POLITECHNIKA ŚLĄSKA WYDZIAŁ INŻYNIEII ŚODOWISKA I ENEGETYKI INSTYTUT MASZYN I UZĄDZEŃ ENEGETYCZNYCH LABOATOIUM ELEKTYCZNE Przeworniki analogowo-cyfrowe. (E 11) Opracował: Dr inż. Włodzimierz OGULEWICZ
1. Cel ćwiczenia. Celem ćwiczenia jes poznanie meod przewarzania analogowo cyfrowego a w szczególności meody kompensacyjnej równomiernej oraz poznanie przeworników napięcie częsoliwość (U/f) i rezysancja szerokość impulsu (/). 2. Wprowadzenie. 2.1. Przewarzanie analogowo cyfrowe. Pojęcia podsawowe. Przeworniki (konwerery) analogowo-cyfrowe (P A/C) o urządzenia, przewarzające ciągły analogowy sygnał wejściowy (jedno wejście) na odpowiadający mu dyskreny cyfrowy sygnał wyjściowy (n wyjść dwusanowych). W procesie konwersji analogowo cyfrowej zachodzi: q kwanowanie sygnału (dyskreyzacja w poziomie przeważnie w dziedzinie napięcia), q próbkowanie sygnału (dyskreyzacja w dziedzinie czasu), q kodowanie sygnału. Procesy e mogą przebiegać równocześnie lub kolejno. [Parz również insrukcja M 15 LABOATOIUM METOLOGII ]. 2.2. Meody przewarzania A/C (analogowo-cyfrowego) (ang. Analog-o-Digial Converer) Meody przewarzania A/C dzielimy na: Meody pośrednie q meoda czasowo-impulsowa prosa (pojedynczego całkowania) z podwójnym całkowaniem ü z porójnym całkowaniem q meoda częsoliwościowa prosa ü z podwójnym przewarzaniem dela sigma (D - S) Meody bezpośrednie q meoda kompensacyjna kompensacji równomiernej kompensacji wagowej q meoda bezpośredniego porównania równoległego porównania Meody kombinowane (dwusopniowe)(dwuakowe)(kaskadowe) szeregowo-równoległego porównania ü częsoliwościowo-kompensacyjna ü częsoliwościowo-czasowa
2.3. Przegląd wybranych meod przewarzania analogowocyfrowego. Przegląd zawiera: schemay blokowe, wykresy czasowe i opis podsawowych własności poszczególnych meod. 2.3.1. Meoda czasowo impulsowa prosa. U NL G. I. W. K. G. N. L. U IW K. Licznik STAT Oznaczenia poniżej. U IW STAT U NL STAT Meoda czasowo-impulsowa prosa przewarzania A/C jes mało dokładna i sosunkowo wolna (im większe napięcie mierzone ym dłuższy czas odpowiedzi). Meoda a przewarza warości chwilowe wejściowego przebiegu analogowego. 2.3.2. Meoda czasowo impulsowa z podwójnym całkowaniem. STAT G. I. W. -U N sng U IW òudx K. Licznik STAT -U N sng STAT STAT U IW STAT przewarzania Oznaczenia: K. - komparaor (układ porównujący). G.I.W. - generaor impulsów wzorcowych. G.N.L. - generaor napięcia liniowo narasającego. òudx - inegraor (układ całkujący). Meoda przewarzania A/C czasowo-impulsowa z podwójnym całkowaniem jes średnio dokładna i wolna (czas odpowiedzi zależy od warości napięcia mierzonego). Meoda a przewarza warości średnie wejściowego przebiegu analogowego (czas uśredniania jes zmienny, zależny od warości napięcia). 0000 0000 0000 1111 1111 1111 0000 0000 0000
2.3.3. Meody częsoliwościowe. G.O.T.W. U TW òudx K. Licznik U W G.I.. f X U W - STAT Oznaczenia: G.O.T.W. - generaor odcinka czasu wzorcowego. G.I.. - generaor impulsów rozładowujących. - źródło napięcia wzorcowego. U W f X U TW Meody częsoliwościowego przewarzania A/C są średnio dokładne i wolne (czas odpowiedzi nie zależy od warości napięcia wejściowego). Meody e przewarzają warości średnie wejściowego przebiegu analogowego (czas uśredniania jes sały). Meoda częsoliwościowa z podwójnym przewarzaniem jes znacznie szybsza od meody prosej. Meoda dela-sigma ( D S ) - sygnał analogowy Generaor Odcinka Czasu Wzorcowego G.I.W. Dz.Cz. U TW f / N Licznik C f W ejesr rów. k U K. f X D Q B 1 B 2 Deszyfraor U x / f x C Q Wyświelacz Zał. - Wył. Napięcie Wzorcowe -U W sgn f W >> f G Syg Meoda przewarzania A/C częsoliwościowa dela-sigma ma cechy analogiczne do meody częsoliwościowej prosej.
2.3.4. Meoda kompensacyjna równomierna. G. I. W. K. U IW Licznik STAT Przewornik C/A (cyfrowoanalogowy ) STAT Wpis ejesr równoległy Układ próbkującopamięający Meoda kompensacyjna równomierna przewarzania A/C jes dokładna i wolna (im większe napięcie mierzone ym dłuższy czas odpowiedzi). Meoda a przewarza warości chwilowe wejściowego. 2.3.5. Meoda kompensacyjna wagowa. U S K. Układ serujący 8 U Przewornik C/A (cyfrowoanalogowy ) Wpis 4 2 ejesr równoległy 1 Meoda kompensacyjna wagowa przewarzania A/C jes dokładna i szybka (czas przewarzania jes sały nie zależy od napięcie wejściowego). Meoda a (z koniecznym układem próbkująco pamięającym) przewarza warości chwilowe wejściowego przebiegu analogowego. 2 4 6 8 10 12 14
2.3.6. Meoda bezpośredniego porównania równoległa. -sygnał analogowy Komparaor n L Źródło Napięcia Wzorcowego Komparaor n-1 Komparaor k+1 Komparaor k Komparaor k-1 L L L H TANSKODE sygnał cyfrowy Komparaor 3 Komparaor 2 Komparaor 1 H H H Meoda bezpośredniego porównania równoległa przewarzania A/C jes mało dokładna i bardzo szybka (czas przewarzania jes sały równy czasowi propagacji sygnału, nie zależy od napięcie wejściowego). Meoda a przewarza warości chwilowe wejściowego przebiegu analogowego. 2.3.7. Meoda dwusopniowa szeregowo równoległego porównania. - sygnał analogowy Przewornik A/C (szybki) np. bezpośredniego porównania równoległy Układ odejmujący np. wzmacniacz operacyjny Przewornik C/A (cyfrowo- -analogowy) - Przewornik A/C (szybki) np. bezpośredniego porównania równoległy Meoda szeregowo równoległego porównania jes mało dokładna ale bardzo szybka (czas przewarzania jes sały nie zależy od napięcie wejściowego). Meoda przewarza warości chwilowe przebiegu wejściowego. ejesr buforowy
3. Badania i pomiary. 3.1. Schemay układów pomiarowych. Ćwiczenie wykonuje się kolejno na rzech sanowiskach pomiarowych. Schemay układów pomiarowych przedsawiono na poniższych rysunkach. Generaor impulsów akujących Źródło napięcia mierzonego Komparaor Bramka Licznik V V Przewornik C/A (cyfrowoanalogowy) U O V Źródło napięcia odniesienia ys.1. Układ pomiarowy przewornika kompensacyjnego równomiernego. Opornica dekadowa Przewornik / D (rezysancjaprzedział czasu) Oscyloskop ys.2. Układ pomiarowy przewornika rezysancja przedział czasu.
Generaor impulsów akujących Licznik Przewornik U / f Źródło napięcia mierzonego (napięcie-częsoliwość) GMC-018 f X f Oscyloskop V ys.3. Układ pomiarowy przewornika napięcie częsoliwość. 3.2. Przebieg ćwiczenia. 1. W układzie pomiarowym przewornika kompensacyjnego równomiernego (rys.1.) należy dokonać odczyu słowa binarnego 10 biowego z wyświelacza złożonego z 10 diod elekroluminescencyjnych LED (dioda załączona świecąca 1, dioda wyłączona zgaszona 0) dla kolejnych, podanych przez prowadzącego zajęcia, napięć wejściowych. Należy usalić momen przepełnienia licznika i wyznaczyć warość napięcie odniesienia (referencji). Przed kolejnym pomiarem licznik rzeba wyzerować!. Wyniki pomiarów należy sukcesywnie noować w abeli pomiarowej (przedsawionej poniżej). Przewornik kompensacyjny równomierny ( / ) U n X liczba [V] liczba binarna dziesięna 0,1 1,0 1,9 id. Po dokonaniu pomiarów liczbę binarną należy przeliczyć na dziesięną.
2. W układzie pomiarowym przewornika rezysancja przedział czasu (rys.2.) należy dokonać pomiaru czasu rwania impulsu prosokąnego na wyjściu przewornika X /D X w funkcji rezysancji wejściowej (warości rezysancji podaje prowadzący ćwiczenia). Pomiaru czasu rwania impulsu dokonuje się oscyloskopem umożliwiającym, oprócz obserwacji przebiegu, cyfrowy pomiar odcinka czasu pomiędzy usawianymi na ekranie znacznikami począku i końca impulsu prosokąnego. Wyniki pomiarów należy sukcesywnie noować w abeli pomiarowej (przedsawionej poniżej). Przewornik ( X / D X ) W 100 103 id. UWAGA: Wskazania wyświelacza pomiaru czasu zsynchronizowane są z nasawami generaora podsawy czasu oscyloskopu co zdecydowanie uławia pomiar. 3. W układzie pomiarowym przewornika napięcie częsoliwość (rys.3.) należy dokonać pomiaru częsoliwości na wyjściu przewornika U/f w funkcji napięcia wejściowego (warości napięć wejściowych podaje prowadzący ćwiczenia). Do wyjścia przewornika podłączony jes również oscyloskop dwukanałowy umożliwiający obserwację przebiegu wyjściowego (kanał 2) na le przebiegu odniesienia napięcie z generaora impulsów akujących (kanał 1). Przewornikiem badanym o monoliyczny układ hybrydowy GMC-018-1 o napięciu wejściowym 0 2 [V]. Proponowana częsoliwość odniesienia 10 khz. (Kara kaalogowa przewornika napięcie-częsoliwość do wglądu u prowadzącego zajęcia). Wyniki pomiarów należy sukcesywnie noować w abeli pomiarowej (przedsawionej poniżej). ms Przewornik ( / f X ) U V 0,05 0,10 id. f khz
4. Opracowanie wyników pomiarów. 1. Sporządzić wykresy zależności: a. = f( ) (dla przewornika kompensacyjnego równomiernego rzy serie na jednym wykresie). b. D X = f( X ) (dla przewornika rezysancja przedział czasu rzy serie na jednym wykresie). c. f X = f( ) (dla przewornika napięcie częsoliwość rzy serie na jednym wykresie). 2. Na wykresach należy nanieść linie rendu wraz z podaniem współczynników regresji liniowej (y = ax + b => prosa regresji). 5. Sprawozdanie. Sprawozdanie powinno zawierać: 1. Sronę yułową (nazwę ćwiczenia, numer sekcji, nazwiska i imiona ćwiczących oraz daę wykonania ćwiczenia). 2. Schemay układów pomiarowych. 3. Tabele wyników pomiarowych ze wszyskich sanowisk. 4. Wykresy podanych (w pk 4) zależności. 5. Uwagi i wnioski (doyczące przebiegu charakerysyk, ich odsępsw od przebiegów eoreycznych, rozbieżności wyników różnych serii pomiarowych ip.). Grupa I Przewornik "rezysancja - odcinek czasu" ( - D) Przewornik "napięcie - częsoliwość" (U - f) Przewornik kompensacyjny równomierny (U - Nx) D U f U Nx n X W ms V khz V liczba binarna liczba dziesięna 102 0,10 0,1 105 0,25 1,0 108 0,40 1,9 111 0,55 2,8 114 0,70 3,7 117 0,85 4,6 120 1,00 5,5 123 1,15 6,4 126 1,30 7,3 129 1,45 8,2 132 1,60 9,1 X X 1,75 10,0 X X 1,90 X x x x x x x x x x x X
Grupa II Przewornik "rezysancja - odcinek czasu" ( - D) Przewornik "napięcie - częsoliwość" (U - f) Przewornik kompensacyjny równomierny (U - Nx) D U f U Nx n X W ms V khz V liczba binarna liczba dziesięna 101 0,05 0,7 104 0,20 1,6 107 0,35 2,5 110 0,50 3,4 113 0,65 4,3 116 0,80 5,2 119 0,95 6,1 122 1,10 7,0 125 1,25 7,9 128 1,40 8,8 131 1,55 9,7 X X 1,70 10,2 X X 1,85 X x x x x x x x x x x X Grupa III Przewornik "rezysancja - odcinek czasu" ( - D) Przewornik "napięcie - częsoliwość" (U - f) Przewornik kompensacyjny równomierny (U - Nx) D U f U Nx n X W ms V khz V liczba binarna liczba dziesięna 100 0,15 0,4 103 0,30 1,3 106 0,45 2,2 109 0,60 3,1 112 0,75 4,0 115 0,90 4,9 118 1,05 5,8 121 1,20 6,7 124 1,35 7,6 127 1,50 8,5 130 1,65 9,4 X X 1,80 10,1 X X 1,95 X x x x x x x x x x x X