A/D A D/A PŘEVODNÍKY

1 Teoretická část A/D A D/A PŘEVODNÍKY 1.1 Rozdělení převodníků Analogově číslicové (A/D) převodníky přeměňují analogové (spojité) signály na signály číslicové, u číslicově analogových (D/A) převodníků je tomu naopak. Převodníky pracují s elektrickými signály. Potřeba převodníků vyvstala v souvislosti se zvýšením přesnosti měřeni, a tím se zavedením číslicového měření neboť ručková měřidla se stupnicí nemohla tyto požadavky splnit. Druhým důvodem bylo použití výpočetní techniky pro přímé řízení procesů nebo později jako součást měřicích přístrojů. Výroba těchto obvodů v integrované formě zvýšila jejich dostupnost a usnadnila jejich aplikace. Podle způsobu převodu a časového průběhu číslicového signálu lze převodníky rozdělit na paralelní a sériové. U paralelních převodníků je číslicový signál přenášen tolika vodiči, jakou mají zpracovávaná číslicová slova délku v bitech. Každé slovo je vedeno paralelně, tj. všechny bity najednou. Sériové převodníky vedou číslicový signál jen jedním vodičem, bit po bitu za sebou v časové posloupnosti. Zde je nutný přídavný hodinový kmitočet. Používanější jsou paralelní převodníky, mimo jiné i pro vyšší rychlost. Základním obvodem číslicových měřicích přístrojů jsou A/D převodníky. Největší význam mají převodníky pro přímé číslicové zobrazení měřené veličiny, tedy s výstupem v BCD (binárně dekadickém) kódu, umožňujícím zobrazení měřené veličiny jako dekadická čísla na sedmisegmentovém displeji. Tyto převodníky využívají různých metod, z nichž nejpoužívanější jsou metoda dvojí integrace, metoda s mezipřevodem na kmitočet (U/f převodník), metoda čítací (použití čítače) nebo sledovací (použití vratného čítače), všechny v BCD kódu. Naproti tomu převodníky pro napojeni analogových signálů z technologického nebo měřícího zařízení na výpočetní techniku vyžadují převod na číslicový signál v binárním (dvojkovém) kódu. Pro převod měřených veličin se používá A/D převodníků, pro převod akčních veličin se využívá D/A převodníků. Konstrukce obou druhů převodníků využívá stejných stavebních prvků, a proto nebudou probírány odděleně. Jednodušší D/A převodník je založen na principu odporové sítě a bývá v provedení osmibitovém nebo dvanáctibitovém. Tento převodník je typicky paralelní. Složitější A/D převodník využívá kompenzační metody (metody postupných aproximací) se zařazením D/A převodníku ve zpětné vazbě. Tento A/D převodník může být paralelní i sériový. Jinak může být A/D převod řešen i metodou čítací nebo sledovací (obojí ve dvojkovém kódu) nebo nejrychlejší principem paralelního převodu. 1.2 A/D převodníky pro přístrojové aplikace Nejpoužívanější je metoda dvojí integrace, z důvodů odolnosti proti rušení a. minimální potřebou přesných obvodových prvků. Výroba těchto převodníků v monolitické formě (na jednom čipu) usnadnila výrobu přesných číslicových voltmetrů a multimetrů. Podstata metody je zřejmá z obr. 1 a 2. Celý převod je možno rozdělit do dvou časových intervalů T 1 a T 2. Po dobu T 1, je na vstup integrátoru přivedeno vstupní napětí U x. Napětí na výstupu z integrátoru se lineárně zvětšuje v kladné nebo záporné polaritě podle polarity U x. Během intervalu T 2 se na vstup integrátoru připojuje referenční napětí U r s opačnou polaritou než U x. Napětí na výstupu z integrátoru se opět lineárně zmenšuje k nule. V okamžiku dosažení nuly vyšle komparátor impuls do řídicí logiky a převod končí. Mezi měřeným napětím U x, referenčním napětí U r a oběma časovými intervaly lze odvodit následující vztah (1). 1

U T 2 x = Ur (1) T 1 Protože U r a T 1 jsou konstantní (T 1, je určeno zaplněním čítače impulsy z přesného oscilátoru), je U x přímo úměrné časovému intervalu T 2. Převod T 2 na číslicový údaj zajišťuje čítač, který po zaplnění během intervalu T 1, začne znovu čítat impulsy po dobu T 2. Stav čítače na konci intervalu T 2 se přenese do obvodů indikace (opatřených pamětí), které zobrazí číslo, odpovídající měřenému napětí U x. Vyjádření čísla v BCD kódu (binárně dekadickém) usnadňuje jeho zobrazení na číslicovém displeji běžného dekadického čísla. Každému desítkovému řádu odpovídá skupina čtyř bitů. Protože čtyři bity jsou schopny zobrazit šestnáct čísel, zůstávají některé kombinace nevyužity, kód je tedy nadbytečný, redundantní. V každé čtveřici bitů odpovídá první bit váze 8, druhý váze 4, třetí váze 2 a poslední váze 1. Tedy např. číselnému vyjádření jedné dekadické číslice 7 odpovídá v BCD kódu číslo 0111, neboť 0 8+1 4+1 2+1 1 = 7, a podobně číslu v BCD kódu 1001 0010 0101 odpovídá číslo 925. 2

1.3 Převodník C520D Obvod C520D je monolitický A/D převodník vyráběný v bývalé NDR. Pracuje metodou dvojí integrace s rozlišením tři digity (dekadické číslice), což odpovídá 1000 úrovním. Je vyroben technologií I 2 L (integrovaná injekční logika), využívá bipolárních tranzistorů v inverzním režimu (záměna funkce E a C). Stupeň integrace je LSI (obvody vysoké integrace). Výhodou je pouzdro s malým počtem vývodů DIL - 2x8 a jediné napájecí napětí 5 V s odběrem 10 ma. Je určen pro napojeni na sedmisegmentové displeje LED. Blokové schéma převodníku je na obr. 3. Oproti základnímu principu metody s dvojí integrací (obr. 1) je u tohoto převodníku nahrazen integrátor zdroji konstantního proudu, řízenými vstupním a referenčním napětím, které se postupně přivádí do integračního kondenzátoru. V prvním taktu se kondenzátor nabíjí proudem I x, úměrným měřenému napětí U x. Ve druhém taktu se kondenzátor vybíjí konstantním proudem I r a okamžik přechodu napětí na kondenzátoru přes výchozí úroveň zachytí komparátor. V číslicové části je použit třířádový čítač pracující v BCD kódu. Stav čítače, buzeného vnitřním generátorem hodinového kmitočtu (OSC), se na konci druhého taktu (integrace I r ) přenáší na výstup převodníku. Multiplexním řízením indikace se dosáhlo zmenšení počtu přívodů. (Časový multiplex umožňuje vedení více signálů po jednom vedení, každý signál jen v určitém časovém intervalu.) Jednotlivé řády čítače se pomocí multiplexeru (MPX) postupně přivádějí přes budič na čtyři výstupy v kódu BCD. Vnější indikace na sedmisegmentových displejích se řídí pomoci sedmisegmentového dekodéru a tří řádových vývodů z "řízení vstupu". Nejprve se převede (a rozsvítí na displeji) nejvyšší řád (MSD), pak nejnižší (LSD). a nakonec prostřední řád (NSD). 3

Převodník je vybaven automatickou signalizací polarity a přetížení. Měří napětí v základním rozsahu - 99 mv až + 999 mv. Vstupní proud je kolem 120 na. Při použiti dekodérů D 146 a D 147 je signalizace polarity a přetížení v tabulce 1. Rychlost převodu lze řídit napětím na vstupu 6 (viz obr. 4). Normální rychlost převodu 3,5 převodu s -1 (2 až 7) nastává, je-li na vstupu 6 napětí (0 až 0,4) V. Blokování převodu se záznamem posledního údaje nastává při napětí (0,8 až 1,6) V na vstupu 6. Je-li zde napětí (3,2 až 5,5) V, nastává rychlý převod 72 převodů s -1 (48 až 168). Detailní schéma zapojeného číslicového milivoltmetru, s použitím převodníku C520D, je na obr. 4, pro zapojení displejů se společnou anodou. Jak je vidět, mimo dekodér, displeje a ochranné odpory, obsahuje zapojení jen nemnoho vnějších součástek. 4

Uvedený příklad není jedinou aplikací. Převodník je možné napojit i na displeje se společnou katodou, použít k buzení digitronů, fluorescenčních displejů i displejů z kapalných krystalů, výstup lze ukládat do paměti a napojit na mikropočítač. Mimo uvedeného základního rozsahu napětí do 1 V lze pomoci děliče měřit napětí do 10 V, případně i do 100 V. Zvětšení vstupního odporu lze dosáhnout předřazením operačního zesilovače s prvky FET na vstupu. Zařazením rezistoru mezi vstupní zdířky 10 a 11 lze měřit i proudy, např. 1 ma při odporu 1000 Ω. Převodník lze použít i pro měření teploty pomocí snímačů Pt 100 nebo pomocí křemíkové diody. 2 Laboratorní práce PRÁCE K7: Třímístný A/D převodník s obvodem C520D Laboratorní zařízeni Zařízení je zapojeno přibližně podle schématu na obr. 4, konkrétní přípravek je uveden na obr. 5. Převodník vyžaduje napájení 5 V. Zdroj proměnného napětí je tvořen vnějším děličem, napojeným na zdroj BK 127 nebo baterii. Vstupní signál do převodníku se současně měří multimetrem V560. Zadáni práce 1. Zapojte přípravek s převodníkem C520D a proveďte seřízení jeho nulové polohy a rozsahu 1 V. Nastavte desetinnou tečku. 2. Použijte převodník pro měření napětí kladné i záporné polarity, proveďte kontrolu indikace přetížení. 3. Proveďte kontrolu části statické charakteristiky převodníku od zadaného napětí v patnácti za sebou jdoucích údajích převodníku. Nakreslete graf a rozhodněte, zda chyby nepřekračují specifikované meze. 5

4. Proveďte experimentální zjištění maximální možné velikosti vnitřního odporu zdroje napětí. 5. Zjistěte časový diagram rozsvěcování jednotlivých displejů. 6. Zapojte přípravek jako měřidlo proudu s rozsahem 10 ma, proveďte kontrolu v pěti bodech rozsahu. 7. Navrhněte obvod pro měření: a) napětí v rozsahu 10 V, b) napětí 10 V s vyšším vstupním odporem, c) proudu v rozsahu 1 A. Pracovní postup 1. Napájecí napětí 5 V připojte ze zdroje BK 125. Vstupní proměnné napětí přiveďte ze zdroje BK 127 nebo BS 525, nebo z baterie na vnější vstupní dělič sloužící k jemnému nastavení vstupního napětí. Připojte vstupy převodníku HI a LO na příslušné svorky děliče. Propojte nulovou svorku vstupního napětí se záporou svorkou napájecího napětí. Nastavte správnou polohu desetinné tečky a normální rychlost převodu. Nejprve proveďte hrubé nastavení převodníku. Vstupní svorky HI a LO se zkratují a potenciometrem NULA se nastaví na displeji.000. Na vstupy HI a LO se přivede napětí 1 V a na displeji se nastaví potenciometrem ZISK.999. Pro jemné seřízení převodníku se přivede na jeho vstupní zdířky napětí 0,5 mv a potenciometr NULA se nastaví tak, aby střídavě blikaly údaje.000 a.001. Pak se nastaví vstupní napětí na 998,5 mv a potenciometr ZISK se nastaví tak, aby střídavě blikaly údaje.998 a.999. Toto jemné seřízeni je třeba zkontrolovat případně i opakovat. 2. Zvyšujte vstupní napětí a pozorujte displej, ověřte si indikaci přetížení při vstupním napětí větším než 999 mv. Snižte vstupní napětí na nulu, přepólujte svorky HI a LO a měřte záporné napětí. Ověřte indikaci přetížení při napětí menším než -99 mv. 3. Proměřte část statické charakteristiky převodníku od žádané hodnoty (není-li zadána, pak od 100 mv). Měňte spojitě vstupní napětí a přesným měřidlem s větším rozlišením, měřte vždy interval vstupního napětí, odpovídající určenému údaji na výstupu. Měření zpracujte do statické charakteristiky, která je tvořena soustavou úseček, které určují, jaké vstupní napětí (na vodorovné ose) odpovídá jednotlivým hodnotám výstupní indikace (na svislé ose). Do grafu zakreslete přímku teoretického převodu s intervaly povolených chyb linearity. Povolená chyba je dána -(0,1 % z měřeného údaje + 1 digit). Určete, zda převodník vyhovuje povoleným chybám nelinearity. Určete, zda v oblasti kalibrace je splněna podmínka monotonie. Pro každou indikaci určete i hodnotu rozdílové nelinearity. 4. Měří-li se převodníkem napětí na dostatečně tvrdém zdroji, pak zařazením sériového odporu do obvodu se simuluje zdroj s vnitřním odporem. Zvyšuje-li se tento odpor, pak při malých změnách nenastává změna údaje. Při větších změnách sériového odporu nastane taková změna údaje převodníku, že není zachována jeho přesnost. Experimentem lze zjistit tuto hranici. Jeden z možných projevů je kmitání údaje, superpozice s náhodně proměnným signálem. Zjistěte velikost náhodné složky a její vztah k velikosti sériového odporu. Jiný projev je změna (tedy posun) údaje. Tuto změnu pozorujte při třech různých vstupních signálech -90 mv, 0 mv a 900 mv. Ze změn těchto údajů vyhodnoťte, zda se jedná o změnu nulové polohy nebo rozsahu nebo obojí. Zjistěte vztah těchto změn k velikosti sériového odporu. Hledaná hodnota odporu je minimální hodnota odporu, která při kterémkoliv vstupním signálu jakýmkoliv způsobem mění údaj tak, že není dodržena jeho přesnost. 6

5. Měření proveďte osciloskopem, nejlépe dvoukanálovým. Rozsvícení displeje nastává při otevření příslušného tranzistoru (viz obr. 4), když se na jeho kolektoru objeví napájecí napětí. Zjistěte časový diagram napětí na kolektorech tří tranzistorů, změřte periodu, průběhy napětí a rozsvícení jednotlivých displejů. Měření zpracujte graficky. 6. Paralelně ke vstupům HI a LO zařaďte vhodný odpor tak, aby zadanému proudu odpovídalo napětí 1 V. Sériově do obvodu zařaďte číslicové měřidlo proudu. Volte správnou polohu desetinné tečky. Zvyšováním napětí zdroje měňte proud, který měřte převodníkem i číslicovým měřidlem. Naměřené údaje sestavte do tabulky a určete charakter chyb. 7. Pro návrhy měřicích obvodů využijte vlastních znalostí a důvtipu. Větší napětí měřte pomocí děliče, který má alespoň 10 000 Ω V -1 (běžné magnetoelektrické přístroje mají jen 5 000 Ω V -1 ). Vyšší vstupní odpor zajistěte převodníkem s OZ (napěťový sledovač) s prvky FET na vstupu. Příloha: Vlastnosti a chyby převodníků Vlastnosti převodníků jsou určeny několika parametry: přesností (statická vlastnost), rychlostí převodu (dynamická vlastnost) a stabilitou (vliv ovlivňujících veličin). Dosud jsme předpokládali vlastnosti ideálního převodníku. Takový je však pouhou idealizací, neboť součástky mají hodnoty v určitých tolerancích, což v praxi způsobuje odchylky statické charakteristiky od ideálního průběhu. Přitom je nutno upozornit, že statické charakteristiky bývají znázorňovány jako spojité funkce, ve skutečnosti však mají jemně stupňovitý průběh, počet stupňů závisí na počtu bitů číslicového signálu. Odchylky statické charakteristiky od ideálního průběhu můžeme rozdělit do tří skupin. Odchylky nulového bodu se projevují paralelním posunutím statické charakteristiky od ideálního průběhu. Chyba zesílení způsobuje pootočení statické charakteristiky kolem nulového bodu vzhledem k ideálnímu průběhu. Chyba nelinearity se projevuje skutečností, že statická charakteristika není obecně přímka, ale zvlněná nebo zakřivená křivka. Uvedené odchylky se projevují samostatně nebo v kombinacích. Ilustrace chyb pro 8 bitový převodník je na obr. P-1. Odchylku od nulového bodu nebo chybu zesílení můžeme seřízením eliminovat, nelinearitu obvodu však eliminovat nelze (bez použití nelineárních obvodů). Pod pojmem nelinearita (nebo chyba nelinearity) rozumíme odchylku od ideální přímky, procházející nulovým a koncovým bodem. Nelinearita je funkcí polohy na statické charakteristice. Největší hodnota v daném rozsahu se označuje jako maximální nelinearita. Nelinearita se vyjadřuje v procentech z plného rozsahu (FS - full scale) nebo také v hodnotě LSB (last significant bit - nejmenší významný bit). Při posuzování nelinearity rozhodujeme, zda nelinearita převodníku splňuje či nesplňuje požadavek deklarované přesnosti. Ilustrace nelinearity je na obr. P-2 pro hypotetický 3 bitový převodník. Ve všech bodech přechodové charakteristiky je nelinearita nulová s výjimkou bodů 011 a 100, v obou těchto bodech je nelinearita +1/4 LSB, nebo též +3,75 % FS, znázorněná vzdáleností středu stupně s červenou tečkou k ideální závislosti. Rozdílová nelinearita je odchylka rozdílu dvou sousedních stupňů proti ideálnímu rozdílu. Posuzuje se pro každý stupeň zvlášť. Rozdílová nelinearita se vyjadřuje podobně jako nelinearita. Ilustrace rozdílové nelinearity je pro hypotetický 3 bitový binární převodník na obr. P-2. Ve všech bodech přechodové charakteristiky je rozdílová nelinearita nulová s výjimkou bodů 011 a 100. V bodě 011 je rozdílová nelinearita +1/2 LSB, nebo též + 7,14 % FS, v bodě 100 je rozdílová nelinearita -1/2 LSB, nebo též -7,14 % FS. Vysoký údaj nelinearity a rozdílové nelinearity v procentech je dán okolností hypotetického 3 bitového převodníku (8 možných stavů). U skutečných převodníků 8 bitových (256 číslicových stavů), 12 bitových nebo 16 bitových jsou tyto údaje pochopitelně menší. 7

111 číslicový výstupní signál číslicový výstupní signál 110 101 100 011 010 rozdílová nelinearia -1/2 LSB 1 LSB 1 LSB rozdílová nelinearia +1/2 LSB 001 analogový vstupní signál 000 0 analogový vstupní signál FS Obr. P-1 Obr. P-2 Odchylky statické charakteristiky převodníku Definice rozdílové nelinearity 8