Metody przetwarzania Dr inż. Janusz MIKOŁAJCZYK
Tematyka wykładu: - przetwarzanie, - metody przetwarzania A/C, - metody przetwarzania A/C
Dyskryminator, komparator Dyskryminator generuje impuls cyfrowy o ustalonej szerokości (Komparator generuje trwale wysoki poziom logiczny) gdy amplituda sygnału analogowego przekroczy pewien ustalony poziom (tzw. próg wyzwalania) Zastosowanie: układy wyzwalające (np. w oscyloskopach, i specyficznych systemach pomiarowych), pomiar czasu nadejścia impulsu, wykrywanie który z dwu impulsów nadszedł pierwszy itp. Dyskryminatory dzielimy na: wyzwalane zboczem (edge-sensitive) jeżeli wyzwolenie następuje w chwili przekraczania na wejściu poziomu progu wyzwalane poziomem (level-sensitive) jeżeli wyzwolenie następuje stale gdy poziom sygnału na wejściu jest powyżej progu.
Dyskryminator okienkowy Generuje sygnał cyfrowy na wyjściu gdy poziom sygnału wejściowego/ amplituda impulsu mieści się powyżej dolnej i poniżej górnej granicy (progu wyzwalania)
Przetwornik AC (ang. AD) Zamienia sygnał analogowy (najczęściej napięcie elektryczne) na wartość cyfrową zakodowaną binarnie. Wartość cyfrowa może być zakodowana w systemie: NKB sygnały unipolarne i bipolarne (offset) U2 sygnały bipolarne kod Graya sąsiednie wartości różnią się tylko jednym bitem kod BCD cyfry dziesiętne kodowane w paczkach 4-bitowych (tzw.półbajtach) Wartość mierzona najczęściej jest napięciem, prądem lub ładunkiem elektrycznym. Może też być to czas (np. długość impulsu), częstotliwość, temperatura, ciśnienie, wilgotność, przyśpieszenie (pojemność elektryczna), itp. Przy czym w ostatnich wymienionych przypadkach bardzo często sygnałem pośrednim (wewnątrz przetwornika) jest napięcie, prąd lub ładunek elektryczny.
Przetwornik CA (ang. DA) Zamienia wartość cyfrową zakodowaną binarnie na sygnał analogowy (najczęściej napięcie elektryczne). Najczęściej stosuje się kodowanie U2 lub NKB Uwaga! Dość często stosowane jest przetwarzanie bezpośrednie (bez pośrednictwa analogowego sygnału napięciowego) na wartość analogową końcową. Np. wzmacniacze akustyczne klasy D sterowanie membraną głośnika cyfrowym sygnałem MSI (ang. PWM), sterowanie jasnością świecenia żarówki czy regulacja momentu elektromagnetycznego silnika elektrycznego.
Schemat blokowy typowego toru pomiarowego z przetwornikiemac
Opis przykładowych elementów: modyfikatory sygnałów zmniejszają amplitudę i dokonują filtracji, multipleksery sygnałów analogowych wprowadzają kolejno na przeciąg określonego czasu sygnały na wejście wzmacniacza wzmacniacz sygnałów niskonapięciowych - stosowany w przypadku niskich sygnałów z czujników wzmacniacz próbkująco-zapamiętujący zapamiętuje wartość chwilowa sygnału na czas potrzebny do przetworzenia tej wielkości dopasowuje rezystancję źródła do małej rezystancji wejściowej przetwornika A/C przetwornik A/C generuje sygnał cyfrowy reprezentujący napięcie (prąd) wyjściowe wzmacniacza próbkująco-zapamiętującego
Multiplekser Stosuje się: - przełączniki analogowe, - stykowe (bardzo rzadko) - półprzewodnikowe. Podstawowe parametry multiplekserów: zakres przenoszonych napięć (dół szumy; góra do 10V) tolerancja dla wspólnych napięć (normalna praca przy równoczesnym podaniu na sąsiednie wejścia wysokich napięć) dopuszczalna częstotliwość przełączania
Wejściowe wzmacniacze napięciowe Parametry wzmacniaczy: szerokość pasma przenoszenia (zwykle wymagane od 0 30 khz w przypadku sygnałów akustycznych) wrażliwość wzmacniacza i zera wzmacniacza na wpływy temperatury i upływ czasu (średnio 1 10 mv /oc) współczynnik tłumienia wspólnych napięć tolerancja dla wspólnych napięć Typy wzmacniaczy: ze względu na sposób wyboru wzmocnienia: o stałym lub regulowanym współczynniku wzmocnienia ze względu na liczbę wejść: z wejściem pojedynczym lub wzmacniacze różnicowe ze względu na liczbę wyjść: asymetryczne lub różnicowe (symetryczne stosowane zazwyczaj w układach o wysokiej częstotliwości)
Wzmacniacz próbkująco-pamiętający (ang. Sample and Hold) Przykładowy schemat ilustrujący zasadę działania 1)układ sterujący załącza kondensator do badanego sygnału, a kondensator ładuję się do wartości tego napięcia, 2)po odłączeniu przełącznika, przez pewien czas kondensator "zapamiętuje" wartość napięcia z chwili odłączenia. 3) W czasie, gdy kondensator jest odłączony (faza pamiętania), można dokonać przetwarzania sygnału. Faza próbkowania może być jak najkrótsza, niezbędna tylko do zrównania się wartości napięcia na kondensatorze z napięciem pobieranym. Ten czas może być też nieco wydłużony i zmiana napięcia na kondensatorze nadąża za zmianą napięcia próbkowanego. Takie układy nazywamy śledzącopamiętającymi (ang. track and hold).
Próbkowanie Próbkowanie = pobranie i zapamiętanie wartości sygnału. Realizowane układem S/H (sample&hold). Próbki pobierane w regularnych odstępach czasu nazywanych okresem próbkowania. Proces próbkowania wnosi błędy wynikające ze skończonego czasu impulsu próbkującego i nieidealnego układu pamiętającego.
Kwantyzacja Kwantowanie to sprowadzenie zbioru wartości (nieskończonego zbioru wartości liczb rzeczywistych) przyjmowanych przez sygnał analogowy do skończonego jego podzbioru. Błąd kwantowania mieści się w przedziale ( q/2, q/2). Średnia wartość błędu kwantowania równa zero. Błąd kwantowania jest wielkością statystyczną. Błąd kwantowania jest szumem białym.
Kodowanie Kodowanie to zamiana zbioru dyskretnych wartości analogowych na zbiór dyskretnych wartości cyfrowych. Kodowanie może być unipolarne, tzn. zakłada się zamianę tylko wartości jednego znaku. Kodowanie może być bipolarne, tzn. zakłada zamianę wartości o zmieniającym się znaku. Kodowanie jest powiązane bezpośrednio w kwantowaniem, gdyż ilość pozycji binarnych w słowie kodowym bezpośrednio wskazuje na możliwą ilość elementów w dyskretnym zbiorze wartości analogowych.
Metody przetwarzania Przetwarzanie A/C
Przetwarzanie analogowo-cyfrowe Proces przetwarzania analogowo-cyfrowego to 3 operacje: próbkowanie, kwantowanie, kodowanie.
Przetwarzanie analogowo-cyfrowe -metody
Podstawowe parametry przetworników AC Rozdzielczość Błąd kwantyzacji Napięcie referencyjne (np. 5,0 V) Zdolność rozdzielczą przetwornika Nominalny pełny zakres przetwarzania (UFS nom = q*2n ) Rzeczywisty zakres przetwarzania max q Całkowy błąd przetwarzania Współczynnik różniczkowej nieliniowości Częstotliwość przetwarzania fprz Czas przetwarzania Tprz U f prz 2 1 T prz n 1 Szybkość bitowa,
Podstawowe błędy przetworników AC Błąd skalowania (wzmocnienia). Wynika ze zmiany nachylenia charakterystyki przetwarzania N=f(UI) w stosunku do charakterystyki idealnej. Błąd przesunięcia zera jest określany przez wartość napięcia wejściowego potrzebną do przejścia od zerowej wartości słowa wyjściowego do następnej większej Błędy nieliniowości charakterystyki przetwarzania występuje wówczas, gdy środki schodków nie da się połączyć jedną linią, -nieliniowość całkowa -nieliniowość różniczkowa, Współczynnik zmian cieplnych nachylenia charakterystyki przetwarzania wyrażony w %/ C. Zmiany te powstają pod wpływem zmian temperatury i są wyrażane przez współczynniki cieplne zmian napięcia przesunięcia zera.
Ocena błędów przetwarzania AC
Główne typy przetworników analogowo-cyfrowych SAR - kompensacyjno wagowy; zapewnia dostatecznie dobrą rozdzielczość (do 16 bitów) przy szerokim zakresie prędkości Pipeline converter przetwornik potokowy stosowany do badania szybszych sygnałów Flash służą do badania bardzo szybkich przebiegów, a więc i wysokich częstotliwości Integrating - przetworniki całkowe; używane do przetwarzania sygnałów stałych i wolnozmiennych; stosowane często jako przetworniki napięcia stałego w miernikach Sigma-delta zaletą jest dobre tłumienie szumów
Przetworniki kompensacyjno wagowe (sukcesywna aproksymacja) Są to najczęściej wykorzystywane przetworniki AC, gdyż pozwalają na relatywnie prostą i tanią realizacje przetworników o rozdzielczości 16 lub 18 bitów przy częstotliwości próbkowania 0.5-5 MSPS. Zasada działania przypomina ważenie na wadze szalkowej. Napięcie przetwarzane porównywane jest przez komparator z kolejno dołączanymi napięciami o wagach (U/2, U/4, U/8 U/2N). Jeśli napięcie mierzone jest większe niż napięcie wzorcowe, to układ sterujący dołącza do "ważenia" kolejne napięcie, a na wyjście przekazywana jest logiczna 1. Jeśli napięcie mierzone jest mniejsze, układ sterujący nie dołącza napięcia i na wyjście przekazywane jest 0. I tak kolejno dołączanych jest 16 stopniowo zmienianych napięć (dla przetwornika 16 bitowego). Zalety: prosta budowa mała moc pobierana w przypadku komunikacji szeregowej wynik może być transmitowany jeszcze w trakcie trwania procesu przetwarzania!. Bity transmitowane są od najstarszego z szybkością transmisji równą szybkości przetwarzania. Wady: do wykonania jednego cyklu trzeba wykonać kilkanaście kroków co wydłuża czas pomiaru
Przetworniki kompensacyjno wagowe (sukcesywna aproksymacja)
Przykładowy przetwornik MCP3204/3208 firmy MICROCHIP On-chip sample and hold SPI serial interface (modes 0,0 and 1,1) Single supply operation: 2.7V - 5.5V 100 ksps max. sampling rate at VDD = 5V 50 ksps max. sampling rate at VDD = 2.7V fclk (SPI)=2MHz (@5V)
Przetwornik potokowy (ang. pipeline) Etapy: 1. Napięcie wejściowe jest próbkowane i zapamiętywane w układzie SH, a następnie porównywane z napięciem Vref/2. Wyjście każdego komparatora to jeden element wyjściowego słowa cyfrowego. 2. Jeżeli napięcie VIN > Vref/2 (wyjście komparatora jest równe 1) to napięcie Vref/2 jest odejmowane od sygnału wejściowego, zapamiętanego w układzie SH. Jeśli natomiast napięcie VIN < Vref/2 (wyjście komparatora jest równe 0), to oryginalny sygnał wejściowy jest podawany na wejście wzmacniacza. Sygnał wyjściowy każdego stopnia jest przenoszony dalej jako reszta. 3. Wzmacniacz mnoży wynik sumowania przez 2 i podaje sygnał do układu próbkująco pamiętającego następnego stopnia. Wada: Dokładność zależy przede wszystkim od dokładności pierwszych stopni, ponieważ błąd w pierwszym stopniu pociąga za sobą błędy w każdym następnym.
Przetwornik FLASH Zalety: najszybsza metoda przetwarzania A/C, tani. Wady: mała rozdzielczość, mała odporność na zakłócenia.
Przetworniki całkujące Układ całkuje napięcie referencyjne na kondensatorze o znanej pojemności i zlicza czas tego całkowania aż do zrównania tego napięcia z napięciem mierzonym. Układy całkujące używane są w systemach dużej rozdzielczości, ale są stosunkowo wolne.
Przetwornik analogowo cyfrowy z pojedynczym całkowaniem Przetwornik a/c z rozładowaniem liniowym (ang. Single slope adc). 1) Napięcie odniesienia Vref podawane jest na układ całkujący - integrator. 2) Licznik zlicza liczbę impulsów zegarowych do momentu gdy wartość napięcia z integratora będzie równa napięciu wejściowemu. Liczba zliczonych impulsów zegarowych jest proporcjonalna do napięcia mierzonego,a wyjście licznika jest reprezentacją cyfrowa tego napięcia. Ponieważ napięcie referencyjne Vref jest stałe to napięcie wyjściowe z integratora wzrasta liniowo od zera. Kiedy przewyższy ono napięcie Vin to wyjście komparatora przełączy logikę cyfrową i stan licznika zostaje zapamiętany. Logika cyfrowa zeruje układ, przygotowując go do kolejnego przetwarzania.
Przetwornik analogowo cyfrowy z podwójnym całkowaniem Przetwornik z podwójnym całkowaniem jest bardziej rozbudowanym układem, który eliminuje większość problemów spotykanych w przetwornikach z pojedynczym całkowaniem-częstotliwość generatora zegarowego nie jest tu parametrem krytycznym.
Przebiegi czasowe w przetworniku AC z podwójnym całkowaniem
Przetworniki delta - sigma W układzie znajduje się: -sumator, - integrator (układ uśredniający), - komparator (1-bitowy przetwornik a/c) -przełącznik w pętli sprzężenia zwrotnego. Zadaniem przełącznika jest podanie na wejście sumatora napięcia UREF lub +UREF w zależności od tego czy na wyjściu komparatora był stan wysoki 1 czy niski 0. Tym samym przełącznik pracuje jak 1-bitowy przetwornik c/a. Na wyjściu całego układu znajduje się filtr cyfrowy i decymator czyli układ zmniejszający częstotliwość próbkowania. Układ przetwornika można zamodelować strukturą pokazaną na rysunku. Całkowanie sygnału jest operacją równoważną uśrednianiu i filtracji dolnoprzepustowej.
Przetworniki delta - sigma Zalety: duża rozdzielczość nawet 24 bity prostota konstrukcji dobre tłumienie szumów - układ spełnia dla szumów rolę filtru górnoprzepustowego; dzięki nadpróbkowaniu szumy rozkładają się w większym paśmie Wykorzystanie: Modulację ΔΣ stosuje się w systemie Super Audio CD - strumień bitów ma tam częstotliwość 2.8224 MHz (1 bit * 64 * 44.1 khz), a kodowanie funkcjonuje pod komercyjną nazwą Direct Stream Digital.
Przykładowe parametry przetworników firmy Analog Devices
Metody przetwarzania Przetwarzanie C/A
Przetworniki C/A Przetworniki cyfrowo-analogowe (digital-to analog converter) Układ przetwarzający sygnał cyfrowy na sygnał analogowy. Posiada n wejść i jedno wyjście (liczba wejść zależy od liczby bitów słowa podawanego na wejście przetwornika ). Na wyjściu pojawia się informacja analogowa (np. w postaci napięcia) Napięcie na wyjściu przetwornika jest proporcjonalne do napięcia odniesienia oraz do liczby zapisanej w kodzie dwójkowym. Wartość napięcia wyjściowego wyraża się wzorem:
Parametry przetworników C/A Rozdzielczość Określa się liczbą bitów słowa wejściowego. Zmiana słowa wejściowego na pozycji LSB stanowi 1/2n część pełnego zakresu przetwarzania. Seryjne przetworniki mają rozdzielczość do 18 bitów. Wyrażana w procentach, np. 10 bitowy ma rozdzielczość 100% * 1/210 = 0.1% Dokładność Różnica między wartością zmierzoną a przewidywaną napięcia wyjściowego odniesioną do napięcia pełnej skali. Jest nieliniową funkcją binarnej wartości wejściowej. Szybkość działania Mierzona czasem ustalania się napięcia wyjściowego od momentu zmiany na pojedynczej pozycji binarnej Najszybszymi są układy bez wyjściowego konwertera prąd-napięcie.
Typy przetworników C/A Przetwarzanie prądowe Przetwarzanie napięciowe
Przetwornik c/a z siecią rezystorów Układ zbudowany z sieci rezystorów podłączonych do jednego wzmacniacza operacyjnego. Krańcowa wartość napięcia odpowiada wartości (2n 1)UR, gdzie n to rozdzielczość wejściowa przetwornika. Dokładność przetwarzania zależy od dokładności wykonania rezystorów. Duża rozpiętość wartości rezystorów. Wartość rezystancji kluczy przełączających winna być 2n -1 krotne mniejsza od najmniejszej wartości rezystancji rezystorów sieci.
Układ przetwornika DAC0808 8 bitowy szybki przetwornik C/A z wyjściem prądowym. Układ jest wykonany w technologii bipolarnej Czas ustalania prądu wyjściowego - 85 ns Maksymalny błąd nieliniowości ± 0,19% FS, a dla DAC 08A nie większy niż ±0,1% FS Zakres napięć zasilających ± 4,5 V do ± 18 V Prąd odniesienia może być od 0 do 4 ma Pracuje z przełączaniem prądów i siecią rezystorową R-2R