background image

Elektrotechnika elektronika miernictwo

Franciszek Gołek (golek@ifd.uni.wroc.pl)

www.pe.ifd.uni.wroc.pl

Wykład 13

Pomiar.

Wstęp, sensory i przetworniki ADC i DAC

background image

Pomiar.

Każdy z nas już po urodzeniu porównuje (świadomie lub 

nie) rozmiary tego co widzi.
Gdziekolwiek spojrzeć: czy to będzie badanie medyczne, czy 

eksploracja kosmosu, ustawianie robotów przy taśmie 

produkcyjnej, czy w końcu badanie materii w zderzaczach (np. 

w CERN) to wszędzie mamy do czynienia z pomiarem.
Pomiar pozwala nam zrozumieć obserwowane zjawiska, 

odkrywać prawa natury i dzięki nim rozwijać technologie i 

modyfikować nasze otoczenie.
Historycznie starożytni duchowni egipscy byli pierwszymi 

skrupulatnymi obserwatorami natury a w szczególności nieba i 

dzięki temu wynaleźli 365-dniowy kalendarz.

Metrologia jest dziedziną wiedzy związaną z pomiarami 

wszelkiego rodzaju wielkości.

background image

W samym miernictwie, podobnie jak w całym światowym 

przemyśle i komercji, obowiązują normy (ang. standardy).

 

 

Światowym forum standaryzacji (norm) jest ISO

(ISO - International Organization for Standardization) powstało w 1947 roku z siedzibą w Genewie. Członkami 

ISO są 163 kraje w tym Polska.

Norma (standard) to:  document, established by consensus and approved by a 

recognized body, that provides, for common and repeated use, rules, guidelines, or 

characteristics for activities and their result, aimed at the achievement of the optimum 

degree of order in a given context (ISO guide 2) (

http://

www.iso.org).

Choć słowo „pomiar” może mieć wiele znaczeń to jednak zgodnie z 

międzynarodową organizacją standaryzacji ISO można je 

zdefiniować jako ewaluację (określenie) dowolnej wielkości poprzez 

jej porównanie z wielkością tego samego typu uznaną za 

jednostkową.

W każdym kraju znajduje się odpowiedni urząd zajmujący się standaryzacją, 

pomiarem i jednostkami miary. U nas jest to Główny Urząd Miar (GUM ) w 

Warszawie i jemu podwładne ośrodki w kilku innych miastach.

background image

 

Aparatura Pomiarowa

Do realizacji jakiegokolwiek pomiaru niezbędna jest odpowiednia 
aparatura.
Aparatura powinna spełniać odpowiednie normy by być 
dopuszczoną do powszechnego użytku. 
Aparatura powinna spełniać przede wszystkim normy dotyczące 
bezpieczeństwa użytkowników.
Przyrządy powinny być regularnie kalibrowane poprzez 
odpowiednie sprawdzenie i porównanie z odpowiednimi wzorcami. 
Precyzja i dostępność do wzorców jest jednym z ważniejszych 
zagadnień metrologii. W tym zakresie rozwiany jest serwis, który 
oferuje wzorce i kalibrację przyrządów online. Serwis ten znany 
jest jako

 iCals - Internet Calibration Services

background image

Działanie aparatury pomiarowej można postrzegać
jako „kanał” wymiany informacji pomiędzy obiektami 
badanymi (mierzonymi, monitorowanymi itp..) a 
obiektami gromadzącymi informację (pamięć, ekrany, 
wyświetlacze itp..).

 Taki kanał spełnia trzy główne funkcje:

a) akwizycja danych, b) przetwarzanie danych i c) dystrybucja 
danych. 

background image

Sensory

Rolą sensorów jest zamieniać 
wielkości fizyczne na inne 
wielkości, zwykle wielkości 
elektryczne, które są łatwo i 
precyzyjnie mierzone przez 
„miernik” a zatem umożliwiają 
tzw. akwizycję danych.
Zatem sensory są uzupełnieniem 
naszych zmysłów.
 Obecnie najdokładniej potrafimy 
mierzyć częstotliwość F i czas T 
(okres 1/F) co zachęca do 
poszukiwania rozwiązań 
zamieniających mierzoną 
wielkość na częstotliwość (lub 
okres) sygnału elektrycznego. 

 

background image

Sensory i nastawniki

W technice, technologii i przemyśle do kontaktu elektroniki z naturą 
stosowane są systemy elektroniczne, w których obok sensorów mają 
zastosowanie tzw. nastawniki (manipulatory, siłowniki itp.). 
 

background image

Sensory, nastawniki i 

interfejsy

Obecnie dominuje i dynamicznie się rozwija metrologia oparta na 
przyrządach z rozmaitymi interfejsami pozwalającymi na komunikację z 
komputerem. Komunikacja może odbywać się w oparciu o rozmaite 
protokoły, których lista jest dłuższa niż lista rodzajów interfejsów

 

(RS 232, 

IEEE 488, USB, GPIB, Bluetooth, UWB; 802.11a/b/g Wi-Fi; GPRS; ZigBee; 802.15.4; IEEE P1451.5, 
niestandardowe RF itd.).

Przykładowy schemat układu do badania 
obiektu elektronicznego lub innego.

background image

Sensory, nastawniki, 

interfejsy, kondycjonery i 

kontrolery

background image

Oczywistym jest, że każdy sensor wymaga kalibracji, która 
zapewnia pomiar na odpowiednim poziomie dokładności.
Ważną cechą sensora jest jego czułość.
 

background image

Sensory - wybrane przykłady

Udoskonalanie i poszukiwanie nowych sensorów stało się odrębną dziedziną 

naukowo-techniczną zwaną sensoryką.
Sensoryka oferuje długą i ciągle rosnącą listę sensorów pozwalających 

zamieniać poszczególne wielkości fizyczne na sygnały elektryczne. 

Pomiar temperatury: Termoelement (termopara), bolometr (układ o 

minimalnej pojemności cieplnej wykonany z nadprzewodnika lub 

półprzewodnika zmieniający oporność przy zmianie temperatury pod wpływem 

znikomych ilości ciepła lub promieniowania), termometr oporowy, termistor, 

bimetale, diody, tranzystory, rezonator kwarcowy, pirometr, termometr 

akustyczny,

Termometr akustyczny,

background image

Pomiar oświetlenia: Fotodioda, fototranzystor, fotorezystor, 

fotopowielacz, 
Pomiary wibracji akustycznych i mechanicznych: Mikrofony 

(dynamiczne, pojemnościowe, piezoelektryczne), czujniki 

sejsmometryczne.
Pomiar siły: Tensometr, dynamometr, mikrodźwignia z układem 

optycznym.
Pomiar natężenia pola magnetycznego: Cewka indukcyjna, 

halotron, półprzewodnikowy Gaussotron, kompas.
Pomiar ciśnienie: Tensometr na membranie, mikrofon 

pojemnościowy, głowice ciśnieniowe i próżniowe, barometry.
Pomiar przesunięcia: Potencjometr, Indukcyjny czujnik 

przesunięcia, optyczny czujnik przesunięcia na kodzie 

kreskowym, laserowy czujnik przesunięcia, piezoelektryczny 

czujnik przesunięcia, pojemnościowy czujnik przesunięcia.

Pojemnościowy czujnik przesunięcia

background image

Pomiar stężenia gazu lub toksyn: Rezystor ceramiczny, tranzystor MOSFET, 

rezonator kwarcowy z warstwą selektywnie sorbującą gaz, komórki 

elektrochemiczne, układy MOS, przewodzące polimery i chemorezystory, 

detektory promieniowania i cząstek w spektrometrach.
Pomiar wilgotności:  Kondensator z dielektrykiem pochłaniającym wodę, 

układy cienkowarstwowe i rezystory pochłaniające wodę, rezonatory kwarcowe 

z układem chłodzącym Peltiera.
Pomiar promieniowania jonizującego: Licznik Geigera,  scyntylatory, komory 

pęcherzykowe, dozymetry stałociałowe, fotopowielacze, powielacze 

elektronowe.
Prędkość przepływu: Anemometr, Nadajnik/odbiornik ultradźwiękowy, 

turbinka, czujnik z gorącym drutem, czujnik membranonwy.
I wiele innych. 
MEMS (microelectromechanical systems)
Są to miniaturowe elektromechaniczne urządzenia wykonywane technologią 

układów scalonych. Działają jako sensory ciśnienia, przyspieszenia lub innej 

wielkości fizycznej będąc jednocześnie częścią układu scalonego (sensor na 

chipe). Kondensator różnicowy jako akcelerometr.

Sensor ciśnienia

background image

Głowica Bayarda-Alperta  Do pomiaru ciśnienia w komorach 
próżniowych najczęściej stosowane są głowice

 

jonizacyjne Bayarda-

Alperta (kiedyś w obudowie szklanej, obecnie metalowej). Gorąca 
katoda emituje elektrony, które przyspieszane są do anody o 
dodatnim potencjale (np.+300V). Elektrony jonizują napotkane 
molekuły gazu resztkowego. Wyprodukowane jony zbierane są 
przez kolektor o potencjale
bliskim 0V. Pomiar tego 
jonowego prądu pozwala na
określanie ciśnień od 10

-3

 do

10

-11

mm Hg (zanieczyszczenie

wnętrza komory przez dotyk 
palcem wydłuża czas
uzyskiwania ciśnienia rzędu
10

-11

mm Hg!) 

background image

Analizatory składu gazu. 

Analizator z kwadrupolowym filtrem mas. 

Analizator wyposażony w powielacz elektronowy może mierzyć parcjalne ciśnienia od 10

-4

 do 10

-14

 

Torr. Źródłem jonów jest jonizator w którym elektrony (prąd 2 mA, energia 70eV) z rozgrzanej 

katody są przyspieszane do objętości otoczonej siatką o potencjale około 70 V. Oscylując w 

obszarze siatki jonizują spotkane tam atomy i molekuły. Powstałe jony aby dostać się do detektora 

muszą przejść przez otwór w elektrodzie wejściowej i przestrajalny kwadrupolowy filtr mas.  

background image

Termopary

Na złączu dwu różnych metali powstaje mały skok potencjału zależny od temperatury 

złącza. Takie złącze nazywa się termoparą lub termoelementem. Złącze wykonuje się 

przez zespawanie lub zgrzanie końcówek  cienkich drutów z odpowiednich metali lub 

stopów. Zwykłe skręcenie końcówek nie zdaje egzaminu. Termopary, w odróżnieniu 

od wielu innych termometrów, mierzą różnicę temperatur (tj. temperaturę względną) i 

wymagają dobrze określonego temperaturowo punktu odniesienia aby mierzyć daną 

temperaturę. Klasyczny układ do pomiaru temperatury składający się z dwu złączy jest 

pokazany na rysunku (układ różnicowy). Użycie tylko jednego złącza powiększa błąd 

pomiaru o wartość pochodzącą z niedokładnego określenia temperatury zacisków 

miliwoltomierza, która staje się temperaturą odniesienia dla takiego układu („z jedną 

termoparą”). W przypadku układu klasycznego (tj. termopary różnicowej) wkład do 

całkowitej mierzonej siły termoelektrycznej, pochodzący od zacisków miliwoltomierza, 

jest zerowy tak długo jak długo temperatury obu zacisków są sobie równe. Dokładność 

pomiaru temperatury zwykle wynosi
około 1

o

C. Warto pamiętać, że każdy

termometr mierzy temperaturę własnego
sensora. Zatem należy zadbać o
zrównanie temperatury złącza z
temperaturą próbki. Tzw. kotwiczenie
przewodów termopary w temperaturze
próbki jest tu bardzo pomocne. 

background image

Termopara  w  układzie  klasycznym  (zwana  czasem  termoparą 

różnicowa)  generuje  siłę  termoelektryczną,  która  jest  zwykle 

monotoniczną  funkcją  różnicy  temperatur  złączy.  Większą  dokładność 

uzyskuje  się  przez  kalibrację  termopary  (pomiar  napięć  termopary  w 

dobrze  odtwarzalnych  temperaturach)  i  przybliżenie  złożoną  funkcją 

nieliniową  (np.  wielomianem)  zależności  temperatury  od  zmierzonego 

napięcia termopary. Złącze odniesienia powinno być “zakotwiczone” w 

stałej dobrze określonej temperaturze np. w mieszaninie wody z lodem w 

termosie.  Można  też  zastosować  mały  pojemnik  o  stabilizowanej 

temperaturze  i  stosować  go  zamiast  wody  z  lodem.  Przy  pomiarze 

napięcia  termopary  należy  pamiętać  o  zastosowaniu  miliwoltomierza  o 

odpowiednio  dużej  oporności  wejściowej  by  uniknąć  błędu 

wynikającego  z  obciążenia  źródła  sygnału  o  niezerowej  oporności 

wewnętrznej.  Należy  zaznaczyć  iż  liczne  firmy  produkują  rozmaite 

układy  i  przyrządy  do  pomiaru  temperatury.  Termopary  dzięki  małym 

rozmiarom  złącza  pomiarowego  i  małej  pojemności  cieplnej 

preferowane  są  w  pomiarach  temperatury  małych  obiektów  i  w 
pomiarach punktowych.

 

 

background image

Typy termoelementów (termopar), zakres temp. i ich średni wsp. temp. 

T    Miedź – Konstantan (tj. CuNi),                  10 – 700 K,          42 µV/K 
J    Żelazo – Konstantan,                                 100 – 1000 K,     51.7 µV/K 
E   Chromel (tj. NiCr) – Konstantan,              100 – 1300 K,     60.9 µV/K 
K   Chromel – Alumel (tj. NiAl),                    100 – 1600 K,     40.5 µV/K 
S    Platyna – Platyna/Rod 10%,                      300 – 1800 K,        6.4 µV/K
R   Platyna – Platyna/Rod 13%,                      300 – 1900 K,        6.4 µV/K
B   Platyna/Rod 6% – Platyna/Rod 30%,        300 – 1800 K,        6.4 µV/K
G   Wolfram - Wolfram/Ren 26%,                  300 – 3000 K, 
D   Wolfram/Ren 3% - Wolfram/Ren 25%,    300 – 3000 K,   
C   Wolfram/Ren 5% - Wolfram/Ren 26%,    100 – 3000 K,        15µV/K

Ważniejsze punkty kalibracyjne dla termometrii.

Punkty potrójne: 13.8033 K – H

2

,  24.5561 K – Ne, 54.3584 – O

2

, 83.8058 K – Ar,

234.315 K – Hg, 273.16 K – H

2

O.

Oraz  302.9146  K  –  p.  topnienia  Ga,    429.7485  K  –  p.  zestalania  In,  505.078  K  –  p. 
zestalania Sn, 692.677 K – p. zestalania Zn, 933.473 K – p. zestalania Al, 1234.93 K – 
p. zestalania Ag, 1337.33 K – p. zestalania Au.

background image

Innym przetwornikiem do pomiaru temperatury jest rezystancyjny 

termometr platynowy. Jest to uzwojenie drutu z bardzo czystej platyny, 

której współczynnik temperaturowy wynosi około 0.4% / 

o

C. Odznacza 

się dużą stałością w czasie a charakterystyki poszczególnych 

egzemplarzy pokrywają się z krzywą standardową z błędem nie 

większym niż 0.02 – 0.2

o

C. Stosowane są do pomiaru w zakresie -200

o

do +1000

o

C.  Przy tego typu

termometrach należy unikać wpływu
oporności styków poprzez stosowanie
cztero-kontaktowej metody pomiaru.
Niepożądane dodatkowe skoki potencjału
występują na zaciskach prądowych,
przez które prowadzony jest znany i stabilizowany
prąd. Natomiast dokładną wartość skoku
potencjału na samym oporniku
mierzymy wykorzystując zaciski
napięciowe. (Tu obwód woltomierza
„nie łapie”niepożądanych napięć)   

background image

Pirometry

Klasyczny pirometr pozwala na
bezkontaktowy pomiar temperatury.
Jest to urządzenie umożliwiające obserwowanie żarzącego się obiektu 
przez lunetkę i porównywanie jego koloru z kolorem świecenia 
umieszczonego wewnątrz pirometru drucika żarowego. Wartość 
temperatury odczytuje się ze skali pirometru po doprowadzeniu, w 
wyniku zwiększania wartości prądu przez drucik żarowy, do jednakowej 
jasności świecenia drucika i obserwowanego obiektu. Pirometrami 
optycznymi można mierzyć temperatury w zakresie 750

o

C do 3000

o

C, z 

błędem 4

o

C przy dolnej granicy zakresu i do 20

o

C przy jego górnej 

granicy. Są produkowane pirometry pracujące w podczerwieni i 
pokrywające zakres temperatur -30

o

C do 5400

o

C. Zastosowanie 

odpowiednich sensorów, układów optycznych (z laserem do korekty 
współczynnika emisyjności) oraz układów elektronicznych zapewnia 
automatyczny pomiar po wycelowaniu pirometru na badany obiekt.

 

background image

Fotopowielacz jest wyjątkowo przydatny do pomiaru b. małych natężeń światła. W rurze próżniowej fotopowielacza 
foton światła padając na fotokatodę (powierzchnię pokrytą metalami alkalicznymi), wytrąca z niej elektron. Elektron 
przyspieszany polem elektrycznym uderza w kolejną elektrodę, zwaną dynodą, powodując wybijanie elektronów wtórnych. 
Te ponownie przyspieszane wytrącają dalsze elektrony z kolejnych dynod (typowe ilości dynod: 8 do 16). W rezultacie 
jeden foton a następnie jeden elektron generuje porcję nawet 10

8

 elektronów co pozwala na detekcję nawet pojedynczych 

fotonów. Impuls napięcia wywołany taką ilością ładunku w jednej chwili docierającego do anody może osiągać wielkość 
rzędu 10mV i jest dobrze rejestrowany układami elektronicznymi. Do zasilania elektrod fotopowielacza stosuje się zwykle 
dzielnik napięcia w taki sposób aby między sąsiednimi dynodami panowało napięcie około 100V. Sprawność fotokatod 
przekracza zwykle 25%. Do wyjścia fotopowielacza podłącza się wzmacniacz z integratorem lub licznikiem. Gdy natężenie 
światła jest duże i impulsy ładunku na anodzie przestają być dobrze rozdzielone, wtedy  zamiast zliczania impulsów mierzy 
się prąd anody (do pomiaru takiego prądu zwykle stosujemy tzw. uzmiennianie np. przez periodyczne przerywanie wiązki 
światła - czoperowanie).  Należy pamiętać, że nawet w całkowitej ciemności w obwodzie anody fotopowielacza płynie 
pewien niewielki prąd zwany “prądem ciemnym”. Powstaje on w wyniku termicznej emisji elektronów z fotokatody i z 
dynod. Prąd ten można zmniejszyć do wartości poniżej 1 impulsu na sekundę obniżając temperaturę fotopowielacza. 
Uwaga:  fotopowielaczy z doprowadzonymi napięciami zasilającymi nie można wystawiać na światło dzienne, grozi to 
pogorszeniem parametrów a nawet uszkodzeniem samego fotopowielacza (niszczące są zbyt duże natężenia prądów). 

 

background image

Fotopowielacze i powielacze elektronowe. (pierwsze fotopowielacze powstały w latach 1930-1934)
Fotopowielacze zwykle mogą zliczać fotony w szerokim zakresie długości fali 180 nm do 900 nm. Otwarte (bez 
okienka i nie posiadające „własnej próżni”) fotopowielacze umieszczone w badawczych systemach próżniowych 
mogą być używane do detekcji w znacznie szerszym zakresie - aż do promieniowania rentgenowskiego włącznie.
Układ dynod z anodą (bez fotokatody) nazywany powielaczem elektronowym stosowany jest do detekcji 
elektronów i jonów (obu znaków). Sygnały napięciowe z fotopowielaczy i powielaczy elektronowych są zwykle 
kierowane do liczników, integratorów lub fazo-czułych woltomierzy (fazo-czuły woltomierz tzw. „lock-in” 
stosowany jest przy uzmiennianiu sygnału). W przypadku stosowania licznika lub integratora należy zadbać o to 
aby amplitudy impulsów były większe od amplitudy szumu tak aby ustalając napięcie progowe detekcji (w 
obwodzie dyskryminacji licznika lub integratora) miedzy amplitudą szumu a amplitudą sygnału można było 
rejestrować sygnał bez zakłóceń. Problem ten staje się trudny gdy w laboratorium mamy czynne niektóre typy 
laserów (Q-switched lasers) lub inne układy niewłaściwie (gwałtownie) przełączające dużą moc jak np. niektóre 
piece do hodowli roślin.  Uwaga: fotopowielacze i powielacze -elektronowe są zasilane wysokimi napięciami 
rzędu 1 - 2 kV
niebezpiecznymi dla zdrowia i życia (praca przy wysokich napięciach wymaga doświadczenia, nigdy nie 
pracuj sam!).
 Przy zestawieniu układu pomiarowego należy sprawdzić kształt i czas trwania pojedynczego 
impulsu. Groźne są tzw. oscylacje-dzwonienia i zbyt długi czas trwania impulsu. Impulsy możemy kształtować 
między innymi przez dobór stałej czasowej RC w obwodzie anody i dołączenie dodatkowego tzw. 
ograniczającego kawałka kabla zakończonego opornikiem o małej oporności (<50

). Należy sprawdzić czy czas 

narostu impulsu na anodzie powielacza jest krótszy od czasu propagacji sygnału przez ten ograniczający kabelek 
(czas propagacji sygnału przez 0.5m kabla wynosi około 10ns). 
Powielacze rurkowe. Obecnie do detekcji
elektronów i jonów stosowane są 
powielacze z tzw. ciągłą dynodą tj. powielacze
rurkowe „CEM” (channeltron electron
multiplier) szklane i nieco lepsze ceramiczne. 
Natomiast do wzmacniania obrazu
stosujemy płytki „MCP” o wzmocnieniu do 10

4

(Micro channel electron multiplier plates). 

background image

Fotopowielacze, powielacze i wzmacniacze obrazu.

http://www.burle.com/cgi-bin/byteserver.pl/pdf/ChannelBook.pdf
http://216.239.59.104/search?
q=cache:dWbIHOgD148J:www.proxitronic.de/prod/bv/eein.htm+plates+image+electron+mult
ipliers&hl=pl

background image

Przetworniki DAC i ADC 

Ze względu na przewagę (pod wieloma względami) elektroniki cyfrowej nad 
analogową mamy do czynienia z dość powszechnym stosowaniem 
przetworników analogowo cyfrowych (ADC) i cyfrowo analogowych (DAC).
Przetworniki te są łącznikiem (interfejsem) między analogowym światem 
zjawisk fizycznych a elektroniką współczesną (cyfrową).
Przetworniki DAC i ADC są zatem istotnymi podzespołami oprzyrządowania
w miernictwie i kontroli. Poprzez przetworniki możemy komputerowo sterować 
zasilaczami uzyskując pożądany przebieg napięcia lub prądu, kontrolować i 
sterować rozmaite procesy technologiczne. Ważne parametry przetworników 
to: częstotliwość konwersji, liczba bitów (czyli precyzja), zakres napięć, szumy 
własne.

Przykład sygnału 

analogowego (a) i jego 

odpowiednik cyfrowy (b) z 

tzw. częstotliwością 

próbkowania fs = 1/Ts, Ts 

– odstęp czasu między 

próbkami (okres 

próbkowania).

background image

Przetworniki D/A

Zadaniem przetworników
cyfrowo analogowych (DAC)
jest zamiana liczb (w kodzie 
binarnym) na napięcia
proporcjonalne do wartości
tych liczb.
Na rys. pokazano ideę jednego
z wielu typów przetworników.
Jest to tzw. drabinka R-2R. Stany 1 i 0 na poszczególnych liniach szyny (tu 4-bitowej) 
decydują o włączeniu bądź nie, odpowiedniego przełącznika. Przez rezystory 100k 
płyną stałe prądy (niezależnie od położenia przełączników) o wartościach 
proporcjonalnych do wagi poszczególnych bitów.  Suma tych prądów, które są 
włączone do wejścia wzmacniacza operacyjnego oczywiście musi przepływać przez 
opornik 50k nad wzmacniaczem i na wyjściu wzmacniacza mamy już napięcie 
proporcjonalne do wartości przetwarzanej „liczby”. 
Przetworniki takie sterowane mikroprocesorami mogą generować rozmaite przebiegi 
napięciowe.

background image

Konwersja analogowo-cyfrowa
Układy A/D (ADC, A/C) zamieniają sygnał analogowy na sygnał cyfrowy.
Najważniejsze parametry: 
1)   Szybkość przetwarzania - może być określona na wiele sposobów:
a) czas przetwarzania - określający czas konieczny do jednego całkowitego 

przetworzenia wartości analogowej na wartość cyfrową, 
b) częstotliwość przetwarzania - która jest maksymalną częstotliwością z jaką mogą 

następować kolejne przetworzenia sygnału wejściowego z zachowaniem określonej 

rozdzielczości i dokładności w całym zakresie przetwarzania, 
c) szybkość próbkowania - określona przez liczbę próbek, które mogą być 

przetworzone w jednostce czasu. Ważnym jest aby częstotliwość próbkowania f

P

2f

max

2)    Rozdzielczość przetwornika - definiowana jest jako liczba bitów słowa 

wyjściowego, określa zdolność do rozróżniania sygnałów analogowych 

doprowadzonych do wejścia przetwornika. W przetworniku 8 bitowym możliwe jest 2

= 256 różnych wartości. Jeżeli zakres przetwarzanego napięcia wynosi 10V, to wartość 

najmniej znaczącego bitu (LSB) odpowiada sygnałowi 10V/256 = 39 mV. Znaczy to, 

że przetwornik może rozróżnić sygnały różniące się od siebie o 39mV.
Przetworniki 24 bitowe (2

24

=16777216) rozróżnia zmiany mniejsze od 1

µ

V.  Przy 

doborze (zakupie) układu A/D pod uwagę bierzemy: a) szybkość, b) precyzję, c) 

impedancję wejściową, d) zakres wartości przetwarzanych napięć wejściowych. 
Uwaga. W przetwornikach A/C najczęściej stosowane są kody: BINARNY Z 

PRZESUNIĘCIEM lub U2.

background image

Przetwornik analogowo-
cyfrowy (ADC) typu 
flash.

Konwersja z koderem priorytetu.
(Uwaga, 8-bitowy przetwornik musi
zawierać 255 komparatorów).
Lepiej zastosować 2 przetworniki
4 – bitowe zawierające po 15 
komparatorów).

  

background image

Śledzący ADC

Zawiera przetwornik DAC, komparator i  licznik typu up/down (w 
górę i w dół). Jest stosunkowo szybki gdy zmiany 
konwertowanego napięcia są małe.
  

background image

Przetwornik typu SAR – Successive Approximation Register
  

background image

Przetwornik typu dual-slope (podwójne zbocze) stosowany w 
miernikach cyfrowych, multimetrach.
  

Dzięki zamianie pomiaru
napięcia na pomiar czasu
uzyskuje się dobrą
precyzję pomiaru.

background image

Aliasing
Jest to efekt
zbyt wolnego
próbkowania
sygnału i może
mieć miejsce przy
konwersji A/D.
Zgodnie z zasadą Nyquiata-Shannona próbkowanie musi być wykonywane z 

częstotliwością większą niż podwojona maksymalna częstość w spektrum badanego 

sygnału: f

pr

>2f

max

. Mając zadaną szybkość próbkowania mówimy o połowie 

częstotliwości próbkowania f

pr

/2 nazywanej częstotliwością Nyquista f

N

 = f

pr

/2 jest ona 

graniczną wartością dla badanych sygnałów. To znaczy sygnały o częstotliwości f

syg

 

wyższej niż f

N

 będą rozpoznawane błędnie jako sygnały o częstotliwości aliasu.

Częstotliwość aliasu f

A

 = najbliższa sygnałowi całkowita wielokrotność częstotliwości 

próbkowania – częstotliwość sygnału |.
Przykładowo dla f

pr

 = 100 Hz i f

syg

 = 520 Hz otrzymamy: f

alias

| 5

100 – 520 Hz = | 

-20 | Hz = 20 Hz (jest to wygenerowanie artefaktu – czegoś czego ne ma w badanym 

sygnale!). Zatem każdy złożony sygnał zawierający składniki o częstotliwościach 

wyższych niż f

N

 dla danego przetwornika A/D będzie zapisany jako zniekształcony. 

Wynika z tego, że powinniśmy próbkować maksymalnie szybko (często) ale wtedy 

olbrzymia ilość próbek wymaga olbrzymiego zapasu pamięci.

background image

E-E-M Lista 13.

1. Jak szybki przetwornik ADC należy zastosować aby przetworzyć przebieg
analogowy, zawierający składowe o częstotliwościach do 15 kHz?
2. Ilu bitowego przetwornika należy użyć aby mierząc napięcia od 0 do 5 V
uzyskać rozdzielczość 1 mV.
3. Jaka jest czułość termopary gdy wiadomo, że dla temperatur: 273.16 K
(pp H

2

O) i 234.315 K (pp Hg) wykazała ona siły termoelektryczne odpowiednio

0 V i -2,366 mV.
4. Oblicz maksymalną częstość zliczeń powielacza w układzie jak na rysunku
wiedząć,że R = 300 kΩ, C = 10 pF. Oszacować wielkość zliczanych impulsów
przy założeniu, ze powielacz elektronowy wykazuje wzmocnienie 108.


Document Outline