background image

 

 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

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 

background image

 

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 

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. 

background image

 

 

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

 

 

background image

 

 

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

background image

 

 

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

background image

 

 

 

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

 

 

background image

 

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.