Badanie podstawowych parametrow przetwornika analogowo-cyfrowego

CZĘSTOCHOWSKA

WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY

INSTRUKCJA DO ĆWICZENIA

Badanie podstawowych parametrów

przetawornika analogowo - cyfrowego.

1. Zagadnienia teoretyczne.

1.1 Ogólna klasyfikacja przetworników analogowo-cyfrowych.

Przetwarzanie analogowo-cyfrowe jest dyscypliną wiedzy podlegającą teorii pomiarów cyfrowych. Są to pomiary wielkości elektrycznych prowadzone metodami elektronicznymi. Przetwarzanie analogowo-cyfrowe (zwane dalej w skrócie: przetwarzaniem a/c) jest więc niczym innym jak procesem pomiarowym prowadzonym zgodnie z definicją pomiaru, z tym że jego wynik wyrażany jest w postaci dyskretnej wartości liczbowej wielkości mierzonej, przedstawionej w określonej postaci. Postacią taką jest najczęściej słowo w kodzie dwójkowym (binarnym) o znormalizowanej długości. Sam proces pomiarowy w przetworniku a/c polega na porównaniu wartości mierzonej wielkości elektrycznej, którą jest tutaj najczęściej napięcie lub natężenie prądu z pewną wartością lub wartościami stałymi uznanymi za wzorzec odniesienia. Proces porównawczy zachodzi tutaj z określoną dokładnością. W wyniku tego porównania otrzymujemy informację ilościową, a więc typowo cyfrową, która mówi nam w jakim stosunku wartość wielkości mierzonej pozostaje do wartości jednostkowej danej wielkości uznanej za wzorzec odniesienia danego przetwornika a/c.

Proces pomiarowy w przetworniku a/c przebiega najczęściej automatycznie, bez ingerencji czynnika ludzkiego, zaś od urządzenia współpracującego z przetwornikiem wymaga się tylko zadania określonych parametrów konwersji, i odczytywania wyniku pomiaru. Taka stosunkowo duża autonomia przetworników a/c przyczyniła się do uproszczenia konstrukcji układów współpracujących oraz umożliwiła realizację wielozadaniowych cyfrowych systemów pomiarowo-sterujących. Przetworniki analogowo-cyfrowe są w takich systemach układami elektronicznymi, które oprócz ich podstawowej funkcji przetwarzania wartości analogowej wielkości elektrycznej na jej cyfrową reprezentację pełnią też funkcję interfejsu pomiędzy analogowymi elementami danego układu (systemu) a jego cyfrowym rdzeniem. Od jakości tego interfejsu zależy dokładność i szybkość systemu. Te dwie cechy:

dokładność pomiarowa, reprezentowana głównie przez rozdzielczość przetwornika i szybkość są podstawowymi parametrami przetworników analogowo-cyfrowych.

Podczas omawiania zagadnień przetwarzania analogowo-cyfrowego oraz parametrów przetworników a/c należy wspomnieć, że parametry uzyskiwane w praktycznych rozwiązaniach tych układów zależą przede wszystkim od zastosowanej metody przetwarzania a/c.

Metod na zamianę analogowej wartości sygnału na jej cyfrowy ekwiwalent powstało wiele i ciągle powstają nowe, ulepszone metody. Każda z nich ma określone zalety predestynujące przetwornik pracujący w oparciu o daną metodę do określonych zastosowań. Poniżej zostaną wymienione podstawowe metody, stosowane przy przetwarzaniu analogowo-cyfrowym

Szerokie stosowanie przetworników analogowo-cyfrowych w różnych dziedzinach powoduje, że parametry przetworników, zależnie od potrzeb, powinny spełniać bardzo

różnorodne wymagania. Spośród kilkudziesięciu znanych sposobów konwersji a/c, tylko kilka znalazło szersze zastosowanie w praktyce.

Poniższy rysunek przedstawia podstawową klasyfikację przetworników analogowo-cyfrowych w zależności od zastosowanych metod konwersji.

Rys. l. Podstawowa klasyfikacja przetworników analogowo-cyfrowych.

Oprócz powyższego podziału, można też wprowadzić inna zasadniczą klasyfikację. Wedle niej metody przetwarzania analogowo-cyfrowego można podzielić na dwie grupy:

- metody pośrednie, - metody bezpośrednie.

Przetworniki a/c działające w oparciu o pośrednią metodę przetwarzania zamieniają analogową wartość sygnału wejściowego na pewną proporcjonalną do niej wielkość

pomocniczą, która w dalszym procesie konwersji a/c jest przetwarzana na odpowiadającą jej

wartość cyfrową. Wielkością pomocniczą jest najczęściej czas lub częstotliwość.

Przetworniki a/c, działające w oparciu o metodę bezpośredniego przetwarzania zamieniają w sposób bezpośredni analogową wartość sygnału wejściowego na jej cyfrowy odpowiednik. Wśród metod bezpośredniego przetwarzania wyróżnia się dwie grupy:

- metoda kompensacyjna,

- metoda bezpośredniego porównania, zwana też metodą komparacji równoległej.

Poniżej szerzej zostanie omówiona metoda kompensacyjnego przetwarzania a/c z uwagi na fakt, że właśnie w oparciu o tą metodę pracuje laboratoryjny przetwornik analogowo-cyfrowy.

1.2 Kompensacyjna metoda przetwarzania analogowo-cyfrowego.

Przetwarzanie analogowo-cyfrowe metodą kompensacyjną polega na sukcesywnym równoważeniu, zwanym kompensowaniem napięcia przetwarzanego: Ux za pomocą

odpowiednio generowanego napięcia kompensującego: Uk w taki sposób, aby wartość

różnicy: Ux-Uk doprowadzić do wartości bliskiej zeru. Wówczas następuje zrównanie się

napięć: Ux=Uk. Stwierdzenie: „wartość bliska zera", odnosi się w praktyce do minimalnej

wartości różnicy: Ux-Uk wynikającej ze zdolności rozdzielczej przetwornika. Cechą

charakterystyczną wszystkich kompensacyjnych przetworników a/c jest to, że w pętli sprzężenia zwrotnego takiego przetwornika znajduje się przetwornik cyfrowo-analogowy. Przetwornik ten służy do wytwarzania napięcia kompensującego: Uk - Zasadniczo rozróżnia

się dwie odmiany przetworników a/c działających w oparciu o metodę kompensacyjną:

- Przetworniki a/c z kompensacją liniową, zwane też przetwornikami a/c z kompensacją równo ważną (równomierną, lub przyrostową),

- Przetworniki a/c z kompensacją wagową.

Różnica pomiędzy tymi dwiema odmianami przetworników polega na sposobie wytwarzania napięcia kompensacyjnego. Przetworniki z kompensacją wagową działają w ten sposób, że kolejne przyrosty napięcia kompensującego: Uk odpowiadają wagom poszczególnych bitów

kodu dwójkowego słowa o długości równej rozdzielczości pomiarowej przetwornika. W przypadku przetwornika a/c z kompensacją liniową^ przyrosty napięcia kompensacyjnego w procesie przetwarzania przebiegają równomiernie, i odpowiadają wadze najmniej znaczącego bitu w słowie wyjściowym przetwornika. Znaczenie praktyczne zyskała przede wszystkim metoda kompensacji wagowej. Metoda powyższa jest obok metody podwójnego całkowania najczęściej stosowaną do budowy przetworników analogowo-cyfrowych. Gwarantuje ona uzyskanie wysokiej rozdzielczości pomiaru połączonej z dużą szybkością konwersji. Istota metody kompensacji wagowej polega na kolejnym porównywaniu napięcia przetwarzanego Ux z napięciem odniesienia przyrastającym kolejno o wartości wagowe, równe (1):

2 1 UR , 4 1 UR, 8 1 UR , 16 1 UR , itd.

przy czym, wartość: UR jest równa pełnemu zakresowi przetwarzania. Proces kompensacji

wagowej jest wieloetapowy, a jego długość jest uzależniona rozdzielczością pomiarową przetwornika. Zanim zostanie opisany konkretny układ takiego przetwornika, warto najpierw wyjaśnić ideę kompensacji wagowej. Jak już wspomniano wyżej, proces kompensacji wagowej przebiega w kilku cyklach. W pierwszej kolejności następuje porównanie napięcia przetwarzanego: Ux z napięciem: UR/2. Napięcie to odpowiada połowie pełnego zakresu

konwersji przetwornika a/c. Rezultat tego porównania ustala stan cyfrowy najbardziej znaczącego bitu (MSB) słowa wyjściowego przetwornika. Słowo wyjściowe przetwornika jest jednocześnie słowem sterującym przetwornik cyfrowo-analogowy, dostarczający napięcia kompensującego. Jeżeli wartość napięcia: Ux jest większa od: UR/2 to stan bitu: MSB

pozostaje równy jeden. Fakt ten pociąga za sobą także ustawienie stanu: MSB=1 w wewnętrznym rejestrze przetwornika cyfrowo-analogowego. W następnym etapie porównywane jest napięcie: UR/2, dostarczane z przetwornika c/a z aktualną wartością

napięcia wejściowego: Ux. Jeżeli w wyniku tego porównania napięcie wejściowe: Ux jest

nadal większe od napięcia kompensującego, stan bitu poprzedzającego MSB ustalany jest na: 1. W przeciwnym przypadku stan tego bitu ustalany jest na: 0. W ten sposób prowadzone są

kolejne porównania, których wynikiem jest ustawienie poszczególnych bitów wagowych słowa sterującego przetwornikiem cyfrowo-analogowym. Po każdym porównaniu zostaje ustalony stan cyfrowy kolejnego bitu tego słowa, a po wszystkich porównaniach uzyskuje się na wyjściu przetwornika c/a analogową wartość napięcia kompensującego, równoważną wartości mierzonego napięcia: Ux, z dokładnością równą napięciowej wadze najmniej

znaczącego bitu. W momencie ustawienia najmniej znaczącego bitu (LSB) słowa sterującego przetwornikiem c/a, cały proces przetwarzania a/c kończy się przepisaniem słowa sterującego do rejestru wyjściowego przetwornika i ustawieniem flagi: „Koniec konwersji". Liczba etapów, na które podzielony jest proces przetwarzania jest równa rozdzielczości bitowej przetwornika a/c.

Dla ośmiobitowego przetwornika a/c z kompensacją wagową, proces pomiarowy trwa najczęściej osiem cykli zegara taktującego, podczas których mierzona wartość napięcia jest porównywana w ośmiu etapach z napięciem kompensującym ustalanym wagowo.

Proces przetwarzania a/c w przetworniku z kompensacją wagową najlepiej jest prześledzić na przykładzie. Na rysunku: 2 przedstawiono schemat blokowy 6- bitowego przetwornika a/c, zaś na rysunku: 3 przedstawiono kolejne etapy kompensacji napięcia mierzonego metodą wagową.

Rys. 2. Schemat blokowy przetwornika a/c działającego w oparciu o metodę kompensacji wagowej.

Rys. 3. Zasada kompensacji wagowej

Zakres przetwarzania w rozpatrywanym układzie dobrano dla ułatwienia obliczeń: UFS = 10,24V. Przyjmijmy, że przetwarzane napięcie jest równe: UX = 6,9V. Proces

konwersji rozpoczyna się sygnałem: „Start", który powoduje skasowanie rejestrów i ustawieniem w rejestrze przesuwnym stanu logicznego: MSB = 1. Słowo wpisane do tego rejestru ma w tym momencie postać: 100000 (BIN). Rozpoczyna się pierwszy etap konwersji (okres: TI na rysunku: 3), podczas którego słowo z rejestru przesuwnego jest przepisywane do

przetwornika cyfrowo-analogowego i na jego wyjściu pojawia się napięcie kompensujące o wartości: Uk = UR/2 = 5,12V. Napięcie to jest porównywane w komparatorze: K z

mierzonym napięciem UX. Ponieważ w tym przypadku okazuje się, że napięcie: UK jest na

tym etapie konwersji mniejsze od: UX, więc układy sterujące powodują pozostawienie stanu: l

najbardziej znaczącego bitu słowa w rejestrze wyjściowym. Na wyjściu przetwornika c/a pozostaje więc wartość: UR/2, do której w następnym etapie: T2 jest dodawane napięcie: UR/4.

Po drugim etapie porównywania, okazuje się, że nowa wartość napięcia kompensującego wynosi: UK = 4 2 R R U U  =5,12V+ 2,56V=7,68V

i jest większa od wartości napięcia: UX. Dlatego też podczas trwania okresu: T2 napięcie

kompensujące: UK podlega redukcji, poprzez wykasowanie w rejestrze przesuwnym bitu o

wadze odpowiadającej napięciu: 2,56V podawanemu przez przetwornik c/a. Cały proces polegający na przesuwaniu stanu: l po wszystkich pozycjach wagowych rejestru wraz z ciągłym porównywaniem napięć i ewentualną korektą stanu logicznego na określonej pozycji wagowej słowa wyjściowego powtarza się 6-cio krotne. Proces ten można prześledzić na rysunku: 3. Po zakończeniu szóstego etapu przetwarzania w rejestrze przesuwnym pozostaje wartość: 101011 (BIN) będąca jednocześnie wynikiem konwersji a/c. Korzystając z zależności: (2) można obliczyć , jakiej wartości sygnału analogowego: Ux odpowiada

uzyskany, przykładowy wynik konwersji:

Ux =1 * 5,12V + 0*2,56V + 1*1,28V + 0*0,64V + 1*0,32V + 1*0,16V = 6,88V

Uzyskana wartość cyfrowa różni się od wartości mierzonej: UX = 6,9V. Różnica

powyższa wynika z faktu, że dokładność przetwarzania w układzie przykładowym wynosi: +/- 1LSB, czyli tutaj: +/- 0,16V. Aby uzyskać lepszą dokładność należy zastosować przetwornik o większej rozdzielczości. Zaletą przetworników a/c z kompensacją wagową jest krótki czas przetwarzania. Wynika stąd wniosek, że przetwornik: N-bitowy wymaga tylko N okresów generatora zegarowego dla wykonania pełnego cyklu konwersji a/c. Czas przetwarzania w takim układzie jest stały i nie zależy od mierzonej wartości analogowej. Część przedstawionego na rysunku: 2 układu przetwornika, obejmującą rejestr przesuwny, rejestr wyjściowy oraz układ sterujący zwana jest często rejestrem sukcesywnej

aproksymacji. Rejestr ten, zwany w skrócie:

SAR (ang. Successive Approximation Register) nie występuje w przetworniku

analogowo-cyfrowym z kompensacją liniową (równoważną). Układ takiego przetwornika jest bardzo zbliżony do układu z rysunku: 2, z tym że zamiast rejestru: SAR występuje tutaj licznik

binarny modulo: N. Z tego też powodu poniższy opis będzie się odnosił do oznaczeń z

rysunku:2 z małymi wyjątkami. Proces pomiarowy w przetworniku a/c z kompensacją liniową przebiega podobnie, ale napięcie kompensujące ma charakter przebiegu schodkowego. Przed wykonaniem konwersji stan licznika ustalany jest na: O (BIN). Na wejście układu podajemy napięcie mierzone: Ux. Podanie na wejście: „Start" układu stanu

logicznego: l powoduje zliczanie przez licznik (do przodu, poczynając od wartości: O [BIN] ) impulsów z generatora zegarowego. Wynik zliczania jest każdorazowo podawany na przetwornik a/c. Na wyjściu przetwornika a/c powstaje analogowy, narastający liniowo przebieg schodkowy. Po każdym takcie zegara wartość napięcia kompensującego: Uk wzrasta

o wartość odpowiadającą wadze napięciowej bitu LSB przetwornika c/a (tutaj, jest to wartość przykładowa, równa: 1LSB = 0,16V). Napięcie kompensujące: Uk jest na bieżąco

porównywane z napięciem mierzonym: Ux przez komparator: K. Gdy napięcia te wyrównają

się (z dokładnością: +/- l LSB), stan wyjściowy komparatora ulega zmianie i zatrzymany jest proces zliczania impulsów zegarowych. Stan licznika odpowiada rezultatowi konwersji a/c i jest on wyprowadzany na zewnątrz układu. W tym momencie przetwarzanie zostaje zakończone i generowany jest sygnał: „Koniec konwersji".

Przetwornik a/c z kompensacją liniową jest prostszy w budowie i działaniu od przetwornika z kompensacją wagową i cechuje się taką samą zdolnością rozdzielczą. Pewne względy natury technicznej przeważyły jednak nad konstruowaniem przetworników z kompensacją wagową.

Przetworniki z kompensacją wagową są szybsze od przetworników z kompensacją liniową. W tych ostatnich nie można sprecyzować dokładnie czasu trwania konwersji. Czas ten jest tutaj zmienny i zależy wprost proporcjonalnie od wartości mierzonej: Ux. Ponadto

jednokierunkowe zmiany napięcia kompensującego w przetworniku z kompensacją liniową są przyczyną błędu pomiaru napięcia ze względu na histerezę użytego komparatora. Błąd ten jest dużo mniej zauważalny w przetwornikach z kompensacją wagową, ponieważ napięcie kompensujące zmienia się w dwóch kierunkach, co pozwala komparatorowi dokonać prawidłowego porównania napięć: UX i UK w środku przedziału nieokreśloności

spowodowanego histerezą.

Przetworniki a/c z kompensacją wagową znalazły swoje zastosowanie w wielu dziedzinach, m.in. w: miernictwie cyfrowym, telekomunikacji, cyfrowych urządzeniach audio-video, w aparaturze medycznej.

Główną przyczyną ich popularności jest, poza krótkim czasem przetwarzania i dużą zdolnością rozdzielczą, łatwość ich realizacji w układach monolitycznych. Produkuje się

bardzo dużo przetworników kompensacyjnych o typowych rozdzielczościach od sześciu do szesnastu bitów.

Czasy konwersji przetworników kompensacyjnych są uzależnione możliwościami technologicznymi oraz rozdzielczością i wynoszą typowo od 60 [ns] na bit słowa wyjściowego do 50[μs] na całe przetworzenie w przetworniku szesnastobitowym.

1.3. Parametry przetworników analogowo-cyfrowych.

Omawiając właściwości przetworników analogowo-cyfrowych warto przytoczyć podstawowe prawa i definicje jakie są formułowane do określania poszczególnych parametrów przetworników analogowo-cyfrowych.

1.3.1 Zasada przetwarzania i formułowania wyniku konwersji w przetworniku a/c.

Załóżmy, że na wejściu przetwornika analogowo-cyfrowego występuje sygnał analogowy, w którym istotna informacja zawarta jest w wartości i znaku napięcia lub prądu, a na wyjściu -sygnał cyfrowy reprezentowany przez odpowiednio zakodowaną liczbę, wyrażoną zwykle w zapisie dwójkowym.

Istotą przetwarzania a/c jest więc przyporządkowanie każdej wartości napięcia wejściowego UX odpowiedniej wartości cyfrowej NX na wyjściu przetwornika w postaci

kombinacji stanów logicznych: O lub 1. Taka kombinacja o określonej liczbie "n" bitów nazywa się słowem wyjściowym przetwornika i stanowi wynik konwersji. Wynik ten zakodowany jest na ogół w kodzie binarnym, lub binarnym kodzie dziesiętnym BCD. Jeżeli na wyjściu przetwornika a/c uzyskuje się n-bitowe słowo wyjściowe w postaci równoległej: a1, a2, a3...an, to napięcie wejściowe UX odpowiadające takiemu wynikowi

konwersji można obliczyć w oparciu o wzór (2): U x = (a1 * 2-1 + a2 * -2 + a3 * 2-3 + ... + an * 2-n) * U FS

Współczynniki: a1 ... an mogą przyjmować wartości: O lub l, natomiast oznaczenie UFS

określa pełen zakres przetwarzania (ang. Fuli Scalę Rangę). Zakres przetwarzania to podstawowy parametr charakteryzujący przetwornik analogowo-cyfrowy. Najczęściej określenie wartości UFS podaje się w odniesieniu do potencjału: 0V. Współczynnik: a1 w

wyrażeniu: (2) określa stan najbardziej znaczącego bitu w słowie wyjściowym przetwornika a/c (bit ten nosi oznaczenie MSB), zaś współczynnik: an dotyczy stanu najmniej znaczącego

bitu w wyniku przetwarzania.

Przykład 1:

Rozważmy przetwornik 6-cio bitowy o pełnym zakresie przetwarzania UFS=10V, w którym uzyskano wynik konwersji w postaci: (MSB) 011011. Podstawiając tą wartość do wzoru: (2) otrzymujemy: Ux = ( 64 1 32 1 16 1 8 1 4 1 2 1 6 5 4 3 2 1 a  a  a  a  a  a )*UFS = = ( 64 1 1 32 1 1 16 1 0 8 1 1 4 1 1 2 1 0           )*10 = 4,21875 [V]

Zasadę przetwarzania analogowo-cyfrowego ilustruje rysunek: 4. Przedstawiono tutaj charakterystykę określającą zależność wartości słowa wyjściowego: NX od przetwarzanego

Wykres ten ma charakter schodkowy. Jak to wynika z rysunku, każda wartość cyfrowa na wejściu reprezentuje pewien przedział wartości napięcia wejściowego: UX, nazywany

przedziałem kwantowania q. Cały zakres napięcia wejściowego jest podzielony na pewną

liczbę takich przedziałów zależną od liczby bitów w słowie wyjściowym przetwornika, czyli od jego rozdzielczości bitowej. W przykładzie zilustrowanym na rysunku: 4. mamy do czynienia z przetwornikiem o rozdzielczości 3 -bitowej.

Rys 4. Przykładowa charakterystyka idealna 3-bitowego przetwornika a/c.

Cały zakres napięcia wejściowego Ux jest w tym przetworniku podzielony na osiem

przedziałów kwantowania, z których każdy ma szerokość: q = 10V/8 = 1,25V.

1.3.2 Zakres przetwarzania.

Rozpatrując nadal przetwornik 3-bitowy, o charakterystyce przetwarzania z rysunku czwartego warto zastanowić się, jakiej wartości napięcia wejściowego dla tego przetwornika, odpowiada maksymalny wynik konwersji, równy w tym przypadku: 111(BIN). Ze wzoru: (2) można obliczyć wartość: 8,75V, a więc mniejszą od pełnego zakresu przetwarzania (równego tutaj: UFS = 10V), o wartość szerokości przedziału kwantowania: q. Dzieje się tak dla tego, że

pełen zakres przetwarzania w przetwornikach a/c jest parametrem czysto teoretycznym, określającym matematyczną, górną granicę przedziału otwartego wartości napięcia wejściowego podlegającego konwersji. Rzeczywisty, praktyczny zakres przetwarzania jest zawsze mniejszy o wartość jednego przedziału kwantowania.

1.3.3 Rozdzielczość przetwornika.

Liczba przedziałów kwantowania danego przetwornika a/c określa jego podstawowy parametr, jakim jest rozdzielczość. Rozdzielczość pomiarowa przetwornika a/c zwana też

przetwornik. Parametr ten może być wyrażany w jednostkach napięcia [mV], określających bezpośrednio szerokość przedziału kwantowania przetwornika (3) :

q = UFS_N

2

Przy przeliczaniu wyniku konwersji na wartość napięcia wejściowego należy pamiętać, że obliczenia takie są obarczone pewnym błędem. Błąd ten wynika z przybliżenia wynikającego ze skończonej liczby przedziałów kwantowania danego przetwornika. Obliczona wartość napięcia wejściowego jest wartością średnią określonego przedziału kwantowania. Błąd popełniany przy wyznaczaniu napięcia wejściowego nosi nazwę błędu rozdzielczości. Aby określić jaki błąd popełniamy przy obliczaniu napięcia wejściowego, na podstawie znanego napięcia UFS, rozdzielczości bitowej przetwornika i wyniku konwersji przyjęto, że do

obliczonej wartości napięcia należy dodać błąd o wartości: +/- połowy szerokości przedziału kwantowania. Zależność określająca wynik pomiaru, z uwzględnieniem błędu rozdzielczości podaje wzór (4): UX TRUE = UX q 2 1  = UX 2 1  U_NFS

1.3.4 Błędy analogowe i dokładność przetwarzania.

Właściwości przetwornika a/c jako układu analogowego przejawiają się w jego dokładności uzależnionej od kilku rodzajów błędów, z których główny wpływ mają:

- błąd wzmocnienia i przesunięcia zera, - nieliniowość całkowa,

- nieliniowość różniczkowa,

- niestałość parametrów w funkcji temperatury.

Błąd wzmocnienia, zwany również błędem skalowania powstaje na skutek zmiany

nachylenia rzeczywistej charakterystyki przetwarzania w stosunku do charakterystyki idealnej. Liczbowo błąd ten wyraża się odchyleniem UFS rzeczywistej wartości pełnego zakresu przetwarzania od wartości nominalnej. Na rysunku piątym pokazano graficzną metodę wyznaczania błędu wzmocnienia na podstawie charakterystyki przetwarzania danego przetwornika.

Błąd przesunięcia zera, zwany też błędem na skutek niezrównoważenia zera, jest określony

przez wartość przesunięcia: ΔUXO rzeczywistej charakterystyki przetwarzania w stosunku do

krzywej idealnej, przechodzącej przez punkt zerowy. Interpretację graficzną błędu przesunięcia zera ilustruje rysunek 6.

Rys. 6. Przykładowa, rzeczywista charakterystyka przetwornika a/c z błędem przesunięcia zera.

W nowoczesnych układach przetworników analogowo-cyfrowych błędy powyższe zostały praktycznie wyeliminowane poprzez ich zewnętrzną kompensację. Występować mogą jednak zmiany napięcia przesunięcia zera pod wpływem temperatury. Zmiany te w nowoczesnych konstrukcjach przetworników a/c mają niewielki udział w błędzie całkowitym. Niekiedy podaje się jako dane katalogowe, błąd przesunięcia zera wskutek zmian temperatury, wyrażony najczęściej w: [μV/0_{C] oraz błąd wzmocnienia wskutek zmiany temperatury,}

wyrażony w: [% / °C] lub w jednostkach: [ppm/°C].

Istotny wpływ na dokładność przetwarzania mają błędy nieliniowości. Zasadniczo rozróżnia się dwa rodzaje tych błędów: nieliniowość całkową i nieliniowość różniczkową. Nieliniowość całkowa jest określana jako maksymalne względne odchylenie rzeczywistej charakterystyki przetwarzania od prostej, łączącej skrajne punkty zakresu przetwarzania. Rysunek 7. ilustruje sposób wyznaczania błędu nieliniowości całkowej na przykładzie przetwornika trzybitowego.

Rys 7. Interpretacja graficzna nieliniowości całkowej na charakterystyce przetwarzania. Charakterystyka rzeczywista powstała przez połączenie linią środków poszczególnych, rzeczywistych przedziałów kwantowania, odpowiadających kolejnym wartościom cyfrowym na wyjściu przetwornika. Wyznaczając następnie maksymalne odchylenie zaznaczone na rysunku jako: (ΔUx)max można obliczyć wartość nieliniowości całkowej według wzoru (5):

Ec = 100 ) ( max _ FS X U U %

Nieliniowość całkową można też wyrazić w ułamku wartości LSB, co należy rozumieć jako ułamek wartości szerokości przedziału kwantowania: q, odpowiadającego wartości najmniej znaczącego bitu (czyli l LSB). Nieliniowość całkowa charakteryzuje przetwornik w sposób całościowy, nie uwzględniając drobnych nieliniowości w obrębie danego przedziału kwantowania.

Do analizy nieliniowości w poszczególnych przedziałach: q służy jako kryterium pojęcie

nieliniowości różniczkowej.

Nieliniowość różniczkową definiuje się jako maksymalne względne odchylenie wielkości elementarnego przedziału kwantowania od jego wartości nominalnej, wyrażonej wzorem: (5). Rysunek 8. pokazuje fragment charakterystyki przetwarzania przetwornika trzybitowego z widoczną nieliniowością różniczkową. Nieliniowość ta jest dostrzegalna w czterech przedziałach kwantowania. ΔUImax N

Rzeczywista

charakterysty

ka

Rys.8. Wyznaczanie nieliniowości różniczkowej przetwornika a/c na podstawie jego charakterystyki przetwarzania.

Błędy powodowane przez nieliniowość różniczkową wyraża się najczęściej jako ułamek wartości LSB. W przytoczonym przykładzie (rysunek 8.) błędy te wynoszą odpowiednio:

+/-1_{A LSB oraz +/-} 1_{A LSB. Nieliniowości różniczkowej nie sposób się ustrzec. Każdy, nawet}

najlepiej zaprojektowany przetwornik a/c będzie wykazywał powyższą nieliniowość. Jej wielkość nie wpłynie znacząco na całkowity błąd pomiarowy, jeśli nie będzie ona przekraczać wartości: +/- 1_{A LSB.}

Jeżeli błąd nieliniowości różniczkowej przekracza granicę: +/- l LSB, to w przebiegu charakterystyki przetwarzania mogą wystąpić tzw. brakujące kody. Jest to zjawisko bardzo niebezpieczne, którego bezpośrednim skutkiem jest fakt, że na wyjściu przetwornika nigdy nie pojawią się pewne wartości cyfrowe, mimo zmian napięcia wejściowego w całym zakresie. Przykładowo rysunek 9, przedstawia sytuację w której mamy do czynienia z przetwornikiem a/c z brakującym kodem.

błąd ±1/2 LSB N U_I q 2q 3q 4q 5q 6q 7q U_FS 111 110 101 011 010 001 000 100 Idealna charakterystyka przetwarzania

Rys 9. Charakterystyka przetwarzania z brakującym kodem.

Słowo wyjściowe o wartości: 100 (BIN) nie pojawia się na wyjściu przetwornika, gdyż wskutek dużej nieliniowości różniczkowej następuje tutaj znaczne rozszerzenie sąsiedniego przedziału kwantowania, powodujące zanik przedziału kwantowania o wartości: 100 (BIN). Jeżeli błąd nieliniowości różniczkowej w całym zakresie przetwarzania danego przetwornika analogowo-cyfrowego nie przekracza: +/- l LSB daje to gwarancję, że nie wystąpią brakujące kody w charakterystyce przetwarzania.

Należy ponadto zaznaczyć, że wszystkie błędy związane z analogowymi cechami przetwornika a/c, tzn. błędy wzmocnienia, przesunięcia zera i nieliniowości, a także wpływ napięcia zasilającego i zmian termicznych decydują o wypadkowej dokładności przetwarzania, która jest określona na ogół jako dokładność względna i wyrażona w częściach najmniej znaczącego bitu LSB.

1.3.5 Kryterium „ Rozdzielczość a dokładność" przetwornika a/c.

Suma wszystkich błędów analogowych składających się na dokładność przetwornika, w całym zakresie temperatury pracy powinna się mieścić w granicach określonych rozdzielczością, czyli wartością szerokości przedziału kwantowania: q. W prawidłowo zaprojektowanym przetworniku a/c liczba bitów wyniku przetwarzania jest tak dobrana, że wartość błędu analogowego wyrażonego przez dokładność jest mniejsza od błędu kwantyzacji wynikającego z rozdzielczości. Zwiększanie liczby bitów wyniku, czyli zdolności rozdzielczej ponad granicę wynikającą z wielkości błędu analogowego, jest niecelowe, gdyż nie poprawia już dokładności przetwarzania.

1.3.6 Błędy cyfrowe wynikające z rozdzielczości

Błąd cyfrowy przetwornika a/c jest uwarunkowany przede wszystkim liczbą bitów słowa wyjściowego i może być określany jako:

- bezwzględna zdolność rozdzielcza ΔU, zwana też rozdzielczością pomiarową

] [ 2 mV U U _ FS_N 

- rozdzielczość względna, zwana też względną rozdzielczością pomiarową,

wyrażona jako wartość (7):

% 2 100 N W N 

znormalizowana rozdzielczość względna, wyrażana poprzez (8):

N R

N _{ 2}

Błąd cyfrowy reprezentowany jego zdolnością rozdzielczą stanowi granicę dokładności przetwornika analogowo-cyfrowego wynikającą z samej istoty procesu dyskretyzacji i kwantyzacji przy przetwarzaniu analogowo-cyfrowym.

1.3.7 Dynamiczne parametry przetworników analogowo-cyfrowych.

Drugim podstawowym parametrem przetwornika analogowo-cyfrowego, po jego rozdzielczości jest szybkość przetwarzania. Parametr ten jest uzależniony od czasu potrzebnego przetwornikowi na wykonanie konwersji. Szybkość przetwarzania można wyrazić poprzez:

- czas przetwarzania - zwany też czasem konwersji a/c, jest to czas liczony od

momentu zainicjowania konwersji do momentu generacji wyniku cyfrowego,

- częstotliwość przetwarzania, zazwyczaj równa częstotliwości próbkowania

przebiegu analogowego, jest ona na ogół mniejsza od odwrotności czasu przetwarzania,

- szybkość bitową.

Czas przetwarzania TC (TS) dokładnie określa się jako czas konieczny do jednego,

całkowitego przetworzenia na wielkość cyfrową sygnału analogowego o wartości równej pełnemu zakresowi przetwarzania.

Częstotliwość przetwarzania fC (fS) jest to maksymalna częstotliwość, z jaką mogą

następować kolejne konwersje sygnału wejściowego z zachowaniem określonej dokładności i rozdzielczości dla pełnego zakresu przetwarzania. Stwierdzenie, że częstotliwość przetwarzania fc jest na ogół mniejsza od odwrotności czasu konwersji a/c tłumaczy się tym,

że przetwornik pracując w zamkniętym cyklu potrzebuje pewnego czasu przed dokonaniem następnej konwersji. Czas ten potrzebny jest na ustalenie się warunków pracy układu tuż po dokonaniu przetworzenia analogowo-cyfrowego.

Szybkość bitowa jest określona przez liczbę bitów rezultatu przetwarzania uzyskanych w

jednostce czasu, np. bitów na sekundę. Pojęcie to wydawać się może nieprecyzyjne, gdyż jest ono uzależnione od rozdzielczości bitowej przetwornika a/c. Przykładowo jeżeli mamy dwa przetworniki a/c: - jeden o rozdzielczości 6-bitów, a drugi jest przetwornikiem ośmiobitowym, i obydwa te przetworniki charakteryzuje stała częstotliwość przetwarzania fc

równa przykładowo: 100 kHz, to szybkość bitowa określona w odniesieniu do przetwornika o 6-cio bitowej rozdzielczości wynosi: 600000 b/s, natomiast dla przetwornika ośmiobitowego wynosi ona: 800000 b/s. Z tego też powodu podaje się też szybkość przetwarzania jako ilość

próbek (ang. samples) jaką zdolny jest przetworzyć układ przetwornika a/c w czasie jednej sekundy.

Taka definicja szybkości przetwarzania jest bardziej precyzyjna w odniesieniu do przetworników a/c, charakteryzujących się takim samym czasem konwersji i różnymi zdolnościami rozdzielczymi.

Omawiając parametry związane z dokładnością przetwornika przyjęto dla uproszczenia, że sygnał analogowy podlegający przetwarzaniu jest niezmienny w czasie trwania konwersji. W rzeczywistości, nawet pomimo stosowania układów próbkująco-pamiętających wartość sygnału podczas przetwarzania zmienia się - jest to bezpośrednią przyczyną powstawania

błędu dynamicznego. Wartość sygnału w chwili rozpoczęcia konwersji różni się od wartości

sygnału po upływie czasu: TC. Sytuację taką przedstawiono na rysunku

Rys. 10. Powstawanie błędu dynamicznego w przetworniku a/c.

Różnica tych wartości jest właśnie błędem dynamicznym ΔUd przetwornika a/c. Błąd

dynamiczny zależy od czasu przetwarzania i szybkości zmian sygnału przetwarzanego. Im krótszy jest czas przetwarzania danego przetwornika, tym błąd dynamiczny jest mniejszy. Konstruując urządzenia w oparciu o przetworniki analogowo-cyfrowe dąży się do tego, aby błąd dynamiczny nie pogarszał zdolności rozdzielczej przetwornika. W tym celu, zależnie od szybkości zmian przetwarzanego sygnału należy dobierać przetwornik o odpowiednio krótkim czasie przetwarzania TC max tak, aby błąd dynamiczny był mniejszy od błędu

rozdzielczości. W wypadku przetwarzania sygnału sinusoidalnego, można skorzystać ze wzoru określającego maksymalny dopuszczalny czas przetwarzania, przy którym błąd dynamiczny jest mniejszy od wartości odpowiadającej szerokości przedziału kwantowania: q (9): f T_{C N}     2 1 max gdzie:

f-jest częstotliwością przebiegu sinusoidalnego, N - określa zdolność rozdzielczą przetwornika a/c.

Wymagania dotyczące czasu przetwarzania sygnałów zmiennych w czasie są stosunkowo ostre. Osiągnięcie dostatecznie krótkich czasów przetwarzania w układach o dużej rozdzielczości (powyżej 10-ciu bitów), częstokroć wymaga zastosowania dodatkowych, zewnętrznych układów próbkująco - pamiętających.

1.3.8 Pozostałe parametry przetworników analogowo-cyfrowych.

Oprócz wymienionych wyżej zasadniczych parametrów przetworników a/c, odnoszących się w sposób ogólny do każdej konstrukcji przetwornika a/c istnieją też parametry indywidualne odnoszące się do konkretnych aplikacji przetworników analogowo-cyfrowych. Należą do nich przede wszystkim:

a) Parametry wejścia analogowego (wejść analogowych) przetwornika a/c: - maksymalny zakres i polaryzacja napięcia wejściowego,

- rezystancja i pojemność wejściowa,

- ilość wejść (dla przetworników wyposażonych w multiplekser wejściowy), - konieczność stosowania układów dodatkowych takich jak:

- zewnętrzne układy próbkująco - pamiętające - wzmacniacze sygnału,

- filtry dolnoprzepustowe.

b) Parametry wyjścia cyfrowego (wyjść cyfrowych):

- standard napięciowy lub prądowy wyjść (logika TTL, CMOS, standardy przemysłowe),

- rodzaj wyjścia danych: (wyjście szeregowe lub równoległe) - protokół transmisji w przypadku wyjścia szeregowego, - obciążalność wyjść cyfrowych.

c) Parametry związane ze sterowaniem pracą przetwornika a/c: - uzależnienia czasowe przebiegów sterujących,

- czasy narastania i opadania impulsów wyzwalających konwersję, - możliwość samodzielnej pracy asynchronicznej.

d) Parametry związane z zasilaniem przetwornika:

- rodzaj zasilania układu (zasilanie symetryczne, asymetryczne, kilkoma napięciami), - parametry źródła napięcia referencyjnego (korzystanie ze źródła wbudowanego w strukturę przetwornika lub ze źródła zewnętrznego),

- konieczność zapewnienia stabilizacji napięć zasilających itp. e) Wymagania dodatkowe:

wymagania dodatkowe są sprecyzowane przez producenta dla konkretnej aplikacji sprzętowej przetwornika analogowo-cyfrowego.

1.4 Testowanie przetworników analogowo-cyfrowych.

Przetwornik analogowo-cyfrowy, traktowany jako przyrząd pomiarowy musi spełniać określone parametry narzucone przez aplikację, w której pracuje. Parametry określonych przetworników analogowo-cyfrowych są najczęściej ustalane w procesie ich projektowania i produkcji. Istnieją jednak konstrukcje monolitycznych przetworników analogowo-cyfrowych, w których można zewnętrznie ustalać i korygować niektóre parametry stosownie do danej aplikacji. Wraz z ewolucją metod przetwarzania analogowo-cyfrowego wykształciły się też metody testowania przetworników a/c. Diagnostyka tych układów pozwala dostarczyć niezbędne informacje, potrzebne już na etapie projektowania większych systemów, opartych

na przetwornikach analogowo- cyfrowych. Proces konwersji a/c jest procesem wieloparametrowym. Znajomość tych parametrów odgrywa dużą rolę w procesie przetwarzania. Testowanie przetworników analogowo-cyfrowych ma na celu analizę ich parametrów oraz wykrywanie ewentualnych nieścisłości lub uszkodzeń w tych układach. Podobnie jak w przypadku metod przetwarzania a/c, diagnostyka przetworników a/c bazuje na kilku najczęściej stosowanych metodach testowania. Dużym postępem w testowaniu przetworników a/c było zatrudnienie do tego celu komputera. Wpłynęło to na podniesienie dokładności wykonywanych analiz oraz zautomatyzowało i przyspieszyło wieloetapowy proces diagnostyczny. Z tego też powodu w ostatnich latach wykształciły się odrębne metody komputerowego testowania przetworników a/c. Są one implementowane w postaci specjalistycznego oprogramowania bezpośrednio w komputerowych urządzeniach testujących. Testowanie przetworników analogowo-cyfrowych z wykorzystaniem komputera stwarza szereg nowych możliwości kontrolowania przetworników za pomocą różnych metod przy niewielkich nakładach sprzętowych.

Do testowania przetwornika a/c w podstawowym zakresie wystarczy komputer wyposażony w przetwornik cyfrowo-analogowy o rozdzielczości pomiarowej większej od testowanego przetwornika a/c, oraz odpowiedni program numeryczny.

Zbudowane stanowisko laboratoryjne do badań przetworników a/c (rys. 11.) oferuje znacznie większe możliwości wykraczając poza podstawowy zakres badań przetworników. Zastosowanie profesjonalnej karty pomiarowo-sterującej pozwoliło w pełni wykorzystać jej możliwości w zakresie testowania przetworników a/c. Aby jednak najlepiej wykorzystać to olbrzymie zaplecze sprzętowe należy umiejętnie zarządzać całym systemem pomiarowym. Zadanie to powierzono komputerowi klasy PC oraz oprogramowaniu.

Kompletne stanowisko laboratoryjne do testowania przetworników a/c tworzy komputer PC z zainstalowaną kartą pomiarowo-sterującą PCL 818 L wraz z odpowiednim oprogramowaniem oraz modelowy przetwornik analogowo-cyfrowy. Połączenie pomiędzy układem modelowym a komputerem realizowane jest specjalnym przewodem. Z zasobów sprzętowych, jakie oferuje nam karta PCL 818 L wykorzystano:

- szesnastobitowy równoległy port wejściowy (wykorzystano 9 bitów), - szesnastobitowy równoległy port wyjściowy (wykorzystano 4 bity), - 12-bitowy przetwornik cyfrowo-analogowy,

- 12-bitowy przetwornik analogowo-cyfrowy sprzężony z 16-sto wejściowym multiplekserem analogowym (wykorzystano dwa kanały).

2.1 Cel ćwiczenia.

Celem niniejszego ćwiczenia jest zapoznanie się z zasadą pracy kompensacyjnego przetwornika analogowo-cyfrowego, oraz przeprowadzenie badań modelowego przetwornika a/c i wyznaczenie jego podstawowych parametrów.

2.2 Obsługa komputerowego stanowiska do diagnostyki przetworników a/c.

W ramach niniejszego ćwiczenia zostanie przeprowadzony cykl badań modelowego przetwornika a/c na komputerowym stanowisku laboratoryjnym. Modelowy przetwornik analogowo-cyfrowy (rys. 12.) należy połączyć z komputerem (kartą pomiarowo-sterującą PCL 818 L) za pomocą odpowiedniego przewodu, zakończonego wtykiem typu: DB25. Wtyk ten należy umieścić w gnieździe modelu, umieszczonym z tyłu, oznaczonym: „PCL 818 L".

Rys. 12. Widok ogólny modelowego przetwornika analogowo-cyfrowego.

Jeżeli na panelu połączeniowym przyrządu są wykonane jakiekolwiek połączenia to należy je usunąć !

Modelowy przetwornik a/c współpracując z komputerem jest zasilany z zasilacza komputera, z tego też powodu nie należy podłączać żadnych dodatkowych źródeł zasilania modelu, zwłaszcza do gniazd: „+5V" oraz tylnej listwy zaciskowej: „ARK 4". Listwa ta służy do

doprowadzenia zasilania dla przyrządu w przypadku wykorzystywania go poza komputerowym stanowiskiem diagnostycznym.

Należy pamiętać, że podłączanie czegokolwiek do komputera podczas gdy jest on włączony grozi uszkodzeniem komputera i modelu przetwornika !

Po dokonaniu instalacji przetwornika a/c należy włączyć komputer i uruchomić z poziomu: Windows '95 program: „Przetac.exe". Skrót do tego programu, wraz z odpowiednią ikoną został wcześniej utworzony i znajduje się na blacie Windows. Po uruchomieniu programu zgłosi się on swoim oknem:

Program sterujący podstawowym cyklem diagnostycznym posiada następujące cechy :

- możliwość przeprowadzenia kompleksowych testów statycznych i dynamicznych przetwornika analogowo-cyfrowego zamontowanego w układzie modelowym. Model umożliwia testowanie najbardziej rozpowszechnionej rodziny przetworników a/c typu: ADC 0808/09,

- wizualizację graficzną i cyfrową wyników badań oraz zapisywanie ich do pliku w celu dalszych analiz z wykorzystaniem specjalistycznego oprogramowania do obróbki danych (MathLab™, Grapher™ itp.),

- wykonywanie standardowych cyklów pomiarowych z wykorzystaniem układu modelowego jako wielokanałowego przetwornika pomiarowego. Możliwe jest więc zbudowanie małego systemu pomiarowego z wizualizacją i akwizycją przeprowadzanych pomiarów,

- korzystanie z własnych procedur komunikacyjnych z kartą pomiarową, w związku z czym program nie wymaga od systemu żadnych dodatkowych bibliotek.

Poniżej przedstawiono powiększone okno główne programu (rys. 13) z wyszczególnieniem funkcji pełnionych przez poszczególne komponenty (tab.1):

Rys. 13. Okno główne programu. Tabela l. Legenda oznaczeń okna głównego programu.

Oznaczenie liczbowe na

rysunku 13. Rodzaj komponentu; Skrócony opis funkcji: 1. Lista Wybór adresu bazowego

karty pomiarowej 2. Lista Wybór adresu wejścia

(kanału) pomiarowego przetwornika a/c modelu

3. Okno Wyświetlanie wartości napięcia zadanego przetwornikiem c/a karty

4. Suwak Zadawanie napięcia przetwornik c/a karty 5. Kalibratory Jak wyżej, ale regulacja dokładna, co jeden

krok

przetwornika c/a karty 6. Klawisz Zgromadzonych do pliku

7. Klawisz Wywołanie okna informacyjnego

8. okna Wyświetlanie wyniku konwersji a/c w czterech postaciach cyfrowych

9. Swith Wybieranie opcji diagnostycznych 10, Swith Wybieranie opcji pomiarowych 11 Klawisz Uruchamianie wybranej opcji 12 Klawisz Zatrzymanie wybranej

opcji

13 Okno Wyświetlanie wartości napięcia wyjściowego z przetwornika c/a karty, kontrolowane

dodatkowo

przetwornikiem a/c karty

14. Okno Wyświetlanie wartości napięcia mierzonego przez

woltomierz pomocniczy

15. Klawisz Odrysowywanie wykresu lub odświeżanie ekranu w przypadku wystąpienia kolizji multitaskingu w

Windows 95

16. Paint Box Wizualizacja graficzna procesu diagnostycznego

2.3 Obsługa programu.

Program umożliwia przeprowadzenie testowania statycznego i dynamicznego przetwornika modelowego. Możliwe jest także dokonywanie pomiarów połączonych z ich rejestracją w oknie wizualizacyjnym: 16.

Przed wykonywaniem jakichkolwiek czynności należy sprawdzić i ewentualnie skorygować adres bazowy karty. Adres ten ustawiony w momencie instalacji karty powinien się zgadzać z wartością wskazywaną w oknie: 1 (powinien wynosić 300h). Zmiany tego adresu można dokonać wpisując do tego okna nową wartość lub też posługując się strzałkami ustawić właściwy adres karty.

Wyboru rodzaju pracy stanowiska dokonujemy przez kliknięcie myszką w oknie:

„Rodzaj pracy". Sekcja oznaczona na rysunku 13 jako: 9 uruchamia podprogramy do

testowania statycznego i dynamicznego, natomiast sekcja: 10 przeznaczona jest do wykonywania pomiarów.

Okno: 2 wskazuje adres wejścia (kanału) pomiarowego przetwornika modelowego. W zależności od rodzaju pracy stanowiska adres ten można zmieniać posługując się strzałkami -w niektórych przypadkach tj. podczas testó-w statycznych i dynamicznych adres ten jest odgórnie ustalony.

2.3.1 Test statyczny:

W celu sprawdzenia działania układu modelowego sterowanego komputerem należy wybrać z menu: 9 tryb: „Test statyczny" poprzez kliknięcie myszką na właściwym polu.

Test statyczny polega na tym, że zadawana jest pewna określona stała wartość napięcia na przetwornik c/a karty PCL 818 L, która jest mierzona przez przetwornik modelu i wyświetlana w oknie: 8. Wartość tego napięcia zadajemy suwakiem: 4. Do dokładnej regulacji służą strzałki: 5. Wartość zadana napięcia jest każdorazowo wyświetlana w oknie: 3. i przedstawiana w dwóch postaciach: - bezpośrednio w woltach oraz w postaci dziesiętnej wartości liczbowej zadawanej na przetwornik cyfrowo-analogowy karty PCL 818 L.

Napięcie zadane jest dodatkowo mierzone przetwornikiem a/c karty pomiarowej. Wartość zmierzona jest wyświetlana w oknie: 13 („Kontrola napięcia"). Test statyczny wymusza automatycznie zerowy adres kanału pomiarowego przetwornika modelowego. Po ustawieniu napięcia zadanego uruchamiamy test klawiszem: 11 („Start"). Przetwornik modelowy dokonuje jednokrotnej konwersji, której wynik jest przedstawiany w oknie: 8. W celu łatwiejszej interpretacji wprowadzono konwersję wyniku pomiarowego do czterech postaci: - wynik pomiaru przedstawiony w woltach, w kodzie dziesiętnym (wartości: O ... 255 ), w kodzie spolaryzowanym (wartości: -127...127) oraz w kodzie szesnastkowym.

Test statyczny pozwala na określenie następujących parametrów przetwornika analogowo-cy frowego:

- określenie błędu niezrównoważenia zera,

- określenie rzeczywistego wejściowego zakresu napięciowego,

- sprawdzenie przetwornika a/c pod względem występowania brakujących kodów. 2.3.2 Test statyczny - określenie błędu niezrównoważenia zera.

Błąd niezrównoważenia zera można określić wykonując test statyczny przetwornika przy zadanym zerowym napięciu. Zadając napięcie suwakiem: 4 należy dodatkowo sprawdzić wskazanie kontrolne w oknie: 13. Po uruchomieniu testu (klawisz: „Start") odczytać wartość wyświetlaną w oknie: 8. Wartość różna od zera świadczy o błędzie niezrównoważenia zera.

2.3.3 Test statyczny - określenie pełnego zakresu napięciowego konwersji przetwornika

a/c.

Aby określić, czy badany przetwornik posiada liniowa charakterystykę przetwarzania niezbędnym testem, oprócz sprawdzenia błędu niezrównoważenia zera, jest określenie pełnego zakresu napięciowego. Badanie to można wykonać przy okazji przeprowadzania testu statycznego jak i dynamicznego. W tym celu należy ustawić suwak: 4 w położeniu odpowiadającym największej wartości napięcia zadanego. Następnie uruchamiamy test klawiszem: „Start" i sprawdzamy wynik testu.

Gdy wartości wyświetlane w oknie: 8 są mniejsze od wartości maksymalnych (5,00V; 255; 127; FFh), może to świadczyć o nieodpowiedniej wartości napięcia referencyjnego przetwornika modelowego. Jeżeli wskazywana jest wartość maksymalna (wartości maksymalne), świadczy to o tym, że badany przetwornik a/c swoim działaniem pokrywa cały zakres napięć wejściowych.

Pozostaje jeszcze do sprawdzenia liniowość konwersji oraz czy nie występuje zjawisko „nasycenia" się przetwornika. Badania te lepiej przeprowadzić w oparciu o wyniki testu dynamicznego, gdyż ewentualne błędy liniowości są łatwo zauważalne na wykresie graficznym. Przy testowaniu statycznym w tym przypadku należałoby powtórzyć powyższa operację co najmniej 16 razy, zmniejszając każdorazowo napięcie zadane o jeden krok i obserwując wynik konwersji.

2.3.4 Test statyczny - sprawdzenie przetwornika analogowo-cyfrowego pod kątem występowania tzw. brakujących kodów.

Testowanie to najlepiej przeprowadzić po wykonaniu testu dynamicznego. Obserwując wynik testu dynamicznego w postaci dwukierunkowej charakterystyki przetwarzania można na jej podstawie dokładnie określić miejsca, w których mogą wystąpić brakujące kody. Miejsca te na wykresie można łatwo rozpoznać, gdyż charakterystyka w tych miejscach traci swą monotoniczność.

Po zgrubnym określeniu wartości napięcia zadanego odpowiadającemu tym miejscom na charakterystyce zadajemy statycznie napięcie należące do przedziału: < UZ(k-16)...UZ ...

UZ (k+16) >

gdzie: UZ - wartość napięcia zadanego przy którym zachodzi podejrzenie brakującego kodu na

podstawie charakterystyki przetwarzania, UZ (k-16) - wartość napięcia zadanego mniejsza od

UZ o wartość szesnastu próbek (kroków) przetwornika c/a karty pomiarowej,

UZ (k+16) - podobnie jak wyżej, ale jest to napięcie wyższe od UZ o wartość szesnastu próbek

(kroków) zadanych suwakiem: 4 lub strzałkami: 5.

Testując statycznie przetwornik a/c poprzez zadawanie kolejnych wartości napięcia z wyżej wymienionego przedziału można bardzo dokładnie określić ewentualne miejsca występowania brakujących kodów.

2.4 Test dynamiczny.

Test powyższy przebiega automatycznie i polega na wykonaniu: 8192 cykli konwersji przetwornika modelowego, na wejście którego podawane jest napięcie schodkowe wytwarzane przez 12-bitowy przetwornik c/a karty PCL 818 L.

Test przebiega dwukierunkowo, to znaczy dla przypadku gdy napięcie zadane systematycznie narasta ze stałym nachyleniem czasowym a po osiągnięciu maksimum opada.

Wyniki tych 8192 pomiarów przechowywane są w pamięci komputera jako tablica. Po zakończeniu testu są one zapisywane w ustalonym formacie do wskazanego pliku. Umożliwia

to ich późniejsze wykorzystanie do przeprowadzania analiz za pomocą specjalistycznego oprogramowania do obróbki matematycznej wyników pomiarów.

Zastosowanie testowania dwukierunkowego miało na celu możliwość zbadania błędów histerezowych komparatora w analogowo-cyfrowym przetworniku kompensacyjnym.

Test dynamiczny uruchamia się klawiszem: „Start" (11) po jego wcześniejszym wybraniu w oknie: 9. W każdej chwili test można zatrzymać klawiszem: „Stop" (12) i ponownie wznowić od miejsca zatrzymania klawiszem: „Start". W przypadku chęci wznowienia testu dynamicznego od początku po zatrzymaniu należy kliknąć w oknie: 9 na „Test statyczny" a następnie ponownie na „Test dynamiczny". Klawisz: „Start" inicjuje wówczas nowy test.

Wyniki pracy programu w tym trybie można obserwować w oknie wizualizacyjnym: 16. W oknie tym rysowana jest prowizoryczna charakterystyka przetwarzania. W niektórych przypadkach rysowanie charakterystyki może być zakłócone - wówczas należy użyć klawisza: „Odśwież" (15) co zawsze powoduje odrysowanie ostatniej charakterystyki z danych zgromadzonych w pamięci.

Wizualizacja procesu diagnostycznego przebiega też w oknach: 3, 8 i 13. Aby zaobserwować ewentualne nieprawidłowości w pracy przetwornika lub też zapoznać się z jego normalną pracą, test dynamiczny przebiega ze stosunkowo niewielką szybkością, pozwalającą na bieżącą, „naoczną" kontrolę wskazań.

Wyniki testu dynamicznego można zapisać do pliku. W pliku przechowywane są dane w postaci par liczb. Pierwsza z nich to liczba z przedziału: O ... 4095, określająca wartość napięcia zadaną na przetwornik c/a karty pomiarowej, natomiast druga liczba danej pary to wynik konwersji tego napięcia w przetworniku a/c modelu (zakres: O ... 255). Plik danych testu dynamicznego ma stałą wielkość. W przypadku przeprowadzenia niepełnego, przerwanego klawiszem: „Stop" testu dynamicznego, do pliku zapisane zostaną wyniki testu uzupełnione zerami do jego znormalizowanego rozmiaru. Aby zapisać wyniki testu do pliku należy (po zakończeniu testu) użyć klawisza: „Zapis" (6). Powoduje to otworzenie windowsowego okna: „Zapisz jako:". Po podaniu nazwy pliku (nazwa domyślna: „dane.dat") oraz nazwy napędu nastąpi zapis danych (Rysunek 14.). Na podstawie otrzymanych wyników testu dynamicznego można określić takie parametry przetwornika analogowo-cyfrowego jak: 1) błąd wzmocnienia,

2) błąd przesunięcia zera,

3) nieliniowość różniczkową przetwornika, 4) nieliniowość całkową przetwornika, 5) nachylenie charakterystyki przetwarzania, 6) występowanie brakujących kodów.

Rys. 14. Zapis wyników pomiarów do pliku

Obsługa tego okna nie wymaga komentarza. Strukturę pliku : „dane.dat" można obejrzeć pod dowolnym edytorem tekstu. Kliknięcie na klawisz:„O programie" (7) powoduje wyświetlenie krótkiej informacji na temat programu w postaci przedstawionej poniżej:

Rys. 15. Okno informacyjne programu.

2.5 Wykonywanie pomiarów.

Modelowy przetwornik analogowo-cyfrowy zamontowany na stanowisku diagnostycznym może też służyć do wykonywania pomiarów i pracy jako mały system pomiarowy wspomagany komputerowo. Program sterujący daje tutaj dwie możliwości wykorzystania układu: - przeprowadzanie pomiarów jednorazowych z każdego kanału pomiarowego wraz z konwersją wyników do czterech postaci, oraz wykonywanie pomiarów cyklicznych połączonych z ich wizualizacją czasową (symulacja prostego oscyloskopu).

W tym drugim przypadku istnieje możliwość zapisywania do pliku analizowanych przebiegów. Ze względu na ograniczoną ilość miejsca w tablicy przechowującej dane z

pomiarów, zapisowi do pliku odpowiada zawsze ostatnie 8192 próbki.

W celu sprawdzenia układu pod kątem przeprowadzania pomiarów należy wybrać z menu: 10 jedną z opcji. W przypadku wybrania opcji: „Pomiar jednorazowy" obsługa programu nie różni się dużo niż przy opcji: „Test statyczny" z tym, że możliwa jest każdorazowa zmiana adresu wejścia (kanału) pomiarowego przetwornika a/c. Możliwe jest więc sprawdzenie poprawności konwersji w kanale o adresie: l (adres wybierany jest z listy: 2 za pomocą strzałek). Adres ten dotyczy wejścia pomiarowego, do którego doprowadzane jest napięcie z przetwornika c/a karty pomiarowej po podzieleniu go przez cztery. Pozwala to przetestować statycznie liniowość konwersji przetwornika a/c w początkowym zakresie napięć wejściowych.

Napięcie zadane regulujemy suwakiem: 4, przy czym wartości cyfrowe wskazywane w oknach: 3 i 13 należy podzielić przez 4.

Wybranie adresu wejścia: 3 pozwala sprawdzić działanie potencjometru P1 modelu przetwornika. Drugi kanał pomiarowy przeznaczony jest do kontroli napięcia referencyjnego. Prawidłowa jego wartość powinna wynosić: 5V.

Dokonywanie pomiarów sygnałów z wejść o adresach: od 4 do 7 pozwala wykorzystać przetwornik w charakterze jednozakresowego woltomierza. Należy jednak tutaj przestrzec użytkowników przyrządu aby nie dokonywać ze względów bezpieczeństwa pomiarów w

układach nie separowanych galwanicznie od sieci energetycznej. Zasilanie układu badanego poprzez autotransformator nie zapewnia takiej separacji!

Wybranie opcji: „pomiar cykliczny" zamienia stanowisko diagnostyczne w prosty oscyloskop.

Określenie: „prosty" oznacza stosunkowo niewielkie możliwości takiego układu: - jeden zakres pomiarowy: 0...5Y,

- jeden „zakres" podstawy czasu,

- wyzwalanie podstawy czasu nie jest synchronizowane badanym przebiegiem,

- mała szybkość pracy predestynująca układ do rejestrowania przebiegów o częstotliwościach przemysłowych.

Układ ten ma jednak pewne cechy wyróżniające go spośród innych rozwiązań: - cztery autonomiczne kanały pomiarowe,

- możliwość zapisu danych w formie pliku,

- przechowywanie w pamięci komputera ostatnio kreślonego przebiegu z

możliwością jego szybkiego odrysowania klawiszem: „Odśwież", - automatyczna konwersja wyników do czterech postaci,

3. Opracowanie wyników.

W ramach niniejszego ćwiczenia, po zapoznaniu się z układem modelowym i obsługą programu należy wykonać statyczne testowanie przetwornika a/c (opisane szerzej w punkcie: 2.3. ł), i na jego podstawie określić:

- błąd niezrównoważenia zera,

- rzeczywisty wejściowy zakres napięciowy UFS>

- sprawdzenie przetwornika a/c pod względem występowania brakujących kodów. W drugim etapie należy przeprowadzić test dynamiczny (opisany szerzej w punkcie: 2.4), i jego wyniki zapisać do pliku (obsługa programu - punkt: 2.3 i 2.4). Wyniki można wstępnie obejrzeć pod dowolnym edytorem tekstu. Przedstawiają one w postaci dwóch kolumn wyniki kolejnych testów. Pierwsza kolumna zawiera wartości liczbowe z zakresu: 0...4095...O zadawane na przetwornik c/a karty pomiarowej. Napięcie schodkowe generowane przez

przetwornika c/a jest następnie każdorazowo mierzone przetwornikiem modelowym. Wyniki tych pomiarów zawiera druga kolumna tekstowa pliku (wartości liczbowe z zakresu: 0...255...0). Testowanie dynamiczne przebiega w obu kierunkach zmian napięcia aby umożliwić stwierdzenie ewentualnego występowania błędu histerezy w badanym przetworniku a/c. Dysponując wynikami testu dynamicznego należy wykonać przy pomocy pakietu: „Grapher" charakterystyki przetwarzania układu modelowego. W oparciu o powyższe charakterystyki (jedna dla przypadku, narastania napięcia przetwarzanego, druga dla przypadku opadania schodkowego napięcia testującego), należy wyznaczyć graficznie lub analitycznie następujące parametry badanego przetwornika analogowo-cyfrowego:

- całkowita liniowość przetwarzania, - błąd przesunięcia zera,

- błąd wzmocnienia, - nieliniowość całkową,

- nieliniowość różniczkową dla środka zakresu przetwarzania, - występowanie brakujących kodów,

- błąd histerezowy przetwornika.

Niezbędne informacje teoretyczne zawarto w punkcie: 1.3 niniejszego opracowania. Więcej informacji dotyczących metod przetwarzania analogowo-cyfrowego, konstrukcji przetworników, metod testowania i opracowywania wyników pomiarów zawiera podana niżej literatura.

4. Literatura.

[1] Kulka Z., Libura A., Nadachowski M.:

Przetworniki analogowo-cyfrowe i cyfrowo analogowe. WKŁ Warszawa 1987 r.

[2] Kulka Z., Nadachowski M.:

Liniowe układy scalone i ich zastosowanie. WKŁ Warszawa 1981 r.

[3 ] Nadachowski M.:

Przetworniki analogowo-cyfrowe.

Cykl artykułów technicznych, publikowanych w miesięczniku „Radioelektronik" numery: 1-7/1985

Wydawnictwo czasopism i książek technicznych „Sigma" Warszawa 1985 r.

[4] Dyszyński J.? Hagel R.:

Miernictwo elektryczne. WSiP Warszawa 1991 r.