PRZETWORNIK CYFROWO - ANALOGOWY

Zadaniem przetworników cyfrowo - analogowych jest zmiana wielkości wyrażonej w kodzie cyfrowym na proporcjonalną do niej wielkość analogową, którą może być napięcie, prąd lub inna wielkość fizyczna. Sygnał wejœciowy może być podany w różnym kodzie. Najczęściej jest to zwykły kod binarny lub kod BCD.

Wartość analogowa sygnału wyjściowego zależy od wejściowego słowa cyfrowego podanego w odpowiednim kodzie oraz od wartośćci sygnału odniesienia (napięcia lub prądu).

Schemat blokowy przetwornika c/a

W skład typowego przetwornika c/a wchodzi:

a. zespół przełączników elektronicznych sterowanych wejœciowym sygnałem cyfrowym,

b. sieć rezystorów,

c. precyzyjne źródło napięcia lub prądu,

d. wzmacniacz napięciowy lub przetwornik I/U.

Wartość analogowa sygnału wyjściowego przetwornika c/a zależy od wejściowego słowa cyfowego podanego w odpowiednim kodzie oraz od sygnału odniesienia (napięcia lub prądu).

Przykładowo dla kodu naturalnego binarnego i napięcia odniesienia E0, sygnał wyjœciowy S ma postać:

gdzie:

k - współczynnik proporcjonalności,

a1,a2,...,an - wartość binarna (0 lub 1) na poszczególnych bitach.

Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest:

a) wyznaczenie charakterystyki Uwy = f(N), gdzie N - słowo kluczowe.

b) okreœlenie parametrów statycznych (np. błąd przesunięcia zera, skalowania ,nielininiowości ) i dynamicznych przetwornika c/a.

Tabele pomiarowe:

1. Statystyka pierwsza :

Słowo cyfrowe	U wyj	S	Błąd skalowania
N	[ V ]	[V]	[V]
11111111 - (255) 11111110 - (254) 11111101 - (253) 11111011 - (251) 11110111 - (247) 11101111 - (239)11011111 - (223) 10111111 - (191) 01111111 - (127)	54.984.964.924.844.684.373.742.48	4.98 4.94 4.90 4.82 4.67 4.36 3.80 2.79 1.23	0.02 0.02 0.06 0.10 0.17 0.32 0.57 0.95 1.25

1) Statystyka druga :

Słowo cyfrowe	U wyj	S	Błąd skalowania
N	[V]	[V]	[V]
00000000 - (0) 00000001 - (1) 00000010 - (2) 00000100 - (4) 00001000 - (8) 00010000 - (16) 00100000 - (32) 01000000 - (64) 10000000 - (128)	0 0.01 0.03 0.07 0.14 0.30 0.62 1.25 2.51	0 0.00003 0.00023 0.00109 0.00468 0.01937 0.0775 0.3125 1.255	0 0.00997 0.02977 0.69891 0.13532 0.28063 0.5425 0.9375 1.255

3) Parametry dynamiczne przetwornika (dla częstotliwości 27,1 KHz) :

Słowo cyfrowe	T opóżnienia [μS]	T nasycenia [μS]	T oscylacji [μS]	T odpowiedzi [μS]
00000001	1,2	3,2	1,2	5.6
00000011	1,2	4,6	1,2	7,0
00000111	1,0	5,4	1,2	7.6

2. Częstotliwość graniczna :

Słowo cyfrowe	Częstotliwość graniczna [ kHz]
11111000	74
11111100	79
11111110	83

Obliczanie parametrów statycznych:

1. Rozdzielczość - określona liczbą n-bitów słowa wejściowego.

2. W naszym przypadku jest to 8-bitowy przetwornik c/a, napięcie odniesienia wynosi E0 = 5V.

Rozdzielczość bezwzględna wynosi:

Rozdzielczość względna:

2. Błąd przesunięcia zera - różnica pomiędzy napięciem wyjściowym dla minimalnej wartości wejściowego słowa cyfrowego i napięciem "zera" rzeczywistego.

Dla słowa wejœciowego 00000000 (0) napięcie jest równe 0, czyli błąd ten jest równy 0.

3. Błąd skalowania (błąd wzmocnienia) - odchyłka napięcia wyjściowego od wartości przewidywanej dla maksymalnej wartości wejściowego słowa cyfrowego.

Dla słowa wejściowego 11111111 (256) przewidywane napięcie jest równe:

a napięcie otrzymane w wyniku pomiarów 5V, czyli błąd skalowania wynosi 0.02V.

4. Dokładność bezwzględna - największa różnica pomiędzy przewidywaną a mierzoną wartoœcią napięcia wyjściowego dla danej wartości wejściowego słowa cyfrowego, odniesiona do napięcia pełnego zakresu przetwarzania i wyrażona w procentach.

Maksymalną różnicę otrzymujemy dla maksymalnej wartości słowa cyfrowego 10000000 i wynosi ona 1.255.

Błąd dokładności bezwzględnej wynosi:

5. Nieliniowość całkowa - maksymalne odchylenie rzeczywistej charakterystyki od linii prostej.

W naszym przypadku błąd ten nie występuje, ponieważ otrzymana charakterystyka rzeczywista jest linią prostą.

6. Nieliniowość różniczkowa - odchylenie wartości rzeczywistej przedziału kwantowania, czyli różnica pomiędzy dwiema wartościami napięcia wyjściowego odpowiadająca dwóm sąsiednim wartościom cyfrowego słowa wejściowego, od wartości idealnej przedziału kwantowania.

Ze względu na to, że nasza charakterystyka ma przebieg liniowy, błąd ten został pominięty w obliczeniach.

Wyznaczanie parametrów dynamicznych:

1. Czas ustalania - czas, po którym napięcie wyjściowe ustali się wewnątrz zakresu ograniczonego do 1/2 LSB przy maksymalnej zmianie wartości wejściowego słowa cyfrowego.

Dla słowa cyfrowego :

1. 1 10000000 - czas prztwarzania wynosi 5,6 s

f = 27,1kHz

1. 2 11000000 - czas przetwarzania jest równy 7.0 s

f = 27,1 kHz.

Wnioski :

Uzyskana przez nas charakterystyka ma przebieg taki jak charakterystyka idealna przetwornika c/a. Po wyznaczeniu parametrów statycznych można zauważyć, że charakterystyka otrzymana w wyniku pomiarów obarczona jest jedynie dużym błędem skalowania, który wynosi 7.98 V. Błąd skalowania jest najczęściej spowodowany efektami termicznymi w poszczególnych częściach przetwornika c/a: Źródle napięcia odniesienia, sieci rezystorowej, przełącznikach analogowych lub wzmacniaczu wyjściowym. Błąd ten może być skorygowany przez regulację wzmocnienia wzmacniacza wyjściowego lub przez regulację napięcia lub prądu odniesienia.

Ponieważ nasza charakterystyka ma przebieg liniowy, w obliczeniach pominięto błąd liniowości całkowej i błąd liniowości różniczkowej. Nie wystąpił także błąd przesunięcia zera. Dlatego też najwíększy wpływ na błąd dokładności bezwzględnej, który jest równy 62%, ma błąd skalowania.

Parametry dynamiczne przetwornika wyznaczono dla dwóch sygnałów cyfrowych:

-10000000

-11000000

przy częstotliwości sygnału generatora równej 27,1 kHz.

Dla pierwszego słowa cyfrowego czas ustalania jest mniejszy niż dla drugiego słowa. Natomiast maksymalna częstotliwość przetwarzania prawie dwa razy większa. Można z tego wyciągnąć wniosek, że im większe słowo wejściowe tym dłuższy czas ustalania i mniejsza maksymalna częstotliwość przetwarzania.

1. Charakterystyka Uwy = f(N) dla przetwornika C/A :

2. Chrakterystyka Uwy=f(N) dla przetwornika C/A :

---