PAŃSTWOWA WYŻSZA SZKOŁA ZAWODOWA W TARNOWIE INSTYTUT POLITECHNICZNY LABORATORIUM METROLOGII

Transkrypt

1 PAŃSTWOWA WYŻSZA SZKOŁA ZAWODOWA W TARNOWIE INSTYTUT POLITECHNICZNY LABORATORIUM METROLOGII Instrukcja ćwiczenia laboratoryjnego: Przetworniki analogowo-cyfrowe zasada działania, własności statyczne i dynamiczne Tarnów 2013

2 Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z działaniem różnego rodzaju przetworników analogowo-cyfrowych i cyfrowo-analogowych i metodami pomiaru ich podstawowych parametrów dynamicznych i statycznych Program ćwiczenia: 1 Obserwacja i badanie działania toru przetwarzania A/C C/A zbudowanego z przetwornika A/C bezpośredniego porównania i przetwornik C/A z sumowaniem prądów: 11 Obserwacja działania toru przetwarzania A/C - C/A w warunkach dynamicznych 12 Pomiarowe wyznaczanie charakterystyki statycznej przetworników A/C i C/A 2 Obserwacja i badanie działania kompensacyjnego przetwornika A/C dla różnych wzorców i sterowań: 21 Kompensacja wagowa ze sterowaniem ręcznym 22 Kompensacja wagowa z taktowaniem generatorem wewnętrznym 23 Kompensacja równomierna z taktowaniem generatorem wewnętrznym Zakres wymaganych wiadomości: 1 Podstawowe pojęcia dotyczące przetwarzania A/C i C/A: dyskretyzacja w czasie (twierdzenie o próbkowaniu), kwantyzacja, kodowanie (systemy liczbowe i stosowane kody), metody i błędy przetwarzania A/C i C/A 2 Podstawowe elementy układów cyfrowych: liczniki, rejestry, konwertery kodów, komparatory, multipleksery i układy próbkowania z podtrzymaniem 3 Budowa i zasada działania przetworników A/C i C/A: przetwornik A/C z przetwarzaniem bezpośrednim (typu flash), przetwornik A/C kompensacyjny - równomierny i wagowy, przetworniki C/A z dzielnikami napięcia i z sumowaniem prądów Literatura: 1 Zatorski A, Sroka R : Podstawy metrologii elektrycznej,wydawnictwa AGH Kulka Z, Libura A, Nadachowski M: Przetworniki analogowo-cyfrowe i cyfrowoanalogowe WKiŁ Warszawa, Stabrowski M: Miernictwo Elektryczne Cyfrowa Technika Pomiarowa, OWPW Tumański S : Technika Pomiarowa; Wydawnictwa Naukowo-Techniczne /

3 1 Obserwacja i badanie działania toru przetwarzania A/C C/A zbudowanego z przetwornika A/C bezpośredniego porównania i przetwornika C/A z sumowaniem prądów 11 Obserwacja działania toru przetwarzania A/C i C/A w warunkach dynamicznych Strukturę badanego toru przedstawia rysunek 1 a schemat jego połączeń wewnętrznych rysunek 2 Tor składa się z przetwornika A/C pracującego jako przetwornik z porównaniem bezpośrednim (flash) oraz z przetwornika C/A zbudowanego jako przetwornik z sumowaniem prądów Rys 1 Tor przetwarzania A/C C/A z przetwornikiem równoległym (bezpośredniego porównania), 1 wskaźnik słupkowy (15 diod LED), 2- wskaźnik kodu BCD ( 4 diody LED), 3 wskaźnik siedmiosegmentowy Rys 2 Schemat połączeń wewnętrznych toru A/C C/A 3

4 Układ pomiarowy należy połączyć zgodnie ze schematem podanym na rysunku 3 Rys 3 Schemat układu do obserwacji przebiegów na wejściu i wyjściu toru przetwarzania Aparaturę zasilacz, oscyloskop i generator należy dobrać z listy aktualnie dostępnej aparatury tak aby spełniły wymagania ćwiczenia W układzie toru przetwarzania przełącznik pracy należy ustawić na generator Na wejście toru należy podać z generatora sygnał sinusoidalny o amplitudzie około 2 V z dodaną składową stałą o wartości około 2,5 V, tak, aby wszystkie wartości chwilowe sygnału wejściowego były dodatnie, gdyż przetwornik A/C jest unipolarny Zastosowany generator powinien umożliwiać niezależną regulację składowej zmiennej i stałej Należy przeprowadzić obserwację działania toru przy wykorzystaniu obu kanałów oscyloskopu Sygnały z wejścia i wyjścia toru podłączyć do kanałów CH1 i CH2 oscyloskopu Należy przeprowadzić obserwacje działania toru przetwarzania przy różnych częstotliwościach sygnału wejściowego (od 0,05 Hz do kilkanaście khz) Należy określić częstotliwość, przy której zniekształcenia sygnału wyjściowego są zauważalne i na tyle duże, że należy uznać działanie toru za nieprawidłowe Jako częstotliwość graniczną charakterystyki częstotliwościowej toru można przyjąć częstotliwość, przy której przebieg wyjściowy przestaje być kwantowany przejścia pomiędzy kolejnymi stanami nie są skokowe, tylko liniowe Dodatkowo, obserwacje należy wykonać dla kilku wartości amplitudy sinusoidy wejściowej i kilku wartości dodanej do niej składowej stałej Sprawdzić, jakie zmiany w sygnale wyjściowym następują, gdy wartości chwilowe sygnału wejściowego: przekraczają górny zakres przetwornika lub gdy stają się ujemne 4

5 12 Pomiarowe wyznaczanie charakterystyki statycznej przetworników A/C i C/A Pomiary będą wykonywane w układzie, którego schemat przedstawia rysunek 4 Rys 4 Schemat do wyznaczania charakterystyki statycznej przetwornika A/C i C/A Zasilacz (Z 2 ) należy użyć taki jak w poprzednim punkcie ćwiczenia Zasilacz precyzyjnie regulowany (Z 1 ) jest wbudowany w układ przetwarzania A/C- C/A W układzie toru przetwarzania przełącznik pracy należy ustawić na napięcie stałe (od 0 do 5V) Woltomierze cyfrowe V 1 i V 2 podłączone na wejście przetwornika A/C i wyjście przetwornika C/A muszą mieć taki sam zakres i rozdzielczość Napięcie wejściowe (mierzone przez woltomierz V 1 - rys 4) należy powoli zwiększać od zera tak, aby uzyskiwać zapalanie się kolejnych diod we wskaźniku słupkowym (por rys 1), które sygnalizują zmiany stanów wyjściowych przetwornika A/C Powolne zwiększanie napięcia służy do tego aby uzyskiwać najniższe wartości napięcia, przy którym następuje zmiana stanu wyjścia przetwornika A/C Powolne także dlatego, że nie wolno w tym działaniu zmniejszać napięcia (wracać) Wartości kolejnych napięć, odpowiadających zmianom stanów wyjściowych przetwornika A/C, należy zanotować w tabeli 1 Liczba zapalonych diod (kod unitarny), lub odpowiadająca jej wartość binarna na czterobitowym wskaźniku kodu BCD (por rys 1) jest stanem wejściowym przetwornika C/A, któremu odpowiada napięcie wyjściowe wskazywane przez woltomierz V 2 (rys 4) Wskazania woltomierza V 2, należy również zanotować w tabeli 1 5

6 Postępując tak, aż do zapalenia wszystkich piętnastu diod, uzyskujemy punkty umożliwiające wykreślenie charakterystyk obu przetworników, tworzących tor A/C - C/A Ze względu na istnienie zjawiska histerezy w działaniu przetwornika A/C konieczne jest powtórzenie całej procedury, ale tym razem przy powolnym zmniejszaniu napięcia wejściowego i notowaniu wartości obu napięć V 1 i V 2 w momentach, gdy gasną kolejne diody we wskaźniku słupkowym Rys5 Przykładowa charakterystyka przetwarzania przetwornika A/C Na podstawie wyników zestawionych w tabeli 1 należy wykreślić charakterystykę statyczną przetwornika A/C w sposób analogiczny jak na rysunku 5 Z wykresu należy wyznaczyć maksymalne błędy: komutacji(a), strefy martwej(b) i histerezy (c) zgodnie z oznaczeniami na poniższych rysunkach: Dodatkowo należy w sprawozdaniu określić także punkty charakterystyki dla których uzyskano wymienione wartości błędu Należy także obliczyć błąd nieliniowości z następującego wzoru: niel max{ Y} Y max Z uzyskanych wyników należy także narysować charakterystykę statyczną przetwornika C/A 6

7 Tabela 1 Ilość diod świecących kod unitarny 1 Wartość dziesięt na 1 Wartość binarna w kodzie BCD 0001 Zwiększanie napięcia U we [V] V1 U wy [V] V2 Zmniejszanie napięcia U we [V] V1 U wy [V] V Uwagi które należy przeczytać przed wykonaniem pomiarów: a Ilość diod świecących - dotyczy wskaźnika słupkowego b Ponieważ wskaźnik słupkowy nie zawiera diody odpowiadającej zerowej wartości przetwarzanego napięcia, rysując charakterystykę statyczną należy przyjąć zerową wartość stanu cyfrowego dla wszystkich wartości napięcia wejściowego wskazywanego przez woltomierz V 1 (por rys 4) od zera aż do wartości, przy której zaświeca się pierwsza dioda c Po zaświeceniu się piętnastej diody i zanotowaniu wartości napięcia, przy którym to nastąpiło należy to napięcie jeszcze trochę zwiększyć, a następnie zacząć powoli zmniejszać, aż do momentu, gdy dioda ta zgaśnie (Przy zwiększaniu napięcia punkt w tabeli 15 oznacza napięcie przy którym dioda 15 się zapaliła Przy zmniejszaniu napięcia punkt 15 oznacza napięcie przy którym dioda 15 zgasła) Po zanotowaniu wartości napięcia, przy którym dioda zgasła należy zmniejszać napięcie wejściowe aż do zgaszenia wszystkich diod Uzyskane pary wartości dla wszystkich kolejnych stanów cyfrowych 1, 2, 14, 15, 15, 14, 2, 1 umożliwiają narysowanie charakterystyki przetwarzania przetwornika A/C przy napięciu wejściowym rosnącym i malejącym oraz wyznaczenie histerezy przetwornika d Równoczesne odczyty napięcia na woltomierzu V 2 pozwalają wyznaczyć charakterystykę statyczną przetwornika C/A 7

8 2 Obserwacja i badanie działania kompensacyjnego przetwornika A/C dla różnych wzorców i sterowań Schemat ogólny stosowanego w ćwiczeniu kompensacyjnego przetwornika analogowocyfrowego przedstawiono na rysunku 6 Rys6 Widok płyty czołowej kompensacyjnego przetwornika A/C Przetwornik ten może realizować kompensację wagową (kod dwójkowy naturalny - 8 bitów) lub równomierną (kod unitarny plus licznik w kodzie dwójkowym naturalnym 8 bitów) Jego cykl pracy może być taktowany generatorem wewnętrznym lub zewnętrznym, a także wymuszany ręcznie poprzez naciskanie przycisku Krok Uaktywnienie poszczególnych trybów pracy następuje poprzez wciśnięcie odpowiednich przycisków (rys6) i sygnalizowane jest zapaleniem diod LED, umieszczonych nad nimi Domyślnie zaświecona dioda oznacza kompensację wagową, a nie zaświecona kompensację równomierną 8

9 Schemat połączeń układu pomiarowego dla wykonania wszystkich zadań niniejszego punktu ćwiczenia przedstawiono na rys7 Rys7 Schemat układu do obserwacji przebiegów w kompensacyjnym przetworniku A/C; Przetwornik należy zasilić (Z2) symetrycznym napięciem 15V, 0,+15V Do jego wejścia (Uwe) dołącza się napięcie stałe o dodatniej polaryzacji i wartości regulowanej w zakresie 0 3V Źródłem tego napięcia (Z1) może być regulowany zasilacz lub dzielnik napięcia o płynnej regulacji, zasilany stabilizowanym napięciem +5V Aktualnie nastawiona wartość napięcia powinna być mierzona woltomierzem cyfrowym (VC) Do kanałów CH1 i CH2 oscyloskopu dołączone są napięcia Uwe i Ux przetwornika Napięcie Ux jest wyjściowym napięciem wewnętrznego przetwornika C/A, które jest podawane na komparator Elementy regulacyjne oscyloskopu powinny być ustawione tak aby: - wzmocnienia w obu kanałach były takie same (wzmacniacz DC) - ustawienie wartości stałej podstawy czasu powinno umożliwiać obserwację pełnego cyklu kompensacji, - wyjście SYNC przetwornika należy połączyć z wejściem sygnału synchronizującego oscyloskopu i wybrać tryb synchronizacji zewnętrznej 21 Kompensacja wagowa ze sterowaniem ręcznym W tym trybie pracy przetwornika powinny się świecić się diody Sterowanie ręczne i Kompensacja wagowa W przetworniku cykl kompensacji realizowany jest w takt naciskania przycisku Krok 9

10 Nastawić napięcie Uwe na dowolną wartość z przedziału 0 3V Naciskając przycisk Krok obserwować kolejność zapalania się i gaśnięcia diod na wejściu przetwornika C/A oraz na ekranie oscyloskopu sekwencję wartości kolejnych napięć w napięciu Ux Na podstawie odczytu z ekranu należy wyznaczyć wartości kolejnych ośmiu napięć tworzących sekwencję w ramach jednego cyklu kompensacji (wagi ośmiu bitów) Po zakończeniu cyklu kompensacji zanotować stan diod na wejściu przetwornika C/A, w postaci liczby binarnej(1- dioda świecąca, 0 dioda zgaszona) Określić, która z diod odpowiada najstarszemu (MSB), a która najmłodszemu (LSB) bitowi liczby Wyznaczyć wartość (w woltach) najmniejszego bitu (kwant) i wartość wszystkich wag Dysponując uzyskaną liczbą binarną i wagami poszczególnych bitów, wyznaczyć wartość napięcia wyjściowego (Uxp) przetwornika C/A i porównać ją z wartością (Uwev) zmierzoną woltomierzem VC Pomiary powtórzyć dla kilku wartości napięcia Uwe Wyniki zestawić w tabeli nr 2 22 Kompensacja wagowa z taktowaniem generatorem wewnętrznym W tym trybie pracy powinny być zgaszone diody Sterowanie ręczne oraz Generator zewnętrzny Dla dowolnej wartości napięcia Uwe z przedziału 0 3V zaobserwować na ekranie oscyloskopu przebieg napięcia Ux(t) na wyjściu przetwornika C/A Prześledzić cykl kompensacji i zmiany w nim zachodzące dla kilku wartości napięcia Uwe Wyznaczyć czas weryfikacji pojedynczego poziomu kwantowania, czas jednego cyklu kompensacji (przetwarzania) oraz częstotliwość z jaką powtarzane są cykle kompensacji Zastanowić się czy czas przetwarzania zależy od wartości mierzonego napięcia? Należy wykonać obserwacje i pomiary dla kilku wartości napięcia wejściowego Mogą to być te same wartości jakie stosowane w poprzednim punkcie (przy sterowaniu ręcznym) Dla każdego obserwowanego napięcia określić na podstawie obrazu oscyloskopowego wartość Uxo, zanotować w postaci liczby binarnej stan diod na wejściu przetwornika C/A oraz określić wartość Uxp mierzonego napięcia Nastawione wartości Uwe porównać z wartościami Uxo i Uxp uzyskanymi z pomiaru Wyniki zestawić w tabeli 2 10

11 Tabela 2 Lp Uwev [ V ] Sterowanie ręczne Wartość Uxp binarna B [ V ] Generator wewnętrzny Wartość Uxo Uxp binarna B [ V ] [ V ] Kompensacja równomierna z taktowaniem generatorem wewnętrznym W tym stanie pracy powinny być zgaszone diody sterowanie ręczne kompensacja wagowa oraz generator zewnętrzny Dalsze obserwacje przeprowadzać analogicznie jak w przypadku kompensacji wagowej z taktowaniem generatorem wewnętrznym Dla kilku wartości napięcia Uwe wyznaczyć czas jednego cyklu kompensacji (przetwarzania) oraz częstotliwość, z jaką powtarzane są cykle kompensacji Określić jak zależy czas przetwarzania od wartości mierzonego napięcia? Ile wynosi on dla maksymalnej wartości tego napięcia? Zwiększając czułość oscyloskopu oraz częstotliwość generatora podstawy czasu doprowadzić do uzyskania na ekranie czytelnego przebiegu schodkowego napięcia Ux Należy wyznaczyć czas trwania jednego schodka oraz jego wysokość, równą jednemu kwantowi napięcia Ux Wszystkie uzyskane wyniki należy zamieścić w sprawozdaniu 11

12 Spis aparatury: 1 Obiekt pomiarowy - tor przetwarzania A/C C/A, 2 Obiekt pomiarowy - kompensacyjny przetwornik A/C 3 Zasilacz laboratoryjny DF1731-SB 4 Zasilacz laboratoryjny GPS1502L 5 Generator funkcyjny FG 506 lub TG Oscyloskop cyfrowy Tektronix TDS1012B 7 Multimetr cyfrowy METEX M4660 dwie sztuki 12