1

Laboratorium Elektroniki

Rok akademicki:

2014/2015

Rodzaj studiów:

Es1

Temat ćwiczenia:

Przetworniki analogowo-cyfrowe

Skład sekcji:

Marcin Spannbauer
Marcin Mucha
Patryk Kuźma

Filip Skoczylas
Łukasz Gawron

Kierunek: Elektrotechnika
Semestr: 3
Grupa: 2
Sekcja: 4

Data wykonania: 21.11.2014

2

1. Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia było zapoznanie się z działaniem wybranych przetworników
analogowo - cyfrowych (wagowy i z podwójnym całkowaniem)

2. Wprowadzenie.

Przetwornik A/C wagowy:

Dokładność(rozdzielczość) tego przetwornika jest równa wadze LSB (0,01V) i wynika

z ostatniego wyniku porównania komparatora. Ilość cykli takiego przetwornika jest równa
długości słowa wyjściowego. Czas pojedynczego przetwarzania nie zależy od wartości
napięcia przetwarzanego tylko od ilości bitów słowa wyjściowego.

Proces przetwarzania badanego przetwornika polegał na tym, że na wejście „-”

komparatora

podawane

jest

napięcie

kompensujące

z

rejestru

kolejnych

przybliżeń(przetworzone na wartość analogową przez przetwornik C/A) z wyłączanymi
kolejno bitami o największych wagach, a na wejście „+” komparatora napięcie przetwarzane.
Jeśli napięcie na „+” jest większe, to na wyjściu komparatora jest logiczne „1”, bit ten zostaje
załączony i napięcie to jest dodawane w kolejnych etapach przetwarzania, jeśli natomiast
napięcie wejściowe jest mniejsze to napięcie to pozostaje wyłączone. Wartości
poszczególnych bitów zapamiętuje rejestr kolejnych przybliżeń.

Rys.1. Schemat stanowiska pomiarowego do badania przetwornika A/C wagowego

Przetwornik A/C z podwójnym całkowaniem:

Przetwornik z podwójnym całkowaniem zamienia napięcie na przedział czasu, w

którym zliczane są impulsy z generatora. Liczba tych impulsów jest proporcjonalna do
wartości średniej napięcia. Aby uniknąć zakłóceń należy tak dobrać okres uśredniania T

1

, aby

był on równy lub większy o całkowitą ilość razy od zakłóceń pochodzących z sieci
energetycznej. W przypadku gdy nie będzie spełniony ten warunek w zależności od fazy
początkowej napięcia wejściowego i okresu T

1

, czas T

2

(proporcjonalny do napięcia

odniesienia) będzie dłuższy lub krótszy.

3

Rys.2. Schemat stanowiska pomiarowego do badania przetwornika A/C z podwójnym

całkowaniem

3. Tabele pomiarowe.

W tabelach 1,2,3,4 w ostatnim wierszu został zaznaczony stan komparatora: 0

oznacza, że napięcie wejściowe jest większe od napięcia z przetwornika C/A i bit zostanie
załączony, jeśli 1 to napięcie wejściowe jest mniejsze bit zostanie wyłączony.

Tab.1. Wyniki pomiarów dla przetwornika A/C wagowego przy napięciu wejściowym 0,5V

Takt

1

2

3

4

5

6

7

8

1,28V

0

0

0

0

0

0

0

0

0,64V

0

0

0

0

0

0

0

0

0,32V

1

1

0

1

1

1

1

1

0,16V

1

1

0

1

1

1

1

1

0,08V

1

1

1

0

0

0

0

0

0,04V

1

1

1

1

0

0

0

0

0,02V

1

1

1

1

1

0

1

1

0,01V

1

1

1

1

1

1

0

1

komp.

Z

C

C

Z

Z

C

C

Z

4

Rys.3. Poziomy napięć dla każdego kolejnego kroku przetwornika wagowego A/C przy

napięciu wejściowym 0,5V

Tab.2. Wyniki pomiarów dla przetwornika A/C wagowego przy napięciu wejściowym 1V

Takt

1

2

3

4

5

6

7

8

1,28V

0

0

0

0

0

0

0

0

0,64V

0

1

1

1

1

1

1

1

0,32V

1

0

1

1

1

1

1

1

0,16V

1

1

0

0

0

0

0

0

0,08V

1

1

1

0

0

0

0

0

0,04V

1

1

1

1

0

1

1

1

0,02V

1

1

1

1

1

0

0

0

0,01V

1

1

1

1

1

1

0

1

komp.

C

C

Z

Z

C

Z

C

Z

Rys.4. Poziomy napięć dla każdego kolejnego kroku przetwornika wagowego A/C przy

napięciu wejściowym 1V

Tab.3. Wyniki pomiarów dla przetwornika A/C wagowego przy napięciu wejściowym 1,5V

Takt

1

2

3

4

5

6

7

8

1,28V

1

1

1

1

1

1

1

1

0,64V

0

0

0

0

0

0

0

0

0,32V

1

0

0

0

0

0

0

0

0,16V

1

1

0

1

1

1

1

1

0,08V

1

1

1

0

0

0

0

0

0,04V

1

1

1

1

0

1

1

1

0,02V

1

1

1

1

1

0

1

1

0,01V

1

1

1

1

1

1

0

1

komp.

Z

Z

C

Z

C

C

C

Z

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

2

3

4

5

6

7

8

U

[V]

Takt

0

0,5

1

1,5

1

2

3

4

5

6

7

8

U

[V]

Takt

5

Rys.5. Poziomy napięć dla każdego kolejnego kroku przetwornika wagowego A/C przy

napięciu wejściowym 1,5V

Tab.4. Wyniki pomiarów dla przetwornika A/C wagowego przy napięciu wejściowym 2V

Takt

1

2

3

4

5

6

7

8

1,28V

1

1

1

1

1

1

1

1

0,64V

0

1

1

1

1

1

1

1

0,32V

1

0

0

0

0

0

0

0

0,16V

1

1

0

0

0

0

0

0

0,08V

1

1

1

0

1

1

1

1

0,04V

1

1

1

1

0

0

0

0

0,02V

1

1

1

1

1

0

0

0

0,01V

1

1

1

1

1

1

0

0

komp.

C

Z

Z

C

Z

Z

Z

Z

Rys.6. Poziomy napięć dla każdego kolejnego kroku przetwornika wagowego A/C przy

napięciu wejściowym 2V

Czasy T1 (całkowania napięcia mierzonego), oraz czasy T2 (całkowania napięcia odniesienia)
odczytaliśmy z ekranu oscyloskopu.

Rys.7. Zrzut ekranu oscyloskopu przy napięciu wejściowym 0,85V

0

0,5

1

1,5

2

2,5

1

2

3

4

5

6

7

8

U

[V]

Takt

1,6

1,8

2

2,2

2,4

1

2

3

4

5

6

7

8

U

[V]

Takt

6

Rys.8. Zrzut ekranu oscyloskopu przy napięciu wejściowym 1,43V

Rys.9. Zrzut ekranu oscyloskopu przy napięciu wejściowym 1,31V

Rys.10. Zrzut ekranu oscyloskopu przy napięciu wejściowym 2,35

Tab.2. Wyniki pomiarów dla przetwornika A/C z podwójnym całkowaniem

T

1

=4,13ms

T

1

=4,19ms

T

1

=4,08ms

T

1

=4,20ms

T

2

=2,5ms

T

2

=5,1ms

T

2

=7,2ms

T

2

=8,9ms

U

ref

=-1,31V

U

ref

=-1,31V

U

ref

=-1,31V

U

ref

=-1,31V

U

we

=0,85V

U

we

=1,43V

U

we

=1,82V

U

we

=2,35V

T=20ms

T=20ms

T=20ms

T=20ms

7

Korzystając z poniższych przekształceń sprawdziliśmy czy czasy całkowania są zgodne z
wartościami odczytanymi na laboratorium. Wiadomo że po pierwszym całkowaniu wartości
napięć opisane są następującymi wzorami:

𝑈

𝐶1

= −

1

𝑅𝐶

𝑈

𝑤𝑒

𝑇

1

𝑈

𝐶2

= −

1

𝑅𝐶

𝑈

𝑅𝐸𝐹

𝑇

2

Przekształcając powyższe wzory otrzymujemy zależność:
𝑇

2

= 𝑇

1

𝑈

𝑤𝑒

𝑈

𝑅𝐸𝐹

gdzie

𝑇

1

= 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡, 𝑈

𝑅𝐸𝐹

= 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡

Korzystając z powyższych zależności możemy stwierdzić że

𝑇

2

= 𝑘𝑈

𝑤𝑒

gdzie

𝑘 = const

Z kolei aby wyznaczyć liczbę inkrementacji komparatora, korzystamy z zależności
𝑁 = 𝑓

𝑔

∗ 𝑇

2

,a więc

𝑁 = 𝑓

𝑔

𝑘 𝑈

𝑤𝑒

gdzie

𝑓

𝑔

= 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 = 1/𝑆

4. Wnioski.

W aplikacjach z przetwornikiem wagowym wraz z kolejnymi taktami zegara

komparator sprawdza czy kolejne wagi napięcia odniesienia są większe lub mniejsze od
napięcia wejściowego. W przetworniku takim napięcie nie może zmieniać się w paśmie
ważenia.

W przypadku przetworników z podwójnym całkowaniem zmienia się jedynie czas

trwania drugiej fazy całkowania. Przetworniki z podwójnym całkowaniem są bardziej
odporne na zakłócenia niż przetworniki z kompensacją wagową. W Polsce woltomierze
z podwójnym całkowaniem mają czas pierwszego całkowania równy 20ms(f=1/T gdzie f to
częstotliwość sieci, która w Polsce wynosi 50Hz) dzięki temu tłumią zakłócenia sieciowe
wraz z harmonicznymi.