D převodníky, číslicový osciloskop

1. Vzorkování, A/D převodníky, číslicový osciloskop. přednášky A3B38SME Senzory a měření zdroje převzatých obrázků: pokud není uvedeno jinak, zdrojem je monografie Haasz, Sedláček: Elektrická měření a skripta Ripka, Ďaďo, Kreidl, Novák: Senzory

P. Ripka 20. 2. 2011

5.2.2014

A3B38SME přednáška 1

1

Měření a přístrojová technika – úvod Reálný svět

Obor Senzory a přístrojová technika

Senzor → U, R, L, C, f, T Analogové předzpracování → → U, I, f, T (vhodný rozsah) Analogově-číslicový převod Přenos dat Číslicové zpracování Přenos dat

Řízení

A3B38MMP Mikroprocesory a mikrořadiče v přístrojové technice A3B38PRT Přístrojová technika

Volitelné předměty A0B38APH Aplikace programovatelných hradlových polí A0B38LPT Letecká přístrojová technika A0B38OCP Obvody číslicových přístrojů A0B38PSM Programování systémů pro měření a sběr dat A0B38SES Senzorové sítě

Zobrazení

5.2.2014


2

Měřicí řetězec

senzor (snímač)

měřicí obvod a zesilovač

obvody zpracování signálu

A/C

MP R

R

P

Blokové schéma měřicího řetězce se senzorem A/Č – analogově číslicový převodník včetně případných vzorkovačů a multiplexerů, MP – mikropočítač (resp. signálový procesor, FPGA apod.), R – rozhraní, P – nadřazený výpočetní systém

5.2.2014


3

Kvantování

Viz Haasz, Sedláček: Elektrická měření, str. 85 5.2.2014


4

Vzorkovač

Viz Haasz, Sedláček: Elektrická měření, str. 86

5.2.2014


5

opakování

5.2.2014


6

opakování

I

* konvoluce: obrazem součinu je konvoluce

5.2.2014


7

Opakování: opakem vzorkování je rekonstrukce (užívá se v např. generátorech)

* sin(t)/t je Fourierův vzor obdélníku obrazem konvoluce je součin

5.2.2014


8

Aliasing

Náprava: použitím antialiasing filtru odstranit vyšší frekvence ve vzorkovaném signálu 5.2.2014


© J. Vedral

9

A‐D převodník s dvojitou integrací Viz Haasz, Sedláček: Elektrická měření, str. 90

používá se ve voltmetrech (viz následující přednáška) 5.2.2014


10

A‐D převodník s dvojitou integrací Viz Haasz, Sedláček: Elektrická měření, str. 90

0 < t < T1 ui =

1 1 1 = = , U dt U t U U x T1 x x 0 ∫ RC RC RC

T1 < t < T1 + T2 ui = U 0 −

Ux =

1 1 U rt , 0 = U 0 − U r T2 RC RC

NT N T2 U r = 2 clk U r = 2 U r N1 N1Tclk T1

Výhody: potlačení 50 Hz, pokud T1 = n×20 ms nezávislost na RC

5.2.2014

© V. Haasz et al.


11

U-f převodník s vyrovnáním náboje + čítač

R1

U1

Ur

C U2i

R2

+

0

+

NK

Ur u2i

Ug

t0 + T t T

f2

I

t0

tP

PG

0

UP

−

tP

1 1 U d t − − U P dt = 0 1 ∫ ∫ R1C T R2 C tP

Měření napětí: f2

H

Čítač

Dekodér + zobraz.

U 1T U P t P = R1 R2

R U1 1 = f2 = 2 T R1 U P t P

TN Použití: některé číslicové wattmetry a elektroměry

5.2.2014


¨

Viz Haasz, Sedláček: Elektrická měření, str. 80 12

Sigma-delta převodník 1.řádu R U

fS

C

R

ui

+

1

+

NK

C Q D

fS/N

DS

fS

TS t

ČF

I

a) U1= 0 ui t

jednobitový ČAP DS +Ur (1) (0) -Ur

T1

Princip vyrovnání náboje - celkový náboj přivedený ze vstupu se rovná náboji přivedeného z 1-bitového ČAP Stav pro U1= 0 a pro U1= - Ur /2 a) U1= 0 →

b) U1= -Ur/2 ui

TS − TS 0 Ur = Ur = 0 2TS TS + TS

b) U1= - Ur /2 →

− 2TS TS − 3TS U Ur = Ur = − r 4TS 2 TS + 3TS

Viz Haasz, Sedláček: Elektrická měření, str. 94 5.2.2014

t

T2


t DS T1

T2

t 13

Sigma-delta převodník 1.řádu c) U1 > 0

fS

TS

t

LSB

ui t

DS

t T1,1 T2,1 T1,2

T2,2

T1,3 T2,3

T1,8

T2,8

Číslicový filtr vyhodnocuje četnost log 0 a log 1 („střední hodnotu“) za N hodinových pulsů Převodníky pracují synchronně (řízeny hod. kmitočtem fs) - mohou potlačovat síťové rušení. Typický počet bitů: 12 - 24 (dle převzorkování, tj. dle hodnoty N) Typická doba převodu: stovky ns až desítky ms (dle převzorkování, tj. dle hodnoty N) Použití: akustické aplikace, AČ moduly řídicích počítačů, digitalizace signálu ze senzorů

5.2.2014


14

ADC s postupnou aproximací Viz Haasz, Sedláček: Elektrická měření, str. 89

© Webster: Instrumentation and sensors handbook, CRC press

Po dobu převodu se vstupní napětí nesmí vstupní napětí měnit o více než je rozlišení převodníku, tj. napětí, odpovídající ½ LSB. (Vzorkovač nutný, často integrální součástí převodníku) Počet bitů n: 8 - 16 (rozlišení Ur / 2n) Vzorkovací frekvence: typicky stovky kHz V CMOS technologii se používá technika spínaných kondenzátorů (snadnější realizace na čipu). 5.2.2014

Použit v Lego NXT brick (zabudován do V/V mikroprocesoru Atmel AVR, 10 bitů)


15

Flash převodník (paralelní komparace) Viz Haasz, Sedláček: Elektrická měření, str. 92

Agilent technologies Počet bitů n: typicky 8 Vzorkovací frekvence: stovky MHz, pro jednotky GHz GaAs Problémy: složitost, spotřeba (až 3 W), vstupní kapacita Zvýšení rychlosti: přepínání mezi více převodníky – 80 GSa/s (Agilent technologies) Použití: číslicové osciloskopy, softwarové radio a televize, radar Sério-paralelní komparace (Pipelining): snížení počtu komparátorů za cenu zpoždění převodu: 12 bitů / 1 GHz (zpoždění 12 µs) 5.2.2014


16

Osciloskopy Analogový osciloskop - viz výklad na 1. cvičení Y

u2

AC

u1 DC

u1 u2

VZ

PZ

Spouštěcí úr.

GND EXT.

INT.

u3

EXT. TRIG. AUTO

GSP

u5 u3

ČZ

u4 u4 ČZ

X

u5

HZ X

Spoustěná časová základna

x 10

Režim HOLD OFF

nastavení spouštěcího bodu: - úroveň - hrana (vzestupná, sestupná) - zdroj spouštění: vnitřní, vnější, siť; - vazba spouštěcího signálu (ss, stř,) Viz Haasz, Sedláček: Elektrická měření, str. 114-124 5.2.2014


17

Číslicový osciloskop

Ergonomicky vychází z osvědčeného analogového osciloskopu (viz výklad na 1. cvičení), umožňuje řadu dalších funkcí

5.2.2014


18


Způsob ukládání vzorků do paměti: Paměti v jednotlivých kanálech typu FIFO (first in first out) – po zapnutí trvale plněny vzorky signálu. Po generování „spouštěcího“ pulsu – zastavení plnění paměti a) okamžitě (záporné zpoždění – pre-trigger) b) po zpoždění, které odpovídá době naplnění paměti FIFO („normální”) c) po zpoždění delším než odpovídá době naplnění paměti FIFO (zpožděný - delay) Viz Haasz, Sedláček: Elektrická měření, str. 126-129 5.2.2014


19


Viz Haasz, Sedláček: Elektrická měření, str. 126-129

Režim „pre-trigger“ (záporné zpoždění) a režim „delay“ (zpoždění)

SB – „spouštěcí“ (u číslicových osciloskopů přesněji „zastavovací“) bod FIFO paměť: šířka n bitů (obvykle 8), délka k vzorků

a) „pre-trigger“ (záporné zpoždění): zobrazeno l vzorků před SB a k - l vzorků po SB (zápis do paměti se zastaví po zapsání k - l vzorků po generování „spouštěcího“ pulsu) SB

k

spouštěcí úroveň

k-l

b) „normální“ režim: zobrazeny vzorky následující po SB – odpovídá zobrazení analogového osciloskopu (zápis do paměti se zastaví po zapsání k vzorků po generování „spouštěcího“ pulsu) SB


k

c) „delay“ (zpoždění): zobrazeny vzorky následující d vzorků po SB (zápis do paměti se zastaví po zapsání k + d vzorků po generování „spouštěcího“ pulsu) SB

d 5.2.2014

k+d

k



20

Spouštění

pretrigger

pretrigger

5.2.2014


21

Druhy vzorkování signálu u číslicového osciloskopu 1. V REÁLNÉM ČASE 4 až 10 vzorků na periodu nejvyšší frekvenční složky umožňuje pre-trigger mode umožňuje záznam přechodných dějů

Viz Haasz, Sedláček: Elektrická měření, str. 129-130

2. SEKVENČNÍ V EKVIVALENTNÍM ČASE (STROBOSKOPICKÉ) jen pro periodické průběhy v každé periodě jen jeden vzorek posunutý o ∆t ekvivalentní vzorkovací frekvence fVZ.EKV.=1/(∆t)

T T+∆t

∆t T+∆t

3. NÁHODNÉ V EKVIVALENTNÍM ČASE jen pro periodické průběhy po spuštění se vzorkuje s maximální vzorkovací frekvencí (několik vzorků na periodu signálu) každá sada vzorků zpožděna o náhodnou, ale známou dobu rychlejší rekonstrukce než dle bodu 2) 5.2.2014


22

Osciloskopické sondy

Viz Haasz, Sedláček: Elektrická měření, str. 137

5.2.2014


23

Číslicový osciloskop s logickými vstupy (mixed-signal oscilloscope) Usnadňuje analýzu číslicově-analogových systémů. Analogová část může být spouštěna z logických vstupů (i komplikovanými událostni). Použit v úloze 6

5.2.2014


24

Číslicový osciloskop: ukládání na USB paměť

5.2.2014


25

Číslicový osciloskop – funkce FFT

Nedosahuje parametrů specializovaného spektrálního analyzátoru, ale A3B38SME přednáška 1 stačí pro mnohé aplikace 5.2.2014

26

D převodníky, číslicový osciloskop

Recommend Documents