Ćwiczenie 12
Przetworniki analogowo-cyfrowe i cyfrowo-analogowe  budowa i zastosowanie.
Program ćwiczenia:
1. Obserwacja i badanie działania toru przetwarzania A/C-C/A
2. Wyznaczenie charakterystyk i błędów statycznych przetwornika A/C z bezpośrednim porównaniem oraz
scalonego przetwornika C/A z sumowaniem prądów.
3. Obserwacja przebiegów w wybranych punktach kompensacyjnego przetwornika A/C.
4. Obserwacja przebiegów w wybranych punktach przetwornika A/C z dwukrotnym całkowaniem.
5. Badanie odporności na zakłócenia o różnych częstotliwościach multimetru z całkującym
przetwornikiem A/C.
Wykaz przyrządów
" Tor przetwarzania A/C-C/A na płytce drukowanej, w obudowie, wraz z zasilaczem
" Przetwornik kompensacyjny w obudowie z wyprowadzonymi sygnałami
" Przetwornik dwukrotnie całkujący w obudowie, z wyprowadzonymi sygnałami
" Multimetr cyfrowy Rigol DM3501
" Multimetr cyfrowy GW-Instek GDM-8051
" Oscyloskop cyfrowy Rigol DS1052E
" Generator sygnałów dowolnych Rigol DG1022
" Zasilacz napięcia stałego z dokładną regulacją napięcia wyjściowego
Literatura:
[1] Stabrowski, Marek M. :  Miernictwo elektryczne: cyfrowa technika pomiarowa , Oficyna Wydawnicza
Politechniki Warszawskiej, 1994
[2] Kulka Z., Libura A., Nadachowski M.:  Przetworniki analogowo-cyfrowe i cyfrowo-analogowe .
Warszawa, WKiA
1987
[3] Sahner G.:  Wstęp do miernictwa cyfrowego . Warszawa, WKiA
1982
[5] Zatorski A., Rozkrut A.:  Miernictwo elektryczne. Materiały do ćwiczeń laboratoryjnych . Kraków, Wyd.
AGH 1990, 1992, 1994, 1999. Skrypty nr 1190, 1334, 1403, 1585
Dokumentacja techniczna przyrządów pomiarowych:
[6] Instrukcje obsługi przyrządów RIGOL
http://www.kmet.agh.edu.pl dydaktyka Materiały dla studentów
Informacja na temat niniejszej instrukcji:
Czcionką pogrubioną zaznaczono rzeczy, na które należy zwrócić szczególną uwagę, a czcionką pochyloną 
najistotniejsze zagadnienia do przemyślenia po wykonaniu danego punktu ćwiczenia. Odpowiedzi na te
zagadnienia powinny stanowić podstawę przy formułowaniu wniosków z przeprowadzonych
eksperymentów.
str. 1
Zakres wymaganych wiadomości do testu:
" Budowa i zasada działania przetworników analogowo-cyfrowych: z bezpośrednim porównaniem,
kompensacyjnego (z kompensacją wagową i równomierną), dwukrotnie całkującego.
" Budowa i zasada działania przetwornika cyfrowo-analogowego z sumowaniem prądów.
" Twierdzenie o próbkowaniu.
" Charakterystyki statyczne i błędy przetwarzania przetworników C/A i A/C. Rozdzielczość i
dokładność przetwarzania.
str. 2
1. Obserwacja i badanie działania toru przetwarzania A/C-C/A
Obiektem badania jest tor przetwarzania A/C-C/A zbudowany z przetwornika analogowo-cyfrowego z
bezpośrednim porównaniem, przetwornika cyfrowo-analogowego z sumowaniem prądów oraz układów
odpowiedzialnych za wyświetlanie wartości wyjściowej z przetwornika A/C w kodzie dziesiętnym. Schemat
blokowy urządzenia przedstawia rysunek 1. Tor jest zasilany napięciem 12V z dołączonego zasilacza.
Gniazdo zasilania znajduje się z tyłu obudowy.
Kod
Kod
Przekodowanie
U przetwornik A/C przetwornik C/A
U
we binarny wy
unitarny
na kod binarny
z bezpośrednim z sumowaniem
i obsługa wyśw.
(nie
porównaniem prądów
wyśw.)
7-segmentowego
Wyświetlacz
Linijka diodowa
7-segmentowy
Rysunek 1 Schemat blokowy toru przetwarzania A/C-C/A
1) W celu zaobserwowania działania toru, wejście przetwornika A/C należy podłączyć do wyjścia 1
generatora Rigol DG1022, a wyjście przetwornika C/A do kanału 2 oscyloskopu. Do kanału 1 oscyloskopu
należy podać sygnał z generatora. Schemat połączeń przedstawia rysunek 2.
OSC
CH1 CH2
BNC
BNC
BNC
Tor A/C  C/A
G
Rysunek 2 Układ do obserwacji działania toru przetwarzania A/C-C/A
2) W generatorze ustawić sygnał sinusoidalny (przycisk Sine ), o częstotliwości 1 Hz (zakładka Freq ,
następnie wpisać wartość z klawiatury lub ustawić pokrętłem) i wartości międzyszczytowej (peak-peak)
10 V (zakładka Ampl , następnie wpisać wartość z klawiatury lub ustawić pokrętłem). Włączyć wyjście
generatora przyciskiem Output sąsiadującym ze złączem wyjściowym.
3) Włączyć oba kanały oscyloskopu (przyciski CH1 i CH2 obok ekranu). Oscyloskop zsynchronizować do
sygnału z generatora (włączyć menu synchronizacji przyciskiem Menu z sekcji TRIGGER; następnie
wybrać SOURCE CH1 oraz SLOPE RISING). Pokrętłem SCALE z sekcji VERTICAL ustawić kolejno
wzmocnienie w obu kanałach na 2 V/dz. Pokrętłem POSITION z grupy VERTICAL ustawić masę kanału 1
na środek ekranu, a kanału 2 na jedną działkę poniżej środka (-2V). Pokrętłem SCALE z grupy
HORIZONTAL ustawić szybkość odchylania poziomego na 200 ms/dz.
str. 3
4) Zaobserwować przebieg wejściowy i wyjściowy na ekranie oscyloskopu oraz zachowanie się diod
reprezentujących wartość wyjściową przetwornika A/C w kodzie unitarnym. Włączyć pomiary kursorowe
przyciskiem Cursor , a następnie wybrać tryb ręczny (MODE MANUAL), pomiar parametrów
napięciowych (TYPE Y) i kanał 2 (SOURCE CH2). Włączyć pomiary (przycisk Measure ) i ustawić
pomiar składowych stałych w obu kanałach (SOURCE CH1 i VOLTAGE Vavg, a następnie SOURCE
CH2 i VOLTAGE Vavg). Z użyciem kursorów wyznaczyć i zapisać w sprawozdaniu amplitudy obu
sygnałów, a także zapisać wyświetlone na ekranie wartości średnie. Zanotować ilość przyjmowanych
przez napięcie wyjściowe poziomów napięcia i na ich podstawie wywnioskować o rozdzielczości
badanego toru przetwarzania. Pomiar parametrów i zliczanie poziomów napięcia można uprościć
korzystając z przycisku Start/Stop . Dlaczego napięcie wyjściowe przetwornika C/A ma inną
amplitudę i składową stałą niż napięcie wejściowe?
5) Ustawić w generatorze częstotliwość 100 Hz (zakładka Freq , następnie wpisać z klawiatury). Wartość
współczynnika podstawy czasu oscyloskopu ustawić pokrętłem SCALE z grupy HORIZONTAL, tak aby na
ekranie pokazały się 1-2 okresy sygnału. W generatorze wybrać zakładkę Ampl i pokrętłem zmieniać
wartość międzyszczytową napięcia generatora w zakresie 2-12 V, co 2 V. Dla każdej wartości określić
ilość poziomów dyskretnych przyjmowanych przez napięcie wyjściowe oraz (z użyciem kursorów)
amplitudę napięcia wyjściowego. Wyniki zestawić w tabeli 1 w sprawozdaniu. Czy dla sygnałów o
małych amplitudach zmienia się rozdzielczość przetwornika? Jakie zmiany w sygnale następują, gdy
amplituda napięcia wejściowego przekracza 10 V? Czy te zmiany wynikają z właściwości przetwornika
A/C, czy C/A ?
4) Ustawić na generatorze amplitudę 10 V (zakładka Ampl i wpisać z klawiatury). Wybrać zakładkę Freq i
pokrętłem zwiększać częstotliwość, co 1 kHz. Cały czas ustawiać wartość współczynnika podstawy czasu,
tak aby na ekranie były 1-3 okresy sygnału. Jako częstotliwość graniczną toru przetwarzania zanotować
wartość częstotliwości, przy której przebieg wyjściowy przestaje być skwantowany, czyli przejścia
pomiędzy kolejnymi poziomami napięcia nie są skokowe. Czy ta wartość częstotliwości wynika z
właściwości dynamicznych części cyfrowej, czy analogowej toru przetwarzania?
str. 4
2. Wyznaczenie charakterystyk i błędów statycznych przetwornika A/C z bezpośrednim porównaniem
oraz scalonego przetwornika C/A z sumowaniem prądów.
1) Obiektem badań pozostaje tor przetwarzania A/C-C/A z punktu 1. Połączyć układ według schematu
przedstawionego na rysunku 3. Przed włączeniem zasilania zakres zasilacza ustawić przełącznikiem na ą5
V, a wartość napięcia wyjściowego na minimum (-5 V).
Zasilacz BNC BNC
Tor A/C  C/A
V2
DC
V1
Rysunek 3 Schemat układu do wyznaczenia charakterystyk statycznych przetworników A/C i C/A.
Zasilacz DC o precyzyjnej regulacji napięcia; woltomierze V1 i V2  multimetry DM3501 i GDM-8051
(kolejność dowolna).
2) Napięcie wejściowe powoli zwiększać, tak aby uzyskiwać zapalanie kolejnych diod wskaz
nika kodu
unitarnego (lub zmiany kodu dziesiętnego). Dla każdej wartości kodu (włącznie z zerem) zapisywać
wartość napięcia wyjściowego w tabeli 3 (rubryka  napięcie wyjściowe UCA ). Przy każdej zmianie kodu
zapisywać wartość napięcia wejściowego w tabeli 2 (rubryka  napięcie wejściowe UAC1 ).
3) Ze względu na występowanie zjawiska histerezy w przetworniku A/C, badanie należy powtórzyć, tym
razem obniżając napięcie wejściowe od maksymalnego. Dla każdej zmiany kodu zapisywać napięcie
wejściowe w tabeli 2 (rubryka  napięcie wejściowe UAC2 ).
4) Na podstawie zapisanych w tabeli wartości napięć obliczyć: wartość kwantu, teoretyczne napięcia
komutacji A/C i wyjściowe C/A oraz błędy komutacji i histerezy (tylko dla przetwornika A/C). Wyniki
zestawić w sprawozdaniu. Z czego wynikają poszczególne błędy? Jaka jest minimalna wartość błędu
przetwornika N-bitowego?
str. 5
3. Obserwacja przebiegów w wybranych punktach kompensacyjnego przetwornika A/C.
Badanym w tym punkcie ćwiczenia urządzeniem jest kompensacyjny przetwornik A/C. Jest to przetwornik
8-bitowy, o zakresie napięć wejściowych 0-3 V. Może pracować zarówno w trybie kompensacji
równomiernej, jak i kompensacji wagowej. Do taktowania przetwornika wykorzystać można zegar
wewnętrzny lub zewnętrzny; dla dokładnego zaobserwowania zmian stanu przetwornik może być
taktowany ręcznie za pomocą przycisku na obudowie.
3.1 Kompensacja wagowa ze sterowaniem ręcznym
1) Do wejścia przetwornika należy podłączyć napięcie z zasilacza regulowanego, a sygnały z układu
próbkująco-pamiętającego (Upp) i przetwornika C/A (Ux) podać na kanały wejścowe oscyloskopu. Przed
włączeniem zasilacza ustawić zakres 0-5 V i napięcie 0 V. Dla zapewnienia synchronizacji do wejścia
wyzwalania zewnętrznego oscyloskopu należy podłączyć sygnał z wyjścia SYNC przetwornika, a
oscyloskop ustawić w tryb wyzwalania normalnego synchronizowanego sygnałem zewnętrznym
(przycisk Menu z sekcji TRIGGER, następnie SWEEP NORMAL oraz SOURCE EXT). Schemat połączeń
układu przedstawia rysunek 5.
BNC
SYNC
Zasilacz Przetwornik
BNC
DC kompensacyjny
OSC
Ux U
pp
CH1 CH2 EXT
BNC
BNC
Rysunek 5 Układ do obserwacji sygnałów w przetworniku kompensacyjnym
2) Przetwornik przełączyć w tryb taktowania ręcznego (przycisk STEROWANIE R
CZNE zaświecony), włączyć
kompensację wagową (przycisk KOMPENSACJA WAGOWA zaświecony). W tym trybie kolejne kroki cyklu
kompensacji realizowane są za pomocą przycisku KROK.
3) W zasilaczu nastawić dowolne napięcie wejściowe w zakresie 0-3 V (można posłużyć się multimetrem).
Taktując pracę przetwornika przyciskiem KROK obserwować zapalanie i gaszenie poszczególnych diod
kodu binarnego. Eksperyment powtórzyć dla kilku napięć wejściowych. Policzyć ilość kroków potrzebną
do przeprowadzenia całego pomiaru. Od czego zależy ilość kroków kompensacji?
3.2 Kompensacja wagowa ze sterowaniem generatorem wewnętrznym
4) Przetwornik przełączyć w tryb pracy z generatorem wewnętrznym (zgaszone przyciski STEROWANIE
R
CZNE i GENERATOR ZEWN
TRZNY, zaświecony KOMPENSACJA WAGOWA). W tym trybie cykl
kompensacji realizowany jest automatycznie.
5) Prześledzić przebieg cyklu kompensacji i zmiany w nim zachodzące dla różnych wartości napięcia
wejściowego z zakresu 0-3 V. Wyznaczyć czas porównania pojedynczego bitu, czas trwania całego cyklu
kompensacji oraz okres powtarzania cyklu kompensacji. Jeden, wybrany przebieg przerysować do
sprawozdania i oznaczyć poszczególne etapy. Czy czas trwania cyklu kompensacji zależy od napięcia
wejściowego? Który z wyznaczonych czasów jest okresem próbkowania przetwornika?
str. 6
3.3 Kompensacja równomierna z generatorem wewnętrznym
8) Wyłączyć taktowanie ręczne i kompensację wagową, włączyć generator wewnętrzny (zgaszone przyciski
STEROWANIE R
CZNE, GENERATOR ZEWN
TRZNY i KOMPENSACJA WAGOWA).
9) Dla kilku różnych wartości napięcia wejściowego z zakresu 0-3 V wyznaczyć czas trwania pojedynczego
cyklu kompensacji Tk. Regulując czułość oscyloskopu i położenie obrazu na ekranie, doprowadzić do
pokazania na ekranie czytelnego przebiegu schodkowego napięcia Ux. Wyznaczyć wartość pojedynczego
kwantu i czas trwania porównania pojedynczej wartości Tq. Wyznaczyć też okres powtarzania
kompensacji Tp. Wyniki zestawić w tabeli 4. Jak czas trwania kompensacji zależy od wartości napięcia
wejściowego? Czy czas porównania pojedynczej wartości różni się od czasu porównania dla kompensacji
wagowej? W którym trybie  z kompensacją wagową czy równomierną cykle kompensacji mogą być
wykonywane częściej?
str. 7
4. Obserwacja przebiegów w wybranych punktach przetwornika A/C z dwukrotnym całkowaniem.
W ćwiczeniu wykorzystywany jest woltomierz tablicowy V-628 w obudowie z wyprowadzonymi sygnałami
wewnętrznymi. Przyrząd jest zasilany napięciem 230 V. Wyłącznik znajduje się z tyłu obudowy.
1) Sygnał napięcia na kondensatorze całkującym przetwornika (wyjście 3) podłączyć do wejścia CH1
oscyloskopu, a sygnał sterowania kluczem napięcia odniesienia (wyjście 2)  do wejścia CH2. Sygnał
sterowania kluczem posłuży do synchronizowania oscyloskopu. Napięcie wejściowe dla przetwornika
dostarcza zasilacz regulowany. Należy ustawić na nim zakres 0-5 V i napięcie 0 V. Wartość ustawionego
napięcia można odczytywać z wyświetlacza badanego przetwornika.
OSC
CH1 CH2 EXT
3 BNC
Zasilacz Przetwornik
BNC
DC całkujący
2
Rysunek 6 Schemat układu do obserwacji napięcia całkowania w przetworniku z dwukrotnym całkowaniem.
2) W oscyloskopie ustawić odchylanie poziome 5 ms/dz. Oscyloskop ustawić w tryb synchronizacji sygnałem
w kanale 2 (przysisk Menu z grupy TRIGGER, a następnie SOURCE CH2, SWEEP NORMAL). W kanale
2 ustawić wzmocnienie 5 V/dz i pokrętłem LEVEL z sekcji TRIGGER ustawić poziom wyzwalania na około
połowę amplitudy sygnału. W kanale 1 ustawić wzmocnienie 200 mV/dz.
3) Dla trzech różnych, niezerowych i nieprzekraczających zakresu przetwornika napięć przerysować
przebiegi z ekranu oscyloskopu do sprawozdania. Parametry zaobserwowanych przebiegów wprowadzić
do tabeli 6 w sprawozdaniu, posługując się rysunkiem 7 jako przykładem. Określić zależność
poszczególnych parametrów przebiegu od napięcia wejściowego. Której w tych wartości odpowiada
wynik przetwarzania, prezentowany na wyświetlaczu przetwornika?
Um
T1 T2
Rysunek 7 Parametry przebiegu napięcia całkowania w przetworniku z dwukrotnym całkowaniem.
str. 8
5. Badanie odporności na zakłócenia o różnych częstotliwościach multimetru z całkującym
przetwornikiem A/C.
1) Podłączyć multimetr Rigol DM3501 do wyjścia 1 generatora funkcyjnego Rigol DG1022.
2) Na generatorze ustawić napięcie sinusoidalne o amplitudzie 1 V oraz składową stałą 2 V (przycisk Sine,
następnie zakładka Ampl i wpisać 1 V oraz zakładka Offset i wpisać 2 V). Multimetr ustawić w tryb
pomiaru napięcia stałego (DCV). Włączyć wyjście generatora. Uwaga: w tym punkcie ćwiczenia składową
stałą generatora traktujemy jako wartość mierzoną, a napięcie zmienne symuluje zakłócenie.
3) W multimetrze włączyć funkcje statystyczne  przyciskMath , następnie zakładka Stats ALL i po
powrocie do głównego menu operacji matematycznych opcja ON. Zerowanie wyliczonych wartości
statystycznych (potrzebne w następnym punkcie) przeprowadza się przez wyłączenie i włączenie funkcji
matematycznych z menu udostępnianego przez przycisk Math .
4) Ustawić częstotliwość składowej sinusoidalnej napięcia generatora na 20 Hz (zakładka Freq i wpisać z
klawiatury). Wyzerować wartości statystyczne wyliczone przez multimetr. Odczekać do wykonania co
najmniej 30 pomiarów (warość wyświetlana na ekranie jako Total). Wartość minimalną i maksymalną
wpisać do tabeli 7 w sprawozdaniu. Uwaga: należy notować wszystkie cyfry wyniku. Procedurę
powtórzyć dla częstotliwości zwiększanych co 10 Hz aż do 120 Hz.
5) Na podstawie wyników zanotowanych w tabeli 7 wyznaczyć rozrzuty napięć dla poszczególnych
częstotliwości. Wartości przedstawić graficznie w formie wykresu. Dla jakich częstotliwości występuje
maksymalne tłumienie zakłóceń (najmniejszy rozrzut wyników)? Z jakiego powodu konstruktor przyrządu
wybrał te częstotliwości?
str. 9