UX - IMiUE

POLITECHNIKA ŚLĄSKA
WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA I ENERGETYKI
INSTYTUT MASZYN I URZĄDZEŃ ENERGETYCZNYCH
LABORATORIUM ELEKTRYCZNE
Przetworniki analogowo-cyfrowe.
(E – 11)
Opracował: Dr inż. Włodzimierz OGULEWICZ
1. Cel ćwiczenia.
Celem ćwiczenia jest poznanie metod przetwarzania analogowo–cyfrowego a
w szczególności metody kompensacyjnej równomiernej oraz poznanie
przetworników napięcie – częstotliwość (U/f) i rezystancja – szerokość impulsu
(R/t).
2. Wprowadzenie.
2.1. Przetwarzanie analogowo–cyfrowe. Pojęcia podstawowe.
Przetworniki (konwertery) analogowo-cyfrowe (P A/C) to urządzenia,
przetwarzające ciągły analogowy sygnał wejściowy (jedno wejście) na
odpowiadający mu dyskretny cyfrowy sygnał wyjściowy (n wyjść
dwustanowych). W procesie konwersji analogowo – cyfrowej zachodzi:
q kwantowanie sygnału (dyskretyzacja w poziomie przeważnie w
dziedzinie napięcia),
q próbkowanie sygnału (dyskretyzacja w dziedzinie czasu),
q kodowanie sygnału.
Procesy te mogą przebiegać równocześnie lub kolejno.
[Patrz również instrukcja M – 15 LABORATORIUM METROLOGII ].
2.2. Metody przetwarzania A/C (analogowo-cyfrowego)
(ang. Analog-to-Digital Converter)
Metody przetwarzania A/C dzielimy na:
Metody pośrednie
q metoda czasowo-impulsowa
Ø prosta (pojedynczego całkowania)
Ø z podwójnym całkowaniem
ü z potrójnym całkowaniem
q metoda częstotliwościowa
Ø prosta
ü z podwójnym przetwarzaniem
Ø delta – sigma (D - S)
Metody bezpośrednie
q metoda kompensacyjna
Ø kompensacji równomiernej
Ø kompensacji wagowej
q metoda bezpośredniego porównania
Ø równoległego porównania
Metody kombinowane (dwustopniowe)(dwutaktowe)(kaskadowe)
Ø szeregowo-równoległego porównania
ü częstotliwościowo-kompensacyjna
ü częstotliwościowo-czasowa
2.3. Przegląd wybranych
cyfrowego.
metod
przetwarzania
analogowo-
Przegląd zawiera: schematy blokowe, wykresy czasowe i opis podstawowych
własności poszczególnych metod.
2.3.1. Metoda czasowo–impulsowa prosta.
UIW
Licznik
K.
G. N. L.
NX
UIW
t
Oznaczenia poniżej.
STOP
START
STOP
START
K.
UNL
UNL
t
START
UX
UX
STOP
G. I. W.
t
Metoda czasowo-impulsowa prosta przetwarzania A/C jest mało dokładna i
stosunkowo wolna (im większe napięcie mierzone tym dłuższy czas odpowiedzi).
Metoda ta przetwarza wartości chwilowe wejściowego przebiegu analogowego.
START
2.3.2. Metoda czasowo–impulsowa z podwójnym całkowaniem.
òUdx
-UN ×sngUX
Licznik
K.
STOP
UIW
START
START
G. I. W.
START
UX
UX
-UN ×sngUX
t
UIW
t
NX
t
0000 0000 0000
1111 1111 1111
Oznaczenia:
K.
- komparator (układ porównujący).
G.I.W. - generator impulsów wzorcowych.
G.N.L. - generator napięcia liniowo narastającego.
òUdx - integrator (układ całkujący).
0000 0000 0000
START przetwarzania UX
NX
Metoda przetwarzania A/C czasowo-impulsowa z podwójnym całkowaniem
jest średnio dokładna i wolna (czas odpowiedzi zależy od wartości napięcia
mierzonego). Metoda ta przetwarza wartości średnie wejściowego przebiegu
analogowego (czas uśredniania jest zmienny, zależny od wartości napięcia).
2.3.3. Metody częstotliwościowe.
G.O.T.W.
UX
òUdx
UTW
Licznik
K.
fX
UW
UW
t
fX
NX
G.I.R.
UX
t
STOP - START
UTW
Oznaczenia:
G.O.T.W. - generator odcinka czasu wzorcowego.
G.I.R.
- generator impulsów rozładowujących.
UW
- źródło napięcia wzorcowego.
t
NX
Metody częstotliwościowego przetwarzania A/C są średnio dokładne i wolne
(czas odpowiedzi nie zależy od wartości napięcia wejściowego). Metody te
przetwarzają wartości średnie wejściowego przebiegu analogowego (czas
uśredniania jest stały). Metoda częstotliwościowa z podwójnym przetwarzaniem
jest znacznie szybsza od metody prostej.
Metoda delta-sigma ( D – S )
Generator Odcinka
Czasu Wzorcowego
UX - sygnał
analogowy
G.I.W.
Dz.Cz.
f/N
UTW
Licznik
fW
R
C
kU
NX
Rejestr rów.
UK
K.
fX
Ux / fx
D Q
B1
C Q
B2
Deszyfrator
Wyświetlacz
Zał. - Wył.
Napięcie
Wzorcowe
-UWsgnUX
fW >> fGR Syg
Metoda przetwarzania A/C częstotliwościowa delta-sigma ma cechy
analogiczne do metody częstotliwościowej prostej.
2.3.4. Metoda kompensacyjna równomierna.
G. I. W.
UIW
UX
K.
UX
Licznik
UK
STOP
START
Wpis
START
Przetwornik
C/A (cyfrowoanalogowy
)
UK
STOP
t
Rejestr równoległy
t
NX
NX
Metoda kompensacyjna równomierna przetwarzania A/C jest dokładna i wolna
(im większe napięcie mierzone tym dłuższy czas odpowiedzi). Metoda ta
przetwarza wartości chwilowe wejściowego.
2.3.5. Metoda kompensacyjna wagowa.
Układ
próbkującopamiętający
K.
Układ
sterujący
U
UK
UX
4
Rejestr równoległy
NX
8
Wpis
UK
US
Przetwornik
C/A (cyfrowoanalogowy
)
UX
2
1
t
2
4
6
8
10
12
Metoda kompensacyjna wagowa przetwarzania A/C jest dokładna i szybka
(czas przetwarzania jest stały nie zależy od napięcie wejściowego). Metoda ta
(z koniecznym układem próbkująco – pamiętającym) przetwarza wartości
chwilowe wejściowego przebiegu analogowego.
14
2.3.6. Metoda bezpośredniego porównania równoległa.
Źródło
Napięcia
Wzorcowego
Komparator n
R
R
R
R
R
R
R
Komparator n-1
Komparator k+1
Komparator k
Komparator k-1
Komparator 3
L
L
TRANSKODER
UX-sygnał analogowy
L
L
H
H
Komparator 2
H
Komparator 1
H
sygnał
cyfrowy
Metoda bezpośredniego porównania
równoległa przetwarzania A/C jest mało
dokładna i bardzo szybka (czas
przetwarzania jest stały równy czasowi
propagacji sygnału, nie zależy od
napięcie wejściowego). Metoda ta
przetwarza
wartości
chwilowe
wejściowego przebiegu analogowego.
R
2.3.7. Metoda dwustopniowa szeregowo – równoległego porównania.
UX - sygnał analogowy
Przetwornik A/C
(szybki)
np. bezpośredniego
porównania równoległy
Układ
odejmujący
np. wzmacniacz
operacyjny
UX - UK
UK
Przetwornik
C/A (cyfrowo-analogowy)
Przetwornik A/C
(szybki)
np. bezpośredniego
porównania równoległy
Metoda szeregowo–równoległego porównania jest mało
dokładna ale bardzo szybka (czas przetwarzania jest
stały nie zależy od napięcie wejściowego). Metoda
przetwarza wartości chwilowe przebiegu wejściowego.
Rejestr buforowy
NX
3. Badania i pomiary.
3.1. Schematy układów pomiarowych.
Ćwiczenie wykonuje się kolejno na trzech stanowiskach pomiarowych.
Schematy układów pomiarowych przedstawiono na poniższych rysunkach.
Generator
impulsów
taktujących
Bramka
Źródło
UX
napięcia
mierzonego
Licznik
Komparator
Przetwornik
C/A (cyfrowoanalogowy)
V
UK
V
UO
V
Źródło
napięcia
odniesienia
Rys.1. Układ pomiarowy przetwornika kompensacyjnego równomiernego.
Opornica
dekadowa
Przetwornik R / Dt
(rezystancjaprzedział czasu)
Oscyloskop
Rys.2. Układ pomiarowy przetwornika rezystancja – przedział czasu.
Generator
impulsów
taktujących
Licznik
Przetwornik U / f
(napięcie-częstotliwość)
Źródło
napięcia
mierzonego
GMC-018
fX
Oscyloskop
f
UX
V
Rys.3. Układ pomiarowy przetwornika napięcie – częstotliwość.
3.2. Przebieg ćwiczenia.
1. W układzie pomiarowym przetwornika kompensacyjnego równomiernego
(rys.1.) należy dokonać odczytu słowa binarnego 10 bitowego z
wyświetlacza złożonego z 10 diod elektroluminescencyjnych LED (dioda
załączona – świecąca ≡ 1, dioda wyłączona – zgaszona ≡ 0) dla kolejnych,
podanych przez prowadzącego zajęcia, napięć wejściowych. Należy ustalić
moment przepełnienia licznika i wyznaczyć wartość napięcie odniesienia
(referencji). Przed kolejnym pomiarem licznik trzeba wyzerować!. Wyniki
pomiarów należy sukcesywnie notować w tabeli pomiarowej (przedstawionej
poniżej).
Przetwornik kompensacyjny równomierny (UX/NX)
U
NX
nX
[V]
liczba binarna
liczba
dziesiętna
0,1
1,0
1,9
itd.
Po dokonaniu pomiarów liczbę binarną należy przeliczyć na dziesiętną.
2. W układzie pomiarowym przetwornika rezystancja – przedział czasu
(rys.2.) należy dokonać pomiaru czasu trwania impulsu prostokątnego na
wyjściu przetwornika RX/DtX w funkcji rezystancji wejściowej (wartości
rezystancji podaje prowadzący ćwiczenia). Pomiaru czasu trwania impulsu
dokonuje się oscyloskopem umożliwiającym, oprócz obserwacji przebiegu,
cyfrowy pomiar odcinka czasu pomiędzy ustawianymi na ekranie
znacznikami początku i końca impulsu prostokątnego. Wyniki pomiarów
należy sukcesywnie notować w tabeli pomiarowej (przedstawionej poniżej).
Przetwornik (RX / DtX)
R
W
100
103
itd.
t
ms
UWAGA:
Wskazania wyświetlacza pomiaru czasu zsynchronizowane są z nastawami
generatora podstawy czasu oscyloskopu – co zdecydowanie ułatwia pomiar.
3.
W układzie pomiarowym przetwornika napięcie – częstotliwość (rys.3.)
należy dokonać pomiaru częstotliwości na wyjściu przetwornika U/f w
funkcji napięcia wejściowego (wartości napięć wejściowych podaje
prowadzący ćwiczenia). Do wyjścia przetwornika podłączony jest również
oscyloskop dwukanałowy umożliwiający obserwację przebiegu
wyjściowego (kanał 2) na tle przebiegu odniesienia – napięcie z generatora
impulsów taktujących (kanał 1). Przetwornikiem badanym to monolityczny
układ hybrydowy GMC-018-1 o napięciu wejściowym 0 ÷ 2 [V].
Proponowana częstotliwość odniesienia 10 kHz. (Karta katalogowa
przetwornika napięcie-częstotliwość do wglądu u prowadzącego zajęcia).
Wyniki pomiarów należy sukcesywnie notować w tabeli pomiarowej
(przedstawionej poniżej).
Przetwornik (UX / fX)
U
V
0,05
0,10
itd.
f
kHz
4. Opracowanie wyników pomiarów.
1.
2.
Sporządzić wykresy zależności:
a. NX = f(UX) (dla przetwornika kompensacyjnego równomiernego – trzy
serie na jednym wykresie).
b. DtX = f(RX) (dla przetwornika rezystancja – przedział czasu trzy serie
na jednym wykresie).
c. fX = f(UX) (dla przetwornika napięcie – częstotliwość trzy serie na
jednym wykresie).
Na wykresach należy nanieść linie trendu wraz z podaniem współczynników
regresji liniowej (y = ax + b => prosta regresji).
5. Sprawozdanie.
Sprawozdanie powinno zawierać:
1. Stronę tytułową (nazwę ćwiczenia, numer sekcji, nazwiska i imiona ćwiczących
oraz datę wykonania ćwiczenia).
2.
3.
4.
5.
Schematy układów pomiarowych.
Tabele wyników pomiarowych ze wszystkich stanowisk.
Wykresy podanych (w pkt 4) zależności.
Uwagi i wnioski (dotyczące przebiegu charakterystyk, ich odstępstw od
przebiegów teoretycznych, rozbieżności wyników różnych serii pomiarowych itp.).
Grupa I
Przetwornik "rezystancja - Przetwornik "napięcie odcinek czasu" (R - Dt)
częstotliwość" (U - f)
Przetwornik kompensacyjny równomierny (U - Nx)
R
Dt
U
f
U
Nx
nX
W
ms
V
kHz
V
liczba binarna
liczba dziesiętna
x x x x x x x x x x
X
102
0,10
0,1
105
0,25
1,0
108
0,40
1,9
111
0,55
2,8
114
0,70
3,7
117
0,85
4,6
120
1,00
5,5
123
1,15
6,4
126
1,30
7,3
129
1,45
8,2
132
1,60
9,1
X
X
1,75
10,0
X
X
1,90
X
Grupa II
Przetwornik "rezystancja - Przetwornik "napięcie odcinek czasu" (R - Dt)
częstotliwość" (U - f)
Przetwornik kompensacyjny równomierny (U - Nx)
R
Dt
U
f
U
Nx
nX
W
ms
V
kHz
V
liczba binarna
liczba dziesiętna
x x x x x x x x x x
X
101
0,05
0,7
104
0,20
1,6
107
0,35
2,5
110
0,50
3,4
113
0,65
4,3
116
0,80
5,2
119
0,95
6,1
122
1,10
7,0
125
1,25
7,9
128
1,40
8,8
131
1,55
9,7
X
X
1,70
10,2
X
X
1,85
X
Grupa III
Przetwornik "rezystancja odcinek czasu" (R - Dt)
Przetwornik "napięcie częstotliwość" (U - f)
Przetwornik kompensacyjny równomierny (U - Nx)
R
Dt
U
f
U
Nx
nX
W
ms
V
kHz
V
liczba binarna
liczba dziesiętna
x x x x x x x x x x
X
100
0,15
0,4
103
0,30
1,3
106
0,45
2,2
109
0,60
3,1
112
0,75
4,0
115
0,90
4,9
118
1,05
5,8
121
1,20
6,7
124
1,35
7,6
127
1,50
8,5
130
1,65
9,4
X
X
1,80
10,1
X
X
1,95
X