Ćwiczenie 12 Przetworniki analogowo-cyfrowe i cyfrowo-analogowe budowa i zastosowanie. Program ćwiczenia: 1. Obserwacja i badanie działania toru przetwarzania A/C-C/A 2. Wyznaczenie charakterystyk i błędów statycznych przetwornika A/C z bezpośrednim porównaniem oraz scalonego przetwornika C/A z sumowaniem prądów. 3. Obserwacja przebiegów w wybranych punktach kompensacyjnego przetwornika A/C. 4. Obserwacja przebiegów w wybranych punktach przetwornika A/C z dwukrotnym całkowaniem. 5. Badanie odporności na zakłócenia o różnych częstotliwościach multimetru z całkującym przetwornikiem A/C. Wykaz przyrządów Tor przetwarzania A/C-C/A na płytce drukowanej, w obudowie, wraz z zasilaczem Przetwornik kompensacyjny w obudowie z wyprowadzonymi sygnałami Przetwornik dwukrotnie całkujący w obudowie, z wyprowadzonymi sygnałami Multimetr cyfrowy Rigol DM3501 Multimetr cyfrowy GW-Instek GDM-8051 Oscyloskop cyfrowy Rigol DS1052E Generator sygnałów dowolnych Rigol DG1022 Zasilacz napięcia stałego z dokładną regulacją napięcia wyjściowego Literatura: [1] Stabrowski, Marek M. : Miernictwo elektryczne: cyfrowa technika pomiarowa, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 1994 [2] Kulka Z., Libura A., Nadachowski M.: Przetworniki analogowo-cyfrowe i cyfrowo-analogowe. Warszawa, WKiŁ 1987 [3] Sahner G.: Wstęp do miernictwa cyfrowego. Warszawa, WKiŁ 1982 [5] Zatorski A., Rozkrut A.: Miernictwo elektryczne. Materiały do ćwiczeń laboratoryjnych. Kraków, Wyd. AGH 1990, 1992, 1994, 1999. Skrypty nr 1190, 1334, 1403, 1585 Dokumentacja techniczna przyrządów pomiarowych: [6] Instrukcje obsługi przyrządów RIGOL http://www.kmet.agh.edu.pl dydaktyka Materiały dla studentów Informacja na temat niniejszej instrukcji: Czcionką pogrubioną zaznaczono rzeczy, na które należy zwrócić szczególną uwagę, a czcionką pochyloną najistotniejsze zagadnienia do przemyślenia po wykonaniu danego punktu ćwiczenia. Odpowiedzi na te zagadnienia powinny stanowić podstawę przy formułowaniu wniosków z przeprowadzonych eksperymentów. str. 1
Zakres wymaganych wiadomości do testu: Budowa i zasada działania przetworników analogowo-cyfrowych: z bezpośrednim porównaniem, kompensacyjnego (z kompensacją wagową i równomierną), dwukrotnie całkującego. Budowa i zasada działania przetwornika cyfrowo-analogowego z sumowaniem prądów. Twierdzenie o próbkowaniu. Charakterystyki statyczne i błędy przetwarzania przetworników C/A i A/C. Rozdzielczość i dokładność przetwarzania. str. 2
1. Obserwacja i badanie działania toru przetwarzania A/C-C/A Obiektem badania jest tor przetwarzania A/C-C/A zbudowany z przetwornika analogowo-cyfrowego z bezpośrednim porównaniem, przetwornika cyfrowo-analogowego z sumowaniem prądów oraz układów odpowiedzialnych za wyświetlanie wartości wyjściowej z przetwornika A/C w kodzie dziesiętnym. Schemat blokowy urządzenia przedstawia rysunek 1. Tor jest zasilany napięciem 12V z dołączonego zasilacza. Gniazdo zasilania znajduje się z tyłu obudowy. U we przetwornik A/C z bezpośrednim porównaniem Kod unitarny Przekodowanie na kod binarny i obsługa wyśw. 7-segmentowego Kod binarny (nie wyśw.) przetwornik C/A z sumowaniem prądów U wy Linijka diodowa Wyświetlacz 7-segmentowy Rysunek 1 Schemat blokowy toru przetwarzania A/C-C/A 1) W celu zaobserwowania działania toru, wejście przetwornika A/C należy podłączyć do wyjścia 1 generatora Rigol DG1022, a wyjście przetwornika C/A do kanału 2 oscyloskopu. Do kanału 1 oscyloskopu należy podać sygnał z generatora. Schemat połączeń przedstawia rysunek 2. OSC CH1 CH2 G Tor A/C C/A Rysunek 2 Układ do obserwacji działania toru przetwarzania A/C-C/A 2) W generatorze ustawić sygnał sinusoidalny (przycisk Sine ), o częstotliwości 1 Hz (zakładka Freq, następnie wpisać wartość z klawiatury lub ustawić pokrętłem) i wartości międzyszczytowej (peak-peak) 10 V (zakładka Ampl, następnie wpisać wartość z klawiatury lub ustawić pokrętłem). Włączyć wyjście generatora przyciskiem Output sąsiadującym ze złączem wyjściowym. 3) Włączyć oba kanały oscyloskopu (przyciski CH1 i CH2 obok ekranu). Oscyloskop zsynchronizować do sygnału z generatora (włączyć menu synchronizacji przyciskiem Menu z sekcji TRIGGER; następnie wybrać SOURCE CH1 oraz SLOPE RISING). Pokrętłem SCALE z sekcji VERTICAL ustawić kolejno wzmocnienie w obu kanałach na 2 V/dz. Pokrętłem POSITION z grupy VERTICAL ustawić masę kanału 1 na środek ekranu, a kanału 2 na jedną działkę poniżej środka (-2V). Pokrętłem SCALE z grupy HORIZONTAL ustawić szybkość odchylania poziomego na 200 ms/dz. str. 3
4) Zaobserwować przebieg wejściowy i wyjściowy na ekranie oscyloskopu oraz zachowanie się diod reprezentujących wartość wyjściową przetwornika A/C w kodzie unitarnym. Włączyć pomiary kursorowe przyciskiem Cursor, a następnie wybrać tryb ręczny (MODE MANUAL), pomiar parametrów napięciowych (TYPE Y) i kanał 2 (SOURCE CH2). Włączyć pomiary (przycisk Measure ) i ustawić pomiar składowych stałych w obu kanałach (SOURCE CH1 i VOLTAGE Vavg, a następnie SOURCE CH2 i VOLTAGE Vavg). Z użyciem kursorów wyznaczyć i zapisać w sprawozdaniu amplitudy obu sygnałów, a także zapisać wyświetlone na ekranie wartości średnie. Zanotować ilość przyjmowanych przez napięcie wyjściowe poziomów napięcia i na ich podstawie wywnioskować o rozdzielczości badanego toru przetwarzania. Pomiar parametrów i zliczanie poziomów napięcia można uprościć korzystając z przycisku Start/Stop. Dlaczego napięcie wyjściowe przetwornika C/A ma inną amplitudę i składową stałą niż napięcie wejściowe? 5) Ustawić w generatorze częstotliwość 100 Hz (zakładka Freq, następnie wpisać z klawiatury). Wartość współczynnika podstawy czasu oscyloskopu ustawić pokrętłem SCALE z grupy HORIZONTAL, tak aby na ekranie pokazały się 1-2 okresy sygnału. W generatorze wybrać zakładkę Ampl i pokrętłem zmieniać wartość międzyszczytową napięcia generatora w zakresie 2-12 V, co 2 V. Dla każdej wartości określić ilość poziomów dyskretnych przyjmowanych przez napięcie wyjściowe oraz (z użyciem kursorów) amplitudę napięcia wyjściowego. Wyniki zestawić w tabeli 1 w sprawozdaniu. Czy dla sygnałów o małych amplitudach zmienia się rozdzielczość przetwornika? Jakie zmiany w sygnale następują, gdy amplituda napięcia wejściowego przekracza 10 V? Czy te zmiany wynikają z właściwości przetwornika A/C, czy C/A? 4) Ustawić na generatorze amplitudę 10 V (zakładka Ampl i wpisać z klawiatury). Wybrać zakładkę Freq i pokrętłem zwiększać częstotliwość, co 1 khz. Cały czas ustawiać wartość współczynnika podstawy czasu, tak aby na ekranie były 1-3 okresy sygnału. Jako częstotliwość graniczną toru przetwarzania zanotować wartość częstotliwości, przy której przebieg wyjściowy przestaje być skwantowany, czyli przejścia pomiędzy kolejnymi poziomami napięcia nie są skokowe. Czy ta wartość częstotliwości wynika z właściwości dynamicznych części cyfrowej, czy analogowej toru przetwarzania? str. 4
2. Wyznaczenie charakterystyk i błędów statycznych przetwornika A/C z bezpośrednim porównaniem oraz scalonego przetwornika C/A z sumowaniem prądów. 1) Obiektem badań pozostaje tor przetwarzania A/C-C/A z punktu 1. Połączyć układ według schematu przedstawionego na rysunku 3. Przed włączeniem zasilania zakres zasilacza ustawić przełącznikiem na ±5 V, a wartość napięcia wyjściowego na minimum (-5 V). Zasilacz DC Tor A/C C/A V2 V1 Rysunek 3 Schemat układu do wyznaczenia charakterystyk statycznych przetworników A/C i C/A. Zasilacz DC o precyzyjnej regulacji napięcia; woltomierze V 1 i V 2 multimetry DM3501 i GDM-8051 (kolejność dowolna). 2) Napięcie wejściowe powoli zwiększać, tak aby uzyskiwać zapalanie kolejnych diod wskaźnika kodu unitarnego (lub zmiany kodu dziesiętnego). Dla każdej wartości kodu (włącznie z zerem) zapisywać wartość napięcia wyjściowego w tabeli 3 (rubryka napięcie wyjściowe U CA ). Przy każdej zmianie kodu zapisywać wartość napięcia wejściowego w tabeli 2 (rubryka napięcie wejściowe U AC1 ). 3) Ze względu na występowanie zjawiska histerezy w przetworniku A/C, badanie należy powtórzyć, tym razem obniżając napięcie wejściowe od maksymalnego. Dla każdej zmiany kodu zapisywać napięcie wejściowe w tabeli 2 (rubryka napięcie wejściowe U AC2 ). 4) Na podstawie zapisanych w tabeli wartości napięć obliczyć: wartość kwantu, teoretyczne napięcia komutacji A/C i wyjściowe C/A oraz błędy komutacji i histerezy (tylko dla przetwornika A/C). Wyniki zestawić w sprawozdaniu. Z czego wynikają poszczególne błędy? Jaka jest minimalna wartość błędu przetwornika N-bitowego? str. 5
3. Obserwacja przebiegów w wybranych punktach kompensacyjnego przetwornika A/C. Badanym w tym punkcie ćwiczenia urządzeniem jest kompensacyjny przetwornik A/C. Jest to przetwornik 8-bitowy, o zakresie napięć wejściowych 0-3 V. Może pracować zarówno w trybie kompensacji równomiernej, jak i kompensacji wagowej. Do taktowania przetwornika wykorzystać można zegar wewnętrzny lub zewnętrzny; dla dokładnego zaobserwowania zmian stanu przetwornik może być taktowany ręcznie za pomocą przycisku na obudowie. 3.1 Kompensacja wagowa ze sterowaniem ręcznym 1) Do wejścia przetwornika należy podłączyć napięcie z zasilacza regulowanego, a sygnały z układu próbkująco-pamiętającego (U pp ) i przetwornika C/A (U x ) podać na kanały wejścowe oscyloskopu. Przed włączeniem zasilacza ustawić zakres 0-5 V i napięcie 0 V. Dla zapewnienia synchronizacji do wejścia wyzwalania zewnętrznego oscyloskopu należy podłączyć sygnał z wyjścia SYNC przetwornika, a oscyloskop ustawić w tryb wyzwalania normalnego synchronizowanego sygnałem zewnętrznym (przycisk Menu z sekcji TRIGGER, następnie SWEEP NORMAL oraz SOURCE EXT). Schemat połączeń układu przedstawia rysunek 5. Zasilacz DC Przetwornik kompensacyjny SYNC OSC U x Upp CH1 CH2 EXT Rysunek 5 Układ do obserwacji sygnałów w przetworniku kompensacyjnym 2) Przetwornik przełączyć w tryb taktowania ręcznego (przycisk STEROWANIE RĘCZNE zaświecony), włączyć kompensację wagową (przycisk KOMPENSACJA WAGOWA zaświecony). W tym trybie kolejne kroki cyklu kompensacji realizowane są za pomocą przycisku KROK. 3) W zasilaczu nastawić dowolne napięcie wejściowe w zakresie 0-3 V (można posłużyć się multimetrem). Taktując pracę przetwornika przyciskiem KROK obserwować zapalanie i gaszenie poszczególnych diod kodu binarnego. Eksperyment powtórzyć dla kilku napięć wejściowych. Policzyć ilość kroków potrzebną do przeprowadzenia całego pomiaru. Od czego zależy ilość kroków kompensacji? 3.2 Kompensacja wagowa ze sterowaniem generatorem wewnętrznym 4) Przetwornik przełączyć w tryb pracy z generatorem wewnętrznym (zgaszone przyciski STEROWANIE RĘCZNE i GENERATOR ZEWNĘTRZNY, zaświecony KOMPENSACJA WAGOWA). W tym trybie cykl kompensacji realizowany jest automatycznie. 5) Prześledzić przebieg cyklu kompensacji i zmiany w nim zachodzące dla różnych wartości napięcia wejściowego z zakresu 0-3 V. Wyznaczyć czas porównania pojedynczego bitu, czas trwania całego cyklu kompensacji oraz okres powtarzania cyklu kompensacji. Jeden, wybrany przebieg przerysować do sprawozdania i oznaczyć poszczególne etapy. Czy czas trwania cyklu kompensacji zależy od napięcia wejściowego? Który z wyznaczonych czasów jest okresem próbkowania przetwornika? str. 6
3.3 Kompensacja równomierna z generatorem wewnętrznym 8) Wyłączyć taktowanie ręczne i kompensację wagową, włączyć generator wewnętrzny (zgaszone przyciski STEROWANIE RĘCZNE, GENERATOR ZEWNĘTRZNY i KOMPENSACJA WAGOWA). 9) Dla kilku różnych wartości napięcia wejściowego z zakresu 0-3 V wyznaczyć czas trwania pojedynczego cyklu kompensacji T k. Regulując czułość oscyloskopu i położenie obrazu na ekranie, doprowadzić do pokazania na ekranie czytelnego przebiegu schodkowego napięcia U x. Wyznaczyć wartość pojedynczego kwantu i czas trwania porównania pojedynczej wartości T q. Wyznaczyć też okres powtarzania kompensacji T p. Wyniki zestawić w tabeli 4. Jak czas trwania kompensacji zależy od wartości napięcia wejściowego? Czy czas porównania pojedynczej wartości różni się od czasu porównania dla kompensacji wagowej? W którym trybie z kompensacją wagową czy równomierną cykle kompensacji mogą być wykonywane częściej? str. 7
4. Obserwacja przebiegów w wybranych punktach przetwornika A/C z dwukrotnym całkowaniem. W ćwiczeniu wykorzystywany jest woltomierz tablicowy V-628 w obudowie z wyprowadzonymi sygnałami wewnętrznymi. Przyrząd jest zasilany napięciem 230 V. Wyłącznik znajduje się z tyłu obudowy. 1) Sygnał napięcia na kondensatorze całkującym przetwornika (wyjście 3) podłączyć do wejścia CH1 oscyloskopu, a sygnał sterowania kluczem napięcia odniesienia (wyjście 2) do wejścia CH2. Sygnał sterowania kluczem posłuży do synchronizowania oscyloskopu. Napięcie wejściowe dla przetwornika dostarcza zasilacz regulowany. Należy ustawić na nim zakres 0-5 V i napięcie 0 V. Wartość ustawionego napięcia można odczytywać z wyświetlacza badanego przetwornika. Zasilacz DC Przetwornik całkujący Rysunek 6 Schemat układu do obserwacji napięcia całkowania w przetworniku z dwukrotnym całkowaniem. 2) W oscyloskopie ustawić odchylanie poziome 5 ms/dz. Oscyloskop ustawić w tryb synchronizacji sygnałem w kanale 2 (przysisk Menu z grupy TRIGGER, a następnie SOURCE CH2, SWEEP NORMAL). W kanale 2 ustawić wzmocnienie 5 V/dz i pokrętłem LEVEL z sekcji TRIGGER ustawić poziom wyzwalania na około połowę amplitudy sygnału. W kanale 1 ustawić wzmocnienie 200 mv/dz. 3) Dla trzech różnych, niezerowych i nieprzekraczających zakresu przetwornika napięć przerysować przebiegi z ekranu oscyloskopu do sprawozdania. Parametry zaobserwowanych przebiegów wprowadzić do tabeli 6 w sprawozdaniu, posługując się rysunkiem 7 jako przykładem. Określić zależność poszczególnych parametrów przebiegu od napięcia wejściowego. Której w tych wartości odpowiada wynik przetwarzania, prezentowany na wyświetlaczu przetwornika? 3 2 OSC CH1 CH2 EXT U m T 1 T 2 Rysunek 7 Parametry przebiegu napięcia całkowania w przetworniku z dwukrotnym całkowaniem. str. 8
5. Badanie odporności na zakłócenia o różnych częstotliwościach multimetru z całkującym przetwornikiem A/C. 1) Podłączyć multimetr Rigol DM3501 do wyjścia 1 generatora funkcyjnego Rigol DG1022. 2) Na generatorze ustawić napięcie sinusoidalne o amplitudzie 1 V oraz składową stałą 2 V (przycisk Sine, następnie zakładka Ampl i wpisać 1 V oraz zakładka Offset i wpisać 2 V). Multimetr ustawić w tryb pomiaru napięcia stałego (DCV). Włączyć wyjście generatora. Uwaga: w tym punkcie ćwiczenia składową stałą generatora traktujemy jako wartość mierzoną, a napięcie zmienne symuluje zakłócenie. 3) W multimetrze włączyć funkcje statystyczne przycisk Math, następnie zakładka Stats ALL i po powrocie do głównego menu operacji matematycznych opcja ON. Zerowanie wyliczonych wartości statystycznych (potrzebne w następnym punkcie) przeprowadza się przez wyłączenie i włączenie funkcji matematycznych z menu udostępnianego przez przycisk Math. 4) Ustawić częstotliwość składowej sinusoidalnej napięcia generatora na 20 Hz (zakładka Freq i wpisać z klawiatury). Wyzerować wartości statystyczne wyliczone przez multimetr. Odczekać do wykonania co najmniej 30 pomiarów (warość wyświetlana na ekranie jako Total). Wartość minimalną i maksymalną wpisać do tabeli 7 w sprawozdaniu. Uwaga: należy notować wszystkie cyfry wyniku. Procedurę powtórzyć dla częstotliwości zwiększanych co 10 Hz aż do 120 Hz. 5) Na podstawie wyników zanotowanych w tabeli 7 wyznaczyć rozrzuty napięć dla poszczególnych częstotliwości. Wartości przedstawić graficznie w formie wykresu. Dla jakich częstotliwości występuje maksymalne tłumienie zakłóceń (najmniejszy rozrzut wyników)? Z jakiego powodu konstruktor przyrządu wybrał te częstotliwości? str. 9