Przetwarzanie cyfrowo - analogowe (C/A, D/A) i analogowo cyfrowe (A/C, A/D)

Politechnika Warszawska Wydział Mechatroniki Instytut Metrologii i Inżynierii Biomedycznej Laboratorium Elektroniki III Przetwarzanie cyfrowo - analogowe (C/A, D/A) i analogowo cyfrowe (A/C, A/D) Opracował dr inż. Grzegorz Stępieo 1

Tematyka dwiczenia Wymagane wiadomości Literatura podstawowa Literatura uzupełniająca Właściwości i zastosowania przetworników C/A i A/C Podstawowe wiadomości o budowie i zasadach działania przetworników cyfrowo analogowych (C/A) i analogowo cyfrowych (A/C) Elektronika II, materiały do wykładu 8_9_Przetwarzanie C/A i A/C (http://zemip.mchtr.pw.edu.pl/) http://www.egmont.com.pl/labjack http://labjack.com/products http://labjack.com/u3 2 C/A i A/C

Badany układ Badany jest wielofunkcyjny programowalny moduł wejśd i wyjśd analogowych i cyfrowych, dołączany do komputera przez łącze USB. Jest to moduł o nazwie LabJack U3-HV produkowany przez firmę Egmont Instruments z Lakewood Colorado, USA. Moduł zawiera 2 wyjścia analogowe (DAC) o rozdzielczości 10..16 bitów, 16 wejśd analogowych (AIN) o rozdzielczości 10 (12) bitów, 20 wejśd/wyjśd cyfrowych i dwa liczniki/zegary. Moduł przeznaczony jest do akwizycji i przetwarzania danych w układach o wolnym czasie działania. 3 C/A i A/C

Połączenia Wykonane muszą byd następujące połączenia: USB Moduł LabJack U3-HV dołączony do gniazda USB komputera; LabJack U3 VS GND DAC0 DAC1 VS GND AIN2 AIN3 VS GND AIN0 AIN1 trójnik: Woltomierz DC Oscyloskop wejście 1 Oscyloskop wejście 2 Woltomierz DC (tylko p.3.2) Generator funkcyjny Zaciski DAC0 GND dołączone do wejścia 1 oscyloskopu poprzez trójnik; do drugiego łącza trójnika dołączony woltomierz napięcia stałego; Zaciski DAC1 GND dołączone do wejścia 2 oscyloskopu; Zaciski AIN0 GND dołączone do generatora funkcyjnego, wyposażonego w regulację składowej stałej (DC OFFSET); dołączenie do wyjścia generatora przez trójnik; Zacisk DAC1 połączony z zaciskiem AIN1; 4 C/A i A/C

1. Uruchomienie programu Przyciskami Start Programy Laboratorium EUS Przetwarzanie AC i CA (lub podobnie) uruchomid program LabJack1. W zakładce Informacje odczytad adnotację o wykryciu modułu LabJack U3, dołączonego do USB komputera i informację o wersji sterownika tego modułu. 5 C/A i A/C

2. Przetwarzanie cyfrowo - analogowe Badany jest przetwornik C/A, który przyjmuje 16-bitowe wartości cyfrowe od 0000h do FFFFh (dziesiętnie od 0 do 65535). Zakładka Przetwarzanie C/A zawiera elementy umożliwiające wpisywanie do przetwornika różnych wartości wejściowych. 6 C/A i A/C

2.2. Przetwarzanie cyfrowo analogowe (2) Otworzyd zakładkę Przetwarzanie C/A. Wcisnąd przycisk DAC_min, wpisując do DAC0 wartośd 0000h. Obejrzed wskazania oscyloskopu (wejście 1). Zapisad wartośd napięcia wyjściowego DAC0, odczytaną z woltomierza (z dokładnością do 3 cyfr po przecinku). Wcisnąd przycisk DAC_max, wpisując do DAC0 wartośd FFFFh. Obejrzed wskazania oscyloskopu. Zapisad wartośd napięcia wyjściowego DAC0, odczytaną z woltomierza (z dokładnością do 3 cyfr po przecinku). Wartości napięcia wpisad w poniższą tabelkę: Wartośd cyfrowa *hex] *dziesiętnie+ 0000 3FC0 16320 4000 16384 4040 1648 7FC0 32704 8000 32768 8040 32832 BFC0 49088 C000 49152 Napięcie analogowe *V+ - - - - - - - - - C040 49216 FFFF 65535 7 C/A i A/C

2.3. Przetwarzanie cyfrowo analogowe (3) Za pomocą elementów z ramki: wpisywad do DAC0 wartości, podane w poniższej tabelce. Zapisywad wartości napięcia wyjściowego. Wartośd cyfrowa *hex] *dziesiętnie+ 0000 3FC0 16320 4000 16384 4040 16448 7FC0 32704 8000 32768 8040 32832 BFC0 49088 C000 49152 C040 49216 FFFF 65535 Napięcie analogowe U wy [V] - - Narysowad charakterystykę przetwornika. Obliczyd współczynnik nachylenia tej charakterystyki wokół punktów o wartości 4000h, 8000h i C000h, co odpowiada punktom określającym ¼, ½, i ¾ zakresu przetwarzanych wartości. 8 C/A i A/C

2.3. Przetwarzanie cyfrowo analogowe (4) Uwzględnid wartości odchylone od punktów 4000h, 8000h i C000h o 40h ( 64 dziesiętnie). Odchylenia o 40h ( 64d) przyjąd za jednostkę odchylenia; obliczyd: S 4000 = (U wy 4040 - U wy 3FC0 )/2; S 8000 = (U wy 8040 - U wy 7FC0 )/2; S C000 = (U wy C040 - U wy BFC0 )/2; Obliczyd też nachylenie średnie między punktami 4000h i C000h: S (C000-4000) = (U wy C000 - U wy 4000 )/512 Punkt 4000h 8000h C000h C000h-4000h Nachylenie S W charakterystykę przetwornika wrysowad prostą, przechodzącą przez punkt 8000h, o nachyleniu S (C000-4000) ; prostą przedłużyd poza punkty odpowiadające początkowi (0) i koocowi (FFFFh) charakterystyki, o współrzędnych obliczonych z nachylenia tej prostej. Zaznaczyd liniami poziomymi początek i koniec charakterystyki. Porównad położenie obliczonych w ten sposób punktów kraocowych z punktami wyznaczonymi pomiarem w p.2.2. 9 C/A i A/C

2.4. Przetwarzanie cyfrowo analogowe (5) Za pomocą elementów z ramki: wpisad do DAC0 kilka wartości napięcia, podawanego w woltach *V+ z dokładnością do 3 cyfr po przecinku. Zapisad wartości napięcia wyjściowego DAC0, zmierzone woltomierzem. Wartośd wpisana *V+ Zmierzone wyjściowe napięcie analogowe *V+ Na podstawie wykonanych pomiarów narysowad charakterystykę przetwornika. 10 C/A i A/C

2.5. Przetwarzanie cyfrowo analogowe (6) Za pomocą przycisku DAC0 Pętla spowodowad wytwarzanie na wyjściu DAC1 zmiennych przebiegów napięcia. Przebiegi obejrzed oscyloskopem (wyjście DAC1 dołączone do wejścia 2 oscyloskopu). Możliwe jest wytwarzanie trzech przebiegów, wybieranych selektorem; są to: piła, prostokąt i sinusoida. Dla przebiegu prostokątnego zmieniad dodatkowym selektorem okres w zakresie od 10 do 100 jednostek. Przebiegi są wolnozmienne, gdyż badane w dwiczeniu przetworniki DAC0 i DAC1 wytwarzają napięcie analogowe, filtrowane wewnętrznie przez filtr dolnoprzepustowy o częstotliwości 16 Hz. Zakooczyd wytwarzanie przebiegów przyciskiem Stop. 11 C/A i A/C

3. Przetwarzanie analogowo cyfrowe Badanie przetwornika A/C przeprowadza się przy użyciu elementów zakładki Przetwarzanie A/C. Do wejścia AIN0 doprowadzone jest napięcie z generatora. Ustawid niewielką częstotliwośd tego napięcia, rzędu 1..5 Hz, amplitudę rzędu 10 V, napięcie bez składowej stałej. 12 C/A i A/C

3.1. Przetwarzanie analogowo cyfrowe (2) Wcisnąd przycisk AIN0. Wcisnąd przycisk A/C (AIN0) akwizycja ciągu danych Start. W ramce wykreślany jest przebieg sygnału, doprowadzonego do wejścia AIN0. Napięcie jest próbkowane w takt zegara, którego okres ustawia się selektorem z dokładnością 1 ms. Wykorzystywany jest standardowy zegar, używany w systemie operacyjnym Windows. Ze względu na właściwości tego systemu rzeczywisty takt zegara jest nie krótszy od ok. 16 ms. Co pewien czas wartośd ta jest nawet dużo większa ze względu na wykonywanie przez system Windows dodatkowych czynności, uniemożliwiających obsługę zegara. Wartości rzeczywiście realizowanego taktu zegara odczytad można z umieszczonej listy. Zmieniad amplitudę i częstotliwośd sygnału wytwarzanego przez generator, dodad do sygnału składową stałą i zmieniad jej wartośd. Zmieniad takt zegara próbkującego. Obserwowad wykreślany przebieg sygnału. Zakooczyd akwizycję sygnału przyciskiem Stop. 13 C/A i A/C

3.2. Przetwarzanie analogowo cyfrowe (3) Zmniejszyd do zera amplitudę sygnału wytwarzanego przez generator. Dodad do sygnału składową stałą i zmieniad jej wartośd. Mierzyd wartośd składowej stałej woltomierzem. Woltomierz dołączyd do koocówki trójnika, dołączonego do wyjścia generatora. Ustawid kilka różnych wartości napięcia, doprowadzonego do AIN0. Gdyby występowały znaczne wahania napięcia, doprowadzid napięcie z zasilacza. Za pomocą przycisku AIN0 odczyt danej odczytywad wartośd napięcia, podawanego przez przetwornik A/C. Wyniki pomiarów zestawid w tabelce. Wartośd około *V+ >=-10-5 -2 0 +2 +5 <=+10 Wartośd napięcia wejściowego AIN0 [V] (woltomierz) Wartośd napięcia podawanego przez przetwornik [V] Narysowad charakterystykę przetwornika. 14 C/A i A/C

4. Algorytm przetwarzania A/C W zakładce Algorytm przetwarzania A/C zbadad można sposób ustalania wartości analogowej napięcia, doprowadzonego do wejścia przetwornika. Uwzględniane są trzy sposoby ustalania tej wartości: porównywanie z liniowo zmienianą wartością cyfrową, porównywanie z wagowo zmienianą wartością cyfrową oraz metoda sigma delta 15 C/A i A/C

4.1. Algorytm przetwarzania A/C (2) Doprowadzid do wejścia przetwornika napięcie o wartości ok. 1 V. Odczytad tę wartośd za pomocą przycisku Start. Wykonywad kolejne kroki przetwarzania przetwornika za pomocą przycisku Wykonaj jeden krok przetwarzania. Kolejne kroki powtarzad można po jednokrotnym naciśnięciu tego przycisku i wciśnięcie oraz przytrzymanie w tym stanie klawisza *Enter+. Zbadad po ilu krokach ustalona zostanie wartośd wskazywana przez przetwornik z liniową i wagową zmianą wzorca. Powtórzyd badania w sposób, umożliwiający narysowanie przebiegów zmiany wartości cyfrowej przez: Pierwsze 5 i ostanie 5 kroków przed ustaleniem wyniku przetwornika z liniową zmianą wzorca; Wszystkich kolejnych kroków przetwornika z wagową zmianą wzorca; 16 C/A i A/C

4.1. Algorytm przetwarzania A/C (3) Powtórzyd badania dla algorytmu sigma - delta: Zakłada się, że badany przetwornik A/C przetwarza napięcie analogowe w zakresie od 0 do 5 V. Różnica napięcia mierzonego U we i napięcia z przetwornika C/A jest całkowana przez integrator. Napięcie U wyc narasta lub opada liniowo w funkcji czasu. Komparator porównuje U wyc z napięciem odpowiadającym ½ zakresu (2,5 V). W chwilach wyznaczonych przez zegar taktujący do przerzutnika wpisywane jest 1 gdy U wyc jest większe od 2,5 V lub 0 gdy U wyc jest mniejsze od 2,5 V. Przetwornik C/A zamienia 0 na 0 V a 1 na 5 V. 17 C/A i A/C

4.1. Algorytm przetwarzania A/C (4) Stosunek mierzonego napięcia do zakresu przetwarzania jest w przybliżeniu równy stosunkowi liczby jedynek w ciągu bitów wyjściowych do całkowitej długości tego ciągu. Dokładnośd jest tym lepsza im większa długośd ciągu. Przez 10 kroków zapisywad wyjście układu całkującego (U wyc ), kolejne bity wyjściowe i wyliczone napięcie (U wyl ). Narysowad przebieg U wyc i U wyl. Jak można prognozowad niezbędną do ustalenia U we liczbę kroków? Przykładowe przebiegi: 18 C/A i A/C

5. Firmowy program testowy Otworzyd zakładkę Informacja. Włączyd przycisk, uruchamiający firmowy program testowy o nazwie LJ Control Panel (UWAGA! Czekad cierpliwie, program uruchamia się dłuugo). Za pomocą przycisku Find Devices (F3) wyszukad moduł U3. Zaznaczyd wyszukany moduł (USB 1). Wcisnąd przycisk Test. Wyświetlone zostanie okno, umożliwiające sprawdzenie działania modułu U3. 19 C/A i A/C

5.1. Firmowy program testowy (2) Zapoznad się z możliwościami okna Test Panel 20 C/A i A/C