Program Rozwojowy Politechniki Warszawskiej, Zadanie 36 Przygotowanie i modernizacja programów studiów oraz materiałów dydaktycznych na Wydziale Elektrycznym

Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.

Laboratorium

Akwizycja, przetwarzanie i przesyłanie danych pomiarowych

Ćwiczenie

Przetwarzanie sygnałów pomiarowych

Instrukcje do ćwiczenia i dodatkowe materiały zmodernizowano przy wykorzystaniu środków otrzymanych w ramach Zadania 36 Programu Rozwojowego Politechniki Warszawskiej

Ćwiczenie – Przetwarzanie sygnałów pomiarowych

str. 2

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest poznanie podstawowych właściwości przetworników stosowanych w przyrządach

i systemach pomiarowych.

2. Wprowadzenie teoretyczne

Przetwornikiem pomiarowym wielkości elektrycznej X nazywamy obwód elektryczny, który przystosowuje

mierzoną wielkość do postaci Y łatwiej mierzalnej. Wielkość Y musi być związania określoną zależnością

z wielkością X. Wśród przetworników analogowych wyróżnia się przetworniki skali, takie jak boczniki, dzielniki

napięcia, przekładniki, wzmacniacze oraz przetworniki zmieniające charakter wielkości elektrycznej, takie jak

przetworniki prostownikowe, przetworniki wartości skutecznej RMS-DC, przetworniki mocy, częstotliwości i inne.

Osobną grupę stanowią przetworniki analogowo-cyfrowe, stanowiące we współczesnych przyrządach i systemach

pomiarowych bardzo ważny element toru przetwarzania sygnałów.

W instrukcji omówiono wybrane przetworniki analogowe i jeden z rodzajów przetworników analogowo-cyfrowych

(przetwornik z kompensacja wagową).

2.1. Przetworniki analogowe

Prostym przykładem przetwornika skali jest bocznik stosowany przy pomiarach prądu Ix, rys.1.

Ix Rb

Ub Rys. 1. Schemat bocznika o 4 zaciskach przeznaczonego do pomiaru prądu

Mierzony prąd Ix wyznacza się z pomiaru napięcia Ub na rezystancji bocznika Rb.

b

bx

R

UI ( 1)

Innym przykładem przetwornika jest wzmacniacz pomiarowy, rys. 2, o współczynniku wzmocnienia ku = Uwy/Uwe,

stosowany do pomiarów małych napięć i jednocześnie zapewniający dużą rezystancję wejściową układu.

ku

Uwe Uwy

Rys. 2. Wzmacniacz pomiarowy jako przetwornik napięcia

Mierzoną wartość napięcia Ux, doprowadzoną do wejścia wzmacniacza można określić na podstawie pomiaru

większego napięcia wyjściowego Uwy

u

wy

wexk

UUU ( 2)

Drugą grupę stanowią przetworniki zmieniające charakter wielkości mierzonej. Przy pomiarach napięć i prądów

przemiennych stosuje się przetworniki prostownikowe. Ich zadaniem jest przystosowanie napięcia lub prądu

przemiennego do pomiaru miernikiem prądu stałego, analogowym lub cyfrowym. Przykłady pasywnych (bez

wzmacniaczy) przetworników prostownikowych pokazano na rys. 3.

W układzie a) lub b) przetwornika z rys. 3 z pomiaru wartości średniej napięcia lub prądu wyjściowego można

określić wartość napięcia wejściowego. Najczęściej napięcie przemienne określa się w wartościach skutecznych

Usk (oznaczanych też URMS). Zależność wartości średniej Uśr (oznaczanej też Uav) przebiegu wyprostowanego od

wartości skutecznej Usk jest związana z kształtem przebiegu przemiennego i określa ją współczynnik kształtu

krzywej

śr

skk

U

Uk ( 3)

Dla przebiegu sinusoidalnego kk = 1,11 , dla prostokątnego kk = 1,00, dla innych kształtów współczynnik ten ma

inne wartości. Mierniki wyposażone w przetworniki wartości średniej są skalowane w wartościach skutecznych

przebiegu sinusoidalnego. Przy pomiarach przebiegów o innych kształtach występują znaczne błędy pomiaru, tzw.

błędy od kształtu krzywej.

Ćwiczenie – Przetwarzanie sygnałów pomiarowych

str. 3

Uwe Uśr

R

Uwe

Uśr

R

CUwe Um

b)

c)

a)

Rys. 3. Przykłady układów przetworników prostownikowych : a) jednopołówkowy wartości średniej,

b) dwupołówkowy wartości średniej, c) wartości szczytowej

Układ c) z rys.3 umożliwia pomiar wartości szczytowej przebiegów. Dla przebiegu sinusoidalnego istnieje ścisła

zależność między wartością szczytową Um a wartością skuteczną Usk, Um/Usk = 2 . Miernik wyposażony w taki

przetwornik może być wyskalowany w wartościach skutecznych przebiegów sinusoidalnych. Przy pomiarach

przebiegów o innych kształtach wystąpią znaczne błędy.

Ze względu na nieliniową charakterystykę prostowników, zależność między napięciem wyjściowym a wejściowym

jest nieliniowa. Przetworniki prostownikowe bez wzmacniaczy umożliwiają pomiary napięć większych niż 1V.

Przetworniki prostownikowe, wyposażone we wzmacniacz elektroniczny, umożliwiają pomiar napięć od małych

wartości, rzędu miliwoltów, zapewniając jednocześnie dużą rezystancję wejściową np. 1 MΩ. Przykłady

aktywnych ( ze wzmacniaczami ) przetworników prostownikowych pokazano na rys. 4.

Uwe

Uwy

+

-

+U

-U

Uwe Uwy

+

-

+U

-U

a)

b)

+

-

+

-

Rys. 4. Układy aktywnych przetworników prostownikowych : a) wartości średniej, b) wartości szczytowej

Ćwiczenie – Przetwarzanie sygnałów pomiarowych

str. 4

Przetwornik z rys 4a) ma na wyjściu napięcie wyprostowane dwupołówkowe. Dzięki zastosowaniu prostownika

w gałęzi ujemnego sprzężenia zwrotnego charakterystyka przetwornika jest liniowa

wewy UkU ( 4)

Przetwornik wartości szczytowej z rys.4b) ma charakterystykę liniową. Oba układy przetworników aktywnych

umożliwiają pomiary napięcia o przebiegach sinusoidalnych, podobnie jak przetworniki prostownikowe bez

wzmacniaczy. Przy pomiarach przebiegów niesinusoidalnych występują duże błędy od kształtu krzywej.

Poprawne pomiary przebiegów przemiennych odkształconych od sinusoidalnych umożliwiają przetworniki

wartości skutecznej ( RMS – DC ). Stałe napięcie wyjściowe takiego przetwornika jest proporcjonalne do wartości

skutecznej wejściowego napięcia (lub prądu) przemiennego.

Prostym przykładem przetwornika RMS – DC jest przetwornik termoelektryczny, rys.5. Zbudowany jest z drutu

grzejnego o rezystancji Rg, do którego przymocowana jest spoina termoelementu.

I

+

-

Rg E

Rys. 5. Przetwornik termoelektryczny

Pod wpływem mierzonego prądu drut grzejny podgrzewa się zależnie od kwadratu skutecznej wartości prądu.

Jednocześnie podgrzewa się spoina termoelementu. Na wolnych końcach termoelementu powstaje napięcie

termoelektryczne E o wartości zależnej od różnicy temperatur spoiny i wolnych końców. Tak więc

w przetworniku obowiązuje zależność

2 skIcE ( 5)

Charakterystyka tego przetwornika E(I) jest paraboliczna.

We współczesnych miernikach wykorzystuje się scalone przetworniki wartości skutecznej. Przykładem takiego

przetwornika jest układ scalony AD 736, który ma na wyjściu napięcie stałe proporcjonalne do skutecznej wartości

napięcia na wejściu

weskwy UkU ( 6)

gdzie współczynnik k 1.

Przykładem innego rodzaju przetworników jest układ przetwarzający częstotliwość sygnału wejściowego na

napięcie (lub prąd) stały.

Zasadę działania takiego przetwornika ilustruje rys. 6.

Jednemu okresowi mierzonego przebiegu odpowiada 1 impuls prądu iwy. Średnia wartość impulsów jest

proporcjonalna do częstotliwości fx napięcia wejściowego. Układ formujący przebieg prostokątny zapewnia

stabilizację amplitudy. Dzięki temu średnia wartość impulsów prądowych Iwy zależy tylko od częstotliwości fx przy

znacznych zmianach wartości napięcia wejściowego w przetworniku.

R

Iwy

U, fx

C

iwy

t

t

u

u

a) b)

Rys. 6. Zasada działania przetwornika częstotliwości; a) układ przetwornika, b) przebiegi prądu i napięcia w układzie

Ćwiczenie – Przetwarzanie sygnałów pomiarowych

str. 5

2.2. Przetworniki analogowo-cyfrowe

2.2.1. Właściwości i błędy

Wielkości analogowe mogą przyjmować nieskończenie wiele wartości. Przetwarzanie analogowo-cyfrowe polega

na odwzorowaniu nieskończonego zbioru wartości analogowych za pomocą skończonego zbioru wartości

cyfrowych. W celu przygotowania wartości analogowych do przetwarzania ich w odpowiedniki cyfrowe

przeprowadza się próbkowanie sygnału analogowego. Próbkowanie polega na pobieraniu próbek sygnału

analogowego w określonych odstępach czasu. Okres czasu, nazywany okresem próbkowania, powinien być

dobrany odpowiednio do szybkości zmian sygnału analogowego tak, aby próbki reprezentowały możliwie

dokładnie szczegóły sygnału analogowego. Na rysunku 7 pokazano proces próbkowania, po próbkowaniu sygnał

jest określony tylko w punktach t1, t2 itd. Zgodnie z twierdzeniem Shannona częstotliwość próbkowania

(odwrotność okresu próbkowania) powinna być przynajmniej dwukrotnie większa od częstotliwości najwyższej

harmonicznej występującej w sygnale przetwarzanym

Rys. 7. Próbkowanie sygnału analogowego X(t)

Po próbkowaniu i zapamiętaniu wartości próbek rozpoczyna się właściwy etap przetwarzania a/c jakim jest

kwantowanie. Polega ono na przyporządkowaniu każdej wartości sygnału analogowego pewnej wartości

dyskretnej. Jednak, ze względu na charakter procesu nie jest możliwe przyporządkowanie każdej wartości

analogowej jej cyfrowego odpowiednika. Dlatego też każdej takiej wartości odpowiada przedział wartości

analogowych. Im jest on mniejszy tym odwzorowanie jest skuteczniejsze z punktu widzenia jakości konwersji.

Rozdzielczość jest definiowana jako miara dokładności przetwornika i w przypadku idealnym jest ona

równoważna z długością słowa kodowego, czyli liczbą bitów. Niekiedy wymiennie terminem rozdzielczość określa

się przedział kwantowania. Przez to pojęcie rozumie się przedział napięć, dla których przetwornik

przyporządkowuje jedno słowo kodowe. Zależność między przedziałem kwantowania a liczbą bitów określa

zależność:

n

FSUQ

2 , (7)

Gdzie:

Q – przedział kwantowania

UFS – pełny zakres przetwarzanego napięcia

n – liczba bitów.

Na rysunku 8 pokazano charakterystykę przetwarzania dla przetwornika 3-bitowego. Charakterystyka ma przebieg

schodkowy – na osi rzędnych zaznaczono słowa kodowe, natomiast na osi odciętych wartości przetwarzanych

napięć. Linia przerywana to charakterystyka idealnego układu. Szerokość schodka jest równa przedziałowi

kwantowania Q. Odpowiada on napięciu zajmowanemu przez najmniej znaczący bit (LSB). Przesunięcie

charakterystyki o ½ Q ma na celu zmniejszenie maksymalnego błędu kwantyzacji oraz zapewnienie napięciu

wejściowemu 0V ustalonego słowa kodowego co jest istotne dla przetwornika przetwarzającego sygnały bipolarne.

Ćwiczenie – Przetwarzanie sygnałów pomiarowych

str. 6

Rys. 8 Charakterystyki przejściowe przetwornika a/c

Błąd kwantyzacji e definiowany jest jako różnica między rzeczywistą wartością napięcia analogowego a

wynikającym z procesu kwantyzacji cyfrowym odpowiednikiem. W przypadku gdyby nie występowałyby inne

błędy, błąd kwantyzacji zawierałby się w przedziale e(–½Q+½Q). Ze względu na charakter przetwarzania

polegającego na przybliżaniu wielkości zmieniającej się w sposób ciągły za pomocą skończonego zbioru wartości

dyskretnych nie jest możliwe wyeliminowanie tego błędu. Istnieje jedynie możliwość zmniejszenia go poprzez

zastosowanie przetwornika o większej rozdzielczości.

Nominalny zakres przetwarzania (ang. Full Scale) jest wartością napięcia przetwarzanego UFS=Q*2n, odpowiadającą maksymalnej wartości wyjściowego słowa kodowego (same jedynki) powiększonej o jeden.

W praktyce rzeczywista charakterystyka przetwarzania odbiega kształtem od idealnej charakterystyki schodkowej

(rysunek 8) i należy się liczyć z następującymi błędami:

- błąd przesunięcia zera (offset);

- błąd wzmocnienia;

- błąd liniowości całkowej i różniczkowej;

Wszystkie te błędy występują jednocześnie, a ich wartość zmienia się w czasie na skutek starzenia się elementów

i zmian temperaturowych.

Błąd przesunięcia zera jest przedstawiony jako równoległe przesunięcie charakterystyki rzeczywistej od

charakterystyki idealnej.

Jest on definiowany jako wartość przesunięcia Ui0 rzeczywistej charakterystyki przetwarzania w stosunku do

charakterystyki idealnej, przechodzącej przez punkt zerowy układu współrzędnych. Błąd ten najczęściej podawany

jest jako bezwzględny; niekiedy odnosi się go do nominalnego zakresu przetwarzania UFS.

Rys. 9 Ilustracja błędu przesunięcia zera

Ćwiczenie – Przetwarzanie sygnałów pomiarowych

str. 7

Błąd wzmocnienia jest definiowany jako zmiana nachylenia rzeczywistej charakterystyki przejściowej w stosunku

do charakterystyki idealnej.

Błąd jest ilościowo określany przez wartość odchylenia UFS odniesioną do zakresu nominalnego. Źródłem tego

rodzaju błędów są niewłaściwie dobrane współczynniki skali układów liniowych (dzielniki, wzmacniacze,

rezystory i kondensatory).

Rys. 10 Ilustracja błędu wzmocnienia

Błędy nieliniowości całkowej i różniczkowej dotyczą zniekształceń charakterystyki przejściowej przetwornika

w stosunku do charakterystyki idealnej. Błąd nieliniowości całkowej (INL - ang. integral nonlinearity) jest

definiowany jako największa różnica między wartością napięcia, dla którego następuje zmiana słowa kodowego, a

wartością napięcia jakiego należałoby się spodziewać w przypadku charakterystyki idealnej przetwornika ( rys 11).

Można również określać go jako błąd względny według zależności

%100*max)(

fs

ic

U

U

(8)

Z tego typu błędami spotkać można się w układach realizujących przetwarzanie metodą całkującą, a wynika on

z nieliniowości integratora.

Określenie błędu nieliniowości całkowej jaka została podana wyżej nie jest jednoznaczna. Jeżeli wyeliminuje się

błąd przesunięcia zera i błąd wzmocnienia to charakterystyka przejściowa przechodzić będzie przez koniec

charakterystyki idealnej to występujący błąd nieliniowości opisany będzie definicją tzw. dwóch końców.

Rys. 11 Ilustracja błędu nieliniowości całkowej

Ćwiczenie – Przetwarzanie sygnałów pomiarowych

str. 8

Możliwe jest przesunięcie charakterystyki rzeczywistej tak, aby była ona najbliższym przybliżeniem

charakterystyki idealnej. Pojawi się wówczas błąd wzmocnienia, ale zostanie zmniejszony błąd nieliniowości

całkowej. Ze względu jednak na trudne, w czasie testowania, określenie najlepszego liniowego przybliżenia

charakterystyki rzeczywistej najczęściej pozostaje się przy definicji dwóch końców. Błąd nieliniowości całkowej

nie zawsze w sposób wystarczający opisuje zniekształcenia charakterystyki. Dlatego określa się błąd nieliniowości

różniczkowej (DNL - ang. differential nonlinearity). Definiowany jest on jako największa różnica między

szerokością przedziału napięć, któremu odpowiada jedno słowo kodowe a szerokością przedziału kwantowania Q

dla przetwornika idealnego ( rys. 12). Wartość tego błędu podaje się w postaci ułamka Q, w procentach UFS

(względny) lub w miliwoltach (bezwzględny).

Rys. 12. Ilustracja błędu nieliniowości różniczkowej

Z błędami nieliniowości różniczkowej wiąże sie tzw. efekt gubienia kodów (przez to wymiennie nazywa się je

błędami brakujących kodów). Może wystąpić bowiem taka sytuacja, gdy dwa sąsiednie kroki kwantowania będą

miały odpowiednio najmniejszą i największą szerokość. Jeżeli błąd nieliniowości różniczkowej nie będzie

mniejszy niż Q to pewne słowa kodowe nie będą występowały na cyfrowych wyjściach przetwornika.

Wystąpienie błędu nieliniowości różniczkowej jest bardziej prawdopodobne w przetwornikach z kompensacją

wagową. Źródłem błędów jest niemonotoniczność charakterystyk przejściowych używanych przetworników

cyfrowo-analogowych spowodowana niewłaściwym zestrojeniem drabinek rezystorowych.

2.2.2. Metoda kompensacji wagowej

Metoda kompensacji wagowej (SAR - ang. succesive approximation method) jest jedną z najczęściej stosowanych

metod przetwarzania a/c. Polega ona na równoważeniu napięcia wejściowego (przetwarzanego) za pomocą napięć

kompensujących Uk wytworzonych według wzoru

n

Rk

UU

2 (9)

gdzie Uk jest napięciem kompensującym, Uk wartością napięcia kompensującego w kroku n, n jest liczbą

kroków, a UR napięciem odniesienia, stanowiącym pełny zakres przetwarzania. Inaczej mówiąc kolejne przyrosty

napięcia Uk odpowiadają wagom kodu dwójkowego.

Schemat blokowy najprostszego przetwornika z kompensacją wagową przedstawiono na rysunku 13.

Ćwiczenie – Przetwarzanie sygnałów pomiarowych

str. 9

Rys. 13. Schemat blokowy przetwornika a/c z kompensacją wagową

Proces przetwarzania w przetworniku n - bitowym składa się z n kolejnych kroków. W każdym kolejnym kroku

przetwarzania impuls z generatora zegarowego powoduje przesunięcie w rejestrze przesuwającym stanu

logicznego „1” o jedno miejsce. Stan ten wpisywany jest następnie do odpowiedniego przerzutnika rejestru

wyjściowego, powodując przyrost napięcia kompensującego na wyjściu przetwornika c/a o wartość kU .

W każdym kroku przetwarzania aktualna wartość napięcia kompensującego jest porównywana z napięciem

wejściowym Uwe i w zależności od wyniku porównania zostaje ustalony stan przerzutnika w rejestrze wyjściowym.

Jeżeli Uk < Uwe , to określony, k - ty przerzutnik pozostaje w stanie „1” i odpowiadająca mu składowa napięcia

kompensującego k

RU

2 jest nadal włączona jako składnik napięcia Uk przy następnych porównaniach. Natomiast,

gdy Uk >Uwe, to następuje skasowanie danego, k -tego przerzutnika i w ten sposób wyłączenie odpowiadającej mu

składowej napięcia kompensującego. Następnie stan logiczny „1” w rejestrze przesuwającym jest przesuwany

o jedno miejsce i rozpoczyna się kolejny krok przetwarzania, w którym napięcie wejściowe Uwe jest porównywane

z kolejną wartością napięcia kompensującego Uk, zwiększoną w stosunku do poprzedniej o 12

k

Rk

UU

(rys. 14.).

Rys. 14 Przebieg napięcia kompensującego na wyjściu przetwornika c/a w metodzie z kompensacją wagową, Tc -okres

generatora zegarowego

Ćwiczenie – Przetwarzanie sygnałów pomiarowych

str. 10

Wartość napięcia kompensującego po n krokach przetwarzania można więc wyrazić wzorem

n

kk

Rkk

UpU

1 2 (10)

gdzie pk jest stanem k - tego przerzutnika, i pk = 1, jeśli wartość napięcia Uk po k- tym

kroku jest mniejsza od Uwe, czyli

k

i

wei

Ri UU

p1 2

(11)

zaś pk = 0, jeśli Uk po k - tym kroku jest większa lub równa Uwe.

W ten sposób po n krokach przetwarzania cyfrowa zawartość rejestru wyjściowego jest równoważnikiem

analogowej wartości napięcia Uwe i może zostać przekazana do cyfrowych urządzeń zewnętrznych. Przetwarzanie

metodą kompensacji wagowej nie ma charakteru integracyjnego, czyli jest to przetwarzanie chwilowej wartości

napięcia Uwe i wszelkie zmiany tej wartości w okresie przetwarzania mogą być źródłem błędów. Z tego też

względu konieczne jest stosowanie przed przetwornikiem a/c układu próbkująco-pamiętającego, utrzymującego

stałą wartość napięcia wejściowego podczas całego procesu przetwarzania.

Zaletą metody kompensacji wagowej jest krótki czas przetwarzania. Ponieważ przetwornik n - bitowy wymaga

tylko n kroków przetwarzania, więc czas ten jest równy nTp,, gdzie Tp jest czasem trwania jednego kroku, i jest

niezależny od wartości napięcia przetwarzanego. Ponadto metoda ta jest łatwa do zrealizowania w technologii

monolitycznych układów scalonych, dzięki czemu produkowana jest szeroka gama tego typu przetworników: od

niskiej rozdzielczości - 4 bitowe, poprzez standartowe 8 do 12 bitów, aż do nawet 20 bitowych.

Wadą przetwarzania kompensacyjnego a/c jest duża nieliniowość różniczkowa, spowodowana właściwościami

przetwornika a/c. Brak monotoniczności w charakterystyce przetwornika może być przyczyną brakujących kodów,

czyli dziur kodowych w charakterystyce całego przetwornika.

3. Program ćwiczenia

A. Układy pasywnych (bez wzmacniaczy) przetworników prostownikowych (o diodach germanowych) na

przykładzie woltomierzy:

jednopołówkowy wartości średniej,

dwupołówkowy wartości średniej,

układ woltomierza wartości szczytowej.

Schematy układów przedstawia rys. 3.

W przedstawionych układach wyznaczyć charakterystyki Iśr(Usk) trzech układów woltomierzy prostownikowych o

zakresach 1V i 10V. Wykreślić zmierzone charakterystyki obu zakresów w jednym układzie współrzędnych,

przyjmując względną skalę napięć Uwe/Uzakr (0 – 1). Z ekranu oscyloskopu odrysować kształt napięcia

wyprostowanego zaznaczając skalę napięcia.

B. Układy aktywnych (ze wzmacniaczami) przetworników prostownikowych o charakterystyce liniowej:

dwupołówkowy wartości średniej,

przetwornik wartości szczytowej.

Schematy tych układów przedstawia rys. 4.

W przedstawionych układach wyznaczyć charakterystyki Iśr(Usk) obu układów na wszystkich zakresach

pomiarowych. Charakterystyki te wykreślić w jednym układzie współrzędnych dla trzech zakresów, oddzielnie dla

obu układów, przyjmując względną skalę napięć Uwe/Uzakr (0 –1). Z ekranu oscyloskopu odrysować kształt napięć

wyprostowanych na zaciskach mikroamperomierza zaznaczając skalę napięcia.

C. Układy przetworników wartości skutecznej (RMS-DC):

przetwornik termoelektryczny w układzie amperomierza,

przetwornik z układem scalonym AD 736 w układzie woltomierza.

W układach wyznaczyć charakterystyki odpowiednio Uwy(Iwe) i Uwy(Uwe) dla trzech zakresów, wykreślić przebiegi

wyznaczonych charakterystyk.

Ćwiczenie – Przetwarzanie sygnałów pomiarowych

str. 11

D. Układ częstościomierza z ustrojem magnetoelektrycznym

Schemat układu przetwornika częstotliwości przedstawia rys. 6.

Zakres pomiaru częstotliwości zależy od zakresu prądowego mikroamperomierza mierzącego prąd wyjściowy.

Zmianę zakresu umożliwia opornik dekadowy Rb bocznikujący mikroamperomierz.

Wyznaczyć charakterystykę Iwy(fx), przy stałej wartości napięcia wejściowego, przy kilku rezystancjach Rb np. 10-

5-1-0,5 kΩ. Przy wybranej wartości Rb sprawdzić wpływ zmian wartości napięcia wejściowego w granicach ±

30%. Wykreślić charakterystyki częstościomierza w jednym układzie współrzędnych.

E. Badanie przetwornika analogowo-cyfrowego

Model przetwornika posiada szereg wyprowadzeń umożliwiających obserwowanie pracy poszczególnych układów

oraz pomiar parametrów wielkości. Widok płyty czołowej przedstawia rysunek 16. Model posiada dwa wejścia

analogowe będące gniazdami radiowymi co umożliwia podłączenie napięcia przetwarzanego (precyzyjny zasilacz

napięcia stałego lub kalibrator) oraz woltomierza do pomiaru i kontrolowania w/w napięcia. Posiada

wyprowadzenia do obserwacji i pomiaru parametrów sygnału z generatora zegarowego (radiowe i BNC) oraz ze

źródła napięcia odniesienia (radiowe). Wyprowadzenia oznaczone jako wyjście cyfrowe (gniazda radiowe i BNC)

umożliwiają obserwację na ekranie oscyloskopu serii szeregowo pojawiających się bitów słowa wyjściowego,

natomiast wyjście analogowe (gniazdo BNC) umożliwia obserwację sposobu w jaki ważone jest napięcie

wejściowe z napięciem odniesienia (rys. 14.). Układ posiada również dziewięć (osiem bitów + wyjście masy)

wyprowadzeń w postaci gniazd radiowych i cienkich bolców przygotowanych do wykorzystania przy obserwacji

pracy przetwornika za pomocą oscyloskopu wyposażonego w wejścia logiczne. Umożliwiają one równoległą

obserwację stanów logicznych na poszczególnych liniach między rejestrem SAR, a przetwornikiem c/a.

Podstawowe parametry modelu przetwornika a/c:

- rozdzielczość 8 bitów,

- zasilanie +5V i 15V napięcia stałego,

- zakres przetwarzanego napięcia 07,15V,

- częstotliwość zegara 2,500000MHz,

- częstotliwość pracy 1,087kHz, czyli czas jednego przetworzenia wynosi 920s,

- czas próbkowania 53,6s,

- szerokość impulsu odpowiadającego jednemu bitowi wynosi 102,2s,

- przedział kwantowania wynosi Q=27,93mV.

Rys. 15 Układ pomiarowy do badania przetwornika a/c

Dla przetwornika a/c z kompensacją wagową należy:

1. Wyznaczyć charakterystykę przetwarzania (krzywa schodkowa)

2. Określić błędy przetwornika oraz wykreślić charakterystykę zmian błędu całkowitego w funkcji słów

kodowych.

3. Określić parametry przetwornika na podstawie pomiarów wykonanych oscyloskopem cyfrowym.

Ćwiczenie – Przetwarzanie sygnałów pomiarowych

str. 12

Rys. 16 Płyta czołowa panelu z przetwornikiem analogowo-cyfrowym