21.10.98r.
wydział: Elektronika
kierunek: Elektronika i Telekomunikacja, rok II
nr indeksu:
term. zajęć: śr/n 1415
grupa:
PRZETWORNIKI CYFROWO ANALOGOWE; POMIARY WŁAŚCIWOŚCI;
APLIKACJE POMIAROWE
Celem ćwiczenia jest przedstawienie istoty pracy przetwornika C/A, źródeł błędów przetwarzania, sposobu definiowania i pomiaru parametrów przetworników C/A oraz zaprezentowania przykładowych zastosowań przetworników.
Dane techniczne użytych przyrządów:
- Multimetr cyfrowy V563: błąd pomiaru: ±(0,02% Uzm + 0,005% Uz)
gdzie Uzm - wartość zmierzona Uz - wartość podzakresu
zakresy: 100mV, 1V, 10V, 100V, 1000V
rezystancja wejściowa
na podzakresach 100mV, 1V i 10V >1GW
- Komputer z programem POLLAB
- Makieta z przetwornikiem C/A: Unom = 5,12 - 0,01•(A9•29 +...+ A1•21 + A0•20) V
rozdzielczość(ziarno): 0,01V ,
zakres przetwarzania: 5,12÷-5,11
Pomiar dokładności przetwarzania przetwornika zainstalowanego w makiecie.
Metoda wyznaczenia błędu przetwarzania wynika ze sposobu tworzenia napięcia wyjściowego, które jest sumą napięć przyporządkowanych aktywnym bitom nastawy (Ai=1). Ustawiając tylko jedno wejście cyfrowe w stan 1, co odpowiada tylko jednej jedynce w słowie nastawy, można określić rozbieżność między realną a nominalną wartością napięcia wyjściowego. W ten sposób wyznacza się błędy poszczególnych wejść cyfrowych. Zakładając, że błąd globalny
- 2 -
jest sumą błędów uaktywnionych wejść (wejście w stanie 1), możemy jego wartość obliczyć dla dowolnej nastawy.
Czyli zależność analityczna pozwalająca na obliczenie dokładności przetwornika dla dowolnej nastawy jest następująca:
DUnom = A9•(UzmA9-UnomA9) +...+ A1•(UzmA1-UnomA1) + A0•(UzmA0-UnomA0) V
z tym, że gdy nie jest aktywny żaden z bitów nastawy można przyjąć:
DUnom = Uzm-Unom [V]
gdzie Uzm- napięcie zmierzone dla nastawy 00000000, Unom - napięcie nominalne (oczekiwane) dla nastawy 00000000 czyli 5,12 V
Wyniki pomiarów dla nastawy ustawianej ręcznie na makiecie:
gdzie Uzm- napięcie zmierzone na wyjściu makiety za pomocą multimetru cyfrowego V563
DUzm- błąd pomiaru napięcia na wyjściu makiety Unom - napięcie nominalne (oczekiwane) przetwornika C/A. Uzm-Unom - różnica między napięciem zmierzonym a nominalnym na wyjściu makiety.
Jak widać powyżej różnica pomiędzy napięciem zmierzonym a nominalnym (oczekiwanym) jest znaczna z wyjątkiem nastawy A5 ( czego nie obserwuje się gdy źródłem nastawy jest komputer) co świadczy o złym działaniu makiety w trybie nastawy ręcznej (najprawdopodobniej przyczyną jest zepsuty przycisk A5, co potwierdzają wyniki).
Wobec powyższego z wyników dla nastawy ręcznej nie będę korzystał.
- 3 -
Wyniki pomiarów dla nastawy ustawianej poprzez komputer:
gdzie Uzm- napięcie zmierzone na wyjściu makiety za pomocą multimetru cyfrowego V563
DUzm- błąd pomiaru napięcia na wyjściu makiety Unom - napięcie nominalne (oczekiwane) przetwornika C/A. Uzm-Unom - różnica między napięciem zmierzonym a nominalnym na wyjściu makiety.
Ekstremalna różnica między napięciem wyjściowym a napięciem nominalnym wynosi:
DUnom = (UzmA9-UnomA9) +...+ (UzmA1-UnomA1) + (UzmA0-UnomA0) =
= - 0,002 - 0,002 - 0,002 - 0,002 - 0,002 - 0,002 - 0,001 - 0,001 - 0,001 = - 0,015 V
Empiryczne wyznaczenie dokładności przetwornika dla kilku nastaw przetwornika.
Wyniki pomiarów.
gdzie Uzm- napięcie zmierzone na wyjściu makiety za pomocą multimetru cyfrowego V563
DUzm- błąd pomiaru napięcia na wyjściu makiety Unom - napięcie nominalne (oczekiwane) przetwornika C/A, DUnom - obliczona dokładność napięcia dla danej nastawy Uzm-Unom - różnica między napięciem zmierzonym a nominalnym na wyjściu makiety.
Pomiar wpływu zmian napięcia zasilania na dokładność przetwornika
Wyniki pomiaru wpływu zmian napięcia zasilania na dokładność przetwornika znajdują się na następnej stronie (nr 4).
- 5 -
Kompensacyjny przetwornik A/C
Typowym przykładem zastosowania przetwornika C/A jest wykorzystanie go jako elementu struktury kompensacyjnego przetwornika analogowo-cyfrowego (patrz rys. powyżej). Wartość napięcia z zasilacza porównywana jest w trakcie 10 komparacji elementarnych z napięciem przetwornika C/A. Wynik jest odczytywany przez komputer, który steruje procesem równoważenia napięcia wejściowego. Proces ten prowadzi do wytworzenia takiego napięcia kompensującego aby różniło się od napięcia zasilacza nie więcej niż o ziarno przetwornika C/A (w tym wypadku 0,01V).
Wyniki pomiarów:
gdzie Uzm- napięcie zmierzone na wyjściu makiety za pomocą multimetru cyfrowego V563
DUzm- błąd pomiaru napięcia na wyjściu makiety Ukom - napięcie wskazane przez komputer, Ukom-Uzm - różnica między napięciem wskazanym przez komputer a zmierzonym na wyjściu makiety.
- 6 -
Przykładowe obliczenia:
- napięcie nominalne (oczekiwane) (Unom)
Unom = 5,12 - 0,01•(A9•29 +...+ A1•21 + A0•20) V
np.:
Unom (1010101010)= 5,12 - 0,01•(1•29 + 1•27 + 1•25 + 1•23 + 1•21)= -1,70 V
- obliczona dokładność napięcia dla danej nastawy (DUnom )
DUnom = A9•(UzmA9-UnomA9) +...+ A1•(UzmA1-UnomA1) + A0•(UzmA0-UnomA0) V
np.:
DUnom (1010101010) = -0,001-0,002-0,002-0,002=-0,007 V
- błąd pomiaru napięcia na wyjściu makiety (DUzm)
DUzm=±(0,02% Uzm + 0,005% Uz) V gdzie Uzm - wartość zmierzona Uz - wartość podzakresu
np.:
Uzm =-5,0124V Uz=10V
DUzm=±(0,0002*(-5,0124) + 0,00005*(-10))= ±0,0015 V
- różnica między napięciem zmierzonym a nominalnym na wyjściu makiety (Uzm-Unom)
np.: Uzm (0000000000)=5,1184V Unom(0000000000)=5,12V
Uzm-Unom =5,1184 - 5,12=-0,002 V
Wnioski
Pomiar dokładności przetwarzania przetwornika zainstalowanego w makiecie.
Jak widać w tabeli z pomiarami różnica między napięciem zmierzonym a nominalnym na wyjściu makiety jest niewiele większa od błędu pomiaru tego napięcia przez woltomierz co dobrze świadczy o dokładności przetwornika C/A.
Empiryczne wyznaczenie dokładności przetwornika dla kilku nastaw przetwornika.
Jak wykazały wyniki pomiarów obliczona dokładność przetwornika (DUnom) z zależności analitycznej dla danej nastawy daje wynik kilka razy większa od zmierzonej dokładności przetwornika dla dowolnej nastawy w poprzednim punkcie ćwiczenia.
Dzieje się tak dlatego, że przy wyznaczaniu zależności analitycznej dokładności przetwornika dla danej nastawy użyłem różnic między napięciem zmierzonym a nominalnym na poziomie błędu pomiaru tego napięcia. Gdyby pomiar był dokładniejszy różnice napięć przy poszczególnych bitach mogły być mniejsze co spowodowałoby zmniejszenie DUnom.
- 7 -
Pomiar wpływu zmian napięcia zasilania na dokładność przetwornika
Z otrzymanych wyników można wywnioskować, że dokładność woltomierza cyfrowego V563 na zakresach 10V i 1V jest za mała, ponieważ poszczególne różnice między napięciem zmierzonym i nominalnym są w granicach błędu pomiaru tego woltomierza.
Dopiero przy pomiarach napięć do 100mV (czyli zakres 100mV) dokładność pomiaru jest na tyle duża aby zauważyć, różnica między napięciem zmierzonym a nominalnym czyli dokładność przetwornika zależy od napięcia zasilającego. Jeżeli napięcie +12 V obniżymy o 10% i -12V obniżymy o 10% to napięcie na wyjściu przetwornika nieznacznie wzrośnie, a jeżeli napięcie +12 V podniesiemy o 10% i -12V podniesiemy o 10% to napięcie na wyjściu przetwornika nieznacznie spadnie.
Kompensacyjny przetwornik A/C
Pomiar napięcia z użyciem kompensacyjnego przetwornika A/C jak wykazały pomiary okazał się bardziej niedokładny niż zakładała teoria (maksymalna różnica między napięciem wskazanym przez komputer a podanym z zasilacza (zmierzonym multimetrem V563) nie powinna wynosić więcej niż jedno ziarno przetwornika C/A(w tym wypadku 0,01V)). Różnica ta wynosiła czasami aż trzy ziarna.