Politechnika Białostocka

Transkrypt

1 Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny Katedra Automatyki i Elektroniki Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotu: ELEKTRONIKA 2 Kod: ES1C PRZETWORNIKI CYFROWO-ANALOGOWE I ANALOGOWO-CYFROWE BIAŁYSTOK 2014

2 Przetworniki analogowo cyfrowe i cyfrowo analogowe 1. Wstęp Tematem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z działaniem wybranych przetworników 8- bitowych analogowo cyfrowych i cyfrowo analogowych (ADC0831, ADC0820, DAC0808). 2. Wprowadzenie Przetworniki ac i ca stosuje się na styku środowiska analogowego i cyfrowego. Wszystkie wielkości, które występują w środowisku rzeczywistym mają charakter ciągły. Wielkości te są zarówno elektryczne (np. napięcie, prąd) jak i nieelektryczne (np. temperatura, ciśnienie, wilgotność itp.). Wraz z postępem technologii różne wielkości chcemy przetwarzać, czyli przeprowadzać na tych wielkościach obliczenia. Jedną z najlepszych metod przetwarzania, jaką wymyśliła cywilizacja, jest technika cyfrowa. Technika cyfrowa oparta jest głownie na liczbach binarnych. Chcąc przetwarzać cyfrowo wielkości analogowe najpierw musimy zamienić te wielkości na postać cyfrową. Do tego celu służą wspomniane przetworniki analogowo cyfrowe. Jeżeli natomiast pożądany jest powrót z techniki cyfrowej na analogową korzystamy z przetworników cyfrowo analogowych. 3. Zagadanie wstępne do przygotowania przed zajęciami (w domu). Wyjaśnić parametry przetworników: 1. Dokładność 2. Rozdzielczość 3. Nieliniowość 4. Czas konwersji 5. Parametry temperaturowe Wyjaśnić błędy przetworników: 1. Błąd przesunięcia zera 2. Błąd wzmocnienia 3. Błąd nieliniowości całkowej Zapoznać się z danymi katalogowymi badanych przetworników, w szczególności: dopuszczalnymi napięciami zasilania dopuszczalnymi napięciami referencyjnymi dopuszczalnymi napięciami wejściowymi zasadami działania danych przetworników Dane katalogowe dostępne są na stronach producentów układów, stronach baz danych katalogowych oraz na komputerach w laboratorium (nie trzeba ich drukować!). Dokładne zaznajomienie się z instrukcją ćwiczenia. Przygotowanie teoretyczne ukierunkowane na wykonanie wymaganych obliczeń i rozwiązanie stawianych zagadnień problemowych. Przygotowanie środków niezbędnych do rejestracji wyników i wykonywania obliczeń (aparat fotograficzny, dyskietka itp.) W czasie ćwiczenia nie należy przekraczać dopuszczalnych napięć podawanych na wejścia, bo może to grozić uszkodzeniem układów! 2

3 4. Szeregowy 8 bitowy przetwornik analogowo cyfrowy ADC0831 Rys.1. Schemat ideowy do badania przetwornika ADC0831 Na wejście Uref należy podłączyć napięcie referencyjne z regulowanego źródła o wartości 5V i 2,56V. Na wejście Uwej należy podłączyć napięcie z zewnętrznego zasilacza. Na tym zasilaczu ustawić ograniczenie prądowe na wartość nie przekraczającą 10mA. Rys.2. Schemat blokowy do badania przetwornika ADC0831 Wciskając przycisk CLK (takt zegara z ang. Clock) wyprowadzić informację o napięciu wejściowym w kodzie binarnym. Informacja wyjściowa będzie widoczna na diodzie LED, która jest podłączona do wyjścia przetwornika DO (Data Out). Jeżeli dioda świeci jest to jedynka logiczna. 3

4 Sposób wyprowadzania liczby binarnej przedstawia poniższy rys. 3. Rys.3. Diagram czasowy wyprowadzania 8-bitowej liczby po konwersji Jak to widać na powyższym diagramie najpierw trzeba na wejście CS (Chip Select) podać 1 a następnie 0. Zbocze opadające na tym wejściu powoduje odblokowanie przetwornika oraz wymusza się konwersję na liczbę binarną. Następnie należy podać dwa takty zegara (przycisnąć przycisk CLK). Dwa takty wynikają z pracy tego przetwornika (muszą zaistnieć dwa zbocza narastające aby przeprowadzić konwersję i załadować liczbę do rejestru wyjściowego). Po tych dwóch taktach, należy wyprowadzić 8-bitową liczbę binarną przyciskając 8 razy przycisk CLK i po każdym przyciśnięciu odczytać wartość bitu z diody LED. Podsumowując: po zmianie stanu CS z 1 na 0 naciskamy 10 razy na przycisk CLK, przy czym dwa pierwsze bity odrzucamy (są nieznaczące), a pozostałe 8 są wyjściowym słowem binarnym. Pierwszy bit z tych 8 jest najbardziej znaczący, a ostatni najmniej. Liczbę binarną należy zamienić na liczbę dziesiętną. Napięcie wyjściowe po konwersji Uwej należy obliczyć według poniższego wzoru, gdzie LD to liczba dziesiętna obliczona z liczby binarnej. LD Uwej ' = 256 Uref Badanie przeprowadzić dla napięć wejściowych konkretnych (0, 2,56 i 5V) oraz dowolnie wybranych z przedstawionego przedziału : Uref=5V 0V 0-1V 1-2V 2-3V 3-4V 4-5V 5V Uwej Liczba dziesiętna po konwersji LD Napięcie po konwersji Uwej Błąd względny Uwej-Uwej 0V 0-1V 1-2V 2-2,56V 2,56V Uwej Uref=2,56V Liczba dziesiętna po konwersji LD 4 Napięcie po konwersji Uwej Błąd względny Uwej-Uwej

5 5. Równoległy 8 bitowy przetwornik analogowo cyfrowy ADC0820 Rys.4. Schemat ideowy do badania przetwornika ADC0820 Na wejście Uref należy podłączyć napięcie referencyjne z regulowanego źródła o wartości 5V i 2,56V. Na wejście Uwej należy podłączyć napięcie z zewnętrznego zasilacza. Na tym zasilaczu ustawić ograniczenie prądowe na wartość nie przekraczającą 10mA. Przełącznik ADC0820+DAC0808,DAC0808 powinien być w pozycji ADC0820+DAC0808. W przeciwnym wypadku przetwornik będzie zablokowany. Rys.5. Schemat blokowy do badania przetwornika ADC0820 Wciskając przycisk WR (Write) wyprowadzić informację o napięciu wejściowym w kodzie binarnym. Informacja wyjściowa będzie widoczna na diodach LED, które są podłączone do wyjść przetwornika DB0-DB7 Jeżeli dioda świeci jest to jedynka logiczna. Najmniej znaczącym bitem jest DB0, a najbardziej DB7. Liczbę binarną należy zamienić na liczbę dziesiętną. Napięcie wyjściowe po konwersji Uwej należy obliczyć według poniższego wzoru, gdzie LD to liczba dziesiętna obliczona z liczby binarnej. LD Uwej ' = 256 Uref 5

6 Badanie przeprowadzić dla napięć wejściowych konkretnych (0, 2,56 i 5V) oraz dowolnie wybranych z przedstawionego przedziału: 0V 0-1V 1-2V 2-3V 3-4V 4-5V 5V Uwej Uref=5V Liczba dziesiętna po konwersji LD Napięcie po konwersji Uwej Błąd względny Uwej-Uwej 0V 0-1V 1-2V 2-2,56V 2,56V Uwej Uref=2,56V Liczba dziesiętna po konwersji LD Napięcie po konwersji Uwej Błąd względny Uwej-Uwej Zaobserwować i wyjaśnić działanie wyjścia OFL. 6. Równoległy 8 bitowy przetwornik cyfrowo - analogowy DAC0808 Rys.6. Schemat ideowy do badania przetwornika DAC0808 6

7 Rys.7. Schemat ideowo blokowy do badania przetwornika DAC0808 Na wejście Uref należy podłączyć napięcie referencyjne z regulowanego źródła o wartości 10V. Na wyjście Uwyj należy podłączyć woltomierz. Przełącznik ADC0820+DAC0808,DAC0808 powinien być w pozycji DAC0808. Przełącznik 4/8bit ustawić w pozycji 8bit. Przełącznik trybu automat/ręczny ustawić w pozycji ręczny. Wciskając przyciski + i - ustawia się żądaną liczbę binarną. Wciskając i przytrzymując przycisk + lub - liczba binarna będzie się zmieniała automatycznie cyklicznie od minimum do maksimum. Chcąc natomiast wycerować licznik, należy najpierw nacisnąć przycisk + lub - a po chwili (ok. 0,5s) drugi z tych dwóch wymienionych. W ten sposób licznik przybierze wartość 0. Informacja wejściowa będzie widoczna na diodach LED, które są podłączone do wyjść zadajnika. Jeżeli dioda świeci jest to jedynka logiczna. Najmniej znaczącym bitej jest A8, a najbardziej A1. Liczbę binarną należy zamienić na liczbę dziesiętną. Napięcie wyjściowe Uwyj należy porównać z napięcie obliczonym Uwyj, gdzie LD to liczba dziesiętna obliczona z liczby binarnej. LD Uwyj ' = 256 Uref Badanie przeprowadzić dla liczb konkretnych (0, 255) oraz dowolnie wybranych z przedstawionego przedziału: Uref=10V Liczba dziesiętna LD Napięcie rzeczywiste Uwyj 7 Napięcie oblicznone Uwyj Błąd względny Uwyj-Uwyj

8 Przejść w tryb 4-bitowy i sporządzić pomiary w celu wyznaczenia charakterystyki Uwyj=f(LD). W tym celu na wejście przetwornika z zadajnika podajemy 16 liczb 4- bitowych od 0 do 15 i dla każdej pozycji odczytujemy wartość napięcia. Na jednym wykresie należy nanieść charakterystykę rzeczywistą i idealną. Wyznaczyć błędy przesunięcia zera, wzmocnienia i nieliniowości całkowej. Na wyjście przetwornika podłączyć oscyloskop. Przełącznik trybu automat/ręczny ustawić w pozycji automat. W tym trybie na wyjściu zadajnika automatycznie zmienia się kod binarny w sposób cykliny od minimum do maksimum. Częstotliwość zmian ustawia się przyciskami + i -. Obserwacje na oscyloskopie zanotować zarówno dla typu 4-bitowego jak i 8-bitowego. W tej części ćwiczenia zwrócić szczególną uwagę na czas przejścia napięcia wyjściowego pomiędzy dwoma stanami (między dwoma schodkami ). Schemat blokowy jest pokazany na rys. 8. Rys. 8. Schemat blokowy do badania przetwornika DAC0808 w trybie automatycznej zmiany wejściowej liczby binarnej W następnej części ćwiczenia obserwowane jest działanie przetwornika cyfrowo analogowego jako potencjometru cyfrowego. Do wejścia Uref podłączyć przebieg sinusoidalny z zewnętrznego generatora o amplitudzie ok. 5V, składowej stałej 5V i częstotliwości ok. 1kHz. Składowa stała jest tutaj potrzeba, aby sygnał nie przybierał wartości ujemnych. Dla takich parametrów minimalna wartość napięcia to 0V a maksymalna to 10V. Na oscyloskop podłączyć zarówno sygnał wejściowy jak i wyjściowy. W zadajniku w trybie ręcznym należy zmieniać podawane słowo binarne i obserwować jednocześnie zmianę amplitudy sygnału wyjściowego. 8

9 7. Równoległy 8 bitowy przetwornik analogowo cyfrowy ADC0820 i cyfrowo - analogowy DAC0808 Rys.9. Schemat blokowy do badania przetwarzania ac/ca Do wejścia WR (wejście taktujące) przetwornika ADC0820 podłączyć generator zewnętrzny, który na wyjściu będzie miał sygnał prostokątny w standardzie TTL. Do wejścia analogowego Uwej przetwornika ADC0820 podłączyć generator zewnętrzny w sygnałem sinusoidalnym o amplitudzie 2,5V, składowej stałej również 2,5V i częstotliwości ok. 100Hz. Amplituda 2,5V oznacza, że napięcie między szczytowe przybierze wartość 5V. Składowa stała spowoduje, że sygnał będzie się zmieniał od wartości minimalnej 0V do wartości maksymalnej 5V. Taki zabieg należy zrobić ponieważ na wejście przetwornika ADC0820 należy podawać napięcia dodatnie nie przekraczające napięcie zasilania, czyli 5V. Omawiany sygnał sinusoidalny podłączyć również do kanału oscyloskopu. Wyjście Uwyj z przetwornika DAC0808 podłączyć do drugiego kanału oscyloskopu. Do obydwu przetworników podłączyć napięcie referencyjne Uref o wartości 5V. Przełącznik ADC0820+DAC0808,DAC0808 powinien być w pozycji ADC0820+DAC0808. W ten sposób wyjście zadajnika kodu jest wprowadzane w stan wysokiej impedancji i na wejście DAC0808 jest wprowadzany sygnał binarny z wyjścia ADC0820. W tym ćwiczeniu należy zaobserwować wpływ częstotliwości taktowania (na wejściu WR przetwornika ADC0820) na jakość sygnału wyjściowego. Ćwiczenie zrealizować również dla wyższych częstotliwości sygnału (sinusoidy) wejściowego niż 100Hz (dla np. 1kHz, 10kHz itd.). Odpowiednie wnioski zanotować. Jeżeli grupa skończy ćwiczenia przed końcem zajęć, należy wtedy powtórzyć, niektóre punkty dla innych napięć referencyjnych. Dane punkty ćwiczenia i wartości napięć poda prowadzący. 8. Zasady wykonywania ćwiczeń Praca studenta polega na wykonywaniu pomiarów eksperymentów i jednoczesnym sporządzaniu protokołu, w którym dokumentuje się wszystkie wyniki oraz zamieszcza wnioski, wyjaśnienia i odpowiedzi na postawione w instrukcji pytania problemowe. Właściwe przygotowanie do zajęć powinno obejmować; dokładne zaznajomienie się z instrukcją ćwiczenia; 9

10 przygotowanie teoretyczne ukierunkowane na wykonanie wymaganych obliczeń i rozwiązanie stawianych zagadnień problemowych; przygotowanie środków niezbędnych do rejestracji wyników i wykonywania obliczeń, zwłaszcza dyskietki i/lub cyfrowego aparatu fotograficznego, itp.; zaznajomienie się z parametrami technicznymi badanych układów i zasada pracy przyrządów pomiarowych; 9. Sprawozdanie studenckie Sprawozdanie powinno zawierać: stronę tytułową, a na niej między innymi temat ćwiczenia, skład grupy, datę wykonania ćwiczenia schematy ideowe i blokowe układów badanych wyniki pomiarowe i narysowane charakterystyki oscylogramy przebiegów (zapisane na dyskietce lub zdjęcia zrobione aparatem cyfrowym) obliczenia wstępne i końcowe wyniki otrzymane z ćwiczenia należy porównać z obliczeniami teoretycznymi (danymi katalogowymi) wnioski bezpośrednio dotyczące otrzymanych wyników pomiarowych 10. Stanowisko laboratoryjne Do wykonania ćwiczenia potrzebne są następujące przyrządy pomocnicze: źródło napięcia stałego regulowanego do +15V z ograniczeniem prądowym oscyloskop dwukanałowy; woltomierze generator przebiegu sinusoidalnego generator przebiegu prostokątnego TTL UWAGA: W czasie ćwiczenia nie należy przekraczać dopuszczalnych napięć podawanych na wejścia bo może to grozić uszkodzeniem układów! 11. Warunki BHP Warunkiem przystąpienia do praktycznej realizacji ćwiczenia jest zapoznanie się z instrukcją BHP i p.poż. obowiązującą w Laboratorium oraz przestrzeganie zasad w nich zawartych. Literatura 1. Pióro B., Pióro M. Podstawy elektroniki cz. 2. Warszawa Filipkowski A., Układy elektroniczne analogowe i cyfrowe. Warszawa Nosal Z., Baranowski J., Układy elektroniczne cz. I. /Układy analogowe i liniowe/ Warszawa Horowitz P., Hill W. Sztuka elektroniki cz. I. Warszawa Zasoby internetowe i wykłady 10

11 Dodatek A: Rys. 10. Płyta czołowa stanowiska laboratoryjnego. Opracował: mgr inż. Roman Tarasewicz 11