PRZETWORNIKI A/C bezpośrednie i pośrednie

PRZETWORNIK A/C - bezpośredni

Sygnał wejściowy - napięcie ( prąd)

Sygnał wyjściowy- słowo cyfrowe o określonym kodzie

W bezpośrednim przetworniku A/C napięcie (wielkość analogowa A) realizowana jest kompensacyjna metoda pomiaru napięcia.

Regulowane wzorcowe napięcie, z którym porównywane jest napięcie mierzone (napięcie wejściowe przetwornika A/C), stanowi sygnał wyjściowy z przetwornika C/A. Różnica napięć podawana jest na wejście komparatora dwustanowego. Sygnał wyjściowy z komparatora (0 lub 1)poprzez układ sterujący decyduje o wartości słowa wejściowego przetwornika C/A

Czas pomiaru zależy od :

• parametrów dynamicznych przetwornika C/A ,

• czasu pracy komparatora,

• algorytmu komparacji (sposobu regulacji napięcia wyjściowego przetwornika C/A - algorytm „równomierny”, binarny, dziesiętny, śledzący).

Omówiony przetwornik pracuje w trybie "szeregowym " - napięcie mierzone (wejściowy sygnał napięciowy) jest porównywany według określonego algorytmu z kolejnymi wartościami napięcia wyjściowego przetwornika C/A.

Który algorytm komparacji najszybszy? ,

Czas pomiaru przy zastosowaniu jakiego algorytmu komparacji nie zależy od wartości przetwarzanej-mierzonej?

Szybsze przetworniki to przetworniki "równoległe" (fleszowe).

Te przetworniki A/C bazują na wielowyjściowym przetworniku C/A. (liczba wyjść odpowiada liczbie bitów przetwornika). Napięcie wejściowe przetwornika A/C jest porównywane równocześnie z napięciami wielowyjściowego źródła napięcia. Jednorazowe porównanie sygnału wejściowego z wieloma napięciami wymaga dużej liczby komparatorów (2ⁿ-1). (Ośmiobitowy przetwornik A/C wymaga 255 komparatorów).

CHARAKTERYSTYKA PRZETWORNIKA A/C

Przetworniki unipolarne i bipolarne.

Czy idealny przetwornik A/C przetwarza wielkość wejściowa bez błędu?

Charakterystyka idealnego , unipolarnego przetwornika A/C i wykres błędu odtworzenia napięcia wejściowego przez przetwornik A/C o rozdzielczości LSB (Q,q).

Wykres rozkładu prawdopodobieństwa błędu przetwarzania w przetworniku A/C

Przesunięta charakterystyka idealnego unipolarnego przetwornika A/C i wykres błędu odtworzenia napięcia wejściowego przez przetwornik A/C o rozdzielczości LSB (Q,q).

Wykres rozkładu prawdopodobieństwa błędu przetwarzania w przetworniku A/C z przesuniętą charakterystyką.

W przetwornikach A/C nie da się uniknąć błędu kwantowania. Jaki charakter ma błąd kwantowania?

PRZETWORNIKI A/C - parametry

Zakres przetwarzanych napięć

• najczęściej unipolarne 5V, 10V;

• bipolarne ± 5V, ±10V

(rzeczywisty zakres przetwarzania mniejszy o LSB)

Rozdzielczość:

• liczba bitów n,

• lub rozdzielczość względna 1/2ⁿ

Dynamika przetwornika - 20log2ⁿ

^{liczba bitów rozdzielczość dynamika}

n 1/2ⁿ 20log2ⁿ

10 ∼0,1% ∼60dB

11 ∼0,05% ∼66dB

12 ∼0,025% ∼72dB

13 ∼0,0125 ∼78dB

14 ∼0,006% ∼84dB

15 ∼0,003% ∼90dB

16 ∼0,0015% ∼96dB

Błąd przetwarzania - w idealnym przetworniku ±0,5LSB (Q) lub -LSB (Q) (zależnie od usytuowania charakterystyki względem zera)

Rzeczywisty błąd przetwarzania - błąd idealnego przetwornika + błąd zera + błąd wzmocnienia, (na ogół możliwa układowa minimalizacja błędu zera i błędu wzmocnienia) + błąd nieliniowości .

Często podawany błąd względny - definiowany jako błąd graniczny bezwzględny odniesiony do zakresu przetwarzania.

Błąd graniczny bezwzględny ΔU_ac=U_rzeczywiste- U_zdefiniowane

Np. W 12 bitowym przetworniku o zakresie 10 V stwierdzono, że największa różnica między U_rzeczywiste- U_zdefiniowane występuje dla słowa wejściowego 1000000000. Słowo to pojawia się dla napięcia na wejściowego w granicach 4.997- 4,999V zamiast dla U_zdefiniowane . (ile wynosi w tym przypadku U_zdefiniowane ?)

Czyli Δ_acmax=4,997-5=3mV a δ_AC=3mV/10V= 0,03%.

(Niektórzy producenci

Przyjmują, że U_rzeczywiste- odpowiada średniej wartości napięcia powodującego zmianę słowa wejściowego

U _rzeczywiste= (4,999V +4,997)/2=4,998V

Czyli Δ_ac=4,998-5=2mV a δ_AC=2mV/10V= 0,02%.)

Maksymalna szybkość (częstotliwość) próbkowania (np. 1000000 próbek/s - 1MS/s) wskazuje co jaki czas (dla przykładu co 1μs) możemy wykonywać kolejne przetworzenie napięcia na cyfrę.

Często różna dokładność przetwarzania dla różnej szybkości

Przykład - 16 bitowy przetwornik

Dokładność :

- 0,0015% - czas przetwarzania 40μs (25kS/s),

- 0,003% - czas przetwarzania 20μs (50kS/s)

(0,003% odpowiada rozdzielczości przetwornika 15bitowego),

- 0,006% - czas przetwarzania 10μs (100kS/s)

(0,006% odpowiada rozdzielczości przetwornika 14bitowego)

Możliwość wyznaczenia wartości chwilowych sygnału zmieniającego się w czasie za pomocą przetwornika A/C .

Szybkość przetwornika (parametry dynamiczne) decyduje o odstępach między kolejnymi wartościami chwilowymi (próbkami), a wartość kwantu przetwornika (rozdzielczość przetwornika) o dokładności odtworzenia wartości chwilowej (błędzie kwantyzacji).

Aby uniknąć zmiany sygnału w czasie przetwarzania stosowane często układy próbkująco - pamiętające (S-H Sample Hold).

(układ próbkujący pozwala na chwilowe dołączenie mierzonego sygnału do układu pamiętającego , który go w postaci napięcia na kondensatorze przez czas potrzebny na przetworzenie sygnału w przetworniku A/C).

Parametry układu S-H:

• czas przyjęcia próbki,

• spadek napięcia na kondensatorze w jednostce czasu przy rozwartym kluczu,

• przenikanie wartości sygnału wejściowego na wyjście przy rozwartym kluczu.

Przetwornik A/C bezpośredni pozwala na wyznaczenie wartości chwilowej napięcia.

PRZETWORNIKI A/C - pośrednie

Przetwarzają wielkość wejściową ( prawie zawsze napięcie) na odcinek czasu (najczęściej) lub częstotliwość. Czas i częstotliwość mierzone są cyfrowo.

Do przetworzenia U/T stosowany układ całkujący (układ RC)

Q- ładunek na kondensatorze

RC ma wymiar czasu

Napięcie na kondensatorze po czasie t odpowiada wartości średniej napięcia wejściowego u(t)_x za czas t

Jeśli napięcie wejściowe U_x jest stałe w czasie to jego wartość średnia odpowiada wartości U_x

U_c = U_x

Dla poprawienia parametrów układu RC włącza się układ RC w obwód sprzężenia wzmacniacza i uzyskuje tzw INTEGRATOR stosowany np. w przetwornikach A/C metodą podwójnego całkowania (w przetwornikach integracyjnych).

Napięcie mierzone dołączone jest na wejście układu całkującego przez czas T_P.

Po tym czasie (określanym często przez przepełnienie licznika miernika czasu) napięcie na kondensatorze wynosi

a napięcie mierzone zostaje odłączone od układu integratora a na jego wejście dołączone zostaje napięcia wzorcowe o przeciwnej polaryzacji i kondensator jest rozładowywany napięciem wzorcowym. Napięcie to pozostaje dołączone do wejścia do momentu, aż napięcie na kondensatorze osiągnie wartość zero

czas, po którym
wynosi T_X.

Na kondensator podano więc napięcie o wartości średniej

po czasie T_X

czyli
= 0

stąd
,

ponieważ T_p= N_maxT_w T_x= N_xT_w

to

Czas ładowania kondensatora napięciem mierzonym

T_p= N_maxT_w nazywany jest czasem pomiaru i jest podawany jako parametr przetwornika.

Czy dokładność R, C , częstotliwości wpływa istotnie na błąd przetwarzania?

Jak dobrać wartość T_p?

Przetworniki A/C integracyjne ( całkujące, uśredniające za czas pomiaru) . Aby uśredniały zakłócenia o częstotliwości sieci czas pomiaru powinien być wielokrotnością okresu zakłóceń (okres zakłóceń 20ms)

Wszystkie przetworniki A/C całkujące niezależnie czy są przetwornikami z całkowaniem pojedynczym ( przetworniki napięcia na częstotliwość), podwójnym czy potrójnym uśredniają wartość mierzonego napięcia.

Zadanie

Narysować przebieg napięcia na integratorze (kondensatorze) przetwornika z całkowaniem podwójnym dla dwu wartości sygnału mierzonego U1>U2

PRZYRZĄD ANALOGOWY JAKO PRZETWORNIK

Przyrząd analogowy - miernik , którego wskazania są funkcją ciągła wartości wielkości mierzonej.

X X/α α

X X/Mn α Mz

Mn - moment napędowy powstaje w ustroju pomiarowym

Zjawisko fizyczne wykorzystane do przetworzenia wielkości mierzonej na moment napędowy źródłem podziału na poszczególne typy - przyrząd (ustrój, przetwornik) magnetoelektryczny, elektromagnetyczny..

Gdyby moment napędowy był jedynym momentem działającym na organ ruchomy poruszałby się on ruchem jednostajnie przyśpieszonym do napotkania oporu.

α- odchylenie organu ruchomego ustroju pomiarowego ; organ ruchomy połączony ze sprężyną i wskazówką,

Mz- moment zwrotny (zwracający)- źródłem sprężyna

Mn

Mn₂=f(x₂)

Mn₁=f(x₁)

α₁ α₂

W stanie ustalonym

Mn=Mz

W przyrządzie porównywane są momenty - wzorzec mechaniczny

Mn=f(x) Mz=k_sα

f(x)= k_sα

jeśli f(x)= a*x to a*x= k_sα

α =k*x k=a/k_s

jeśli f(x)= a*x² to a*x³= k_sα

α =k*x² k=a/k_s

W chwili dołączenia wielkości mierzonej do przetwornika (ustroju) nie ma równości momentów.

Mn ≠ Mz

Ustrój w ruchu - ruch tłumiony

Równanie ruchu

Mn =Mz+Mt+Mb

Mt- moment tłumienia Mt=P*dα/dt

Mb- moment bezwładności Mb= J*d²α/dt²

W stanie nieustalonym ruch wskazówki połączonej z ustrojem pomiarowym zależy od stopnia tłumienia P i współczynnika bezwładności J, decydują one o częstotliwości drgań własnych ustroju ω₀

O parametrach dynamicznych (wartości ω₀) decyduje konstruktor przyrządu - użytkownik ponosi tylko skutki ponieważ parametry te decydują o czasie ustalania się wskazań przyrządu oraz zachowaniu się przyrządu gdy wielkość wejściowa jest funkcją czasu.

x(t)=X sin ω t ω = 2π f

dla f < 0,5f₀ wskazówka wiernie odtwarza zmiany w czasie wielkości mierzonej

Mn(t)=k α(t)

dla f >0,5 f₀ oraz f< kilku f₀ duże błędy amplitudowe

dla f> kilku f₀ - moment napędowy uśredniony

Mn_śr= 1/T ∫Mn(t)dt 1/T=f

Zasada przetwarzania w przyrządach ( przetwornikach): magnetoelektrycznym, elektromagnetycznym i elektrodynamicznym opisana w podanej literaturze ( zapoznać się we własnym zakresie)

Wykład 7/IF 2

---