background image

 

POLITECHNIKA    L SKA 

WYDZIAŁ  IN YNIERII   RODOWISKA  I  ENERGETYKI 

INSTYTUT MASZYN I URZ DZE  ENERGETYCZNYCH 

 

 

LABORATORIUM   ELEKTRYCZNE 

 

 

 

 

 

 

 

 

Przetworniki analogowo-cyfrowe. 

 

(E – 17) 

 

 

 

 

 

 

www.imiue.polsl.pl/~wwwzmiape 

 

 

 

 

Opracował:  Dr in . Włodzimierz OGULEWICZ 

Sprawdził:   Dr in . Włodzimierz OGULEWICZ 

Zatwierdził: Dr hab. in . Janusz KOTOWICZ

 

 

 

 

 

background image

1. Cel  wiczenia. 

 

Celem  wiczenia jest poznanie metod przetwarzania analogowo–cyfrowego a 

w  szczególno ci  metody  kompensacyjnej  równomiernej  oraz  poznanie 

przetworników napi cie – cz stotliwo  (U/f) i rezystancja – szeroko  impulsu 

(R/t). 

 

2. Wprowadzenie. 

 

2.1. Przetwarzanie analogowo–cyfrowe. Poj cia podstawowe. 

 

Przetworniki  (konwertery)  analogowo-cyfrowe  (P  A/C)  to  urz dzenia, 

przetwarzaj ce  ci gły  analogowy  sygnał  wej ciowy  (jedno  wej cie)  na 

odpowiadaj cy  mu  dyskretny  cyfrowy  sygnał  wyj ciowy  (n  wyj  

dwustanowych). W procesie konwersji analogowo – cyfrowej zachodzi: 

kwantowanie sygnału

 (dyskretyzacja w poziomie przewa nie w 

dziedzinie napi cia),

 

próbkowanie sygnału

 (dyskretyzacja w dziedzinie czasu), 

kodowanie sygnału

.

 

Procesy te mog  przebiega  równocze nie lub kolejno. 

[

Patrz równie  instrukcja M – 15 LABORATORIUM  METROLOGII

 

].

 

 

2.2. Metody przetwarzania A/C  (analogowo-cyfrowego) 

(ang. Analog-to-Digital Converter

 

Metody przetwarzania A/C dzielimy na: 

 

Metody po rednie 

 metoda czasowo-impulsowa 

 

 prosta (pojedynczego całkowania) 

 z podwójnym całkowaniem 

 z potrójnym całkowaniem 

 metoda cz stotliwo ciowa 

 prosta 

 z podwójnym przetwarzaniem 

 delta – sigma (∆ − Σ)   

 

Metody bezpo rednie 

 metoda kompensacyjna 

 kompensacji równomiernej 

 kompensacji wagowej 

 metoda bezpo redniego porównania 

 równoległego porównania 

 

Metody kombinowane (dwustopniowe)(dwutaktowe)(kaskadowe) 

 szeregowo-równoległego porównania 

 cz stotliwo ciowo-kompensacyjna 

 cz stotliwo ciowo-czasowa

 

background image

2.3. Przegl d  wybranych  metod  przetwarzania  analogowo-

cyfrowego. 

Przegl d  zawiera:  schematy  blokowe,  wykresy  czasowe  i  opis  podstawowych 

własno ci poszczególnych metod. 

 

2.3.1. Metoda czasowo–impulsowa prosta. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Metoda  czasowo-impulsowa  prosta  przetwarzania  A/C  jest  mało  dokładna  i 

stosunkowo wolna (im wi ksze napi cie mierzone tym dłu szy czas odpowiedzi). 

Metoda ta przetwarza 

warto ci chwilowe

 wej ciowego przebiegu analogowego.  

 

2.3.2. Metoda czasowo–impulsowa z podwójnym całkowaniem. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Metoda  przetwarzania  A/C  czasowo-impulsowa  z 

podwójnym  całkowaniem  

jest  rednio  dokładna  i  wolna  (czas  odpowiedzi  zale y  od  warto ci  napi cia 

mierzonego).  Metoda  ta  przetwarza 

warto ci  rednie

  wej ciowego  przebiegu 

analogowego (czas u redniania jest zmienny, zale ny od warto ci napi cia). 

 

ST

A

R

T

 

ST

A

R

T

 

ST

O

ST

O

ST

A

R

T

 

U

IW 

U

NL 

U

X

 

N

U

IW 

U

NL 

STOP 

G. I. W.

G. N. L. 

K. 

 Licznik 

ST

A

R

T

 

U

X

 

K. 

ST

A

R

T

 

11

11

 1

11

11

11

 

00

00

 0

00

00

00

 

00

00

 0

00

00

00

 

−−−−U

N

 ⋅⋅⋅⋅sngU

X

  

START  przetwarzania  U

−−−−U

N

 ⋅⋅⋅⋅sngU

X

 

ST

A

R

T

 

ST

O

P

 

N

U

IW 

U

X

 

N

U

IW 

G. I. W. 

Udx

K.

 Licznik 

ST

A

R

T

 

U

X

 

Oznaczenia: 

K.  

 - komparator (układ porównuj cy). 

G.I.W. - generator impulsów wzorcowych. 

G.N.L. - generator napi cia liniowo narastaj cego. 

Udx   - integrator (układ całkuj cy). 

Oznaczenia poni ej. 

background image

2.3.3. Metody cz stotliwo ciowe. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Metody  cz stotliwo ciowego  przetwarzania  A/C  s   rednio  dokładne  i  wolne 

(czas  odpowiedzi  nie  zale y  od  warto ci  napi cia  wej ciowego).  Metody  te 

przetwarzaj  

warto ci  rednie

  wej ciowego  przebiegu  analogowego  (czas 

u redniania jest stały). Metoda cz stotliwo ciowa z podwójnym przetwarzaniem 

jest znacznie szybsza od metody prostej. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f

U

f

N

U

TW 

U

X

 

N

U

TW 

G.O.T.W.

Udx 

K.

 Licznik 

U

X

 

U

STOP −−−− START 

G.I.R. 

Oznaczenia: 

G.O.T.W.  - generator odcinka czasu wzorcowego. 

G.I.R.        - generator impulsów rozładowuj cych. 

U

W

 

       -  ródło napi cia wzorcowego. 

f

W

Metoda delta-sigma  ( ∆ 

∆ 

∆ 

∆ – Σ 

Σ 

Σ 

Σ )

N

X

U

TW

Generator Odcinka 

Czasu Wzorcowego

Licznik

Rejestr  rów.

Deszyfrator

Wy wietlacz

//// N

Dz.Cz.

G.I.W.

f

X

K.

U

X

−−−− sygnał

analogowy

Zał. −−−− Wył.

U

x

//// f

x

U

K

C

R

k

U

Napi cie

Wzorcowe

-U

W

sgnU

X

C

D Q

Q

B

1

B

2

f

>> f

GR Syg

Metoda przetwarzania A/C cz stotliwo ciowa delta-sigma ma cechy 

analogiczne do metody cz stotliwo ciowej prostej.

background image

2.3.4. Metoda kompensacyjna równomierna. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Metoda kompensacyjna równomierna przetwarzania A/C jest dokładna i wolna 

(im  wi ksze  napi cie  mierzone  tym  dłu szy  czas  odpowiedzi).  Metoda  ta 

przetwarza 

warto ci chwilowe

 wej ciowego. 

 

2.3.5. Metoda kompensacyjna wagowa. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Metoda  kompensacyjna  wagowa  przetwarzania  A/C  jest  dokładna  i  szybka 

(czas przetwarzania jest stały nie zale y od napi cie wej ciowego). Metoda ta 

(z  koniecznym  układem  próbkuj co  –  pami taj cym)  przetwarza 

warto ci 

chwilowe

 wej ciowego przebiegu analogowego. 

U

X

  

ST

O

ST

A

R

T

 

N

U

U

Wpis

 

U

X

  

N

U

IW 

U

STOP 

Licznik 

Rejestr równoległy 

START 

Pr

ze

tw

or

ni

C

/A

 (c

yf

ro

w

o-

 

an

al

og

ow

y

K.

G. I. W. 

U

W

pi

s

 

Układ 

próbkuj co- 

pami taj cy 

Układ 

steruj cy 

 

N

U

Rejestr równoległy 

Pr

ze

tw

or

ni

C

/A

 (c

yf

ro

w

o-

 

an

al

og

ow

y

K.

4  6 

10  12  14 

U

 

U

U

background image

2.3.6. Metoda bezpo redniego porównania równoległa. 

 

 

2.3.7. Metoda dwustopniowa szeregowo – równoległego porównania. 

 

 

 

U

X

sygnał analogowy 

sygnał 

cyfrowy 

L

 

L

 

L

 

L

 

H

 

H

 

H

 

H

 

R

 

R

 

R

 

R

 

R

 

R

 

R

 

Komparator  1 

ródło 

Napi cia 

Wzorcowego 

R

 

Komparator  2 

Komparator  3 

Komparator k

−1 

Komparator  k 

Komparator k+1 

Komparator n

−1 

Komparator  n 

 

T

R

A

N

SK

O

D

E

R

 

Metoda  bezpo redniego  porównania 

równoległa przetwarzania A/C jest mało 

dokładna  i  bardzo  szybka  (czas 

przetwarzania  jest  stały  równy  czasowi 

propagacji  sygnału,  nie  zale y  od 

napi cie  wej ciowego).  Metoda  ta  

przetwarza 

warto ci 

chwilowe

 

wej ciowego przebiegu analogowego.

 

Metoda szeregowo–równoległego porównania jest mało 

dokładna  ale  bardzo  szybka  (czas  przetwarzania  jest 

stały  nie  zale y  od  napi cie  wej ciowego).  Metoda  

przetwarza 

warto ci chwilowe

 przebiegu wej ciowego. 

 

U

X

 −−−− 

U

K

 

U

X

 −−−− sygnał  analogowy 

N

U

Przetwornik A////

(szybki) 

np. bezpo redniego 

porównania równoległy 

Układ 

odejmuj cy 

np.

 

wzmacniacz 

operacyjny 

Rejestr buforowy 

Przetwornik 

 C/A (cyfrowo- 

-analogowy) 

Przetwornik A////

(szybki) 

np. bezpo redniego 

porównania równoległy 

background image

 

3. Badania i pomiary. 

 

3.1. Schematy układów pomiarowych. 

 

wiczenie  wykonuje  si   kolejno  na  trzech  stanowiskach  pomiarowych. 

Schematy układów pomiarowych przedstawiono na poni szych rysunkach. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rys.1. Układ pomiarowy przetwornika kompensacyjnego równomiernego. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rys.2. Układ pomiarowy przetwornika rezystancja – przedział czasu. 

 

 

V                                                                                                                                             

U

K

 

Licznik 

Pr

ze

tw

or

ni

C

/A

 (c

yf

ro

w

o-

 

an

al

og

ow

y)

 

Generator 

impulsów 

taktuj cych 

ródło 

napi cia 

mierzonego 

ródło 

napi cia 

odniesienia 

Bramka 

U

X

 

U

O

 

 

Komparator 

Oscyloskop 

Opornica 

dekadowa 

Przetwornik R / ∆∆∆∆

(rezystancja-

przedział czasu)