1TE_26.03.2020_pomiary elektryczne i elektroniczne_Kubanek
1
Nauczyciel: Dariusz Kubanek
Przedmiot: Pomiary elektryczne i elektroniczne
Temat lekcji: Przeznaczenie i rodzaje przetworników analogowo-cyfrowych – wstęp do badania przetworników
Klasa :1TE
Data lekcji: 26.03.2020 Wprowadzenie do tematu:
Przetworniki analogowo-cyfrowe zajmują wśród układów elektronicznych miejsce szczególnie ważne, gdyż stanowią ogniwo pośredniczące między dziedziną informacji analogowej – najczęściej dostarczanej przez czujniki, a dziedziną informacji cyfrowej – najczęściej nadającej się do obróbki komputerowej i do przechowywania w pamięciach. Zadaniem przetwornika a/c jest przetwarzanie analogowej wartości sygnału, zwykle napięciowego, na równoważną mu wartość cyfrową. Przetworniki a/c są układami o skomplikowanej budowie i z tego względu stosunkowo późno zaczęto je produkować w postaci monolitycznej. Obecnie jest już produkowanych kilkanaście typów przetworników monolitycznych i bardzo wiele hybrydowych. Mimo to, często zarówno ze względów ekonomicznych, jak i technicznych, buduje się przetworniki a/c w postaci układów dyskretnych zawierających również układy scalone- głównie komparatory napięcia i wzmacniacze operacyjne.
Istnieje wiele metod przetwarzania analogowo-cyfrowego, jak również wiele sposobowi klasyfikacji tych metod. Metody przetwarzania można podzielić na m e t o d y b e z p o ś r e d n i e i p o ś r e d n i e . W układach opartych na metodach bezpośrednich następuje od razu porównanie wielkości
przetwarzanej z wielkością odniesienia. Do tej grupy zaliczają się przetworniki z bezpośrednim porównaniem oraz przetworniki kompensacyjne. Przy metodach pośrednich najpierw odbywa się zamiana wielkości przetwarzanej na pewną wielkość pomocniczą (np. czas lub częstotliwość), porównywaną następnie z wielkością odniesienia. W zależności od rodzaju wielkości pomocniczej wyróżnia się metodę c z ę s t o t l i w o ś c i o w ą i metodę c z a s o w ą (prostą lub z dwukrotnym całkowaniem).
Powyższy podział metod jest oparty na kryterium zasady przetwarzania. Drugim ważnym kryterium jest kryterium czasu, w którym odbywa się przetwarzanie. Pod tym względem metody przetwarzania można podzielić na metody c h w i l o w e o r a z m e t o d y i n t e g r a c y j n e . W metodach chwilowych wynik przetwarzania odpowiada wartości sygnału w pewnej chwili znacznie krótszej od okresu, w którym zachodzi przetwarzanie. Do metod chwilowych należy np. metoda bezpośredniego porównania, metoda kompensacyjna oraz metoda czasowo prosta. W metodach integracyjnych natomiast wynik przetwarzania odpowiada średniej wartości sygnału w okresie integracji, zajmującym na ogół znaczną część okresu przetwarzania. Do metod integracyjnych zalicz się między innymi metodę czasową z dwukrotnym całkowaniem oraz metodę częstotliwościową.
Przetworniki a/c są stosowane nie tylko do przetwarzania napięć stałych, lecz także do przetwarzania napięć zmieniających się w czasie. W tym przypadku pobieranie i przetwarzanie próbek napięcia następuje w wybranych chwilach czasu, na ogół periodycznie z pewną częstotliwością próbkowania. Podczas trwania konwersji w przetworniku wartość sygnału wejściowego może ulec zmianom, co powoduje powstawanie pewnego błędu o wartości zależnej od wzajemnej relacji szybkości zmian sygnału i szybkości przetwarzania. W celu uniknięcia tego błędu, szczególnie przy przetwarzaniu napięć szybkozmiennych, stosuje się układ próbkujący z pamięcią, który umieszczony przed przetwornikiem utrzymuje stałą wartość sygnału podczas przetwarzania. W torze przetwarzania a/c znajduje się również często multiplekser analogowy, umożliwiający przemienne próbkowanie wielu sygnałów za pomocą jednego przetwornika.
Ważnym zagadnieniem jest określenie minimalnej częstotliwości próbkowania, zapewniającej pełne odtworzenie sygnału analogowego po przetworzeniu go w postać cyfrową. Problem tan został teoretycznie rozwiązany w postaci tzw. p r a w a p r ó b k o w a n i a . Mówi ono, że cała informacja zawarta
1TE_26.03.2020_pomiary elektryczne i elektroniczne_Kubanek
2
w sygnale ciągłym zmieniającym się w czasie może być wyrażona za pomocą kolejnych próbek cyfrowych jego wartości, jeśli częstotliwość próbkowania fs jest co najmniej dwukrotnie większa od maksymalnej częstotliwości fmax występującej w widmie sygnału, czyli jeśli
fs 2fxmax
Najpowszechniej obecnie stosowanymi metodami przetwarzania są te, które dobrze nadają się do realizacji za pomocą układów scalonych lub do realizacji monolitycznej.
Przetwarzanie sygnałów analogowych na postać cyfrową odbywa się w trzech etapach:
1. próbkowanie i zapamiętanie wartości sygnału analogowego
2. kwantowanie – określenie numeru przedziału, w którym znajduje się wierzchołek próbki 3. kodowanie – zamiana numeru przedziału na kod binarny
Każdy przetwornik a/c przetwarza sygnały analogowe zawarte w pewnym przedziale napięcia, określonym przez tzw. napięcie referencyjne Uref, podane na odpowiednie wejście przetwornika. Zakres przetwarzania podzielony jest na przedziały (kwanty), których liczba zależy od długości słowa binarnego na wyjściu przetwornika. Np. jeżeli przetwornik jest 4-bitowy,liczba przedziałów kwantowania wynosi 16, natomiast jeśli przetwornik jest 8-bitowy liczba ta wynosi 256. Każdy z tych przedziałów ma swój numer.
Na wyjściu przetwornika pojawia się numer przedziału, w którym znajduje się wierzchołek próbki, wyrażony w kodzie binarnym.
Poniższy rysunek przedstawia związek pomiędzy wysokością próbki, numerem przedziału i sekwencją kodu sygnału wyjściowego w przetworniku 4-bitowym.
Wysokość próbki
Numer przedziału 1111
1110 1101 11001011 1010 10011000 0111 0110 01010100 0011 0010 00010000
Uref
Zakres przetwarzania napięcia wejściowego Kod
wyjściowy
Parametry przetworników a/c
Najważniejszymi właściwościami przetworników a/c są parametry określające ich dokładność i szybkość przetwarzania.
D o k ł a d n o ś ć p r z e t w a r z a n i a jest ograniczona przez błędy powstające w procesie przetwarzania, które można ogólnie podzielić na błędy cyfrowe i analogowe, co wynika z charakteru samego przetwornika, Mającego cechy zarówno układu analogowego, jak i cyfrowego. Do parametrów określających błąd analogowy należą:
1. nieliniowość całkowa, 2. nieliniowość różniczkowa, 3. błąd przesunięcia zera, 4. błąd skalowania.
Błąd cyfrowy przetwornika a/c jest uwarunkowany liczbą bitów słowa wyjściowego i może być określony jako:
1. bezwzględna zdolność rozdzielcza
U
, 2. rozdzielczość względna,3. rozdzielczość równa 2-n.
1TE_26.03.2020_pomiary elektryczne i elektroniczne_Kubanek
3
Szybkość przetwarzania przetwornika a/c może być określona przez:
a)
czas przetwarzania, czyli czas, w którym zachodzi pełny cykl przetwarzania,b)
częstotliwość przetwarzania, będąca odwrotnością czasu przetwarzania,c)
tzw. szybkość bitową, określoną przez liczbę bitów wyniku przetwarzania, uzyskanych w jednostce czasu (bitów/s).Oprócz najważniejszych wymienionych parametrów przetwornika a/c związanych z jego dokładnością i szybkością definiuje się taż inne właściwości o charakterze eksploatacyjnym, jak np.:
maksymalny zakres o polaryzacja napięcia wejściowego, impedancja wejściowa,
rodzaj kodu słowa wyjściowego, obciążalność wyjść,
rodzaj zasilania.
1.
Przetwornik a/c programu EWB 5W programie EWB-5 mamy do dyspozycji przetwornik a/c jak na rysunku poniżej.
ADC DO D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 V IN V REF+
V REF- SOC OE
Wejścia i wyjścia przetwornika a/c mają następujące oznaczenia i przeznaczenie:
V IN – wejście sygnału analogowego,
V REF+ - wejście dodatniego napięcia referencyjnego określające maksymalną wartość dodatniego napięcia na wejściu V IN,
V REF- - wejście ujemnego napięcia referencyjnego określające maksymalną wartość ujemnego na wejściu V IN,
SOC – wejście zewnętrznego sygnału taktującego określającego częstotliwość przetwarzania, OE – wejście uaktywniające układ,
D0 D7 – wyjście cyfrowe.
1TE_26.03.2020_pomiary elektryczne i elektroniczne_Kubanek
4
Pytania
1. Jakie zadanie spełnia przetwornik a/c?
2. Podział metod przetwarzania analogowo-cyfrowego.
3. Do czego stosujemy przetworniki A/C?
4. O czym mówi tzw.„prawo próbkowania”?
Praca własna: Odpowiedzi na pytania i odesłać do 3 kwietnia 2020 n/w email Informacja zwrotna: d.kubanek67@gmail.pl
