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

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

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

P

ST

O

P

ST

A

R

T

U

IW

U

NL

U

X

N

X

U

IW

U

NL

STOP

G. I. W.

G. N. L.

K.

Licznik

ST

A

R

T

U

X

t

t

t

K.

ST

A

R

T

11

11

1

11

1

11

11

00

00

0

00

0

00

00

00

00

0

00

0

00

00

−−−−U

N

⋅⋅⋅⋅sngU

X

START przetwarzania U

X

−−−−U

N

⋅⋅⋅⋅sngU

X

ST

A

R

T

ST

O

P

N

X

U

IW

U

X

N

X

U

IW

G. I. W.

Udx

K.

Licznik

ST

A

R

T

U

X

t

t

t

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.

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

X

U

W

f

X

N

X

U

TW

U

X

N

X

U

TW

G.O.T.W.

Udx

K.

Licznik

U

X

t

t

U

W

STOP −−−− START

G.I.R.

t

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

f //// 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

W

>> f

GR Syg

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

analogiczne do metody cz stotliwo ciowej prostej.

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

P

ST

A

R

T

N

X

t

U

X

U

K

t

Wpis

U

X

N

X

U

IW

U

K

STOP

Licznik

Rejestr równoległy

START

Pr

ze

tw

or

ni

k

C

/A

(c

yf

ro

w

o-

an

al

og

ow

y

)

K.

G. I. W.

U

S

W

pi

s

Układ

próbkuj co-

pami taj cy

Układ

steruj cy

N

X

U

K

Rejestr równoległy

Pr

ze

tw

or

ni

k

C

/A

(c

yf

ro

w

o-

an

al

og

ow

y

)

K.

1

2

2

4

8

4 6

8

10 12 14

U

t

U

X

U

K

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

X

U

K

Przetwornik A////C

(szybki)

np. bezpo redniego

porównania równoległy

Układ

odejmuj cy

np.

wzmacniacz

operacyjny

Rejestr buforowy

Przetwornik

C/A (cyfrowo-

-analogowy)

Przetwornik A////C

(szybki)

np. bezpo redniego

porównania równoległy

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

k

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

V

V

Komparator

Oscyloskop

Opornica

dekadowa

Przetwornik R / ∆∆∆∆t

(rezystancja-

przedział czasu)