P O L I T E C H N I K A W R O C Ł A W S K A WYDZIAŁ ELEKTRONIKI - ELEKTRONIKA Laboratorium Miernictwa Grupa :środa\n 14^00
Imię i Nazwisko:		Mytkowicz Marcin	Data Wykonania: 1999.01.20 Ocena:
Nr ćwiczenia: 2 Temat: Przetworniki cyfrowo analogowe , pomiary właściwości , aplikacje pomiarowe .

Celem ćwiczenia jest przedstawienie istoty pracy przetwornika C/A, źródeł błędów przetwarzania, sposobu definiowania i pomiaru parametrów przetworników C/A oraz zaprezentowania przykładowych zastosowań przetworników.

Dane techniczne użytych przyrządów:

- Multimetr cyfrowy V563: błąd pomiaru: ±(0,02% U_zm + 0,005% U_z)

gdzie U_zm - wartość zmierzona U_z - wartość podzakresu

zakresy: 100mV, 1V, 10V, 100V, 1000V

rezystancja wejściowa

na podzakresach 100mV, 1V i 10V >1G

- Komputer z programem POLLAB

- Makieta z przetwornikiem C/A: U_nom = 5,12 - 0,01•(A9•2⁹ +...+ A1•2¹ + A0•2⁰) V

rozdzielczość(ziarno): 0,01V ,

zakres przetwarzania: 5,12÷-5,11

Pomiar dokładności przetwarzania przetwornika zainstalowanego w makiecie.

Metoda wyznaczenia błędu przetwarzania wynika ze sposobu tworzenia napięcia wyjściowego, które jest sumą napięć przyporządkowanych aktywnym bitom nastawy (Ai=1). Ustawiając tylko jedno wejście cyfrowe w stan 1, co odpowiada tylko jednej jedynce w słowie nastawy, można określić rozbieżność między realną a nominalną wartością napięcia wyjściowego. W ten sposób wyznacza się błędy poszczególnych wejść cyfrowych. Zakładając, że błąd globalny

jest sumą błędów uaktywnionych wejść (wejście w stanie 1), możemy jego wartość obliczyć dla dowolnej nastawy.

Czyli zależność analityczna pozwalająca na obliczenie dokładności przetwornika dla dowolnej nastawy jest następująca:

U_nom = A9•(U_zmA9-U_nomA9) +...+ A1•(U_zmA1-U_nomA1) + A0•(U_zmA0-U_nomA0) V

z tym, że gdy nie jest aktywny żaden z bitów nastawy można przyjąć:

U_nom = U_zm-U_nom [V]

gdzie U_zm- napięcie zmierzone dla nastawy 00000000, U_nom - napięcie nominalne (oczekiwane) dla nastawy 00000000 czyli 5,12 V

Wyniki pomiarów dla nastawy ustawianej ręcznie na makiecie:

gdzie

U_zm- napięcie zmierzone na wyjściu makiety za pomocą multimetru cyfrowego V563

U_zm- błąd pomiaru napięcia na wyjściu makiety

U_nom - napięcie nominalne (oczekiwane) przetwornika C/A.

U_zm-U_nom - różnica między napięciem zmierzonym a nominalnym na wyjściu makiety.

Jak widać powyżej różnica pomiędzy napięciem zmierzonym a nominalnym (oczekiwanym) jest nieznaczna z wyjątkiem nastawy A9.

- 3 -

Wyniki pomiarów dla nastawy ustawianej poprzez komputer:

gdzie

U_zm- napięcie zmierzone na wyjściu makiety za pomocą multimetru cyfrowego V563

U_zm- błąd pomiaru napięcia na wyjściu makiety

U_nom - napięcie nominalne (oczekiwane) przetwornika C/A.

U_zm-U_nom - różnica między napięciem zmierzonym a nominalnym na wyjściu makiety.

Ekstremalna różnica między napięciem wyjściowym a napięciem nominalnym wynosi:

U_nom = (U_zmA9-U_nomA9) +...+ (U_zmA1-U_nomA1) + (U_zmA0-U_nomA0) =

= - 0,002 - 0,002 - 0,002 - 0,002 - 0,002 - 0,002 - 0,002 - 0,001 - 0,001 = - 0,015 V

Empiryczne wyznaczenie dokładności przetwornika dla kilku nastaw przetwornika.

Wyniki pomiarów.

gdzie U_zm- napięcie zmierzone na wyjściu makiety za pomocą multimetru cyfrowego V563

U_zm- błąd pomiaru napięcia na wyjściu makiety

U_nom - napięcie nominalne (oczekiwane) przetwornika C/A,

U_nom - obliczona dokładność napięcia dla danej nastawy

U_zm-U_nom - różnica między napięciem zmierzonym a nominalnym na wyjściu makiety.

Pomiar wpływu zmian napięcia zasilania na dokładność przetwornika

Kompensacyjny przetwornik A/C

Typowym przykładem zastosowania przetwornika C/A jest wykorzystanie go jako elementu struktury kompensacyjnego przetwornika analogowo-cyfrowego (patrz rys. powyżej). Wartość napięcia z zasilacza porównywana jest w trakcie 10 komparacji elementarnych z napięciem przetwornika C/A. Wynik jest odczytywany przez komputer, który steruje procesem równoważenia napięcia wejściowego. Proces ten prowadzi do wytworzenia takiego napięcia kompensującego aby różniło się od napięcia zasilacza nie więcej niż o ziarno przetwornika C/A (w tym wypadku 0,01V).

Wyniki pomiarów:

Gdzie

U_zm- napięcie zmierzone na wyjściu makiety za pomocą multimetru cyfrowego V563

U_zm- błąd pomiaru napięcia na wyjściu makiety

U_kom - napięcie wskazane przez komputer,

U_kom-U_zm - różnica między napięciem wskazanym przez komputer a zmierzonym na wyjściu makiety.

- 6 -

Przykładowe obliczenia:

- napięcie nominalne (oczekiwane) (U_nom)

U_nom = 5,12 - 0,01•(A9•2⁹ +...+ A1•2¹ + A0•2⁰) V

np.:

U_nom (1010101010)= 5,12 - 0,01•(1•2⁹ + 1•2⁷ + 1•2⁵ + 1•2³ + 1•2¹)= -1,70 V

- obliczona dokładność napięcia dla danej nastawy (U_nom )

U_nom = A9•(U_zmA9-U_nomA9) +...+ A1•(U_zmA1-U_nomA1) + A0•(U_zmA0-U_nomA0) V

np.:

U_nom (1010101010) = -0,001-0,002-0,002-0,002=-0,007 V

- błąd pomiaru napięcia na wyjściu makiety (U_zm)

U_zm=±(0,02% U_zm + 0,005% U_z) V gdzie U_zm - wartość zmierzona U_z - wartość podzakresu

np.:

U_zm =-5,0124V U_z=10V

U_zm=±(0,0002*(-5,0124) + 0,00005*(-10))= ±0,0015 V

- różnica między napięciem zmierzonym a nominalnym na wyjściu makiety (U_zm-U_nom)

np.: U_zm (0000000000)=5,1184V U_nom(0000000000)=5,12V

U_zm-U_nom =5,1184 - 5,12=-0,002 V

Pomiar parametrów dynamicznych przetwornika.

Wnioski

Pomiar dokładności przetwarzania przetwornika zainstalowanego w makiecie.

Jak widać w tabeli z pomiarami różnica między napięciem zmierzonym a nominalnym na wyjściu makiety jest niewiele większa od błędu pomiaru tego napięcia przez woltomierz co dobrze świadczy o dokładności przetwornika C/A.

Empiryczne wyznaczenie dokładności przetwornika dla kilku nastaw przetwornika.

Jak wykazały wyniki pomiarów obliczona dokładność przetwornika (U_nom) z zależności analitycznej dla danej nastawy daje wynik kilka razy większa od zmierzonej dokładności przetwornika dla dowolnej nastawy w poprzednim punkcie ćwiczenia.

Dzieje się tak dlatego, że przy wyznaczaniu zależności analitycznej dokładności przetwornika dla danej nastawy użyłem różnic między napięciem zmierzonym a nominalnym na poziomie błędu pomiaru tego napięcia. Gdyby pomiar był dokładniejszy różnice napięć przy poszczególnych bitach mogły być mniejsze co spowodowałoby zmniejszenie U_nom.

Pomiar wpływu zmian napięcia zasilania na dokładność przetwornika

Z otrzymanych wyników można wywnioskować, że dokładność woltomierza cyfrowego V563 na zakresach 10V i 1V jest za mała, ponieważ poszczególne różnice między napięciem zmierzonym i nominalnym są w granicach błędu pomiaru tego woltomierza.

Dopiero przy pomiarach napięć do 100mV (czyli zakres 100mV) dokładność pomiaru jest na tyle duża aby zauważyć, różnica między napięciem zmierzonym a nominalnym czyli dokładność przetwornika zależy od napięcia zasilającego. Jeżeli napięcie +12 V obniżymy o 10% i -12V obniżymy o 10% to napięcie na wyjściu przetwornika nieznacznie wzrośnie, a jeżeli napięcie +12 V podniesiemy o 10% i -12V podniesiemy o 10% to napięcie na wyjściu przetwornika nieznacznie spadnie.

Kompensacyjny przetwornik A/C

Pomiar napięcia z użyciem kompensacyjnego przetwornika A/C jak wykazały pomiary okazał się bardziej niedokładny niż zakładała teoria (maksymalna różnica między napięciem wskazanym przez komputer a podanym z zasilacza (zmierzonym multimetrem V563) nie powinna wynosić więcej niż jedno ziarno przetwornika C/A(w tym wypadku 0,01V)). Różnica ta wynosiła czasami aż trzy ziarna.

---