Fysische informatica

De natuurkunde van het meten met elektronische apparatuur waaronder computers.
Fysische informatica valt ruwweg uiteen in vier delen:
1 Gegevens verzamelen
2 Gegevens aanpassen
3 Gegevens verwerken
4 Besturing
Verwerkbare gegevens zijn eigenlijk alleen spanningen tussen de 0 en de 5 volt en pulsen. Aanpassingen moeten dus gericht zijn op het omzetten van wat je wilt meten in spanningen of pulsen. Je mag ervan uitgaan dat voor vrijwel alles wat je zou willen meten wel sensoren bestaan. Soms moet je indirect meten, bijvoorbeeld temperatuur meten door de verandering van weerstand.
Enige fysische grootheden die vaak gemeten moeten worden zijn:
Tijd, frequentie
Temperatuur
Gewicht, kracht
Spanning, stroom, weerstand, vermogen
Druk, stroomsnelheid
Plaats, hoek en hoogte
Lichtsterkte, kleur
Geluidssterkte toonhoogte
Straling
Vocht

De nauwkeurigheid van de metingen hangt af van alle onderdelen samen.
Resolutie van de sensor, de resolutie van de omzetting en de resolutie van de uitlezing.

De meeste sensoren meten analoog een glijdende schaal.
Het eerste deel van de signaalbewerking is meestal ook analoog
De meeste omzettingen gaan dan naar digitaal

Digitaal tellen
Breek daar vooral je hoofd niet over maar gebruik de computer, die kan dat beter en sneller. het is al voldoende als je tot 255 kunt tellen en weet dat je dat in 8 bits kunt weergeven. De rekenmachine van windows is uitstekend geschikt (kies bij 'beeld' de optie 'wetenschappelijk')

Je tikt een getal in terwijl het rondje bij dec (decimaal) actief is, klik dan het rondje bij bin (binair) en je ziet het binaire getal wat erbij hoort.
in dit geval 255 decimaal komt overeen met 11111111 binair. (8 bits)

AD-conversie

Om spanningen tussen 0 en 5 V om te zetten in voor de computer bruikbare gegevens moeten we die spanningen omzetten in een getal tussen de 0 en 255. Dit proces heet AD-conversie, het gaat als volgt: Zoals je weet is meten het vergelijken met standaarden, dat doet de AD-converter ook, het binnenkomende signaal wordt vergeleken met een trapje van bekende spanningen, de computer klokt de opstapjes en telt hoeveel treden er geweest zijn. Als de gemeten waarde samenvalt met een bepaalde trede wordt het bijbehorende getal opgeslagen en begint het meten overnieuw.

Tussen de stapjes is de waarde onbepaald, de computer reageert bij het eerste stapje dat groter of gelijk is aan de gemeten waarde.

Dit hele proces vindt plaats in een zwart doosje (een IC) gelukkig hoef je je niet af te vragen hoe en wat daarin gebeurt, er gaat iets in en er komt iets uit, dat is genoeg. Fysische informatica is vaak het schakelen van zwarte doosjes.

hoe vaak wil je meten (under en oversampling)
Het opslaan van gegevens kost ruimte en tijd, je slaat dus een optimaal minimum aan gegevens op. Vaak kun je door filteren de betrouwbaarheid van je metingen opvoeren, in dat geval kun je kiezen tussen
1 veel gegevens verzamelen en achteraf een statistisch filter erop loslaten bijvoorbeeld in een spreadsheet
2 elektronisch filteren voordat je opslaat.
3 beide.

Ook de tijd tussen twee metingen moet goed gekozen worden
Hoe snel kun je meten en hoe snel moet je meten is de hamvraag.
Snel is duur, het levert veel meer gegevens op die moeten worden opgeslagen en snel meten vereist ook betere hardware.

De resolutie van de AD-conversie
hoe kun je de resolutie van je meting verbeteren?
de resolutie kun je als volgt uitrekenen:

bijvoorbeeld:
(8 bits)

grotere AD converter (10 bits)
bijvoorbeeld:

kleiner gebied
bijvoorbeeld:

Stel dat je bovenstaande verschijnselen aan het meten bent, als je elke 3 seconden een meting doet dan vind je alleen de 0-punten van de onderste grafiek en de 0-punten en de minima van de hoge grafiek. (dit heet undersampling) Als je de gemeten waarden interpoleert krijg je een rechte lijn en een zaagvorm, beide lijken niet op het oorspronkelijke signaal.
Om deze verschijnselen beide goed te meten moet je minimaal 1 maal per seconde een meting doen en liefst nog vaker.
Als regel moet de sampeling 2 maal zo snel zijn als het analoge signaal (Theorema van Shannon)

als je in stapjes van 0.1 seconde meet krijg je deze gegevens, die een uitstekende beschrijving vormen van het gemeten verschijnsel.
Ga je nog meer metingen doen dan krijg je veel meer data dan nodig (oversampling) blijkt vaak uit het dubbel of nog vaker voorkomen van elke waarde in de dataset bij veranderende verschijnselen..

De resolutie van de sensor
Die hangt natuurlijk van de sensor zelf af, maar ook hier geldt dat je door het meetbereik te beperken betere (nauwkeuriger) waarden krijgt.
Sommige sensoren schommelen een beetje, dat kun je alleen ondervangen door meerdere gegevens te middelen (elektronisch of statistisch achteraf).
Het kan ook gebeuren dat een sensor in de opgaande flank van het signaal anders reageert dan in de neergaande flank, de sensor ijlt na op hetgeen gemeten wordt. (hysterese)

De praktijk:
Wat kan er zoal goed en snel gemeten worden.
1 Tijd, gaat erg goed omdat computers betrouwbare procesklokken hebben die waanzinnig snel lopen en dus een hoge resolutie hebben zonder dat je daarvoor iets hoeft te doen. (gratis data)
2 Doordat tijd erg goed gaat en tellen een andere specialiteit van de computer is kun je heel goed en makkelijk frequenties meten.
3 Spanningen kunnen door AD-converters snel en goed worden omgezet in een binair getal. TLC 549 IC (ook een zwart doosje)

We zullen dus altijd proberen om de te meten verschijnselen om te zetten in een van deze 3 grootheden.
Bovendien zullen we de te meten gegevens op maat maken.
Dit gebeurt in de huishoudelijke praktijk ook, een koortsthermometer hoeft maar van 35 tot 42 graden te meten, maar dan wel heel precies (0,1 graad), terwijl een buitenthermometer zeker van -20 tot 50 moet kunnen, zij het minder nauwkeurig (1 graad).
Als je spanningen zo precies kunt meten dan kun je volgens de wet van ohm ook weerstanden en stromen meten. (V = I*R)
Weerstanden door een perfect bekende constante stroom op te wekken en dan de spanning te meten. (I constant dus V evenredig met R)
Stromen door een perfect bekende weerstand te gebruiken en dan de spanning te meten. (R constant dus V evenredig met I)

Veel verschijnselen hebben invloed op de weerstand van een stof, bijvoorbeeld temperatuur, of lengte, weerstand meten komt dus vaak voor.
Ook kun je met behulp van een 555 IC (ook een zwart doosje) weerstanden omzetten in frequenties.
Bovendien kun je meer dingen tegelijk meten, als je spanning en stroom tegelijk meet weet je niet alleen de weerstand maar ook het vermogen.

Een bijzondere klasse van sensoren zijn de halfgeleider-sensoren.
zeg maar gevoelige transistoren. Die kun je zo maken dat je magnetische veldsterkte kunt meten, licht, kleur, druk, verbuiging.

De laatste groep zijn mechanische omzetters, een microfoon maar ook een schuif of draaiweerstand.

Aanpassingen van het signaal.
Hier zijn drie mogelijkheden
1 het signaal is tussen de 0 en de 5 volt
2 het signaal is sterker
3 het signaal is zwakker

in geval 1 is er niets aan de hand je kunt gewoon meten
in geval 2 moet je het signaal verzwakken, bijvoorbeeld met een spanningsdeler of een transformator, er zijn ook elektronische verzwakkers te maken
in geval 3 moet je gaan versterken, dat kan bijvoorbeeld ook met een transformator of met een elektronische versterker.

Er kunnen nog andere dingen een rol spelen, een sensor kan wel heel erg beïnvloed worden door de schakeling die er aan vast zit, dan moet je dit loskoppelen door bijvoorbeeld een elektronische versterker met een versterking van 1 te maken.
Dit lijkt moeilijker dan het is, want ook voor dit probleem hebben we zwarte doosjes. barstens vol met transistoren maar dat hoef je niet te weten)

Wat je wel moet weten is hoe ze moeten worden aangesloten
Dat hangt af van wat je ermee wilt doen;
Er zijn 2 basisschakelingen voor versterking
de inverterende en de niet inverterende versterker.

Inverterende OpAmp-schakeling

Hier geldt
Het signaal staat aan de uitgang op zijn kop, + wordt - en omgekeerd meestal is dat geen probleem.

Niet inverterende OpAmp-schakeling

Hier geldt

Een losse OpAmp versterkt zo'n 2000 keer, maar is dan vrij onstabiel.
Door terugkoppeling kun je de versterking beperken en de stabiliteit vergroten.
Een bijzondere toepassing is de ontkoppeling van een meetschakeling, met een spanningsvolger. Dit is een 1x versterker. R2 is 0 ohm, het gehele signaal wordt teruggekoppeld.
Aan de ingang hebben we een bijzonder hoge weerstand, dus belast dat de schakeling bijna niet en is erg gevoelig. Aan de uitgang hebben we een lage weertand dus kun je redelijk grote stromen leveren om verder te verwerken.
Brugmeting
In veel gevallen kun je de nauwkeurigheid van de meting sterk opvoeren door te vergelijken met meerdere maar hele duidelijke standaarden. (kalibers) in het algemeen gaat dit met behulp van elektronische brugschakeling.

Signaal opwekking met 555
Weer zo'n doos, dit zit erin (je ziet een doos met doosjes)

En zo sluit je het aan:

De frequentie is afhankelijk van de drie componentjes (2 weerstanden en een condensator)
T_totaal = 1.1 R_totaal*C
T_hoog = 0.7(R_a+R_b)C
T_laag = 0.7 R_b*C
Als een van deze componenten variabel is (bijvoorbeeld de C verloopt met de luchtvochtigheid) dan is de frequentie evenredig met de luchtvochtigheid.

Digitale logica
AND, OR, XOR, NOT,NAND
Digitale signalen (wel/niet, hoog/laag, 1/0) kun je ook verwerken.
bij digitale sommen kun je ingangen vergelijken, dit gebeurt in poorten (ook zwarte doosjes)
Een and poort moet twee ingangen hoog hebben om aan de uitgang hoog te worden.
Een xor poort hoeft en mag maar één ingang hoog te hebben om aan de uitgang hoog te worden.
Een or poort moet één of twee ingangen hoog hebben om aan de uitgang hoog te worden.
een not poort verwisseld hoog en laag
ook zijn er nog nor en nand poorten maar eigenlijk zijn dat combinaties van de voorgaande mogelijkheden. (eigenlijk omgekeerd, alle poorten zijn op te bouwen uit nand's)

Waarheidstabel poorten:

Input	AND	OR	XOR	NAND	NOR
1 1	1	1	0	0	0
1 0	0	1	1	1	0
0 1	0	1	1	1	0
0 0	0	0	0	1	1

De opdracht
Practicum: Ontwerp een meetschakeling.