Przetwornik z podwójnym całkowaniem. Praca tego przetwornika trwa przez dwie fazy:

1) W fazie pierwszej o ustalonym czasie T następuje ładowanie kondensatora prądem proporcjonalnym do napięcia Uwe tak, iż Uc(T1) = kUwe.

2) W drugiej fazie następuje rozładowanie kondensatora maksymalnym prądem proporcjonalnym do UR. Czas rozładowania T2 kondensatora jest równy:

T2 = T1(Uwe/UR) = A Uwe

i liniowo zależy od napięcia wejściowego. Odliczanie czasu T1 i T2 odbywa się cyfrowo w liczniku, którego końcowa wartość, odpowiadająca czasowi T2, stanowi wynik przetwarzania.

Przetwornik kompensacyjny. Najliczniejszą grupę przetworników analogowo-cyfrowych stanowią przetworniki typu kompensacyjnego, w których sygnał przetwarzany równoważony jest napięciem ze sterowanego cyfrowego źródła napięcia cyfrowego. Rolę wzorcowego źródła napięcia spełnia przetwornik C/A:

W grupie przetworników kompensacyjnych najliczniejsze zastosowania znalazły przetworniki:

-z sukcesywną aproksymacją,

-śledzące (nadążne).

Zasada pracy przetwornika z sukcesywną aproksymacją oparta jest na podziale dychotomicznym (podziale na dwie części) - w każdym kroku przetwarzania - przedziału napięcia, w którym zawiera się napięcie przetwarzane.

W przetwornikach śledzących układ logiczno-pamiętający (rys. powyżej) jest licznikiem rewersyjnym, któremu kierunek zliczania impulsów zegarowych określa stan napięcia wyjścia komparatora.

Porównanie WŁASNOŚCI przetworników A/C wykorzystujących różne metody przetwarzania sygnału:

-bezpośredniego porównania ("flash" i "half-flash"):

zalety: najszybsza metoda przetwarzania A/C, b. mały czas apertury, tani,

wady: mała rozdzielczość, mała odporność na zakłócenia,

-metoda kompensacji wagowej:

zalety: dokładny, w miarę szybki,

wady: wolno odpowiada na duże skoki Uwej, nie odporny na zakłócenia,

-metoda jednokrotnego całkowania:

zalety: bardzo prosta budowa,

wady: nieduża dokładność,

-metoda dwukrotnego całkowania:

zalety: przetwarzanie wartości średniej sygnału wejściowego, duża dokładność, odporność na zakłócenia,

wady: wolny,

-metoda delta-sigma:

zalety: szybki, dokładny, łatwy w produkcji, tani, (optymalny, najczęściej produkowany)

Uśredniające przetworniki C/A

Przetwornik częstotliwość - napięcie (ƒ/U)

Jeżeli informacja na wejściu ma postać ciągu impulsów lub innego przebiegu o pewnej częstotliwości, można zastosować konwersje częstotliwości na napięcie. Przy bezpośrednim przetwarzaniu częstotliwości na napięcie w każdym okresie przebiegu zostaje wytworzony standardowy impuls. Może to być impuls napięciowy bądź prądowy. Otrzymany ciąg impulsów zostaje uśredniony przez filtr dolnoprzepustowy lub integrator, co daje na wyjściu napięcie proporcjonalne do średniej częstotliwości sygnału wejściowego.

Mnożące przetworniki C/A

W mnożących przetwornikach C/A wielkość wyjściowa jest iloczynem wejściowego napięcia i wejściowego kodu liczbowego. Mnożące przetworniki C/A umożliwiają dokonywanie pomiarów i konwersji logometrycznych. Mnożący przetwornik C/A można wykonać z przetwornika A/C, który nie ma wbudowanego źródła prądu lub napięcia, przez dołączenie do wejścia przeznaczonego dla prądu bądź napięcia analogowego sygnału wejściowego.

Podstawowe parametry przetwornika C/A można podzielić na 3 grupy:

• parametry charakteryzujące przetwornik od strony wejścia lub wyjścia

• parametry statyczne przetwornika

• parametry dynamiczne przetwornika

Najważniejsze parametry charakteryzujące przetwornik od strony wejścia to rodzaj kodu oraz rozdzielczość. Rozdzielczością przetwornika nazywamy długość słowa wejściowego, którą wyrażamy w bitach. Parametry statyczne to dokładność bezwzględna (lub błąd dokładności bezwzględnej), dokładność względna, błąd przesunięcia zera, błąd skalowania, współczynniki termiczne zera i skali oraz rozdzielczość względna lub bezwzględna.

Przetworniki cyfrowo-analogowe oraz analogowo-cyfrowe

Układy, które przetwarzają sygnały cyfrowe na analogowe i na odwrót, z każdym dniem staja się coraz bardziej powszechne. Wpływ na to ma wiele czynników. Mikroprocesory oraz układy cyfrowe są tanie w masowej produkcji, podczas gdy produkcja czysto analogowych układów jest skomplikowana, gdyż trzeba pokonać takie przeszkody jak szum, dryft napięcia, napięcie niezrównoważenia, charakterystyki częstotliwościowe itp.

Dzięki cyfrowej obróbce sygnałów analogowych, uzyskuje się lepsze panowanie nad parametrami systemowymi. Zmniejsza się konieczność wykonywania wszelkich operacji dostrajających w trakcie produkcji, a także pomiarów kontrolnych oraz regulacji serwisowych. Typowe układy analogowe, występujące przykładowo w komunikacyjnych odbiornikach radiowych, zastąpione zostały przez procesory sygnałowe. Wykorzystując algorytmy zawarte w oprogramowaniu sterującym, mogą one pracować w trybie filtrów (FIR lub IIP), detektorów, czy też modulatorów.

Przetworniki A/D - analogowo-cyfrowe

Układy te często wykorzystywane są w komputerach, np. do gromadzenia danych z pomiarów. Wartości sygnałów pomiarowych w postaci analogowej przetwarzane są do postaci cyfrowej za pomocą przetwornika analogowo-cyfrowego. Przetwornik A/D zazwyczaj jest poprzedzony multiplekserem, który umożliwia kolejne przetwarzanie wyników pochodzących z różnych czujników za pomocą tego samego przetwornika. Występują przetworniki A/D posiadające wbudowany multiplekser oraz układy dopasowujące, które służą do współpracy z mikroprocesorem. Rozwiązanie to znacznie usprawnia łączenie oraz zmniejsza liczbę dodatkowych układów. Czasem na wejściu przetworników A/D stosuje się układ próbkujący z pamięcią dla zapamiętania wartości sygnałów analogowych na czas niezbędny do przetwarzania.

Czasy przetwarzania zmieniają się w zależności od tego, jak działa dany przetwornik. Trzy podstawowe metody przetwarzania wykorzystywane w przetwornikach A/D to:

• metoda kompensacyjne (z kolejnym porównywaniem)

• metoda integracyjna

• metoda bezpośredniego porównania

Najczęściej spotykanymi przetwornikami analogowo-cyfrowymi są układy z aproksymacją (kolejnym porównywaniem). Najpierw porównywany jest pierwszy bit (najbardziej znaczący), następnie drugi, itd. Przetwornik będzie kontynuował swą pracę do momentu, gdy wartość cyfrowa obecna na wyjściu odpowiadała będzie wartości sygnału analogowego obecnego na wejściu.

Multimetry zwykle korzystają z przetworników działających w oparciu o integracyjną metodę przetwarzania. Jeżeli chodzi o wysoce precyzyjne przyrządy pomiarowe, to korzystają one z przetworników pracujących z użyciem metody z kolejnym porównywaniem. W przypadku przetworników działających zgodnie z metodą integracyjną, przetwarzanie trwa dosyć długo, natomiast są one stosunkowo tanie w produkcji. Występuje wiele rodzajów przetworników tego typu. W cyfrowych multimetrach najczęściej używanym jest przetwornik wykorzystujący podwójne całkowanie. W stałym przedziale czasowym, określonym poprzez zliczenie przykładowo tysiąca impulsów zegarowych, na kondensatorze wzrasta napięcie, które jest proporcjonalne do napięcia wejściowego. W określonej chwili następuje odłączenie sygnału wejściowego, co powoduje rozładowanie się kondensatora, a czas w jakim następuje to rozładowanie określany jest poprzez zliczenie impulsów zegara. Ilość zliczonych impulsów jest bezpośrednio proporcjonalna do napięcia wejściowego.

Pewne zastosowania wymagają użycia bardzo szybkich przetworników analogowo-cyfrowych (np. oscyloskopy cyfrowe, cyfrowe analizatory widma). Stosuje się wówczas niezwykle szybkie przetworniki z bezpośrednim porównaniem (tzw. flash). Producenci oprzyrządowania pomiarowego, wytwarzają na własny użytek przetworniki pracujące z częstotliwością przetwarzania powyżej 1 GHz. Powszechnie dostępne układy standardowe pracują z częstotliwością rzędu setek MHz. Przetworniki z bezpośrednim porównaniem złożone są z drabinki komparatorów, które przełączając się jednocześnie, dają bezpośrednią wartość cyfrową.

Pewien rodzaj przetwornika flash stanowi przetwarzający sygnały dwuetapowo przetwornik z dwustopniowym bezpośrednim porównaniem (tzw. half-flash). Sposób ten jest dwukrotnie wolniejszy od stosowanego w przetwornikach flash, lecz przy tym samym koszcie, osiąga się wyższą rozdzielczość. Z racji tego, że przetworniki z bezpośrednim porównaniem posiadają dużą liczbę komparatorów na wejściu, ich impedancja zmienia się i jest niska, dlatego powinny one być poprzedzone stopniem sterującym posiadającym dobre parametry sygnału wyjściowego po to, by wahania impedancji nie skutkowały powstawaniem błędu nieliniowości.

Poprzez zastosowanie uśredniania możliwym jest zwiększenie rozdzielczości przetwarzania powyżej poziomu, jaki gwarantuje przetwornik w ciągu jednego cyklu przetwarzania (przykładowo 8-bitowy przetwornik daje 10-bitową rozdzielczość). Takie przetwarzanie na każdy pomiar wymaga określonej ilości cyfrowych słów żeby wygenerować wartość średnią, co powoduje znaczne wydłużenie czasu przetwarzania.

Szczególny typ przetworników uśredniających stanowią przetworniki delta-sigma, nazywane często przetwornikami ze strumieniem bitów. W zasadzie jest to 1-bitowy przetwornik, który przez uśrednianie może pracować z rozdzielczością sięgającą aż 20 bitów, lecz wówczas szerokość pasma znacznie się zmniejsza. Technika 1-bitowego przetwarzania wykorzystywana jest w odtwarzaczach płyt CD. Przetwornik delta-sigma posiada dobrą liniowość, pozbawiony jest również zakłóceń szpilkowych. Przetworniki te są tanie w produkcji dzięki temu, iż funkcje cyfrowe wykonywane są przez większą część układu.

Przetworniki D/A - cyfrowo-analogowe

Przetworniki D/A konstruowane mogą być przy zastosowaniu rezystorów o wartościach wagowych kolejno 1W, 2W, 4W, 8W, 16W itd., lub też z wykorzystaniem zasilanych prądowo bądź napięciowo rezystorowymi matrycami drabinkowymi. Występują też inne układy przetworników cyfrowo-analogowych używane do układów monolitycznych.

Dane techniczne przetworników cyfrowo-analogowych zawierają informacje dotyczące rozdzielczości (dokładność sygnałów wyjściowych, ilość bitów), czasie ustalania (ang. setting time), współczynniku maksymalnej zmiany napięcia wyjściowego oraz szybkości narastania (ang. slew rate). Sprzęt audio (np. odtwarzacze płyt CD), stawia dość wysokie wymagania dla przetworników D/A.

Przetwornik A/C pojedyńczo całkujący.

Układ całkujący:

Działanie układu całkującego przedstawia wykres:

Schemat przetwornika pojedyńczo całkującego:

Zasada działania przetwornika pojedyńczo całkującego:

Na wejście układu całkującego podawane jest napięcie Ux (stale z ewentualnymi zakłóceniami). Na wyjściu układu całkującego (integratora) powstaje napięcie liniowo narastające, które jest porównywane w komparatorze Ko z napięciem odniesienia Uo. W chwili zrównania obu napięć wysyłany jest sygnał do klucza, który zamyka obwód rozładowujący i kondensator prawie natychmiast rozładowuje się poprzez rezystancję Rr. Jednocześnie z komparatora wysyłany jest impuls do miernika częstotliwości. Częstotliwość tych impulsów jest wprost proporcjonalna do mierzonego napięcia.

-Wartość średnia mierzonego napięcia

Przetwornik A/C podwójnie całkujący.

Przetwornik podwójnie całkujący zamienia wartość średnią napięcia mierzonego na czas t_X. W pierwszym cyklu całkowania do integratora doprowadzone jest napięcie mierzone U_X. Całkowanie tego napięcia trwa zawsze tyle samo, czyli najczęściej 20ms. W drugiej fazie całkowania do wejścia integratora dołączone jest napięcie wzorcowe. Całkowanie tego napięcia zależy od napięcia mierzonego U_X.

Z układu sterującego wysyłany jest impuls, który otwiera klucz W2 i zamyka klucz W1. Do wejścia integratora doprowadzone jest napięcie Ux. Na wyjściu integratora otrzymujemy napięcie liniowo narastające. Czas narastania tego napięcia wynosi 20ms (czas ten odmierzany jest poprzez licznik lub poprzez układ sterujący). Po upływie 20ms z układu sterującego wysyłany jest kolejny impuls, który otwiera W1 i zamyka W2. Do integratora doprowadzone jest teraz napięcie wzorcowe o biegunowości przeciwnej do napięcia Ux. Licznik cały czas zlicza impulsy z generatora zegarowego. Pojemność licznika jest tak dobrana, że maksymalną liczbę impulsów zlicza w ciągu 20ms. Kiedy napięcie wejściowe z integratora osiągnie wartość zero przerzutnik RS zmienia stan na przeciwny. Blokuje bramkę i kończy się zliczanie impulsów.

T₂ = tx
T₁ = Tc

N= tx * fw

Charakterystyka amplitudowo-fazowa, charakterystyka Nyquista - w automatyce, wykres transmitancji widmowej układu na płaszczyźnie zmiennej zespolonej.

Można ją wyznaczyć doświadczalnie, dokonując pomiarów (w stanie ustalonym) amplitudy oraz przesunięcia fazowego sygnału wyjściowego układu, gdy sygnałem wejściowym jest sygnał sinusoidalny o stałej amplitudzie i częstotliwości. Na wykresie umieszcza się punkty odpowiadające wartościom transmitancji widmowej dla kolejnych wartości pulsacji
. Kierunek strzałki oznacza kierunek wzrostu ω. Na osi rzędnych odłożona zostaje wartość części urojonej, a na osi odciętych wartość części rzeczywistej transmitancji widmowej. Wykres charakterystyki amplitudowo-fazowej układu realizowalnego fizycznie dąży do początku układu współrzędnych.

Charakterystyka amplitudowa w elektronice oraz przetwarzaniu sygnałów, to wykres modułu zespolonej transmitancji widmowej układu LTI (np. wzmacniacza albo filtru) w funkcji częstotliwości lub pulsacji.

Charakterystyka amplitudowa obrazuje, jak układ zmienia widmo amplitudowe sygnału, który przez niego przechodzi. Inaczej mówiąc, charakterystyka amplitudowa pokazuje jak układ wzmacnia lub tłumi określone składowe widmowe sygnału w zależności od ich częstotliwości.

Oś częstotliwości (pozioma) wykresu charakterystyki amplitudowej może być wyskalowana w hercach lub radianach na sekundę, zarówno w sposób liniowy jak i logarytmiczny. Oś amplitudy (pionowa) jest niemianowana, lecz może być wyskalowana w decybelach.

Eksperymentalne wyznaczenie charakterystyki amplitudowej polega na podaniu na jego wejście sygnału sinusoidalnego o stałej amplitudzie i częstotliwości oraz dokonaniu pomiaru amplitudy sygnału obserwowanego na wyjściu układu. Iloraz amplitudy wyjściowej do wejściowej stanowi pionową współrzędną pojedynczego punktu wykresu, gdzie poziomą współrzędną jest częstotliwość sygnału. Precyzyjne wykreślenie charakterystyki wymaga wielokrotnego powtórzenia takiego pomiaru dla szerokiego przedziału częstotliwości i połączenie punktów linią ciągłą. Taką charakterystykę można również wyznaczyć automatycznie przy pomocy wobulatora i oscyloskopu. Dla układów cyfrowych najprostszym sposobem wyznaczenia charakterystyki jest zarejestrowanie sygnału, którym układ odpowiada na impuls jednostkowy (dyskretny odpowiednik impulsu Diraca) podany na jego wejście, oraz obliczenie transformaty Fouriera tej odpowiedzi.

Charakterystyka fazowa w elektronice oraz przetwarzaniu sygnałów, to wykres argumentu zespolonej transmitancji widmowej układu LTI (np. wzmacniacza albo filtru) w funkcji częstotliwości lub pulsacji.

Charakterystyka fazowa obrazuje, jak układ zmienia widmo fazowe sygnału, który przez niego przechodzi. Inaczej mówiąc, charakterystyka fazowa pokazuje jak układ zmienia fazę poszczególnych składowych widmowych sygnału w zależności od ich częstotliwości.

Oś częstotliwości (pozioma) wykresu charakterystyki fazowej może być wyskalowana w hercach lub radianach na sekundę, zarówno w sposób liniowy jak i logarytmiczny. Oś fazy (pionowa) jest wyskalowana w stopniach kątowych lub radianach. Najczęstszym zakresem wartości fazy jest -π .. π. Jeśli układ wnosi większe przesunięcie fazowe, to przedstawia się wykres miary głównej kąta. Alternatywnie, przeprowadza się zabieg "odwijania fazy", który polega na eliminowaniu skoków fazy między π oraz -π przez dodanie wartości 2π w miejscu skoku.

Eksperymentalne wyznaczenie charakterystyki fazowej polega na podaniu na jego wejście sygnału sinusoidalnego o stałej amplitudzie i częstotliwości oraz dokonaniu pomiaru różnicy fazy pomiędzy sygnałem wejściowym a tym obserwowanym na wyjściu układu. Pomiaru takiego można dokonać przy pomocy oscyloskopu metodą krzywych Lissajous. Odczytana różnica fazy stanowi pionową współrzędną pojedynczego punktu wykresu, gdzie poziomą współrzędną jest częstotliwość sygnału. Precyzyjne wykreślenie charakterystyki wymaga wielokrotnego powtórzenia takiego pomiaru dla szerokiego przedziału częstotliwości i połączenie punktów linią ciągłą. Dla układów cyfrowych najprostszym sposobem wyznaczenia charakterystyki fazowej jest zarejestrowanie sygnału, którym układ odpowiada na impuls jednostkowy (dyskretny odpowiednik impulsu Diraca) podany na jego wejście, oraz obliczenie transformaty Fouriera tej odpowiedzi, a następnie wyznaczenie argumentu transformaty.

---