Instrukcja

Ćwiczenie 12
Przetworniki analogowo-cyfrowe i cyfrowo-analogowe – budowa i zastosowanie.
Program ćwiczenia:
1. Obserwacja i badanie działania toru przetwarzania A/C-C/A
2. Wyznaczenie charakterystyk i błędów statycznych przetwornika A/C z bezpośrednim porównaniem oraz
scalonego przetwornika C/A z sumowaniem prądów.
3. Obserwacja przebiegów w wybranych punktach kompensacyjnego przetwornika A/C.
4. Obserwacja przebiegów w wybranych punktach przetwornika A/C z dwukrotnym całkowaniem.
5. Badanie odporności na zakłócenia o różnych częstotliwościach multimetru z całkującym
przetwornikiem A/C.
Wykaz przyrządów
•
•
•
•
•
•
•
•
Tor przetwarzania A/C-C/A na płytce drukowanej, w obudowie, wraz z zasilaczem
Przetwornik kompensacyjny w obudowie z wyprowadzonymi sygnałami
Przetwornik dwukrotnie całkujący w obudowie, z wyprowadzonymi sygnałami
Multimetr cyfrowy Rigol DM3501
Multimetr cyfrowy GW-Instek GDM-8051
Oscyloskop cyfrowy Rigol DS1052E
Generator sygnałów dowolnych Rigol DG1022
Zasilacz napięcia stałego z dokładną regulacją napięcia wyjściowego
Literatura:
[1] Stabrowski, Marek M. : „Miernictwo elektryczne: cyfrowa technika pomiarowa”, Oficyna Wydawnicza
Politechniki Warszawskiej, 1994
[2] Kulka Z., Libura A., Nadachowski M.: „Przetworniki analogowo-cyfrowe i cyfrowo-analogowe”.
Warszawa, WKiŁ 1987
[3] Sahner G.: „Wstęp do miernictwa cyfrowego”. Warszawa, WKiŁ 1982
[5] Zatorski A., Rozkrut A.: „Miernictwo elektryczne. Materiały do ćwiczeń laboratoryjnych”. Kraków, Wyd.
AGH 1990, 1992, 1994, 1999. Skrypty nr 1190, 1334, 1403, 1585
Dokumentacja techniczna przyrządów pomiarowych:
[6] Instrukcje obsługi przyrządów RIGOL
http://www.kmet.agh.edu.pl → dydaktyka → Materiały dla studentów
Informacja na temat niniejszej instrukcji:
Czcionką pogrubioną zaznaczono rzeczy, na które należy zwrócić szczególną uwagę, a czcionką pochyloną –
najistotniejsze zagadnienia do przemyślenia po wykonaniu danego punktu ćwiczenia. Odpowiedzi na te
zagadnienia powinny stanowić podstawę przy formułowaniu wniosków z przeprowadzonych
eksperymentów.
str. 1
Zakres wymaganych wiadomości do testu:
•
•
•
•
Budowa i zasada działania przetworników analogowo-cyfrowych: z bezpośrednim porównaniem,
kompensacyjnego (z kompensacją wagową i równomierną), dwukrotnie całkującego.
Budowa i zasada działania przetwornika cyfrowo-analogowego z sumowaniem prądów.
Twierdzenie o próbkowaniu.
Charakterystyki statyczne i błędy przetwarzania przetworników C/A i A/C. Rozdzielczość i
dokładność przetwarzania.
str. 2
1. Obserwacja i badanie działania toru przetwarzania A/C-C/A
Obiektem badania jest tor przetwarzania A/C-C/A zbudowany z przetwornika analogowo-cyfrowego z
bezpośrednim porównaniem, przetwornika cyfrowo-analogowego z sumowaniem prądów oraz układów
odpowiedzialnych za wyświetlanie wartości wyjściowej z przetwornika A/C w kodzie dziesiętnym. Schemat
blokowy urządzenia przedstawia rysunek 1. Tor jest zasilany napięciem 12V z dołączonego zasilacza.
Gniazdo zasilania znajduje się z tyłu obudowy.
Uwe
Kod
przetwornik A/C unitarny
z bezpośrednim
porównaniem
Kod
Przekodowanie
binarny przetwornik C/A
na kod binarny
z sumowaniem
i obsługa wyśw. (nie
prądów
7-segmentowego wyśw.)
Linijka diodowa
Uwy
Wyświetlacz
7-segmentowy
Rysunek 1 Schemat blokowy toru przetwarzania A/C-C/A
1) W celu zaobserwowania działania toru, wejście przetwornika A/C należy podłączyć do wyjścia 1
generatora Rigol DG1022, a wyjście przetwornika C/A do kanału 2 oscyloskopu. Do kanału 1 oscyloskopu
należy podać sygnał z generatora. Schemat połączeń przedstawia rysunek 2.
OSC
CH1
CH2
BNC
BNC
G
BNC
Tor A/C – C/A
Rysunek 2 Układ do obserwacji działania toru przetwarzania A/C-C/A
2) W generatorze ustawić sygnał sinusoidalny (przycisk Sine ), o częstotliwości 1 Hz (zakładka Freq ,
następnie wpisać wartość z klawiatury lub ustawić pokrętłem) i wartości międzyszczytowej (peak-peak)
10 V (zakładka Ampl , następnie wpisać wartość z klawiatury lub ustawić pokrętłem). Włączyć wyjście
generatora przyciskiem Output sąsiadującym ze złączem wyjściowym.
3) Włączyć oba kanały oscyloskopu (przyciski CH1 i CH2 obok ekranu). Oscyloskop zsynchronizować do
sygnału z generatora (włączyć menu synchronizacji przyciskiem Menu z sekcji TRIGGER; następnie
wybrać SOURCE → CH1 oraz SLOPE → RISING). Pokrętłem SCALE z sekcji VERTICAL ustawić kolejno
wzmocnienie w obu kanałach na 2 V/dz. Pokrętłem POSITION z grupy VERTICAL ustawić masę kanału 1
na środek ekranu, a kanału 2 na jedną działkę poniżej środka (-2V). Pokrętłem SCALE z grupy
HORIZONTAL ustawić szybkość odchylania poziomego na 200 ms/dz.
str. 3
4) Zaobserwować przebieg wejściowy i wyjściowy na ekranie oscyloskopu oraz zachowanie się diod
reprezentujących wartość wyjściową przetwornika A/C w kodzie unitarnym. Włączyć pomiary kursorowe
przyciskiem Cursor , a następnie wybrać tryb ręczny (MODE → MANUAL), pomiar parametrów
napięciowych (TYPE → Y) i kanał 2 (SOURCE → CH2). Włączyć pomiary (przycisk Measure ) i ustawić
pomiar składowych stałych w obu kanałach (SOURCE → CH1 i VOLTAGE → Vavg, a następnie SOURCE →
CH2 i VOLTAGE → Vavg). Z użyciem kursorów wyznaczyć i zapisać w sprawozdaniu amplitudy obu
sygnałów, a także zapisać wyświetlone na ekranie wartości średnie. Zanotować ilość przyjmowanych
przez napięcie wyjściowe poziomów napięcia i na ich podstawie wywnioskować o rozdzielczości
badanego toru przetwarzania. Pomiar parametrów i zliczanie poziomów napięcia można uprościć
korzystając z przycisku Start/Stop . Dlaczego napięcie wyjściowe przetwornika C/A ma inną
amplitudę i składową stałą niż napięcie wejściowe?
5) Ustawić w generatorze częstotliwość 100 Hz (zakładka Freq , następnie wpisać z klawiatury). Wartość
współczynnika podstawy czasu oscyloskopu ustawić pokrętłem SCALE z grupy HORIZONTAL, tak aby na
ekranie pokazały się 1-2 okresy sygnału. W generatorze wybrać zakładkę Ampl i pokrętłem zmieniać
wartość międzyszczytową napięcia generatora w zakresie 2-12 V, co 2 V. Dla każdej wartości określić
ilość poziomów dyskretnych przyjmowanych przez napięcie wyjściowe oraz (z użyciem kursorów)
amplitudę napięcia wyjściowego. Wyniki zestawić w tabeli 1 w sprawozdaniu. Czy dla sygnałów o
małych amplitudach zmienia się rozdzielczość przetwornika? Jakie zmiany w sygnale następują, gdy
amplituda napięcia wejściowego przekracza 10 V? Czy te zmiany wynikają z właściwości przetwornika
A/C, czy C/A ?
4) Ustawić na generatorze amplitudę 10 V (zakładka Ampl i wpisać z klawiatury). Wybrać zakładkę Freq i
pokrętłem zwiększać częstotliwość, co 1 kHz. Cały czas ustawiać wartość współczynnika podstawy czasu,
tak aby na ekranie były 1-3 okresy sygnału. Jako częstotliwość graniczną toru przetwarzania zanotować
wartość częstotliwości, przy której przebieg wyjściowy przestaje być skwantowany, czyli przejścia
pomiędzy kolejnymi poziomami napięcia nie są skokowe. Czy ta wartość częstotliwości wynika z
właściwości dynamicznych części cyfrowej, czy analogowej toru przetwarzania?
str. 4
2. Wyznaczenie charakterystyk i błędów statycznych przetwornika A/C z bezpośrednim porównaniem
oraz scalonego przetwornika C/A z sumowaniem prądów.
1) Obiektem badań pozostaje tor przetwarzania A/C-C/A z punktu 1. Połączyć układ według schematu
przedstawionego na rysunku 3. Przed włączeniem zasilania zakres zasilacza ustawić przełącznikiem na ±5
V, a wartość napięcia wyjściowego na minimum (-5 V).
Zasilacz
DC
BNC
Tor A/C – C/A
BNC
V2
V1
Rysunek 3 Schemat układu do wyznaczenia charakterystyk statycznych przetworników A/C i C/A.
Zasilacz DC o precyzyjnej regulacji napięcia; woltomierze V 1 i V2 – multimetry DM3501 i GDM-8051
(kolejność dowolna).
2) Napięcie wejściowe powoli zwiększać, tak aby uzyskiwać zapalanie kolejnych diod wskaźnika kodu
unitarnego (lub zmiany kodu dziesiętnego). Dla każdej wartości kodu (włącznie z zerem) zapisywać
wartość napięcia wyjściowego w tabeli 3 (rubryka „napięcie wyjściowe UCA”). Przy każdej zmianie kodu
zapisywać wartość napięcia wejściowego w tabeli 2 (rubryka „napięcie wejściowe UAC1”).
3) Ze względu na występowanie zjawiska histerezy w przetworniku A/C, badanie należy powtórzyć, tym
razem obniżając napięcie wejściowe od maksymalnego. Dla każdej zmiany kodu zapisywać napięcie
wejściowe w tabeli 2 (rubryka „napięcie wejściowe UAC2”).
4) Na podstawie zapisanych w tabeli wartości napięć obliczyć: wartość kwantu, teoretyczne napięcia
komutacji A/C i wyjściowe C/A oraz błędy komutacji i histerezy (tylko dla przetwornika A/C). Wyniki
zestawić w sprawozdaniu. Z czego wynikają poszczególne błędy? Jaka jest minimalna wartość błędu
przetwornika N-bitowego?
str. 5
3. Obserwacja przebiegów w wybranych punktach kompensacyjnego przetwornika A/C.
Badanym w tym punkcie ćwiczenia urządzeniem jest kompensacyjny przetwornik A/C. Jest to przetwornik
8-bitowy, o zakresie napięć wejściowych 0-3 V. Może pracować zarówno w trybie kompensacji
równomiernej, jak i kompensacji wagowej. Do taktowania przetwornika wykorzystać można zegar
wewnętrzny lub zewnętrzny; dla dokładnego zaobserwowania zmian stanu przetwornik może być
taktowany ręcznie za pomocą przycisku na obudowie.
3.1 Kompensacja wagowa ze sterowaniem ręcznym
1) Do wejścia przetwornika należy podłączyć napięcie z zasilacza regulowanego, a sygnały z układu
próbkująco-pamiętającego (Upp) i przetwornika C/A (Ux) podać na kanały wejścowe oscyloskopu. Przed
włączeniem zasilacza ustawić zakres 0-5 V i napięcie 0 V. Dla zapewnienia synchronizacji do wejścia
wyzwalania zewnętrznego oscyloskopu należy podłączyć sygnał z wyjścia SYNC przetwornika, a
oscyloskop ustawić w tryb wyzwalania normalnego synchronizowanego sygnałem zewnętrznym
(przycisk Menu z sekcji TRIGGER, następnie SWEEP → NORMAL oraz SOURCE → EXT). Schemat połączeń
układu przedstawia rysunek 5.
BNC
Zasilacz
DC
BNC
Przetwornik SYNC
kompensacyjny
Ux
Upp
BNC
OSC
CH1
CH2
EXT
BNC
Rysunek 5 Układ do obserwacji sygnałów w przetworniku kompensacyjnym
2) Przetwornik przełączyć w tryb taktowania ręcznego (przycisk STEROWANIE RĘCZNE zaświecony), włączyć
kompensację wagową (przycisk KOMPENSACJA WAGOWA zaświecony). W tym trybie kolejne kroki cyklu
kompensacji realizowane są za pomocą przycisku KROK.
3) W zasilaczu nastawić dowolne napięcie wejściowe w zakresie 0-3 V (można posłużyć się multimetrem).
Taktując pracę przetwornika przyciskiem KROK obserwować zapalanie i gaszenie poszczególnych diod
kodu binarnego. Eksperyment powtórzyć dla kilku napięć wejściowych. Policzyć ilość kroków potrzebną
do przeprowadzenia całego pomiaru. Od czego zależy ilość kroków kompensacji?
3.2 Kompensacja wagowa ze sterowaniem generatorem wewnętrznym
4) Przetwornik przełączyć w tryb pracy z generatorem wewnętrznym (zgaszone przyciski STEROWANIE
RĘCZNE i GENERATOR ZEWNĘTRZNY, zaświecony KOMPENSACJA WAGOWA). W tym trybie cykl
kompensacji realizowany jest automatycznie.
5) Prześledzić przebieg cyklu kompensacji i zmiany w nim zachodzące dla różnych wartości napięcia
wejściowego z zakresu 0-3 V. Wyznaczyć czas porównania pojedynczego bitu, czas trwania całego cyklu
kompensacji oraz okres powtarzania cyklu kompensacji. Jeden, wybrany przebieg przerysować do
sprawozdania i oznaczyć poszczególne etapy. Czy czas trwania cyklu kompensacji zależy od napięcia
wejściowego? Który z wyznaczonych czasów jest okresem próbkowania przetwornika?
str. 6
3.3 Kompensacja równomierna z generatorem wewnętrznym
8) Wyłączyć taktowanie ręczne i kompensację wagową, włączyć generator wewnętrzny (zgaszone przyciski
STEROWANIE RĘCZNE, GENERATOR ZEWNĘTRZNY i KOMPENSACJA WAGOWA).
9) Dla kilku różnych wartości napięcia wejściowego z zakresu 0-3 V wyznaczyć czas trwania pojedynczego
cyklu kompensacji Tk. Regulując czułość oscyloskopu i położenie obrazu na ekranie, doprowadzić do
pokazania na ekranie czytelnego przebiegu schodkowego napięcia U x. Wyznaczyć wartość pojedynczego
kwantu i czas trwania porównania pojedynczej wartości Tq. Wyznaczyć też okres powtarzania
kompensacji Tp. Wyniki zestawić w tabeli 4. Jak czas trwania kompensacji zależy od wartości napięcia
wejściowego? Czy czas porównania pojedynczej wartości różni się od czasu porównania dla kompensacji
wagowej? W którym trybie – z kompensacją wagową czy równomierną cykle kompensacji mogą być
wykonywane częściej?
str. 7
4. Obserwacja przebiegów w wybranych punktach przetwornika A/C z dwukrotnym całkowaniem.
W ćwiczeniu wykorzystywany jest woltomierz tablicowy V-628 w obudowie z wyprowadzonymi sygnałami
wewnętrznymi. Przyrząd jest zasilany napięciem 230 V. Wyłącznik znajduje się z tyłu obudowy.
1) Sygnał napięcia na kondensatorze całkującym przetwornika (wyjście 3) podłączyć do wejścia CH1
oscyloskopu, a sygnał sterowania kluczem napięcia odniesienia (wyjście 2) – do wejścia CH2. Sygnał
sterowania kluczem posłuży do synchronizowania oscyloskopu. Napięcie wejściowe dla przetwornika
dostarcza zasilacz regulowany. Należy ustawić na nim zakres 0-5 V i napięcie 0 V. Wartość ustawionego
napięcia można odczytywać z wyświetlacza badanego przetwornika.
OSC
CH1
Zasilacz
DC
Przetwornik
całkujący
3
CH2
EXT
BNC
BNC
2
Rysunek 6 Schemat układu do obserwacji napięcia całkowania w przetworniku z dwukrotnym całkowaniem.
2) W oscyloskopie ustawić odchylanie poziome 5 ms/dz. Oscyloskop ustawić w tryb synchronizacji sygnałem
w kanale 2 (przysisk Menu z grupy TRIGGER, a następnie SOURCE → CH2, SWEEP → NORMAL). W kanale
2 ustawić wzmocnienie 5 V/dz i pokrętłem LEVEL z sekcji TRIGGER ustawić poziom wyzwalania na około
połowę amplitudy sygnału. W kanale 1 ustawić wzmocnienie 200 mV/dz.
3) Dla trzech różnych, niezerowych i nieprzekraczających zakresu przetwornika napięć przerysować
przebiegi z ekranu oscyloskopu do sprawozdania. Parametry zaobserwowanych przebiegów wprowadzić
do tabeli 6 w sprawozdaniu, posługując się rysunkiem 7 jako przykładem. Określić zależność
poszczególnych parametrów przebiegu od napięcia wejściowego. Której w tych wartości odpowiada
wynik przetwarzania, prezentowany na wyświetlaczu przetwornika?
Um
T1
T2
Rysunek 7 Parametry przebiegu napięcia całkowania w przetworniku z dwukrotnym całkowaniem.
str. 8
5. Badanie odporności na zakłócenia o różnych częstotliwościach multimetru z całkującym
przetwornikiem A/C.
1) Podłączyć multimetr Rigol DM3501 do wyjścia 1 generatora funkcyjnego Rigol DG1022.
2) Na generatorze ustawić napięcie sinusoidalne o amplitudzie 1 V oraz składową stałą 2 V (przycisk Sine,
następnie zakładka Ampl i wpisać 1 V oraz zakładka Offset i wpisać 2 V). Multimetr ustawić w tryb
pomiaru napięcia stałego (DCV). Włączyć wyjście generatora. Uwaga: w tym punkcie ćwiczenia składową
stałą generatora traktujemy jako wartość mierzoną, a napięcie zmienne symuluje zakłócenie.
3) W multimetrze włączyć funkcje statystyczne – przycisk Math , następnie zakładka Stats → ALL i po
powrocie do głównego menu operacji matematycznych opcja ON. Zerowanie wyliczonych wartości
statystycznych (potrzebne w następnym punkcie) przeprowadza się przez wyłączenie i włączenie funkcji
matematycznych z menu udostępnianego przez przycisk Math .
4) Ustawić częstotliwość składowej sinusoidalnej napięcia generatora na 20 Hz (zakładka Freq i wpisać z
klawiatury). Wyzerować wartości statystyczne wyliczone przez multimetr. Odczekać do wykonania co
najmniej 30 pomiarów (warość wyświetlana na ekranie jako Total). Wartość minimalną i maksymalną
wpisać do tabeli 7 w sprawozdaniu. Uwaga: należy notować wszystkie cyfry wyniku. Procedurę
powtórzyć dla częstotliwości zwiększanych co 10 Hz aż do 120 Hz.
5) Na podstawie wyników zanotowanych w tabeli 7 wyznaczyć rozrzuty napięć dla poszczególnych
częstotliwości. Wartości przedstawić graficznie w formie wykresu. Dla jakich częstotliwości występuje
maksymalne tłumienie zakłóceń (najmniejszy rozrzut wyników)? Z jakiego powodu konstruktor przyrządu
wybrał te częstotliwości?
str. 9