη χρονική στιγμή για να λαμβάνεται η μέτρηση. Το κύκλωμα δειγματοληψίας/κράτησης, μαζί με τον εξωτερικό πυκνωτή κράτησης, επιτρέ -πει στο σύστημα να πάρει δείγμα και να το κρατήσει σε συγκεκριμένη χρονική στιγμή, που ο μικροελεγκτής εισάγει τη ρύθμιση συλλογής.

Κάθε ένα από τα οκτώ αισθητήρια δίνει έξοδο διαφορετικού εύρους. Για πα -ράδειγμα, το αισθητήριο θερμοκρασίας μπορεί να δίνει έξοδο από 0V ως 5V, ενώ το αισθητήριο πίεσης από 0V ως 500mV. Ο ενισχυτής προγραμματισμέ -νης ενίσχυσης προγραμματίζεται μέσω των εισόδων επιλογής ενίσχυσης για ενισχύσεις 1,2,5 ή 10. Όταν διαβάζεται το αισθητήριο πίεσης, ο μικροελεγκτής ρυθμίζει την ενίσχυση στο 10, έτσι ώστε να παίρνουμε έξοδο από 0V ως 5V, που ταιριάζει με τα υπόλοιπα αισθητήρια. Έτσι, ο A/D μετατροπέας μπορεί να εργάζεται πάντα σε κλίμακα 0V ως 5V.

Ο ADC λαμβάνει την προσαρμοσμένη αναλογική τάση και τη μετατρέπει σε ψηφιακή 8-bit. Για να γίνει αυτό, ο μικροελεγκτής επιλέγει τον ADC ( CS$\_{1}$ ) )και ξεκινά τους παλμούς μετατροπής ( WR$\_{1}$ ) ). Όταν το τέλος μετατροπής ( INTR ) γίνει '0', ο μικροελεγκτής ενεργοποιεί την έξοδο ( RD$\_{1}$ ( ) )για να περάσουν τα δε -δομένα (D$\_{0}$ ως D$\_{7}$), μέσω του διαύλου δεδομένων, πρώτα στο μικροελεγκτή και έπειτα στην μνήμη RAM.
-  Οι τεχνικές μεταφοράς δεδομένων μπορούν γενικά να καταταχθούν σε δύο κατηγορίες, στην προγραμματισμένη μεταφορά δεδομένων και στη μεταφορά δεδομένων με άμεση προσπέλαση στην μνήμη (DMA). Οι τεχνικές προγραμματισμένης μεταφοράς δεδομένων μπορούν να ταξινομηθούν σε τρεις κατηγορίες: σύγχρονος τρόπος, ασύγχρονος τρόπος και τρόπος οδηγούμενος από διακοπή. Σύμφωνα με την τεχνική DMA, η CPU απομακρύνεται από τη διαδικασία μεταφοράς δεδομένων, εγκαθίσταται άμεση σύνδεση ανάμεσα στη μνήμη και στην συσκευή I/O και η μεταφορά δεδομένων ελέγχεται από εξωτερικό κύκλωμα, γνωστό σαν ελεγκτής άμεσης προσπέλασης μνήμης ή για συντομία ελεγκτής DMA. Η διασύνδεση των συσκευών I/O στους διαύλους του συστήματος γίνεται με τη βοήθεια των θυρών I/O.
-  Η μετάδοση δεδομένων διακρίνεται σε παράλληλη και σειριακή. Σειριακή ασύγχρονη και σύγχρονη, μονόδρομη, ημι-αμφίδρομη και αμφίδρομη. Τυπικά πρότυπα διαύλων διασύνδεσης εξωτερικών σειριακών συσκευών I/O είναι το RS-232C, το RS-422, το RS-423, το IEEE1394 και το USB. Τυπικά πρότυπα διαύλων διασύνδεσης εξωτερικών παράλληλων συσκευών I/O είναι το ΙΕΕΕ488 (GPIB) και το SCSI.
-  Οι περισσότεροι σημερινοί προσωπικοί υπολογιστές αποτελούνται από τρεις τύπους εσωτερικών διαύλων: τον τοπικό δίαυλο (local bus), το δίαυλο PCI και το δίαυλο ISA.
-  Χαρακτηριστικές περιπτώσεις διασύνδεσης συσκευών I/O αποτελούν η διασύνδεση πληκτρολογίου μέσω του 8279, η διασύνδεση οθόνης υγρών κρυστάλλων μέσω του 8255 και η διασύνδεση του ADC0809 μέσω του 8255.
-  Το λογισμικό των συστημάτων μετρήσεων ξεκινά από απλά προγράμματα οδηγών συσκευών, επεκτείνεται σε αναπτυξιακά συστήματα υψηλού επιπέδου και προγράμματα εφαρμογών και καταλήγει σε γλώσσες υψηλού επιπέδου.

Ανακεφαλαίωση

 Ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής Αξιολόγηση
- 1. Η προγραμματισμένη μεταφορά δεδομένων διακρίνεται σε:
- α) σύγχρονο τρόπο, ασύγχρονο τρόπο και DMA
- β) σύγχρονο τρόπο, ασύγχρονο τρόπο και τρόπο οδηγούμενο από διακοπή
- γ) τρόπο οδηγούμενο από διακοπή και DMA
- δ) τίποτα από τα παραπάνω
- 2. Εσωτερικοί δίαυλοι διακίνησης πληροφοριών είναι οι:
- α) τοπικός δίαυλος, δίαυλος PCI και δίαυλος ISA
- β) τοπικός δίαυλος, δίαυλος ISA και SCSI
- γ) δίαυλος PCI, SCSI και RS-232C
- δ) δίαυλος ISA, RS-232C και ΙΕΕΕ488
- 3. Κατά τη μετάδοση με ρυθμό 1200baud κάθε bit διαρκεί:
- α) 0.42msec
- β) 0.21msec
- γ) 0.83msec
- δ) 0.63msec

 Ερωτήσεις του τύπου Σωστό/Λάθος
- 1. Η μεταφορά δεδομένων με άμεση προσπέλαση στη μνήμη απασχολεί τη CPU.
- 2. Στην παράλληλη μετάδοση τα bit μεταδίδονται το ένα μετά το άλλο.
- 3. Η σύγχρονη μετάδοση χρησιμοποιεί bit αρχής και τέλους.
- 4. To bit αρχής είναι πάντα '1'.
- 5. Στο RS-232C τα '1'ς μεταδίδονται με αρνητικές τάσεις.

 Ερωτήσεις αντιστοίχισης
- 1. Να αντιστοιχίσετε τα:

| ISA     | Δίαυλος διασύνδεσης παράλληλων συσκευών          |
|---------|--------------------------------------------------|
| USB     | Εσωτερικός δίαυλος διακίνησης πληροφοριών        |
| DMA     | Μεταφορά δεδομένων με άμεση προσπέλαση στη μνήμη |
| IEEE488 | Ρυθμός μετάδοσης                                 |
| Baud    | Δίαυλος διασύνδεσης σειριακών συσκευών           |

 Ερωτήσεις συμπλήρωσης κενού
- 1. Όταν η συσκευή είναι έτοιμη να δεχθεί ή να δώσει , πληροφορεί
τον  διαμέσου ειδικής γραμμής , η οποία ονομάζεται
γραμμή  (interrupt line).
- 2. Η αποστολή του '1' είναι γνωστή ως
σήμα μεταξύ 
Η αποστολή του '0' είναι γνω -
  V.
στή ως  και ορίζεται ως ηλεκτρικό σήμα μεταξύ  V και
 V.
και ορίζεται ως ηλεκτρικό

 Ερωτήσεις ανοικτού τύπου
- 1. Τι είναι η μέθοδος χειραψίας;
- 2. Περιγράψτε τον τρόπο block DMA και τον τρόπο DMA «κλοπής» κύκλου.
- 3. Τι είναι οι προγραμματιζόμενες και τι οι μη προγραμματιζόμενες θύρες;
- 4. Συγκρίνετε τη σύγχρονη και ασύγχρονη μετάδοση δεδομένων.
- 5. Τι είναι η μονόδρομη, ημι-αμφίδρομη και αμφίδρομη επικοινωνία;
- 6. Ποιες είναι οι γενιές λογισμικών συστημάτων μετρήσεων;
- 7. Περιγράψτε τη διασύνδεση πληκτρολογίου μέσω του 8279 με μικροεπε -ξεργαστή.
1. Δεδομένα μεταδίδονται με ρυθμό 4800baud. Πόσο χρόνο διαρκεί κάθε bit; (0.21msec) Ασκήσεις
- 2. Ο χρόνος, που διαρκεί κάθε bit σε μετάδοση δεδομένων, είναι 0.42msec. Με τι ρυθμό (baud) μεταδίδονται;

(2400baud)

Προγραμματιζόμενοι λογικοί ελεγκτές (PLCs)
-  Εισαγωγή
-  Διασύνδεση PLC
- Δομή και Λειτουργία PLC
- Προγραμματισμός PLC
- Η Οικογένεια PLCs LOGO! της Siemens
-  Παραδείγματα Προγραμματισμού PLC
-  Πρακτικές Εφαρμογές LOGO!

Σκοπός
Όταν ολοκληρώσεις το κεφάλαιο αυτό, θα μπορείς:
-  Να κατονομάζεις τα πλεονεκτήματα της χρήσης των PLCs και να περιγράφεις πιθανές εφαρμογές τους.
-  Να κατονομάζεις τρόπους προγραμματισμού των PLCs και να περιγράφεις τουλάχιστον μία γλώσσα προγραμματισμού αυτών.
-  Να περιγράφεις την αρχή λειτουργίας των PLCs και τις βασικές μονάδες από τις οποίες αποτελούνται.
-  Να περιγράφεις τη λειτουργία τουλάχιστον ενός PLC της αγοράς και να αναφέ -ρεις μερικές εφαρμογές του.
Τα τελευταία χρόνια η ανάγκη για αυτοματοποίηση της παραγωγής οδήγη -σε την πλειοψηφία των βιομηχανιών στην υιοθέτηση σύγχρονων ανταγωνι -στικών τεχνικών εύκολα εφαρμόσιμων και ικανών να προσαρμόζονται στις απαιτήσεις των καιρών. Η σπουδαιότερη από αυτές βασίζεται στη χρήση των προγραμματιζόμενων λογικών ελεγκτών ( PLC : programmable logic con -trollers). Τα PLCs είναι ελεγκτές με δυνατότητα προγραμματισμού της μνή -μης, εύκολης προσαρμογής με αλλαγή του προγράμματός τους και εύκολοι στη χρήση. Επίσης, διαθέτουν ποικιλία δυνατοτήτων επικοινωνίας με άλλες συσκευές και δίκτυα μετρήσεων. Τα PLCs αποτελούν τους κύριους εκπροσώ -πους της τεχνολογίας του βιομηχανικού αυτοματισμού.

Στο παρελθόν, οι λύσεις σε προβλήματα αυτοματισμού δίνονταν με καλωδιωμέ -νη λογική. Δηλαδή, οι μηχανικοί σχεδίαζαν το κύκλωμα της εκάστοτε εφαρμογής ελέγχου, προμηθεύονταν τα απαραίτητα υλικά και εξαρτήματα, τα τοποθετούσαν και τα συνέδεαν πάνω σε πίνακα ή πλακέτα και τέλος εγκαθιστούσαν το σύ -στημα στο χώρο εφαρμογής. Όλα αυτά συνέβαιναν σε απλές εφαρμογές, που, συνήθως, αφορούσαν έλεγχο διακοπτών. Αν σε μια εφαρμογή χρειαζόταν να μετρηθεί χρόνος ή να γίνει κάποια απαρίθμηση, τότε η σχεδίαση και ανάπτυξη του συστήματος ελέγχου γινόταν πολύπλοκη, γιατί απαιτείτο η χρήση ολοκληρω -μένων κυκλωμάτων, όπως πύλες, χρονιστές και απαριθμητές. Όλη αυτή η διαδι -κασία απαιτούσε χρόνο και κόστος. Δεν υπήρχε ευελιξία στην ανίχνευση λαθών, παρά μόνο όταν γινόταν η εγκατάσταση του συστήματος στο χώρο εφαρμογής. Επίσης, στην περίπτωση αναβάθμισης ή μετατροπής του συστήματος, έπρεπε να επαναληφθεί η διαδικασία σχεδίασης, ανάπτυξης και εγκατάστασης.

Η εμφάνιση των PLCs έδωσε διέξοδο στα παραπάνω προβλήματα. Τα συστή -ματα αυτά μπορούν να δεχθούν εισόδους (διακόπτες, μπουτόν, κ.ά.) και να οδηγήσουν εξόδους (ρελέ, πηνία, κ.ά.). Οι εργασίες, που εκτελούνται με αυτές τις εισόδους, περιγράφονται στο εσωτερικό των PLCs με τη μορφή προγραμ -μάτων. Οποιεσδήποτε αλλαγές ή τροποποιήσεις σημαίνουν, απλά, αλλαγές ή τροποποιήσεις στο πρόγραμμα του ελεγκτή.
Έτσι, τα πλεονεκτήματα, που απορρέουν από τη χρήση των PLCs, σε σχέση με τα συστήματα καλωδιωμένης λογικής, συνοψίζονται στα εξής:

-  Η σχεδίαση και ανάπτυξη γίνεται με τη μορφή προγραμματισμού.
- Τροποποιήσεις και αλλαγές στο πρόγραμμα του PLC μπορούν να γίνουν ακόμα και όταν αυτό είναι εγκατεστημένο στο χώρο εφαρμογής.
- Μικρότερο κόστος ανάπτυξης νέων εφαρμογών ή επεκτάσεων.
- Μικρότερος όγκος. 
-  Εύκολη ανίχνευση σφαλμάτων μέσω υπολογιστή.
- Λειτουργίες αυτοδιάγνωσης για σωστή λειτουργία.
- Δεν απαιτούνται εξειδικευμένες γνώσεις ηλεκτρονικών σε επίπεδο σχεδία -σης συστημάτων, αφού όλα είναι έτοιμα στο εσωτερικό του PLC.
-  Δυνατότητα διασύνδεσης και επικοινωνίας με άλλα ίδια ή διαφορετικά συ -στήματα.

Οι προγραμματιζόμενοι λογικοί ελεγκτές συναντώνται στη βιομηχανία, τόσο σε συστήματα παραγωγής όσο και στα ίδια τα παραγόμενα προϊόντα, αλλά και σε οικιακές εφαρμογές. Ενδεικτικά αναφέρονται:

Εισαγωγή
Οικιακές εφαρμογές και εφαρμογές κτιριακών εγκαταστάσεων, όπως:
- συστοιχίες λαμπτήρων φθορισμού
-  φωτισμός σε διαμερίσματα, κλιμακοστάσια, βιτρίνες καταστημάτων
-  περσίδες, τέντες
-  συστήματα συναγερμών και κουδουνιών
- συστήματα θέρμανσης και κλιματισμού
- συστήματα άρδευσης σε θερμοκήπια
Βιομηχανικές εφαρμογές, όπως:
- μηχανές λύγισης καλωδίων
-  ανυψωτικά μηχανήματα
- βιομηχανικά ψαλίδια και πλάνες
- μηχανές κοπής
-  κλίβανοι
-  σιλό
- συστήματα ψύξης 
- μεταφορικές ταινίες
- διατάξεις μέτρησης στάθμης
- έλεγχος για κινητήρες, αντλίες και βαλβίδες
-  συμπιεστές
-  συστήματα ελέγχου χώρων στάθμευσης αυτοκινήτων
- αυτόματες μπάρες και πόρτες
- συστήματα διαχείρισης ενέργειας 

Ο προγραμματιζόμενος λογικός ελεγκτής είναι ελεγκτής βιομηχανικού (σήμε -ρα δε και οικιακού) περιβάλλοντος, που στηρίζει τη λειτουργία του σε μικροε -πεξεργαστή/μικροελεγκτή, εκτελώντας το από πριν αποθηκευμένο στη μνήμη πρόγραμμα, που έχει γραφεί για κάθε εφαρμογή. Έτσι, σύμφωνα με τον επί -σημο ορισμό του προτύπου BS ΕΝ 61134, το PLC είναι ψηφιακό σύστημα σχεδιασμένο για χρήση σε βιομηχανικό περιβάλλον, το οποίο χρησιμοποιεί μνήμη για την αποθήκευση εντολών. Οι εντολές αυτές υλοποιούν ειδικές λει -τουργίες, όπως π.χ. λογική, χρονισμό, μετρήσεις και αριθμητικές πράξεις, για έλεγχο ποικίλων μηχανών και διαδικασιών και όλα αυτά μέσω των ψηφιακών ή αναλογικών εισόδων-εξόδων. Η σχεδίαση των περισσοτέρων PLCs στηρίζεται στην ίδια φιλοσοφία με τη σχεδίαση υπολογιστή.

Αν και τόσο τα PLCs όσο και οι υπολογιστές προγραμματίζονται, η διαφορά τους βρίσκεται στο, ότι τα πρώτα απευθύνονται σε εργασίες ρύθμισης και ελέγχου βιομηχανικού-οικιακού περιβάλλοντος, ενώ οι δεύτεροι εκτελούν κατ' εξοχήν εργασίες υπολογισμών και απεικόνισης. Έτσι, τα PLCs εξετάζουν τα σήματα εισόδου και αφού τα επεξεργαστούν κατάλληλα, με βάση τα προγράμ -ματα, που είναι αποθηκευμένα στη μνήμη τους, παράγουν σήματα εξόδου που οδηγούν μηχανήματα ή ολόκληρες βιομηχανικές διεργασίες. Η τυποποιημένη διασύνδεση στο εσωτερικό των PLCs τους επιτρέπει να συνδέονται απευθείας με δράστες και μετατροπείς. Επίσης, τα PLCs είναι πιο απλά στη χρήση και εκτελούν συνήθως ένα και μόνο πρόγραμμα.

Τα PLCs, εν γένει, διαθέτουν ελάχιστα κινητά μέρη και υπόκεινται σε διεθνείς κανόνες τυποποίησης, όπως ISO, BS, κ.ά. Διαθέτουν μονάδες σειριακής, πα -ράλληλης και δικτυακής επικοινωνίας, που τα καθιστούν ικανά να ενταχθούν σε ευρύτερο δίκτυο μετρήσεων και ελέγχου, όπως το MAP και το AS-lnterface της Siemens.
Σχήμα 7.2.1. Διάγραμμα μονάδων ενός PLC

Δομή και Λειτουργία PLC
Ως προς τη δομή ενός PLC, που φαίνεται και στο σχήμα 7.2.1, μπορούμε να διακρίνουμε τα παρακάτω βασικά μέρη:
-  Την κεντρική μονάδα επεξεργασίας (CPU)
- Τη μνήμη
- Τη μονάδα εισόδου-εξόδου I/O
- Τη μονάδα τροφοδοσίας 
-  Τη μονάδα στήριξης
- Τη μονάδα προγραμματισμού
Η κεντρική μονάδα επεξεργασίας ( CPU : central processing unit) είναι ο «εγκέφαλος» του PLC και αντιπροσωπεύεται από μικροϋπολογιστή/μικροελε -γκτή και κύκλωμα χρονισμού, που καθορίζει τη ταχύτητα του ελεγκτή. Η λει -τουργία της CPU συνίσταται στον έλεγχο των διατάξεων εισόδου-εξόδου I/O και της μνήμης, ώστε τα δεδομένα που εισέρχονται στο PLC, να τυγχάνουν επεξεργασίας, σύμφωνα με το πρόγραμμα και να δίνουν ως εξόδους κατάλ -ληλα σήματα ελέγχου. Επίσης, είναι επιφορτισμένη με πλήθος αυτοδιαγνωστι -κών λειτουργιών.

Για να εκτελεστούν οι παραπάνω διαδικασίες αλλά και για να τροφοδοτη -θούν και τα υπόλοιπα εξαρτήματα, απαιτείται μονάδα τροφοδοσίας , που να παράγει χαμηλού επιπέδου συνεχείς τάσεις. Αποτελείται από μετασχημα -τιστή, ανορθωτή και σταθεροποιητή τάσης και παρέχει τις τάσεις λειτουργίας των εσωτερικών κυκλωμάτων ενός PLC. Επίσης, το τροφοδοτικό δίνει και τις τάσεις στις κλέμες εισόδου. Η μονάδα τροφοδοσίας μπορεί να βρίσκεται ενσωματωμένη στο PLC ή σε ξεχωριστή συσκευή ανάλογα με τις ανάγκες του συστήματος.

Η μονάδα εισόδου-εξόδου (I/O) χρησιμοποιείται για τη διασύνδεση του ελε -γκτή με το εξωτερικό περιβάλλον. Αποτελείται από ακροδέκτες εισόδου και εξόδου, που μπορούν να υλοποιήσουν παράλληλη, σειριακή και δικτυακή επι -κοινωνία καθώς και από ακροδέκτες τροφοδοσίας. Στους ακροδέκτες εισόδου μπορούν να συνδεθούν αισθητήρες, μετατροπείς, διακόπτες, πληκτρολόγια, χρονιστές, καθώς επίσης, ηλεκτρονικά κυκλώματα μετατροπέων ADC, AC-DC, DC-AC, κ.ά., ώστε να πραγματοποιείται κάθε μορφής επικοινωνία και σημα -τοδότηση. Αντίστοιχα, στους ακροδέκτες εξόδου μπορούν να συνδέονται ρελέ, μετατροπείς DAC, βαλβίδες, δράστες και φωτεινοί σηματοδότες. Τόσο οι ακρο -δέκτες εισόδου όσο και εξόδου παρέχουν στη CPU ηλεκτρική απομόνωση και προσαρμογή τάσεων. Τέλος, οι ακροδέκτες τροφοδοσίας χρησιμεύουν για τη σύνδεση του ελεγκτή με το δίκτυο τάσης.

Στο σχήμα 7.2.2 φαίνεται ένα τυπικό PLC της εταιρίας Siemens, στο οποίο θα γίνει αναλυτικότερη αναφορά παρακάτω στο κεφάλαιο αυτό. Στο σχή -μα αυτό διακρίνονται οι κλέμες (σύνδεσμοι συγκράτησης με βίδα) για την υποδοχή των καλωδίων των στοιχείων εισόδου (διακόπτες, κ.ά.) και εξόδου (πηνία, ρελέ, ενδεικτικές λυχνίες, κ.ά.). Επίσης, στα σχήματα 7.2.3 ως και 7.2.6 δείχνονται το Simatic S7-200 Micro PLC της Siemens, το T1 Micro PLC της Toshiba, τα CPM1A, CPM1 και CPM2A Micro PLCs της Omron και ένας τύπος PLC της SoftPLC. Άλλες γνωστές εταιρίες κατασκευής PLCs είναι οι

ABB, Allen-Bradley, GE-Fanuc, Klockner-Moeller, Honeywell, Mitsubishi, Moore Products, Sigmatek, Fuji Electric, Idec, Kirchner Soft, κ.ά.

| 1: τροφοδοσία      | 2: είσοδοι   | 3: έξοδοι                  | 4: module   |
|--------------------|--------------|----------------------------|-------------|
| 5: πίνακας ελέγχου | 6: LCD       | 7: σύνδεση με AS-interface |             |
Σχήμα 7.2.2. PLC LOGO! της Siemens (από το LOGO! Manual της Siemens)
Σχήμα 7.2.3. Simatic S7-200 Micro PLC της Siemens (από το S7-200 Programmable Controller System Manual της Siemens)
Σχήμα 7.2.4. T1 Micro PLC της Toshiba (από την ιστοσελίδα της εταιρίας Toshiba)

Σχήμα 7.2.5. CPM1A, CPM1 και CPM2A Micro PLCs της Omron (από την ιστοσελίδα της εταιρίας Omron)
Σχήμα 7.2.6. PLC της SoftPLC (από την ιστοσελίδα της εταιρίας SoftPLC)
Η μονάδα στήριξης PLC συναντάται σε δύο εκδοχές. Σύμφωνα με την πρώτη, υπάρχει πλαίσιο ειδικά διαμορφωμένο με συνδέσμους στήριξης και επαφής (connectors), πάνω στο οποίο τοποθετούνται με τη μορφή modules η κεντρική μονάδα επεξεργασίας, οι μονάδες εισόδου-εξόδου και το τροφοδοτικό. Όλα αυτά επικοινωνούν μεταξύ τους μέσω των συνδέσεων των επαφών τους. Σύμ -φωνα με τη δεύτερη, υπάρχει ράγα, πάνω στην οποία συγκρατούνται η μονά -δα κεντρικής επεξεργασίας, το τροφοδοτικό και οι μονάδες εισόδου-εξόδου. Στο σχήμα 7.2.2(α) διακρίνεται τέτοια ράγα πίσω από το PLC.

Ο ρόλος της μνήμης είναι ήδη γνωστός και συνίσταται, κυρίως, στην αποθήκευ -ση των προγραμμάτων του μικροεπεξεργαστή/μικροελεγκτή. Χρησιμοποιού -νται συνήθως μνήμες τυχαίας προσπέλασης ( RAM : random access memory), στατικές SRAM ή δυναμικές DRAM , όπου αποθηκεύεται το πρόγραμμα δια -χείρισης της διεργασίας καθώς και τα δεδομένα. Αυτές είναι μνήμες, που χρει -άζονται τάση, για να διατηρούν τα περιεχόμενά τους. Για το λόγο αυτό, συ -νοδεύονται πάντα από μπαταρίες ή ειδικούς πυκνωτές. Το πλεονέκτημά τους είναι η μεγάλη ταχύτητα εγγραφής και ανάγνωσης. Επίσης, χρησιμοποιούνται μνήμες μόνο ανάγνωσης ( ROM : read only memory), όπου αποθηκεύεται το λειτουργικό σύστημα μικροϋπολογιστικού συστήματος. Οι πιο συνηθισμένες προγραμματιζόμενες μνήμες ROM είναι οι ηλεκτρικά επαναπρογραμματιζόμε -νες ROM ( EEPROM : electrically erasable programmable read only memory) και οι απλές επαναπρογραμματιζόμενες ROM ( EPROM : erasable programma -ble read only memory). To ποιος τύπος μνήμης θα χρησιμοποιηθεί σε PLC έχει να κάνει με τη φιλοσοφία και τις αντιλήψεις περί κόστους και απόδοσης της κατασκευάστριας εταιρίας.

Ταυτόχρονα, όλες οι συσκευές προγραμματισμού των PLCs (συνήθως πλη -κτρολόγια με οθόνη υγρών κρυστάλλων) ενσωματώνουν αρκετή RAM, που επιτρέπει την ανάπτυξη και τον έλεγχο του προγράμματος στην ίδια τη συ -σκευή. Αν η συσκευή (panel) προγραμματισμού είναι φορητή, η RAM μνήμη της είναι συνήθως τύπου CMOS με μπαταρίες, ώστε να διατηρείται το πρό -γραμμα σε όλη την διάρκεια μεταφοράς του από PLC σε PLC σε μια βιομη -χανία. Το πρόγραμμα μεταφέρεται στο PLC, μόνο όταν είναι απολύτως ελεγ -
μένο. Βέβαια, υπάρχουν και περιπτώσεις, που συσκευές προγραμματισμού παρέχουν έλεγχο και διόρθωση προγράμματος σε πραγματικό χρόνο (on-line real-time). Η διασύνδεση, που συνήθως χρησιμοποιείται μεταξύ PLC και της συσκευής προγραμματισμού, είναι η RS-232. Τον τελευταίο καιρό οι κατασκευ -αστές PLCs έχουν αναπτύξει λογισμικό για εξομοίωση της λειτουργίας των ελεγκτών σε υπολογιστή και τον ευκολότερο προγραμματισμό τους σε αυτά. Η λειτουργία του PLC μπορεί να γίνει κατανοητή μέσα από τον προγραμματισμό του και τα παραδείγματα λειτουργίας του.

Σχήμα 7.2.7. (α) TD-200 της Siemens και (β) διασύνδεση του TD-200 με το S7-200 PLC (από το TD-200 Operator Interface User Manual της Siemens)
Στο σχήμα 7.27 φαίνεται ειδική φορητή συσκευή προγραμματισμού ενός PLC (TD-200 της Siemens) και η διασύνδεσή της με το PLC. Στο σχήμα 7.2.8 φαί -
νεται η διασύνδεση PLC με προσωπικό υπολογιστή για τον προγραμματισμό του.
Σχήμα 7.2.8. Διασύνδεση του S7-200 PLC με προσωπικό υπολογιστή (από το S7-200 Programmable Controller System Manual της Siemens)

7.3 Διασύνδεση PLC
Για τη μεταφορά δεδομένων μεταξύ PLC και υπολογιστή, εφαρμόζονται οι γνωστοί τύποι διασύνδεσης σημείο προς σημείο (point-to-point). Όταν πρό -κειται για την επικοινωνία πολλών και διαφορετικών συσκευών υλοποιείται η διασύνδεση δικτύου. Η παράλληλη διασύνδεση χρησιμοποιεί σύνολο δυαδι -κών γραμμών, για να συνδέσει PLC με συσκευή εισόδου-εξόδου I/O. Συνή -θως, χρησιμοποιείται το πρότυπο Centronics, για να μεταφέρονται δεδομένα με υψηλό ρυθμό προς μια κατεύθυνση και σε μικρή απόσταση από PLC σε εκτυπωτή. Μια άλλη διασύνδεση σημείο προς σημείο είναι η σειριακή RS232. Αυτή επιτρέπει ασύγχρονη μετάδοση δεδομένων με ρυθμούς μετάδο -σης 19.2Kbps.

Από την άλλη πλευρά, κατανεμημένο σύστημα ελέγχου (δικτυακό) είναι αυτό, στο οποίο πολλοί ελεγκτές λειτουργούν ταυτόχρονα και με συνεργασία. Τέτοια συστήματα μπορούν να διαιρεθούν σε υποσυστήματα υπολογιστών με ισχυ -ρή ζεύξη, που μοιράζονται κοινό δίαυλο δεδομένων και σε υποσυστήματα με χαλαρή ζεύξη, που είναι τοποθετημένα στο σημείο του ελέγχου και ανταλλάσ -σουν πληροφορίες διαμέσου θύρας εισόδου (I/O). Ένα σύστημα χαλαρά συν -δεμένων υπολογιστικών συστημάτων διασυνδεδεμένων μεταξύ τους ονομάζε -ται δίκτυο. Το δίκτυο μπορεί να είναι τοπολογίας αστέρα, δακτυλίου, κ.ά., όπως μπορεί κανείς να δει και στο όγδοο κεφάλαιο. Ταυτόχρονα, χρησιμοποιείται ευρέως το πρότυπο OSI, το Ethernet, το πρότυπο IEC 1131-5 και τα συστή -ματα SCADA.

Τελευταία έχουν εμφανιστεί «μικρά» και εύχρηστα PLCs, που συνδέονται στο δίκτυο ως έξυπνοι slave σταθμοί, αφού δεν χρειάζονται ειδικό προγραμματι -σμό και ρυθμίσεις για τις επικοινωνίες. Στην περίπτωση προβλημάτων δικτύ -ου ή του επιβλέποντος κεντρικού ελεγκτή, αυτά συνεχίζουν απρόσκοπτα και αυτόνομα τη λειτουργία τους. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι το εξελιγμένο «μικρό» PLC της Siemens, LOGO!Bus, που συνδέεται σε δίκτυο AS-lnterface, ανταλλάσσοντας σήματα και πληροφορίες με μεγαλύτερες κεντρικές συσκευές ελέγχου, όπως τα PLC Simatic S7-200 της Siemens.

Ένας ελεγκτής μπορεί να προγραμματιστεί κάνοντας εν γένει χρήση διάφορων γλωσσών προγραμματισμού. Είναι γνωστό, βέβαια, ότι στην αγορά υπάρχει μεγάλη ποικιλία ελεγκτών με μικρή ή μεγάλη διαφοροποίηση ως προς τα τε -χνικά χαρακτηριστικά και τις λειτουργίες τους. Κατά συνέπεια και οι γλώσσες προγραμματισμού, που διατίθενται με το κάθε PLC, θα διαφέρουν λίγο ή πολύ από τις υπόλοιπες. Για το λόγο αυτό, η Διεθνής Ηλεκτροτεχνική Επιτροπή (IEC: International Electrotechnical Commission) εξέδωσε το 1993 την τυπο -ποίηση των γλωσσών προγραμματισμού των PLCs, που είναι η IEC 1131-3 . Η τυποποίηση αυτή στοχεύει να δημιουργήσει προγραμματιστικές φόρμες, που θα χρησιμοποιηθούν από τους μελλοντικούς ελεγκτές. Πριν γίνει σύντομη ανα -φορά στις γλώσσες προγραμματισμού, αξίζει να λεχθεί, ότι οι κατασκευαστές των PLCs συνηθίζουν να εφοδιάζουν την κάθε συσκευή με παραπάνω από μια γλώσσες. Η επιλογή της γλώσσας από το χειριστή εξαρτάται από την εφαρμο -γή, που θέλει να υλοποιήσει.

Η IEC έχει τυποποιήσει πέντε γλώσσες για τα PLCs. Από αυτές δύο είναι κειμενοστραφείς (text-based), δύο γραφικές (graphical), και μία γλώσσα υψηλού επιπέδου, που στηρίζεται σε διαγράμματα ροής (flow-chart type). Αναλυτικά:
-  Δομημένο κείμενο ( ST : S tructured T ext), κειμενοστραφής
- Λίστα εντολών ( IL: I nstruction L ist), κειμενοστραφής
- Διάγραμμα κλίμακας ( LD : L adder D iagram), γραφικό
- Λογικό διάγραμμα λειτουργίας ( FBD : F unction B lock D iagram), γραφική 
-  Διάγραμμα ακολουθιακών λειτουργιών ( SFC : S equential F unction C hart), υψηλού επιπέδου με διαγράμματα ροής

Για τον πρωτόπειρο χρήστη, οι πιο βατές από τις παραπάνω γλώσσες είναι η γλώσσα λίστας εντολών (IL) και η γλώσσα διαγράμματος κλίμακας (LD).
-  Η γλώσσα δομημένου κειμένου ST είναι γλώσσα με μορφή κειμένου με ιδι -αίτερες επιδόσεις στον έλεγχο. Η γλώσσα αυτή χρησιμοποιεί δομές, όπως FOR, CASE, WHILE, IF ... THEN, REPEAT. Παρουσιάζει πολλές ομοιό -τητες με τις γλώσσες PASCAL και BASIC. Η δομή του προγράμματος σε γλώσσα ST έχει ως εξής:
PROGRAM όνομα προγράμματος

VAR\_INPUT
(αναφέρονται όλες οι μεταβλητές εισόδου και οι τύποι δεδομένων τους)

END\_VAR

VAR\_OUTPUT
(αναφέρονται όλες οι μεταβλητές εξόδου και οι τύποι δεδομένων τους)

END\_VAR

VAR
(αναφέρονται όλες οι εσωτερικές μεταβλητές και οι συναρτήσεις που χρησι -μοποιούνται στο πρόγραμμα)

END\_VAR
(κυρίως πρόγραμμα)
END\_PROGRAM

7.4

Προγραμματισμός PLC
-  Η γλώσσα λίστας εντολών IL είναι γλώσσα χαμηλού επιπέδου στηριγμένη στους μνημονικούς κώδικες, που χρησιμοποιούν τα σημερινά PLC. Κάθε εντολή σχηματίζεται από τελεστή ακολουθούμενο από έναν ή περισσότε -ρους τελεστέους, που αποτελούν το μέγεθος πάνω στο οποίο επιδρά η εντολή. Είναι γλώσσα τύπου συμβολικής με εντολές διακλάδωσης. Μόνο μια εντολή μπορεί να εκτελείται σε κάθε γραμμή. Η γλώσσα αυτή χρησιμο -ποιείται σε μικρές εφαρμογές. Ένα παράδειγμα σε κώδικα IL δίνεται αμέ -σως παρακάτω, ενώ στον πίνακα 7.4.1 δίνεται η τυποποίηση των εντολών της γλώσσας.

| Eτικέτα  (label)   | Τελεστής  (operator)   | Τελεστέος  (operand)   | Περιγραφή                                   |
|--------------------|------------------------|------------------------|---------------------------------------------|
| Loop 1             | LD                     | Count                  | (φόρτωσε την τρέχουσα τιμή στο συσσωρευτή)  |
| Loop 1             | ADD                    | 1                      | (αύξησε κατά 1)                             |
| Loop 1             | NE                     | 10                     | (έλεγξε, αν είναι 10)                       |
| Loop 1             | JMP                    | Loop 1                 | (αν δεν είναι, πήγαινε στην ετικέτα Loop 1) |

Πίνακας 7.4.1. Οι εντολές της γλώσσας λίστας εντολών IL

| Τελεστής (operator)   | Τελεστέος (operand)   | Περιγραφή                                   |
|-----------------------|-----------------------|---------------------------------------------|
| LD                    | Οτιδήποτε             | Φόρτωσε τον τελεστέο στο συσσωρευτή         |
| ST                    | Οτιδήποτε             | Αποθήκευσε το συσσωρευτή στον τελεστέο      |
| S                     | BOOLE                 | Θέσε 1 στον τελεστέο (σωστό)                |
| R                     | BOOLE                 | Θέσε 0 στον τελεστέο (λάθος)                |
| AND                   | BOOLE                 | Εφάρμοσε λογική πρόσθεση                    |
| OR                    | BOOLE                 | Εφάρμοσε λογικό ή                           |
| XOR                   | BOOLE                 | Εφάρμοσε λογικό αποκλειστικό ή              |
| ADD                   | Οτιδήποτε             | Πρόσθεσε                                    |
| SUB                   | Οτιδήποτε             | Αφαίρεσε                                    |
| MUL                   | Οτιδήποτε             | Πολλαπλασίασε                               |
| DIV                   | Οτιδήποτε             | Διαίρεσε                                    |
| GT                    | Οτιδήποτε             | Μεγαλύτερο από τον τελεστέο σύγκρισης       |
| GE                    | Οτιδήποτε             | Μεγαλύτερο ή ίσο από τον τελεστέο σύγκρισης |
| EQ                    | Οτιδήποτε             | Ίσο με τον τελεστέο σύγκρισης               |
| NE                    | Οτιδήποτε             | Όχι ίσο με τον τελεστέο σύγκρισης           |
| LE                    | Οτιδήποτε             | Μικρότερο ή ίσο από τον τελεστέο σύγκρισης  |
| LT                    | Οτιδήποτε             | Μικρότερο από τον τελεστέο σύγκρισης        |
| JMP                   | Ετικέτα               | Πήγαινε σε αυτή την ετικέτα                 |
| CAL                   | Όνομα                 | Κάλεσε τη συνάρτηση με αυτό το όνομα        |
| RET                   |                       | Επέστρεψε από τη συνάρτηση                  |

-  Η γλώσσα διαγράμματος κλίμακας LD είναι γραφική γλώσσα προγραμμα -τισμού ανεπτυγμένη πάνω στα λογικά κυκλώματα των ηλεκτρονόμων και ιδανική για την ανάπτυξη προγραμμάτων μικρού και μεσαίου μεγέθους. Σύμβολα, τα οποία αντιπροσωπεύουν τα διάφορα στοιχεία του προγράμ -
ματος, συντάσσονται σε οριζόντιους και κάθετους δεσμούς για να δημιουρ -γήσουν τις απαιτούμενες λειτουργίες ελέγχου. Ο προγραμματισμός αυτός απαιτεί σημαντική προσπάθεια μετάφρασης από το τερματικό, το οποίο πρέπει να είναι πολύ «έξυπνο», ακριβό και βέβαια ακριβό σε σχέση με κάποιο, που είναι σχεδιασμένο για προγραμματισμό λίστας εντολών. To IEC πρότυπο αυτής της γλώσσας βασίζεται στην ορολογία και στα σύμ -βολα, που χρησιμοποιούνται από την πλειοψηφία των σημερινών PLC. Το πρότυπο περιλαμβάνει σύμβολα για SET και RESET των πηνίων, γεγονός που επιτρέπει σε μια μεταβλητή να αποθηκεύεται προσωρινά και κατόπιν να μηδενίζεται. Επίσης, υπάρχουν και πηνία retentive, που συγκρατούν τις δυαδικές μεταβλητές, σε περίπτωση διακοπής του ρεύματος. Ταυτόχρονα με τις άλλες διαδικασίες, τα LD διαθέτουν ENABLE INPUT/OUTPUT και εντολές διακλάδωσης. Παραδείγματα προγραμματισμού σε γλώσσα LD θα δοθούν σε επόμενη παράγραφο. Στον πίνακα 7.4.2 δίνονται τα τυποποιη -μένα σύμβολα της γλώσσας LD.
-  Η γλώσσα λογικού διαγράμματος λειτουργίας FBD είναι και αυτή γραφι -κή γλώσσα προγραμματισμού βασισμένη σε λειτουργικά blocks (function blocks), τα οποία μπορούν να χρησιμοποιούνται πολλές φορές σε διαφορε -τικά σημεία μιας εφαρμογής. Κάθε λειτουργικό block παριστάνεται σαν πα -ραλληλόγραμμο με τις εισόδους σχεδιασμένες στην αριστερή πλευρά και τις εξόδους στα δεξιά. Η ροή του σήματος έχει κατεύθυνση από τις εξόδους του προηγούμενου προς τις εισόδους του επόμενου λειτουργικού block. Η δομή του FBD ταιριάζει στη δυαδική λογική και στις εφαρμογές συνεχούς ελέγχου. Στο σχήμα 7.4.1 φαίνεται παράδειγμα προγραμματισμού σε γλώσ -σα FBD, όπου το δεξιό block συμβολίζει έναν απαριθμητή προς τα πάνω CTU (up-counter). Ο απαριθμητής απαριθμεί την είσοδο CU (count-up in -put), μέχρι να φτάσει σε προκαθορισμένη τιμή PV (preset value). Τότε η έξοδος Q γίνεται αληθής και η απαρίθμηση σταματά. Με την είσοδο εκκαθά -ρισης R (reset) αρχίζει από την αρχή η απαρίθμηση. Η έξοδος CV παρέχει τη τρέχουσα τιμή (current count value).

Σχήμα 7.4.1. Παράδειγμα προγραμματισμού σε γλώσσα FBD
-  Η γλώσσα διαγράμματος ακολουθιακών λειτουργιών SFC είναι και αυτή γραφική γλώσσα, που συναντάται, όμως, με ακολουθιακό χαρακτήρα.
Βασίζεται σε μια άλλη γραφική γλώσσα, την Grafcet, που χρησιμοποιείται ευρέως από την Telemecanique και έχει καταστεί γαλλικό εθνικό πρότυπο. Σε αντίθεση με αυτό το πρότυπο, τα σημαντικότερα PLC διαθέτουν δική τους γλώσσα ακολουθιακού προγραμματισμού. Ως προς τη μορφή της γλώσσας SFC, μια ακολουθία μπορεί να οριστεί σαν σειρά από βήματα, που εκτελούνται με προκαθορισμένη σειρά. Κάθε βήμα παριστάνεται με παραλληλόγραμμο και συνδέεται με την πράξη ελέγχου (action control), που παριστάνεται με τον ίδιο τρόπο. Κάθε ακολουθία ξεκινά με αρχικό βήμα, το οποίο χρησιμεύει στο να διατηρεί το σύστημα έτοιμο για λειτουρ -γία. Η ένωση των βημάτων με γραμμές διακόπτεται από οριζόντια μικρή μπάρα, που παριστάνει τη μετάβαση. Δηλαδή, όταν η συνθήκη μετάβασης αληθεύει, το βήμα πριν τη μετάβαση απενεργοποιείται και το βήμα μετά τη

Πίνακας 7.4.2. Τα σύμβολα της γλώσσας διαγράμματος κλίμακας (LD)

| Σύμβολο                                                              | Περιγραφή                                                                                                                        |
|----------------------------------------------------------------------|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Ανοικτή επαφή                                                        |                                                                                                                                  |
| P                                                                    | Επαφή ανίχνευσης θετικής μετάβασης (ο δεξιός σύνδεσμος είναι ΟΝ  όταν ανιχνεύεται αλλαγή από 0 σε 1)                             |
| N                                                                    | Επαφή ανίχνευσης αρνητικής μετάβασης (ο δεξιός σύνδεσμος είναι  ΟΝ όταν ανιχνεύεται αλλαγή από 1 σε 0)                           |
|                                                                      | Πηνίο, που ελέγχεται από τον αριστερό σύνδεσμο                                                                                   |
|                                                                      | Πηνίο, που τίθεται στην αντίθετη κατάσταση από αυτή που ορίζει ο  αριστερός σύνδεσμος                                            |
| s                                                                    | Το πηνίο γίνεται ON (set), όταν ο αριστερός σύνδεσμος είναι ΟΝ και  παραμένει ΟΝ, μέχρι να γίνει εκκαθάριση (reset)              |
| R                                                                    | Το πηνίο γίνεται OFF (reset), όταν ο αριστερός σύνδεσμος είναι ΟΝ  και παραμένει OFF, μέχρι να τεθεί πάλι σε κατάσταση ON (set). |
| M                                                                    | Πηνίο, που διατηρεί την κατάστασή του, ακόμα και σε διακοπή της  παροχής ισχύος                                                  |
| SM                                                                   | Ίδιο με το πηνίο S, αλλά διατηρεί την κατάστασή του, ακόμα και σε  διακοπή της παροχής ισχύος                                    |
| με το πηνίο R, αλλά                                                  | RM Ίδιο διατηρεί την κατάστασή του, ακόμα και σε  διακοπή της παροχής ισχύος                                                     |
| P Πηνίο ανίχνευσης θετικής αλλαγή από 0 σε 1 στον αριστερό σύνδεσμο) | μετάβασης (γίνεται ΟΝ. όταν ανιχνεύεται                                                                                          |
| N Πηνίο ανίχνευσης αρνητικής μετάβασης (γίνεται ΟΝ, όταν ανιχνεύεται | αλλαγή από 1 σε 0 στον αριστερό σύνδεσμο)                                                                                        |

μετάβαση ενεργοποιείται. Στο σχήμα 7.4.2 φαίνεται παράδειγμα σε γλώσσα SFC. Στο παράδειγμα αυτό τα N(one) και S(et) απεικονίζουν τη δράση της ακολουθίας.
Σχήμα 7.4.2. Παράδειγμα ακολουθιακού λειτουργικού διαγράμματος

7.5 Παραδείγματα
Προγραμματισμού PLC
Στην παράγραφο αυτή δίνονται παραδείγματα προγραμματισμού PLCs σε γλώσσα ladder. Η γλώσσα αυτή προήλθε από τα παραδοσιακά κυκλώματα ελέγχου με ρελέ και σε πολλά σημεία ακολουθείται η ίδια λογική. To ladder είναι το ίδιο με το σχεδιασμό δικτύου με διακοπτικά στοιχεία. Ειδικότερα, το διάγραμμα αυτό έχει ως τροφοδοσία μια κάθετη γραμμή στην αριστερή πλευ -ρά του. Η γραμμή τροφοδοτεί με τάση τις επαφές, που βρίσκονται σε όλες τις βαθμίδες του διαγράμματος και όταν βρίσκονται όλες σε κατάσταση ΟΝ, η τάση τροφοδοσίας διασχίζει τις οριζόντιες βαθμίδες επενεργώντας πάνω στο πηνίο, που βρίσκεται στο τέλος κάθε οριζόντιας γραμμής. Γενικά, στον προ -γραμματισμό ladder οι επαφές θεωρούνται ως είσοδοι και τα πηνία ως έξοδοι. Ως παραδείγματα παρατίθενται οι υλοποιήσεις σε γλώσσα διαγράμματος των λογικών συναρτήσεων NOT, AND, OR, XOR, οι δύο νόμοι του DE MORGAN, ένας χρονιστής και ένας μετρητής.

-  Η λογική συνάρτηση NOT με είσοδο Α και έξοδο f=A 2 (σχήμα 7.5.1).
Σχήμα 7.5.1. Υλοποίηση συνάρτησης NOT σε γλώσσα κλίμακας
-  Η λογική συνάρτηση AND με εισόδους Α, Β, C και έξοδο f=ABC (σχήμα 7.5.2).
Σχήμα 7.5.2. Υλοποίηση συνάρτησης AND σε γλώσσα κλίμακας
-  Η λογική συνάρτηση OR με εισόδους A, Β, C και έξοδο f=A+B+C (σχήμα 7.5.3).
Σχήμα 7.5.3. Υλοποίηση συνάρτησης OR σε γλώσσα κλίμακας
-  Η λογική συνάρτηση XOR με εισόδους A, Β και έξοδο f=AB+AB (σχή -μα 7.5.4).
Σχήμα 7.5.4. Υλοποίηση συνάρτησης XOR σε γλώσσα κλίμακας
-  Οι δύο νόμοι του DE MORGAN f=AB =A+B (NAND) (1), f=A+B=AB (NOR) (2), (σχήμα 7.5.5).

Σχήμα 7.5.5. Υλοποίηση νόμων DE MORGAN σε γλώσσα κλίμακας
-  Η υλοποίηση χρονιστή με καθυστέρηση (on-delay timer) (σχήμα 7.5.6). Στο παράδειγμα έχει τεθεί χρόνος 5sec. Όταν ενεργοποιείται η είσοδος Α, ενεργοποιείται και ο χρονιστής και όταν περάσει ο προκαθορισμένος χρό -νος των 5sec, ενεργοποιείται η έξοδος. Ο χρονιστής αρχικοποιείται, όταν η είσοδος Α απενεργοποιείται.
Σχήμα 7.5.6. Υλοποίηση χρονιστή σε γλώσσα κλίμακας
-  Η υλοποίηση μετρητή προς τα πάνω (up counter), (σχήμα 7.5.7). Εφαρ -μόζεται θετικός παλμός χρησιμοποιώντας την επαφή εκκαθάρισης (reset) και ο απαριθμητής εκκαθαρίζεται, ώστε να απενεργοποιηθεί η έξοδος Q και ορίζεται η προκαθορισμένη τιμή 3 (PV). Αν εφαρμοστούν τρεις θετικοί παλ -μοί χρησιμοποιώντας την επαφή μέτρησης (count), ενεργοποιείται η έξοδος με την άνοδο του τρίτου παλμού. Επιπλέον παλμοί στην επαφή μέτρησης αγνοούνται, μέχρι να γίνει εκκαθάριση του απαριθμητή (reset).

Ας δούμε, όμως, πως μπορούμε να εξάγουμε διάγραμμα κλίμακας από πίνακα αληθείας. Έστω, ο πίνακας αληθείας του πίνακα 7.5.1. Αρχικά θεωρούμε όλες τις γραμμές, που εμφανίζουν 1 στην έξοδο. Για κάθε μια από αυτές τις γραμμές εφαρμόζουμε πράξη AND μεταξύ των αντίστοιχων εισόδων, θέτοντας την άρ -νηση της εισόδου, όποτε η είσοδος είναι 0. Στο τέλος εφαρμόζουμε πράξη OR μεταξύ των αποτελεσμάτων των πράξεων AND. Τότε, η συνάρτηση της εξόδου είναι f=ABC+ABC+ABC . Απλοποιώντας τη συνάρτηση αυτή μπορεί να γίνει f= A+BC ( ) και υλοποιείται, όπως φαίνεται στο σχήμα 7.5.8.

Σχήμα 7.5.7. Υλοποίηση μετρητή προς τα πάνω σε γλώσσα κλίμακας
Πίνακας 7.5.1. Παράδειγμα πίνακα αληθείας
Σχήμα 7.5.8. Υλοποίηση της συνάρτησης του πίνακα αληθείας του πίνακα 7.5.1

7.6 Η Οικογένεια PLCs LOGO! της Siemens
Τα PLCs της σειράς LOGO! αποτελούν τη «μικρή» και πρωτοποριακή μονά -δα λογικής της Siemens. Βρίσκουν εφαρμογή τόσο στη βιομηχανία (διατάξεις μέτρησης στάθμης, κλίβανοι, συμπιεστές, βιομηχανικά ψαλίδια και πλάνες, μι -κροί κινητήρες, αντλίες και βαλβίδες, κ.ά.), όσο και σε περιβάλλοντα κτιρίων και οικιών (φωτισμός κτιρίων, πόρτες γκαράζ, συστήματα συναγερμών, μηχα -νές υδρομασάζ, solarium, κ.ά.). Τα εξελιγμένα χαρακτηριστικά τους τα έχουν καθιερώσει παγκοσμίως.

Τα LOGO! PLCs, ως λογικοί ελεγκτές, ενσωματώνουν όλα τα πλεονεκτήμα -τα των PLCs, όπως γρήγορη, εύκολη και οικονομική υλοποίηση εφαρμογών, αντικατάσταση από τον ελεγκτή μεγάλων ποσοτήτων ηλεκτρολογικού υλικού (ρελέ, χρονικά, καλωδιώσεις, κ.ά.). Επομένως, καθιερώνουν τη χρήση μικρό -τερων πινάκων με λιγότερα παρελκόμενα. Υπάρχει, επίσης, η δυνατότητα επέ -κτασης του συστήματος μέσω των δεκαεννέα ενσωματωμένων λειτουργιών τους και η δυνατότητα δικτύωσής τους. Επιπλέον, τα LOGO! υπόκεινται σε διε -θνείς κανόνες τυποποίησης (VDE, IEC, UL, FM CSA, πιστοποιήσεις για χρήση σε πλοία), γεγονός που τα καθιστά αξιόπιστα και με μικρό κόστος συντήρησης. Παρουσιάζουν μεγάλη αντοχή σε κραδασμούς, υγρασία, υψηλές και χαμηλές θερμοκρασίες, ηλεκτρομαγνητική συμβατότητα (EMC) και είναι εφοδιασμένα με προστασία από ραδιοσυχνότητες.

Όλα τα LOGO! προγραμματίζονται σε γραφική γλώσσα προγραμματισμού βα -σισμένη σε 19 λειτουργικά μπλοκ διαγράμματα (6 βασικά και 13 ειδικά) που αντιπροσωπεύουν συγκεκριμένες λειτουργίες. Επομένως, πρόκειται για γλώσ -σα προγραμματισμού FBD με τις ανάλογες διαφοροποιήσεις προσαρμοσμέ -νες στις επιδιώξεις του κατασκευαστή. Η μονάδα λογικής προγραμματίζεται από τα πλήκτρα χειρισμών της και παρέχει ενδείξεις στο χρήστη από ενσω -ματωμένη οθόνη υγρών κρυστάλλων, όπως ήδη γνωρίσαμε στο σχήμα 7.2.2. Υπάρχει, βέβαια, η δυνατότητα εξομοίωσης σε υπολογιστή με τη βοήθεια ειδι -κού λογισμικού της Siemens και η μεταφορά του προγράμματος στο LOGO! με ειδικό καλώδιο σειριακής σύνδεσης με προσωπικό υπολογιστή. Η κάθε συ -σκευή διαθέτει μνήμη χωρητικότητας 56 μπλοκ λειτουργιών. Τα βήματα, που ακολουθούνται, για τον προγραμματισμό ενός LOGO! είναι τα παρακάτω:

-  Σχεδιασμός της λογικής λύσης της εφαρμογής.
-  Επιλογή και συνδυασμός με τη βοήθεια του πληκτρολογίου των κατάλλη -λων λειτουργιών του LOGO!.
- Τοποθέτηση της συσκευής και σύνδεση εισόδων-εξόδων. Η σύνδεση ει -σόδων-εξόδων I/O πριν τον προγραμματισμό είναι εφικτή, αφού για με -τατροπές, αντικαταστάσεις, επεκτάσεις και εκσυγχρονισμό της διαδικασίας αλλάζει μόνο το πρόγραμμα και όχι η καλωδίωση.
-  Τελικός έλεγχος με δοκιμές και εκκίνηση του συστήματος από το χρήστη.
Πίνακας 7.6.1. Βασικά λειτουργικά διαγράμματα προγραμματισμού των LOGO! (από το LOGO! Manual της Siemens)

Πίνακας 7.6.2. Ειδικά λειτουργικά διαγράμματα προγραμματισμού των LOGO! (από το LOGO! Manual της Siemens)
Είναι γνωστό, ότι οι ενσωματωμένες λειτουργίες του LOGO! συμβολίζονται με μπλοκ διαγράμματα. Απλά γίνεται επιλογή και συνδυασμός των μπλοκ λει -τουργιών και δημιουργείται διάγραμμα λειτουργιών, δηλαδή διάγραμμα προ -γράμματος LOGO!. Το διάγραμμα αυτό στηρίζεται στη λογική των κλασσικών διαγραμμάτων ηλεκτρικού κυκλώματος, γεγονός που το καθιστά εύχρηστο στους περισσότερους μηχανικούς. Τα 19 μπλοκ λειτουργιών διακρίνονται σε έξι βασικά και δεκατρία ειδικά. Τα έξι βασικά δείχνονται και περιγράφονται στον πίνακα 7.6.1. Για παράδειγμα, η έξοδος της AND αντιστοιχεί σε κατάσταση λογικής μονάδας, όταν όλες οι είσοδοι βρίσκονται σε κατάσταση λογικής μονά -δας ή όταν όλοι οι διακόπτες κλείσουν. Η έξοδος της OR αντιστοιχεί σε κατά -σταση λογικής μονάδας, όταν μια τουλάχιστον από τις εισόδους βρίσκεται σε κατάσταση λογικής μονάδας, ή όταν ένας τουλάχιστον διακόπτης κλείσει. Στον πίνακα 7.6.2 δείχνονται και περιγράφονται τα λειτουργικά διαγράμματα των υπόλοιπων δεκατριών ειδικών λειτουργιών προγραμματισμού των LOGO!. Ας δούμε, όμως, ένα μικρό παράδειγμα προγράμματος LOGO! συνδυάζοντας μερικά από τα μπλοκ διαγράμματα των πινάκων. Θα προσπαθήσουμε να συν -δέσουμε δύο διακόπτες παράλληλα. Σε διάγραμμα κυκλώματος, το κύκλωμα αναπαριστάνεται όπως φαίνεται στο σχήμα 7.6.1.

Σχήμα 7.6.1. Διάγραμμα κυκλώματος (από το LOGO! Manual της Siemens)
Ο καταναλωτής τίθεται σε λειτουργία με το διακόπτη S1 ή το διακόπτη S2. Όσον αφορά το LOGO!, η παράλληλη σύνδεση διακοπτών αποτελεί λειτουργι -κό διάγραμμα (block) πράξης OR. Μεταφρασμένο αυτό σε πρόγραμμα LOGO! σημαίνει, ότι ο ηλεκτρονόμος Κ1 ελέγχεται από μπλοκ OR. Τα I1 και Ι2 συν -δέονται στην είσοδο του μπλοκ OR, το S1 στο Ι1 και το S2 στο Ι2. Έτσι, το πρόγραμμα για το LOGO! φαίνεται στο σχήμα 7.6.2.
Σχήμα 7.6.2. Πρόγραμμα LOGO! (από το LOGO! Manual της Siemens)

Η καλωδίωση του LOGO!, τότε, δείχνεται στο σχήμα 7.6.3. Ο διακόπτης S1 δρα στην είσοδο I1 και ο διακόπτης S2 στην είσοδο Ι2, ενώ ο καταναλωτής συνδέεται στον ηλεκτρονόμο Q1.
Σχήμα 7.6.3. Καλωδίωση LOGO! (από το LOGO! Manual της Siemens)
Σαν δεύτερο παράδειγμα μπορούμε να θεωρήσουμε μια επέκταση του προ -ηγούμενου. Οι διακόπτες S1 και S2 ελέγχουν ένα ηλεκτρονόμο, ο οποίος θέ -τει σε λειτουργία ένα καταναλωτή Ε1 και διακόπτει τη λειτουργία ύστερα από καθυστέρηση 12 λεπτών (σχήμα 7.6.4). Το πρόγραμμα LOGO! δείχνεται στο σχήμα 7.6.5, όπου απλά έχει προστεθεί ένα μπλοκ off-delay στο ήδη υπάρχον. Η οικογένεια των LOGO! αποτελείται από αρκετά μοντέλα και παρελκόμενα αυτών. To LOGO!Basic, το οποίο είναι η βασική μονάδα λογικής της οικογέ -νειας, ενσωματώνει όλα τα χαρακτηριστικά της και κάποια ειδικά (χρονικά δια -φόρων τύπων, διακόπτη συχνότητας) εκτός από τη δυνατότητα δικτύωσης.

To LOGO!Long δεν αποτελεί διαφορετικό τύπο ελεγκτή, αλλά επεκτείνει τις δυνατότητες του LOGO!Basic. Παρέχει 12 εισόδους και 8 εξόδους, δηλαδή δι -πλάσιες από το μικρό LOGO!Basic. To LOGO!Bus είναι η δικτυακή έκδοση του LOGO!Long. Συνδέεται με το δίκτυο AS-lnterface, στο οποίο είναι δυνατό να συνδεθούν μπουτόν, διακόπτες, τερματοδιακόπτες, διακόπτες προσέγγισης, ρελέ, κινητήρες αλλά και σταθμοί ελέγχου master και έξυπνοι σταθμοί ελέγχου slave. Ενδείκνυται, δηλαδή, για κατανεμημένο έλεγχο.
Σχήμα 7.6.4. Διάγραμμα κυκλώματος (από το LOGO! Manual της Siemens)

Σχήμα 7.6.5. Πρόγραμμα LOGO! (από το LOGO! Manual της Siemens)
Στην παράγραφο αυτή θα γνωρίσουμε ορισμένες απλές πρακτικές εφαρμο -γές των LOGO!. Σημαντική εφαρμογή αποτελεί ο φωτισμός διαδρόμων και διαφόρων κοινόχρηστων χώρων. Η βασική απαίτηση από τέτοια εφαρμο -γή είναι, όταν κάποιος βρίσκεται στο διάδρομο, τα φώτα να είναι αναμμένα και όταν δεν βρίσκεται κανείς, να είναι σβηστά. Για τη λύση του προβλήματος υπάρχουν δύο τρόποι, είτε να χρησιμοποιηθούν ηλεκτρονόμοι παλμού ρεύμα -τος (current impulse relay) είτε συσκευές αυτόματου φωτισμού. Και στις δύο περιπτώσεις, η συνδεσμολογία είναι η ίδια και φαίνεται στο σχήμα 7.7.1.

Σχήμα 7.7.1. Συνδεσμολογία φωτισμού διαδρόμου (από το LOGO! Manual της Siemens)
Στην περίπτωση των ηλεκτρονόμων παλμού ρεύματος, όταν πατάμε το δια -κόπτη, ανάβει το φως και όταν τον ξαναπατάμε, τότε σβήνει. Το μειονέκτημα, όμως, σε αυτή την περίπτωση είναι, ότι οι άνθρωποι ξεχνούν να σβήσουν και πάλι το φως. Στην περίπτωση, όμως, αυτόματης συσκευής, όταν πατάμε το διακόπτη ανάβει το φως και σβήνει πάλι μόνο του, ύστερα από ένα προκαθορι -σμένο χρονικό διάστημα. Σε αυτή την περίπτωση υπάρχει το μειονέκτημα, ότι το φως δεν μπορεί να μένει για πολύ ώρα αναμμένο, όπως π.χ. όταν απαιτείται να γίνουν εργασίες συντήρησης. Τα μειονεκτήματα των παραπάνω λύσεων μπορεί να αντιμετωπιστούν με τη χρήση PLC, όπως φαίνεται στο σχήμα 7.7.2. Στο σχήμα 7.7.3 φαίνεται το αντίστοιχο διάγραμμα προγράμματος.

Σχήμα 7.7.2. Φωτισμός διαδρόμου με PLC (από το LOGO! Manual της Siemens)

Πρακτικές Εφαρμογές LOGO!
Σχήμα 7.7.3. Διάγραμμα φωτισμού διαδρόμου (από το LOGO! Manual της Siemens)
Το παραπάνω διάγραμμα λειτουργεί ως εξής: Όταν πιέζεται ο διακόπτης, το φως ανάβει και σβήνει αυτόματα ύστερα από 6 λεπτά. Όταν ο διακόπτης πι -έζεται δύο φορές, το φως ανάβει μόνιμα. Όταν διατηρήσουμε τον διακόπτη πιεσμένο για δύο δευτερόλεπτα, τότε το φως σβήνει πάλι.
Άλλη σημαντική εφαρμογή είναι η αυτόματη πόρτα , που βρίσκουμε σε τρά -πεζες, νοσοκομεία, super-markets, κ.ά. Οι απαιτήσεις σε τέτοια εφαρμογή είναι η πόρτα να ανοίγει, όταν πλησιάζει κάποιος, να παραμένει ανοιχτή, όσο τη διαβαίνει και να κλείνει, όταν δεν υπάρχει κανείς (σχήμα 7.7.4).

Σχήμα 7.7.4. Αυτόματη πόρτα (από το LOGO! Manual της Siemens)
Στο σχήμα 7.7.5 φαίνεται η υλοποίηση του ελέγχου της αυτόματης πόρτας με PLC. Κατά την ώρα λειτουργίας του super-market, ο ανιχνευτής κίνησης Β1 ανοίγει την πόρτα, όταν κάποιος θέλει να εισέλθει από τα έξω και ο ανιχνευτής Β2 ανοίγει την πόρτα, όταν κάποιος θέλει να βγει. Μετά την ώρα κλεισίματος του super-market, ο ανιχνευτής Β2 συνεχίζει να ανοίγει την πόρτα για επι -
πλέον 1 ώρα, για να μπορούν να φύγουν οι πελάτες. Η έξοδος Q1 τίθεται σε λειτουργία και ανοίγει την πόρτα, όταν ο διακόπτης ελέγχου Ι5 ενεργοποιηθεί (η πόρτα, τότε, μένει συνεχώς ανοιχτή), όταν οι ανιχνευτές κίνησης αντιληφθούν κάποιον να πλησιάζει ή όταν η πόρτα δεν είναι ακόμη πλήρως ανοικτή (διακό -πτης περιορισμού Ι4). Η έξοδος Q2 τίθεται σε λειτουργία και κλείνει την πόρ -τα, όταν ο διακόπτης ελέγχου Ι6 ενεργοποιηθεί (η πόρτα, τότε, μένει συνεχώς κλειστή), όταν οι ανιχνευτές κίνησης δεν αντιλαμβάνονται κανένα να πλησιάζει, ή όταν η πόρτα δεν είναι ακόμη πλήρως κλειστή (διακόπτης περιορισμού Ι3).

Σχήμα 7.7.5. Αυτόματη πόρτα με PLC (από το LOGO! Manual της Siemens)
Τρίτο παράδειγμα είναι ο έλεγχος μιας πύλης σε βιομηχανία για την είσοδο και έξοδο των οχημάτων, όπως φαίνεται στο σχήμα 7.7.6. Σε τέτοια εφαρμογή,
Σχήμα 7.7.6. Βιομηχανική πύλη (από το LOGO! Manual της Siemens)
οι απαιτήσεις είναι η πύλη να ανοίγει και να κλείνει με ένα διακόπτη, να επιβλέ -πεται η είσοδος και έξοδος με κάμερα, να ανοίγει και να κλείνει πλήρως, αλλά και να μπορεί να διακόπτεται αυτή η κίνηση ανά πάσα στιγμή, κάποιο φως να αναβοσβήνει 5 δευτερόλεπτα πριν αρχίσει να κινείται και σε όλη τη διάρκεια της κίνησης και μια μπάρα ασφαλείας να εξασφαλίζει ότι κανένα ατύχημα δεν θα συμβεί κατά τη διάρκεια κλεισίματος. Στο σχήμα 7.7.7 φαίνεται η υλοποίηση του ελέγχου της αυτόματης πόρτας με PLC.

Σχήμα 7.7.7. Βιομηχανική πύλη με PLC (από το LOGO! Manual της Siemens)
-  Οι προγραμματιζόμενοι λογικοί ελεγκτές δέχονται εισόδους και οδηγούν εξόδους εκτελώντας εργασίες που περιγράφονται στο εσωτερικό τους με τη μορφή προγραμμάτων. Χρησιμοποιούνται τόσο σε βιομηχανικές όσο και σε οικιακές εφαρμογές.
-  Υπάρχουν πέντε σημαντικές γλώσσες προγραμματισμού των PLCs: δομημένο κείμενο ST, λίστα εντολών IL, διάγραμμα κλίμακας LD, λογικό διάγραμμα λειτουργίας FBD και διάγραμμα ακολουθιακών λειτουργιών SFC.
-  Τα PLCs αποτελούνται από την κεντρική μονάδα επεξεργασίας (CPU), τη μνήμη, τη μονάδα εισόδου-εξόδου I/O, τη μονάδα τροφοδοσίας, τη μονάδα στήριξης και τη μονάδα προγραμματισμού.
-  Ένα PLC της αγοράς που χρησιμοποιείται ευρέως είναι το LOGO! PLC της Siemens. Πιθανές εφαρμογές του είναι ο φωτισμός διαδρόμων και διαφόρων κοινόχρηστων χώρων, ο έλεγχος αυτόματης πόρτας και ο έλεγχος πύλης σε βιομηχανία.

Ανακεφαλαίωση

 Ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής Αξιολόγηση
- 1. Γραφικές γλώσσες είναι οι:
- α) LD και FBD
- β) ST και IL
- γ) ST και LD
- δ) ST και FBD
- 2. Κειμενοστραφείς γλώσσες είναι οι:
- α) LD και FBD
- β) ST και IL
- γ) ST και LD
- δ) ST και FBD

 Ερωτήσεις του τύπου Σωστό/Λάθος
- 1. Τα PLCs χρησιμοποιούνται μόνο σε βιομηχανικές εφαρμογές.
- 2. Η γλώσσα λίστας εντολών είναι κειμενοστραφής γλώσσα.
- 3. Η γλώσσα διαγράμματος κλίμακας είναι κειμενοστραφής.
- 4. Η γλώσσα λίστας εντολών είναι κειμενοστραφής.

 Ερωτήσεις αντιστοίχισης
- 1. Να αντιστοιχίσετε τα:

| ST   | Λίστα εντολών                      |
|------|------------------------------------|
| IL   | Λογικό διάγραμμα λειτουργίας       |
| LD   | Δομημένο κείμενο                   |
| FBD  | Διάγραμμα ακολουθιακών λειτουργιών |
| SFC  | Διάγραμμα κλίμακας                 |

 Ερωτήσεις συμπλήρωσης κενού
1. Όλες οι συσκευές  των PLCs ενσωματώνουν αρκετή , που επιτρέπει την ανάπτυξη και τον έλεγχο του  στην ίδια τη συ -σκευή.

 Ερωτήσεις ανοικτού τύπου
- 1. Από ποιες βασικές μονάδες αποτελούνται τα PLCs;
- 2. Πώς πραγματοποιείται μια πράξη AND με γλώσσα διαγράμματος κλίμακας;
- 3. Πώς πραγματοποιείται μια πράξη OR με γλώσσα διαγράμματος κλίμακας;
- 4. Πώς μπορούμε να συνδέσουμε δύο διακόπτες παράλληλα με ένα LOGO! PLC;
- 5. Πώς βρίσκουν εφαρμογή τα LOGO! PLC στο φωτισμό διαδρόμων και δια -φόρων κοινόχρηστων χώρων;

Μεταφορά δεδομένων
-  Εισαγωγή
-  Πρότυπα Δικτύων Μετρήσεων
- Τύποι Δικτύων-Δίκτυα Μετρήσεων
- Μέσα Μετάδοσης
- Οπτικές Ίνες
-  Γραμμές Μεταφοράς
-  Μετάδοση Ψηφιακού Σήματος
-  Διαμόρφωση
- Κωδικοποίηση
- Επικοινωνίες Βασικής-Ευρείας Ζώνης
- Modems
-  Τηλεφωνική Γραμμή
-  Τοπικά Δίκτυα Μετρήσεων

Σκοπός
Όταν ολοκληρώσεις το κεφάλαιο αυτό, θα μπορείς:
-  Να κατονομάζεις και να περιγράφεις διάφορους τύπους δικτύων.
-  Να περιγράφεις τα χαρακτηριστικά μιας γραμμής μεταφοράς και τη διαδικασία προσαρμογής της με το φορτίο ή με άλλες γραμμές μεταφοράς.
- Να κατονομάζεις και να περιγράφεις τα διάφορα μέσα μετάδοσης.
-  Να περιγράφεις την αρχή λειτουργίας της οπτικής ίνας και να κατονομάζεις τις βασικές συνιστώσες ενός συστήματος επικοινωνίας με οπτικές ίνες.
- Να κατονομάζεις και να περιγράφεις τα είδη της διαμόρφωσης, τόσο αναλογι -κής όσο και ψηφιακής.
-  Να κατονομάζεις και να εξηγείς διάφορους τρόπους κωδικοποίησης.
-  Να περιγράφεις τα χαρακτηριστικά της επικοινωνίας ευρείας και βασικής ζώνης.
-  Να εξηγείς τη λειτουργία ενός modem και να περιγράφεις τα χαρακτηριστικά επικοινωνίας με modems.
- Να περιγράφεις τα χαρακτηριστικά μιας τηλεφωνικής γραμμής.
-  Να κατονομάζεις μερικά βασικά τοπικά δίκτυα μετρήσεων.

Η μεταφορά δεδομένων από τα σημεία, που λαμβάνονται οι μετρήσεις, μέ -χρι τους τόπους επεξεργασίας πραγματοποιείται, συνήθως, με τοπικά δίκτυα μετρήσεων, που υποστηρίζονται από ειδικά πρωτόκολλα, όπως π.χ. το πρω -τόκολλο βιομηχανικού αυτοματισμού MAP (manufacturing automation proto -col) ή, όταν πρόκειται για απλές εφαρμογές, με σειριακές διασυνδέσεις, όπως η RS-232. Στις περισσότερες περιπτώσεις, το ψηφιακό σήμα διαμορφώνεται και κωδικοποιείται με τη βοήθεια modem, πριν αποσταλεί για επεξεργασία και ρύθμιση, ώστε να φτάνει χωρίς παραμορφώσεις στον προορισμό του. Ταυτό -χρονα, σπουδαίο ρόλο στη μεταφορά των δεδομένων διαδραματίζει το μέσο μεταφοράς. Η ποιότητα και τα χαρακτηριστικά του μέσου αυτού καθορίζουν και τον ηλεκτρονικό εξοπλισμό του δικτύου.

Τελευταία, ως ιδανικότερη γραμμή μεταφοράς έχει καθιερωθεί η οπτική ίνα.

8.1

Εισαγωγή
8.2 Τύποι ΔικτύωνΔίκτυα Μετρήσεων
Ως δίκτυο υπολογιστών (computer network) νοείται σύνολο υπολογιστών, που συνδέονται μεταξύ τους επιτυγχάνοντας ανταλλαγή πληροφοριών και επι -κοινωνίας. Οι υπολογιστές, που συγκροτούν το δίκτυο, ονομάζονται κόμβοι (nodes) και το μέσο σύνδεσης τους ονομάζεται φορέας (medium). Η επικοι -νωνία μεταξύ των υπολογιστών επιτυγχάνεται είτε με πραγματικές ζεύξεις, με ομοαξονικά καλώδια και οπτικές ίνες, είτε με ραδιοζεύξεις και δορυφορικές συν -δέσεις. Η ταχύτητα μεταφοράς δεδομένων διαφέρει από δίκτυο σε δίκτυο ανά -λογα με τις ανάγκες της εφαρμογής και τη μετράμε σε bits/sec (bps). Συνήθως, έχουμε ταχύτητες 45-150bps στο χαμηλό φάσμα συχνοτήτων, 1800-9600bps στο φάσμα φωνής και περισσότερο από 500000bps στο φάσμα ευρείας ζώνης. Στην περίπτωση των συστημάτων μέτρησης, τα δίκτυα υπολογιστών χρησιμο -ποιούνται για να μεταφέρουν τις πληροφορίες από τα αισθητήρια στα κεντρικά σημεία ελέγχου, ώστε να ρυθμιστούν οι παράγοντες, που διέπουν τη διεργα -σία, που βρίσκεται σε εξέλιξη. Έπειτα, τόσο τα ρυθμισμένα σήματα όσο και οι αρχικές μετρήσεις στέλνονται στο κεντρικό υπολογιστικό σύστημα για περαι -τέρω επεξεργασία. Βέβαια, τα αισθητήρια δεν απαιτούν συνδέσεις του τύπου «όλοι με όλους», σε αντίθεση με τα συστήματα πολλαπλών επεξεργαστών, που μοιράζονται τις ίδιες πηγές. Αυτό έχει σαν συνέπεια η υλοποίηση της το -πολογίας κατανεμημένου συστήματος I/O να καθίσταται πιο απλή. Εν γένει, η επιλογή της κατάλληλης τοπολογίας γίνεται με τα παρακάτω κριτήρια:

-  τον αριθμό των κόμβων κατανομής και συλλογής δεδομένων
-  το εύρος ζώνης των σημάτων, που συλλέγονται
- τη γεωγραφική τους συγκέντρωση
Στο σχήμα 8.2.1 φαίνονται οι πιο συνηθισμένοι τύποι δικτύων, που συναντώ -νται σε χώρους παραγωγής. Η τοπολογία δένδρου (tree topology) εφαρμόζε -ται σε συστήματα I/O πραγματικού χρόνου, που εκτείνονται σε μεσαία έκταση. Η τοπολογία αστέρα (star topology) είναι στοιχειώδης τύπος της τοπολογίας δένδρου. Για μεγαλύτερα και πιο εκτεταμένα δίκτυα, οι τοπολογίες διαύλου (bus topology) προσφέρουν εξαιρετική αξιοπιστία και μικρή πολυπλοκότητα, αν και η ύπαρξη αισθητήρων ευρείας ζώνης αυτόματα περιορίζει το δίκτυο σε λίγους κόμβους. Ο ίδιος περιορισμός ισχύει και για την τοπολογία δακτυλίου (ring topology). Ωστόσο, η τοπολογία διαύλου είναι λιγότερο πολύπλοκη. Τέ -λος, οι τοπολογίες διασταύρωσης (crossbar) προσφέρουν εξίσου καλή αξιο -πιστία. Για μεγάλο αριθμό κόμβων προσφέρουν μεγαλύτερη χωρητικότητα στη διακίνηση πληροφορίας ή εύρος ζώνης. Το μόνο μειονέκτημα των τοπολογιών αυτών συνίσταται στις υψηλές απαιτήσεις διασύνδεσής τους.

Σχήμα 8.2.1. Τοπολογίες κατανεμημένων I/O δικτύων

8.3 Πρότυπα Δικτύων Μετρήσεων
Στο σημερινό βιομηχανικό περιβάλλον η υλοποίηση ενός συστήματος μέτρη -σης πραγματοποιείται με βάση την ιεραρχική δομή και όχι ένα κεντρικό υπο -λογιστή, στον οποίο συνδέονται απευθείας όλες οι παραγωγικές διαδικασίες. Σε τέτοιο σύστημα οι υπολογιστές συνδέονται μεταξύ τους με τηλεπικοινωνια -κές ζεύξεις, ώστε να δημιουργείται σύστημα υπολογιστών με κατανεμημένη επεξεργασία (distributed computer system) και αποτελούν δίκτυο υπολογι -στών. Στο σχήμα 8.3.1 φαίνεται ένα τυπικό διάγραμμα ιεραρχικού συστήματος, όπου διακρίνονται τέσσερα ιεραρχικά επίπεδα. Οι υπολογιστές του πρώτου επιπέδου είναι μικροί υπολογιστές «εργάτες» (MC) προσαρμοσμένοι στην ελεγχόμενη διαδικασία και βοηθούν στην επικοινωνία με τα υψηλότερα επί -πεδα ιεραρχίας. Ουσιαστικά, πρόκειται για ειδικού σκοπού μικροϋπολογιστές, που συνδέονται απευθείας με αισθητήρια, ελεγκτές, δράστες, PLCs και γενικά ρυθμίζουν την όλη διαδικασία και δίνουν αναφορά προς τα πάνω.

Σχήμα 8.3.1. Τυπικό διάγραμμα ιεραρχικού συστήματος ελέγχου και μετρήσεων
Στο δεύτερο επίπεδο δραστηριοποιούνται οι μίνι υπολογιστές, με αυξημένες υπολογιστικές δυνατότητες, που χρησιμεύουν σαν ελεγκτές περιοχής, δηλαδή, εποπτεύουν τη διαδικασία μέσω των υπολογιστών του πρώτου επιπέδου. Θα μπορούσαν να χαρακτηρισθούν σαν «προϊστάμενοι τμημάτων» των υπολογι -στών-εργατών του πρώτου επιπέδου. Στο τρίτο επίπεδο κυριαρχεί ο κεντρικός υπολογιστής (central plant computer), όπου συλλέγει δεδομένα από τους δο -ρυφορικούς υπολογιστές και παράγει πληροφόρηση για το ανώτερο επίπε -δο. Ο κεντρικός υπολογιστής, που θα μπορούσε να χαρακτηρισθεί σαν «διευ -θυντής παραγωγής», συνεπικουρείται από τον ειδικό υπολογιστή CAD/CAM στην εφαρμογή τεχνικών CIM (computer integrated manufacture), δηλαδή από τον «υποδιευθυντή παραγωγής». Στο τέταρτο επίπεδο υπάρχει ο επιχειρησι -ακός (corporate) υπολογιστής, που ελέγχει την απόδοση του συστήματος, και ο ειδικός υπολογιστής για σχεδιασμό. Ο «γενικός διευθυντής», λοιπόν, και ο «διευθυντής σχεδιασμού και έρευνας» μπορούν να επικοινωνούν μέσω τηλε -φωνικών γραμμών, δορυφορικών ζεύξεων, οπτικών ινών, κ.ά. Η διάρθρωση αυτή του πρότυπου βιομηχανικού δικτύου μετρήσεων και ελέγ -
χου δεν είναι υποχρεωτική. Εξαρτάται αποκλειστικά από το σχεδιαστή και την ελεγχόμενη διαδικασία. Ωστόσο, η ιεραρχική δομή προσφέρει μεγάλη ευελιξία και παρουσιάζει πολλά πλεονεκτήματα σε σχέση με την κλασική αντίληψη της διασύνδεσης σε ένα και μόνο υπολογιστή, όπως:
-  δυνατότητα σταδιακής ανάπτυξης του συστήματος
-  ελεγχόμενο κόστος ανάπτυξης λογισμικού, αφού κάθε εφαρμογή μπορεί να αναπτυχθεί ξεχωριστά χωρίς διακοπές στη συνήθη λειτουργία του συστή -ματος
- πλεονασμό (redundancy) του συστήματος και αλληλοκάλυψη, αφού σε πε -ρίπτωση βλάβης ενός υπολογιστή υπάρχουν άλλοι να συμπληρώσουν το κενό

Ένα από τα προβλήματα στη σχεδίαση και ανάπτυξη δικτύων είναι, ότι οι διάφοροι υπολογιστές και συσκευές, που συνεργάζονται με αυτούς, πρέπει να εί -ναι συμβατοί μεταξύ τους, δηλαδή να μπορούν να επικοινωνούν σωστά μεταξύ τους. Αν και η επικοινωνία τους βασίζεται σε παλμοσειρές, που αναπαριστά -νουν τα δεδομένα, ο τύπος και το περιεχόμενο των παλμοσειρών διαφέρει από υπολογιστή σε υπολογιστή. Εκείνο, που χρειάζεται, είναι καθορισμένες διαδι -κασίες κατά την ανταλλαγή των δεδομένων, που θα ακολουθούνται από όλες τις συσκευές και θα υποστηρίζονται από όλους τους κατασκευαστές. Μια ομάδα τέτοιων εντολών και διαδικασιών ορίζει ένα τηλεπικοινωνιακό πρωτόκολλο. Στη δεκαετία του '80 αναπτύχθηκε και καθιερώθηκε το πρωτόκολλο βιομη -χανικού αυτοματισμού (MAP: manufacturing automation protocol), επιταχύ νοντας την υιοθέτηση μοναδικού πρωτοκόλλου για όλες τις βιομηχανικές εγκα -ταστάσεις. To MAP είναι ομάδα προτύπων για το σχεδιασμό τοπικών δικτύων σε βιομηχανικά περιβάλλοντα, που έχουν ιεραρχική δομή, όπως αυτή, που περιγράφτηκε παραπάνω. Χρησιμοποιεί τοπολογία διαύλου (bus), εκπομπή ευρείας ζώνης και ρυθμό μετάδοσης δεδομένων 10Mbits/sec. To MAP βασίζε -ται στις προδιαγραφές του διεθνούς οργανισμού τυποποίησης ISO, που ανα -φέρονται ως OSI (open system interconnection) και αποτελούν καθιερωμένο πρότυπο αναφοράς.

8.4 Μέσα Μετάδοσης
Ως μέσο μετάδοσης ορίζεται το μέσο δια του οποίου διαδίδεται το οποιοδήποτε σήμα. Μπορεί να είναι τηλεφωνικό καλώδιο, ομοαξονικό καλώδιο, οπτική ίνα ή και ραδιοζεύξεις. Πολλές φορές γίνεται σύγχυση μεταξύ του καναλιού και του μέσου. Ως κανάλι θεωρούμε εκείνο το υποσύστημα του τηλεπικοινωνιακού συστήματος, που δέχεται, στην είσοδό του, σύμβολα από τον πομπό (input symbols) και δίνει, στην έξοδο, σύμβολα στο δέκτη (output symbols). Σε ιδανι -κή ζεύξη, η διέλευση του σήματος μέσα από οποιοδήποτε κανάλι πρέπει να το αφήνει ανεπηρέαστο. Στην πραγματικότητα, όμως, το κανάλι διαφοροποιεί το σήμα. Έτσι, το κανάλι μειώνει την ισχύ του σήματος, γεγονός που αποδίδεται με τον όρο εξασθένηση (attenuation).

Τα μέσα μετάδοσης διακρίνονται σε περιορισμένα (bounded media), όπως είναι οι γραμμές μεταφοράς και σε μη περιορισμένα , όπως είναι ο αέρας, το νερό και το διάστημα. Ανάλογα με το φάσμα συχνοτήτων των σημάτων χρησι -μοποιούνται διάφορα μέσα μετάδοσης αυτών:
-  Για ακουστικά σήματα (της τάξης των 3kHz) χρησιμοποιούνται τα τηλεφω -νικά καλώδια ή συνεστραμμένα ζεύγη . Επίσης, χρησιμοποιούνται και για μεταφορά σημάτων πολύ χαμηλών συχνοτήτων (VLF: very low frequency, μέχρι 30kHz) και χαμηλών συχνοτήτων (LF: low frequency, μέχρι 300kHz).
- Για σήματα μεσαίων συχνοτήτων (MF: medium frequency, μέχρι 3MHz), υψηλών συχνοτήτων (HF: high frequency, μέχρι 30ΜHz), πολύ υψηλών συχνοτήτων (VHF: very high frequency, μέχρι 300ΜHz) και εν μέρει υπερύ -ψηλων συχνοτήτων (UHF: ultra high frequency, μέχρι 3GHz) υιοθετείται η λύση του ομοαξονικού καλωδίου .

-  Για ακόμα πιο υψηλές συχνότητες (SHF: super high frequency, μέχρι 30GHz) και μέχρι την περιοχή του υπέρυθρου εφαρμόζεται η λύση των κυματοδηγών . 
-  Για τη ζώνη του υπερέρυθρου, ορατού και υπεριώδους φάσματος χρησιμο -ποιούνται οι οπτικές ίνες (optical fibers).
Για τη ζώνη των μακρών κυμάτων (από μερικά kHz ως μερικά MHz) χρησιμοποι -είται ο αέρας ως μέσο μετάδοσης, αφού εδώ συναντώνται σήματα ναυσιπλοΐας, AM ραδιοφωνίας και ραδιοερασιτεχνικά κανάλια. Τα ίδια ισχύουν και για τη ζώνη των βραχέων, όπου εκπέμπουν ραδιοερασιτέχνες, αυτοκίνητα (μερικές δεκάδες MHz), FM ραδιοφωνία και VHF τηλεόραση (περίπου 100ΜΗz), αεροναυσιπλοΐα (μερικές εκατοντάδες ΜΗz) και UHF τηλεόραση (μέχρι 1GHz). Πάνω από το 1GHz οι επικοινωνίες στηρίζονται στις μικροκυματικές και δορυφορικές ζεύξεις. Όσον αφορά τα μέσα, που χρησιμοποιούνται στην ανάπτυξη τοπικών δικτύ -ων, με συχνότητες από 100kHz μέχρι 1GHz, συνήθως είναι τα τηλεφωνικά ζεύγη, τα ομοαξονικά καλώδια, ο αέρας αλλά και οι οπτικές ίνες. Το διαδιδό -μενο σήμα είναι ηλεκτρομαγνητικό κύμα που, ανάλογα με τη συχνότητά του, παρουσιάζει ιδιομορφίες στη συμπεριφορά του ως προς το μέσο μετάδοσης. Έτσι, με άλλο τρόπο μελετούμε το φωτεινό σήμα, που διαδίδεται, μέσα από οπτικούς κυματοδηγούς και με άλλο τρόπο το εκπεμπόμενο σήμα από κεραία προς τον αέρα. Στην περίπτωση της κεραίας μας ενδιαφέρει η κατευθυντικό -τητα και η απολαβή της, ενώ στα οπτικά επικεντρώνεται το ενδιαφέρον σε απώλειες από διαθλάσεις, κ.ά.

Τα μέσα, που χρησιμοποιούνται, συνήθως, για τα βιομηχανικά δίκτυα είναι οι γραμμές μεταφοράς (συνεστραμμένα ζεύγη και ομοαξονικά καλώδια) και οι οπτικοί κυματοδηγοί. Τελευταία αναπτύσσονται και συστήματα με μέσο και τον αέρα (κυρίως συστήματα διάχυτου φάσματος - spread spectrum).

8.5 Γραμμές Μεταφοράς
Οι ψηφιακοί παλμοί δέχονται τις παρακάτω επιδράσεις από τα συστήματα με -ταφοράς:
-  Εξασθενούν κατά μήκος της γραμμής
-  Οι διαφορετικές συχνότητες, που υπάρχουν στους παλμούς, ταξιδεύουν με διαφορετικές ταχύτητες προκαλώντας, έτσι, παραμόρφωση φάσης στον παλμό
- Η γραμμή μεταφοράς ενεργεί σα βαθυπερατό φίλτρο, αποκόπτοντας, έτσι, τις υψηλές συχνότητες
-  Διασκορπίζονται, με αποτέλεσμα να αναμιγνύονται με άλλους παλμούς
- Κακές προσαρμογές στη γραμμή προκαλούν ανακλάσεις (reflections) και, έτσι, φανταστικούς παλμούς (ghost pulses)

Μια γραμμή μεταφοράς μεταφέρει ηλεκτρικά σήματα από μια πηγή σε ένα δέκτη. Μπορεί να είναι ομοαξονικό καλώδιο, συνεστραμμένα ζεύγη, κυματο -δηγός, κ.ά. Από πλευράς κυκλώματος, οι αγωγοί μιας γραμμής μεταφοράς παρουσιάζουν ωμική αντίσταση και αυτεπαγωγή σε σειρά και αγωγιμότητα και χωρητικότητα παράλληλα μεταξύ των αγωγών.
Σχήμα 8.5.1. Ισοδύναμο κύκλωμα γραμμής μεταφοράς
Αν ένα δεδομένο μήκος της γραμμής μεταφοράς χωριζόταν σε πάρα πολλά τμήματα, θα προέκυπτε ένα απειροστό τμήμα με τα βασικά στοιχεία ωμική αντίσταση R, αγωγιμότητα G, αυτεπαγωγή L και χωρητικότητα C. Το κύκλωμα που προκύπτει φαίνεται στο σχήμα 8.5.1. Οι παράμετροι R, L, G και C είναι γνωστές ως οι κύριες σταθερές γραμμής και ορίζονται ως:

R: ωμική αντίσταση σειράς (Ω/m)
- L: αυτεπαγωγή σειράς (H/m)
- G: παράλληλη αγωγιμότητα (S/m)
- C: παράλληλη χωρητικότητα (F/m)
Η χαρακτηριστική εμπέδηση Ζ$\_{ο}$ είναι ο λόγος τάσης προς ρεύμα για κάθε κύμα, που διαδίδεται κατά μήκος μιας γραμμής μεταφοράς και δίνεται από τη σχέση:
Z= V I (Ω) o (8.5.1)
Η χαρακτηριστική εμπέδηση μπορεί να μετρηθεί είτε χρησιμοποιώντας γραμμή μεταφοράς απείρου μήκους και μετρώντας την εμπέδηση εισόδου, είτε με κα -
τάλληλο τερματισμό της γραμμής, όπως δείχνεται στο σχήμα 8.5.2.

Σχήμα 8.5.2. Γραμμή μεταφοράς τερματισμένη με Ζ$\_{ο}$
Η χαρακτηριστική εμπέδηση μπορεί να προσεγγιστεί σε ορισμένες περιπτώ -σεις. Έτσι, όταν η συχνότητα είναι μεγάλη (ωL>>R και ωC>>G) ή όταν πρό -κειται για γραμμή μεταφοράς χωρίς απώλειες (R=0 και G=0), ισχύει η σχέση:
Z= L C (Ω) o (8.5.2)
Ο συντελεστής διάδοσης γ (propagation coefficient) καθορίζει τη μεταβολή του ρεύματος ή της τάσης σε σχέση με την απόσταση x κατά μήκος μιας γραμ -μής μεταφοράς, όπως δείχνεται στο σχήμα 8.5.3. Η κατανομή του ρεύματος και της τάσης κατά μήκος μιας προσαρμοσμένης γραμμής μεταβάλλεται εκθετικά με την απόσταση:

I$\_{x}$ = I$\_{s}$ e -γx V$\_{x}$ = V$\_{s}$ e -γx (8.5.3)
όπου I$\_{s}$ και V$\_{s}$ το ρεύμα και η τάση αντίστοιχα σε απόσταση x=0.
Σχήμα 8.5.3. Τάση σε απόσταση x
Στη γενική περίπτωση ο συντελεστής διάδοσης μπορεί να αναλυθεί σε δύο άλλους συντελεστές. Το συντελεστή εξασθένισης α (attenuation coefficient), που καθορίζει τη μεταβολή του μέτρου της τάσης ή του ρεύματος σε σχέση με την απόσταση κατά μήκος της γραμμής, και το συντελεστή μετατόπισης φάσης β (phase shift coefficient), που καθορίζει τη μεταβολή της φάσης της τάσης ή του ρεύματος σε σχέση με την απόσταση.

Η ταχύτητα διάδοσης u , σε γραμμή μεταφοράς χωρίς απώλειες ή στις υψη -λές συχνότητες, αποδεικνύεται ότι δίνεται από τη σχέση:
u=λf= 1 LC  (8.5.4)
Σύμφωνα με τη θεωρία πεδίων και τη γεωμετρία κανονικών γραμμών, η ταχύ -τητα διάδοσης δίνεται από τη σχέση:
u= c ε (8.5.5)
όπου, c η ταχύτητα του φωτός και ε η διηλεκτρική σταθερά της γραμμής μετα -φοράς.
Όταν ένας παλμός συναντά σημείο κακής προσαρμογής (mismatch) σε ηλε -κτρικό κύκλωμα, τότε προκαλείται ανακλώμενος παλμός προς τα πίσω από το σημείο αυτό. Αυτός ο φανταστικός παλμός (ghost pulse) διαδίδεται προς τα πίσω κατά μήκος της γραμμής μεταφοράς. Οι παλμοί αυτοί προκαλούν, επίσης, απώλεια της ισχύος του σήματος.

Η χαρακτηριστική εμπέδηση των γραμμών μεταφοράς και οι τερματισμοί είναι οι σημαντικότεροι παράγοντες για την ελαχιστοποίηση των ανακλάσεων και τη μεγιστοποίηση της μεταφερόμενης ισχύος. Τυπικές γραμμές μεταφοράς, όπως τα ομοαξονικά καλώδια, έχουν χαρακτηριστικές εμπεδήσεις 50Ω για ψηφιακή και 75Ω για αναλογική μετάδοση.
Προσαρμοσμένο τερματισμό έχουμε, όταν η γραμμή μεταφοράς τερματίζεται με αντίσταση ίση με τη χαρακτηριστική εμπέδηση Ζ$\_{ο}$. Τότε, η γραμμή συμπε -ριφέρεται σαν να έχει άπειρο μήκος, με αποτέλεσμα να μην υπάρχει ανακλώ -μενη ενέργεια. Αν η γραμμή τερματιστεί με οποιαδήποτε άλλη αντίσταση, τότε ανακλάται ενέργεια από τον τερματισμό. Το μέγεθος του ανακλώμενου παλμού καθορίζεται από την εμπέδηση του φορτίου Ζ$\_{L}$ και τη χαρακτηριστική εμπέδηση Ζ$\_{ο}$ της γραμμής (σχήμα 8.5.4). Έτσι, ο συντελεστής ανάκλασης ρ ορίζεται ως:

ρ= ΖZ Ζ+ L o L o (8.5.6)
Σχήμα 8.5.4. Προσαρμογή φορτίου σε γραμμή μεταφοράς
Av V$\_{πρ}$ η τάση του προσπίπτοντος παλμού στο φορτίο, V$\_{αν}$ η τάση του ανακλώ -μενου παλμού από το φορτίο και V$\_{μετ}$ η τάση του μεταφερόμενου παλμού, θα ισχύει:
V$\_{μετ}$ = V$\_{πρ}$ + V$\_{αν}$ (8.5.7)
V$\_{αν}$ = ρ  V$\_{πρ}$ (8.5.8)
-  Αν η εμπέδηση φορτίου είναι ίση με τη χαρακτηριστική εμπέδηση, θα έχου -με ρ=0 και δεν ανακλάται παλμός από το φορτίο. Τότε, V$\_{μετ}$=V$\_{πρ}$.
- Αν η εμπέδηση φορτίου είναι μεγαλύτερη από τη χαρακτηριστική εμπέδη -ση, θα έχουμε ρ>0. Τότε, έχουμε ανακλώμενο παλμό, που ταξιδεύει πίσω κατά μήκος της γραμμής προς την πηγή και V$\_{μετ}$ >V$\_{πρ}$ . 
-  Αν η εμπέδηση φορτίου είναι μικρότερη από τη χαρακτηριστική εμπέδηση θα έχουμε ρ<0. Τότε, έχουμε ανακλώμενο παλμό, που ταξιδεύει πίσω κατά μήκος της γραμμής προς την πηγή και V$\_{μετ}$ <V$\_{πρ}$ .

Πρέπει να σημειωθεί, ότι καθώς αυξάνεται ή μειώνεται η τάση, μεταβάλλεται και η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος. Καθώς αυξάνει η τάση και μειώνεται το ρεύμα, μπορεί να αποδειχθεί, ότι δεν υπάρχει αύξηση της ηλεκτρικής ισχύος. Ουσιαστικά, ο ανακλώμενος παλμός είναι αυτός, που δημιουργεί την απώλεια της μεταφερόμενης ισχύος. Αποδεικνύεται, ότι ο συντελεστής ανάκλασης για το ρεύμα είναι αντίθετος με αυτόν της τάσης.
Αν δύο γραμμές μεταφοράς ενωθούν (σχήμα 8.5.5), μια με χαρακτηριστική εμπέδηση Ζ$\_{ο1}$ και μια με χαρακτηριστική εμπέδηση Ζ$\_{ο2}$, τότε ο συντελεστής ανάκλασης για την ένωση των δύο γραμμών δίνεται από τη σχέση:

ρ= ΖZ Ζ+ o2 o1 o2 o1 (8.5.9)
Σχήμα 8.5.5. Ένωση δύο γραμμών μεταφοράς

Παράδειγμα
Έστω, παλμός 3V, που διαδίδεται κατά μήκος καλωδίου με Ζ$\_{ο1}$=50Ω και συνα -ντά καλώδιο με χαρακτηριστική εμπέδηση Ζ$\_{ο2}$=100Ω. Τότε, ο ανακλώμενος και μεταφερόμενος παλμός μπορούν να βρεθούν ως εξής:
ρ= ΖZ Ζ+ ρ= 100 -50 100 +50 = 1 3 o2 o1 o2 o1 ⇒
V = ρ V V = 1 3 3 = 1V αν πρ αν
V= V+ V V =3+1=4V μετ πρ αν μετ ⇒
Αν αλλάζαμε τα καλώδια, ώστε να είχαμε Ζ $\_{ο1}$=100Ω και Ζ$\_{ο2}$=50Ω, θα παίρ -ναμε:
ρ= ΖZ Ζ+ ρ= 50 -100 +100 =-1 3 o2 o1 o2 o1 ⇒
V = ρ V V = -1 3 3 = -1V αν πρ αν V= V+ V V =3-1=2V μετ πρ αν μετ ⇒

Σε πολλές περιπτώσεις δύο ή περισσότερες γραμμές μεταφοράς συνδέονται παράλληλα στην αρχική απλή γραμμή μεταφοράς, όπως φαίνεται στο σχή -μα 8.5.6. Αν η αρχική γραμμή έχει χαρακτηριστική εμπέδηση Ζ$\_{ο1 }$ και οι δύο παράλληλες γραμμές Ζ$\_{ο2}$ και Ζ$\_{ο3}$, τότε η ισοδύναμη εμπέδηση εισόδου στον τερματισμό είναι ο παράλληλος συνδυασμός των Ζ$\_{ο2}$ και Ζ$\_{ο3}$. Έτσι, η ισοδύναμη εμπέδηση φορτίου στην ένωση είναι:
(8.5.10)
και ο συντελεστής ανάκλασης:
ρ= Z-Z Z+Z p o1 p o1 (8.5.11)
Σχήμα 8.5.6. Σύνδεση σε παράλληλες γραμμές μεταφοράς

Οι τερματισμοί μπορούν να προσαρμοστούν εισάγοντας μια αντίσταση είτε σε σειρά είτε παράλληλα. Αν η χαρακτηριστική εμπέδηση της αρχικής γραμμής είναι μεγαλύτερη από τη συνδεόμενη χαρακτηριστική εμπέδηση, τότε μια αντί -σταση ίση με τη διαφορά τους συνδέεται σε σειρά με τη συνδεόμενη γραμμή. Έτσι, αν και υπάρχει απώλεια ισχύος, δεν θα έχουμε ανάκλαση από τη νέα γραμμή μεταφοράς, που συνδέουμε.
Αν η χαρακτηριστική εμπέδηση της αρχικής γραμμής είναι μικρότερη από τη συνδεόμενη χαρακτηριστική εμπέδηση, τότε μια αντίσταση συνδέεται παράλ -ληλα με την ένωση. Για να προσαρμοστεί η ένωση, πρέπει η ισοδύναμη εμπέ -δηση εισόδου του τερματισμού να είναι ίση με εκείνη της αρχικής γραμμής, όπως φαίνεται στο σχήμα 8.5.7.

Σχήμα 8.5.7. Προσαρμογή τερματισμού
Άρα, αν γραμμή μεταφοράς με χαρακτηριστική εμπέδηση Ζ$\_{ο2}$ συνδεθεί σε γραμμή με Ζ$\_{ο1}$ από την οποία προέρχεται ο παλμός, θα πρέπει να γίνει προ -σαρμογή με αντίσταση R, ως εξής:
-  Αν Ζ$\_{ο1}$>Ζ$\_{ο2}$, η R συνδέεται σε σειρά, ώστε Ζ$\_{ο1}$=Ζ$\_{ο2}$+R, έτσι: R=Ζ$\_{ο1}$-Ζ$\_{ο2}$.
- Αν Ζ$\_{ο1}$<Ζ$\_{ο2}$, η R συνδέεται παράλληλα, ώστε Ζ$\_{ο1}$=Ζ$\_{ο2}$//R, έτσι: R=Ζ$\_{ο1}$Ζ$\_{ο2}$/(Ζ$\_{ο2}$-Ζ$\_{ο1}$).
Ένα βραχυκύκλωμα παρουσιάζει μηδενική εμπέδηση. Αν το βραχυκύκλωμα χρησιμοποιηθεί ως φορτίο, τότε ο συντελεστής ανάκλασης είναι ρ=-1. Η εμπέ -δηση ανοικτού κυκλώματος είναι άπειρη και σε αυτή την περίπτωση έχουμε συντελεστή ανάκλασης ρ= +1. Έτσι, με ανοικτό κύκλωμα ως φορτίο ο ανα -κλώμενος παλμός είναι ίσος με τον προσπίπτοντα, ενώ με βραχυκύκλωμα ως φορτίο ο ανακλώμενος παλμός είναι αντίθετος του προσπίπτοντα.

Τυπική τεχνική για την εύρεση σφαλμάτων σε υπόγεια καλώδια είναι η πα -ρακάτω. Στέλνουμε ένα παλμό κατά μήκος της γραμμής και μετρούμε το χρό -νο, που χρειάζεται, για να επιστρέψει ένας ανακλώμενος παλμός. Από τη στιγ -μή που γνωρίζουμε τη ταχύτητα διάδοσης του παλμού, μπορούμε να βρούμε τη θέση του σφάλματος πολλαπλασιάζοντας τη ταχύτητα διάδοσης με το μισό του μετρούμενου χρόνου. Αν βρεθεί βραχυκύκλωμα στη γραμμή, τότε επιστρέ -φεται ένας ανεστραμμένος παλμός (ρ=-1). Αν υπάρξει ανοικτό κύκλωμα, τότε επιστρέφεται ένας θετικός παλμός (ρ= +1).

Όπως αποδεικνύεται, η εξασθένιση σε γραμμή μεταφοράς είναι ανάλογη με το τετράγωνο της συχνότητας του σήματος και αντιστρόφως ανάλογη με τις
διαστάσεις του αγωγού. Καθώς η συχνότητα αυξάνεται, όλο και λιγότερη ισχύς φθάνει στο δέκτη. Αν η συχνότητα είναι πάρα πολύ μεγάλη, τότε στο δέκτη δε θα φθάνει καθόλου ισχύς. Η συχνότητα, για την οποία η ισχύς, που φθάνει στο δέκτη είναι η μισή της ισχύος, που εκπέμπεται από τον πομπό, ονομάζεται εύρος ζώνης μέσου (medium bandwidth). Η συχνότητα αυτή δείχνει την ικα -νότητα του μέσου να επιτρέπει τη διάδοση κύματος μέχρι ορισμένη συχνότητα. Για να έχουμε ικανοποιητική διάδοση σε ένα μέσο, πρέπει το εύρος ζώνης του σήματος να είναι μικρότερο από το εύρος ζώνης του μέσου διάδοσης.

Μια από τις μεγαλύτερες ανακαλύψεις στις επικοινωνίες δεδομένων είναι η χρή -ση του φωτός για μεταφορά ψηφιακών παλμών μέσα από οπτικές ίνες. Ένα τέτοιο σύστημα έχει σχεδόν απεριόριστη χωρητικότητα. Θεωρητικά, έχει 200000 φορές μεγαλύτερη χωρητικότητα από ένα δορυφορικό σύστημα τηλεόρασης. Η οπτικοηλεκτρονική είναι ο κλάδος των ηλεκτρονικών, που ασχολείται με τις οπτικές ίνες. Οι ηλεκτρονικές συσκευές, που χρησιμοποιούν φως, λειτουργούν στο οπτικό μέρος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος συχνοτήτων, όπως φαίνεται και στο σχήμα 8.6.1. Υπάρχουν τρεις βασικές περιοχές στο οπτικό φάσμα συ -χνοτήτων:

-  Η υπέρυθρη περιοχή περιλαμβάνει μεγάλα μήκη κύματος φωτός, που δεν μπορεί να δει το ανθρώπινο μάτι
-  Η υπεριώδης περιοχή περιλαμβάνει μικρά μήκη κύματος φωτός, που δεν μπορεί να δει το ανθρώπινο μάτι
-  Η ορατή περιοχή περιλαμβάνει μήκη κύματος φωτός, που μπορεί να δει το ανθρώπινο μάτι
Σχήμα 8.6.1. Ηλεκτρομαγνητικό φάσμα οπτικοηλεκτρονικής
Πριν περιγράψουμε την αρχή λειτουργίας της οπτικής ίνας, πρέπει να υπεν -θυμίσουμε την έννοια του δείκτη διάθλασης, που είναι γνωστή από τη φυσική, και να περιγράψουμε πηγές παραγωγής φωτός και τρόπους ανίχνευσής του. Ο δείκτης διάθλασης n δύο υλικών καθορίζει το μέγεθος της διάθλασης στην επαφή δύο υλικών με διαφορετικές πυκνότητες. Ορίζεται ως ο λόγος της ταχύ -τητας διάδοσης μιας ακτίνας φωτός στο κενό c προς την ταχύτητα διάδοσης στο υλικό υ και δίνεται από τη σχέση:

n= c υ (8.6.1)
Στον πίνακα 8.6.1 δείχνονται μερικοί τυπικοί δείκτες διάθλασης.
Πίνακας 8.6.1. Δείκτες διάθλασης ορισμένων υλικών

| Υλικό                     | Δείκτης διάθλασης   |
|---------------------------|---------------------|
| Αέρας                     | 1.0003              |
| Νερό                      | 1.33                |
| Γυαλί                     | 1.5-1.9             |
| Διαμάντι                  | 2.0-2.42            |
| Αρσενικούχο γάλλιο (GaAs) | 3.6                 |
| Πυρίτιο                   | 3.4                 |

8.6 Οπτικές Ίνες
Μια δίοδος φωτοεκπομπής LED (light emitting diode) μετατρέπει την ηλε -κτρική ενέργεια σε φωτεινή ενέργεια. Το σχήμα 8.6.2 δείχνει ένα απλό κύκλω -μα πόλωσης, όπου τάση εφαρμόζεται στη LED από πηγή συνεχούς τάσης. Η αντίσταση φορτίου περιορίζει το ρεύμα, που διέρχεται από τη δίοδο. Η τιμή της δίνεται από τη σχέση:
R= V-V I s d (8.6.2)
Σχήμα 8.6.2. Πηγή φωτός LED
Συνήθως, το απαιτούμενο ρεύμα για την παραγωγή ικανοποιητικής έντασης φωτός είναι περίπου 10mA.
Το μήκος κύματος του φωτός, που εκπέμπεται από τη δίοδο, εξαρτάται από τον τύπο του ημιαγωγού, που χρησιμοποιείται. Το αρσενικούχο γάλλιο GaAs εκπέμπει στην υπέρυθρη περιοχή και έτσι, χρησιμοποιείται ως πηγή υπέρυ -θρου φωτός. Αν το εμπλουτίσουμε και με άλλα υλικά, μπορούμε να πάρουμε μεγαλύτερο εύρος μηκών κύματος. Το φωσφορούχο γάλλιο GaP εκπέμπει πράσινο φως και μπορεί να εκπέμψει ερυθρό ανάλογα με τον εμπλουτισμό. Το φωσφορούχο αρσενικούχο γάλλιο GaAsP εκπέμπει πορτοκαλί-ερυθρό ανάλο -γα με την ποσότητα του GaP στο υλικό. Με τη σωστή ποσότητα GaP μπορού -με να πάρουμε κίτρινο φως.

Άλλη πηγή φωτός, που χρησιμοποιείται στην οπτικοηλεκτρονική, είναι το la -ser (light amplification by stimulation emission of radiation). Μια laser δίοδος έκχυσης ILD (injection laser diode) είναι ηλεκτρονικό laser, που εκπέμπει μο -νοχρωματικό φως, δηλαδή, φως ενός μόνο μήκους κύματος. Οι ILDs πλεονε -κτούν έναντι των LEDs επειδή:
-  Παράγουν περισσότερο εστιασμένο φως
-  Προσφέρουν υψηλότερους ρυθμούς δεδομένων, αφού μπορούν να μετα -βούν γρηγορότερα από την κατάσταση ΟΝ στην κατάσταση OFF
- Η ισχύς ακτινοβολίας εξόδου τους είναι μεγαλύτερη, συνήθως 5mW για τις ILDs και 0.5mW για τις LEDs
- Παράγουν μονοχρωματικό φως

Από την άλλη μειονεκτούν, επειδή είναι ακριβότερες, έχουν μικρότερο χρόνο ζωής και εξαρτώνται περισσότερο από τις μεταβολές της θερμοκρασίας.
Οι φωτοδίοδοι και τα φωτοτρανσίστορ μετατρέπουν τη φωτεινή ενέργεια (φωτόνια) σε ηλεκτρική ενέργεια. Η λειτουργία τους βασίζεται στο γεγονός, ότι ο αριθμός των ελεύθερων ηλεκτρονίων, που δημιουργούνται σε ημιαγώγιμο υλικό είναι ανάλογος με την ένταση του προσπίπτοντος φωτός. Η φωτοδίοδος πολώνεται ανάστροφα, όπως φαίνεται στο σχήμα 8.6.3. Το ρεύμα, που δημι -ουργείται, είναι συνήθως πολύ μικρό, μόλις λίγες εκατοντάδες μΑ.

Σχήμα 8.6.3. Φωτοδίοδος
Οι οπτικές ίνες είναι διαφανείς, διηλεκτρικοί κύλινδροι, που περιβάλλονται από δεύτερο διηλεκτρικό κύλινδρο. Το φως μεταφέρεται με διαδοχικές ανακλά -σεις στην επιφάνεια επαφής ενός πυρήνα (εσωτερικός κύλινδρος) (core) και της επένδυσής του (εξωτερικός κύλινδρος) (cladding). Στο σχήμα 8.6.4 φαίνε -ται μια τομή μιας οπτικής ίνας και ο τρόπος διάδοσης του φωτός μέσα σε αυτή.
Σχήμα 8.6.4. Διάδοση φωτός σε οπτική ίνα
Οι ανακλάσεις συμβαίνουν, επειδή ο πυρήνας έχει μεγαλύτερο δείκτη διάθλα -σης από την επένδυση και, επομένως, μεγαλύτερη πυκνότητα. Απότομες δια -φορές στο δείκτη διάθλασης αναγκάζουν το φως να ανακλάται στα τοιχώματα μεταξύ πυρήνα και επένδυσης. Έτσι, το φως μεταφέρεται από την πηγή φωτός σε ανιχνευτή φωτός στο άλλο άκρο της οπτικής ίνας.

Οι οπτικές ίνες μεταφέρουν το φως με ολικές εσωτερικές ανακλάσεις. Οι ακτί -νες φωτός, όταν περνούν από οπτικά διαφανές υλικό σε άλλο διαφορετικής πυκνότητας, παθαίνουν διάθλαση, όπως φαίνεται στο σχήμα 8.6.5. Η αλλαγή της κατεύθυνσης προσδιορίζεται με το νόμο του Snell:
n$\_{1 }$ ημθ$\_{1}$ = n$\_{2}$ ημθ$\_{2}$
Σχήμα 8.6.5. Διάθλαση φωτός
Η γωνία πρόσπτωσης, για την οποία η ακτίνα αναγκάζεται να ταξιδέψει κατά μή -κος της επιφάνειας επαφής, δηλαδή θ$\_{2}$=90°, ονομάζεται κρίσιμη γωνία θ$\_{c}$ και δίνεται από τη σχέση:

ημθ$\_{c }$ = n$\_{2}$ n$\_{1}$ (8.6.4)
Αποδεικνύεται ότι, όταν για τη γωνία πρόσπτωσης θ$\_{1}$ ισχύει η σχέση 8.6.5, τότε η ακτίνα παθαίνει ολική ανάκλαση από την εξωτερική επένδυση. Έτσι, κατα -φέρνει και διαδίδεται μέσω της οπτικής ίνας, όπως δείχνει και το σχήμα 8.6.4. Αυτή η γωνία ονομάζεται γωνία αποδοχής (acceptance angle).
ημθ$\_{1}$ < n-n 1 2 2 2 (8.6.5)
Οι απώλειες των οπτικών ινών έχουν σαν αποτέλεσμα την ελάττωση της με -ταφερόμενης φωτεινής ισχύος. Αυτό μειώνει το εύρος ζώνης συχνοτήτων του συστήματος, το ρυθμό μετάδοσης πληροφορίας, την απόδοση και τη χωρητι -κότητα του όλου συστήματος. Οι βασικές απώλειες είναι:

-  Σκέδαση του υλικού (material scattering), που οφείλεται σε πολύ μικρές ανωμαλίες στην κατασκευή της ίνας, με αποτέλεσμα να προκαλείται η διά -θλαση του φωτός. Αυτό αναγκάζει το φως να απλώνεται σε πολλές κατευ -θύνσεις. Η απώλεια αυτή επηρεάζει περισσότερο το ορατό φως παρά το υπέρυθρο.
-  Απώλειες απορρόφησης (absorption), που οφείλονται σε προσμίξεις του γυαλιού της οπτικής ίνας, με αποτέλεσμα το μεταφερόμενο κύμα να απορ -ροφάται και να μετατρέπεται σε θερμότητα.
-  Χρωματική παραμόρφωση (chromatic distortion), που οφείλεται στη δια -φορετική ταχύτητα, με την οποία ταξιδεύει κάθε κύμα μέσα στην ίνα. Έτσι, τα κύματα φθάνουν σε διαφορετικές χρονικές στιγμές στο δέκτη προκαλώ -ντας παραμορφωμένο σχήμα παλμού. Η παραμόρφωση αυτή ελαττώνεται όταν χρησιμοποιούμε μονοχρωματικό φως.
- Απώλειες ακτινοβολίας (radiation), που οφείλονται σε μικρές κάμψεις της ίνας, με αποτέλεσμα να σκεδάζεται το κύμα. 

-  Τροποποιητική διασπορά (modal dispersion), που οφείλεται στους δια -φορετικούς δρόμους, που ακολουθεί το φως μέσα στην ίνα. Κάθε δρόμος αντιστοιχεί σε διαφορετικό χρόνο διάδοσης μέσα στην ίνα. Αυτοί οι διαφο -
ρετικοί δρόμοι περιγράφονται ως modes . Στο σχήμα 8.6.6 φαίνονται δύο ακτίνες, που ακολουθούν διαφορετικούς δρόμους. Η ακτίνα 2 κάνει περισ -σότερο χρόνο να φτάσει στο δέκτη από την ακτίνα 1.
-  Απώλειες σύζευξης (coupling), που οφείλονται σε κακές προσαρμογές σε τερματισμούς μεταξύ ίνας-ίνας, LED-ίνας, κ.ά.

Ένα σύστημα επικοινωνίας με χρήση οπτικής ίνας αποτελείται από τρεις βα -σικές συνιστώσες, τον πομπό (transmitter), το δέκτη (receiver) και την ίνα (fiber). Ο πομπός αποτελείται από μετατροπέα αναλογικού σήματος σε ψη -φιακό ADC, μετατροπέα τάσης σε ρεύμα, πηγή φωτός και σύνδεσμο πηγήςίνας. Η ίνα είναι κατασκευασμένη είτε από πάρα πολύ καθαρό γυαλί, είτε από πλαστικό. Ο δέκτης έχει σύνδεσμο ανίχνευσης ίνας-φωτός, φωτοανιχνευτή, μετατροπέα ρεύματος σε τάση, ενισχυτή και μετατροπέα ψηφιακού σήματος σε αναλογικό DAC, όπως φαίνεται στο σχήμα 8.6.7. Η πηγή φωτός είναι είτε LED είτε ILD και το φως, που εκπέμπεται, είναι ανάλογο με το ρεύμα που εφαρμόστηκε.

Σχήμα 8.6.6. Διάδοση φωτός σε διαφορετικά modes
Σχήμα 8.6.7. Επικοινωνία με οπτική ίνα
Ο πίνακας 8.6.2 παρουσιάζει τα χαρακτηριστικά δύο τυπικών οπτικών ινών. Είναι φανερό, ότι οι διάμετροι του πυρήνα και της επένδυσης είναι σχετικά μικρές και μάλιστα κλάσματα του χιλιοστού. Συνήθως, η επένδυση καλύπτεται από κάλυμμα, που με τη σειρά του έχει επικάλυψη που ονομάζεται χιτώνιο (jacket). Έτσι, η ίνα αποκτά μηχανική αντοχή και είναι πιο εύκολο να τη χρησι -
μοποιήσουμε. Στην περίπτωση της 50/125μm γυάλινης ίνας η εξωτερική διάμετρος είναι 3.2mm και η διάμετρος του πυρήνα μόλις 50μm. Συνήθως, οι γυάλινες ίνες έχουν καλύτερα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά από τις αντίστοιχες πλαστικές, αλλά είναι πιο εύκολο να καταστραφούν. Η γυάλινη ίνα έχει βελτιω -μένο εύρος ζώνης συχνοτήτων και μικρότερη εξασθένηση.

Πίνακας 8.6.2. Χαρακτηριστικά τυπικών οπτικών ινών

|                        | 50/125 μ m glass   | 200 μ m PCS                                         |
|------------------------|--------------------|-----------------------------------------------------|
| Κατασκευή              | Γυαλί              | Si02 με πλαστική επικάλυψη  (plastic coated silica) |
| Διάμετρος πυρήνα       | 50μm               | 200μm                                               |
| Διάμετρος επένδυσης    | 125μm              | 389μm                                               |
| Διάμετρος καλύμματος   | 250μm              | 600μm                                               |
| Υλικό χιτωνίου         | Πολυαιθυλένιο      | PVC                                                 |
| Ολική διάμετρος        | 3.2mm              | 4.8mm                                               |
| Σύνδεση                | 9mm SMA            | 9mm SMA                                             |
| Εύρος ζώνης συχνοτήτων | 400MHz/km          | 25MHz/km                                            |
| Ελάχιστη ακτίνα κάμψης | 30mm               | 50mm                                                |
| Περιοχή θερμοκρασιών   | -15°C με +60°C     | -10°C με +50°C                                      |
| Εξασθένηση στα 820nm   | 3dB/km             | 7dB/km                                              |

Συνοπτικά τα πλεονεκτήματα της χρήσης των οπτικών ινών είναι τα παρα -κάτω:
-  Τα οπτικά συστήματα έχουν μεγαλύτερη χωρητικότητα εξαιτίας των μεγά -λων οπτικών συχνοτήτων. Οι μεταλλικοί αγωγοί περιέχουν χωρητικότητα και αυτεπαγωγή, με αποτέλεσμα να ενεργούν ως βαθυπερατά φίλτρα και να περιορίζουν τα εύρη ζώνης συχνοτήτων και τη ταχύτητα διάδοσης.
- Τα οπτικά συστήματα δεν παρουσιάζουν το φαινόμενο crosstalk , που εμ -φανίζεται μεταξύ των καλωδίων, λόγω μαγνητικής επαγωγής. Οι γυάλινες ίνες δεν είναι αγωγοί του ηλεκτρισμού, οπότε δεν αναπτύσσεται και μαγνη -τικό πεδίο. Στους μεταλλικούς αγωγούς, το φαινόμενο αυτό εμφανίζεται, όταν οι αγωγοί βρίσκονται ο ένας κοντά στον άλλο.
-  Τα οπτικά συστήματα παρουσιάζουν μεγαλύτερη ηλεκτρική απομόνωση , με αποτέλεσμα να προστατεύονται από εξωτερικές πηγές. Για παράδειγμα, αν ο δέκτης χτυπηθεί από υψηλό παλμό φωτός, μπορεί να καταστραφεί ο ίδιος, αλλά ο υψηλός παλμός δεν μπορεί να ταξιδέψει κατά μήκος της οπτικής ίνας και να καταστρέψει ευαίσθητα υλικά, όπως η πηγή του φωτός. Επίσης, ο ηλεκτρικός θόρυβος δεν μπορεί να ταξιδέψει προς τα πίσω από το δέκτη προς την πηγή.
-  Τα οπτικά καλώδια δεν υποφέρουν από στατικές παρεμβολές , που προκα -λούνται από έκθεση στο φως, ηλεκτρικούς κινητήρες, φθορισμό και άλλες πηγές ηλεκτρικού θορύβου. Αυτό οφείλεται στο γεγονός, ότι οι ίνες δεν είναι αγωγοί του ηλεκτρισμού. 

- Τα οπτικά καλώδια δεν ακτινοβολούν ενέργεια και, επομένως, δεν αλληλε -πιδρούν με άλλα επικοινωνιακά συστήματα.
-  Τα οπτικά καλώδια είναι περισσότερο ανθεκτικά στις περιβαλλοντικές συν -θήκες. Λειτουργούν σε μεγαλύτερη περιοχή θερμοκρασιών, σε σχέση με τα χάλκινα καλώδια, και επηρεάζονται λιγότερο από διαβρωτικά υγρά και αέρια.
-  Τα οπτικά καλώδια είναι ασφαλέστερα και ευκολότερα να εγκατασταθούν και να επισκευαστούν, καθώς το γυαλί και το πλαστικό δεν σχετίζονται με ηλεκτρικά ρεύματα και τάσεις. Οι οπτικές ίνες μπορούν να χρησιμοποιη -θούν κοντά σε εύφλεκτα υγρά και αέρια χωρίς την ανησυχία έκρηξης ή πυρ -καγιάς. Επίσης, είναι μικρότερα και ελαφρύτερα από τα χάλκινα καλώδια.

8.7 Μετάδοση Ψηφιακού Σήματος
Ένα ψηφιακό μήνυμα είναι διατεταγμένη ακολουθία συμβόλων από αλφάβητο πεπερασμένου μεγέθους Μ. Για δυαδικές επικοινωνίες, το αλφάβητο απαρτί -ζεται από τα ψηφία 0 και 1 (Μ=2). Το ψηφιακό μήνυμα μεταδίδεται με ρυθμό σηματοδότησης (signaling rate), ενώ την ποιότητα επικοινωνίας χαρακτηρίζει η πιθανότητα εμφάνισης λανθασμένου ψηφίου ( BER : bit error probability). Κάθε κανάλι με εύρος ζώνης συχνοτήτων BW έχει τη δυνατότητα να μεταφέρει δεδομένα με μέγιστο ρυθμό (data rate ή signaling rate):

C$\_{max}$ = 2  BW  log$\_{2}$ M (bits/sec) (8.7.1)
Για παράδειγμα, κανάλι ομοαξονικού καλωδίου με εύρος ζώνης συχνοτήτων 6ΜHz μπορεί να μεταδώσει δυαδικά ψηφία (Μ=2) με μέγιστο ρυθμό δεδομέ -νων 12Mbits/sec. Στην πράξη, ο μέγιστος ρυθμός είναι μικρότερος, καθώς η μετάδοση δέχεται την επίδραση θορύβου. Ο παραπάνω τύπος δόθηκε από τον Nyquist και διαμορφώθηκε από τον Shannon. Έτσι, υπό κατάλληλη κωδι -κοποίηση, η μέγιστη χωρητικότητα ενός καναλιού, σε συνδυασμό με το λόγο σήματος προς θόρυβο SNR, δίνεται από τη σχέση:

C$\_{max}$ = BW  log$\_{2}$ (1+SNR) (bits/sec) (8.7.2)
Για παράδειγμα, σήμα video απαιτεί SNR γύρω στα 50dB (10 5 ) για σωστή μετάδοση. Υποθέτοντας, ότι εφαρμόζεται κατάλληλη διαμόρφωση, θα μπο -ρούσαμε σε κανάλι ομοαξονικού καλωδίου με εύρος 6ΜHz να επιτύχουμε ρυθμό:
C$\_{max}$ = 6  10 6  log$\_{2}$(1 + 10 5 )≈ 99.6 Mbits/sec
Στην πράξη, για κανάλι CATV (με χαρακτηριστική αντίσταση 75Ω και εύρος ζώνης 4ΜΗz) ο θερμικός θόρυβος σε θερμοκρασία δωματίου είναι μεγάλος. Δεν μπορούμε, επομένως, να ενισχύουμε απεριόριστα το σήμα, χωρίς να ενι -σχύουμε και το θόρυβο, με σκοπό να επιτύχουμε πολύ μεγάλα SNR και να αυξήσουμε το ρυθμό δεδομένων μέσα από κανάλι με δοσμένο εύρος ζώνης. Αν είναι δυνατό, για υψηλότερους ρυθμούς χρησιμοποιούμε και κανάλι με με -γαλύτερο εύρος ζώνης συχνοτήτων.

Για να επιτύχουμε ρυθμούς κοντά στη μέγιστη χωρητικότητα καναλιού, απαι -τείται και κατάλληλη κωδικοποίηση. Από την άποψη αυτή, οι καθιερωμένες σημερινές κωδικοποιήσεις δεν είναι άριστες, οπότε και οι χωρητικότητες των καναλιών απέχουν αρκετά από τις μέγιστες. Για παράδειγμα, η προδιαγρα -φή ΙΕΕΕ802.4 για το MAP προβλέπει SNR στα 50dB σε ζώνη 12ΜΗz. Στην περίπτωση αυτή η μέγιστη χωρητικότητα του καναλιού θα ήταν περίπου 199.2Mbits/sec. Ο προβλεπόμενος, όμως, από το πρωτόκολλο ρυθμός είναι στα 10Mbits/sec, ο οποίος επιτυγχάνεται με διαμόρφωση AM/PSK και κωδι -κοποίηση duobinary. Στα διάφορα τοπικά δίκτυα, ανάλογα με τις εφαρμογές, που εξυπηρετούν, εφαρμόζονται για διάφορους λόγους διάφορες κωδικοποι -ήσεις, με στόχο την καλύτερη εκμετάλλευση του καναλιού και την αποφυγή λαθών.

Ως κωδικοποίηση (coding) ορίζεται η διαδικασία της επεξεργασίας συμβόλων ('0' και '1'), που αποσκοπεί στη βελτίωση των τηλεπικοινωνιών, όταν η πληρο -φορία είναι ψηφιακή ή μπορεί να παρασταθεί με διακριτά σύμβολα. Επίσης, ως διαμόρφωση (modulation) ορίζεται η διαδικασία της επεξεργασίας σήματος, που αποσκοπεί στην αποτελεσματικότερη μετάδοση.
Ειδικότερα, η διαδικασία της κωδικοποίησης μετασχηματίζει ψηφιακό σήμα σε νέα ακολουθία συμβόλων, ενώ η αποκωδικοποίηση (decoding) μετατρέπει κωδικοποιημένη ακολουθία στο πραγματικό αρχικό μήνυμα. Οι περισσότερες μέθοδοι κωδικοποίησης στηρίζονται σε λογικά κυκλώματα και δυαδικά σύμβο -λα, που αντιστοιχούν στο '0' και το '1'.

Ας υποθέσουμε, ότι ένας υπολογιστής ή μια πηγή ψηφιακού σήματος διαθέ -τει μήνυμα προς αποστολή με περισσότερα από δύο σύμβολα (Μ>2). Μια μη κωδικοποιημένη μετάδοση θα απαιτούσε από αυτή την πηγή Μ διαφορετικές κυματομορφές. Εναλλακτικά, κάθε σύμβολο θα μπορούσε να παρασταθεί με δυαδική λέξη αποτελούμενη από Κ ψηφία. Δεδομένου ότι υπάρχουν 2 Κ δια -φορετικές λέξεις που σχηματίζονται από τα Κ ψηφία, χρειάζονται τουλάχιστον Κ log$\_{2}$M ψηφία, για να κωδικοποιηθούν τα Μ σύμβολα. Αν η πηγή συμβόλων παρήγαγε r σύμβολα ανά δευτερόλεπτο, τότε θα είχαμε Κ  r ψηφία ανά δευ -τερόλεπτο και οι απαιτήσεις μετάδοσης σε BW, θα ήταν κατά Κ φορές πολλα -πλάσιες του BW του μη κωδικοποιημένου σήματος. Ως αντιστάθμισμα στο αυ -ξανόμενο εύρος ζώνης συχνοτήτων, η κωδικοποίηση προσφέρει τα παρακάτω πλεονεκτήματα:

-  Απαιτείται λιγότερη πολυπλοκότητα εξαρτημάτων για το χειρισμό ενός δυαδικού σήματος.
-  Ο θόρυβος έχει μικρότερη επίδραση σε δυαδικό σήμα παρά σε σήμα απο -τελούμενο από Μ διαφορετικές κυματομορφές. Έτσι, το λαμβανόμενο κωδι -κοποιημένο σήμα στο δέκτη εμπεριέχει λιγότερα σφάλματα και η παραμόρ -φωση είναι πιο εύκολο να ανιχνευθεί.
Ουσιαστικά, λοιπόν, η κωδικοποίηση αποσκοπεί στην επιτυχημένη λήψη πλη -ροφοριών. Υπάρχουν διάφορες μορφές κωδικοποίησης, μερικές από τις οποί -ες δίνονται αμέσως παρακάτω και περιγράφονται στο σχήμα 8.8.1.

Σχήμα 8.8.1. Τύποι ψηφιακής κωδικοποίησης

8.8 Κωδικοποίηση
-  Μονοπολική επιστροφής στο μηδέν (unipolar RZ), όπου το 1 αναπα -ριστάνεται με τετραγωνικό παλμό μισού εύρους (τάση στο μισό της πε -ριόδου) και το 0 με ανυπαρξία παλμού. Είναι απλή κωδικοποίηση, αλλά ευαίσθητη στο θόρυβο, περιέχει dc συνιστώσα, έχει μεγάλες απαιτήσεις σε εύρος ζώνης συχνοτήτων και δεν έχει δυνατότητα ανίχνευσης και διόρ -θωσης σφαλμάτων.
-  Διπολική επιστροφής στο μηδέν (bipolar RZ), όπου το 1 μεταφέρεται με κάποιον παλμό p(t) και το 0 με -p(t). Είναι καλύτερη από τη μονοπολική RZ ως προς την αναισθησία στο θόρυβο.
-  Μη επιστροφής στο μηδέν (NRZ), όπου το 1 αναπαριστάνεται με τε -τραγωνικό παλμό, που καλύπτει όλη την περίοδο και το 0 με ανυπαρξία παλμού.
-  Εναλλακτικής πολικότητας επιστροφής στο μηδέν (AMI RZ: alternate mark inversion), όπου το 1 μεταφέρεται ως παλμός p(t) ή -ρ(t), ανάλογα με το αν ο προηγούμενος παλμός ήταν -p(t) ή p(t) και το 0 αναπαρίσταται με ανυπαρξία παλμού. Παρέχει τη δυνατότητα ανίχνευσης απλού σφάλ -ματος (μη αντιστροφή παλμού), αλλά απαιτεί περισσότερη ισχύ από τη διπολική.
-  Manchester (split-phase), όπου το 1 μεταφέρεται με τετραγωνικό παλμό p(t) και το 0 με τον αντίθετο παλμό -p(t). Η τάση p(t) για το πρώτο μισό της περιόδου είναι θετική (+1) και για το υπόλοιπο μισό αρνητική (-1). Χαρακτηριστικό της είναι η ανυπαρξία dc συνιστώσας και εφαρμόζεται στο δίκτυο Ethernet. Απαιτεί μεγάλο εύρος ζώνης συχνοτήτων και είναι ενδεδειγμένη για περιορισμένα χωρικά δίκτυα.

Οι παράγοντες, που λαμβάνονται υπόψη για την επιλογή ενός από τους πα -ραπάνω τύπους κωδικοποίησης είναι:
-  Η φασματική πυκνότητα ισχύος με την έννοια της προσαρμογής του φάσματος των σημάτων στην απόκριση συχνοτήτων του χρησιμοποιού -μενου μέσου ή του εύρους ζώνης του καναλιού (π.χ. απόρριψη dc συνι -στωσών).
-  Ο χρονισμός (clocking), που αναφέρεται στην κατάλληλη επιλογή ρολο -γιού για το συγχρονισμό πομπού-δέκτη. Η τεχνική Manchester συνδυάζει την πληροφορία με το σήμα χρονισμού σε ένα σήμα.
- Η δυνατότητα ανίχνευσης και διόρθωσης σφαλμάτων (error detection).
- Ο θόρυβος , την επίδραση του οποίου, σε συγκεκριμένης ισχύος και εύ -ρους ζώνης σήμα, μπορούμε να εξουδετερώσουμε με κατάλληλη κωδικο -ποίηση.

-  Το κόστος και η πολυπλοκότητα .
Η διαμόρφωση (modulation) χρησιμοποιείται κατά κόρο για τη μετάδοση πληροφορίας. Η έννοια της διαμόρφωσης συνίσταται στο γεγονός της διαφοροποίησης κάποιας παραμέτρου του ηλεκτρομαγνητικού κύματος του αρ -χικού μηνύματος από άλλο σήμα, που ονομάζεται φέρον σήμα ή φορέας (carrier wave). Αυτό είναι, συνήθως, σήμα υψηλών συχνοτήτων, καθώς η πραγματική πληροφορία βρίσκεται σε χαμηλές συχνότητες και είναι ακατάλ -ληλη για μετάδοση σε απόσταση. Έτσι, με τη βοήθεια της διαμόρφωσης, η πληροφορία μετακινείται σε υψηλότερες συχνότητες και μπορεί να μεταδο -θεί.

Σήμερα, υπάρχουν πολλά είδη διαμόρφωσης που διακρίνονται σε δύο βασι -κές κατηγορίες, την αναλογική και τη ψηφιακή διαμόρφωση . Οι αναλογικές μέθοδοι, αν και έχουν ξεπεραστεί, εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται λόγω της μακρόχρονης και εξειδικευμένης εφαρμογής τους. Ανάμεσα στις αναλογι -κές μεθόδους, ως πιο σημαντικές διακρίνουμε τη διαμόρφωση πλάτους (AM: amplitude modulation), τη διαμόρφωση συχνότητας (FM: frequency modula -tion) και τη διαμόρφωση φάσης (PM: phase modulation).
Η διαμόρφωση πλάτους AM είναι η απλούστερη μορφή διαμόρφωσης, όπου το αρχικό σήμα μεταβάλλει το πλάτος του υψηλότερης συχνότητας φέ -ροντος σήματος, όπως φαίνεται στο σχήμα 8.9.1. Ο δείκτης διαμόρφωσης m είναι ο λόγος του πλάτους του αρχικού σήματος προς το πλάτος του φέ -ροντος. Είναι πάντοτε μικρότερος από τη μονάδα και δίνεται από τη σχέση:

m= V V$^{σήματος}$ φέροντος (8.9.1)
Η διαμόρφωση AM είναι ευαίσθητη στο θόρυβο και την απόσβεση, καθώς εξαρτάται από το πλάτος του διαμορφωμένου σήματος.
Στη διαμόρφωση συχνότητας FM, το αρχικό σήμα μεταβάλλει τη συχνότητα του φέροντος σήματος (σχήμα 8.9.1). Η διαμόρφωση FM προτιμάται έναντι της AM, επειδή επηρεάζεται λιγότερο από το θόρυβο, αφού η πληροφορία πε -ριέχεται στην μεταβολή της συχνότητας και όχι στο πλάτος, που μπορεί να εξασθενήσει. Έτσι, ο μόνος θόρυβος, που επηρεάζει το σήμα, περιορίζεται σε μικρή ζώνη συχνοτήτων, που περιέχονται στο φέρον. Ο βρόχος κλειδώματος φάσης (PLL : phased-locked loop) είναι τυπική συσκευή, που χρησιμοποιείται στην FM διαμόρφωση, η οποία μετατρέπει το λαμβανόμενο διαμορφωμένο κατά FM σήμα σε σήμα τάσης.

Η FM ραδιοφωνική εκπομπή απαιτεί πολύ μεγαλύτερο εύρος ζώνης συχνο -τήτων από την AM διαμόρφωση. Συνήθως, μεταδίδει από 88 ως 108ΜHz. Η απόκλιση συχνότητας σε κάθε σήμα είναι 75kHz, δηλαδή, η μικρότερη συ -χνότητα είναι 75kHz κάτω από τη συχνότητα του φέροντος και η μεγαλύτερη 75kHz πάνω από τη συχνότητα του φέροντος. Έτσι, το εύρος ζώνης συχνοτή -των του σήματος είναι 150kHz.
Στη διαμόρφωση φάσης ΡΜ το αρχικό σήμα μεταβάλλει τη φάση του φέρο -ντος σήματος (σχήμα 8.9.1). Όπως η FM διαμόρφωση, έτσι και η ΡΜ επηρε -άζεται λιγότερο από το θόρυβο, αφού η πληροφορία περιέχεται στη φάση και όχι στο πλάτος.

8.9

Διαμόρφωση
Σχήμα 8.9.1. Είδη αναλογικής διαμόρφωσης
Στα τοπικά δίκτυα εφαρμόζεται ψηφιακή διαμόρφωση, η οποία διακρίνεται σε διαμόρφωση κατά παλμούς ( PWM : pulse wave modulation) και σε συνεχούς κύματος ( CWM : continuous wave modulation). Στη διαμόρφωση κατά παλμούς, η πληροφορία κωδικοποιείται σε σειρά παλ -μών με μεταβολή του πλάτους των παλμών (PAM: pulse amplitude modulation), του εύρους των παλμών (PWM: pulse width modulation) και της θέ -σης των παλμών (PPM: pulse position modulation). Όταν ο παλμός ΡΑΜ κωδικοποιηθεί επιπλέον στο δυαδικό σύστημα, προκύπτει η παλμοκωδική διαμόρφωση ( PCM : pulse code modulation). Όλα τα παραπάνω δείχνονται στο σχήμα 8.9.2.

Στη διαμόρφωση συνεχούς κύματος, το ψηφιακό σήμα (modulating signal) επιδρά σε συνεχές φέρον ημιτονικής μορφής με τη βοήθεια διαμορφωτή, οπότε παράγεται το διαμορφωμένο σήμα. Ανάλογα με το χαρακτηριστικό μέ -γεθος του φέροντος, που μεταβάλλεται, διακρίνουμε διαμόρφωση πλάτους ( ASK : amplitude shift keying), διαμόρφωση συχνότητας ( FSK : frequency shift keying) και διαμόρφωση φάσης ( PSK : phase shift keying), που φαίνο -νται στο σχήμα 8.9.3.
Σχήμα 8.9.2. Είδη διαμόρφωσης κατά παλμούς
Σχήμα 8.9.3. Είδη διαμόρφωσης συνεχούς κύματος

Στη διαμόρφωση ASK, το πλάτος του φέροντος μεταβάλλεται μεταξύ δύο κατα -στάσεων. Η FSK χρησιμοποιεί δύο συχνότητες για τη μεταφορά του 0 και του 1, δηλαδή, ανώτερη και κατώτερη συχνότητα. Στην PSK το 0 μεταφέρεται χω -ρίς αλλαγή της φάσης, ενώ το 1 αντιστοιχεί σε αλλαγή πρόσημου του πλάτους, δηλαδή, αλλαγή φάσης κατά 180°.
Στα τοπικά δίκτυα χρησιμοποιούνται, κυρίως, οι διαμορφώσεις PSK και FSK, λόγω της εύκολης πραγματοποίησης και του χαμηλού ρυθμού σφαλμάτων BER. Η μικρή πιθανότητα σφάλματος ή ο μικρός ρυθμός σφαλμάτων είναι από τα βασικά χαρακτηριστικά ποιότητας μιας διαμόρφωσης. Άλλο βασικό χαρα -κτηριστικό είναι η απόδοση εύρους ζώνης (BWE: bandwidth efficiency), που ορίζεται ως ο λόγος ρυθμού δεδομένων προς το εύρος ζώνης.

Όταν σε κανάλι συστήματος μέτρησης, το σήμα μεταδίδεται χωρίς διαμόρφω -ση, η επικοινωνία χαρακτηρίζεται σα βασικής ζώνης (baseband), ενώ όταν χρησιμοποιείται διαμόρφωση, η επικοινωνία χαρακτηρίζεται ως ευρείας ζώνης (broadband). Στην περίπτωση της επικοινωνίας ευρείας ζώνης, όταν διατίθεται μόνο ένα κανάλι, η επικοινωνία χαρακτηρίζεται ως φέρουσας ζώνης (carrierband). Τυπικό παράδειγμα δικτύου με επικοινωνία βασικής ζώνης είναι το Ethernet, ενώ το MAP απαιτεί επικοινωνία ευρείας ζώνης με ένα ή πολλά κανάλια.

Οι επικοινωνίες βασικής ζώνης διακρίνονται σε αναλογικές και ψηφιακές ανά -λογα με το είδος του σήματος, που μεταδίδεται. Στα τοπικά δίκτυα, οι περισ -σότερες περιπτώσεις επικοινωνιών βασικής ζώνης αφορούν ψηφιακές επικοι -νωνίες. Καθώς το μήκος του καναλιού αυξάνεται, μειώνεται ο λόγος σήματος προς θόρυβο και για το λόγο αυτό χρησιμοποιούνται επαναλήπτες (repeat -ers). Αυτοί μπορεί να είναι ενισχυτές ή αναγεννητές.
Στις επικοινωνίες βασικής ζώνης μεγάλο κλάσμα της ενέργειας διασκορπίζεται στις χαμηλές συχνότητες. Για το λόγο αυτό, χρησιμοποιώντας διαμόρφωση, το φάσμα μετακινείται προς υψηλότερες συχνότητες, όπου μειώνονται οι επι -δράσεις του θορύβου και των παρεμβολών, δίνεται η δυνατότητα πολυπλεξίας και καθίσταται δυνατή η καλύτερη αξιοποίηση των συσκευών μετάδοσης. Όταν το μέσο μετάδοσης είναι ο αέρας, η ισχύς του σήματος ακτινοβολείται με τη βοήθεια κεραιών. Το μέγεθος των κεραιών είναι της τάξης του λ/10, όπου λ το μήκος κύματος του μεταδιδόμενου σήματος. Για την καλύτερη εκμετάλλευση του μέσου μετάδοσης διοχετεύονται σε αυτό πολλά σήματα με τη μέθοδο της πολυπλεξίας. Όταν το κάθε σήμα έχει στη διάθεσή του όλο το μέσο για κα -θορισμένο χρονικό διάστημα, αναφερόμαστε σε χρονική πολυπλεξία (TDM: time division multiplexing). Όταν το εύρος ζώνης του μέσου διανέμεται σε ζώ -νες, ώστε κάθε σήμα να εκπέμπεται σε καθορισμένη ζώνη, αναφερόμαστε σε συχνοτική πολυπλεξία (FDM: frequency division multiplexing). Στην TDM ο χρόνος διαιρείται σε χρονικά παράθυρα (time slots), στη διάρκεια των οποίων μόνο ένα σήμα διαβιβάζεται στο μέσο μετάδοσης.

Τα σήματα, που πολυπλέκονται χρονικά, είναι κατά κανόνα ψηφιακά και προέρχονται από ψηφιακούς κωδικοποιητές. Όταν τα χρονικά παράθυρα για κάθε σήμα είναι προκαθορισμένα, η πολυπλεξία ονομάζεται σύγχρονη . Όταν η κατανομή γίνεται ανάλογα με τις απαιτήσεις, η πολυπλεξία ονομάζεται ασύγχρονη.
Σήματα με τον ίδιο ρυθμό μπορούν να πολυπλεχθούν ανά bit ή ανά ομάδα bits, που έχει την έννοια της λέξης (word). Όταν διαβιβάζονται σήματα με διαφορετι -κούς ρυθμούς, στα σήματα με μεγαλύτερους ρυθμούς διατίθενται περισσότερα χρονικά παράθυρα μέσα σε έναν κύκλο πολύπλεξης. Απαιτείται συγχρονισμός, ο οποίος επιτυγχάνεται με την πρόσθεση bits συγχρονισμού και έλεγχος, που επιτυγχάνεται με bits ελέγχου.

Για την εξουδετέρωση της εξασθένισης, που προκαλεί το μέσο εκπομπής χρησιμοποιούνται ενισχυτές. Όταν τα σήματα έχουν στάθμη μεγαλύτερη από την επιθυμητή, χρησιμοποιούνται εξασθενητές (attenuators). Για τη διάδοση του σήματος από μια γραμμή σε άλλη ή σε άλλες, χρησιμεύουν οι συζεύκτες

8.10
Επικοινωνίες ΒασικήςΕυρείας Ζώνης
(couplers), οι διαχωριστές (splitters) και τα taps . Οι διαχωριστές διαιρούν την ισχύ του σήματος σε ίσα μεγέθη, για να τροφοδοτήσουν πολλές γραμμές. Οι συζεύκτες λειτουργούν παρόμοια, χωρίς να διαχωρίζουν σε ίσα τμήματα την ισχύ. Χρησιμεύουν στη σύνδεση τερματικών μέσω μικρών καλωδίων (drop ca -bles) με τα καλώδια, που μεταφέρουν την πληροφορία (trunk cables). Έτσι, το μέγιστο τμήμα της ισχύος συνεχίζει να διαδίδεται στο κεντρικό καλώδιο. Συν -δυασμοί συζευκτών και διαχωριστών ονομάζονται taps ή multitaps και χρησι -μεύουν στη διανομή του σήματος σε διάφορα τερματικά.

Η επικοινωνία ευρείας ζώνης εισάγει τη μετάδοση σήματος με modem, μετα -τρέποντας σήματα βασικής ζώνης σε διαμορφωμένα σήματα, που μεταδίδο -νται μέσω ομοαξονικού καλωδίου σε μεγάλες αποστάσεις.
Χαρακτηριστικότερο παράδειγμα σειριακής μετάδοσης βασικής ζώνης με ρυθ -μούς της τάξης των 19.2kbs σε υπολογιστές είναι η θύρα UART (universal asynchronous receiver and transitter).
Παρά το γεγονός, ότι στη σημερινή κοινωνία της πληροφορίας έχουν αναπτυ -χθεί ποικίλα δίκτυα τηλεπικοινωνιών, πολλά από τα οποία είναι παγκόσμια, για τη μεταφορά δεδομένων σε μακρινές αποστάσεις συνεχίζεται η χρήση του τηλεφωνικού δικτύου. Το τηλεφωνικό δίκτυο αποτελεί μέχρι σήμερα τη βάση των τηλεπικοινωνιών, διότι είναι το μεγαλύτερο και πλέον εξαπλωμένο στον κόσμο. Βέβαια, στις μέρες μας, η τηλεφωνική γραμμή αντικαθίσταται από μικροκυματικές και δορυφορικές τηλεπικοινωνίες, αλλά η χρήση τους αναφέ -ρεται κυρίως σε διακρατικές τηλεπικοινωνίες και την κινητή τηλεφωνία. Αυτό που πραγματικά συμβαίνει, είναι ο σταδιακός περιορισμός των κλασσικών επικοινωνιών.

Έτσι, όταν ο αριθμός των μεταφερόμενων δεδομένων δεν είναι μεγάλος, χρη -σιμοποιούμε τηλεφωνικό κανάλι , το οποίο μας διατίθεται μετά από κλήση, όπως όταν γίνεται τηλεφωνική κλήση (switched line). Όταν ο όγκος των δεδο -μένων είναι μεγάλος και υπάρχει ανάγκη για συνεχή και άμεση επικοινωνία, χρησιμοποιούνται μισθωμένες γραμμές (leased lines).
Στην επικοινωνία μεταξύ δυο ψηφιακών τερματικών συσκευών, η μεταφορά δεδομένων μπορεί να γίνει μόνο προς μια κατεύθυνση ( simplex transmission) ή και προς τις δυο κατευθύνσεις ( duplex transmission). Στη δεύτερη περίπτω -ση, όταν οι δυο σταθμοί, που είναι σε επικοινωνία, μπορούν να εκπέμπουν μόνο εναλλακτικά (κάθε χρονική στιγμή εκπέμπει μόνο ένας), αναφερόμαστε σε half-duplex επικοινωνία. Όταν και οι δυο μπορούν ταυτόχρονα να εκπέ -μπουν αναφερόμαστε σε full-duplex επικοινωνία. Στην περίπτωση της half-du -plex επικοινωνίας απαιτείται δισύρματη σύνδεση, ενώ στη full-duplex απαιτεί -ται τετρασύρματη σύνδεση.

Σχήμα 8.11.1. Απλοποιημένο κύκλωμα τηλεφώνου
Στο σχήμα 8.11.1 φαίνεται το απλοποιημένο κύκλωμα τηλεφώνου. Πηγή συνε -χούς τάσης 48V με αντίσταση περιορισμού σε σειρά από το κέντρο τροφοδοτεί με ρεύμα το τηλέφωνο. Καθώς η αντίσταση του μικροφώνου μεταβάλλεται με την ομιλία (γενικότερα τις ακουστικές συχνότητες), το ρεύμα διαμορφώνεται και το ακουστικό σήμα διαβιβάζεται στο άλλο τηλέφωνο. Η συνήθης αντίσταση στο

8.11

Τηλεφωνική Γραμμή
εναλλασσόμενο είναι 600Ω, αλλά αν το μήκος γραμμής είναι μεγάλο, μπορεί να είναι μεγαλύτερη και η πρόσθεση δεύτερης τηλεφωνικής συσκευής, μπορεί να τη μειώσει μέχρι και 50%. Όταν σηκώσουμε το ακουστικό και κλείσει ο δια -κόπτης η συνεχής τάση πέφτει κατά 6V περίπου και το συνεχές ρεύμα (20mA το ελάχιστο) ρέει μέσα στο κύκλωμα διεγείροντας το κέντρο, ώστε να στείλει το σήμα ελεύθερου ή κατειλημμένου. Στη συνέχεια ακολουθούν οι διαδικασίες επιλογής, κ.ά.
Η λέξη modem προκύπτει από τις λέξεις διαμορφωτής και αποδιαμορφωτής ( MO dulator/ DEM odulator). To modem συνδέει ψηφιακές συσκευές σε τηλεπι -κοινωνιακό κανάλι. Συνήθως, χρησιμοποιείται σε τηλεφωνικές γραμμές που έχουν εύρος ζώνης συχνοτήτων από 400Ηz έως 3.4kHz. Αν οι ψηφιακοί παλμοί εφαρμόζονταν απευθείας στη γραμμή, θα τους παίρναμε παραμορφωμένους στην άλλη άκρη. Αν ένα modem συνδέεται στη δημόσια τηλεφωνική γραμμή θα πρέπει να είναι σε θέση να εκτελεί τα παρακάτω:

-  Να καλεί αυτόματα άλλο modem χρησιμοποιώντας τεχνική touch-tone ή παλμού.
-  Να αποσυνδέει τη τηλεφωνική σύνδεση, όταν η μεταφορά δεδομένων έχει ολοκληρωθεί ή, όταν παρουσιάζονται σφάλματα.
-  Να απαντά αυτόματα σε κλήσεις και να πραγματοποιεί σύνδεση με άλλο modem.
-  Να μετατρέπει τα ψηφία σε μορφή κατάλληλη για τη γραμμή (διαμορφω -τής).
- Να μετατρέπει τα λαμβανόμενα σήματα σε ψηφία (αποδιαμορφωτής).
Στο σχήμα 8.12.1 δείχνεται απλοποιημένο διάγραμμα των βασικών μονάδων, από τις οποίες αποτελείται ένα modem. Το τμήμα μετάδοσης περιλαμβάνει κω -δικοποιητή δεδομένων, scrambler, ενισχυτή, πηγή χρονισμού και κυκλώματα ελέγχου μετάδοσης. Από αυτά τα στοιχεία, ο scrambler και η πηγή χρονισμού χρησιμοποιούνται μόνο στα σύγχρονα modems. Ο scrambler προετοιμάζει κα -τάλληλα τα δεδομένα, ώστε να διαμορφωθούν με προκαθορισμένο αλγόριθμο. Αντίστοιχα κυκλώματα περιλαμβάνει το τμήμα λήψης.

Σχήμα 8.12.1. Διάγραμμα βασικών μονάδων ενός modem
Το σχήμα 8.12.2 δείχνει πως συνδέονται δύο υπολογιστές χρησιμοποιώντας μετατροπείς RS-232 και modems. To RS-232 είναι συνήθως εσωτερικό κομμά -τι του υπολογιστή ενώ το modem μπορεί να βρίσκεται εσωτερικά ή εξωτερικά

8.12

Modems
του υπολογιστή. Υπάρχουν δύο τύποι κυκλωμάτων διαθέσιμοι από το δημόσιο τηλεφωνικό δίκτυο:
-  Άμεσης απόστασης επιλογή (DDD: direct distance dialing)
- Μισθωμένη γραμμή (leased line)
To DDD είναι κύκλωμα επιλογής αριθμών (dial-up), όπου η σύνδεση γίνεται με τον ίδιο τρόπο με ένα συμβατικό τηλέφωνο. Με τις μισθωμένες γραμμές ο συνδρομητής έχει τηλεπικοινωνιακή γραμμή μόνιμα αφιερωμένη σε αυτόν.
Σχήμα 8.12.2. Επικοινωνία υπολογιστών με modem
Τα modems είναι είτε σύγχρονα είτε ασύγχρονα . Ένα σύγχρονο modem αποκαθιστά το ρολόι στο δέκτη. Δεν υπάρχει ανάγκη για bits αρχής και τέ -λους σε σύγχρονο modem. Τα ασύγχρονα modems είναι τα πιο διαδεδομένα από παλιά. Η ταχύτητα ενός modem μετράται με το baud rate ή bps (bits per second).

Τα modems, που χρησιμοποιούν διαμόρφωση FSK, μπορούν να αναπτύ -ξουν μέγιστο ρυθμό μετάδοσης 1800bps σε κανονική τηλεφωνική γραμμή. Έτσι, χρησιμοποιούνται, συνήθως, για μετάδοση μέχρι τα 1200bps. Για ρυθ -μούς άνω των 1200bps χρησιμοποιούνται modems με άλλους τύπους δια -μορφώσεων.
Στον πίνακα 8.12.1 φαίνονται οι τυποποιήσεις, που έχουν οριστεί από τον οργανισμό CCITT ή ITU ( I nternational T elecommunications U nion) και σχετί -ζονται με το RS-232 και τα modems. Τα πιο διαδεδομένα modems χρησιμο -ποιούν το V.21, V.22, V.22bis, V.23 και V.32.

Για να επικοινωνήσει ένας υπολογιστής με modem στέλνει την εντολή AT. Για παράδειγμα, ATDT είναι η εντολή κλήσης (dial command). Αρχικά, ένα mo -dem βρίσκεται σε κατάσταση εντολών (command mode) και δέχεται εντολές από τον υπολογιστή. Οι εντολές αυτές στέλνονται στα 300bps ή 1200bps (το modem αυτόματα ανιχνεύει ποια ταχύτητα χρησιμοποιείται). Οι περισσότερες εντολές στέλνονται με το πρόθεμα AT. Κάθε εντολή ακολουθείται από χαρα -κτήρα επιστροφής. Εντολή χωρίς χαρακτήρα επιστροφής αγνοείται. Περισ -σότερες από μια εντολές μπορούν να τεθούν σε μια γραμμή και αν είναι απα -ραίτητο, μπορούν να τεθούν κενά, για να διαβάζονται πιο εύκολα. Οι εντολές στέλνονται είτε με μικρά είτε με κεφαλαία γράμματα. Παραδείγματα εντολών AT φαίνονται στον πίνακα 8.12.2.

Πίνακας 8.12.1. Τυποποιήσεις CCITT

| CCITT   | Περιγραφή                                                        |
|---------|------------------------------------------------------------------|
| V.21    | Full-duplex modem με μετάδοση στα 300bps                         |
| V.22    | Half-duplex modem με μετάδοση στα 600bps και 1200bps             |
| V.22bis | Full-duplex modem με μετάδοση στα 1200bps και 2400bps            |
| V.23    | Full-duplex modem με μετάδοση στα 1200bps και λήψη στα 75bps     |
| V.24    | Τυποποίηση για διασύνδεση RS-232                                 |
| V.32    | Full-duplex modem με μετάδοση στα 4800bps και 9600bps            |
| V.25bis | Γλώσσα εντολών modem                                             |
| V.32bis | Full-duplex modem με μετάδοση στα 7200bps, 12000bps και 14400bps |
| V.42    | Πρωτόκολλο ελέγχου σφαλμάτων                                     |

Πίνακας 8.12.2. Παράδειγμα εντολών AT modem

| Εντολή    | Περιγραφή                                                                                                                                |
|-----------|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| ATDT12345 | Καλεί αυτόματα τον αριθμό 12345 με touch-tone επιλογή.                                                                                   |
| ATPT12345 | Καλεί αυτόματα τον αριθμό 12345 με επιλογή παλμού.                                                                                       |
| AT S0=2   | Απαντά αυτόματα σε κλήση. Ο καταχωρητής S0 περιέχει τον αριθμό  των κουδουνισμάτων, που χρησιμοποιεί το modem πριν απαντήσει  την κλήση. |
| ATH       | Κλείσιμο της τηλεφωνικής σύνδεσης.                                                                                                       |
| +++       | Αποσύνδεση γραμμής και επιστροφή σε κατάσταση εντολών.                                                                                   |

To modem μπορεί να βρεθεί σε δύο καταστάσεις, την κανονική κατάσταση (normal state) και την κατάσταση εντολών (command state). Στην κανονική κατάσταση το modem εκπέμπει και λαμβάνει χαρακτήρες από τον υπολογιστή. Στην κατάσταση εντολών οι χαρακτήρες, που στέλνονται στο modem, μετα -φράζονται ως εντολές. Από τη στιγμή που μια εντολή μεταφράζεται, το modem εισέρχεται πάλι σε κανονική κατάσταση.
To modem περιλαμβάνει διάφορους καταχωρητές κατάστασης που ονομά -ζονται S-καταχωρητές, οι οποίοι αποθηκεύουν τις προδιαγραφές (settings) του modem. Για παράδειγμα, ο καταχωρητής S0 αποθηκεύει τον αριθμό των κουδουνισμάτων, που λαμβάνει το modem, πριν απαντήσει στην κλή -ση. Τα περισσότερα modems έχουν μνήμη τυχαίας προσπέλασης, η οποία μπορεί να προγραμματιστεί ηλεκτρονικά. Αυτή επιτρέπει στο modem να τίθεται αυτόματα σε λειτουργία σε μια εκ των προτέρων προγραμματιζόμενη κατάσταση.

Από τη στιγμή, που το modem έχει δεχθεί εντολή AT, απαντά με κώδικα επι -στροφής. Παραδείγματα κώδικα επιστροφής φαίνονται στον πίνακα 8.12.3. Για παράδειγμα, αν ένα modem καλεί ένα άλλο, που είναι απασχολημένο, τότε επιστρέφει τον κώδικα 7. Modem που κάνει κλήση σε ένα άλλο, επιστρέφει τον κώδικα ΟΚ (όταν λαμβάνεται η εντολή ATDT), CONNECT (όταν συνδέεται με το άλλο modem) και CONNECT 1200 (όταν ανιχνεύει την ταχύτητα του άλλου modem).
Πίνακας 8.12.3. Παραδείγματα κώδικα επιστροφής

| Μήνυμα       |   Ψηφίο | Περιγραφή                       |
|--------------|---------|---------------------------------|
| OK           |       0 | Εκτέλεση εντολής χωρίς σφάλματα |
| CONNECT      |       1 | Επίτευξη σύνδεσης               |
| RING         |       2 | Ανίχνευση εισερχόμενης κλήσης   |
| NO CARRIER   |       3 | Μη ανίχνευση φέροντος           |
| ERROR        |       4 | Άκυρη εντολή                    |
| CONNECT 1200 |       5 | Σύνδεση με modem 1200bps        |
| NO DIALTONE  |       6 | Μη ανίχνευση σήματος κλήσης     |
| BUSY         |       7 | Απασχολημένη γραμμή             |
| NO ANSWER    |       8 | Μη απάντηση από τη γραμμή       |
| CONNECT 600  |       9 | Σύνδεση με modem 600bps         |
| CONNECT 2400 |      10 | Σύνδεση με modem 2400bps        |
| CONNECT 4800 |      11 | Σύνδεση με modem 4800bps        |

Τα περισσότερα εξωτερικά modems έχουν δείκτες κατάστασης για να πληρο -φορούν το χρήστη για την τρέχουσα κατάσταση της σύνδεσης. Συνήθως, οι δείκτες είναι:
-  ΑΑ, είναι ΟΝ, όταν το modem είναι έτοιμο να δεχθεί κλήσεις αυτόματα. Ανα -βοσβήνει, όταν έρχεται κλήση. Είναι OFF, όταν δε λαμβάνει εισερχόμενες κλήσεις.
-  RD, αναβοσβήνει, όταν το modem λαμβάνει δεδομένα ή εντολή από τον υπολογιστή.
-  CD, είναι ΟΝ, όταν το modem ανιχνεύει το φέρον (carrier) του άλλου mo -dem, διαφορετικά είναι OFF.
-  SD, αναβοσβήνει, όταν το modem στέλνει δεδομένα.
- TR, δείχνει, ότι ο υπολογιστής είναι έτοιμος να στείλει ή να λάβει δεδομένα.
- MR, δείχνει, ότι το modem είναι ενεργοποιημένο.

Τα τοπικά δίκτυα (LAN: local area networks) αποτελούν σύστημα επικοι -νωνιών για την ενδοδιασύνδεση τοπικής ομάδας ψηφιακών συσκευών μέσω ομοαξονικών καλωδίων (5ΟΩ) ή οπτικών ινών σε ρυθμούς έως 100Mbps. Οι συσκευές απέχουν μεταξύ τους από μερικά μέτρα μέχρι μερικά χιλιόμετρα και συνδέονται με τέτοιον τρόπο, ώστε να αποτελέσουν ολοκληρωμένο σύστημα, το οποίο περιλαμβάνει το μέσο μετάδοσης, τις μονάδες διασύνδεσης και το λο -γισμικό επικοινωνιών. Αυτά είναι δομημένα με βάση κανόνες, πρωτόκολλα και πρότυπα, ώστε διάφορες συσκευές να επικοινωνούν μεταξύ τους αλλά και με άλλα δίκτυα. Ένα τοπικό δίκτυο παρέχει ολοκλήρωση υπηρεσιών και το πλεο -νέκτημα της κοινής εκμετάλλευσης των πόρων και της αυξανόμενης υπολογι -στικής χωρητικότητας, που επιτρέπει η διασύνδεση υπολογιστών. Εντούτοις, δυσκολία στο σχεδιασμό τέτοιων δικτύων είναι ο προσδιορισμός ικανοποιη -τικής δομής, που να προβλέπει απόλυτη συμβατότητα σημάτων, καθώς και αντιστοιχία στις διαδικασίες ανταλλαγής πληροφοριών μεταξύ των κόμβων. Για το λόγο αυτό, αναπτύχθηκε από το διεθνή οργανισμό τυποποίησης (ISO) το πρότυπο OSI ( O pen S ystem I nterconnection) ή πρότυπο ανοικτής διασύνδε -σης συστημάτων. Το πρότυπο αυτό καθορίζει την αρχιτεκτονική στρωμάτωσης οποιουδήποτε τηλεπικοινωνιακού δικτύου, ώστε να μπορούν να συνδέονται μεταξύ τους υπολογιστές διαφορετικών κατασκευαστών με διαφορετικά λει -τουργικά συστήματα.

Η αποδοχή αυτών των δικτύων αντιπροσωπεύει επιτυχημένη υλοποίηση της ολοκλήρωσης συστήματος αποτελούμενο από εξαρτήματα διαφορετικών εται -ριών. Τόσο η βασική ζώνη όσο και η ευρεία ζώνη μετάδοσης δεδομένων χρη -σιμοποιούνται από αυτά τα τοπικά δίκτυα. Πιο συγκεκριμένα, το Ethernet ή ΙΕΕΕ802.3 είναι σύστημα διαύλου βασικής ζώνης, που έχει αναπτυχθεί από τις εταιρίες DEC-Xerox-lntel. Είναι περισσότερο κατάλληλο για δικτύωση γραφεί -ων και σταθμών εργασίας παρά για εφαρμογές πραγματικού χρόνου, επειδή η προσπέλαση των κόμβων δεν προσφέρει σταθερό χρόνο προσπέλασης. Η τεχνική προσπέλασης, που χρησιμοποιεί, είναι CSMA/CD (carrier sense mul -tiple access/collision detection) και διατηρεί μήνυμα σε ετοιμότητα εκπομπής μέχρι 16 προσπάθειες, πριν απορριφθεί, ακολουθώντας την ανίχνευση σύ -γκρουσης με εκθετική αύξηση του χρόνου αναμονής μετά από κάθε σύγκρου -ση. Επιπρόσθετος περιορισμός είναι η απουσία της επαλήθευσης της ακρί -βειας του λαμβανομένου σήματος. Γενικά, το Ethernet εισάγει το οικονομικό κύκλωμα μετάδοσης πακέτων με 32-bit έλεγχο και μοναδική 48-bit διεύθυνση κόμβου για όλο τον κόσμο.

Εκτός από το Ethernet, εκτεταμένη εφαρμογή σε βιομηχανικά περιβάλλοντα έχουν τα πρωτόκολλα MAP (που ήδη γνωρίσαμε) και Token Ring. To πρωτόκολ -λο MAP (Manufacturing Automatation Protocol) προτάθηκε από την General Motors. Περιγράφει ευρείας ζώνης token-bus δίκτυο, με υλοποίηση OSI για εφαρμογές πραγματικού χρόνου με πολλούς κομβικούς υπολογιστές και προ -γραμματιζόμενες συσκευές για την επίτευξη της επικοινωνίας, όπως απαιτείται σε βιομηχανικά δίκτυα.
To MAP είναι εξελισσόμενο πρότυπο επικοινωνιών σημαντικής πολυπλοκότη -τας, που απαιτεί 100msec για μετάδοση μηνύματος από το έβδομο επίπεδο ενός τερματικού στο αντίστοιχο έβδομο επίπεδο άλλου τερματικού μέσω κόμ -

8.13 Τοπικά Δίκτυα Μετρήσεων
βου. Αξιόλογη παραλλαγή της αρχιτεκτονικής MAP περιέχει μόνο τα τέσσερα επίπεδα του μοντέλου OSI, γεγονός, που μειώνει το χρόνο μετάδοσης μηνύ -ματος κατά πολύ. Διατίθεται για κρίσιμες εφαρμογές με περιορισμένο αριθμό κόμβων και μήκος μηνύματος. Ονομάζεται πρωτόκολλο TOP (technical office protocol) και σχεδιάστηκε από τη Boeing βασισμένο στο πρότυπο MAP και υι -οθετείται, κυρίως, για χώρους εργασίας μηχανικών. Ανάμεσα στα άλλα, το TOP διαφέρει από το MAP στο πρώτο και έβδομο επίπεδο, το οποίο συμπεριλαμ -βάνει ανταλλαγή κειμένων και γραφικών με απόδοση ανάλογη της ανταλλαγής φακέλων.

Στο σημείο αυτό κρίνεται αναγκαίο, να αναφερθούν ορισμένοι όροι, που χρη -σιμοποιούνται κατά κόρο στις δικτυακές τηλεπικοινωνίες. Τα gateways είναι συσκευές, που συνδέουν διαφορετικές αρχιτεκτονικές δικτύων μεταφράζοντας το ένα πρωτόκολλο στο άλλο με τη συμμετοχή όλων των επιπέδων του OSI. Τα bridges ή γέφυρες είναι συσκευές, που χρησιμοποιούνται για να συνδέσουν δύο διαφορετικά ή ξεχωριστά ΙΕΕΕ802 δίκτυα με τη συμμετοχή μόνο των δύο πρώτων επιπέδων του OSI. Συχνά χρησιμοποιείται γέφυρα, για να επεκτείνει τις δυνατότητες δικτύου πέρα από τους περιορισμούς σχεδίασης. Οι routers ή δρομολογητές είναι συσκευές, που συνδέουν μαζί σε κοινό σημείο στοι -χεία δικτύων. Με τη συμμετοχή των τριών επιπέδων του OSI συνολικά ένα διασυνδεδεμένο σύνολο δικτύων με bridge, gateways και routers ονομάζεται catanetwork.

Τέλος, το τρίτο περισσότερο χρησιμοποιούμενο βιομηχανικό δίκτυο είναι το IBM Token Ring, που βασίζεται στο πρότυπο ΙΕΕΕ802.5.
-  Οι βασικές τοπολογίες των δικτύων είναι η δενδροειδής, του αστέρα, του διαύλου, του δακτυλίου και της διασταύρωσης. Η υλοποίηση δικτύου μετρήσεων βασίζεται στη ιεραρχική δομή.
-  Μια γραμμή μεταφοράς χαρακτηρίζεται από τη χαρακτηριστική της εμπέδηση. Σωστή προσαρμογή έχουμε, όταν η γραμμή τερματίζεται από φορτίο ίσης εμπέδησης με τη χαρακτηριστική, ώστε να μην προκύπτει ανακλώμενος παλμός. Αντίστοιχη προσαρμογή πρέπει να γίνεται, όταν συνδέονται μεταξύ τους διαφορετικές γραμμές μεταφοράς.
-  Τα σημαντικότερα μέσα μετάδοσης είναι τα συνεστραμμένα ζεύγη, τα ομοαξονικά καλώδια, οι κυματοδηγοί και οι οπτικές ίνες.
-  Οι οπτικές ίνες αποτελούνται από τον πυρήνα, την επένδυση, το κάλυμμα και το χιτώνιο. Η διάδοση του φωτός, μέσω οπτικής ίνας, βασίζεται σε ανακλάσεις στην επιφάνεια επαφής πυρήνα και επένδυσης. Βασικές συνιστώσες ενός συστήματος επικοινωνίας με οπτικές ίνες είναι η πηγή φωτός, που είναι, συνήθως, δίοδος φωτοεκπομπής LED, laser ή δίοδος laser έκχυσης ILD και ο ανιχνευτής φωτός, που είναι φωτοδίοδος ή φωτοτρανσίστορ.
-  Η διαμόρφωση διακρίνεται σε αναλογική και ψηφιακή. Βασικοί τύποι αναλογικής διαμόρφωσης είναι η κατά πλάτος AM, κατά συχνότητα FM και κατά φάση ΡΜ. Βασικοί τύποι ψηφιακής διαμόρφωσης είναι η διαμόρφωση κατά παλμούς PWM και η διαμόρφωση συνεχούς κύματος CWM. Η PWM διακρίνεται στις PAM, ΡΡΜ και PCM. Η διαμόρφωση συνεχούς κύματος διακρίνεται σε κατά πλάτος ASK, κατά συχνότητα FSK και κατά φάση PSK.
-  Βασικοί τύποι κωδικοποίησης είναι η μονοπολική επιστροφής στο μηδέν (unipolar RZ), μη επιστροφής στο μηδέν (NRZ), διπολική επιστροφής στο μηδέν (bipolar RZ), εναλλακτικής πολικότητας επιστροφής στο μηδέν (ΑΜΙ RZ) και η Manchester.
-  Η επικοινωνία με διαμόρφωση ονομάζεται ευρείας ζώνης, ενώ χωρίς διαμόρφωση ονομάζεται βασικής ζώνης.
-  Τυπικά τοπικά δίκτυα μετρήσεων είναι το Ethernet, το MAP και το TOP.
-  To modem χρησιμοποιείται για τη σύνδεση ψηφιακών συσκευών σε τηλεπικοινωνιακό κανάλι. Τα modems διακρίνονται σε σύγχρονα και ασύγχρονα και χαρακτηρίζονται από τη ταχύτητα μετάδοσης, που μπορούν να αναπτύξουν.

Ανακεφαλαίωση

 Ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής Αξιολόγηση
- 1. Τα συνεστραμμένα ζεύγη χρησιμοποιούνται για μεταφορά σημάτων:
- α) ακουστικών συχνοτήτων
- β) υψηλών συχνοτήτων
- γ) πολύ υψηλών συχνοτήτων
- δ) τίποτα από τα παραπάνω
- 2. Οι αγωγοί γραμμής μεταφοράς εμφανίζουν:
- α) αυτεπαγωγή σε σειρά
- β) χωρητικότητα σε σειρά
- γ) αυτεπαγωγή παράλληλα
- δ) αυτεπαγωγή και χωρητικότητα σε σειρά
- 3. Προσαρμοσμένο τερματισμό έχουμε, όταν η γραμμή μεταφοράς τερματί -
ζεται με αντίσταση:
- α) μικρότερη από τη χαρακτηριστική εμπέδηση
- β) μεγαλύτερη από τη χαρακτηριστική εμπέδηση
- γ) διπλάσια από τη χαρακτηριστική εμπέδηση
- δ) τίποτα από τα παραπάνω
- 4. Μια δίοδος φωτοεκπομπής LED μετατρέπει την:
- α) ηλεκτρική ενέργεια σε θερμική
- β) φωτεινή ενέργεια σε ηλεκτρική
- γ) ηλεκτρική ενέργεια σε φωτεινή
- δ) φωτεινή ενέργεια σε θερμική

 Ερωτήσεις του τύπου Σωστό/Λάθος
- 1. Ένα σύστημα μετρήσεων υλοποιείται με βάση την ιεραρχική δόμηση.
- 2. Οι κυματοδηγοί χρησιμοποιούνται για τη μεταφορά σημάτων πολύ χαμη -λών συχνοτήτων.
- 3. Μια laser δίοδος έκχυσης ILD εκπέμπει μονοχρωματικό φως.
- 4. Η επικοινωνία βασικής ζώνης χρησιμοποιεί διαμόρφωση.
- 5. Σε ένα σύγχρονο modem υπάρχει ανάγκη για bits αρχής και τέλους.

 Ερωτήσεις αντιστοίχισης
- 1. Να αντιστοιχίσετε τα:
Ψηφιακή κατά πλάτος
Ψηφιακή κατά συχνότητα
Αναλογική κατά φάση
Αναλογική κατά πλάτος
Αναλογική κατά συχνότητα

 Ερωτήσεις συμπλήρωσης κενού
- 1. Οι   είναι διαφανείς, διηλεκτρικοί κύλινδροι που πε -ριβάλλονται από δεύτερο διηλεκτρικό κύλινδρο. Το φως μεταφέρεται με διαδοχικές ανακλάσεις στην επιφάνεια επαφής ενός  και της  του.
Όταν δυο σταθμοί, που είναι σε επικοινωνία, μπορούν να εκπέμπουν μόνο  (κάθε χρονική στιγμή εκπέμπει μόνο ένας), αναφερόμαστε σε  επικοινωνία. Όταν και οι δυο μπορούν να εκπέμπουν 

αναφερόμαστε σε  επικοινωνία.

 Ερωτήσεις ανοικτού τύπου
- 1. Ποιες τοπολογίες δικτύων μετρήσεων γνωρίζετε; Να τις περιγράψετε.
- 2. Τι είναι η χαρακτηριστική εμπέδηση γραμμής μεταφοράς; Με τι ισούται αν η γραμμή δεν παρουσιάζει απώλειες;
- 3. Τι ονομάζεται συντελεστής ανάκλασης σε γραμμή μεταφοράς και πώς επηρεάζει την προσαρμογή του τερματισμού;
- 4. Με ποιον τρόπο βρίσκουμε σφάλματα σε υπόγεια καλώδια;
- 5. Τι είναι η οπτικοηλεκτρονική;
- 6. Τι είναι η κρίσιμη γωνία και τι η γωνία αποδοχής;
- 7. Ποια είναι τα πλεονεκτήματα οπτικής ίνας;
- 8. Ποιους τύπους κωδικοποίησης γνωρίζετε;
- 9. Ποιους τύπους διαμόρφωσης γνωρίζετε;
- 10. Ποια τοπικά δίκτυα μετρήσεων γνωρίζετε;

Ασκήσεις
- 1. Μία γραμμή μεταφοράς έχει μήκος 100km και κύριες σταθερές γραμμής R=0Ω/km, L=40mH/km, C=7μF/km και G=0S/km. Αν ένας ψηφιακός παλ -μός 10V εφαρμοστεί στην είσοδο της γραμμής και η έξοδος έχει ισοδύνα -μο φορτίο 125Ω, να υπολογιστούν:
- (α) η ταχύτητα διάδοσης του παλμού
(1890km/sec)
- (β) ο χρόνος για να φτάσει ο παλμός στο φορτίο
(53msec)
- (γ) η χαρακτηριστική εμπέδηση της γραμμής
(75.6Ω)
- (δ) το μέγεθος του ανακλώμενου παλμού
(2.5V)
- (ε) ο μεταφερόμενος παλμός
(12.5V)
- (στ) η απαιτούμενη αντίσταση για προσαρμογή φορτίου

(191.3Ω παράλληλα)
- 2. Ακτίνα φωτός προσπίπτει από γυαλί (n=1.5) σε χαλαζία (n=1.38) με γωνία πρόσπτωσης 35°. Να υπολογιστεί η γωνία διάθλασης.
(38.6°)
- 3. Υπολογίστε την κρίσιμη γωνία και τη γωνία αποδοχής της οπτικής ίνας της προηγούμενης άσκησης.
(66.9°, 36.0°)
- 4. Μια οπτική ίνα κατασκευασμένη από γυάλινο πυρήνα (n=1.5) και επέν -δυση λιωμένου χαλαζία (n=1.46). Υπολογίστε την κρίσιμη γωνία και την ελάχιστη γωνία αποδοχής.
(76.7°, 20.1°)

Τέλος, το τρίτο περισσότερο χρησιμοποιούμενο βιομηχανικό δίκτυο είναι το IBM Token Ring, που βασίζεται στο πρότυπο ΙΕΕΕ802.5.
-  Οι βασικές τοπολογίες των δικτύων είναι η δενδροειδής, του αστέρα, του διαύλου, του δακτυλίου και της διασταύρωσης. Η υλοποίηση δικτύου μετρήσεων βασίζεται στη ιεραρχική δομή.
-  Μια γραμμή μεταφοράς χαρακτηρίζεται από τη χαρακτηριστική της εμπέδηση. Σωστή προσαρμογή έχουμε, όταν η γραμμή τερματίζεται από φορτίο ίσης εμπέδησης με τη χαρακτηριστική, ώστε να μην προκύπτει ανακλώμενος παλμός. Αντίστοιχη προσαρμογή πρέπει να γίνεται, όταν συνδέονται μεταξύ τους διαφορετικές γραμμές μεταφοράς.
-  Τα σημαντικότερα μέσα μετάδοσης είναι τα συνεστραμμένα ζεύγη, τα ομοαξονικά καλώδια, οι κυματοδηγοί και οι οπτικές ίνες.
-  Οι οπτικές ίνες αποτελούνται από τον πυρήνα, την επένδυση, το κάλυμμα και το χιτώνιο. Η διάδοση του φωτός, μέσω οπτικής ίνας, βασίζεται σε ανακλάσεις στην επιφάνεια επαφής πυρήνα και επένδυσης. Βασικές συνιστώσες ενός συστήματος επικοινωνίας με οπτικές ίνες είναι η πηγή φωτός, που είναι, συνήθως, δίοδος φωτοεκπομπής LED, laser ή δίοδος laser έκχυσης ILD και ο ανιχνευτής φωτός, που είναι φωτοδίοδος ή φωτοτρανσίστορ.
-  Η διαμόρφωση διακρίνεται σε αναλογική και ψηφιακή. Βασικοί τύποι αναλογικής διαμόρφωσης είναι η κατά πλάτος AM, κατά συχνότητα FM και κατά φάση ΡΜ. Βασικοί τύποι ψηφιακής διαμόρφωσης είναι η διαμόρφωση κατά παλμούς PWM και η διαμόρφωση συνεχούς κύματος CWM. Η PWM διακρίνεται στις PAM, ΡΡΜ και PCM. Η διαμόρφωση συνεχούς κύματος διακρίνεται σε κατά πλάτος ASK, κατά συχνότητα FSK και κατά φάση PSK.
-  Βασικοί τύποι κωδικοποίησης είναι η μονοπολική επιστροφής στο μηδέν (unipolar RZ), μη επιστροφής στο μηδέν (NRZ), διπολική επιστροφής στο μηδέν (bipolar RZ), εναλλακτικής πολικότητας επιστροφής στο μηδέν (ΑΜΙ RZ) και η Manchester.
-  Η επικοινωνία με διαμόρφωση ονομάζεται ευρείας ζώνης, ενώ χωρίς διαμόρφωση ονομάζεται βασικής ζώνης.
-  Τυπικά τοπικά δίκτυα μετρήσεων είναι το Ethernet, το MAP και το TOP.
-  To modem χρησιμοποιείται για τη σύνδεση ψηφιακών συσκευών σε τηλεπικοινωνιακό κανάλι. Τα modems διακρίνονται σε σύγχρονα και ασύγχρονα και χαρακτηρίζονται από τη ταχύτητα μετάδοσης, που μπορούν να αναπτύξουν.

Ανακεφαλαίωση

 Ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής Αξιολόγηση
- 1. Τα συνεστραμμένα ζεύγη χρησιμοποιούνται για μεταφορά σημάτων:
- α) ακουστικών συχνοτήτων
- β) υψηλών συχνοτήτων
- γ) πολύ υψηλών συχνοτήτων
- δ) τίποτα από τα παραπάνω
- 2. Οι αγωγοί γραμμής μεταφοράς εμφανίζουν:
- α) αυτεπαγωγή σε σειρά
- β) χωρητικότητα σε σειρά
- γ) αυτεπαγωγή παράλληλα
- δ) αυτεπαγωγή και χωρητικότητα σε σειρά
- 3. Προσαρμοσμένο τερματισμό έχουμε, όταν η γραμμή μεταφοράς τερματί -
ζεται με αντίσταση:
- α) μικρότερη από τη χαρακτηριστική εμπέδηση
- β) μεγαλύτερη από τη χαρακτηριστική εμπέδηση
- γ) διπλάσια από τη χαρακτηριστική εμπέδηση
- δ) τίποτα από τα παραπάνω
- 4. Μια δίοδος φωτοεκπομπής LED μετατρέπει την:
- α) ηλεκτρική ενέργεια σε θερμική
- β) φωτεινή ενέργεια σε ηλεκτρική
- γ) ηλεκτρική ενέργεια σε φωτεινή
- δ) φωτεινή ενέργεια σε θερμική

 Ερωτήσεις του τύπου Σωστό/Λάθος
- 1. Ένα σύστημα μετρήσεων υλοποιείται με βάση την ιεραρχική δόμηση.
- 2. Οι κυματοδηγοί χρησιμοποιούνται για τη μεταφορά σημάτων πολύ χαμη -λών συχνοτήτων.
- 3. Μια laser δίοδος έκχυσης ILD εκπέμπει μονοχρωματικό φως.
- 4. Η επικοινωνία βασικής ζώνης χρησιμοποιεί διαμόρφωση.
- 5. Σε ένα σύγχρονο modem υπάρχει ανάγκη για bits αρχής και τέλους.

 Ερωτήσεις αντιστοίχισης
- 1. Να αντιστοιχίσετε τα:
Ψηφιακή κατά πλάτος
Ψηφιακή κατά συχνότητα
Αναλογική κατά φάση
Αναλογική κατά πλάτος
Αναλογική κατά συχνότητα

 Ερωτήσεις συμπλήρωσης κενού
- 1. Οι   είναι διαφανείς, διηλεκτρικοί κύλινδροι που πε -ριβάλλονται από δεύτερο διηλεκτρικό κύλινδρο. Το φως μεταφέρεται με διαδοχικές ανακλάσεις στην επιφάνεια επαφής ενός  και της  του.
Όταν δυο σταθμοί, που είναι σε επικοινωνία, μπορούν να εκπέμπουν μόνο  (κάθε χρονική στιγμή εκπέμπει μόνο ένας), αναφερόμαστε σε  επικοινωνία. Όταν και οι δυο μπορούν να εκπέμπουν 

αναφερόμαστε σε  επικοινωνία.

 Ερωτήσεις ανοικτού τύπου
- 1. Ποιες τοπολογίες δικτύων μετρήσεων γνωρίζετε; Να τις περιγράψετε.
- 2. Τι είναι η χαρακτηριστική εμπέδηση γραμμής μεταφοράς; Με τι ισούται αν η γραμμή δεν παρουσιάζει απώλειες;
- 3. Τι ονομάζεται συντελεστής ανάκλασης σε γραμμή μεταφοράς και πώς επηρεάζει την προσαρμογή του τερματισμού;
- 4. Με ποιον τρόπο βρίσκουμε σφάλματα σε υπόγεια καλώδια;
- 5. Τι είναι η οπτικοηλεκτρονική;
- 6. Τι είναι η κρίσιμη γωνία και τι η γωνία αποδοχής;
- 7. Ποια είναι τα πλεονεκτήματα οπτικής ίνας;
- 8. Ποιους τύπους κωδικοποίησης γνωρίζετε;
- 9. Ποιους τύπους διαμόρφωσης γνωρίζετε;
- 10. Ποια τοπικά δίκτυα μετρήσεων γνωρίζετε;

Ασκήσεις
- 1. Μία γραμμή μεταφοράς έχει μήκος 100km και κύριες σταθερές γραμμής R=0Ω/km, L=40mH/km, C=7μF/km και G=0S/km. Αν ένας ψηφιακός παλ -μός 10V εφαρμοστεί στην είσοδο της γραμμής και η έξοδος έχει ισοδύνα -μο φορτίο 125Ω, να υπολογιστούν:
- (α) η ταχύτητα διάδοσης του παλμού
(1890km/sec)
- (β) ο χρόνος για να φτάσει ο παλμός στο φορτίο
(53msec)
- (γ) η χαρακτηριστική εμπέδηση της γραμμής
(75.6Ω)
- (δ) το μέγεθος του ανακλώμενου παλμού
(2.5V)
- (ε) ο μεταφερόμενος παλμός
(12.5V)
- (στ) η απαιτούμενη αντίσταση για προσαρμογή φορτίου

(191.3Ω παράλληλα)
- 2. Ακτίνα φωτός προσπίπτει από γυαλί (n=1.5) σε χαλαζία (n=1.38) με γωνία πρόσπτωσης 35°. Να υπολογιστεί η γωνία διάθλασης.
(38.6°)
- 3. Υπολογίστε την κρίσιμη γωνία και τη γωνία αποδοχής της οπτικής ίνας της προηγούμενης άσκησης.
(66.9°, 36.0°)
- 4. Μια οπτική ίνα κατασκευασμένη από γυάλινο πυρήνα (n=1.5) και επέν -δυση λιωμένου χαλαζία (n=1.46). Υπολογίστε την κρίσιμη γωνία και την ελάχιστη γωνία αποδοχής.
(76.7°, 20.1°)

Χρήση του Electronics Workbench
Για να εκτελεστούν οι ασκήσεις με το Electronics Workbench, απαιτείται να έχετε εγκαταστήσει στον υπολογιστή σας πρόσφατη έκδοση του προγράμ -ματος αυτού (έκδοση 5.12 και πάνω). Αφού τρέξετε το πρόγραμμα, θα εμ -φανιστούν στο πάνω μέρος της οθόνης οι έξι κατάλογοι επιλογών (menus) που είναι διαθέσιμοι. Αυτοί είναι: File, Edit, Circuit, Analysis, Window και Help. Κάνοντας αριστερό κλικ σε καθένα από αυτούς, εμφανίζονται οι δια -θέσιμες εντολές κάθε καταλόγου.

 Γενικά
Κάτω από τους καταλόγους επιλογής εμφανίζεται η γραμμή εργαλείων κυ -κλώματος (circuit tool bar). Αυτή περιλαμβάνει εργαλεία, που αφορούν το κύκλωμα, που θα κατασκευάσετε. Η επόμενη γραμμή περιλαμβάνει τα ηλε -κτρονικά στοιχεία ταξινομημένα σε διάφορες βιβλιοθήκες (electronic parts bins). Κάνοντας κλικ στην πρώτη βιβλιοθήκη (σύμβολο πηγής), εμφανίζεται μεγάλος αριθμός διαθέσιμων πηγών. Υπάρχει και ειδική βιβλιοθήκη, που ονομάζεται υποκυκλώματα (subcircuits), όπου μπορούν να αποθηκευτούν κυκλώματα ως πρότυπα (modules). Ο διακόπτης ON/OFF και το πλήκτρο παύσης/επανάληψης (pause/resume) βρίσκονται πάνω δεξιά στην οθόνη.

Για την εισαγωγή στοιχείου, ανοίγουμε την αντίστοιχη βιβλιοθήκη, που το περιλαμβάνει με αριστερό κλικ, κάνουμε κλικ στο επιθυμητό στοιχείο και το σύρουμε στην περιοχή κατασκευής του κυκλώματος. Όλα τα στοιχεία μπο -ρούν να περιστραφούν με χρήση του εικονιδίου περιστροφής στη γραμμή εργαλείων κυκλώματος, ή κάνοντας δεξιό κλικ πάνω στο στοιχείο και επιλέ -γοντας περιστροφή. Για τα στοιχεία, που έχουν διάφορους τύπους, όπως τα τρανσίστορ, κάνουμε διπλό αριστερό κλικ, επιλέγουμε τον επιθυμητό τύπο και έπειτα το σύρουμε στην περιοχή εργασίας.

 Εισαγωγή ηλεκτρονικών στοιχείων

 Τιμές ηλεκτρονικών στοιχείων

 Συναρμολόγηση κυκλώματος
Για να δώσετε τιμές (values) και ετικέτες (labels) στα στοιχεία, κάνετε διπλό κλικ πάνω τους, οπότε εμφανίζονται ανάλογες οδηγίες. Στις τιμές υπάρχουν πάνω και κάτω βελάκια, για να θέσετε τις επιθυμητές τιμές και μονάδες των στοιχείων.
Με κλικ πάνω στα στοιχεία, που έχουμε φέρει στο χώρο εργασίας, μπορού -με να τα τοποθετήσουμε στις επιθυμητές θέσεις. Βεβαιωθείτε, ότι αφήνετε αρκετό χώρο ανάμεσα στα στοιχεία, ώστε να συνδεθούν αργότερα τα όρ -γανα μέτρησης. Συνδέστε τα στοιχεία μεταξύ τους, τοποθετώντας τη μύτη του ποντικιού στο άκρο στοιχείου, κάνοντας κλικ και σύροντας καλώδιο από αυτό το στοιχείο στην άκρη του επόμενου. Ελευθερώστε με προσοχή, ώστε το καλώδιο να μη συνδεθεί κάπου αλλού. Αν δεν σας ικανοποιεί η θέση, που βρίσκεται όλο το κύκλωμα, ξεκινήστε από την πάνω αριστερή γωνία του κυκλώματος κάνοντας κλικ και δημιουργείστε ένα ορθογώνιο γύρω από

Παράρτημα
το κύκλωμα. Τότε, αγγίζοντας ένα στοιχείο με το ποντίκι, σύρετε όλο το κύ -κλωμα στην επιθυμητή θέση.
Για να εισάγετε τα απαραίτητα όργανα, κάνετε αριστερό κλικ στη βιβλιο -θήκη των οργάνων (instrument bin) και σύρετε τα επιθυμητά όργανα στην περιοχή εργασίας. Κάθε εικονίδιο οργάνου περιλαμβάνει δύο ακροδέκτες, για να συνδεθεί στο κύκλωμα. Αν οι ακροδέκτες είναι αρκετά μικροί και δυ -σκολεύεστε στις συνδέσεις, τότε κάνετε διπλό κλικ στο όργανο, για να το μεγεθύνετε. Όλα τα όργανα πρέπει να μεγεθύνονται, για να διακρίνονται οι λειτουργίες τους.

 Εισαγωγή ηλεκτρονικών οργάνων

 Μετρήσεις Οργάνων - Ανάλυση κυκλώματος

 Αποθήκευση
Όταν το κύκλωμα έχει ολοκληρωθεί, κάνετε τις ρυθμίσεις όλων των οργά -νων. Θέσετε το κύκλωμα σε λειτουργία πατώντας ΟΝ στο διακόπτη ON/ OFF. Βεβαιωθείτε, ότι όλα τα όργανα είναι μεγενθυμένα για να βλέπετε τις ενδείξεις τους. Μπορείτε να διακόψετε τη λειτουργία του κυκλώματος πιέζο -ντας pause στο πλήκτρο παύσης/επανάληψης.
Όταν τελειώσετε την ανάλυση του κυκλώματος, πηγαίνετε στον κατάλογο επιλογής Analysis, για να σταματήσετε τη λειτουργία των οργάνων. Για το σκοπό αυτό, κάνετε κλικ στο Analysis menu, μετά στις επιλογές ανάλυσης (analysis options), έπειτα στα όργανα (instruments) και τέλος στο πλήκτρο παύσης (pause after each screen). Πηγαίνετε στο File menu και κάνετε κλικ στην αποθήκευση (save). Αποθηκεύσετε το κύκλωμα σε φάκελο της επιθυμίας σας.


ΣΥΛΛΟΓΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑ & ΕΛΕΓΧΟΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ (ΜΕΡΟΣ Α' ΘΕΩΡΙΑ)
ΡΟΜΠΟΤΙΚΗ