POLITECHNIKA ŚL
SKA
WYDZIAA
INŻYNIERII ŚRODOWISKA I ENERGETYKI
INSTYTUT MASZYN I URZ
DZEC
ENERGETYCZNYCH
LABORATORIUM ELEKTRYCZNE
Przetworniki analogowo-cyfrowe.
(E  17)
www.imiue.polsl.pl/~wwwzmiape
Opracował: Dr inż. Włodzimierz OGULEWICZ
Sprawdził: Dr inż. Włodzimierz OGULEWICZ
Zatwierdził: Dr hab. inż. Janusz KOTOWICZ
1. Cel ćwiczenia.
Celem ćwiczenia jest poznanie metod przetwarzania analogowo cyfrowego a
w szczególności metody kompensacyjnej równomiernej oraz poznanie
przetworników napięcie  częstotliwość (U/f) i rezystancja  szerokość impulsu
(R/t).
2. Wprowadzenie.
2.1. Przetwarzanie analogowo cyfrowe. Pojęcia podstawowe.
Przetworniki (konwertery) analogowo-cyfrowe (P A/C) to urządzenia,
przetwarzające ciągły analogowy sygnał wejściowy (jedno wejście) na
odpowiadający mu dyskretny cyfrowy sygnał wyjściowy (n wyjść
dwustanowych). W procesie konwersji analogowo  cyfrowej zachodzi:
kwantowanie sygnału (dyskretyzacja w poziomie przeważnie w
dziedzinie napięcia),
próbkowanie sygnału (dyskretyzacja w dziedzinie czasu),
kodowanie sygnału.
Procesy te mogą przebiegać równocześnie lub kolejno.
[Patrz również instrukcja M  15 LABORATORIUM METROLOGII ].
2.2. Metody przetwarzania A/C (analogowo-cyfrowego)
(ang. Analog-to-Digital Converter)
Metody przetwarzania A/C dzielimy na:
Metody pośrednie
metoda czasowo-impulsowa
prosta (pojedynczego całkowania)
z podwójnym całkowaniem
z potrójnym całkowaniem
metoda częstotliwościowa
prosta
z podwójnym przetwarzaniem
delta  sigma (" - Ł)
Metody bezpośrednie
metoda kompensacyjna
kompensacji równomiernej
kompensacji wagowej
metoda bezpośredniego porównania
równoległego porównania
Metody kombinowane (dwustopniowe)(dwutaktowe)(kaskadowe)
szeregowo-równoległego porównania
częstotliwościowo-kompensacyjna
częstotliwościowo-czasowa
2.3. Przegląd wybranych metod przetwarzania analogowo-
cyfrowego.
Przegląd zawiera: schematy blokowe, wykresy czasowe i opis podstawowych
własności poszczególnych metod.
2.3.1. Metoda czasowo impulsowa prosta.
UX
UNL
G. I. W.
UIW
t
UX
Licznik
UIW
UNL K. STOP
NX
t
K.
G. N. L.
t
Oznaczenia poniżej.
Metoda czasowo-impulsowa prosta przetwarzania A/C jest mało dokładna i
stosunkowo wolna (im większe napięcie mierzone tym dłuższy czas odpowiedzi).
Metoda ta przetwarza wartości chwilowe wejściowego przebiegu analogowego.
2.3.2. Metoda czasowo impulsowa z podwójnym całkowaniem.
UX
-UN �"
- �"
- �"sngUX
- �"
G. I. W.
UX
UIW
t
Licznik
+"Udx
+"
+"
+"
K.
UIW
t
-UN �"
- �" NX
- �"sngUX
- �"
t
START przetwarzania UX
NX
Oznaczenia:
K. - komparator (układ porównujący).
G.I.W. - generator impulsów wzorcowych.
G.N.L. - generator napięcia liniowo narastającego.
+"Udx - integrator (układ całkujący).
+"
+"
+"
Metoda przetwarzania A/C czasowo-impulsowa z podwójnym całkowaniem
jest średnio dokładna i wolna (czas odpowiedzi zależy od wartości napięcia
mierzonego). Metoda ta przetwarza wartości średnie wejściowego przebiegu
analogowego (czas uśredniania jest zmienny, zależny od wartości napięcia).
START
STOP
STOP
START
START
START
STOP
START
START
START
0000 0000 0000
1111 1111 1111
0000 0000 0000
2.3.3. Metody częstotliwościowe.
UX
G.O.T.W.
UTW
UW
UX
Licznik
+"Udx
+"
+" t
+"
K.
fX
fX
UW
NX
t
G.I.R.
STOP -
- START
-
-
UTW
Oznaczenia:
t
G.O.T.W. - generator odcinka czasu wzorcowego.
G.I.R. - generator impulsów rozładowujących.
NX
UW - z
ródło napięcia wzorcowego.
Metody częstotliwościowego przetwarzania A/C są średnio dokładne i wolne
(czas odpowiedzi nie zależy od wartości napięcia wejściowego). Metody te
przetwarzają wartości średnie wejściowego przebiegu analogowego (czas
uśredniania jest stały). Metoda częstotliwościowa z podwójnym przetwarzaniem
jest znacznie szybsza od metody prostej.
Metoda delta-sigma ( "  Ł
" Ł )
" Ł
" Ł
Generator Odcinka
UX - sygnał
-
-
-
f / N
/
/
/
Czasu Wzorcowego
analogowy
UTW
G.I.W. Dz.Cz.
Licznik
fW
NX
R Rejestr rów.
C
UK
fX
B2
kU
B1
K.
D Q Deszyfrator
Ux / fx C Q
/
/
/
Wyświetlacz
Zał. - Wył.
-
-
-
Napięcie
Wzorcowe
fW >> fGR Syg
-UWsgnUX
Metoda przetwarzania A/C częstotliwościowa delta-sigma ma cechy
analogiczne do metody częstotliwościowej prostej.
2.3.4. Metoda kompensacyjna równomierna.
G. I. W.
UIW
UX
STOP
UX
UK
Licznik
K.
UK START
t
Rejestr równoległy
Wpis
t
NX
NX
Metoda kompensacyjna równomierna przetwarzania A/C jest dokładna i wolna
(im większe napięcie mierzone tym dłuższy czas odpowiedzi). Metoda ta
przetwarza wartości chwilowe wejściowego.
2.3.5. Metoda kompensacyjna wagowa.
US
U
Układ
UX 8
Układ
próbkująco-
pamiętający
sterujący
K.
UK
UX
UK
4
2
1
Rejestr równoległy
t
NX
2 4 6 8 10 12 14
Metoda kompensacyjna wagowa przetwarzania A/C jest dokładna i szybka
(czas przetwarzania jest stały nie zależy od napięcie wejściowego). Metoda ta
(z koniecznym układem próbkująco  pamiętającym) przetwarza wartości
chwilowe wejściowego przebiegu analogowego.
STOP
)
analogowy
START
Przetwornik
C/A (cyfrowo-
)
analogowy
Przetwornik
Wpis
C/A (cyfrowo-
2.3.6. Metoda bezpośredniego porównania równoległa.
UX-sygnał analogowy
L
Komparator n
R
y
ródło
L
Komparator n-1
Napięcia
sygnał
Wzorcowego
cyfrowy
R
L
Komparator k+1
R
L
Komparator k
R
H
Komparator k-1
R
H
Komparator 3
Metoda bezpośredniego porównania
równoległa przetwarzania A/C jest mało
R
H
Komparator 2
dokładna i bardzo szybka (czas
przetwarzania jest stały równy czasowi
R
H
propagacji sygnału, nie zależy od
Komparator 1
napięcie wejściowego). Metoda ta
R
przetwarza wartości chwilowe
wejściowego przebiegu analogowego.
2.3.7. Metoda dwustopniowa szeregowo  równoległego porównania.
Przetwornik A/
/C
/
/
UX - sygnał analogowy
-
-
-
(szybki)
np. bezpośredniego
porównania równoległy
Układ
UK Przetwornik
odejmujący
C/A (cyfrowo-
np. wzmacniacz
-analogowy)
operacyjny
Przetwornik A/
/C
/
/
UX -
- UK
-
-
(szybki)
np. bezpośredniego
porównania równoległy
Rejestr buforowy
Metoda szeregowo równoległego porównania jest mało
dokładna ale bardzo szybka (czas przetwarzania jest
stały nie zależy od napięcie wejściowego). Metoda
NX
przetwarza wartości chwilowe przebiegu wejściowego.
TRANSKODER
3. Badania i pomiary.
3.1. Schematy układów pomiarowych.
Ćwiczenie wykonuje się kolejno na trzech stanowiskach pomiarowych.
Schematy układów pomiarowych przedstawiono na poniższych rysunkach.
Generator
impulsów
taktujących
Bramka
y
ródło
UX
Licznik
napięcia Komparator
mierzonego
V
UK
V
UO
y
ródło
V
napięcia
odniesienia
Rys.1. Układ pomiarowy przetwornika kompensacyjnego równomiernego.
Przetwornik R / "
"t
"
"
Opornica
(rezystancja-
dekadowa
przedział czasu)
Oscyloskop
Rys.2. Układ pomiarowy przetwornika rezystancja  przedział czasu.
analogowy)
Przetwornik
C/A (cyfrowo-
Generator
impulsów
taktujących
Licznik
Przetwornik U / f
(napięcie-częstotliwość)
y
ródło
fX
Oscyloskop
napięcia
GMC-018
mierzonego
f
UX
V
Rys.3. Układ pomiarowy przetwornika napięcie  częstotliwość.
3.2. Przebieg ćwiczenia.
1. W układzie pomiarowym przetwornika kompensacyjnego równomiernego
(rys.1.) należy dokonać odczytu słowa binarnego 10 bitowego z
wyświetlacza złożonego z 10 diod elektroluminescencyjnych LED (dioda
załączona  świecąca a" 1, dioda wyłączona  zgaszona a" 0) dla kolejnych,
podanych przez prowadzącego zajęcia, napięć wejściowych. Należy ustalić
moment przepełnienia licznika i wyznaczyć wartość napięcie odniesienia
(referencji). Przed kolejnym pomiarem licznik trzeba wyzerować!. Wyniki
pomiarów należy sukcesywnie notować w tabeli pomiarowej (przedstawionej
poniżej).
Przetwornik kompensacyjny równomierny (UX/NX)
U NX nX
liczba
liczba binarna
[V]
dziesiętna
0,1
1,0
1,9
itd.
Po dokonaniu pomiarów liczbę binarną należy przeliczyć na dziesiętną.
2. W układzie pomiarowym przetwornika rezystancja  przedział czasu
(rys.2.) należy dokonać pomiaru czasu trwania impulsu prostokątnego na
wyjściu przetwornika RX/"tX w funkcji rezystancji wejściowej (wartości
rezystancji podaje prowadzący ćwiczenia). Pomiaru czasu trwania impulsu
dokonuje się oscyloskopem umożliwiającym, oprócz obserwacji przebiegu,
cyfrowy pomiar odcinka czasu pomiędzy ustawianymi na ekranie
znacznikami początku i końca impulsu prostokątnego. Wyniki pomiarów
należy sukcesywnie notować w tabeli pomiarowej (przedstawionej poniżej).
Przetwornik (RX / "
"tX)
"
"
R t
ms
&!
100
103
itd.
UWAGA:
Wskazania wyświetlacza pomiaru czasu zsynchronizowane są z nastawami
generatora podstawy czasu oscyloskopu  co zdecydowanie ułatwia pomiar.
3. W układzie pomiarowym przetwornika napięcie  częstotliwość (rys.3.)
należy dokonać pomiaru częstotliwości na wyjściu przetwornika U/f w
funkcji napięcia wejściowego (wartości napięć wejściowych podaje
prowadzący ćwiczenia). Do wyjścia przetwornika podłączony jest również
oscyloskop dwukanałowy umożliwiający obserwację przebiegu
wyjściowego (kanał 2) na tle przebiegu odniesienia  napięcie z generatora
impulsów taktujących (kanał 1). Przetwornikiem badanym to monolityczny
układ hybrydowy GMC-018-1 o napięciu wejściowym 0 � 2 [V].
Proponowana częstotliwość odniesienia 10 kHz. (Karta katalogowa
przetwornika napięcie-częstotliwość do wglądu u prowadzącego zajęcia).
Wyniki pomiarów należy sukcesywnie notować w tabeli pomiarowej
(przedstawionej poniżej).
Przetwornik (UX / fX)
U f
V kHz
0,05
0,10
itd.
4. Opracowanie wyników pomiarów.
1. Sporządzić wykresy zależności:
a. NX = f(UX) (dla przetwornika kompensacyjnego równomiernego  trzy
serie na jednym wykresie).
b. "tX = f(RX) (dla przetwornika rezystancja  przedział czasu trzy serie
"
"
"
na jednym wykresie).
c. fX = f(UX) (dla przetwornika napięcie  częstotliwość trzy serie na
jednym wykresie).
2. Na wykresach należy nanieść linie trendu wraz z podaniem współczynników
regresji liniowej (y = ax + b => prosta regresji).
5. Sprawozdanie.
Sprawozdanie powinno zawierać:
1. Stronę tytułową (nazwę ćwiczenia, numer sekcji, nazwiska i imiona ćwiczących
oraz datę wykonania ćwiczenia).
2. Schematy układów pomiarowych.
3. Tabele wyników pomiarowych ze wszystkich stanowisk.
4. Wykresy podanych (w pkt 4) zależności.
5. Uwagi i wnioski (dotyczące przebiegu charakterystyk, ich odstępstw od
przebiegów teoretycznych, rozbieżności wyników różnych serii pomiarowych itp.).
ŁłWszelkie prawa zastrzeżone
Łł
Łł
Łł