Ćwiczenie 6 BADANIE CHARAKTERYSTYK PRZETWORNIKÓW C
Transkrypt
Ćwiczenie 6 BADANIE CHARAKTERYSTYK PRZETWORNIKÓW C
Ćwiczenie 6 BADANIE CHARAKTERYSTYK PRZETWORNIKÓW C/A 1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest wyznaczenie podstawowych parametrów metrologicznych (dokładnościowych) typowego przetwornika cyfrowo-analogowego na przykładzie przetwornika AD7224KN firmy Analog Devices. 2. Wprowadzenie teoretyczne Przetwornik cyfrowo-analogowy (ang. Digital-to-Analog Converter) jest to układ przetwarzający dyskretny sygnał cyfrowy na równoważny mu sygnał analogowy. Przetworniki C/A są szeroko stosowane w wielu urządzeniach elektronicznych, m.in. w układach do sterowania graficznych monitorów ekranowych, we wszelkiego typu układach analogowych, sterowanych cyfrowo (np. wzmacniacze, zasilacze), a także w układach odtwarzających sygnały akustyczne lub wizyjne, zarejestrowane w postaci cyfrowej. Przykładowe ciągi generowanych napięć przez przetwornik C/A pokazano na rys. 6.1. Rys. 6.1. (a) dowolny ciąg wartości napięć, (b) ciąg wartości napięć w postaci fali trójkątnej Zasada działania przetwornika cyfrowo-analogowego sprowadza się do odtworzenia sygnału analogowego na podstawie określonego kodu cyfrowego. Jeżeli do wejścia przetwornika C/A zostanie doprowadzone n-bitowe słowo cyfrowe, to na wyjściu przetwornika pojawi się pojedyncza wartość analogowa (napięcie lub prąd), proporcjonalna do wartości słowa kodowego na wejściu. Idealna charakterystyka przetwornika unipolarnego została pokazana na rys. 6.2 dla napięcia wyjściowego UWY będącego wielokrotnością kwantu q. Rys. 6.2. Idealna charakterystyka przetwornika C/A Wartość tego napięcia wyjściowego może zostać obliczona ze wzoru: a a a U wy = ±U odn 11 + 22 + K + nn 2 2 2 (6.1) gdzie: Uodn – napięcie odniesienia, współczynniki a1, ..., an – bity wejściowe przyjmujące wartość 0 lub 1 co odpowiada dołączeniu rezystora do masy lub źródła Uodn. Bit a1, jest nazywany najbardziej znaczącym bitem – MSB (ang. Most Significant Bit), bit an – najmniej znaczącym bitem – LSB (ang. Least Significant Bit). Znak napięcia wyjściowego zależy od tego, czy przetwornik C/A odwraca, czy nie odwraca fazy. Znane jest wiele sposobów konstrukcji przetworników c/a, lecz obecnie buduje się je opierając się na kilku typowych modelach. Najczęściej stosowane są równoległe przetworniki c/a, do których wszystkie bity sygnału cyfrowego są doprowadzane jednocześnie. Znacznie rzadziej stosowane są przetworniki szeregowe ze względu na Wejścia cyfrowe to, że są dużo wolniejsze. Schemat blokowy przetwornika c/a z wpisem równoległym pokazany jest na rys. 6.3. Rys. 6.3. Schemat blokowy typowego przetwornika C/A Rys. 6.4. Przykład budowy przetwornika 4-bitowego Klasyczny przetwornik C/A zawiera zespół przełączników analogowych, precyzyjnych rezystorów i precyzyjne źródło napięcia (lub prądu) odniesienia (rys. 6.4). Najprostszą zasadę działania i konstrukcję mają przetworniki z sieciami rezystorów wagowych. Ich wadą jest konieczność stosowania precyzyjnych rezystorów bardzo różniących się wartością. Jest to trudne do osiągnięcia w monolitycznych układach scalonych. Zbliżenie wartości rezystorów w sieci można osiągnąć stosując sieć R2R. Zwiększając długość drabinki R – 2R można zwiększyć rozdzielczość praktycznie do 18 bitów. Opornik R w sprzężeniu zwrotnym wzmacniacza operacyjnego musi być też scalony razem z opornikami drabinki. Prądy I1 i I2 zależne od ustawienia przełączników płyną do punktów o potencjale masy. Dlatego pomimo komutacji napięcie na przełącznikach jest stałe, a ich pojemności nie przeładowują się. Daje to istotny wzrost szybkości pracy przetwornika. Układ ten jest typowy dla technologii CMOS. Przełączniki wykonane są jako pary komplementarnych tranzystorów MOSFET – jeden z kanałem N, drugi z kanałem P. Spotyka się kilka zbliżonych układów wykorzystujących podobny układ rezystorów. Zastąpienie przełączników napięć przełącznikami prądów umożliwia uniknięcie błędów spowodowanych przez niedoskonałości przełączników elektronicznych. Układ taki jest nieczuły na resztkowe napięcia występujące na przełącznikach. Schemat przetwornika C/A z przełączanymi źródłami prądowymi. Jest to typowe rozwiązanie dla technologii bipolarnej (rys. 6.5). Rys. 6.5. Przetwornik z przełączanymi źródłami prądowymi Najważniejszymi parametrami przetwornika C/A są: rozdzielczość – najmniejsza wartość sygnału wyjściowego (6.2) U LSB = U odn 2n (6.2) błąd bezwzględny – największa różnica między zmierzonym napięciem wyjściowym obliczonym z powyższego wzoru, błąd względny – stosunek błędu bezwzględnego do wartości napięcia odniesienia. Maksymalna wartość napięcia wyjściowego określona jest poniższym wzorem: 1 Umax = U odn 1 − N ≡ U odn − U LSB 2 (6.3) W przetwornikach C/A określa się szereg parametrów, które go charakteryzują. Są to przede wszystkim parametry wejścia (rozdzielczość przetwornika, rodzaj kodu, poziomy logiczne, format danych - szeregowy, równoległy), parametry wyjścia (napięciowe, prądowe, zakresy, polaryzacja), parametry statyczne (błąd zera, błąd wzmocnienia, błąd nieliniowości różniczkowej, błąd nieliniowości całkowej) oraz parametry dynamiczne (szybkość narastania i ustalania napięcia wyjściowego, częstotliwość generowania ciągu napięć). Błąd zera jest to napięcie wyjściowe przetwornika C/A dla minimalnej wartości słowa (np. w naturalnym kodzie dwójkowym dla słowa wejściowego o wartościach bitów równych zeru). Błąd przesunięcia zera jest zwykle spowodowany przez wejściowe napięcie lub prąd niezrównoważenia wzmacniacza sumującego. Błąd ten może być skorygowany do zera przez kompensację wejściowego napięcia niezrównoważenia wzmacniacza. U0 FS Charakterystyka obarczona błędem przesunięcia zera 3/4 FS 1/2 FS 1/4 FS Błąd przesunięcia zera 0 000 001 010 011 100 101 110 111 N Rys. 6.6. Błąd przesunięcia zera Błąd skalowania jest to odchyłka napięcia wyjściowego od wartości projektowanej dla maksymalnej wartości słowa (np. w naturalnym kodzie dwójkowym dla słowa wejściowego o wartościach bitów równych l). Błąd skalowania może być spowodowany efektami termicznymi w poszczególnych częściach przetwornika: źródle napięcia odniesienia, sieci rezystorowej, przełącznikach analogowych lub wzmacniaczu sumującym. Błąd skalowania może być skorygowany przez regulację wzmocnienia wzmacniacza sumującego lub napięcia odniesienia. Rys. 6.7. Błąd skalowania (wzmocnienia) Błąd nieliniowości różniczkowej jest określony maksymalną lub minimalną różnicą pomiędzy dwiema wartościami napięcia wyjściowego odpowiadającymi zmianie słowa wejściowego o wartość najmniej znaczącego bitu. Podajemy ją jako stosunek odchyłki tej różnicy od wartości średniej do wartości średniej zgodnie ze wzorem 6.4: ε r1 = ∆U wyim − 1 N 1 N N ∑ ∆U wy i =1 (6.4) N ∑ ∆U wy i =1 i i gdzie: ∆Uwy - i-ta różnica między dwiema wartościami napięcia wyjściowego odpowiadającymi zmianie słowa wejściowego o wartość najmniej znaczącego bitu; ∆Uwyim - maksymalna lub minimalna różnica między dwiema wartościami napięcia wyjściowego odpowiadającymi zmianie słowa wejściowego o wartość najmniej znaczącego bitu, wybieramy wartość dającą większy błąd; N - ilość różnic. U0 FS Nieliniowość różn. 1 LSB 3/4 FS Nieliniowość różn. ½ LSB 1/2 FS 0 LSB 1 LSB 1/4 FS 1 ½ LSB 0 000 001 010 011 100 101 110 111 N Rys. 6.8. Błąd nieliniowości różniczkowej Błąd nieliniowości całkowej jest to maksymalne odchylenie rzeczywistej charakterystyki przetwarzania Uwy = f(N) przetwornika C/A od jego charakterystyki idealnej, będącej linią prostą przechodzącą przez punkt zerowy i maksymalny zakresu. Podawana jest jako błąd bezwzględny, częściej jednak jako względny, εc po odniesieniu do wartości maksymalnego napięcia wyjściowego Uwymax . Wyliczana jest według poniższej zależności: εc = (∆U wy )max U wy max 100% Rys. 6.9. Błąd nieliniowości całkowej (6.5) Błędy te mogą się nakładać. Jeśli dojdzie do zaburzenia monotoniczności przetwornika, to w wielu zastosowaniach charakterystyka może być nie do przyjęcia. Przetwornik jest monotoniczny, jeżeli sygnał wyjściowy wzrasta wraz ze wzrostem kodu wejściowego, jakiekolwiek odstępstwo od tej zasady traktować należy jako błąd monotoniczności. Zasadę zaprezentowano na poniższym rysunku. Rys. 6.10. Błąd monotoniczności Łączny wpływ błędów nieliniowości skalowania, przesunięcia zera, wpływu efektów termicznych stanowi dokładność bezwzględną przetwornika, która w prawidłowo zaprojektowanym układzie nie powinna przekraczać wartości napięcia wyjściowego odpowiadającej ± ½ LSB, a więc powinna być porównywalna lub mniejsza od rozdzielczości. Podstawowym parametrem dynamicznym przetwornika jest czas ustalania się wartości wyjściowej przetwornika. Często należy też brać pod uwagę maksymalną częstotliwość przetwarzania. Istotna bywa również maksymalna prędkość zmian napięcia wyjściowego SUOM zaprezentowana na rys. 6.11. U0 Dopuszczalny zakres ustalania ±½ LSB Czas ustalania Rys. 6.11. Parametry dynamiczne przetwornika t 3. Instrukcja do ćwiczenia 3.1. Zadania do zrealizowania w trakcie ćwiczenia 1) Umieścić w protokole dane badanych przetworników c/a. 2) Po zapoznaniu się ze stanowiskiem zaproponować procedury wyznaczania: a) błędu zera i skalowania, b) błędów nieliniowości całkowej i różniczkowej, c) temperaturowych współczynników zera i skali, d) własności dynamicznych przetworników c/a. 3) Ustawić napięcie zasilające przetworniki na 15 V. 4) Ustawić napięcie odniesienia na 10 V dla każdego przetwornika. Obliczyć nominalną wartość kwantu oraz nominalne napięcie maksymalne przetwornika dla 5) 6) 7) 8) takich nastaw. Wyznaczyć błędy zera badanych przetworników. Dokonać pomiarów do wyznaczenia błędów skalowania badanych przetworników i obliczyć wartości bezwzględne i względne błędów skalowania. Dla jednego przetwornika wykonać pomiary pozwalające wyznaczyć błędy nieliniowości całkowej i różniczkowej. Zmierzyć temperaturę otoczenia. Wyznaczyć napięcie zera oraz napięcie maksymalne przetwornika nr 3, umieszczonego w temperaturze otoczenia. Nastawić wartość zadaną temperatury termostatu na 70oC. Umieścić przetwornik nr 3 w termostacie, załączyć termostat powietrzny, a po ustabilizowaniu się temperatury zmierzyć temperaturę w termostacie oraz napięcie zera i napięcie maksymalne badanego przetwornika c/a. Podczas opracowywania sprawozdania na podstawie wykonanych pomiarów oszacować temperaturowe współczynniki zera i skali badanego przetwornika. 9) Dla przetwornika zmierzyć wpływ napięcia zasilania na napięcia wyjściowe dla zerowego i maksymalnego kodu. Napięcie zasilania zmieniać co 0,5 V. 10) Dla jednego przetwornika zmierzyć własności dynamiczne, wykorzystując oscyloskop na stanowisku oraz generator wewnętrzny testera przetworników c/a. Zmierzyć czas ustalania i szybkość ustalanie odpowiedzi. Obserwowany przebieg przerysować do protokołu. 3.2. Opracowanie sprawozdania W sprawozdaniu należy wyznaczyć wartości liczbowe wszystkich parametrów przetworników c/a badanych podczas ćwiczenia i uzupełnić tabelę z danymi producenta o uzyskane wyniki. Dokonać opisowego podsumowania wyników badań poprzez porównanie uzyskanych danych z danymi producenta. Dodatkowo umieścić w sprawozdaniu w adekwatnym miejscu wykresy przebiegów błędów nieliniowości całkowej i różniczkowej badanych przetworników. 3.3. Pytania kontrolne 1. Jaka jest budowa typowego przetwornika c/a? 2. Wymienić podstawowe parametry statyczne przetwornika c/a. 3. Wymienić podstawowe parametry dynamiczne przetwornika c/a. 4. Jak wyznaczyć błąd skalowania przetwornika c/a? 5. Jak definiuje się błędy nieliniowości przetwornika c/a? 6. Jak wyznaczyć błąd nieliniowości całkowej przetwornika c/a? 7. Jak wyznaczyć błąd nieliniowości różniczkowej przetwornika c/a? 8. Jak wyznaczyć (oszacować) czas ustalania badanego przetwornika c/a? 9. Gdzie stosuje się przetworniki c/a? 4. Literatura 1. Praca zbiorowa pod redakcją J. Piotrowskiego. Pomiary. Czujniki i metody pomiarowe wybranych wielkości fizycznych i składu chemicznego, WNT, Warszawa, 2009 2. Marcyniuk A.. Podstawy miernictwa elektrycznego, skrypt Pol. Śl., Wyd. Pol. Śl., Gliwice 2000 3. Tumański S. Technika Pomiarowa. WNT Warszawa 2007r. 4. Dusza J., Gortat G., Leśniewski A. Podstawy miernictwa. Oficyna Wyd. Pol. Warsz., Warszawa 1998 5. Opis stanowiska Na stanowisku znajduje się tester przetworników analogowo-cyfrowych, woltomierz cyfrowy, oscyloskop oraz termostat powietrzny. Tester przeznaczony jest do równoczesnego badania czterech przetworników c/a. Montuje się je w oprawkach umieszczonych w gniazdach na tylnej ściance obudowy. Każdy z przetworników posiada oddzielną regulację napięcia odniesienia i korekcji zera, oraz wspólną regulację napięcia zasilania. Kod wejściowy może być ustawiany albo za pomocą przełączników kodowania przetworników, albo przez gniazdo sterowania zdalnego. Wbudowany generator przebiegu prostokątnego umożliwia badanie parametrów dynamicznych. Wtedy to na wejście przetwornika naprzemiennie jest podawane słowo ustawione przełącznikami kodowania i słowo 0000 0000b. W razie konieczności istnieje możliwość podłączenia zewnętrznego generatora przebiegu prostokątnego. Gniazda umieszczone na przedniej ściance obudowy umożliwiają pomiar wszystkich napięć wejściowych i wyjściowych przetworników. Dodatkowe gniazdo wspólne zapewnia pomiar dowolnego z napięć bez konieczności przełączania przewodów pomiarowych. GENERATOR WYŁĄCZNIK ZASILANIA Zasilanie Przetwornik 1 BLOKI PRZETWORNIKÓW 1÷4 Przetwornik 2 SYGNALIZACJA REJESTRÓW Przetwornik 3 Przetwornik 4 CS zał WR wył Generator Uodn Uwy Uzera zał Uodn Uwy Uzera zał Uzera Uwy Uzera Uodn Uwy Uzera zał Uzera wył wył Uodn zał zał Uzera wył LDAC Uzera wył RESET wył zew Uwy 1 2 Uzas Przetwornik ZASILANIE PRZETWORNIKÓW Zdalne sterowanie rejestrami Uodn wew 3 Uzera Gniazdo 4 Uzas wspólne 27 26 25 24 23 22 21 20 Zdalne kodowanie przetworników Parametr RESET przetworników GNIAZDO WSPÓLNE KODOWANIE PRZETWORNIKÓW STEROWANIE REJESTRAMI 5.1. Podstawowe definicje parametrów przetwornika c/a Błąd zera – różnica pomiędzy zmierzoną wartością napięcia wyjściowego dla słowa 0000 0000b a wartością teoretyczną. Błąd czułości (skalowania, wzmocnienia) – różnica pomiędzy zmierzoną wartością napięcia wyjściowego, pomniejszonego o błąd zera, dla największego słowa kodowego (1111 1111b), a wartością teoretyczną UMAX. Błędy nieliniowości wyznacza się po skorygowaniu błędu zera i wzmocnienia. Nieliniowość różniczkowa – różnica pomiędzy rzeczywistą wartością kwantu a skorygowaną wartością kwantu. Rzeczywista wartość kwantu to różnica pomiędzy dwoma napięciami wyjściowymi dla kolejnych słów kodowych (np. U0001 0000bU0000 1111b). Skorygowana wartość kwantu to wartość obliczona poprzez podzielenie zakresu przetwarzania przez największą wartość słowa kodowego (tj. U 255d − U 0d ). 255 Jako błąd nieliniowości różniczkowej podaje się największą wyznaczoną nieliniowość różniczkową. Nieliniowość całkowa – różnica pomiędzy zmierzoną wartością napięcia wyjściowego a wartością teoretyczną, którą wyznacza linia poprowadzona przez początek i koniec zakresu przetwarzania. Jako błąd nieliniowości całkowej podaje się największą z wyznaczonych różnic. Czas ustalania – czas po którym napięcie wyjściowe ustali się wewnątrz zakresu ±½ LSB przy maksymalnej zmianie słowa kodowego (z 0000 0000b na 1111 1111b i odwrotnie). Szybkość ustalania odpowiedzi – maksymalna szybkość narastania bądź opadania napięcia wyjściowego. U ODN 255 , UFS = UODN = 256 ⋅ Q, UMAX = ⋅ UFS, 256 256 D ⋅ UODN; D-kod przetwornika (0÷255) UWY = UZERA + 256 Q = LSB = UODN ⋅ 2–8 = UWAGA! Powyższe wzory obowiązują wyłącznie dla przetworników 8-bitowych 5.2. Podstawowe parametry przetwornika c/a typu AD7224KN Zasilanie symetryczne UZAS = 11.4 ÷ 16.5 V, USS = –5 V ±10%; AGND = DGND = 0 V; UODN = +2 V do (UZAS – 4 V) Parametr PARAMETRY STATYCZNE Rozdzielczość Dokładność względna Nieliniowość całkowa Wartość Jednostka Uwagi 8 ±2 ±1 bity LSB max LSB max UZAS = ±15 V ± 5 %, UODN = 10 V Nieliniowość różniczkowa Błąd skalowania ±1 ±1,5 LSB max LSB max monolityczność gwarantowana Współczynnik temperaturowy skali Błąd zera Współczynnik temperaturowy zera ±20 ±30 ±50 ppm/°C max mV max µV/°C typ PARAMETRY DYNAMICZNE Szybkość ustalania odpowiedzi 2,5 V/µs min Czas ustalania skok narastający skok malejący Szpilki napięciowe Minimalna rezystancja obciążenia 5 7 50 2 µs max µs max nV⋅s typ kΩ min -40 ÷ +85 °C Temperatura pracy Temperatura przechowywania -65 ÷ +150 °C UZAS = 14 V÷16,5 V, UODN =10V UODN=10 V UODN=10 V UODN=0 V UWY=10 V Panel przetwornika REFERENCE VOLTAGE Przetwornik 1 KOREKCJA ZERA OUTPUT Uodn Uwy Uzera WYJŚCIE PRZETWORNIKA zał Uzera KOREKCJA ZERA wył KOREKCJA ZERA CONTROL NAPIĘCIE ODNIESIENIA Wspólne wyjście Uwy 1 2 PRZEŁACZNIK PRZETWORNIKÓW Uodn 3 Uzera Gniazdo 4 Uzas Przetwornik wspólne Parametr PRZEŁĄCZNIK WYJŚĆ GNIAZDO WYJŚCIOWE Panel tylni testera przetworników ZDALNA KONTROLA GNIAZDO STEROWANIA ZDALNEGO PRZETWORNIK 4 PRZETWORNIKI PRZETWORNIK 3 PRZETWORNIK 2 BEZPIECZNIK PRZETWORNIK 1 BEZPIECZNIK 250V 100mA