Laboratorium Miernictwa Elektronicznego

Patryk Wojciechowski 23 października 1998

Przetworniki cyfrowo-analogowe - pomiary, właściwości, aplikacje pomiarowe.

1. Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia jest przedstawienie istoty pracy przetwornika c/a, źródeł błędów przetwarzania, sposobów definiowania i pomiaru parametrów przetwornika.

2. Przyrządy pomiarowe.

Makieta przetwornika c/a 10 bitowego Analog Devices AD565.

(ziarno przetwornika 0.01V)

Komputer klasy IBM PC.

Oscyloskop LG OS-50206.

Multimetr cyfrowy V563.

(błąd przetwarzania: ±0.02% U_x ±0.0005% U_zak dla wartości max. = 5.1185 wynosi 0.006024V w związku z czym jest on do pominięcia w dalszych obliczeniach)

3. Program ćwiczenia.

1. Pomiar dokładności przetwarzania przetwornika.

2. Wyznaczenie zależności analitycznej, pozwalającej na obliczenie dokładności

przetwarzania dla dowolnej nastawy przetwornika.

3. Doświadczalne wyznaczenie dokładności przetwarzania dla kilku nastaw

przetwornika.

4. Pomiar wpływu zmian napięcia zasilania na dokładność przetwarzania.

5. Badanie kompensacyjnego przetwornika a/c.

6. Generacja sygnału o określonym kształcie.

7. Pomiar parametrów dynamicznych przetwornika.

4. Wyniki pomiarów.

Ad. 1.

Nastawa	Un	Ux	ΔU
Dziesiętnie	[V]	[V]	[V]
12	5.00	4.9955	-0.0045
112	4.00	3.9989	-0.0011
212	3.00	2.9986	-0.0014
312	2.00	1.9988	-0.0012
412	1.00	0.9991	-0.0009
512	0.00	-0.0001	-0.0001
612	-1.00	-1.0049	-0.0049
712	-2.00	-2.0092	-0.0092
812	-3.00	-3.0143	-0.0143
912	-4.00	-4.0185	-0.0185
1012	-5.00	-5.0233	-0.0233
0	5.12	5.1185	-0.0015
1023	-5.11	-5.1339	-0.0239
513	-0.01	-0.0102	-0.0002
514	-0.02	-0.0203	-0.0003
516	-0.04	-0.0403	-0.0003
520	-0.08	-0.0805	-0.0005
528	-0.16	-0.1610	-0.0010
544	-0.32	-0.3220	-0.0020
576	-0.64	-0.6433	-0.0033
640	-1.28	-1.2864	-0.0064

Dokładność przetwarzania wyliczamy z zależności:

Maksymalna jej wartość przypada dla nastawy 1023 i wynosi:

Ad.2.

Ad.3.

Aktywny bit	Nastawa	UX [V]	UN [V]	ΔU [V]	δU [%]
D0	1	5.1140	5.11	0.004	0.039
D1	2	5.0960	5.1	-0.004	-0.039
D2	4	5.0770	5.08	-0.003	-0.029
D3	8	5.0365	5.04	-0.003	-0.034
D4	16	4.9566	4.96	-0.003	-0.033
D5	32	4.7967	4.8	-0.003	-0.032
D6	64	4.4780	4.48	-0.002	-0.02
D7	128	3.8390	3.84	-0.001	-0.01
D8	256	2.5596	2.56	-0.0004	-0.004
D9	512	-0.0001	0	-0.0001	-0.001

W celu sprawdzenia faktu zgodności błędu globalnego z sumą błędów uaktywnionych wejść dokonujemy obliczeń dla nastaw:

Nastawa dziesiętnie 1023, aktywne bity- wszystkie, dokładność globalna - 0.234%,

dokładność sumowana -0.218% .

Nastawa dziesiętnie 576, aktywne bity- 9 i 6, dokładność globalna - 0.032%,

dokładność sumowana -0.021% .

Ad.4.

Zmiana napięć zasilających: -12V +10%, +12V -10%

Aktywny bit	Nastawa	UX [V]	UN [V]	ΔU [V]	δU [%]
D0	1	5.1206	5.11	0.011	0.104
D1	2	5.1105	5.1	0.011	0.103
D2	4	5.0848	5.08	0.005	0.047
D3	8	5.0501	5.04	0.01	0.099
D4	16	4.9682	4.96	0.008	0.08
D5	32	4.8079	4.8	0.008	0.077
D6	64	4.4880	4.48	0.008	0.078
D7	128	3.8451	3.84	0.005	0.05
D8	256	2.5641	2.56	0.004	0.04
D9	512	-0.0002	0	-0.0002	-0.002

Zmiana napięć zasilających: -12V -10%, +12V +10%

Aktywny bit	Nastawa	UX [V]	UN [V]	ΔU [V]	δU [%]
D0	1	5.1255	5.11	0.015	0.152
D1	2	5.1130	5.1	0.013	0.127
D2	4	5.0885	5.08	0.008	0.083
D3	8	5.0528	5.04	0.013	0.125
D4	16	4.9697	4.96	0.01	0.095
D5	32	4.8072	4.8	0.007	0.07
D6	64	4.4901	4.48	0.01	0.099
D7	128	3.8506	3.84	0.011	0.104
D8	256	2.5669	2.56	0.007	0.067
D9	512	-0.0001	0	-0.0001	-0.001

Zaobserwowane wyniki i obliczone błędy wskazują na to, iż przetwornik jest wrażliwy na niewielkie zmiany napięć zasilających. Obliczone błędy wzrosły czasem nawet o jeden rząd wielkości. Zasadniczo dla drugiej zmiany napięć zasilających błędy dla każdego bitu były większe.

Ad.5.

Zaobserwowane wyniki pomiaru przetwornika a/c sterowanego komputerowo w porównaniu z napięciem na wejściu przetwornika:

Uwe [V]		Uwy [V]
-3.240	-3.24
-1.370	-1.37
0.250	0.26
2.124	2.13
5.117	5.11

Wyświetlane przez komputer wyniki z dokładnością co do wartości ziarna przetwornika są poprawne.

Na skutek uszkodzenia miernika, objawiającego się niemożnością jednoznacznego odczytania ostatniego miejsca pomiarowego, dokonaliśmy zaokrąglenia wyników do 3 miejsc po przecinku.

Ad.6.

W trakcie ćwiczenia jako przykład zastosowania przetwornika c/a w technice pomiarowej wygenerowaliśmy za jego pomocą sygnały o różnym kształcie np: trójkąt, prostokąt, sinus etc. O ile na to pozwoliły nam możliwości oscyloskopu stwierdziliśmy poprawność kształtów generowanych przebiegów. Były poprawne za wyjątkiem faktu składania ich z próbek.

Ad.7.

Do testu dynamiki wykorzystaliśmy sygnał TTL o częstotliwości ok. 1 kHz. Obserwowane przez nas parametry to szybkość narostu, czas ustalania i przepięcie.

W przypadku zbocza narastającego nie zaobserwowaliśmy przepięcia. Czas ustalania (czas pomiędzy momentem zmiany nastawy, a ustaleniem się przebiegu) wyniósł 0.15 ms, natomiast szybkość narostu (stosunek 80% wartości narastającej do czasu, w którym ta wartość narosła) wyniosła 68.5 V/ms.

W przypadku zbocza opadającego zauważyliśmy niewielkie przepięcie, czas ustalania wyniósł 0.16 ms, natomiast szybkość opadania 70.7 V/ms.

W przypadku dalszego wzrostu częstotliwości obserwowaliśmy coraz wyraźniejsze odkształcanie się przebiegu wyjściowego, Dla częstotliwości ok

50 kHz uzyskaliśmy kształt pokazany obok na rysunku. W przypadku dalszego wzrostu częstotliwości, powyżej 100 kHz uzyskaliśmy całkowity zanik sygnału na wyjściu poza sporadycznym występowaniem szpilek Dirac'a.

5. Wnioski

W przypadku dużych ujemnych napięć powyżej -3V błąd przetwarzania ΔU jest większy od błędu ziarna przetwornika. Wskazuje to nato, iż włączenie naraz kilku najwyższych bitów powoduje znaczny wzrost błędu przetwarzania. Wskutek zmniejszonej dokładności wskazań miernika (zimny lut) błąd wniesiony przez ten miernik nie był 10-krotnie mniejszy od błędu ziarna, co mogło powodować pewną niepoprawność wyliczonych błędów przetwornika.

Obliczone wartości błędów ΔU przedstawione są w woltach. Aby uzyskać je w stosunku do LSB (tak jak podaje się to w katalogach), wystarczy wynik podzielić przez 0.01 .

Jak widać na załączonych wykresach wartości błędów bezwzględnych są największe (co do wartości bezwzględnej) dla najmniejszej nastawy i wraz ze wzrostem wielkości nastawy maleją prawie do zera.

Przeprowadzone ćwiczenie poszerzyło nasze wiadomości na temat przetworników. Obecnie przyrządy te mają olbrzymie zastosowanie w sprzęcie powszedniego użytku np. w odtwarzaczu CD(16 a czasami nawet 20 bitowe przetworniki), wszelakim sprzęcie podłączanym do komputera czy też generatorach sygnałów.

5

---