Laboratorium miernictwa cyfrowego.	Badanie przetworników C/A typu DAC-08.	Data: 26.XI.1996
Autorzy : (kier.informatyka)	Alina Twardochleb Michał Wabiński

Celem ćwiczenia jest :

- wyznaczanie charakterystyk Uwy =f(n) , gdzie n - słowo cyfrowe

- określenie parametrów statycznych i dynamicznych przetwornika c/a.

Przetwornik cyfrowo - analogowy DAC 08 jest 8-mio bitowym monolitycznym układem scalonym o dużej szybkości działania . Może współpracować z układami cyfrowymi wykonywanymi w różnych technologiach .

1. Wyznaczanie charakterystyki przetwornika i jego parametrów statycznych.

a) schamat pomiarowy

Podając na wejście kombinacje zer i jedynek odczytywałyśmy z woltomierza kolejne wartości Uwy. Na podstawie otrzymanych wyników sporządziłyśmy charakterystykę przetwarzania przetwornika DAC 08.

Rys.2 . Charakterystyka przetwarzania - rzeczywista .

Parametry statyczne :

• rozdzielczość - określona jest liczbą bitów (n) słowa wejściowego, wyraża się następującym wzorem:

Dla 8 - bitowego przetwornika c/a i E0 = 5V oraz dla Uwy = 10.20V (wszystkie bity mają wartość 1) rozdzielczość bezwzględna wynosi:

/bit

rozdzielczość względna równa się:

• dokładność bezwzględna - największa różnica między przewidywaną a mierzoną wartością napięcia wyjściowego dla danej wartości wejściowego słowa cyfrowego, odniesiona do napięcia pełnego zakresu przetwarzania wyrażona w procentach.

• Błąd wzmocnienia - mamy z nim do czynienia gdy charaktrystyka przejściowa przetwornika ma nachylenie różne od charakterystyki idealnej. Jest on definiowany jak procentowe odstępstwo od zakresu nominalnego .

• Błąd przesunięcia zera - różnica między napięciem wyjściowym dla minimalnej wartości wejściowego słowa cyfrowego i napięciem "zera" rzeczywistego. Mamy więc z nim do czynienia , gdy charakterystyka rzeczywista jest przesunięta w górę w stosunku do charakterystyki idealnej . (w naszym przypadku jest bliski zera)

Błędy przesunięcia zera i wzmocnienia można obliczyć aproksymując za pomocą prostej rzeczywistą charakterystykę prostej . Wtedy to z równania y=ax+b możemy odczytać szukane błędy .

W naszym przypadku po aproksymacji rzeczywistej charakterystyki przetwarzania otrzymaliśmy :

a = 0,04

b = -0,00076171 [V] - wzmocnienie

• Błąd skalowania - odchylenie napięcia wyjściowego od wartości przewidywanej dla maksymalnej wartości wejściowego słowa cyfrowego.

W naszym przypadku błąd skalowania jest w przybliżeniu równy zeru .

• Nieliniowość całkowa - maksymalne odchylenie rzeczywistej charakterystyki od linii prostej, powstałej z połączenia punktów krańcowego zakresu przetwarzania (zero i U0max) . Ma on różne przyczyny i jest najważniejszym błędem , ponieważ nie można go skorygować .

• Nieliniowość różniczkowa - odchylenie wartości rzeczywistej przedziału kwantowania ( różnica między dwiema wartościami napięcia wyjściowego odpowiadającym dwóm sąsiednim wartościom cyfrowego słowa wejściowego ) od wartości idealnej przedziału kwantowania .

Z charakterystyki wyznaczonej widać , że nie ma błędu nieliniowości całkowej i różniczkowej.

Wyznaczanie parametrów dynamicznych przetwornika.

Rys.3. Układ pomiarowy do wyznaczania czasu przetwarzania przetwornika C/A.

Badano zachowanie się przetwornika przy różnych częstotliwościach przetwarzania. Oscyloskop wykreślał czasowe przebiegi napięcia wejściowego i wyjściowego. W dużym przybliżeniu miały one poniższy kształt :

Parametry dynamiczne

• Maksymalna częstotliwość przetwarzania - maksymalna częstotliwość sygnału wejściowego, przy której przetwornik zachowuje swe parametry statyczne. W naszym przypadku wynosi ona 26kHz. Pomiaru dokonano przy słowie cyfrowym : 11111111. Częstotliwość graniczna wzrasta gdy ustawimy mniejszą liczbę bitów słowa.

• Czas ustalania - czas, po którym napięcie wyjściowe ustali się wewnątrz zakresu odpowiadającego
  1/2LSB, przy maksymalnej zmianie wartości wejściowego słowa cyfrowego:

t₁ = 4 [μs] przy częst. f=40kHz i słowie 10000000

t₁ = 0,6[μs] przy częst. f=40kHz i słowie 00001000

1. Do czasu ustalania włącza się na ogół opóźnienie propagacyjne odpowiedzi przetwornika. Czas ten został zmierzony dla częstotliwości 71[kHz] i wyniósł ok. 1,3[us]

Wnioski

Patrząc na wykres charakterystyki rzeczywistej przetwornika c/a widać, że jest ona liniowa. Tangens konta nachylenia wynosi to a=0,04. Z charakterystyki wyznaczonej widać, że błędy nieliniowości całkowej i różniczkowej nie przekraczają wartości granicznych. Nieliniowość całkowa często utożsamiana jest z dokładnością względną przetwornika c/a.

Wyznaczając kolejne parametry statyczne widać, że charakterystyka obarczona jest dość małym błędem skalowania (wzmocnienia). Gdyby błąd skalowania był duży to mógłby być spowodowany efektami termicznymi w poszczególnych częściach przetwornika c/a (np: źródle napięcia odniesienia, sieci rezystorowej, przełącznikach analogowych bądź operacyjnym wzmacniaczu wyjściowym). Taki błąd można skorygować poprzez regulację wzmocnienia wzmacniacza wyjściowego, napięcia lub prądu odniesienia. Błąd skalowania ma wpływ na istnienie błędu dokładności bezwzględnej. Charakterystyka nie została obarczona błędem przesunięcia zera.

Przy wyznaczaniu czasu ustalania się odpowiedzi łatwo zauważyć , że dla słowa cyfrowego 00001000 (8)10 czas ten był najmniejszy, natomiast dla słowa cyfrowego 10000000 był on największy (i wzrastał jeśli ustawiło się więcej bitów).

Częstotliwość graniczna, przy której można było jeszcze odczytać z oscyloskopu czas ustalania się odpowiedzi zależy od wysterowania bitów w słowie cyfrowym . Dla LSB fg jest największa, natomiast przy wysterowaniu wszystkich bitów jest najmniejsza . Powyżej tej granicy na wyjściu powstają zakłócenia, przetwornik przestaje prawidłowo pracować.

Jakość przetwornika zależy nie tylko od czasu przetwarzania lecz w decydującym stopniu od jego błędów. Ze względu na bardzo różne zasady przetwarzania podawane przez producentów błędy przetwarzania są często w różny sposób określane. Najczęściej jest podawany (ze względów reklamowych) najmniejszy osiągany błąd. Podane odrębnie błędy dodatkowe mogą często wielokrotnie przekraczać wspomniany błąd minimalny.

---