PRZETWORNIKI A/C I C/A.

Transkrypt

1 Przetworniki A/C i C/A 0 z 8 PRACOWNIA ENERGOELEKTRONICZNA w ZST Radom 2006/2007 PRZETWORNIKI A/C I C/A. Przed wykonaniem ćwiczenia powinieneś znać odpowiedzi na 4 pierwsze pytania i polecenia. Po wykonaniu ćwiczenia powinieneś odpowiedzieć udzielać odpowiedzi na wszystkie poniższe pytania i polecenia: 1. Co to są przetworniki A/C i C/A? 2. Jakie podstawowe parametry statyczne opisują przetwornik A/C? 3. Jakie są zasady konwersji liczb dziesiętnych na kod dwójkowy naturalny i odwrotnie? 4. Jakie są zasady konwersji liczb dziesiętnych na kod BCD i odwrotnie? 5. Jakie podstawowe parametry statyczne opisują przetwornik C/A? 6. Co rozumiesz pod pojęciem rozdzielczości przetwornika A/C lub C/A? 7. Od czego zależne są rozdzielczość i szybkość przetwarzania przetworników A/C i C/A? 8. Jak rozumiesz budowę przetworników A/C z wyjściem równoległym a jak z szeregowym? 9. Oblicz rozdzielczość przetwornika i przewidywaną wartość słowa wyjściowego przetwornika A/C 8-bitowego, którego napięcie wejściowe może przyjmować wartości 0-5V, gdy do wejścia doprowadzono napięcie o wartości 3V. Słowo wyjściowe ma postać kodu dwójkowego naturalnego. 0

2 Przetworniki A/C i C/A 1 z 8 PRZETWORNIKI A/C I C/A. Przetworniki analogowo/cyfrowe (A/C) realizują przekształcenie sygnału analogowego na cyfrowy. Przetworniki cyfrowo/analogowe (C/A) przekształcają sygnały cyfrowe przedstawione w kodzie binarnym na sygnały analogowe. Przetworniki C/A i A/C umożliwiają współpracę układów analogowych z cyfrowymi i odwrotnie. W większości układów sterujących występują podzespoły, w których przetwarzaniu podlegają sygnały analogowe jak i cyfrowe. Każdy miernik cyfrowy zawiera przetwornik A/C. Wszelkie cyfrowe układy pomiarowe, cyfrowa obróbka sygnałów w urządzeniach AV odbywa się z zastosowaniem przetworników A/C i C/A. Blokową konfigurację przetworników A/C i C/A z równoległymi WY/WE pokazano na rysunku. +Ucc (zasilanie) +Ucc (zasilanie) Przetw. A/C 2 n MSB 2 n -1 2 n MSB 2 n -1 Przetw. C/A Uwe LSB LSB Uwy Przetworniki AC i CA oferowane przez różnych producentów różnią się parametrami sygnałów wejściowych i wyjściowych, ich zakresem zmian i polaryzacją, metodami przetwarzania, częstotliwościami i czasami przetwarzania, statyczną i dynamiczną dokładnością przetwarzania. W praktyce najczęściej stosowanym kryterium podziału przetworników C/A jest ich budowa i rodzaj zastosowanej technologii, natomiast w przypadku przetworników A/C użyta metoda przetwarzania. Przetworniki C/A Przetworniki C/A to obecnie zwykle specjalizowane układy scalone, które wytwarzają na wyjściu sygnał analogowy (w postaci napięcia lub prądu) proporcjonalny do wartości wejściowego słowa kodowego wyrażonego liczbą dwójkową n-bitową. W ogólnym przypadku przetwornik C/A składa się z następujących elementów: n-bitowego rejestru wejściowego, który zapamiętuje wartość słowa wejściowego, zespołu przełączników analogowych, źródła napięcia odniesienia, sieci rezystorów precyzyjnych. Rys.1 1 Schemat blokowy przetwornika C/A

3 Przetworniki A/C i C/A 2 z 8 Klasyfikacja przetworników CYFROWO-ANALOGOWYCH Z punktu widzenia konstrukcji sieci rezystancyjnej można również podzielić je na: przetworniki z siecią zbudowaną z rezystorów o wartościach wagowych, przetworniki z siecią drabinkową rezystorów (R 2R). Przetworniki C/A z napięciowymi źródłami odniesienia i siecią rezystorów wagowych. Przetwornik ten jest zbudowany z bardzo stabilnego źródła napięcia odniesienia - U WE, sieci rezystorów wagowych oraz wzmacniacza operacyjnego. Słowa wejściowe tego przetwornika jest w postaci kodu dwójkowego naturalnego. Wartości rezystorów wagowych zmieniają się w stosunku zgodnym z wagami poszczególnych bitów w kodzie dwójkowym naturalnym. Zmieniając położenie przełączników P 1 P 4 wpływamy bezpośrednio na wzmocnienie wzmacniacza, a co za tym idzie na sygnał wyjściowy. Zastosowany wzmacniacz pełni rolę sumatora, którego wzmocnienie jest odwrotnie proporcjonalne do wagowo dobranych rezystorów. Zasadniczą wadą tego układu jest bardzo duża różnica wartości rezystancji wagowych. Trudności te nie występują, gdy stosuje się układ drabinkowy R+2R. Pominiemy tu analizę budowy takiego przetwornika.. PODSTAWOWE PARAMETRY PRZETWORNIKÓW C/A 1. Parametry statyczne charakteryzujące przetwornik od strony wejścia i od strony wyjścia, ważne są przy rozważaniu współpracy przetwornika z innymi urządzeniami: -- zasilanie części analogowej: zwykłe do 15V lub takie samo jak dla układów analogowych lub cyfrowych np. 5V. zasilanie części cyfrowej: w zależności od zastosowanego poziomu logicznego, np. dla układów z rodziny TTL wynosi +5V. źródło napięcia odniesienia: wewnętrzne lub zewnętrzne, o ustalonej lub zmiennej wartości napięcia, rozdzielczość napięcia wyjściowego równoważna liczbie bitów słowa wejściowego, określona liczbą n-bitów słowa wejściowego: typowe liczby bitów słowa wejściowego przetworników C/A wynoszą 8, 10, 12. oraz inne parametry. rodzaj kodu: (naturalny kod dwójkowy, BCD), poziomy logiczne: zależne od rodzaju układów współpracujących, TTL, CMOS, Wyjście analogowe może być dwojakiego rodzaju: wyjście prądowe, gdy przetwornik C/A wytwarza na wyjściu prąd o wartości zależnej od słowa WE. W tego rodzaju przetwornikach można uzyskać napięcie na wyjściu przez przełączenie rezystora obciążającego o odpowiedniej wartości i po ewentualnym wzmocnieniu napięcia. 2

4 Przetworniki A/C i C/A 3 z 8 wyjście napięciowe. Na wyjściu przetwornika otrzymuje się napięcie o wartości zależnej od wartości słowa wejściowego. Konfiguracja przetwornika: dostępne są przetworniki C/A i A/C, w których słowo WE(WY) może być w postaci szeregowej lub równoległej. 2. Parametry dynamiczne przetwornika c/a opisujące właściwości i pewne efekty związane z szybkością pracy np.: maksymalna częstotliwość przetwarzania określa ona maksymalną liczbę przetworzeń cyfrowo-analogowych na sekundę i przetwornik C/A zachowuje gwarantowane parametry. PRZETWORNIKI A/C Zadaniem przetworników A/C jest przetwarzanie analogowej wartości sygnału, zwykle napięciowego na równoważną mu wartość słowa cyfrowego. Istnieje wiele metod przetwarzania analogowo-cyfrowego. Metody te można podzielić na bezpośrednie i pośrednie. W układach opartych na metodach bezpośrednich następuje od razu porównanie wielkości przetwarzanej z wielkością odniesienia. Do tej grupy zaliczane są przetworniki z bezpośrednim porównaniem oraz przetworniki kompensacyjne. Przy metodach pośrednich najpierw odbywa się zmiana wielkości przetwarzanej na pewną wielkość pomocniczą (np. czas, częstotliwość), porównywaną następnie z wielkością odniesienia. Przetworniki A/C są stosowane nie tylko do przetwarzania napięć stałych, lecz także do przetwarzania napięć zmiennych w czasie. W tym przypadku pobieranie i przetwarzanie próbek napięcia następuje w wybranych chwilach czasu. PRZETWORNIK A/C Z BEZPOŚREDNIM PORÓWNANIEM RÓWNOLEGŁYM W przetworniku z bezpośrednim porównaniem równoległym odbywa się porównanie analogowego sygnału wejściowego Uwe z 2 n poziomami napięcia wzorcowego różniącymi się o błąd kwantowania U= Uo/ 2 n, gdzie (n) oznacza liczbę bitów słowa wejściowego. Liczba 2 n poziomów napięcia powstaje na n-stopniowym dzielniku napięcia zbudowanym z oporników wagowych.. Rezystancje rezystorów tego dzielnika są tak dobrane aby napięcia odniesienia sąsiednich komparatorów różniły się o błąd kwantowania U, któremu odpowiada analogowy odpowiednik najmniej znaczącego bitu (LSB). Przetwornik zawiera 2 n 1 komparatorów. Wejścia odwracające komparatorów są połączone z dzielnikiem napięcia zasilanym napięciem odniesienia Uo. Spadki napięcia z sieci oporników wprowadzone są na wejścia odwracające komparatorów. Do połączonych równolegle wejść komparatorów doprowadza się napięciowy sygnał analogowy Uwe. Na wyjściach komparatorów dla których napięcie wejściowe Uwe jest większe niż napięcie z dzielnika powstają wysokie 3

5 Przetworniki A/C i C/A 4 z 8 stany napięcia (H), a na pozostałych są stany niskie (L). Słowo dwójkowe n-1 bitowe z wyjść komparatorów jest w dekoderze zamienione na kod np. dwójkowy naturalny. Sygnał odpowiadający 1 logicznej występuje na wyjściach tylko tych komparatorów, dla których sygnał analogowy Uwe jest większy od doprowadzonych do tych komparatorów napięć odniesienia. Proces porównywania odbywa się jednocześnie we wszystkich komparatorach. Sygnał cyfrowy uzyskany na wyjściach komparatorów jest zakodowany w postaci niedogodnej dla danego przetwarzania. Konwersja tego sygnału na kod dwójkowy lub BCD odbywa się w dekoderze. Charakterystyki przetwarzania N=f(U Z ) idealnego przetwornika A/C oraz charakterystyka uwzględniająca błąd przesunięcia zera pokazane są na rys. obok. PARAMETRY PRZETWORNIKÓW A/C. Dokładność przetwarzania jest ograniczona przez błędy powstające w procesie przetwarzania, które można ogólnie podzielić na cyfrowe i analogowe, co wynika z charakteru samego przetwornika, mającego cechy zarówno układu analogowego jak i cyfrowego. 1. Szybkość przetwarzania przetwornika A/C może być określona przez: a) czas przetwarzania, czyli czas, w którym zachodzi pełny cykl przetwarzania, b) częstotliwość przetwarzania odwrotność czasu przetwarzania, 2. Parametry statyczne o charakterze eksploatacyjnym, jak np.: maksymalny zakres i polaryzacja napięcia wejściowego, impedancja wejściowa, rodzaj kodu słowa wyjściowego, obciążalności prądowa wyjść, rodzaj zasilania, liczba napięć i ich wartości. OPIS DZIAŁANIA UKŁADU PROPONOWANEGO DO BADAŃ Przedstawiony niżej schemat zawiera układy przetwornika A/C i C/A, co pozwala zapoznać się z działaniem tych układów. Układ scalony US1 to 8-bitowy przetwornik A/C. Układ US2 to przetwornik C/A. Obserwację stanów wyjść przetwornika A/C umożliwia US3, tj 6-krotny inwerter sterujący diody LED. Układ US4 to wzmacniacz operacyjny wzmacniający napięcie wyjściowe przetwornika C/A. Przycisk zwierny START służy do resetowania przetwornika A/C po każdorazowym wyłączeniu zasilania. Przetwornik A/C (ADC 0804) przetwarza analogowy sygnał wejściowy regulowany przez potencjometr P 1 na sygnał cyfrowy w postaci 8-bitowego słowa kodowego. Aktualne stany logiczne 6 wyjść (bez bitów o wagach 2 0 i 2 1 ) układu A/C można obserwować na sześciu diodach LED. Sygnał cyfrowy z wyjść przetwornika A/C jest podawany na wejścia przetwornika C/A (DAC 0832), który przetwarza go na sygnał analogowy. Wartość tego sygnału po odpowiednim wzmocnieniu przez wzmacniacz operacyjny (LM 358) można obserwować w punkcie PP3. 4

6 Przetworniki A/C i C/A 5 z 8 Spis elementów: Półprzewodniki Kondensator y US1 ADC C 1 10uF 0804 US2 DAC C 2 0,1uF 0832 US3 MCY C 3 180pF US4 LM 358 D 1 -D 6 LED D 7,D 8 BZP 683 (5V1) Rezystory P 1 10kΩ R 1 2kΩ R 2 20kΩ R 3,R 6 10kΩ R 4-20Ω R 5 1kΩ R 7 -R Ω 5

7 Przetworniki A/C i C/A Opis wyprowadzeń przetworników. 6 z 8 A/C C/A 1 CS we uaktywniające przetwornik. 1 CS 2 RD-potwierdzenie gotowości danych wy. 2 WR 1-3 WR 3 GND 4 CLK IN we. sygnału zegarowego 4 DI 3 5 ITR- zgłoszenie przerwania 5 DI 2 6 V IN (+)- WE napięcia analogowego(+) 6 DI 1 7 V IN (-)-WE napięcia analogowego(-) 7 DI 0 (LSB) 8 AGDN- masa analogowa 8 - V REF 9 V REF /2 9 R fb 10 D GND masa cyfrowa 10 GND 11 DB7 (MSB) 11 I OUT1 12 DB6 12 I OUT2 13 DB5 13 DI 7 (MD5) 14 DB4 14 DI 6 15 DB3 15 DI 5 16 DB2 16 DI 4 17 DB1 17 XFER 18 DB0 (LSB) 18 WR 2 19 GLK R 19 I LB (BYTE1/BYTE2) 20 V CC (OR V REF )- napięcie zasilające(+) 20 V CC 6

8 Przetworniki A/C i C/A 1 z 8 PROPOZYCJE DO BADANIA UKŁADU : 1. Zapoznaj się schematem ideowym obwodów przetwornika A/C, C/A i układem wyświetlania stanów logicznych. Narysuj uproszczony schemat blokowy układu. 2. Zmierz i zanotuj wartości napięcia i pobór prądu i mocy zasilania układów przy wygaszonych i świecących diodach LED. Określ zakres zmian napięcia wejściowego przetwornika A/C oraz wartości napięć odpowiadające 0 i 1 logicznej wyjścia przetwornika A/C. Oszacuj o jakiej wartości prąd pobiera każda z diod LED? 3. a) Określ i zanotuj liczbę wyjść przetwornika A/C oraz w jakim kodzie wyprowadzana jest wartość słowa wyjściowego. Ile stanów może przyjmować słowo wyjściowe badanego przetwornika 8-bitowego? b) Ile bitów liczy wyświetlane na diodach LED słowo wyjściowe? 4. Określ doświadczalnie jaka zmiana napięcia wejściowego powoduje zmianę o 1 wartości słowa wyjściowego wyświetlanego na diodach LED. Sprawdź czy zgadza się to z obliczoną wartością: Uwe max Uwe min U = n 2 5. Zbadaj i wykreśl zależność wartości słowa wyświetlanego od wartości napięcia wejściowego przetwornika A/C (N WY (U WE ) U WE [V] N WY 6. Zbadaj i wykreśl zależności napięcia wyjściowego przetwornika C/A od wartości jego słowa wejściowego i od wartości napięcia wejściowego przetwornika A/C. N WE U WYC/A (PP2)[V] U WY (PP3)[V] Na podstawie wykreślonych przebiegów charakterystyk oceń w jakim zakresie zmian napięcia wejściowego układ przetwornika C/A zapewnia poprawne przetwarzanie na wyjściach PP2 i PP3. 7. Narysuj schemat układu wyświetlania jednego z bitów słowa wyjściowego przetwornika A/C, objaśnij jego działanie. 8. Oblicz rozdzielczość przetwornika i przewidywaną wartość słowa wyjściowego przetwornika A/C 4-bitowego, którego napięcie wejściowe może przyjmować wartości 0-5V, gdy do wejścia doprowadzono napięcie o wartości 3V. Słowo wyjściowe ma postać kodu dwójkowego naturalnego. 9. Oblicz rozdzielczość przetwornika i przewidywaną wartość napięcia wyjściowego przetwornika C/A, 8-bitowego, którego napięcie wyjściowe może przyjmować wartości 0-5V, gdy na wejściu mamy słowo ( ) w kodzie dwójkowym naturalnym. 1