PRZETWORNIKI POMIAROWE - parametry cd

PARAMETRY DYNAMICZNE -

opisują zachowanie się przetwornika jeśli wielkość wejściowa zmienia się w czasie.

POMIARY DYNAMICZNE - pomiar zmian wielkości w czasie,

POMIARY STATYCZNE - mierzona wartość wielkości nie zmienia się w czasie pomiaru, co nie oznacza ograniczenia się do pomiarów wielkości stałych w czasie, mierzymy np. stałą wartość skuteczną zmiennego sygnału napięciowego.

PARAMETRY DYNAMICZNE PRZETWORNIKÓW MOGĄ BYĆ ŹRÓDŁEM BŁĘDÓW W POMIARACH STATYCZNYCH.

PARAMETRY DYNAMICZNE

Badanie skokiem jednostkowym

Skok jednostkowy

T_0,5- czas połówkowy

T₀- czas odpowiedzi (ustalenia) czas, po którym wartość wielkości wyjściowej różni się od wielkości ustalonej nie

więcej niż ε.

ΔY - tzw przelot

Badanie sygnałem sinusoidalnym

Δy-błąd amplitudowy,

Δφ-błąd fazowy

Charakterystyka amplitudowo-częstotliwościowa ; podaje się tzw dolną częstotliwość (f_d)i górna częstotliwość (f_g)

Δy= A(f_d)-A(f_o) Δy= A(f_g)-A(f_o)

Dopuszczalna zmiana amplitudy sygnału przetworzonego w funkcji częstotliwości określana różnie w zależności od roli przetwornika.

• W przetwornikach pomiarowych najczęściej wymaga się aby w zakresie f_d - f_g amplituda sygnału nie zmieniała się więcej niż o 10% amplitudy określonej dla f_o ;

• W technice regulacji dopuszcza się na ogół większą zmianę amplitudy 10-30%;

• w elektrotechnice określa się tzw pasmo 3dB (20logA_o/A_g=3dB; A_o/A_g~0,7)

PRZETWORNIKI POMIAROWE - klasyfikacja, przykłady

PŁASZCZYZNY PODZIAŁU PRZETWORNIKÓW

• Miejsce w torze pomiarowym -

czujnik, przetwornik dopasowujący.

• Rodzaj przetwarzanej wielkości -

• przetworniki wielkości mechanicznych, elektrycznych, optycznych....

• Rola przetwornika -

• przetwornik wartości, wielkości, sygnału.....

• Postać sygnału wejściowego i wyjściowego -

• przetworniki A/A, A/C, C/A, C/C

Przykłady przetworników

DZIELNIKI NAPIĘCIA - elementy służące do regulacji podzakresów w aparaturze pomiarowej i samodzielne urządzenia stosowane w układach i systemach pomiarowych.

Dzielniki rezystancyjne -„ nisko” i „wysokoomowe” (nazwa od wartości rezystancji wejściowej dzielnika.

U_wyj= U_wej (R_wyj/R_wyj)

U_wyj= U_wej (R₂/R₁+R₂)

U_wyj= U_wej k k- przekładnia dzielnika

(czułość przetwarzania)

Zakres pomiarowy ograniczony mocą rezystorów.

Dokładność wynika z klasy rezystorów. Jeśli dzielnik samodzielnym przyrządem podawana jego klasa (0,0001; 0,0002; 0,0005; 0,001; 0,002; 0,005; 0,01; 0,02. 0.05; 0,1;0,2....

Parametry dynamiczne -wynikają z resztkowych indukcyjności i pojemności rezystorów , z których zbudowany dzielnik. (kompensacja częstotliwościowa)

INDUKCYJNE DZIELNIKI NAPIĘCIA IDN

Kaskadowo połączone autotransformatory odpowiednio wykonane.

Zabiegi technologiczno konstrukcyjne (rdzeń toroidalny z materiału o bardzo dużej przenikalności magnetycznej) zapewniają, że RZEKŁADNIA ZWOJOWA (wynikająca z liczby zwojów) równa się PRZEKŁADNI ELEKTRYCZNEJ czyli stosunkowi napięć z dużą dokładnością (10^-6)

-Impedancja wejściowa U_wej/I_wej nie zależy od nastawy na dzielniku i wynosi kilkadziesiąt kΩ

-Impedancja wyjściowa zależy od nastawy; wynosi kilka Ω.

-pracuje poprawnie w paśmie częstotliwości akustycznych

WZMACNIACZ POMIAROWY

Przetwornik pośredniczący pozwalający na pomiar sygnałów o małej wartości i małej mocy.

Idealny wzmacniacz napięcia

R_wej=∞ R_wyj=0 I_wej=0

Nieograniczone pasmo częstotliwości, bardzo duże wzmocnienie

Wzmacniacz operacyjny

U₁-U₂=0 ⇒ U_wyj=0

Różne funkcje przetwarzania - zależne od pętli sprzężenia

U_wyj=-U_wejR₂/R₁

Rzeczywiste wzmacniacze-

• R_wej kilkadziesiąt kΩ÷10⁹Ω w wykonaniach specjalnych 10¹⁴Ω,

• Pasmo przenoszenia - zakres f dla których wzmacniacz realizuje poprawnie swoją funkcję (wzmacniacze stałoprądowe, szerokopasmowe, selektywne)

• We wzmacniaczach stałoprądowych szczególnie ważne:

• dryf zera krótko i długoterminowy (pojawienie się na wyjściu sygnału przy zwartym wejściu),

• dryf termiczny ( zmiana Uwyj pod wpływem temperatury)

PRZETWORNIKI WIELKOŚCI

Rezystor przetwornikiem prądu na napięcie

Wszystkie przetworniki wielkości nieelektrycznych na wielkości elektryczne np.

OPORNIKI TERMOELEKTRYCZNE - scharakteryzowane w normach

Pt 100

Ni 100 symbol związku chemicznego; wartość

Cu 100 rezystancji dla T= 0⁰ C

TERMOPARA

Dwa przewody z różnych metali. Jeśli końce termopary w różnych temperaturach pojawia się SEMNA TERMOSIŁ STE (napięcie między końcami =STE)

STE zależy od użytych materiałów i różnicy temperatur.

Materiały przewodzące można ustawić w szereg termoelektryczny według rosnących potencjałów.

PRZETWORNIKI SYGNAŁÓW - przekształcają postać sygnału (sygnałów wejściowych)

Np. Komparator napięcia

U_wyj= 0 gdy U₁-U₂ ≤ 0

U_wyj= 1 gdy U₁-U₂ > 0

Przetwornik wartości średniej ( układ prostownika)

W systemach pomiarowych niezbędne przetworniki A/C i C/A

PRZETWORNIKI A/C

(AD; ADC- Analog to Digital Conwerter)

zadaniem przekształcenie wartości wielkości analogowej na równoważną wartość cyfrową.

PRZETWORNIKI C/A

(DA; DAC - Digtal to Analog Conwerter)

pełni funkcje odwrotne na podstawie informacji cyfrowej (sygnału cyfrowego) odtwarza sygnał analogowy.

WIELKOŚĆ ANALOGOWA - WIELKOŚĆ CIĄGŁA

Wielkości analogowe w określonym przedziale wartości mogą przyjmować nieskończenie wiele wartości.

Wielkości fizyczne na ogół są wielkościami ciągłymi - analogowymi.

Każdy pomiar to przetworzenie nieznanej wartości ciągłej na wartość cyfrową, najwygodniej jeśli przyrząd podaje w wyniku wprost wartość cyfrową - (musi wtedy zawierać przetwornik A/C).

Podział przetworników A/C:

• Przetworniki bezpośrednie - przetwarzają wielkość wejściową (najczęściej napięcie , czasem prąd) na wartość liczbową.

• Przetworniki pośrednie - przetwarzają wielkość wejściową (napięcie) na czas lub częstotliwość mierzone cyfrowo.

BEZPOŚREDNIE PRZETWORNIKI A/C i C/A

Zamiana wielkości analogowej na cyfrową wymaga operacji KWANTOWANIA i KODOWANIA

Kwantowanie -

w nieskończonym zbiorze wartości analogowych wyróżnia się skończony zbiór wartości, takich, że każda z tych wartości reprezentuje wszystkie wartości z określonego przedziału.

Kodowanie -

przypisanie słowa kodowego tym wyróżnionym w kwantowaniu wartościom.

Sygnał analogowy - napięcie lub prąd

Sygnał cyfrowy - reprezentowany przez odpowiednie KODY CYFROWE, najczęściej uporządkowany zbiór stanów dwójkowych 0,1.

PRZETWORNIK C/A

wejście cyfrowe sygnał wyjściowy

kod, liczba bitów U lub I

Na wejściu przetwornika - wartość liczbowa reprezentowana przez cyfry w określonym kodzie -słowo kodowe

Kod - najczęściej ułamkowy kod dwójkowy

N =
= a₁2^-1+ a₂2^-2+ a₃2^-3+ …+ a_n2^-n

n - liczba bitów przetwornika (n-bitowy przetwornik)

a₁2^-1- najstarszy bit (MSB- Most Significant Bit)

a_n2^-n- najmłodszy bit (LSB - Last Significant Bit)

gdy wszystkie a_i=1 N_max = 1- 2^-n

sygnał wyjściowy ma wartość, która zależy od źródła napięcia wzorcowego U_FS ( U_REF) wbudowanego w przetwornik i słowa wejściowego N

Uwyj = U_FS N

Uwyj_max = U_FS N_max = U_FS(1- 2^-n)

U_FS/2ⁿ - wartość LSB ⇒Q kwant (q), rozdzielczość przetwornika

1/2ⁿ - rozdzielczość względna przetwornika

Uwyj_max = U_FS- Q

PRZETWORNIK UNIPOLARNY - na wyjściu sygnał dodatni

Charakterystyka przetwornika trzy bitowego unipolarnego

liczba kroków kwantowania 2ⁿ ( 8 )

rozdzielczość względna 1/2ⁿ =1/8=0,125; 12,5%

kwant Q = U_FS / 2ⁿ (U_FS/8)

wartość maksymalna sygnału wyjściowego U_FS - Q

PRZETWORNIK BIPOLARNY -na wyjściu sygnały dodatnie i ujemne;

Słowo wejściowe musi nieść informacje o znaku.

Różne kody stosowane w przetwornikach bipolarnych ( kod moduł znak, kod uzupełnień do 2, przesunięty kod dwójkowy). Sposób przetwarzania określony po podaniu kodu

Jeden bit kodu określa znak, dlatego rozdzielczość przetwornika bipolarnego o tej samej liczbie bitów i tym samym napięciu odniesienia mniejsza niż przetwornika unipolarnego

wartość LSB =U_FS/2^n-1

Przetworniki C/A - BŁĘDY PRZETWARZANIA

Błąd zera Błąd wzmocnienia

Możliwość korekty tych składowych - pozostaje błąd nieliniowości

BŁĄD BEZWZGLĘDNY- ΔU największa różnica między wartością wyjściowego sygnału (Us), a wartością jaka powinna być na wyjściu dla określonego słowa wejściowego (Uw).

ΔU= Us-Uw_MAX

BŁĄD WZGLĘDNY- δU

Określa stosunek błędu bezwzględnego do zakresu przetwarzania.

Wartość błędu bezwzględnego decyduje o tym czy przetwornik MONOTONICZNY

Monotoniczność przetwornika oznacza, że sygnał wyjściowy przetwornika C/A nie zmniejsza się w żadnym obszarze charakterystyki przy zwiększaniu sygnału cyfrowego na wejściu.

Przetwornik ma zawsze charakterystykę monotoniczną gdy jego błąd nieliniowości jest nie większy od 0.5 LSB

Dokładność przetwornika może być lepsza niż to wynika z jego rozdzielczości (ΔU<< LSB)

Np. przetwornik 4-ro bitowy ma 16 stanów i względną zmianę napięcia wyjściowego>5%, ale niepewność (błąd) odtworzenia każdej wartości może wynosić np. 0,01%

PARAMETRY PRZETWORNIKA

Parametry statyczne:

kod wejściowy,

liczba bitów,

rodzaj sygnału wyjściowego - napięciowy, prądowy,

zakres sygnału wyjściowego,

błąd nieliniowości bezwzględny i względny.

Parametry dynamiczne :

szybkość narostu,

czas ustalania,

przepięcie.

Parametry dynamiczne określa się na podstawie odpowiedzi przetwornika na zmianę słowa wejściowego od wartości minimalnej do maksymalnej.

Rola przetwornika C/A

- rekonstrukcja sygnału analogowego,

• generacja sygnału o zadanym kształcie,

• sterowane źródło napięcia.

Wykład 6/IF 6

---