Wykład nr

Transkrypt

1

2 2/53 Podstawowe pojęcia techniki cyfrowej Przetworniki analogowo cyfrowe (A/C) Wykład nr

3 3/53 Sygnały cyfrowe Digital signals

4 4/53 Sygnał cyfrowy Miernictwo cyfrowe operuje sygnałami dyskretnymi, które mają postać impulsów napięciowych o krótszym lub dłuższym czasie trwania. Impulsy takie stanowią najprostszy sygnał logiczny tzw. binarny (dwustanowy, zero-jedynkowy). Może on przybierać jedynie dwa możliwe stany stan niski i wysoki.

5 5/53 Poziomy sygnałów cyfrowych U 2 5 V H 2,5 V,8V L zakłócenia t Rysunek przedstawia krótkotrwały impuls napięciowy sygnału cyfrowego TTL, który jest typowym przedstawicielem całego zbioru impulsów reprezentujących np. określoną wartość mierzonego napięcia analogowego. Drugi z impulsów jest typowym impulsem o długim czasie trwania. Może to być na przykład sygnał otwierający bramkę elektroniczną na czas, sekundy.

6 6/53 Układy TTL W układach tych amplituda impulsów napięciowych ma wartość ok. 5 V. Napięcie to określa tak zwany poziom wysoki (H high) sygnału cyfrowego. Poziom wysoki ma sygnał cyfrowy gdy jego wartość nie przekracza dolnej granicy 2,5 V. Poziom niski (L low) zachowuje swoją wartość niską gdy nie przekracza górnej granicy,8 V. Ma to ważne znaczenie ze względu na nieuchronne zakłócenia, jakie mogą zniekształcić informację niesioną przez sygnał cyfrowy. W związku z tym, iż nie da się ustalić jednego potencjału rozdzielającego, pomiędzy dwoma poziomami H i L umiejscowiono obszar zabroniony. Ustalono go ze względu na podstawowe zjawiska występujące w praktyce tj. występujące sygnały zakłócające i rozrzut parametrów układów logicznych.

7 7/53 Poziomy napięć w układach logicznych Serie HCT i ACT z rodziny CMOS, projektowane specjalnie jako zamienniki układów TTL (zasilanie +5 V) Zakres częstotliwości układów CMOS wynosi od 2 MHz (seria 4B/74C) do około MHz (seria AC/ACT). CMOS wrażliwe na ładunki elektrostatyczne.

8 8/53 Sygnał cyfrowy Informacja cyfrowa (wynik pomiaru w postaci cyfrowej) jest zbiorem odpowiednio uszeregowanych poziomów niskich i poziomów wysokich napięcia. Impuls, który pod wpływem zakłócenia stracił swój wysoki poziom wnosi do przesyłanej informacji określony błąd. Podobnie dzieje się gdy przerwa między impulsami odpowiadająca poziomowi niskiemu zostanie zakłócona przez jakieś napięcie na przykład o wartości przewyższającej V. Z tego względu zarówno poziomy wysoki i niski są reprezentowane przez pewne przedziały napięć, co w znacznym stopniu uodpornia je na zakłócenia.

9 9/53 Źródła zakłóceń napięcia zasilającego, uziemieniowe, przesłuchowe w liniach transmisyjnych, odbiciowe w liniach transmisyjnych, zewnętrzne.

10 /53 Sygnał cyfrowy Czas przełączania jest jednym z najważniejszych parametrów układów logicznych. Jest on definiowany jako czas przejścia z jednego stanu logicznego w drugi. Czas ten zawiera się w granicach % do 9% wartości amplitudy napięcia.

11 /53 Układy logiczne Logic circuits

12 2/53 Sygnały cyfrowe charakteryzują się stosunkowo dużą odpornością na zakłócenia i zniekształcenia. Układy elektroniczne stosowane do przetwarzania sygnałów cyfrowych noszą nazwę układów logicznych. Układy logiczne charakteryzują się tym, że jako wartość wejściową i wyjściową wykorzystują sygnał elektryczny odzwierciedlający wartości dyskretne w postaci zera i jedynki. Układy logiczne dzielone są na kombinacyjne i sekwencyjne. Układy kombinacyjne to takie, którym dana kombinacja sygnałów wejściowych wywołuje jedną kombinację sygnałów wyjściowych. Sekwencyjne to takie, w których sygnały wyjściowe zależą nie tylko od stanu sygnałów na wejściu, lecz także od stanów wewnętrznych układu (pamięci stanów logicznych)

13 3/53 Funktorami nazywamy podstawowe układy kombinacyjne realizujące funkcje logiczne. Są to kombinacyjne układy cyfrowe realizujące funkcje logiczne takie jak: AND, OR, NOT, NAND, NOR, Ex-OR, Ex-NOR. Zbiór funktorów, który pozwala zrealizować dowolną funkcję logiczną nazywamy systemem funkcjonalnie pełnym. Oznacza to, że wystarczy dysponować dwoma rodzajami funktorów na przykład AND i NOT, aby zrealizować dowolny układ.

14 4/53 Przetwarzanie sygnału logicznego Bramka NOT (negacja) Jest to najprostsza bramka, której zadaniem jest odwracanie (negowanie) sygnału wejściowego. Gdy na wejściu ustawimy sygnał "" to na wyjściu otrzymamy "", a gdy na wejściu ustawimy "" to na wyjściu pojawi się "". Wejście bramki przedstawionej poniżej znajduje się po lewej stronie, a po prawej jest jej wyjście. Bramka ta zawsze ma tylko jedno wejście. Układ scalony zawierający bramki NOT to na przykład układ 744. Wejście Wyjście

15 5/53 Przetwarzanie sygnału logicznego Bramka AND (iloczyn) Bramka ta realizuje tak zwany iloczyn logiczny. Na wyjściu stan "" występuje tylko i wyłącznie wtedy gdy na wszystkich wejściach bramki ustawiony jest również stan logiczny "". Bramka ta posiada co najmniej dwa wejścia - teoretycznie nieskończenie wiele. W praktyce spotyka się bramki posiadające do 8 wejść. Natomiast wyjście wszystkie bramki mają tylko jedno. Bramki AND można znaleźć np. w układzie 748. Wejście Wejście 2 Wyjście

16 6/53 Przetwarzanie sygnału logicznego Bramka OR (suma) Jest to bramka sumy logicznej. W przypadku tej bramki wystarczy aby choć na jednym z jej wejść pojawił się stan "" i wtedy na wyjściu również pojawi się jedynka logiczna "". Odnośnie ilości możliwych wejść - jak wyżej. Bramki OR znajdują się między innymi w układzie Wejście Wejście 2 Wyjście

17 7/53 Przetwarzanie sygnału logicznego Bramka NAND (negacja iloczynu) Bramka ta reprezentuje połączenie bramki AND i NOT. Zero logiczne "" na wyjściu jest ustawiane tylko wtedy gdy na obu wejściach jest jedynka logiczna "". W pozostałych przypadkach na wyjściu zawsze jest stan "". Widać więc, że jest ona dokładną odwrotnością bramki AND - porównaj tablice prawdy dla obu bramek. Również i ta bramka może mieć wiele wejść i tylko jedno wyjście. Bardzo popularnym układem scalonym jest układ 74 zawierający cztery bramki NAND. Wejście Wejście 2 Wyjście

18 8/53 Przetwarzanie sygnału logicznego Bramka NOR (negacja sumy) Wejście Wejście 2 Wyjście Bramka XOR (Exclusive OR) Wejście p Wejście q Wyjście

19 9/53 Przetwarzanie sygnału logicznego Field Programmable Gate Array (FPGA, z ang. bezpośrednio programowalna macierz bramek) jest to rodzaj programowalnego układu logicznego. 4 MHz processor, 256 MB nonvolatile storage, 28 MB DRAM for deterministic control and analysis Integrated 2M gate reconfigurable I/O (RIO) Xilinx Spartan FPGA for custom timing, inline processing, and control 3.3 V (TTL compatible/5 V tolerant) DIO lines, 32 6-bit analog inputs /BASE-T Ethernet port and RS232 serial port, 9 to 3 VDC supply input sbrio-962 features -2 to 55 C operating temperature range, sbrio-962xt expands to -4 to 85 C

20 2/53 Dyskretyzacja Kwantyzacja Kodowanie Sampling Quantization Encoding Dyskretyzacja Kwantyzacja Kodowanie

21 2/53 Dyskretyzacja i kwantyzacja Zmiana ciągłych (analogowych) wartości wejściowych (sygnału odpowiadającego mierzonej wielkości fizycznej X) na kody binarne. Kwantyzacja sygnału analogowego odbywa się w momentach czasu zdeterminowanych częstotliwością próbkowania Δt. e K Wejściowy sygnał analogowy jest zatem aproksymowany poziomami reprezentacji, a różnica pomiędzy wartością skwantowaną i oryginalną jest nazywana błędem kwantyzacji e K. Rozmieszczenie i liczba poziomów kwantyzacji oraz rozmieszczenie poziomów decyzyjnych determinują dokładność przetwarzania.

22 22/53 Kodowanie Postać cyfrowa sygnału zapis binarny (3 bity)

23 23/53 Postać cyfrowa sygnału zapis binarny Ilość informacji I, jaką może wygenerować urządzenie o n bitach dana jest wzorem: n I I 2 n Dyskretyzacja Kwantyzacja Kodowanie 8 255

24 24/53 Przetwarzanie sygnału analogowego na cyfrowy Kwantyzacja rzeczywistego sygnału Kodowanie Przykład Pełna skala pomiaru (zakres przetwarzania) od do 64 V Rozdzielczość przetwornika jest równa 8 bitów, czyli 2 8 =256 poziomów kwantyzacji Rozdzielczość napięciowa wynosi: (64 - )/256 =,25 V

25 25/53 Zakres przetwarzania NI USB-62 6-Bit, 25 ks/s M Series Multifunction DAQ, Bus-Powered - wejścia unipolarne np. od do +5 V (+ 5V) - wejścia bipolarne np. od -5 do +5 V (± 5V) Pytanie W karcie pomiarowej zastosowano przetwornik A/C 6-bitowy. Jaka jest rozdzielczość napięciowa dla następujących zakresów przetwarzania: a) od - do + V b) od -5 do +5 V c) od - do + V d) od -2mV do +2 mv?

26 26/53 Przetworniki analogowo cyfrowe (A/C) Analog to Digital Converters (ADC)

27 27/53 Zastosowanie przetworników A/C - Multimetry cyfrowe - Oscyloskopy cyfrowe - Karty pomiarowe

28 28/53 Przetworniki A/C Przetwarzanie analogowo cyfrowe stosowane jest wszędzie tam, gdzie niezbędne jest odzwierciedlenie sygnału rzeczywistego, ciągłego na postać cyfrową. Układy elektroniczne realizujące tego typu zadanie nazywa się przetwornikami analogowo cyfrowymi (A/C). W krajach anglosaskich przetworniki takie oznacza się jako A/D, od słów Analog to Digital. W innych oznaczeniach stosuje się rozszerzone nazewnictwo ADC- Analog to Digital Converter. Ze względu na metodę działania wyróżnia się następujące metody pracy:. bezpośrednia przetworniki z bezpośrednim porównaniem 2. kompensacyjne przetworniki nadążne przetworniki sukcesywnej aproksymacji 3. pośrednia przetworniki częstotliwościowe przetworniki czasowe (proste i z dwukrotnym całkowaniem)

29 29/53 Typy przetworników A/C - przykłady Flash służą do badania bardzo szybkich przebiegów, a więc i wielkich częstotliwości Pipeline converter przetwornik potokowy stosowany do badania szybkich sygnałów SAR kompensacyjno wagowy, sukcesywnej aproksymacji zapewniający dostatecznie dobrą rozdzielczość (do 6 bitów) przy szerokim zakresie prędkości Integrating - przetworniki całkowe, które używane są do przetwarzania sygnałów stałych i wolnozmiennych. Stosuje się je często jako przetworniki napięcia stałego w multimetrach Sigma-delta oparte na konwersji analogowo-cyfrowej związanej z modulacją sygnału. Wynikiem działania takiego konwertera jest ciąg bitów zakodowany modulacją gęstości impulsów. Zaletą jest dobre tłumienie szumów, najwyższa rozdzielczość (do 24 bitów)

30 3/53 Porównanie przetworników A/C - częstotliwość Hz

31 3/53 Porównanie przetworników A/C - rozdzielczość bity

32 Liczba komparatorów 32/53 Porównanie przetworników A/C Liczba cykli przetwarzania

33 Przetworniki A/C bezpośrednie 33/53

34 34/53 Wstęp - komparator analogowy Komparator jest wzmacniaczem różnicowym o dużym współczynniku wzmocnienia napięciowego: od k u = V/V do k u = 2 V/V, dwóch wejściach analogowych i wyjściu cyfrowym. Porównuje on dwie wielkości analogowe, stąd nazwa analogowy. W technice cyfrowej występują jeszcze komparatory cyfrowe, których zadaniem jest porównywanie dwóch sygnałów cyfrowych. R - R 2 U + U wy U 2 Komparator analogowy

35 35/53 Wstęp Zasada działania komparatora analogowego sgn (U wy ) = sgn (U 2 U ), co oznacza: znak napięcia wyjściowego jest równy znakowi różnicy napięć wejściowych. Gdy różnica napięć wejściowych zmienia swój znak, również napięcie wyjściowe zmienia znak. Powyższą zasadę ilustruje rysunek. 35

36 36/53 Wstęp s U we U 2 (t) U (t) t U wy e t Przebiegi napięć w komparatorze analogowym

37 Dekoder 2 n - wejść n wyjść 37/53 Przetwornik FLASH U Q U Q 2 U REF 3 2 R R R R R 2 R u IN 2 n - 2 b n Kod binarny, BCD lub Gray'a b b Przetworniki tego typu zwane są równoległymi lub o działaniu bezpośrednim. W tej metodzie pomiaru sygnał napięciowy przekształcany jest na postać cyfrową za pomocą szeregu (2 n -) komparatorów. Napięcie porównywane jest ze spadkami napięć na rezystorach dzielnika napięciowego. Następnie za pomocą dekodera przekształcane jest do postaci cyfrowej.

38 38/53 Przetworniki te charakteryzują się najszybszym przetworzeniem wielkości mierzonej w porównaniu do innych konstrukcji. Wadami są: mała dokładność, duża powierzchnia gotowego układu, duże zapotrzebowanie energetyczne i niska rozdzielczość. W celu zwiększenia rozdzielczości o bit należy zastosować dwukrotnie więcej komparatorów i rezystorów. Np. przetwornik 8-bitowy zbudowany jest z 255 komparatorów a 9-bitowy z 5.

39 39/53 Przetwornik HALF-FLASH Równoległy przetwornik dwustopniowy powstał na bazie prostego przetwornika równoległego.

40 Przetwarzanie danych przebiega tu dwuetapowo. Najpierw sygnał wejściowy przetwarzany jest z połową rozdzielczości gdzie pierwszy przetwornik generuje najbardziej znaczące bity MSB, następnie przetwornik C/A odtwarza sygnał do postaci analogowej. Sygnał ten odejmowany jest od napięcia wejściowego, a różnica poddana jest przetworzeniu przez drugi przetwornik równoległy, który generuje najmniej znaczące bity LSB. Przetworniki te charakteryzują się szybkim przetworzeniem wielkości mierzonej. Wadami są: mała dokładność i niska rozdzielczość (ale wyższa jak przetwornika FLASH, czyli około 9 do 2 bitów). 4/53

41 4/53 Przetworniki A/C kompensacyjne Znacznie dokładniejsze, lecz wolniejsze w działaniu..

42 42/53 Metoda kompensacyjna równomierna Metoda poszukiwania sygnału wejściowego zwana jest metodą śledzącą bądź nadążną. W metodzie tej porównywane jest napięcie mierzone ze wzorcowym napięciem aż do napotkania wartości wejściowej.

43 43/53 Metoda kompensacyjna, sukcesywnej aproksymacji Metoda poszukiwania sygnału wejściowego zwana jest metodą kolejnych przybliżeń lub metodą z aproksymacją krokową. Jeżeli VIN < VDAC wtedy bit 3 jest ustawiany na, a napięcie z przetwornika C/A (DAC) zmniejszane jest o połowę. Następuje kolejne porównanie. Jako, że VIN > VDAC, bit 2 ustawiany jest na, a napięcie z przetwornika DAC jest zwiększane o połowę. Następuje kolejne porównanie. Bit jest ustawiany na (VIN < VDAC),a napięcie DAC zmniejszane o połowę. W końcu bit jest, ponieważ VIN > VDAC. Przykład działania 4 bitowego przetwornika Metoda ta jest stosunkowo szybka i dokładna. Czas przetwarzania jest stały i nie zależy od napięcia wejściowego. Metoda ta wymaga użycia układu próbkująco-pamiętającego (Track /Hold).

44 44/53 Metoda kompensacyjna, sukcesywnej aproksymacji Zasada działania przypomina ważenie na wadze szalkowej. Napięcie przetwarzane porównywane jest przez komparator z kolejno dołączanymi napięciami o różnych wagach (U/2, U/4, U/8 U/2N). Przetworniki oparte na tej metodzie ze względu na prostotę i koszt wytworzenia, są jednymi z najczęściej stosowanych układów A/C. Dzięki tej metodzie możliwe jest osiągnięcie rozdzielczości rzędu 6 lub 8 bitów przy dużej częstotliwości próbkowania. Do zalet można zaliczyć także małą moc pobieraną oraz w przypadku zastosowania komunikacji szeregowej, transmisja wyniku w trakcie trwania procesu przetwarzania. Bity transmitowane są wtedy od najstarszego z szybkością transmisji równą szybkości przetwarzania. Do wad zaliczymy wydłużenie czasu całkowitego pomiaru ze względu na wykonanie kilku kroków algorytmu poszukiwania w trakcie jednego cyklu pomiarowego.

45 45/53 Metoda kompensacyjna, sukcesywnej aproksymacji Informacja cyfrowa (wynik pomiaru w postaci cyfrowej) jest zbiorem odpowiednio uszeregowanych poziomów niskich i poziomów wysokich napięcia. Impuls, który pod wpływem zakłócenia stracił swój wysoki poziom wnosi do przesyłanej informacji błąd.

46 46/53 Przetworniki A/C pośrednie Przetwarzanie sygnału analogowego metodami pośrednimi związane jest ze sposobem interpretacji danych pomiarowych. W metodach tych napięcie mierzone zamieniane jest na wielkość pośrednią np. przedział czasu determinowany czasem ładowania kondensatora lub częstotliwość analizowaną względem wzorcowego czasomierza.

47 47/53 Wstęp - układ całkujący I o U i U o U o t RC 2 t U i dt

48 48/53 Przetworniki impulsowo-czasowe, metoda czasowa prosta U m T m R C fc U I Przetwarzają wartość chwilową U I I o =U m /R

49 49/53 Przetworniki impulsowo-czasowe, metoda czasowa prosta Przetwornik taki działa na zasadzie przetwarzania badanego napięcia w cyklach pomiarowych wymuszanych przez układ sterujący. Każdy taki cykl rozpoczyna się kasowaniem stanu licznika i wyzwoleniem napięcia piłokształtnego z generatora liniowego. Napięcie to staje się napięciem wzorcowym, z którym porównuje się napięcie badane. Gdy na wyjściu pojawi się sterujący impuls startu, impulsy z generatora zegarowego zliczane są aż do momentu zrównania się napięcia piłokształtnego z napięciem mierzonym na komparatorze K. Powstanie więc przedział czasu T, w którym impuls bramkujący ustanowił okno czasowe zliczania impulsów wzorcowych.

50 5/53 Przetworniki o całkowaniu podwójnym Przetwarzają wartość średnią U I. Tłumienie okresowych zakłóceń. Zasada działania przetwornika o całkowaniu podwójnym polega na zliczaniu impulsów wzorcowych podczas całkowania napięcia wejściowego, a następnie napięcia odniesienia o przeciwnym znaku. Zliczone impulsy w czasie drugiego całkowania, są proporcjonalne do mierzonego napięcia.

51 5/53 Metoda częstotliwościowa prosta Przetworniki całkujące z przetwarzaniem częstotliwościowym działają na zasadzie przetwarzania mierzonego napięcia na częstotliwość. Przetworniki tego typu składają się z dwóch niezależnych od siebie modułów. Pierwszym jest przetwornik napięcie- częstotliwość, a drugi to układ do pomiaru częstotliwości.. Ładowanie kondensatora C prądem proporcjonalnym do U I 2. Porównanie napięcia na kondensatorze z U R 3. Gdy U R =U C to generowany jest impuls zamykający klucz P i rozładowujący kondenator 4. Średnia częstotliwość impulsów jest proporcjonalna do U I.Licznik zlicza impulsy w czasie T i. Metoda charakteryzuje się dużym błędem. 3 a. Podanie krótkiego impulsu sterującego na wejście układu powoduje wygenerowanie zunifikowanego (pod względem czasu trwania) impulsu wyjściowego.

52 52/53 Metoda częstotliwościowa z równoważeniem ładunku Metoda ta polega na dostarczaniu ładunków o stałej wartości dostarczanej do integratora w taki sposób aby zrównoważyć napięcie wejściowe. Napięcie U I jest całkowane przez integrator do momentu osiągnięcia napięcia wzorcowego U R2. Gdy osiągnięta będzie wartość U R2 komparator doprowadza do integratora impuls ładunkowy o wartości (U R t R )/R 2. Po zakończeniu tego procesu integrator całkuje tylko napięcie przetwarzane U I.

53 Dziękuję za uwagę! 53/53