WIECZOROWE STUDIA NIESTACJONARNE LABORATORIUM UKŁADÓW ELEKTRONICZNYCH

Transkrypt

1 POLITECHNIKA WASZAWSKA Instytut adioelektroniki Zakład adiokomunikacji WIECZOOWE STUDIA NIESTACJONANE Semestr III LABOATOIUM UKŁADÓW ELEKTONICZNYCH Ćwiczenie Temat: Przetwarzanie A/C i C/A Instrukcja v. Opracowali: mgr inŝ. Henryk Chaciński mgr inŝ. Krzysztof obaczyński Warszawa 0

2 . Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie słuchaczy z budową i właściwościami najczęściej spotykanych układów przetworników analogowocyfrowych i przetworników cyfrowoanalogowych.. Wymagane wiadomości Wymagane są następujące wiadomości: rola przetworników A/C i C/A w urządzeniach elektronicznych, reprezentacja binarna liczb, rodzaje przetworników A/C i C/A (szczególnie przetwornik c/a z drabinką, przetwornik A/C kompensacyjny wykorzystujący metodę kolejnych przybliŝeń oraz nadąŝny, przetwornik A/C równoległy), podstawowe parametry przetworników A/C i C/A.. Podstawy teoretyczne.. Wstęp ogólny W pierwszym okresie rozwoju elektroniki dominowała w niej technika analogowa. Wynika to z faktu, ze sygnały wyjściowe większości źródeł informacji mają postać analogową. Struktury układów analogowej obróbki sygnałów są zwykle stosunkowo proste moŝliwa jest ich realizacja przy zastosowaniu niewielkiej liczby elementów dyskretnych. Późniejszy szybki rozwój układów scalonych wielkiej skali integracji umoŝliwił rozwój techniki cyfrowej. Obróbka cyfrowa sygnałów ma wiele zalet. Zapewnia duŝą stałość parametrów urządzeń, niezaleŝną od czasu i wielu czynników zewnętrznych. UmoŜliwia teŝ realizację roŝnych skomplikowanych funkcji bez zmiany struktury układów, jedynie poprzez zmianę algorytmu obróbki sygnałów. Sygnały w postaci cyfrowej mogą być praktycznie bez zniekształceń przechowywane, wielokrotnie odtwarzane czy teŝ przesyłane na duŝe odległości. Obróbka cyfrowa sygnałów ma teŝ swoje wady związane głownie z samym procesem przekształcenia sygnału analogowego na cyfrowy. NaleŜą. do nich tzw. szum kwantyzacji oraz ograniczona szybkość działania... Budowa i zasada działania przetwornika C/A Ze względu na sposób doprowadzenia sygnału do wejścia przetwornika wyróŝnia się przetworniki równolegle, w których wszystkie bity sygnału są doprowadzane jednocześnie oraz przetworniki szeregowe, w których wejściowy sygnał cyfrowy jest szeregowo wprowadzany do rejestru stanu. Sygnał wyjściowy jest wytwarzany dopiero po sekwencyjnym przyjęciu wszystkich bitów wejściowych. Przetwornik cyfrowoanalogowy składa się z: rejestru stanu, który moŝe być zintegrowany z zespołem przełączników, a w przetwornikach równoległych moŝe nie występować; zespołu przełączników elektronicznych, sterowanych wejściowymi sygnałami cyfrowymi pobieranymi z rejestru stanu, (kaŝdemu bitowi odpowiada jeden przełącznik); sieci rezystorów; precyzyjnego źródła napięcia odniesienia lub wejścia do dołączenia zewnętrznego napięcia odniesienia. Zasadę działania czterobitowego przetwornika cyfrowoanalogowego, działającego na zasadzie sumowania prądów, przedstawiono na rys... Poszczególnym bitom liczby zapisanej w

3 rejestrze wejściowym będącym słowem kodowym są przyporządkowane prądy na wejściu wzmacniacza proporcjonalne do wagi bitu. Najczęściej stosuje się dwa typy sieci rezystorów: rezystory o wartościach waŝonych, drabinek rezystancyjnych typu Na rys.. przedstawiono schemat przetwornika cyfrowoanalogowego z drabinką rezystorów o wartościach waŝonych Uref MSB A Wejściowe dane cyfrowe 0 0 A A A0. s Q Uwy LSB ys... Schemat przetwornika cyfrowoanalogowego z drabinką rezystorów o wartościach waŝonych, MSB najbardziej znaczący bit słowa kodowego, LSB najmniej znaczący bit słowa kodowego Przetwornik cyfrowoanalogowy składa się z drabinki rezystorów (,, i ), zespołu kluczy sterowanych wejściowymi danymi cyfrowymi, Uref napięcie odniesienia oraz wzmacniacza Q analogowego sygnału wyjściowego. Wartość napięcia wyjściowe odpowiada wartości wejściowego słowa cyfrowego oraz jest równieŝ proporcjonalne do wagi bitu. Klucze podłączające oporniki do źródła napięcia odniesienia sterowane są sygnałem cyfrowym. Napięcie wynikowe odpowiadające kombinacji bitów uzyskuje się w układzie sumatora analogowego; jest ono sumą napięć odpowiadających poszczególnym bitom. Przedstawiony przetwornik czterobitowy generuje róŝnych poziomów napięcia o skoku A, zaleŝnym od doboru Uref,, oraz s. Parametry przetwornika C/A moŝna podzielić ze względu na właściwości statyczne, częstotliwościowe oraz czasowe. NajwaŜniejszymi parametrami przetwornika C/A są: rozdzielczość najmniejsza zmiana sygnału wyjścia, szybkość przetwarzania (maksymalna częstotliwość próbkowania powinna być dwukrotnie większa od najwyŝszej częstotliwości składowej sygnału zgodnie z twierdzeniem KatielnikovaShannona), dokładność, błąd bezwzględny największa róŝnica między zmierzonym napięciem wyjściowym a napięciem wynikającym z załoŝeń jakie ma wytwarzać idealny przetwornika na wyjściu przy danym wejściu. Dla przetwornika liniowego określone wzorem: U = U Uref / n gdzie: n ilość bitów, błąd względny jest to stosunek błędu bezwzględnego (patrz wyŝej) do napięcia odniesienia przetwornika. Do pozostałych parametrów przetwornika cyfrowoanalogowego zaliczamy m. in.: nieliniowość całkowa, nieliniowość róŝniczkowa, błąd skalowania,

4 błąd przesunięcia zera (błąd niezrównowaŝenia), współczynnik zmian cieplnych napięcia przesunięcia zera, wejściowe sygnały cyfrowe, wyjściowe sygnał analogowy, czas ustalania, szybkość zmian napięcia wyjściowego, zakłócenia przy przełączaniu,.. Budowa i zasada działania przetwornika A/C Zadaniem przetwornika A/C jest przetworzenie analogowej postaci sygnału na równowaŝną mu wartość cyfrową. Ogólnie metody przetwarzania moŝna podzielić na metody bezpośrednie i pośrednie. Na rys.. zamieszczono klasyfikację metod przetwarzania sygnału analogowego na cyfrowy. ys... Klasyfikacja metod przetwarzania analogowo cyfrowego W układach opartych na metodach pośrednich najpierw odbywa się zmiana wielkości przetwarzanej na pewną wielkość pomocniczą ( np. czas lub częstotliwość), porównywaną następnie z wielkością odniesienia. W układach opartych na metodach bezpośrednich następuje od razu porównanie wielkości przetwarzanej z wielkością odniesienia. Na rys.. przedstawiono schemat blokowy przetwornika A/C opartego na metodzie bezpośredniego. Właściwości statyczne dynamiczne przetwornika A/C określają następujące parametry: rozdzielczość, czas przetwarzania, częstotliwość przetwarzania, błędy analogowe (nieliniowości, przesunięcia i wzmocnienia), współczynniki cieplne, współczynniki tłumienia wpływu zmian zasilania. Parametry wejścia i wyjścia przetworników A/C: zakres i polaryzacja napięć wejściowych,

5 Uref Uwe. K.. K K Koder Wyjście cyfrowe.. K0 ys... Blokowy schemat przetwornika A/C opartego na metodzie bezpośredniego impedancja wejściowa, przeciąŝalność wejścia (maksymalne dopuszczalne napięcie), kod i poziomy logiczne sygnału wyjściowego, obciąŝalność wyjścia.. Przykładowe pytania Warunkiem dopuszczenia do realizacji ćwiczenia jest pozytywne zaliczenie sprawdzianu wejściowego. PoniŜej podano przykładowe zagadnienia na sprawdzianie wejściowym:. Wymienić parametry przetworników A/C.. Wymienić parametry przetworników C/A.. Zamienić liczbę dziesiętną podaną przez prowadzącego na liczbę w postaci binarnej.. Zamienić liczbę binarną podaną przez prowadzącego na liczbę w postaci dziesiętnej.. Wymienić podstawowe metody przetwarzania analogowocyfrowego.. Omówić budowę przetworników C/A.. Badania i pomiary.. Opis badanych układów Na rys..... przestawiono schematy ideowe układów ćwiczeniowych. Są, to modele przetworników C/A i A/C. Wszystkie przedstawione modele posługują się słowem bitowym. ys... przedstawia model przetwornika C/A z drabinką. W układzie tym słowo bitowe wprowadza się ręcznie przy pomocy zespołu przełączników. Układ ten pozwala zbadać wpływ dokładności wykonania drabinki rezystorów na parametry przetwornika. ys... przedstawia model przetwornika A/C tzw. kompensacyjnego wykorzystującego metodę kolejnych przybliŝeń. Łatwo zauwaŝyć, ze główna część tego układu jest powtórzeniem układu

6 Uref V DOK x 0 A B MSB A B A B A0 B0 LSB ZAK V V 7 U TL00 C Wy ys... Schemat ideowy modelu przetwornika C/A z drabinką rezystorów Uref V x 0 A MSB A A A0 LSB B B B B0 V V V 7 U TL00 C Wy UA 70 V U LM K K V POT POT UB x 0 GND 70 ys... Schemat ideowy modelu przetwornika C/A kompensacyjnego metoda kolejnych przybliŝeń z

7 rys... Dodatkowo układ ten wyposaŝono w komparator napięcia przetworzonego z napięciem przetwarzanym (LM). Uref 0 U X0 X X X X Y Y0 Y Y Y INH A B 7HC0 0 U X0 X X X X Y Y0 Y Y Y INH A B 7HC0 0 U X0 X X X X Y Y0 Y Y Y INH A B 7HC0 0 U7 X0 X X X X Y Y0 Y Y Y INH A B 7HC0 V K 0 U CEXT EXT/CEXT IN A A B 7 Q Q? 0 U A QA B QB C QC D QD 7 CO CLK G D/U LOAD MX/MN 7 A B C D 70 LSB MSB x 0 V V U TL0 7 C Wy V U0A 70 czerwona V U LM K K V POT POT U0B zielona x 0 GND ys... Schemat ideowy modelu przetwornika C/A kompensacyjnego nadąŝnego 70 7

8 ys... przedstawia model przetwornika a/c kompensacyjnego nadąŝnego. Układu ten posiada impulsator sterowany ręcznie (7), binarny licznik rewersyjny 7, diodowy wyświetlacz słowa binarnego, zestaw kluczy (0) oraz komparator napięcia wyjściowego z przetwornika C/A i napięcia przetwarzanego (LM). niedomiar Uref U U U U V 7 V LM 0 V 7 V LM U U we U U U 0 EI EO GS A A 7 A0 0 U7D U7C LSB nadmiar U U U U U U U 7 V V V V LM LM U U EI EO GS A A 7 A0 U7B U7A 70 MSB 7 ys... Schemat ideowy modelu przetwornika A/C równoległego ys... przedstawia model przetwornika A/C równoległego. Układ ten wyposaŝono w zestaw komparatorów napięciowych (LM) oraz w enkoder bitowy ( x 7).

9 .. Pomiary... Pomiary modelu przetwornika C/A z drabinką Zestawić układ pomiarowy zgodnie ze schematem przedstawionym na rys... Schemat ideowy badanego układu zamieszczono na rys... ys... Schemat blokowy układu pomiarowego przetwornika C/A z drabinką. A. Badanie charakterystyki przetwornika C/A z dokładnie zrealizowaną drabinką W celu zbadania charakterystyki przetwornika C/A z dokładnie dobranymi rezystorami drabinki naleŝy odpowiednie przełączniki zespołu ćwiczeniowego ustawić w następujących pozycjach: Przełącznik DOK w pozycji =, Przełącznik POL w pozycji =, Przełącznik ZAK w pozycji =, Zmierzyć wartość napięcia wyjściowego na wyjściu wy woltomierzem dołączonym do gniazd wy i GND. Pomiary napięcia wyjściowego wykonać w funkcji słowa binarnego zadawanego za pomocą przełączników: K0, K, K i K (ustawienie jedynki logicznej jest sygnalizowane świeceniem diody). Wyniki pomiarów zamieścić w tabeli i zobrazować na wykresie. B. Badanie charakterystyki przetwornika C/A z błędnie zrealizowaną drabinką Badanie charakterystyki przetwornika C/A z niedokładnie dobranymi rezystorami drabinki przeprowadzić w układzie pomiarowym zamieszczonym na rys... W cel wykonania pomiarów odpowiednie przełączniki zespołu ćwiczeniowego ustawić w następujących pozycjach: Przełącznik DOK w pozycji =, Przełącznik POL w pozycji =, Przełącznik ZAK w pozycji =, Zmierzyć wartość napięcia wyjściowego na wyjściu wy woltomierzem dołączonym do gniazd wy i GND. Pomiary napięcia wyjściowego wykonać w funkcji słowa binarnego zadawanego za pomocą przełączników: K0, K, K i K (ustawienie jedynki logicznej jest sygnalizowane świeceniem diody). Wyniki pomiarów zamieścić w tabeli i zobrazować na wykresie. Wyniki pomiarów porównać z wynikami z punktu A i skomentować. C. Badanie charakterystyki przetwornika C/A ze zmienioną polaryzacją napięcia odniesienia (dodatnie napięcie odniesienia) Badanie charakterystyki przetwornika C/A ze zmienioną polaryzacją napięcia odniesienia przeprowadzić w układzie pomiarowym zamieszczonym na rys... W cel wykonania pomiarów odpowiednie przełączniki zespołu ćwiczeniowego ustawić w następujących pozycjach: Przełącznik DOK w pozycji =, Przełącznik POL w pozycji =, Przełącznik ZAK w pozycji =, Zmierzyć wartość napięcia wyjściowego na wyjściu wy woltomierzem dołączonym do gniazd wy i GND. Pomiary napięcia wyjściowego wykonać w funkcji słowa binarnego

10 zadawanego za pomocą przełączników: K0, K, K i K (ustawienie jedynki logicznej jest sygnalizowane świeceniem diody). Wyniki pomiarów zamieścić w tabeli i zobrazować na wykresie. Wyniki pomiarów porównać z wynikami z punktu A i skomentować. D. Badanie charakterystyki przetwornika C/A ze zwiększonym wzmocnieniem i ujemnym napięciem odniesienia Badanie charakterystyki przetwornika C/A ze zmienioną polaryzacją napięcia odniesienia przeprowadzić w układzie pomiarowym zamieszczonym na rys... W cel wykonania pomiarów odpowiednie przełączniki zespołu ćwiczeniowego ustawić w następujących pozycjach: Przełącznik DOK w pozycji =, Przełącznik POL w pozycji =, Przełącznik ZAK w pozycji =, Zmierzyć wartość napięcia wyjściowego na wyjściu wy woltomierzem dołączonym do gniazd wy i GND. Pomiary napięcia wyjściowego wykonać w funkcji słowa binarnego zadawanego za pomocą przełączników: K0, K, K i K (ustawienie jedynki logicznej jest sygnalizowane świeceniem diody). Wyniki pomiarów zamieścić w tabeli i zobrazować na wykresie. D. Badanie charakterystyki przetwornika C/A ze zwiększonym wzmocnieniem i dodatnim napięciem odniesienia Badanie charakterystyki przetwornika C/A ze zmienioną polaryzacją napięcia odniesienia przeprowadzić w układzie pomiarowym zamieszczonym na rys... W cel wykonania pomiarów odpowiednie przełączniki zespołu ćwiczeniowego ustawić w następujących pozycjach: Przełącznik DOK w pozycji =, Przełącznik POL w pozycji =, Przełącznik ZAK w pozycji =, Zmierzyć wartość napięcia wyjściowego na wyjściu wy woltomierzem dołączonym do gniazd wy i GND. Pomiary napięcia wyjściowego wykonać w funkcji słowa binarnego zadawanego za pomocą przełączników: K0, K, K i K (ustawienie jedynki logicznej jest sygnalizowane świeceniem diody). Wyniki pomiarów zamieścić w tabeli i zobrazować na wykresie z punktu D. Wyniki pomiarów porównać z wynikami z punktu D i skomentować.... Pomiary modelu przetwornika A/C kompensacyjnego wykorzystującego metodę kolejnych przybliŝeń Badanie charakterystyki przetwornika kompensacyjnego przeprowadzić w układzie pomiarowym zamieszczonym na rys.. natomiast schemat ideowy badanego układu zamieszczono na rys... Zasilacz V V com V G K Badany POT przetwornik A/C K wygnd V ys... Schemat blokowy układu pomiarowego przetwornika A/C kompensacyjnego 0

11 Połączyć krótkimi przewodami wyjście wy z gniazdem K oraz połączyć gniazdo suwaka potencjometru POT z gniazdem K. Woltomierz V dołączyć do gniazda POT i masy GND. W cel wykonania pomiarów odpowiednie przełączniki zespołu ćwiczeniowego ustawić w następujących pozycjach: Przełącznik DOK w pozycji =, Przełącznik POL w pozycji =, Przełącznik ZAK w pozycji =, Dla danego napięcia mierzonego (ustawionego potencjometrem POT) dobieramy tak napięcie z przetwornika C/A przy którym świeci dioda zielona. Dioda czerwona wskazuje, Ŝe napięcie z przetwornika C/A jest większe od mierzonego. Wykonać pomiary dla trzech róŝnych wartości napięcia ustawianego potencjometrem. Wyniki pomiarów zamieścić w tabeli. Na podstawie wykonanych pomiarów określić podstawowe parametry przetwornika A/C. Narysować charakterystykę przetwornika C/A.... Pomiary modelu przetwornika A/C kompensacyjnego nadąŝnego Badanie charakterystyk przetwarzania przetwornika kompensacyjnego przeprowadzić w układzie pomiarowym zamieszczonym na rys..7 Schemat ideowy badanego układu przetwornika A/C zamieszczono na rys... Zasilacz V V com V G K Badany POT przetwornik A/C K wygnd V ys..7. Schemat blokowy układu pomiarowego przetwornika A/C kompensacyjnego nadąŝnego Połączyć krótkimi przewodami wyjście wy z gniazdem K oraz połączyć gniazdo suwaka potencjometru POT z gniazdem K. Woltomierz V dołączyć do gniazda POT i masy GND. Klucz K słuŝy do generowania impulsu zegarowego. Komparator znajdujący się w układzie na rys.. steruje kierunkiem zliczania. Pomiary wykonać dla trzech róŝnych wartości napięcia przyjętych w punkcie.. ustawianego potencjometrem POT. Wyniki pomiarów zamieścić w tabeli i porównać z wynikami z punktu Pomiary modelu przetwornika A/C równoległego Zbadać przebieg charakterystyk przetwarzania przetwornika A/C równoległego. Pomiary przeprowadzić w układzie pomiarowym zamieszczonym na rys.. Schemat ideowy badanego układu przetwornika A/C zamieszczono na rys... Zasilacz V V com V G we Badany POT przetwornik A/C GND V ys... Schemat blokowy układu pomiarowego przetwornika A/C równoległego

12 Pomiary wykonać dla trzech róŝnych wartości napięcia przyjętych w punkcie.. ustawianego potencjometrem POT. Wyniki pomiarów zamieścić w tabeli i porównać z wynikami z punktu... Narysować charakterystykę przetwornika A/C.. Wykaz literatury. Praca zbiorowa: Układy elektroniczne cz. III. Układy i systemy cyfrowe WNT Warszawa l