Prvky a obvody elektronických přístrojů III

Transkript

1 Prvky a obvody elektronických přístrojů III Lubomír Slavík TECHNICKÁ NIVEZITA V LIBECI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Materiál vznikl v rámci projektu ESF (CZ..07/..00/07.047), který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem Č

2 Obsah přednášky měřicí převodníky elektrických veličin převodník pro měření součinu převodník pro měření podílu měřicí usměrňovače filtry v měřicích přístrojích analogové spínače a přepínače vzorkovací obvody DA převodníky AD převodníky

3 Převodníky elektrických veličin Převodník pro měření součinu zejména pro měření výkonu výstupní napětí je rovno součinu vstupních napětí chyby násobiček statické pro ss signály dynamické pro střídavé signály (frekvenční odezva, šířka pásma, rychlost přeběhu) typy násobiček dle polarity vstupních napětí jedno dvou čtyř kvadrantové dle fyzikálního principu s řízeným zesílením Hallova násobička logaritmus exponenciela s amlitudově šířkovou modulací

4 Násobička s řízeným zesílením (odporem) jedno vstupní napětí je zesilováno obvodem, jehož zesílení je úměrné druhému vstupnímu napětí prvky zesílení mohou být tranzistor FET, bipolární tranzistor, magnetorezistor princip: Prvky a obvody elektronických přístrojů realizace napěťově řízený odpor linearizovaný unipolární tranzistor napájený napětím řízeným proudovým zdrojem typické parametry: desítky khz až desítky MHz, přesnost 0, % u 3 i kuku k uu

5 Násobička logaritmus exponenciela (log-antilog) využití vztahu u o u u u exp(ln u ln ) obvykle tvořena 4 OZ a dvěma páry křemíkových tranzistorů funkce logaritmu definována pouze pro kladný argument => nelze přímo násobit střídavá napětí. Možné řešení: superpozice ss napětí pomocné obvody pro indikaci okamžité polarity vstupních napětí rozsah frekvencí desítky khz, přesnost 0, 0,5%

6 Praktická realizace exponenciely a logaritmu převodníky využívají exponenciální závislosti mezi kolektorovým proudem i k a napětím báze emitor u be bipolárního tranzistoru exponenciela logaritmus u u lnu exp u

7 Hallova násobička používá se hlavně v elektronických (statických) elektroměrech a méně přesných elektronických wattmetrech u H k i B k ii

8 Násobička s amplitudově-šířkovou modulací teoretické schéma Prvky a obvody elektronických přístrojů T T T praktická realizace

9 Převodník pro měření podílu obdoba násobičky logaritmus exponenciela u o u u u exp(lnu ln )

10 převodník střední hodnoty převodník efektivní hodnoty převodník maximální hodnoty Měřicí usměrňovače Převodníky střední hodnoty střední hodnota S T T 0 u( t) dt odpovídá stejnosměrné složce modulovaného signálu aritmetická střední hodnota (rectified mean) Sa T T u( t) dt odpovídá stejnosměrné složce absolutní hodnoty signálu 0 Pro periodický průběh se obvykle pro aritmetickou střední hodnotu užívá výraz střední hodnota!

11 Pasivní usměrňovače Prvky a obvody elektronických přístrojů jednocestný usměrňovač dvoucestný usměrňovač Graetzůvmůstek usměrňují pasivně bez zesílení většinou sestaveny z diod vstupní signál u(t) Nevýhoda nelinearita při nízkých napětích (až do cca,4v)

12 Neřízené usměrňovače Prvky a obvody elektronických přístrojů směrňovače s operačním zesilovačem (aktivní usměrňovače, přesné usměrňovače) invertující neinvertující lineární převodní charakteristika obvod se chová vůči usměrňovači jako zdroj proudu u i vyžaduje plovoucí zátěž, má li být zátěž uzemněna > rozdílový nebo přístrojový zesilovač

13 Cize řízené usměrňovače používají spínače řízené vnějším napětím, které přepínají měřené napětí řídicí napětí u ř má stejnou frekvenci jako měřené napětí při stejné fázi u ř a u (t) se chovají jako pasivní dvoucestné usměrňovače při různé fázi se obvod chová jako synchronní detektor, výsledkem je ss napětí princip praktické provedení při = 0 je 0 střední hodnota

14 Převodníky efektivní hodnoty nejdůležitější hodnota z parametrů střídavých napětí pro známý tvar signálu je stupnice voltmetru překalibrována na efektivní hodnotu MS (i když přístroj měří střední nebo maximální hodnotu) převodník skutečné efektivní hodnoty TMS zahrnuje i vliv vyšších harmonických definice efektivní hodnoty: ef T T 0 u ( t) dt fyzikální definice ef. hodnota I časově proměnného proudu i(t) je rovna stejnosměrnému proudu, který v daném odporu za dobu T vyvine stejné množství tepla Q(t) jako proud i(t). Q T I T T T 0 i ( t) dt pro napětí je to obdobné, pro periodické napětí je efektivní hodnota: ef 0..., kde i je efektivní hodnota i té harmonické typy převodníků výpočtové x tepelné

15 Explicitní převodník nejjednodušší řešení velmi omezený dynamický rozsah Prvky a obvody elektronických přístrojů Výpočtové převodníky efektivní hodnoty kvadrátor (násobička) dolní propust odmocnina (kvadrátor ve zpětné vazbě OZ) Implicitní (zpětnovazební) převodník stovky khz, přesnost desetiny% např. AD637 kvadrátor + dělička dolní propust napěťový sledovač u x u u x 0 udt dt ZV ZV u T T ZV T ZV T T 0 0 T 0 x dt

16 Vzorkovací převodník vzorkování měřeného napětí => AD převodník => mikroprocesor (výpočet efektivní hodnoty dle vzorce pro ef. hodnotu) Tepelné převodníky efektivní hodnoty využívají fyzikální definice efektivní hodnoty zpětnovazební převodník TC, teplotně citlivé prvky tepelná ztráta na TC vyvolá napětí na termočlánku T napětí nabývá takové hodnoty, aby na TC byla stejná tepelná ztráta jako na TC v moderních špičkových voltmetrech se užívají monolitické termoelementy využívající teplotní závislost napětí be bipolárního tranzistoru vyhřívaného difuzním rezistorem

17 Převodníky maximální hodnoty chyba odporem zátěže a svodovým odporem kondenzátoru otočením diody lze měřit záporné maximum, kombinací obou obvodů lze měřit rozkmit přesný převodník kondenzátor s malým svodem, napěťový sledovač

18 Frekvenční filtry v měřicích přístrojích jsou určeny k potlačení nebo ke zvýraznění určité části kmitočtového spektra dělení: typy: spojité spínané pasivní (přenos < ) aktivní dolní propust horní propust pásmová propust pásmová zádrž specielní filtry notch filtry hlavní parametry filtrů: mezní kmitočet f 0 ( 0 ) pokles signálu o 3dB / (napětí je x menší než ustálené) řád filtru (n) obvykle F n db n 0 db / dek Prvky a obvody elektronických přístrojů F příklad: dolní propust (DP) db 0 log

19 Pasivní dolní propust. řádu (n=) F d jc jc F d jc 0 C amplitudová charakteristika fázová charakteristika nad f 0 ( 0 ) pokles signálu o 0dB/dekádu při kmitočtu f 0 /0: => 0 při kmitočtu f 0 : = 45 při kmitočtu 0.f 0 : => 90

20 Pasivní horní propust. řádu (n=) F d jc F h jc jc 0 C amplitudová charakteristika fázová charakteristika od 0Hz do f 0 ( 0 ) nárůst signálu o 0dB/dekádu při kmitočtu f 0 /0: => 90 při kmitočtu f 0 : = 45 při kmitočtu 0.f 0 : => 0

21 Aktivní dolní propust. řádu (n=) Aktivní horní propust. řádu (n=) F 3 j d j C C 3 F h jc

22 Filtry vyšších řádů nad (pod) f 0 (w 0 ) pokles (nárůst) signálu o n.0db/dekádu řešení kaskádní řazení filtrů. řádu specielní LC obvody Pasivní dolní propust (DP). řádu pokles o 40dB / dekádu nevýhoda obtížná realizace tlumivek spíše vhodné pro vyšší kmitočty

23 Aktivní propusti. řádu přenos může být > Dolní propust. řádu Horní propust. řádu od 0 pokles o 40dB/dekádu do 0 nárůst o 40dB/dekádu

24 Aproximace normovaných průběhů Besselovy filtry nemají překmity, fáze přímo úměrná frekvenci Butterwothovy filtry strmější pokles, mají překmit Čebyševovy filtry nejstrmější pokles, překmity i při nižších kmitočtech

25 Pásmové propusti a zádrže Pásmové propusti Pásmové zádrže

26 slouží pro spínání napětí a proudu použití multiplexní systémy vzorkovací obvody spínané filtry AD DA převodníky typy spínačů kontaktní diodové s unipolárními tranzistory CMOS s bipolárními tranzistory analogové multiplexery Spínací obvody

27 značení Vlastnosti spínačů náhradní schéma sepnutý stav rozepnutý stav ideální spínač: p = 0, p = 0 z=, Iz = 0

28 sériový spínač Vlastnosti spínačů pokračování příklady zapojení paralelní spínač paralelně sériový spínač

29 Kontaktní spínače spínací relé proud řádově jednotky ma bistabilní relé ovládají se pulzy opačné polarity jednoduché téměř ideální spínací vlastnosti izolované buzení omezená životnost pomalé spínací doba v ms Diodové spínače ve funkci spínacího prvku je dioda, která je proudem polarizována do vodivého nebo nevodivého stavu užívají se germaniové diody (úbytek cca 0,3V) a Schottkyho diody (úbytek cca 0,35V) rozepínací doba (vždy > spínací doba): Si jednotky ns Schottky stovky ps pro přesné spínání diodové můstky (na obr. při nevodivých diodách D5 a D6 je celý můstek nevodivý)

30 Spínače s unipolárními tranzistory pro spínání se využívají polem řízené tranzistory MOSFET nebo JFET JFET hradlo vytvořeno diodou v závěrném směru MOSFET hradlo vytvořeno izolantem (oxid křemíku) vlastnosti zanedbatelné napětí DS velký poměr odporu kanálu v sepnutém a rozepnutém stavu dokonalá izolace mezi řídicí elektrodou G a kanálem D S možnost spínání obou polarit velmi malý řídicí výkon Prvky a obvody elektronických přístrojů spínače MOSFET (P kanál) spínače JFET (P kanál) Pro spínání kladných napětí kanál P, pro záporná napětí kanál N

31 Spínače CMOS pro spínání se využívají polem řízené tranzistory MOSFET v komplementárním zapojení dva tranzistory jeden P kanál, jeden N kanál výhody nízký průnik náboje z budicích do signálových obvodů odpor kanálu se nemění s velikostí spínaného napětí řada CMOS 4000 (např. 4053, 4066), ADG 0 Prvky a obvody elektronických přístrojů tranzistory řízené proudem Spínače s bipolárními tranzistory nevýhoda budicí proud se sčítá se signálovým proudem

32 Analogové multiplexery slouží pro přepínání signálů v muiltiplexních systémech užívají JFET nebo CMOS spínače vlastnosti odpor kanálu v sepnutém stavu (jednotky až stovky ohm) zbytkovým proudem (v sepnutém i rozepnutém stavu) řádově pa až stovky na přepínací doba nejrychlejší jednotky ns maximálním proudem v sepnutém stavu (až 00mA) Prvky a obvody elektronických přístrojů příklad multiplexer bloky 4 vstupy výstup (nebo vstup a 4 výstupy), výběr kanálu dán logickou kombinací na adresních vstupech A0 a A (vstup EN přeruší všechna spojení) pravdivostní tabulka pro výběr přepínaného kanálu ADESA ENABLE VÝSTPY A0 A EN A B 0 0 A B 0 A B 0 3A 3B 4A 4B X X 0

33 Vzorkovací obvody slouží odebírání vzorků (hodnot) signálu v pravidelných intervalech (zejména pro AD převodníky) a zachycení tohoto signálu v analogové paměti (např. kondenzátoru) perioda vzorkování musí být větší než je doba převodu AD převodníku T P doba převodu T S perioda vzorkování f S =/T S frekvence vzorkování Vzorkovací Shannonův Kotělnikův teorém (někdy nazývaný také Nyquistova podmínka): je li vzorkován frekvenčně omezený signál o mezní frekvenci f M (např. nejvyšší harmonické, kterou je třeba vzít v úvahu), pak lze původní signál rekonstruovat, je li splněna podmínka: f S f M Vzorkovací frekvence musí být alespoň x vyšší než frekvence sledovaného signálu.

34 Vzorkovače s pamětí (sample &hold, track &hold) ideální vzorkovač pracuje v režimu sledování r = pamatování r = 0 řídicí napětí r je nejčastěji periodická posloupnost krátkých obdélníkových pulsů (ekvidistantní sekvenční vzorkování) skutečný vzorkovač: k sejmutí vzorku s povolenou chybou je potřebná upínací doba t (acquisition time) v době pamatování se kondenzátor vybíjí, vybíjení odpovídá pokles P, pak poměr P / t P se nazývá droop time [V/s] další parametry: rychlost přeběhu (slew rate) chyba sledování [%] rozpínací doba (aperture time) timing jitter C C IN C co nejmenší co největší

35 Analogově číslicové převodníky (AČP) (analog to digital converter ADC) slouží k převodu napětí na číselnou hodnotu, nejčastěji vyjádřené ve dvojkové soustavě založeny na časovém vzorkování sledovaného signálu a jeho kvantování obsahují referenční napětí, maximální vstupní napětí.. kvantovací krok (nejméně významný bit LSB). q q q kvantovací chyba.. f S f M průběh vzorkování a kvantování (musí být splněna Nyquistova podmínka ): ref n max ref n

36 Převodní charakteristika 3 bitového AČ převodníku ideální a zatížená chybou nuly a zesílení definice INL a DNL DNL q j q q Chyby AD převodníků nuly Ɛ 0 stejnosměrný posuv v oblasti nulového napětí (offset error) zesílení Ɛ g stejnosměrný (gain error) integrální nelinearita INL odchylky středů kvant. úrovní ideálního a real. převodníku diferenciální nelinearita DNL rozdíl q ideal. a real. převodníku

37 AČ převodníky s postupnou aproximací vstupní napětí x se porovnává s napětím z ČA převodníku ČAP převod probíhá v n taktech, kde n je počet bitů AČ převodníku 8 6 bitů, nejkratší převodní doba cca 00ns vyžadují konstantní napětí během převodu, proto je vhodné použít vzorkovací obvod S/H NK napěťový komparátor A aproximační registr ŘO řídicí obvody N napěťová reference x ref n n i0 i z i ; z i 0, x ref ref

38 Paralelní AČ převodníky (flash) n komparátorů rychlé stovky ps převod proběhne v jediném taktu pouze 6 0 bitové použití hlavně v osciloskopech a v rychlých obvodech pro vyšší rozlišení se používá několikastupňový paralelní převodník (vstupní signál ovzorkován a převeden zpět do analogové formy a toto napětí je odečteno od vstupního a znovu ovzorkován a sečten s předchozím převodem) NK napěťový komparátor

39 Integrační AČ převodníky s dvoutaktní integrací rozlišení až 6 bitů, pomalé desítky ms použití v multimetrech, filtrace rušení (zejména 50Hz) NK napěťový komparátor, ŘL řídicí logika KO krystalový oscilátor, H hradlovacíobvod DČ dekadický čitač 0 X T C T X r T 0 0 rt C N N r

40 Integrační AČ převodníky s mezipřevodem na frekvenci použití hlavně v číslicových wattmetrech a elektroměrech Integrační AČ převodníky sigma delta (Σ-Δ) KOD vysoké rozlišení 6 4 bitů pro pomalejší signály (maximálně desítky khz) digitální filtrace velmi odolné proti rušení 50/60Hz a jejich harmonických Σ Δ modulátor provádí rychlé převzorkování signálu obsahují autokalibrační obvody vhodné pro přesná měření a nf zesilovače NK napěťový komparátor KOD klopný obvod typu D ČF číslicová filtrace (dolní propust) fs frekvence převzorkování

41 Číslicově analogové převodníky (ČAP) (digital to analog converter DAC) slouží k převodu číselné hodnoty na analogovou (napětí, proud) k tzv. rekonstrukci signálu číselná hodnota obvykle ve dvojkové soustavě nebo BCD kódu výsledné výstupní napětí, při vstupním čísle D: Prvky a obvody elektronických přístrojů O D n ref, kde D n i 0 i z i ; z i 0, MSB nejvýznamnější bit (polovina ref ), LSB nejméně významný bit maximální napětí O : max ref n příklad rekonstrukce sinusového signálu 3bitový bipolární převodník použití zvukové karty PC generování signálů v měřicí technice proudová smyčka 4 0mA

42 ČA převodníky s binární rezistorovou sítí sčítá se množina binárně vážených proudů tvořeno binárně váženými odpory přepínání do sčítacího bodu nebo na nulový potenciál vstupní odpor konstantní nevýhoda odpory v širokém rozpětí n technologicky obtížné příklad 4 bitový ČAP: obvyklá volba: 0 n O 0 z0 z 4z 8 z 3 O 0 D

43 ČA převodníky s rezistorovou sítí využívá odporové sítě (obvod se jeví jako dělič napravo od každého horního uzlu sítě) doba převodu závisí na spínačích a parazitních kapacitách se spínači CMOS minimální doba převodu cca 00ns konstantní vstupní odpor (=) příklad 4 bitový ČAP: z z z z O D n O z z z z O 0 obvyklá volba: Prvky a obvody elektronických přístrojů

44 ČA převodníky s pulzně šířkovou modulací využívají měření střední hodnoty pulzního průběhu činitel plnění pulzního signálu je úměrný vstupní číslicové hodnotě ZN zdroj ref. napětí KO krystalový oscilátor SO spínací obvody ŘO řídicí obvod DP dolní propust: O T T X N X N X číslo, které chceme převádět N vstupní rozsah převodníku