Teorie vzájemného převodu analogového a číslicového signálu

Transkript

1 Ing. David Kubánek, Ph.D. Prof. Ing. Kamil Vrba, CSc. Teorie vzájemného převodu analogového a číslicového signálu Laboratorní cvičení Vysoké učení technické v Brně 011

2 Tento učební text byl vypracován v rámci projektu Evropského sociálního fondu č. CZ.1.07/..00/ s názvem Inovace a modernizace bakalářského studijního oboru Mikroelektronika a technologie a magisterského studijního oboru Mikroelektronika (METMEL). Projekty Evropského sociálního fondu jsou financovány Evropskou unií a státním rozpočtem České republiky.

3 FEKT Vysokého učení technického v Brně Obsah 1 ÚVOD ZAŘAZENÍ PŘEDMĚTU VE STUDIJNÍM PROGRAMU ÚVOD DO LABORATORNÍCH ÚLOH PŘEDMĚTU VZÁJEMNÝ PŘEVOD A/D SIGNÁLŮ HODNOCENÍ LABORATORNÍCH CVIČENÍ APLIKAČNÍ DOPORUČENÍ PRO POUŽITÉ PŘÍSTROJE... 7 ÚLOHA Č. 1 VZORKOVACÍ ZESILOVAČ ÚVOD 10. ÚKOLY MĚŘENÍ ÚLOHA Č. ANALOGOVĚ ČÍSLICOVÝ PŘEVODNÍK ÚVOD 1 3. ÚKOLY MĚŘENÍ ÚLOHA Č. 3 ČÍSLICOVĚ ANALOGOVÝ PŘEVODNÍK ÚVOD ÚKOLY MĚŘENÍ ÚLOHA Č. 4 INTEGROVANÉ A/D A D/A PŘEVODNÍKY ÚVOD ÚKOLY MĚŘENÍ ÚLOHA Č. 5 PŘEVODNÍK ČÍSLA NA FREKVENCI (D/F PŘEVODNÍK) ÚVOD ÚKOLY MĚŘENÍ ÚLOHA Č. 6 ROZDÍLOVÝ MULTIPLEXER ÚVOD ÚKOLY MĚŘENÍ ÚLOHA Č. 7 POČÍTAČOVÁ SIMULACE A/D A D/A PŘEVODNÍKŮ ÚVOD 1 8. ÚKOLY MĚŘENÍ ÚLOHA Č. 8 A/D A D/A KARTY PRO PC ÚVOD 9. ÚKOLY MĚŘENÍ ÚLOHA Č. 9 INTEGRAČNÍ A/D PŘEVODNÍKY V MULTIMETRECH METEX ÚVOD ÚKOLY MĚŘENÍ PŘÍKLAD VÝSLEDKŮ MĚŘENÍ ÚLOHA Č. 10 MĚŘENÍ VLASTNOSTÍ A/D PŘEVODNÍKŮ VE ZVUKOVÝCH KARTÁCH ÚVOD ÚKOLY MĚŘENÍ ÚLOHA Č. 11 MĚŘENÍ VLASTNOSTÍ D/A PŘEVODNÍKŮ VE ZVUKOVÝCH KARTÁCH...7

4 Vzájemný převod A/D signálů laboratorní cvičení ÚVOD 7 1. ÚKOLY MĚŘENÍ ÚLOHA Č. 1 EXTERNÍ PC GENERÁTOR LIBOVOLNÝCH PRŮBĚHŮ ETC M ÚVOD ÚKOLY A POSTUP MĚŘENÍ ÚLOHA Č. 13 EXTERNÍ PC OSCILOSKOP ETC M ÚVOD ÚKOLY A POSTUP MĚŘENÍ ÚLOHA Č. 14 MULTIMETR/OSCILOSKOP JAKO ZÁSUVNÁ KARTA DO CF SLOTU ÚVOD ÚKOLY A POSTUP MĚŘENÍ SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY... 34

5 4 FEKT Vysokého učení technického v Brně Seznam obrázků OBR..1: ZAPOJENÍ VZORKOVACÍHO ZESILOVAČE OBR..: PRŮBĚH VÝSTUPNÍHO NAPĚTÍ VZORKOVACÍHO ZESILOVAČE OBR..3: ZAPOJENÍ PŘÍSTROJŮ V JEDNOTLIVÝCH ÚKOLECH U OBR. 3.1: SCHÉMA ZAPOJENÍ ANALOGOVĚ ČÍSLICOVÉHO PŘEVODNÍKU... 1 OBR. 3.: SCHÉMA ZAPOJENÍ MĚŘENÍ OBR. 3.3: ČASOVÉ PRŮBĚHY SIGNÁLŮ PŘEVODNÍKU U OBR. 4.1: SCHÉMA ZAPOJENÍ ČÍSLICOVĚ ANALOGOVÉHO PŘEVODNÍKU OBR. 4.: PRINCIP PŘEVODNÍKU DAC OBR. 4.3: MĚŘENÍ PŘEVODNÍ CHARAKTERISTIKY PŘEVODNÍKU OBR. 4.4: MĚŘENÍ DOBY USTÁLENÍ PŘEVODNÍKU OBR. 6.1: SCHÉMA MĚŘICÍHO PRACOVIŠTĚ U OBR. 7.1: VNITŘNÍ ZAPOJENÍ MULTIPLEXERU OBR. 7.: MĚŘENÍ ODPORŮ SPÍNAČŮ V SEPNUTÉM STAVU... 0 OBR. 7.3: MĚŘENÍ PŘEPÍNACÍ DOBY, DOBY PRODLEVY A DOBY SEPNUTÍ... 0 OBR. 7.4: MĚŘENÍ PRŮNIKU... 0 OBR. 7.5: MĚŘENÍ PŘESLECHU... 0 OBR. 8.1: KASKÁDNÍ ZAPOJENÍ OSMIBITOVÉHO A/D A D/A PŘEVODNÍKU V PROGRAMU PSPICE 1 OBR. 8.: PŘÍKLAD SIMULACE V PROGRAMU PSPICE... OBR. 9.1: ZÁSUVNÁ KARTA TEDIA PCA 748AS... OBR. 10.1: PŘÍKLAD GRAFU... 5 OBR. 11.1: PROGRAM OSCILLOSCOPE FOR WINDOWS... 6 OBR. 1.1: PROGRAM AUDIO SWEEPGEN... 7 OBR. 13.1: OVLÁDACÍ OBRAZOVKA GENERÁTORU ETC M OBR. 14.1: OVLÁDACÍ OBRAZOVKA OSCILOSKOPU ETC M OBR. 15.1: MULTIMETR DO CF SLOTU A OVLÁDACÍ SOFTWARE... 3

6 Vzájemný převod A/D signálů laboratorní cvičení 5 Seznam tabulek U TAB. 3.1: UKÁZKA TABULKY NAMĚŘENÝCH A VYPOČTENÝCH HODNOT PRO ROZSAH 10 V 14 TAB. 4.1: KÓDOVÁNÍ DVOJKOVÉHO SIGNÁLU PŘEVODNÍKU...15 TAB. 7.1: KÓDOVÁNÍ KANÁLŮ MULTIPLEXERU...19 TAB. 10.1: PŘÍKLAD TABULKY NAMĚŘENÝCH HODNOT...5

7 6 FEKT Vysokého učení technického v Brně 1 Úvod Tento elektronický učební text obsahuje návody pro laboratorní cvičení předmětu Vzájemný převod A/D signálů. Jeho primárním účelem je stručně seznámit studenty s teoretickými základy, účelem, postupem měření a také vyhodnocením jednotlivých úloh. 1.1 Zařazení předmětu ve studijním programu Vzájemný převod A/D signálů je volitelný oborový předmět zařazený do magisterských studijních oborů Telekomunikační a informační technika (M-TIT) a Elektronika a sdělovací technika (M-EST), magisterského studijního programu Elektrotechnika, elektronika, komunikační a řídicí technika (EEKR-M). Výuka předmětu Vzájemný převod A/D signálů je organizována Ústavem telekomunikací a garantem je Prof. Ing. Kamil Vrba, CSc. Výuka předmětu sestává z přednášek a laboratorních cvičení. Předpokladem pro úspěšné zvládnutí předmětu jsou předchozí znalosti z oblasti zpracování analogových a digitálních signálů, analogových a digitálních elektronických obvodů. V laboratořích jsou nezbytné alespoň základní znalosti funkce a obsluhy běžných měřicích přístrojů, jako je osciloskop, generátor, multimetr a také práce na PC. 1. Úvod do laboratorních úloh předmětu Vzájemný převod A/D signálů Laboratorní cvičení probíhají každý týden ve dvouhodinových vyučovacích blocích, tj. x 50 = 100 minut týdně ve 13-týdenním semestru. V tomto učebním textu je popsáno 14 úloh, v laboratoři ovšem během semestru stihnete absolvovat pouze vybraných 1. Jádrem každé z úloh je přípravek, měřicí přístroj či zásuvná karta pro PC, obsahující A/D nebo D/A převodník či jiný podobný obvod. Budete měřit přesnost, rychlost a další parametry těchto převodníků. Ověřovat budete i vlastnosti převodníků, se kterými se setkáváte v běžné praxi, jako jsou převodníky ve zvukových kartách počítačů či v ručních multimetrech. 1.3 Hodnocení laboratorních cvičení Za odměření všech úloh můžete získat až 30 bodů, což je i celkový maximální počet bodů, které lze v laboratorních cvičeních získat. V laboratořích není závěrečný test, bodují se pouze protokoly. Podmínkou udělení zápočtu je odměření všech 1 úloh a odevzdání protokolů z každé z nich. Pokud z vážných důvodů nebudete moci měření absolvovat v řádném termínu, bude vám po dohodě s vyučujícím nabídnut termín náhradní. Úlohu doměříte buďto s jinou skupinou nebo v posledním týdnu semestru. Z každé změřené úlohy budete zpracovávat protokol (nejlépe na PC), který odevzdáte v následující hodině. Součásti protokolu zpravidla jsou: Teoretický úvod nemusíte vymýšlet, je obsažen v návodu, a tak jej jen zkopírujete do protokolu Seznam přístrojů stačí druh přístroje, výrobce a typ (např. Generátor Agilent 3310A) Tabulky naměřených a vypočtených hodnot

8 Vzájemný převod A/D signálů laboratorní cvičení 7 Příklady výpočtu pro vybraný řádek tabulky naměřených hodnot Grafy včetně názvu grafů a popisů os Závěr slovně zhodnotit výsledky měření, nerekapitulovat pouze úkoly měření. Nevhodný je obecný závěr typu: Změřili jsme parametry převodníku, které jsme uvedli v tabulce naměřených hodnot a poté vynesli do grafu. Naměřené hodnoty odpovídají teoretickým předpokladům. 1.4 Aplikační doporučení pro použité přístroje Laboratoř předmětu je vybavena moderními měřicími přístroji digitálními osciloskopy, funkčními generátory s přímou číslicovou syntézou, přesnými stolními i bateriovými multimetry, stejnosměrnými zdroji apod. V průběhu měření se tedy budete mít možnost seznámit s obsluhou a vlastnostmi přístrojů, se kterými se lze setkat v každodenní technické praxi. S jejich pomocí se naučíte a provedete některé ze základních měřicích metod v elektrotechnice. Ovládání přístrojů je poměrně jednoduché a intuitivní a předpokládá se, že jej bez větších problémů zvládnete. V této kapitole jsou proto shrnuty pouze vlastnosti a nastavení přístrojů, která nejsou zcela zřejmá a v nichž se často chybuje. Generátory Agilent 3310A a 330A Tyto přístroje jsou nejčastěji konstruovány s vnitřní impedancí výstupu 50 Ω, přičemž při jejich použití se počítá s tím, že zátěž připojená na výstup má rovněž 50 Ω (proti zemi). Tyto dvě impedance spolu tvoří napěťový dělič, který dělí výstupní napětí generátoru na polovinu. S tímto uspořádáním se počítá již při výrobě a kalibraci generátoru a proto hodnota napětí, nastavená na displeji generátoru, odpovídá skutečnosti pouze při zátěži 50 Ω. Jelikož vy budete při měřeních generátor vždy zatěžovat impedancí řádově vyšší (téměř naprázdno), chová se výstup generátoru jako nezatížený dělič a skutečná výstupní úroveň je tedy přibližně dvakrát vyšší, než je nastaveno na displeji. Když na displeji nastavíte např. 500 mv PP ( peak-to-peak, česky špička-špička), na vstup připojeného obvodu ve skutečnosti přichází signál s rozkmitem okolo 1 V. Měníte-li kmitočet generovaného signálu během měření, může se v některých případech měnit i výstupní napětí, neboť vstupní impedance zátěže může s kmitočtem kolísat. Je proto vhodné během měření úroveň napětí na generátoru kontrolovat např. osciloskopem. U generátoru 330A je nutné pro aktivaci výstupu stisknout tlačítko Output (musí být prosvětleno). Nezapomínejte, že v laboratoři jsou zahraniční přístroje, na kterých je desetinná tečka, nikoliv čárka. Signál TTL tento signál budete v mnoha úlohách nastavovat na generátorech a přivádět jej jako taktovací signál do měřených přípravků. Jedná se o obdélníkový signál se střídou 1:1 a s úrovněmi 0 V a 5 V. Frekvence není přesně dána, pokud nebude uvedeno jinak, nastavujte 1 khz. Při nastavování napěťových úrovní respektujte výše uvedené pokyny týkající se dvojnásobného napětí na výstupu generátoru oproti nastavenému. Kromě amplitudy je také třeba nastavit správně ofset, aby signál nekmital mezi,5 V a +,5 V, ale mezi 0 V a 5 V. Na generátoru proto nastavte amplitudu,5 V PP a ofset 1,5 V. Vždy před připojením tohoto signálu k měřenému obvodu si jeho správné nastavení zkontrolujte pomocí osciloskopu.

9 8 FEKT Vysokého učení technického v Brně Laboratorní stejnosměrné zdroje Agilent E3630A a DF1731SB Napětí a proudy zobrazené na displejích přístrojů mají omezenou přesnost. Tato přesnost je mnohem menší než rozlišovací schopnost měřených převodníků, a proto vždy měřte výstupní napětí či proudy zdrojů přesnými multimetry na dostatečný počet platných číslic. Na obou zdrojích jsou svorky 0 V (GND) černé. Zelené svorky jsou kostra zdroje (propojená s ochranným kolíkem sítě) a nemají pro nás využití. Přesvědčte se, že na zdroji E3630A je knoflík Tracking ratio vytočen zcela doprava až do polohy Fixed. Tímto knoflíkem se nastavuje poměr obou napětí symetrického zdroje. V poloze Fixed mají obě napětí stejnou velikost (ovšem opačnou polaritu). Na zdroji DF1731SB musí být obě tlačítka uprostřed čelního panelu vymáčknuta, aby přístroj pracoval v módu INDEP nezávislé zdroje. Dále je třeba nastavit vhodný (nenulový) výstupní proud knoflíky Current. Jsou-li tyto potenciometry totiž vytočeny zcela doleva, je proud dodávaný zdrojem nulový a napětí na svorkách zdroje je rovněž vždy nulové při jakékoliv připojené zátěži. Multimetry Agilent 34401A Do těchto multimetrů nezapojujte propojovací vodiče s průchozími banánky (jsou celé červené nebo modré) jejich kontaktní kolíky jsou bohužel příliš krátké a nedosáhnou do kontaktů v dutinkách vstupů multimetrů. Změřené hodnoty (napětí, proudu, ale např. i kmitočtu) zapisujte na dostatečný počet platných číslic. Z těchto veličin budete totiž počítat chyby převodníků, které jsou velmi malé a např. u napětí se mohou pohybovat řádově v desetinách milivoltů. Také výpočty provádějte s dostatečnou přesností a vyhýbejte se zaokrouhlování mezivýsledků. Osciloskopické sondy Vstupy osciloskopů mají standardně vstupní impedanci 1 MΩ a kapacitu 30 pf. Pro některá měření (zvláště na vyšších kmitočtech) jsou tyto parametry nevyhovující a vstup osciloskopu by mohl neúměrně zatížit měřený obvod. Primárním účelem osciloskopické sondy je tedy zvýšit vstupní impedanci. Sonda je zároveň poměrně kvalitně stíněna a zabraňuje tak průniku rušení, které by se mohlo projevit při měření dvěma dráty. Mimoto umožňuje pohodlné měření i na nepřístupných místech. Sondy v laboratořích ADP mají vstupní impedanci 10 MΩ a jsou realizovány frekvenčně kompenzovaným odporovým děličem 1:10. To znamená, že tyto sondy dělí vstupní napětí ze hrotu na desetinu. Digitální osciloskopy v laboratoři však umožňují toto zeslabení sondy kompenzovat, napětí přivedené na vstup vynásobit a na displeji zobrazit správnou hodnotu, jaká je na hrotu sondy. Osciloskopy v laboratoři umožňují tuto kompenzaci nastavit v menu příslušnému každému kanálu (vyvolá se stisknutím tlačítka s číslem kanálu nad signálovými vstupy osciloskopu, položka Probe) v hodnotách 1:1, 1:10 a 1:100, některé typy i jemněji. Před vlastním měřením si proto zkontrolujte, že u kanálu se sondou je nastaveno 1:10 (Probe 10) a u kanálu bez sondy je 1:1 (tam žádná sonda není). Při tomto nastavení budou měřené hodnoty odpovídat skutečnosti a nemusíte se dále již o nic starat. Přípravky Didaktik Některé úlohy jsou založeny na měření na funkčních jednotkách realizovaných v černých krabičkách o rozměrech 150 x 100 x 55 mm s unifikovaným pětikolíkovým

10 Vzájemný převod A/D signálů laboratorní cvičení 9 napájecím konektorem. Tyto přípravky jsou již připojeny plochým kablíkem ke zdroji napájení (většinou GND, +15V, -15V, +5V), který je správně nastaven. Proto s těmito napájecími zdroji během měření nemanipulujte. Zejména v úlohách využívajících přípravky Didaktik jsou používány zkratky s následujícím významem: Z stejnosměrný zdroj ČV číslicový voltmetr G generátor OSC osciloskop

11 10 FEKT Vysokého učení technického v Brně Úloha č. 1 Vzorkovací zesilovač.1 Úvod Vzorkovací zesilovač umožňuje definovaný odběr vzorku vstupního napětí v okamžiku změny řídícího signálu S/H. Vzorkovací zesilovač je tvořen vstupním zesilovačem Z 1, elektronickým spínačem S řízeným budičem B, paměťovým kondenzátorem C H a výstupním zesilovačem Z. Vzorkovací zesilovač má dva stavy: stav pamatování a stav sledování. Ve stavu sledování je spínač S sepnut a výstup zesilovače sleduje vstup. Ve stavu pamatování je kondenzátor C H nabit na napětí vstupu v okamžiku rozepnutí spínače, tj. přechodu signálu S/H z úrovně H (zde +5V) do L (0 V). u spínací tranzienta S/H B + ΔU IN Z1 S Z OUT rozpínací tranzienta G C H G ΔU 1 0 T r T T u t Obr..1: Zapojení vzorkovacího zesilovače Obr..: Průběh výstupního napětí vzorkovacího zesilovače Statické vlastnosti vzorkovače ve stavu sledování jsou určeny nelinearitou přenosu, ve stavu pamatování změnou výstupního napětí z důvodu vybíjení kondenzátoru a vlivu vstupních proudů zesilovače Z. Dynamické vlastnosti vzorkovače jsou ve stavu sledování určeny mezním kmitočtem, při kterém klesne přenos vzorkovače o 3dB vzhledem k ss přenosu, rychlostí přeběhu a dobou ustálení výstupního napětí. Ve stavu pamatování průnikem vstupního sinusového napětí na výstup vzorkovače. Přechod ze stavu pamatování do stavu sledování je určen upínací dobou T u, přechod ze stavu sledování do stavu pamatování je určen rozpínací dobou T r. Oba přechody mohou být provázeny přechodovými tranzientami.. Úkoly měření 1) Změřte a zakreslete statickou převodní charakteristiku vzorkovače (závislost výstupního ss napětí na vstupním). Rozsah vstupního napětí volte ±10V (s krokem přibližně 1 V) a kapacitu C H = 1 nf.

12 Vzájemný převod A/D signálů laboratorní cvičení 11 ) Změřte kmitočtovou charakteristiku vzorkovače (závislost přenosu napětí K = 0log(U VÝST /U VST ) [db] na kmitočtu) pro paměťové kondenzátory C H = 1 nf, 10 nf, 100 nf a určete mezní kmitočty pro pokles o 3 db. U VÝST a U VST měřte na osciloskopu jako hodnoty špička-špička (peak-to-peak), měřte alespoň na 15 frekvencích a kolem mezního kmitočtu a nad ním vhodně zmenšete frekvenční krok. U VST volte 5 V ŠŠ a frekvenci generátoru zvyšujte až do dosažení U VÝST = U VST /5. V grafu použijte logaritmické měřítko na ose frekvence. 3) Změřte rychlost přeběhu (strmost náběhu ΔU/Δt v místě nejvyšší strmosti) a dobu ustálení přechodového děje výstupního napětí vzorkovače při buzení vstupním obdélníkovým signálem 1 khz, 5 V ŠŠ při C H = 1 nf, 10 nf. 4) Změřte průnik K PR = 0log(U VÝST /U VST ) vstupního sin. signálu o amplitudě 5 V ŠŠ a kmitočtu 10 khz na výstup vzorkovače při C H = 1 nf, 10 nf, 100 nf. Vstup S/H je na úrovni L TTL. 5) Změřte rychlost změny (ΔU/Δt) výstupního napětí vzorkovače ve stavu pamatování pro C H = 1 nf, 10 nf, 100 nf. Měření zahajte přepnutím vstupu S/H z +5V na zem (viz šipka v obr. 5). Hodnoty odečítejte na osciloskopu při časové základně Roll (stisknout tlačítka Main/Delayed, Roll) s vhodně zvolenou rychlostí běhu (Time/Div). Běh ve vhodném okamžiku zastavte tlačítkem Stop a kurzory odečtěte změnu napětí ΔU a času Δt. +5V +5V Y1 + 10V Z ČV IN MAC 198 S/H OUT ČV 5 Všš ~ G IN MAC 198 S/H OUT Y OSC C H C H 1) Měření převodní charakteristiky ) Měření kmitočtové charakteristiky +5V Y1 Y1 5 Všš G IN MAC 198 S/H C H OUT Y OSC 5 Všš ~ G IN MAC 198 S/H C H OUT Y OSC 3) Měření rychlosti přeběhu a doby ustálení 4) Měření průniku +5V S IN MAC 198 S/H OUT H C H OSC 5) Měření rychlosti poklesu Obr..3: Zapojení přístrojů v jednotlivých úkolech

13 1 FEKT Vysokého učení technického v Brně 3 Úloha č. Analogově číslicový převodník 3.1 Úvod Analogově číslicový převodník je určen k převodu napětí v rozsahu 10 V, ±5 V na 8 bitový číslicový signál. Převodník pracuje na principu postupné aproximace, při které je vstupní proud U IN /R 5 kompenzován proudem z číslicově analogového převodníku DAC08, řízeného aproximačním registrem MHB 150. Polarita rozdílů proudů, určená stavem komparátoru LM311, rozhoduje, zda je příslušný bit číslicového signálu zapsán trvale nebo pouze po dobu jednoho aproximačního taktu. Převodník je startován signálem S (START), platnost výstupních dat je indikována po proběhnutí aproximačního cyklu úrovní L signálu ST (STATUS). Generátor aproximačních cyklů je tvořen dvojicí monostabilních klopných obvodů 74LS13. Jsou-li svorky BIP a COMP rozpojeny, je rozsah vstupního napětí 10V. Při propojení svorek BIP a COMP je na vstup komparátoru přiveden konstantní proud 1mA a rozsah vstupního napětí je ±5 V. +15V BIP OFF +15V 15V COMP IN 10V +15V 15V R1 10n R5 10k 5k R 5k 14 UC+ UC C 4 8 REF I OUT 4 01 REF LM 7 4 DAC 08 R4 R3 5k 15 REF I OUT k + B1 B B3 B4 B5 B6 B7 B8 LR V R9 1k AG MHB 150 CLK IN 7 RG 3 D Q0 4 Q1 5 Q 6 Q3 11 Q4 1 Q5 13 Q6 14 Q7 15 Q7 9 CP DO 1 10 S CC START CLK OUT 1/ 74LS13 1 A1 Q1 13 B1 Q1 4 +5V 5k R7 3 R1 14 CT1 15 RT1 C1 p / 74LS13 A Q B Q R CT RT C p +5V R8 5k STATUS SER OUT DG Obr. 3.1: Schéma zapojení analogově číslicového převodníku

14 Vzájemný převod A/D signálů laboratorní cvičení 13 10V + 5V Z GND G TTL ČV WSH570 IN S A/D G STATUS 1 OSC Obr. 3.: Schéma zapojení měření START CLK IN / CLK OUT min 50ns 100ns 450ns STATUS 4,4ns Obr. 3.3: Časové průběhy signálů převodníku Převodník je třeba taktovat z generátoru obdélníkovým signálem 1 khz s úrovněmi TTL (0 V, +5 V) do vstupu S. Tento signál si nejprve ověřte na osciloskopu a teprve poté připojte k přípravku! 3. Úkoly měření 1) Změřte co nejpřesněji rozhodovací úrovně vstupního napětí převodníku, při kterých dochází ke změnám sousedních kódových slov. Správné nalezení rozhodovací úrovně poznáte tak, že dochází k periodickému přeblikávání indikačních diod. Najděte takto alespoň 10 rozhodovacích úrovní rozložených přibližně rovnoměrně v každém z rozsahů převodníku (0 až +10 V a ±5 V). (Jako zdroj Z využívejte zdroj Agilent, pokud možno jeho 6 V výstup, pro vyšší hodnoty napětí 0 V výstup.) Určete odchylky změřených rozhodovacích úrovní od ideálních hodnot. Pro ideální rozhodovací úrovně (rozsah 10 V) platí vztah: U REF 10 U ID ROZ = ( D 0,5) = ( D 0,5) [V] ( 3.1 ) N 8 D je dekadický ekvivalent vyššího ze dvou sousedních přeskakujících kódových slov. Pro rozsah ±5 V je třeba od výsledného napětí ještě odečíst 5 V.

15 14 FEKT Vysokého učení technického v Brně Tab. 3.1: Kódová slova, mezi kterými se převodník rozhoduje H H H H H H H L H H H H H H H H Ukázka tabulky naměřených a vypočtených hodnot pro rozsah 10 V D Teoretická rozhodovací úroveň (dle vzorce 1) [V] Změřená rozhodovací úroveň [V] 1 +0,0195 (viz voltmetr) Indikační diody svítí při úrovni H TTL. Pozor, binárně: H = 0, L = 1 ) Určete dobu převodu jako šířku impulsu signálu STATUS (ST). Tento impuls je na první pohled velmi úzký, proto je třeba jej na osciloskopu dostatečně roztáhnout v časovém měřítku. 4 Úloha č. 3 Číslicově analogový převodník 4.1 Úvod Číslicově analogový převodník je určen k převodu 8-bitového dvojkového signálu na napětí v rozsazích 10 V a ±5 V. Převodník je tvořen vlastním číslicově analogovým převodníkem s proudovým výstupem DAC08, napájeným proudem ma ze zdroje referenčního napětí 10 V REF01 a zesilovačem LM311, zapojeným ve funkci převodníku proud na napětí. +15V BIP OFF +15V 15V COMP IN 10n 5k 10k k REF U C U C C 4 IOUT 01 REF+ LM 4 DAC 08 5k 15 REF I OUT B1 B B3 B4 B5 B6 B7 B8 LR S OUT AG (MSB) a1 a8(lsb) +15V 15V Obr. 4.1: Schéma zapojení číslicově analogového převodníku Vlastní číslicově analogový převodník DAC08 je tvořen osmi spínanými proudovými zdroji, realizovanými tranzistory T 1 až T 8, které generují váhové proudy na výstupy proudových sběrnic I OUT a I OUT. Váhové proudy jsou odvozeny ze zdroje proudu, tvořeného zesilovačem Z a tranzistorem T r pomocí odporové sítě R-R. Jmenovitý vstupní proud převodníku ma je v závislosti na hodnotě dvojkového vstupního signálu rozdělován ve váhových hodnotách 1 ma až 7,8 ma do proudových sběrnic. Jsou-li svorky BIP a COMP rozpojeny, je rozsah výstupního napětí převodníku 10 V, při propojení svorek je rozsah ±5V.

16 Vzájemný převod A/D signálů laboratorní cvičení 15 +U CC LR B1(BSB) B B7 B8(LSB) PŘEVODNÍKY ÚROVNÍ I OUT I OUT S1 S S7 S8 +U ref U ref + Z T r T1 T T7 T8 R R R R R R R COMP U CC Obr. 4.: Princip převodníku DAC08 4. Úkoly měření Tab. 4.1: Kódování dvojkového signálu převodníku MSB LSB Rozsah 10 V Rozsah ±5V L L L L L L L L 0,000-5,000 L L L L L L L H 0,039-4, L H H H H H H H 4,961-0,039 H L L L L L L L 5,000 0,000 H L L L L L L H 5,039 0, H H H H H H H L 9,9 4,9 H H H H H H H H 9,961 4,961 1) Změřte závislost výstupního napětí převodníku v rozsahu 10 V a ±5 V (alespoň 10 hodnot pro každý rozsah, rovnoměrně rozložených). Určete odchylky napětí od jmenovitých hodnot a tyto odchylky vyneste v grafu v závislosti na dekadickém ekvivalentu kódu. ) Změřte dobu ustálení výstupního napětí převodníku při buzení vstupu a 1 (MSB) obdélníkovým signálem TTL (úrovně 0 V a 5 V) o kmitočtu 100 khz. Při měření jsou ostatní bity a až a 8 na úrovni L. Přepínač a 1 je v poloze H. Vstupy jsou interně připojeny odpory k k napětí +5V. Změřte dobu ustálení jak pro náběžnou, tak pro sestupnou hranu.

17 16 FEKT Vysokého učení technického v Brně Y1 BIP OFF COMP IN DAC 08 OUT AG ČV a1 a8 +5V PŘEPÍNAČE LR a1 TTL G DAC 08 a8 OUT AG Y OSC Obr. 4.3: Měření převodní charakteristiky převodníku Obr. 4.4: Měření doby ustálení převodníku 5 Úloha č. 4 Integrované A/D a D/A převodníky 5.1 Úvod V této úloze se seznámíte s D/A převodníkem LTC157 a A/D převodníkem LTC186 firmy Linear Technology. Naučíte se pracovat s katalogovými listy převodníků, kde si vyhledáte jejich princip a parametry. Převodníky jsou ovládány pomocí počítače s obslužnými programy přes paralelní a sériový port. 5. Úkoly měření A. D/A převodník LTC157 1) Seznamte se s parametry D/A převodníku uvedenými v katalogovém listě. Zejména vyhledejte informaci o jeho referenčním napětí U REF (Bulit-In Reference Voltage) a počtu bitů převodníku N. ) Stanovte vzorec pro konverzi dekadického čísla D poslaného na převodník na očekávané výstupní napětí U VÝST. Ve vzorci budou dále figurovat referenční napětí U REF a počet bitů převodníku N. 3) Použijte program LTC157.EXE, umístěný na ploše, pro ovládání převodníku. Do programu zadávejte dekadické číslo D, které má být převodníkem převedeno na napětí. Poslání hodnoty provádějte kliknutím myši, v případě nahlášení chyby klávesou Enter. 4) Změřte alespoň ve 0 bodech převodní charakteristiku (závislost výstupního napětí převodníku na čísle D) a určete absolutní chyby převodu (vyneste do grafů převodní charakteristiku a závislost absolutní chyby převodu na dekadickém ekvivalentu kódu D) B. A/D převodník LTC186 1) Seznamte se s parametry A/D převodníku uvedenými v katalogovém listě. ) Převodník má referenční vstup připojen na napájecí napětí. Referenční napětí U REF tedy co nejpřesněji změřte mezi žlutým a bílým přívodním vodičem z napájecího zdroje.

18 Vzájemný převod A/D signálů laboratorní cvičení 17 3) Pro toto měření mějte přepínač na převodníku v poloze PC. Použijte program LTC186.EXE, umístěný na ploše, pro ovládání převodníku. Nastavte v něm správnou hodnotu referenčního napětí přesně změřenou na vstupu napájení (použijte desetinnou čárku). Program zobrazuje nejen změřenou hodnotu D (pravé horní políčko), ale i vstupní napětí přepočítané dle vzorce, který jste si odvodili v předchozí části úlohy (pravé dolní políčko). 4) Změřte alespoň ve 0 bodech převodní charakteristiku (závislost napětí odečteného v obslužném programu na skutečném vstupním napětí přiváděném do převodníku změřeném multimetrem) a určete absolutní chyby převodu (vyneste do grafů převodní charakteristiku a závislost absolutní chyby převodu např. na přesném vstupním napětí). 5) Přepněte přepínač do polohy Auto. Nastavte na generátoru obdélníkový signál TTL s úrovněmi 0 V a +5 V o frekvenci cca 1 khz, který zkontrolujte na generátoru. Jestliže je správný, přiveďte jej ke vstupu CLK přípravku. Na analogový vstup přípravku připojte napětí cca V (přesně si ho odměřte a zapište) a s využitím paměti u osciloskopu (zastavíte ve vhodném okamžiku měření pomocí tlačítka STOP) zakreslete průběhy signálů CLK a Dout. Na základě informací o způsobu kódování výstupního slova (viz horní obrázek na str. 10 v katalogovém listu převodníku) stanovte hodnotu slova, které posílá A/D převodník a vypočtěte ekvivalentní vstupní napětí. Toto napětí srovnejte se změřeným skutečným vstupním napětím převodníku. 6 Úloha č. 5 Převodník čísla na frekvenci (D/f převodník) 6.1 Úvod V této úloze budete proměřovat vlastnosti převodníku čísla na frekvenci řízeného počítačem. V ovládacím programu budete zadávat číslo, které bude v přípravku převedeno na frekvenci obdélníkového, případně trojúhelníkového signálu. Tuto frekvenci budete měřit osciloskopem nebo čítačem. ZDROJ D/f Čítač Osciloskop Obr. 6.1: Schéma měřicího pracoviště

19 18 FEKT Vysokého učení technického v Brně 6. Úkoly měření 1) Pokud počítač neběží, zapněte jej. Napájecí zdroj přípravku ponechte zatím vypnutý. Přihlaste se k počítači pod jménem guest (bez hesla) a po nastartování Windows zapněte napájení přípravku. ) Spusťte ovládací program D_F.exe. Zástupce programu je umístěn na ploše. Program slouží k posílání dekadického čísla D, které je v převodníku převedeno na frekvenci. Tento údaj v rozsahu 1 až 4095 (dvanáctibitový převodník) lze přímo zadávat po stisknutí klávesy s a posílat klávesou Enter. Hodnotu D lze zvětšovat a zmenšovat o 1 pomocí šipek nahoru a dolů; stisk kláves Page Up a Page Down zvětšuje či zmenšuje D o 100. Tento krok bude vhodný pro měření, neboť je třeba změřit alespoň 40 hodnot v celém rozsahu. 3) Průběh a kmitočet generovaného signálu lze sledovat na výstupních konektorech BNC. Pomocí osciloskopu a funkce měření kmitočtu (Measure Time Freq) zjistěte frekvenční rozsah výstupního signálu. 4) Změřte převodní charakteristiku převodníku (závislost kmitočtu f výst na čísle D) v celém rozsahu a hodnoty vyneste do grafu 5) Vyneste závislost absolutní chyby převodníku na D. Za správnou hodnotu považujte f výst = 10 D. Vyhodnoťte přesnost a linearitu převodu. 7 Úloha č. 6 Rozdílový multiplexer 7.1 Úvod Rozdílový multiplexer je určen k dvoukanálovému přepínání 4 signálů do dvoukanálové sběrnice a naopak. Multiplexer je tvořen osmi spínači s tranzistory JFET řízenými budičem, obsahujícím též dekodér. Sepnutí spínačů se řídí adresovými vstupy A0, A1 a vstupem EN, který při úrovni L TTL rozpíná všechny spínače. Rozsah vstupních a výstupních napětí multiplexeru je ±5 V.

20 Vzájemný převod A/D signálů laboratorní cvičení 19 S1A D A SA S3A S4A S1B SB S3B D B Tab. 7.1: Kódování kanálů multiplexeru A1 A0 EN Sepnutý kanál X X H Žádný L L L 1A 1B L H L A B H L L 3A 3B H H L 4A 4B S4B H úroveň 5 V +VS DEKODÉR + BUDIČE VS L úroveň 0 V X libovolná úroveň A1 A0 EN GND Obr. 7.1: Vnitřní zapojení multiplexeru 7. Úkoly měření 1) Změřte odpor alespoň tří spínačů multiplexeru v sepnutém stavu při proudu 00 µa. Nezapomeňte na vhodné buzení adresních vstupů (viz tabulka výše) a na zapojení ochranného odporu (trimru) R d. Napětí stejnosměrného zdroje Z zvětšujte od nuly, dokud obvodem nepoteče proud 00 µa. ) Změřte přepínací dobu T TRAN potřebnou k přepnutí jednoho kanálu na druhý. Přepínací kmitočet volte 100 khz v TTL úrovních (0 V a 5 V). Určete též dobu prodlevy T P a dobu sepnutí T S pro náběžnou a sestupnou hranu signálu. Průběhy zakreslete a okótujte. 3) Změřte průnik D OFF sinusového signálu o rozkmitu 10 V ŠŠ a kmitočtu 500 khz z rozepnutého kanálu na výstup multiplexeru. Napětí U D měřte kurzory jako mezivrcholovou hodnotu sinusového průběhu se zanedbáním šumu. D U D OFF = 0log [db] ( 7.1 ) U S 4) Změřte přeslech CT sinusového signálu o rozkmitu 10 V ŠŠ a kmitočtu 500 khz z rozepnutého na sepnutý kanál. Napětí U D měřte opět kurzory. CT U U D = 0log [db] ( 7. ) S

21 0 FEKT Vysokého učení technického v Brně MAC 4 Z I S = 00μA ma + ~0k R d +5V 0V [ ] S1A SA S3A S4A S1B SB S3B S4B A0 A1 EN mv U SD MAC 4 AMX D A D B 100kHz TTL G GND + 5V T ps +5V Y1 0 AG T TRAN S1A SA S3A S4A S1B SB S3B S4B A0 A1 EN T ss AMX T pn D A D B Y1 Y AG T sn OSC GND 5μs 5μs Y L H Obr. 7.: Měření odporů spínačů v sepnutém stavu Obr. 7.3: Měření přepínací doby, doby prodlevy a doby sepnutí f = 500kHz U S = 10V šš ~ G S1A SA S3A S4A S1B SB S3B S4B AMX MAC 4 D A D B Y1 Y U D OSC f = 500kHz U S = 10V šš G~ S1A SA S3A S4A S1B SB S3B S4B AMX MAC 4 D A D B Y1 Y U D OSC +5V A0 A1 EN AG +5V A0 A1 EN AG GND GND Obr. 7.4: Měření průniku Obr. 7.5: Měření přeslechu

22 Vzájemný převod A/D signálů laboratorní cvičení 1 8 Úloha č. 7 Počítačová simulace A/D a D/A převodníků 8.1 Úvod V této úloze se seznámíte s počítačovou simulací A/D a D/A převodníků v programu PSpice. Budete modelovat funkci kaskádně spojených osmibitových převodníků ADC8break a DAC8break. Schéma obvodu podrobeného simulaci je uvedeno na Obr ADC8break DAC8break Vin Vsam In Co St R 1k Ov R3 1k U1 IN DB7 DB6 CNVRT DB5 DB4 STATDB3 DB OVERDB1 DB0 REFAGND U 13 1 DB7 11 DB6 10 DB5 3 9 DB4 OUT 8 DB3 7 DB 4 6 DB1 REF DB0 AGND 5 5V Vref Out C1 10p R Obr. 8.1: Kaskádní zapojení osmibitového A/D a D/A převodníku v programu PSpice 8. Úkoly měření 1) Přihlaste se k počítači pod uživatelským jménem administrator. Heslo vám zadá vyučující. ) Seznamte se s uživatelským rozhraním simulačního programu a PSpice (program spusťte pomocí ikony Schematics na ploše). 3) Proveďte časovou analýzu zapojení (viz obrázek) v programu PSpice. Schéma je uloženo na D:\ADP\adda.sch a jsou v něm nastaveny všechny parametry simulací. Tyto parametry během měření neměňte! Frekvence zdrojů vstupního a vzorkovacího signálu jsou: f in = 1 khz, f vz = 10 khz a f vz = 0 khz. Frekvence f vz je jediný parametr, který budete ve schématu měnit. Do protokolu vložte simulované časové průběhy pro obě vzorkovací frekvence. Průběhy vložte do schránky přes menu: Window Copy to Clipboard, zkopírujte do Wordu a vytiskněte, případně si elektronicky přeneste. 4) Prostudujte možnosti zobrazení spektra signálu (Fourierova analýza) v programu PSpice. Spektrum se zapíná tlačítkem (FFT) v okně grafických charakteristik. 5) Vypočítejte harmonické zkreslení podle prvních 0-ti harmonických pro f vz = 10 khz a f vz = 0 khz (PSpice) podle vztahu: U + U U 0 THD = 100 [%], ( 8.1 ) U + U U 1 0 kde U 1 je amplituda (velikost spektrální čáry) první harmonické o frekvenci f in = 1 khz, U je amplituda následující výrazné harmonické o frekvenci f vz f in atd. Při odečítání velikostí jednotlivých harmonických používejte kurzory a vhodně měňte měřítka os dvojklikem na osy nebo tlačítky.

23 FEKT Vysokého učení technického v Brně 5.0V.5V 0V 0s 0us 40us 60us 80us 100us V(Out) V(In) Time Obr. 8.: Příklad simulace v programu PSpice 9 Úloha č. 8 A/D a D/A karty pro PC 9.1 Úvod V této úloze budete proměřovat vlastnosti dvou zásuvných karet do PC obsahujících A/D a D/A převodníky. Tyto karty jsou multifunkční a disponují analogovými vstupy, analogovými výstupy, čítači, digitálními vstupy a digitálními výstupy. Fotografie jedné z proměřovaných zásuvných karet (TEDIA PCA 748AS) je na Obr Obr. 9.1: Zásuvná karta TEDIA PCA 748AS 9. Úkoly měření A. Měření vlastností karty TEDIA PCA 748AS se 14-bit A/D s dobou převodu 10 ms 1) Úloha se měří na PC č. 1. Pokud počítač neběží, spusťte jej a v přihlašovacím dialogu zadejte jméno student a heslo student. Spusťte z plochy program ScopeWin. Objeví se hlavní panel modulu ScopeWin. Musí žlutě svítit symbol PC karty, symbolizující připravenost k měření. Z hlavního panelu spusťte pomalé měření QM modrým tlačítkem GO. Objeví se grafické okno, znázorňující plynulé změny vstupního signálu v hladině od 5V do +5V. Dále se objeví dva číslicové panely, ze kterých budete odečítat aktuální hodnoty napětí na analogových vstupech karty. Analogové vstupy jsou na zelené svorkovnici označeny: první I0, +I0; druhý I1 a +I1. Na tyto vstupy

24 Vzájemný převod A/D signálů laboratorní cvičení 3 přiveďte stejnosměrné napětí z laboratorního zdroje, které zároveň měřte přesným voltmetrem. V případě, že se objeví okno s dotazem Zastavit měření, zvolte Ano a spusťte měření znovu modrým tlačítkem GO. ) Změřte závislosti napětí odečtených na 4 desetinná místa z obou panelů ScopeWin na vstupním napětí v rozsahu ±5V (minimálně 0 hodnot). 3) Určete absolutní chyby naměřených hodnot (za správné považujte hodnoty z voltmetru). Tyto chyby vyneste graficky a určete maximální absolutní chybu. 4) Zkontrolujte údaj výrobce, že přesnost karty je ±0,1 % z rozsahu. B. Měření vlastností karty PCI-604E, 16x 1-bit D/A ~00 ks/s ) od firmy National Instruments 1) Úloha se měří na PC č.. Zde je třeba být přihlášen pod administrátorským účtem, proto požádejte vyučujícího o přihlášení. Spusťte z plochy program Measurement & Automation. Po spuštění zvolte Devices and Interfaces a vyberte kartu PCI 604E. Pravým tlačítkem klikněte na tuto kartu a zvolte položku Test panel. Zvolte kartu Analog Output, nastavte požadované výstupní napětí a klikněte na tlačítko Update Channel. ) (Pozn. Výstupní signál je na svorkách -56 kanál 0 a 1-56 kanál 1.) 3) Změřte závislost výstupního napětí D/A převodníku na nastaveném napětí v rozsahu ±10V pro kanál 0 a 1 (minimálně 0 hodnot pro každý kanál). 4) Určete absolutní chyby naměřených hodnot, vyneste je graficky a určete maximální absolutní chybu. 10 Úloha č. 9 Integrační A/D převodníky v multimetrech Metex 10.1 Úvod V této úloze budete ověřovat přesnost ručních multimetrů Metex M-3600 a M-4640A pomocí přesného kalibrátoru Digistant 44. Nejprve se seznamte s druhy chyb digitálních měřicích přístrojů, s kontrolovanými multimetry a s kalibrátorem. U digitálních měřících přístrojů se chyba udává ve tvaru +/-( X % rdg + Y digits), kde X je relativní chyba z naměřené hodnoty a Y je chyba z rozsahu. Chyba z naměřené hodnoty je rozdíl mezi skutečnou a změřenou hodnotou, většinou se udává v procentech jako relativní chyba: N S X = 100 [%], ( 10.1 ) S kde N je naměřená hodnota a S je skutečná (správná) hodnota. Chyba z rozsahu udává, o kolik se může lišit poslední zobrazované číslo od skutečné hodnoty. Pokud tedy máme zaručeno Y = +/- 1 digits a skutečná hodnota je např. 1,555 pak zobrazený údaj by měl být v rozsahu 1,554 až 1,556.

25 4 FEKT Vysokého učení technického v Brně Máme li tedy udanou přesnost +/-( 0,1% rdg + 1 digits) a měříme na rozsahu V, skutečná měřená hodnota je 1V, může se údaj lišit o +/- 0,1% z 1 V, tedy 0,001 V plus 1 digit, to je 0,001 V u 3 a 1/ místného multimetru. Celková chyba proto může být +/-0,00V a zobrazený údaj tak mezi 0,998 1,00V. Metex M3610D Jedná se o 3 1/ místný multimetr, umožňující měřit stejnosměrné napětí (rozsahy od 00mV do 1000V), střídavé napětí (do 750V), odpor, proud stejnosměrný i střídavý od 00uA do 00mA a přes speciální zdířku až do 0A. Dále umí zobrazit frekvenci měřeného signálu, otestovat PN přechod diod. Výrobcem zaručované přesnosti na některých rozsazích: Napětí: Proud: 00mV 00uA V ma +/- (0,5%+1digits) +/- (0,3%+1digits) DC 0V DC 0mA 00V 00mA +/- (1,%+1digits) 1000V +/- (0,5%+1digits) 0A +/- (,0%+5digits) Metex M-4640A Jde o 4 1/ místný multimetr, umožňující měřit stejnosměrné napětí (rozsahy od 00mV do 1000V), střídavé napětí (do 750V), odpor, proud stejnosměrný i střídavý od ma do 00mA a přes speciální zdířku až do 0A. Dále umí zobrazit frekvenci měřeného signálu, otestovat PN přechod diod. Výrobcem zaručované přesnosti na některých rozsazích: Napětí: Proud: 00mV ma +/- (0,3%+3digits) V +/- 0mA DC DC 0V (0,05%+3digits) 00mA +/- (0,5%+3digits) 00V 0A +/- (0,8%+5digits) 1000V +/- (0,1%+5digits) Digistant 44 Jedná se o velmi přesný zdroj napětí a proudu, lze s ním i měřit napětí a proud, dále se používá pro měření termočlánků. Výrobcem zaručované parametry: 1. Zapojen pro měření Napětí: lze měřit v rozsahu 0-1V, krok od 1uV po 1mV, dle rozsahu. Vstupní odpor R>1Gohm, tolerance +/- 0.05% F.S. Proud: rozsah do 30mA, krok 1uA, vnitřní odpor R<10ohm, přesnost +/-0,05% F.S. Zapojen jako zdroj Výstupní napětí se dá nastavit v rozsahu 0-11V, krok je 1uV až 1mV dle rozsahu, výstupní odpor Ri <5mOhm, přesnost +/- 0.0%FS. Proud lze nastavit od 0 do ma s krokem 00nA- ua, vnitřní odpor Ri>500Mohm a přesnost 0.03%FS ( mA, 0.0%FS-mA).

26 Vzájemný převod A/D signálů laboratorní cvičení Úkoly měření 1) Seznamte se s obsluhou multimetrů a kalibrátoru. Digistant 44 použijte jako přesný normál napětí (proudu) a k jeho výstupům (označeny + a ) připojte současně oba měřené multimetry. Pro měření napětí je připojte paralelně, pro měření proudu do série. Kalibrátor zapněte tlačítkem ON OFF. Nastavení přesného napětí (proudu) se provádí zadáním hodnoty z numerické klávesnice a stiskem příslušné jednotky (V, ma). Během měření využívejte krokování, které se provádí šipkami nahoru, dolů (správné kroky 0,1 V a 0,1 ma by měly být již nastaveny). ) Změřte statickou převodní charakteristiku pro napěťový rozsah V ss a pro proudový rozsah ma ss v obou polaritách (minimálně 40 hodnot pro každé měření). Při přetečení rozsahů multimetrů rozsahy nepřepínejte, pouze mírně upravte hodnotu na kalibrátoru (např. z V na 1,99 V). 3) Vyneste korekční křivku a stanovte, zda přístroj vyhovuje tolerančnímu pásmu, které je dáno výrobcem. 4) Vypočítejte, kolika-bitový převodník by byl zapotřebí pro náhradu 3,5 místného a kolika-bitový pro náhradu 4,5 místného integračního převodníku (nezapomeňte na znaménko) Příklad výsledků měření Měření napětí, rozsah 00 mv. (Hvězdičkou jsou označeny meze zaručované přesnosti.) Zde je uvedena jen kladná polarita, vy měřte i vynášejte obě polarity. Tab. 10.1: Příklad tabulky naměřených hodnot Metex M-3610D U S [mv] U N [mv] Δ [mv] * [mv] 0 0 0,000 +/- 0, ,9-0,100 +/- 0, ,9-0,100 +/- 0, ,000 +/- 0, ,9-0,100 +/- 0, ,000 +/- 0, ,9-0,100 +/- 0, ,9-0,100 +/- 0, ,9-0,100 +/- 0, ,9-0,100 +/- 0, ,9-0,100 +/- 0,700 Δ [mv] 0,800 0,600 0,400 0,00 0, ,00-0,400-0,600-0,800 Us [mv] Obr. 10.1: Příklad grafu

27 6 FEKT Vysokého učení technického v Brně 11 Úloha č. 10 Měření vlastností A/D převodníků ve zvukových kartách 11.1 Úvod V této úloze budete měřit vlastnosti A/D převodníků ve zvukových kartách. Měřena bude integrovaná zvuková karta na základní desce PC a také profesionální zvuková karta M- Audio Revolution 5.1 do PCI slotu. Všechna měření provádějte pro obě zvukové karty a výsledky vzájemně porovnejte. Pokud počítač neběží, spusťte jej a v přihlašovacím dialogu zadejte jméno guest a heslo nezadávejte. Spusťte program WinScope pomocí zástupce na ploše. Tento program graficky zobrazuje signály přivedené na mikrofonní vstup zvukové karty. Obr. 11.1: Program Oscilloscope for Windows 11. Úkoly měření 1) Seznamte se s uživatelským rozhraním programu Oscilloscope for Windows. Zobrazení průběhů zapněte pomocí tlačítka (vlevo) a vyzkoušejte si funkci ovládacích prvků. ) Vzhledem k tomu, že svislá (napěťová) osa osciloskopu není nijak cejchována (nemáme žádnou informaci, kolik je V/dílek) budete v tomto a následujícím úkolu osciloskop kalibrovat. Alespoň ve 0 bodech změřte a zakreslete závislost mezivrcholové hodnoty (v dílcích/gain) odečtené z programu WinScope na mezivrcholové hodnotě vstupního napětí změřené klasickým osciloskopem. Frekvenci vstupního napětí volte 1 khz a amplitudu postupně zvyšujte od nuly do hodnoty, při níž začne být průběh v programu WinScope limitován. Zesílení GAIN během měření měňte tak, aby byl průběh co nejvíce roztažený pro lepší odčítání dílků. 3) Stanovte převodní konstantu

28 Vzájemný převod A/D signálů laboratorní cvičení 7 DÍLKY Š Š K = [V -1 ] ( 11.1 ) GAIN U VST Š Š pro jednotlivé body měření a dále stanovte průměrnou převodní konstantu K P z přímky, kterou získáte proložením převodní charakteristiky změřené v bodě. 4) Stanovte frekvenční rozsah počítačového osciloskopu, tzn. do jaké frekvence je ještě průběh na osciloskopu pro PC tvarově nezkreslený pro různé vzorkovací frekvence (OPTIONS TIMING SAMPLING, Hz) 5) Ověřte rozdíly mezi oběma kanály osciloskopu a seznamte se s možnostmi režimu X-Y 1 Úloha č. 11 Měření vlastností D/A převodníků ve zvukových kartách 1.1 Úvod V této úloze budete měřit vlastnosti D/A převodníků ve zvukových kartách. Měřena bude integrovaná zvuková karta na základní desce PC a také profesionální zvuková karta M- Audio Revolution 5.1 do PCI slotu. Všechna měření provádějte pro obě zvukové karty a výsledky vzájemně porovnejte. Pokud počítač neběží, spusťte jej a v přihlašovacím dialogu zadejte jméno guest a heslo nezadávejte. Spusťte program Audio SweepGen pomocí zástupce na ploše. Tento program umožňuje generování harmonických signálů zvukovou kartou. Obr. 1.1: Program Audio SweepGen 1. Úkoly měření 1) Seznamte se s uživatelským rozhraním programu Audio SweepGen. Vyzkoušejte si funkci všech ovládacích prvků. V levé části jsou ovládací prvky pro nastavení frekvence, v prostřední pro rozmítání frekvence (tyto prvky nebudete využívat, ponechte je tak, jak je zobrazeno na obrázku níže) a vpravo lze nastavit úroveň signálu.

29 8 FEKT Vysokého učení technického v Brně ) Pomocí dvoukanálového osciloskopu změřte kmitočtovou charakteristiku karty pro levý i pravý kanál v rozsahu 0 Hz 0 khz. Měřte alespoň na 0 frekvencích, Output Level nastavte na 0 db, v ovládání hlasitosti ve Windows nastavte ovládací prvky Celková hlasitost a Zařízení Wave na polovinu rozsahu. 3) Na frekvenci přibližně 1 khz změřte odstup signál/šum pro levý i pravý kanál. Postupujte tak, že změříte maximální mezivrcholovou hodnotu generovaného signálu (U MAX ) při ovládacích prvcích Output Level v programu SweepGen a Celková hlasitost a Zařízení Wave ve Windows nastavených na maximum. Poté změřte mezivrcholovou hodnotu signálu na výstupu zvukové karty (U MIN ) při všech třech výše jmenovaných ovládacích prvcích nastavených na minimum. Odstup signál/šum pak vypočítejte jako 0 log (U MAX / U MIN ) [db]. 4) Zjistěte vzorkovací frekvence zvukových karet. Nastavte na PC dostatečně vysoký kmitočet generátoru a spočítejte počet vzorků na periodu. Z těchto údajů vypočtěte vzorkovací frekvenci. 5) Ověřte přesnost nastavené frekvence zvukových karet alespoň v 5 bodech ve frekvenčním rozsahu 0 Hz 0 khz. 13 Úloha č. 1 Externí PC generátor libovolných průběhů ETC M Úvod Tento dvoukanálový generátor ovládaný z PC přes paralelní port umožňuje generování libovolných napěťových průběhů a digitálních událostí. K ovládání generátoru slouží program, který vytvoří na obrazovce panel virtuálního generátoru a umožní jednoduché ovládání jeho funkcí Obr. 13.1: Ovládací obrazovka generátoru ETC M631

30 Vzájemný převod A/D signálů laboratorní cvičení 9 Popis ovládacích prvků: (Popis lze zobrazit najetím myši na jednotlivé ovládací prvky.) 1) Úroveň kanálu A (šedé hodnoty jsou dopočítávány), lze měnit i na liště Lvl ) Zapínání sumace generovaného signálu a externího signálu přiváděného na vstup EM A (ponechat Off) 3) Zapínání atenuátoru 0 db (ponechat 0) 4) Posuv (ofset) kanálu A, lze měnit i na liště Shift 5) Nastavení zatěžovací impedance (ponechat na Open) 6) Nastavení výstupního filtru dolní propust (ponechat Off) 7) Náhledy generovaných průběhů 8) Výběr či vytvoření průběhu 9) Údaje kurzorů 10) Nastavení frekvence 13. Úkoly a postup měření Všechna měření provádějte pouze pro kanál A generátoru M631. V bodě 3 je třeba propojit generátor s multimetrem měřícím efektivní hodnotu střídavého napětí (AC V), v ostatních bodech je generátor propojen s osciloskopem. 1) Z ovládacího programu zjistěte teoretický frekvenční rozsah generátoru. Pomocí osciloskopu určete praktickou maximální frekvenci generátoru, při které je ještě na jeho výstupu nezkreslený sinusový signál. ) Z osciloskopu odečtěte výstupní napětí generátoru, kdy výstupní signál začíná být limitován. (Měňte hodnoty Level a Shift.) 3) Změřte závislost efektivní hodnoty (rms) výstupního napětí změřeného multimetrem na nastavené efektivní hodnotě napětí v ovládacím programu generátoru. Průběh volte sinus, ofset 0 V a frekvenci 50 Hz a 5 khz. Zakreslete tyto závislosti a závislosti absolutní chyby na nastaveném napětí. Zkontrolujte, zda chyba nepřesáhne výrobcem předepsaná %. 4) Na generátoru nastavte sinusový průběh, frekvenci 50 Hz, napětí 16 VP-P a nulový ofset. Pomocí zvětšení na osciloskopu v časovém i napěťovém měřítku (musí být vidět schodovitý průběh) odečtěte v místě největší strmosti co nejpřesněji velikost jednoho napěťového kroku. Na základě znalosti celkového rozkmitu signálu a velikosti kroku určete, kolika bitový převodník je použit v generátoru. 5) Určete, kolik vzorků připadá na jednu periodu signálu. Měření proveďte při stejném nastavení přístrojů, jako v předchozím bodě pro frekvence 50 Hz a 1 khz. 6) Pomocí osciloskopu změřte dobu náběžné a sestupné hrany (10% - 90%) obdélníkového signálu o frekvenci 10 khz, napětí VP-P a nulovém ofsetu. Průběh lze měnit stiskem tlačítka Select wave A, vybráním příslušného tvaru (Square), OK. Výrobce udává, že tyto doby by měly být menší než 10 ns. 7) Vygenerujte a do protokolu načrtněte signál podle matematické funkce sin(x)/x^4. Opět stiskněte Select wave A, vyberte některé prázdné (Empty) okénko ve druhém řádku, stiskněte Create a Math edit. Zde zadejte do políček Real start hodnotu *pi, Real end 4*pi a Formula sin(x)/x^4, OK, OK.

31 30 FEKT Vysokého učení technického v Brně 14 Úloha č. 13 Externí PC osciloskop ETC M Úvod Jedná se o dvoukanálový osciloskop se šířkou pásma 150 MHz. K PC se připojuje přes rozhraní USB.0 či USB 1.1, přes které je rovněž napájen. Osciloskop má citlivost 10mV/div až 5V/div s krokom 1--5, maximální vzorkovací frekvence v reálném čase je 00MS/s, maximální ekvivalentní vzorkovací frekvence je 0GS/s. V režimu zobrazení (zoom) 1:1 je časová základna nastavitelná od ns/div do 100ms/div s krokem S využitím jiných režimů zobrazení je možné nastavit časovou základnu od 00ps/div do 800ms/div. Vysoká přenosová rychlost umožňuje časté obnovování obrazovky (vytváří dojem analogového osciloskopu). K dispozici jsou čtyři režimy sběru dat (AUTO, NORMAL, SINGLE, MANUAL). Sofistikovaný systém spouštění umožňuje synchronizaci s komplikovanými průběhy (např. výběr řádku video signálu). Součástí programového vybavení je i spektrální analyzátor, který analyzuje signál na kanálu A a zobrazí jeho frekvenční spektrum Obr. 14.1: Ovládací obrazovka osciloskopu ETC M55 Popis ovládacích prvků: (Popis lze zobrazit najetím myši na jednotlivé ovládací prvky.) 1) Zapínání a vypínání zobrazení kanálů A a B ) Ovládání kurzorů; posun kurzorů se provádí myší přímo v okně průběhů 3) Speciální funkce (matematické operace, FFT ) 4) Informace o režimu osciloskopu, měřítku, údaje kurzorů 5) Vertikální posun 6) Změna napěťového měřítka

32 Vzájemný převod A/D signálů laboratorní cvičení 31 7) Časová základna 8) Režim spouštění 9) Volba kanálu spouštění 14. Úkoly a postup měření 1) Na generátoru Agilent nastavte sinusový průběh o frekvenci 1 khz a přiveďte jej do kanálu A PC osciloskopu. Průběh zasynchronizujte. Signál z generátoru přiveďte zároveň do multimetru. Změřte závislost napětí odečteného kurzory na PC osciloskopu (hodnota špička-špička) na napětí změřeném přesným multimetrem alespoň v 10 bodech, rovnoměrně rozložených v celém rozsahu napětí, která může generátor dodat. Nezapomeňte, že multimetr měří efektivní hodnotu napětí, kterou je třeba převést na mezivrcholovou. Ověřte údaj výrobce, že PC osciloskop má maximální chybu % z aktuální měřené hodnoty. ) Změřte přeslech mezi kanály PC osciloskopu. Na kanál A přiveďte sinusový průběh 10 Vpp, 1 MHz a kurzory změřte mezivrcholovou hodnotu průběhu na kanálu B. Přeslech vypočtěte podle vzorce: CT U B( P P) 0 ( 14.1 ) U A B = log A ( P P) 3) Zjistěte také přeslech z kanálu B do kanálu A. Podle výrobce by měl být přeslech menší než -60 db. 15 Úloha č. 14 Multimetr/osciloskop jako zásuvná karta do CF slotu 15.1 Úvod V úloze se seznámíte se zásuvnou kartou do Compact Flash (CF) slotu schopnou pracovat jako 5,5-místný multimetr a jednoduchý osciloskop. Karta je připojena ke kapesnímu počítači PDA, ale lze ji připojit i k PC se čtečkou CF. Karta má dva nezávislé kanály galvanicky izolované navzájem i od CF slotu. Každý kanál obsahuje vlastní A/D převodník a obvody zpracování signálu. Rozsah měřitelných stejnosměrných napětí je 650 V, střídavých pak 460 V. Měřena je skutečná efektivní hodnota (True RMS). Maximální měřitelný proud je 350 ma ss i stř. Měření odporu je možné ve čtyřech rozsazích od 1 Ω do 40 MΩ. Duální osciloskop pracuje se vzorkovací frekvencí 40 ks/s a využívá 18 kbyte vyrovnávací paměti. Frekvence měření je volitelná od méně než 1 S/s do 40 ks/s.