Dyskretyzacja sygnałów cigłych.

Transkrypt

1 POLITECHNIKA LSKA WYDZIAŁ INYNIERII RODOWISKA I ENERGETYKI INSTYTUT MASZYN I URZDZE ENERGETYCZNYCH LABORATORIUM METROLOGII Dyskretyzacja sygnałów cigłych. (M 15) Opracował: Dr in. Włodzimierz OGULEWICZ Sprawdził: Dr in. Jan Około - Kułak Zatwierdził: Dr hab. in. Janusz KOTOWICZ

2 1. Cel wiczenia. Celem wiczenia jest poznanie zasad przetwarzania analogowo cyfrowego na przykładzie przetworników: napicie czstotliwo (U/f), rezystancja szeroko impulsu (R/ t) i napicie liczba binarna (U/N X przetwornik kompensacyjny równomierny). 2. Wprowadzenie Dyskretyzacja sygnału. Okre1enia i pojcia podstawowe. Przy cyfrowym pomiarze dowolnej, zmiennej w czasie, wielkoci musi w pewnym miejscu toru pomiarowego nastpi odwzorowanie stanu tej wielkoci na odpowiedni parametr sygnału o skoczonym zbiorze wartoci i jednoznacznym przyporzdkowaniu funkcji czasu dyskretyzacja sygnału. Dyskretyzacja sygnałów cigłych czyli zamiana sygnału analogowego w sygnał cyfrowy powinna przebiega z moliwie mał utrat informacji. Przetworniki analogowo cyfrowe s urzdzeniami, które przetwarzaj w wybranej chwili czasu cigły sygnał wejciowy na dyskretny sygnał wyjciowy. Sygnał wejciowy zostaje poddany w przetworniku (przewanie) trzem podstawowym operacj: kwantowaniu, próbkowaniu i kodowaniu. Procesy te mog przebiega równoczenie lub kolejno Kwantowanie sygnału. Kwantowanie polega na przedstawieniu wartoci chwilowej wielkoci cigłej X(t) przez najblisz jej warto dyskretn (N X X) bdc krotnoci N X całkowitej liczby kwantów X. y x t

3 2.3. Próbkowanie sygnału. Próbkowanie sygnału polega na uzyskiwaniu chwilowych wartoci (przewanie cyfrowych) wielkoci cigłej w zadanych chwilach czasu (przewanie równych próbkowanie równomierne t = const.). O wyborze czstotliwoci próbkowania f P f P = 1/ t mówi TWIERDZENIE KOTIELNIKOWA SHANNONA: Sygnał X(t) nie zawierajcy czstotliwoci powyej fg [Hz] jest okrelony w pełni (tzn. bez straty informacji) wartociami chwilowymi branymi w odstpach czasu: pod warunkiem, e sygnał X(t) zanika w nieskoczonoci do zera pomimo okrelonoci w nieskoczonym przedziale czasu. y t = 1 f p 1 2f g t t 2.4. Kodowanie sygnału. Kodowanie sygnału cyfrowego polega na przypisaniu liczbowego (numerycznego) ekwiwalentu wartoci wielkoci dyskretyzowanego sygnału analogowego.

4 2.5. Metody przetwarzania analogowo-cyfrowego. (ang. Analog-to-Digital Converter) Istnieje dua liczba rónych metod przetwarzania analogowo-cyfrowego rónicych si: wartoci wielkoci przetwarzanego sygnału (, ), wartoci błdu przetwarzania, rozdzielczoci, szybkoci przetwarzania i nakładami finansowymi (kosztami). Porównanie rónych metod przetwarzania a-c midzy sob oraz wybór optymalnej metody w celu wykonania zadania pomiarowego wymaga usystematyzowania metod według okrelonych kryteriów. Ze wzgldu na praktyczne zastosowania uwzgldnia si najczciej nastpujce cechy charakterystyczne metod przetwarzania a-c: - przetwarzanie porednie lub bezporednie, - przetwarzanie równoległe lub szeregowe, - przetwarzanie wartoci chwilowych lub rednich (nazywane przetwarzaniem integracyjnym lub całkujcym). Cechy podstawowych metod przetwarzania a-c przedstawiono tabelarycznie: NAZWA METODY Rodzaj metody Szybko Dokładno Warto mierzona Czas pomiaru Cecha budowy Metoda czasowo-impulsowa prosta * * Metoda podwójnego całkowania * Metoda wielokrotnego potrójnego całkowania * Metoda czstotliwociowa prosta Metoda czstotliwociowa z podwójnym przetwarzaniem * Metoda czstotliwociowa delta sigma ( Σ) Metoda kompensacyjna równomierna * * przetwornik C/A, oraz Metoda kompensacyjna wagowa Wagowa przetwornik C/A Metoda bezporedniego porównania równoległa Równoległa * bardzo duo komparatorów Metoda bezporedniego porównania kaskadowa Równoległa * przetwornik C/A [Patrz równie instrukcja E 17 LABORATORIUM ELEKTRYCZNE ].

5 3. Badania i pomiary Schematy układów pomiarowych. wiczenie wykonuje si kolejno na trzech stanowiskach pomiarowych. Schematy układów pomiarowych przedstawiono poniej. Generator impulsów taktujcych ródło napicia mierzonego U X Komparator Bramka Licznik U K Przetwornik C/A (cyfrowoanalogowy) U O ródło napicia odniesienia Rys.1. Układ pomiarowy przetwornika kompensacyjnego równomiernego. Opornica dekadowa Przetwornik R / t (rezystancjaprzedział czasu) Oscyloskop Rys.2. Układ pomiarowy przetwornika rezystancja przedział czasu.

6 Generator impulsów taktujcych Licznik Przetwornik U / f ródło napicia mierzonego (napicie-czstotliwo) GMC-018 f X f Oscyloskop U X Rys.3. Układ pomiarowy przetwornika napicie czstotliwo Przebieg wiczenia. 1. W układzie pomiarowym przetwornika kompensacyjnego równomiernego (rys.1.) naley dokona odczytu słowa binarnego 10 bitowego z wywietlacza złoonego z 10 diod elektroluminescencyjnych LED (dioda załczona wiecca 1, dioda wyłczona zgaszona 0) dla kolejnych, podanych przez prowadzcego zajcia, napi wejciowych. Naley ustali moment przepełnienia a i wyznaczy warto napicie odniesienia (referencji). Przed kolejnym pomiarem trzeba wyzerowa. Po dokonaniu pomiarów liczb binarn naley przeliczy na dziesitn. 2. W układzie pomiarowym przetwornika rezystancja przedział czasu (rys.2.) naley dokona pomiaru czasu trwania impulsu prostoktnego na wyjciu przetwornika R X / t X w funkcji rezystancji wejciowej (wartoci rezystancji podaje prowadzcy wiczenia). Pomiaru czasu trwania impulsu dokonuje si oscyloskopem umoliwiajcym, oprócz obserwacji przebiegu, cyfrowy pomiar odcinka czasu pomidzy ustawianymi na ekranie znacznikami pocztku i koca impulsu prostoktnego. Wskazania wywietlacza pomiaru czasu zsynchronizowane s z nastawami generatora podstawy czasu oscyloskopu. 3. W układzie pomiarowym przetwornika napicie czstotliwo (rys.3.) naley dokona pomiaru czstotliwoci na wyjciu przetwornika U/f w funkcji napicia wejciowego (wartoci napi wejciowych podaje prowadzcy wiczenia). Do wyjcia przetwornika podłczony jest równie oscyloskop dwukanałowy umoliwiajcy obserwacj przebiegu

7 wyjciowego (kanał 2) na tle przebiegu odniesienia napicie z generatora impulsów taktujcych (kanał 1). Przetwornikiem badanym to monolityczny układ hybrydowy GMC o napiciu wejciowym 0 2 []. Proponowana czstotliwo odniesienia 10 khz. (Karta katalogowa przetwornika napicie-czstotliwo do wgldu u prowadzcego zajcia). 4. Wyniki pomiarów naley sukcesywnie notowa w tabelach pomiarowych (przedstawionych w ZAŁCZNIKACH do instrukcji). 4. Opracowanie wyników pomiarów. 1. Sporzdzi wykresy zalenoci: a. N X = f(u X ) (dla przetwornika kompensacyjnego równomiernego trzy serie na jednym wykresie). b. t X = f(r X ) (dla przetwornika rezystancja przedział czasu trzy serie na jednym wykresie). c. f X = f(u X ) (dla przetwornika napicie czstotliwo trzy serie na jednym wykresie) 2. Wyznaczy proste regresji i poda je obok charakterystyk. 3. Wyznaczy współczynniki korelacji i współczynniki regresji liniowej. 4. Okreli niepewno współczynników regresji liniowej przetworników. 5. Sprawozdanie. Sprawozdanie powinno zawiera: 1. Stron tytułow (nazw wiczenia, numer sekcji, nazwiska i imiona wiczcych oraz dat wykonania wiczenia). 2. Schematy układów pomiarowych. 3. Tabele wyników pomiarowych ze wszystkich stanowisk. 4. Wykresy podanych (w pkt 4) zalenoci. 5. Okrelenie zakresów liniowoci charakterystyk. 6. Wyznaczone współczynniki korelacji, funkcje regresji liniowych i niepewnoci współczynników regresji liniowej przetworników. 7. Uwagi i wnioski (dotyczce przebiegu charakterystyk, ich odstpstw od przebiegów teoretycznych, rozbienoci wyników rónych serii pomiarowych, wartoci wyznaczonych współczynników korelacji itp.). Wszelkie prawa zastrzeone