Badanie przetworników
Wiadomości wprowadzające
Najważniejszym czynnikiem umożliwiającym komunikację pomiędzy sektorami jest
informacja. Swobodny i dostatecznie szybki przepływ informacji zapewnia wiedzę o
istniejącym stanie rzeczy, umożliwia szybką reakcję na zachodzące zmiany. Nośnikiem
informacji jest sygnał. Aby informacja zawarta w sygnale wytwarzanym przez jeden emiter
mogła być odczytana i zrozumiała dla drugiego, czasami sygnał musi być przetworzony z
pierwotnego na inny. W tym celu stosowane są przetworniki.
Przetwornik jest to urządzenie umożliwiające przetworzenie jednej wielkości na inną,
przy czym, przetworzenie wielkości zbieranej z wyjścia przetwornika względem podawanej
na wejście musi być jednoznaczne. W automatyzacji procesu kluczową rolę oprócz regulatora
odpowiedzialnego za sterowanie danym procesem odgrywa przetwornik. Przetwornik jest
elementem zapewniającym komunikację pomiędzy regulatorem a czujnikiem dającym
niezbędne informacje o stanie procesu oraz regulatorem a urządzeniem wykonawczym, za
pomocą którego regulator oddziałuje na regulowany proces.
Ze względu na przetwarzanie przetworniki możemy podzielić na:
analogowo- analogowe (A/A) przetwarzające analogowy sygnał analogowy
podawany na wejście na sygnał analogowy
pneumo - elektryczne (P/E)  przetwarzające sygnał pneumatyczny na sygnał
elektryczny
elektro  pneumatyczne (E/P)  przetwarzające sygnał elektryczny na
odpowiadający mu sygnał pneumatyczny
analogowo  cyfrowe (A/C) - przetwarzające sygnał analogowy na cyfrowy
cyfrowo  analogowe (C/A)  przetwarzające sygnał cyfrowy na analogowy
przetworniki dedykowane  przystosowane do pracy z określonym
Możliwość współpracy i komunikacji przetworników z regulatorami, urządzeniami
pomiarowymi, urządzeniami wykonawczymi (nastawczymi) i innymi przetwornikami
zapewniają standardowe zakresy sygnałów wejściowych i wyjściowych.
Jako sygnał analogowy należy rozumieć sygnał w postaci napięcia, prądu bądz
ciśnienia
sprężonego gazu np.: powietrza. Sygnał cyfrowy zapisywany jest w postaci dwójkowej lub
kodu BCD.
Ze względu na zakres przetwarzanego sygnału przetworniki możemy podzielić na
unipolarne i bipolarne.
Przetworniki unipolarne umożliwiają przetworzenie sygnału e"0. Przetworniki bipolarne
umożliwiają przetwarzanie sygnału również z zakresu d" 0. Są one wykorzystywane głównie
przy pomiarze temperatury (ujemne temperatury).
Standardowe zakresy pomiarowe dla wejść i wyjść analogowych przetworników
unipolarnych wynoszą:
dla sygnałów prądowych: 0 - 5 [mA], 0 -10 [mA], 0 - 20 [mA], 1 - 5[mA], 2 - 10
[mA], 4 - 20 [mA],
dla sygnałów napięciowych 0 - 10 [mV], 0 - 50 [mV], 0 - 100 [mV], 0 - 1 [V], 0 
5 [V], 0 - 10 [V], 1 - 5 [V], 2 - 10 [V], 4 - 20 [V]
W przypadków przetworników bipolarnych standardowy zakres sygnałów
wejściowych:
prądowych: -5 - 5 [mA],
napięciowych : -10 - 10 [V],.
Przetworniki A/A stosowane są głównie do komunikacji regulatora z urządzeniem
wykonawczym, za pomocą którego regulator oddziałuje na dany proces. Przetwornikami A/A
nazywane są zazwyczaj  regulatorami mocy . Zmieniając sygnał wejściowy w postaci prądu
napięcia lub stałego np.: w zakresie -U= 0-10[V], umożliwiają płynną regulację napięciem
przemiennym w zakresie np.:~U= 0-230[V]
Przetworniki elektropneumatyczne i pneumoelektryczne stosowane są głownie w coraz
rzadziej stosowanych regulatorach analogowych lub w procesach przemysłowych
zagrożonych wybuchem. Służą one do zamiany ciśnienia z zakresu 20-100[kPa] na wielkości
elektryczne najczęściej prąd z zakresu 4-20 [mA], lub wielkości elektrycznych na ciśnienie
Do współpracy z regulatorami cyfrowymi przeznaczone są przetworniki A/C i C/A.
Najczęściej są one wbudowane w wewnętrzną architekturę regulatora lub mogą być dołączane
w postaci modułów. Przetworniki (A/C) zamieniają sygnał analogowy w postaci napięcia lub
prądu na sygnał cyfrowy zrozumiały dla elektronicznego regulatora zapisany w postaci
systemu dwójkowego lub kodu BCD. Umożliwiają one dostarczanie do regulatora informacji
o stanie regulowanego procesu z analogowych czujników pomiarowych.
Przetworniki (C/A) służą do zamiany sygnału nastawczego regulatora zapisanego w
postaci systemu dwójkowego subkodu BCD na sygnał analogowy podawany do urządzenia
wykonawczego np.: za pomocą przetwornika (A/A).
Aby dobrze zrozumieć zasadę działania przetworników A/C i C/A należy zapoznać się z
konwersją pomiędzy wykorzystywanymi w przetwornikach systemami liczbowymi.
Systemy liczbowe
Obecnie powszechnie stosowanym systemem liczbowym jest system dziesiętny, inaczej
zwanym systemem decymalnym. Jest on podstawowym systemem liczbowym używanym
zarówno w nauce, bankowości czy ekonomii ze względu na uproszczenia w działaniach
matematycznych w porównaniu np.: z systemem rzymskim.
W elektronice ze względu na zbyt duże obszary pamięci zajmowane przez informację
zapisaną w postaci systemu dziesiętnego używa się systemów: dwójkowego, trójkowego,
ósemkowego lub szesnastkowego.
Każdy z wymienionych systemów liczbowych składa się z podstawy systemu, którą jest
liczba całkowita, oraz zbioru liczb.
Podstawa p System liczbowy Zbiór cyfr używanych w
systemie liczbowym
2 Dwójkowy 0,1
3 Trójkowy 0,1,2
8 Ósemkowy 0,1,2,3,4,5,6,7
10 Dziesiętny 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9
16 Szesnastkowy 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D
,E,F
Wszystkie wymienione systemy są systemami pozycyjnymi. Pozycja jaką dana cyfra
zajmuje decyduje o wartości cyfry w danej liczbie, a więc każda pozycja posiada ściśle
określona i niezmienna wagę liczbową. Z tego też względu każdą liczbę całkowitą  n
cyfrową można przedstawić za pomocą szeregu:
n 1
an 1pn 1 an 2pn 2 ... a1p1 a0p0 aipi (1)
i 0
lub w postaci skróconej:
an 1an 2...a1a0 p
gdzie:
p  podstawa systemu, którą jest liczbą całkowitą dodatnią,
n  numer pozycji
ai  cyfry z zakresu od 0 do p  1.
Powyższy szereg można uzupełnić o wyrażenie, tak aby umożliwiał zapis liczby
ułamkowej:
n 1
1 2 i
an 1pn 1 an 2pn 2 ... a1p1 a0p0 a p a p ... a p aipi
1 2 i
i 0
Powszechnie stosowanymi systemami liczbowymi są systemy: dziesiętny, dwójkowy i
szesnastkowy. Systemy: trójkowy i ósemkowy są stosowane bardzo rzadko więc z tego
względu nie będą omawiane dokładnie.
System dziesiętny
Ze względu, że wymienione systemy liczbowe są systemami wagowymi, należy wiedzieć,
która pozycja w liczbie ma największe, a która najmniejsze znaczenie. Zagadnienie zostanie
wytłumaczone na przykładzie liczby dziesiętnej 368.
Liczba trzysta sześćdziesiąt osiem składa się z trzech cyfr: 3, 6, 8. Cyfra  8 znajduje się
na skrajnej prawej pozycji reprezentującej pozycję jedności. Cyfra  6 znajduje się na pozycji
dziesiątek, natomiast cyfra  3 znajduje się na skrajnej lewej pozycji reprezentującej pozycje
setek. Liczba trzysta sześćdziesiąt osiem składa się więc z ośmiu jedności, sześciu dziesiątek i
trzech setek. Zapisując liczbę trzysta sześćdziesiąt osiem za pomocą zależności (1)
otrzymujemy:
368 = 3*102 + 6*101 + 8*100
Gdybyśmy chcieli zwiększyć liczbę trzysta sześćdziesiąt osiem o jeden  1 czyli o
jedność, zwiększylibyśmy o jeden  1 , pozycję reprezentującą jedności w tej liczbie czyli
znajdującą się ze skrajnej prawej stronie i otrzymalibyśmy liczbę trzysta sześćdziesiąt
dziewięć  369 . Zapisując ją w postaci szeregu otrzymujemy:
369 = 3*102 + 6*101 + 9*100
Zwiększając liczbę trzysta sześćdziesiąt dziewięć znowu o jeden  1 , zwiększylibyśmy o
jeden  1 , pozycję reprezentującą jedności w tej liczbie czyli znajdującą się ze skrajnej
prawej stronie. Jednak pojawia się problem, gdyż w systemie dziesiętnym nie występuje cyfra
większa od dziewiątki  9 . W tym przypadku należy więc zwiększyć o jeden  1 cyfrę
znajdującą się po lewej stronie jedności, czyli znajdującej się na pozycji dziesiątek, natomiast
pozycję jedności wyzerować. A więc cyfrę sześc.  6 znajdującą się na pozycji dziesiątek
należy zastąpić następną w kolejności czyli siódemką  7 , natomiast dziewiątkę  9
znajdującą się na pozycji jedności należy zastąpić zerem  0 , czyli najniższą możliwą cyfrą w
systemie decymalnym. W wyniku tej operacji otrzymujemy liczbę trzysta siedemdziesiąt,
zapisaną za pomocą szeregu:
370 = 3*102 + 7*101 + 0*100
W przypadku liczby 999 jest podobnie. Liczba dziewięćset dziewięćdziesiąt dziewięć
zapisana w postaci szeregu ma następująca postać:
999 = 9*102 + 9*101 + 9*100
Zwiększając tą liczbę o jeden  1 , musimy wyzerować pozycję jedności (prawą skrajną),
czyli zastąpić dziewiątkę znajdującą się na pozycji jedności najmniejszą możliwą cyfrą czyli
zerem  0 , oraz zwiększyć o jeden  1 pozycję dziesiątek, czyli pozycję środkową. Na
pozycji dziesiątek znajduje się tak samo jak w pozycji jedności cyfra dziewięć  9 , a
ponieważ w systemie decymalnym nie ma większej cyfry niż  9 więc pozycję dziesiątek
należy podobnie jak w przypadku pozycji jedności wyzerować czyli zastąpić dziewiątkę na
pozycji dziesiątek najmniejszą możliwą cyfrą czyli zerem  0 , zwiększając o jeden  1
pozycję setek. Na pozycji setek (skrajna lewa strona) również znajduje się dziewiątka  9 , a
więc pozycję setek także należy wyzerować i w tym wypadku dodać po lewej skrajnej stronie
pozycję tysięcy (dotychczas na pozycji tysięcy znajdowało się  0 ) na której znajdzie się
cyfra  1 i otrzymamy liczbę tysiąc  1000 . Zapis zwiększenia liczby  999 o  1 w postaci
szeregu jest następujący:
999 = 0*103 + 9*102 + 9*101 + 9*100
1000 = 1*103 + 0*102 + 0*101 + 0*100
Jak widać na pokazanym przykładzie najmniejsze znaczenie ma pozycja znajdująca się po
prawej skrajnej stronie, natomiast największe pozycja znajdująca się po lewej skrajnej stronie.
System dwójkowy
System dwójkowy w odróżnieniu od systemu decymalnego składa się tylko z dwóch cyfr
zera  0 i jedynki  1 , dlatego tez nazywany jest systemem binarnym lub dwustanowym.
Podstawą systemu dwójkowego jest liczba  2 . System dwójkowy powszechnie używany jest
w układach automatyki i elektroniki do opisu stanu procesu lub stanu urządzenia. Zazwyczaj
stan  1 odpowiada załączeniu urządzenia a  0 wyłączeniu urządzenia. Sterownik regulujący
procesem lub pracą urządzenia przetwarza sygnał binarny na system dziesiętny zrozumiały
dla człowieka.
W jaki więc sposób zapisać w systemie binarnym liczby systemu dziesiętnego? O ile
nie ma problemu z zapisem zera  0 i jedynki  1 , gdyż obie cyfry występują w obu
systemach to problem pojawia się przy cyfrach większych od jedynki  1 .
Zagadnienie zostanie wyjaśniona w tabeli 1.
Cała procedura z zamianą liczb dziesiętnych na postać binarną odbywa się w identyczny
sposób jaki pokazano w tabeli 1. Liczby od  10 do  16 składają się z czterech pozycji. W
przypadku liczby  17 znowu należy dodać prawą skraja pozycję z cyfrą  1 , a pozostałe
wyzerować.
W systemie binarnym, tak samo jak w przypadku systemu dziesiętnego najmniejsze
znaczenie ma prawa skrajna pozycja (LSB), a największe lewa skrajna pozycja (MSB).
Konwersja poszczególnych cyfr systemu dziesiętnego na binarny jest stosunkowo prosta
gdyż największa cyfra systemu dziesiętnego czyli dziewiątka  9 składa się tylko z czterech
pozycji w systemie dwójkowym. W przypadku konwersji większych liczb naturalnych z
systemu dziesiętnego na system binarny postępowanie według schematu opisanego w tabeli
byłoby kłopotliwe. Z tego też względu w przypadku zamiany większych liczb naturalnych
systemu decymalnego na binarny odbywa się według algorytmu opierającego się na dzieleniu
przez cyfrę dwa  2 . Aby zrozumieć istotę konwersji liczby dziesiętnej na binarną najpierw
zilustrujmy konwersję liczby binarnej na dziesiętną, która jest dużo łatwiejsza.
Tabela 1. System binarny
Syste Sys opis
m tem
dziesiętny binarny
0 0 Cyfra  0 występuje w obu systemach
1 1 Cyfra  1 występuje w obu systemach
2 10 Aby zapisać cyfrę  2 w systemie binarnym należy po lewej stronie
dodać pozycję z cyfrą jeden  1 a prawą skrajna pozycję wyzerować  0
3 11 Cyfra trzy  3 jest o jeden większa od cyfry  2 więc prawą skrajna
pozycję zwiększamy o jeden  1
4 100 Zapis cyfry cztery  4 w systemie binarnym wymaga podobnie jak
w przypadku cyfry dwa  2 dodania po lewej stronie kolejnej pozycji z
cyfrą  1 , oraz wyzerowania prawej skrajnej i środkowej pozycji.
5 101 Aby zapisać cyfrę  5 w systemie dwójkowym należy zmienić
prawą skrajna pozycję z  0 na jeden
6 110 W przypadku cyfry  6 należy wyzerować prawą skrajna pozycję
 0 , a jedynkę  1 przenieść na środkową pozycję
7 111 Cyfra trzy  7 jest o jeden większa od cyfry  6 więc prawą skrajną
pozycję zwiększamy o jeden  1
8 100 Zapis cyfry cztery  8 w systemie binarnym wymaga podobnie jak
0 w przypadku cyfry dwa  2 i  4 dodania po lewej stronie kolejnej
pozycji z cyfrą  1 , oraz wyzerowania prawej skrajnej i środkowych
pozycji.
9 100 Cyfra trzy  9 jest o jeden większa od cyfry  8 więc prawą skrajną
1 pozycję tak jak w przypadku cyfry  5 zwiększamy o jeden  1
W konwersji liczby całkowitej systemu dwójkowego na całkowitą liczbę systemu
dziesiętnego występują pewne prawidłowości, z tego tez względu odbywa się według
poniższej zależności:
i 1 0 i 1 0
(c ... c c )(nb)=ci*2 +...+ c1*2 +c0*2 = n(10) (2)
gdzie:
ci  cyfry z zakresu od 0  1.
Konwersje zilustrujmy przykładem. Zamieńmy całkowitą liczbę dwójkową: 10100112 na
liczbę dziesiętną  n10 . Podstawiając poszczególne pozycje liczby binarnej do zależności
otrzymamy:
10100112 = 1 * 26+0 * 25 + 1 * 24 + 0 * 23 + 0 * 22 + 1 * 21 + 1 * 20 = 64+ 16 + 2+ 1 = 8310
Przeanalizujmy teraz zamianę całkowitej liczby dziesiętnej na liczbę binarną. Algorytm
zostanie przedstawiony na przykładzie liczby osiemdziesiąt trzy  83 .
N10 =83
Tabela 2. Konwersja liczby dziesiętnej na binarną
Dziel w re opis
enie ynik szta
83 : 2 41 1 Dzieląc liczbę  83 uzyskalibyśmy liczbę  82,5 , a więc liczbę
ułamkową. Najbliższą liczbą liczby  83 , która w wyniku dzielenia
przez  2 da wynik w postaci liczby całkowitej jest liczba  82 . W
wyniku dzielenia otrzymujemy więc liczbę  41 i resztę  1 .
41 : 2 20 1 Dzieląc liczbę  41 przez  2 również wynikiem nie będzie
liczba całkowita. Najbliższa liczbą liczby  41 , która da wynik w
postaci liczby całkowitej jest liczba  40 . W wyniku dzielenia
otrzymujemy więc liczbę  20 i resztę  1 .
20 : 2 10 0 W przypadku liczby  20 w wyniki dzielenia przez  2
uzyskamy wynik w postaci liczby całkowitej  10 , a więc reszta
wynosi  0 .
10 : 2 5 0 Liczba  10 podobnie jak w przypadku liczby  20 w wyniku
dzielenia przez  2 da wynik w postaci liczby całkowitej  5 , więc
reszta wyniesie  0
5 : 2 2 1 Dzieląc cyfrę  5 uzyskalibyśmy cyfrę  4,5 , a więc cyfrę
ułamkową. Najbliższą liczbą cyfry  5 , która w wyniku dzielenia
przez  2 da wynik w postaci liczby całkowitej jest cyfra  4 . W
wyniku dzielenia otrzymujemy więc cyfrę  2 i resztę  1 .
2 : 2 1 0 W wyniku dzielenia cyfry  2 przez  2 uzyskamy cyfrę  1 , a
więc reszta wynosi  0
1 : 2 0 1 Dzieląc cyfrę  1 przez cyfrę  2 uzyskamy w rzeczywistości
 0,5 , więc wynik dzielenia zapisujemy jako  0 i resztę  1 .
83 : 2 =41 reszta 1 c0 (LSB)
41 : 2 =20 1 c1
20 : 2 =10 0 c2
10 : 2 =5 0 c3
5 : 2 =2 1 c4
2 : 2 =1 0 c5
1 : 2 =0 1 c6 (MSB)
Zapis liczby  83 w postaci binarnej jest uzyskaną resztą, która zapisywana jest od końca,
więc statecznie otrzymujemy:
83(10) =1010011(NB)
Największe znaczenie ma w rozpatrywanym przypadku pozycja  c6 , a najmniejsze
pozycja  c0 .
Przetwornik analogowo - cyfrowy A/C
Przetworniki analogowo - cyfrowe(A/C) przetwarzają sygnał analogowy w postaci prądu
lub napięcia na sygnał cyfrowy (dyskretny). Sygnał analogowy podawany na wejście
przetwornika jest ciągły w czasie. W celu przetworzenia na zapis cyfrowy jest on
próbkowany, kwantowany i podawany na wyjście przetwornika najczęściej w postaci kodu
dwójkowego rzadziej w postaci kodu BCD.
Na wyjściu przetwornika pojawia się zatem liczba zapisana w kodzie dwójkowym, która
jest proporcjonalna do sygnału analogowego podawanego na wejście przetwornika według
zależności:
a1 a2 an
UIwe UIodn ... (3)
21 22 2n
Gdzie:
UIwe  napięcie bądz
prąd wejściowy
UIodn  napięcie bądz
prąd odniesienia
a1  an  bity wyjściowe przyjmujące wartość 0 bądz
1
Najważniejszymi parametrami przetwornika analogowo cyfrowego jest:
częstotliwość próbkowania,
czas konwersji (przetwarzania),
rozdzielczość
błąd kwantyzacji.
Częstotliwość próbkowania określa okres (przedział czasu) po upływie którego
sprawdzany jest wartość analogowego sygnału wejściowego zamienianego na ciąg liczb.
Mianem częstotliwości próbkowania można określić odwrotność różnicy czasu pomiędzy
dwoma kolejnymi próbkami.
Czas konwersji (przetwarzania) jest to czas, w którym analogowy sygnał podawany na
wejście przetwornika zostanie zamieniony na ciąg liczbowy (sygnał dyskretny) i podany na
wyjście przetwornika. Określany jest zazwyczaj za pomocą charakterystyki dynamicznej i
definiowany jako:
czas przetwarzania  czas, w którym zachodzi cały cykl przetwarzania
częstotliwość konwersji  definiowana jako odwrotność czasu przetwarzania
szybkość bitowa  liczba bitów przetwarzanych w jednostce czasu
Rozdzielczość jest to najmniejsza zmiana sygnału wyjściowego przy zmianie sygnału na
wejściu. Rozdzielczość definiowana jest za pomocą zależności
UIodn
"UI
2n
(4)
gdzie:
UI  rozdzielczość przetwornika
UIodn  napięcie bądz
prąd odniesienia (zakres sygnału wejściowego = UIg - UId)
n  liczba bitów przetwornika
Na rysunku 1 przedstawiono przykładową charakterystykę statyczną odwzorowującą
sygnał analogowy przetworzony na cyfrowy za pomocą najprostszego - trzy bitowego
przetwornika o napięciu odniesienia 8[V]. Widać wyraz
nie, że idealna charakterystyka
znacznie różni się od charakterystyki rzeczywistej. Rzeczywisty przebieg posiada schodki
zwane kwantami.
Rysunek.1 Charakterystyka przetwornika A/C
Obliczając z zależności (4) rozdzielczość analizowanego przetwornika otrzymamy
Uodn 8
"U 1
2n 23
Zatem rozdzielczość tego przetwornika wynosi 1. Czyli zmieniając wartość napięcia
wejściowego o 1 V sygnał wyjściowy zmieni się o 1.
W przetworniku A/C mogą wystąpić następujące błędy związane z przetwarzaniem
sygnału:
nieliniowość całkowa  definiowana jest jako maksymalne odchylenie
rzeczywistej charakterystyki od charakterystyki idealnej przechodzącej przez
środki kwantów odpowiadającym kolejnym przedziałom sygnału cyfrowego;
występuje gdy nie można poprowadzić przez środki kwantów  schodków linii
prostej; skutkuje utratą danych,
nieliniowość różniczkowa  definiowana jako różnica pomiędzy kolejnymi
(sąsiednimi) wartościami analogowego sygnału podawanego na wejście
przetwornik, który powoduje zmianę sygnału wyjściowego (słowa wyjściowego) o
najmniej znaczący bit LSB,
błąd zera  przesunięcie charakterystyki rzeczywistej względem idealnej
przechodzącej przez zero opisanej zależnością y=ax, charakterystyka rzeczywista
opisana jest zależnością y=ax+b,
błąd skali (wzmocnienia)  zmiana konta nachylenia charakterystyki; skutkuje
zmniejszeniem (zwężeniem się) zakresu wejściowego lub jego wyjściowego.
Przetwornik cyfrowo  analogowy (C/A)
Przetwornik cyfrowo - analogowy działa w odwrotny sposób do przetwornika A/C.
Przetwornik cyfrowo - analogowy (C/A) zamienia sygnał dyskretny w postaci kodu
dwójkowego podawany na jego wejście na sygnał analogowy w postaci napięcia bądz
prądu.
Inaczej mówiąc na wejście przetwornika podawany jest ciąg liczb w kodzie dwójkowym lub
BCD zapisanych w postaci  n bitowego słowa. Przetwornik konwertuje słowo bitowe na
sygnał analogowy podawany na wyjście, który powinien być proporcjonalny do sygnału
cyfrowego podawanego na wejście.
Wartość sygnału wyjściowego można obliczyć z zależności:
a1 a2 an
UIwy UIodn ... (3)
21 22 2n
Gdzie:
UIwe  napięcie bądz
prąd wyjściowy
UIodn  napięcie bądz
prąd odniesienia
a1  an  bity wyjściowe przyjmujące wartość 0 bądz
1
Na rysunku 2 przedstawiona została idealna i rzeczywista charakterystyka przetwornika
cyfrowo analogowego o napięciu odniesienia 8V. Podobnie jak w przypadku przetwornika
A/C, idealna (liniowa) charakterystyka przetwornika C/A różni się od rzeczywistej.
Głównymi parametrami przetwornika C/A są: rozdzielczość, błąd bezwzględny i błąd
względny.
Rozdzielczość podobnie jak w przypadku przetwornika A/C dla przetwornika C/A można
wyznaczyć z zależności:
UIodn
"UI (4)
2n
gdzie:
UI  rozdzielczość przetwornika
UIodn  napięcie lub prąd odniesienia
n  liczba bitów przetwornika
Błąd bezwzględny  określany jest jako największa różnica między mierzonym sygnałem
wyjściowym, a obliczonym ze wzoru 4. Błąd względny określany jest jako stosunek błędu
bezwzględnego do wartości napięcia odniesienia.
Rysunek 2. Charakterystyka przetwornika C/A
Obliczając w podobny sposób jak dla przetwornika A/C rozdzielczość analizowanego
przetwornika C/A otrzymamy
Uodn 8
"U 1
2n 23
Zatem rozdzielczość tego przetwornika wynosi 1. Czyli zmieniając sygnał wejściowy o
jedną jednostkę wewnętrzną otrzymamy zmianę napięcia wyjściowego o 1V.
W przypadku przetwornika C/A mogą wystąpić podobnie jak w przypadku przetwornika
A/C następujące błędy:
nieliniowość całkowa lub niemonotoniczność definiowane jest jako maksymalne
odchylenie rzeczywistej charakterystyki od charakterystyki idealnej przechodzącej
przez czubki kwantów odpowiadającym kolejnym przedziałom sygnału
cyfrowego; występuje gdy nie można poprowadzić przez czubki kwantów
 schodków linii prostej; skutkuje utratą danych; w przypadk gdy występuje
nieliniowość niemonotoniczność nie występuje i na odwrót,
błąd zera  przesunięcie charakterystyki rzeczywistej względem idealnej
przechodzącej przez zero opisanej zależnością y=ax; charakterystyka rzeczywista
opisana jest zależnością y=ax+b,
błąd skali (wzmocnienia)  zmiana konta nachylenia charakterystyki; skutkuje
zmniejszeniem (zwężeniem się) zakresu wejściowego lub wyjściowego.
W praktyce najczęściej spotyka się przetworniki 12 bitowe (11 bitów plus znak) i 16
bitowe (15 bitów plus znak) lub 24 bitowe (23 bity plus znak) . W takich przetwornikach
można rozszerzyć zakres sygnału wejściowego, tak aby zmiana sygnału wyjściowego
następowała po zmianie sygnału wejściowego np.: co 8 jednostek wewnętrznych.
Przeanalizujmy zatem taki przypadek dla przetwornika 16 bitowego. Aby uzyskać zmianę
sygnału wyjściowego o jeden kwant przy zmianie sygnału wejściowego co 8 jednostek
pierwsze 3 bity z prawej strony przetwornika musza mieć zawsze wartość  0 . Wartości
kolejnych 12 bitów (od 3 do 14) przyjmują wartość 0 lub 1 w zależności od liczby
wprowadzanej na wejście. Bit 16 zarezerwowany jest dla znaku.
Maksymalna wartość dla 12 bitów ma w systemie dziesiętnym wartość 4095,co
odpowiada 4095 stanom kwantyzacji, a ponieważ badany przetwornik wykorzystuje 16 bitów
co odpowiada w kodzie dziesiętnym liczbie 32767, tak więc 8 jednostek wewnętrznych
odpowiada 1 kwantowi napięcia wyjściowego. Obliczając zatem liczbę jednostek
wejściowych po których uzyskamy zmianę sygnału wyjściowego o jedną jednostkę
otrzymamy
32767
8
4095
A więc sygnał wyjściowy zmieni się dopiero o 1 kwant napięcia (skok) o gdy sygnał
wejściowy zmieni się o 8 jednostek. Obliczmy zatem rozdzielczość 12 bitowego
przetwornika, dla którego napięcie odniesienia wynosi 5V. Obliczona ze wzoru 4
rozdzielczość przetwornika wynosi
Uodn 5
"U 1,25mV
2n 212
Zmieniając sygnał wejściowy o 8 jednostek otrzymamy zmianę sygnału wyjściowego o
jeden kwant czyli o 1,25 mV.
Rysunek 3. Charakterystyka przetwornika C/A  12 bitów
Przetworniki dedykowane
W praktyce stosowane są także elektroniczne przetworniki (A/C) przeznaczone do
współpracy z konkretnymi urządzeniami np.: z czujnikami temperatury. Przetworniki takie
przystosowane są wyłącznie do określonego typu czujnika. Przetwornik przystosowany do
pracy z termoparą nie może być zastosowany do pracy z PT100, gdyż w przypadku PT100
zmiana temperatury objawia się zmianą rezystancji czujnika, a nie zmianą napięcia jak to ma
miejsce w przypadku termopary. Zazwyczaj taki przetwornik jest fabrycznie wyskalowany i
umożliwia bezpośredni odczyt temperatury np.: C.
Instrukcja szczegółowa
Celem ćwiczenia jest porównanie elektronicznych przetworników.
Badanie przetwornika cyfrowego - analogowo (C/A)
Korzystając z panelu dotykowego należy wprowadzać na wejście przetwornika sygnał z
zakresu 0-32000 (pełen zakres wejściowy) z krokiem podanym przez prowadzącego. Z panelu
dotykowego należy odczytać wartość sygnału wyjściowego przetwornika (napięcie) obliczone
algebraicznie, oraz rzeczywistą wartość napięcia odczytaną z miernika. Wyniki zanotować w
tabeli 3.
Tabela 3.
Lp. sygnał wejściowy obliczone napięcie mierzone napięcie
(SW) wyjściowe (ONW) wyjściowe (MNW)
[V] [V]
1.
Na podstawie dokonanych pomiarów należy narysować charakterystyki ONW = f (SW) oraz
MNW = f(SW)
Badanie przetwornika dedykowanego RTD
Z panelu dotykowego należy odczytać wartość sygnału wyjściowego przetwornika oraz
odpowiadającą mu wartość temperatury. Włączyć grzałkę. Na panelu dotykowym śledzić
zmiany wartości sygnału otrzymywanego z modułu dla obu czujników, oraz odpowiadające
im zmiany temperatury. Odczytywane wyniki notować w tabeli 4 z okresem odczytu
podanym przez prowadzącego.
o przetwornika oraz odpowiadającą mu wartość temperatury. Włączyć grzałkę. Na panelu
dotykowym śledzić zmiany wartości sygnału otrzymywanego z modułu dla obu czujników,
oraz odpowiadające im zmiany temperatury. Odczytywane wyniki notować w tabeli 4 z
okresem odczytu podanym przez prowadzącego.
Tabela 4.
Lp. sygnał dla sygnał dla T1 T2
czujnika 1 czujnika 2
[ C] [ C]
(SC1) (SC2)
1.
Na podstawie otrzymanych wyników sporządzić wykres:
SC1 = f (T1)
SC2 = f (T2)
Badanie regulatora mocy
Badany regulator mocy umożliwia zmianę sygnału wyjściowego w postaci napięcia
przemiennego w zakresie 0-230[V], przy zmianie sygnału wejściowego 0-10[V] napięcia
stałego.
Na wejście regulatora mocy podawać napięcie stałe z zakresu 0-10[V] z krokiem podanym
przez prowadzącego. Z panelu dotykowego odczytywać algebraicznie obliczoną wartość
wyjściową napięcia oraz z miernika odczytywać rzeczywistą wartość napięcia wyjściowego.
Wyniki pomiarów zanotować w tabeli 5.
Tabela 5.
Lp. Napięcie obliczone mierzone
wejściowe (Uwe) napięcie napięcie
[V] wyjściowe wyjściowe
(ONW) [V] (MNW)
[V]
1.
Na podstawie otrzymanych wyników narysować charakterystykę:
ONW = f (Uwe)
MNP = f (Uwe)
Opracowanie sprawozdania
Sprawozdanie powinno zawierać:
Wyniki pomiarów
Sporządzone charakterystyki
Wnioski