Teorie vzájemného převodu analogového a číslicového signálu

Ing. David Kubánek, Ph.D. Prof. Ing. Kamil Vrba, CSc.

Teorie vzájemného převodu analogového a číslicového signálu Laboratorní cvičení

Vysoké učení technické v Brně 2011

Tento učební text byl vypracován v rámci projektu Evropského sociálního fondu č. CZ.1.07/2.2.00/07.0391 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.

2

FEKT Vysokého učení technického v Brně

Obsah 1

ÚVOD..................................................................................................................................6 1.1 1.2 1.3 1.4

2

ZAŘAZENÍ PŘEDMĚTU VE STUDIJNÍM PROGRAMU ............................................................ 6 ÚVOD DO LABORATORNÍCH ÚLOH PŘEDMĚTU VZÁJEMNÝ PŘEVOD A/D SIGNÁLŮ ........... 6 HODNOCENÍ LABORATORNÍCH CVIČENÍ ........................................................................... 6 APLIKAČNÍ DOPORUČENÍ PRO POUŽITÉ PŘÍSTROJE ........................................................... 7

ÚLOHA Č. 1 – VZORKOVACÍ ZESILOVAČ ............................................................10 2.1 ÚVOD 10 2.2 ÚKOLY MĚŘENÍ ............................................................................................................. 10

3

ÚLOHA Č. 2 – ANALOGOVĚ ČÍSLICOVÝ PŘEVODNÍK......................................12 3.1 ÚVOD 12 3.2 ÚKOLY MĚŘENÍ ............................................................................................................. 13

4

ÚLOHA Č. 3 – ČÍSLICOVĚ ANALOGOVÝ PŘEVODNÍK......................................14 4.1 ÚVOD 14 4.2 ÚKOLY MĚŘENÍ ............................................................................................................. 15

5

ÚLOHA Č. 4 – INTEGROVANÉ A/D A D/A PŘEVODNÍKY...................................16 5.1 ÚVOD 16 5.2 ÚKOLY MĚŘENÍ ............................................................................................................. 16

6

ÚLOHA Č. 5 – PŘEVODNÍK ČÍSLA NA FREKVENCI (D/F PŘEVODNÍK) ........17 6.1 ÚVOD 17 6.2 ÚKOLY MĚŘENÍ ............................................................................................................. 18

7

ÚLOHA Č. 6 – ROZDÍLOVÝ MULTIPLEXER..........................................................18 7.1 ÚVOD 18 7.2 ÚKOLY MĚŘENÍ ............................................................................................................. 19

8

ÚLOHA Č. 7 – POČÍTAČOVÁ SIMULACE A/D A D/A PŘEVODNÍKŮ ...............21 8.1 ÚVOD 21 8.2 ÚKOLY MĚŘENÍ ............................................................................................................. 21

9

ÚLOHA Č. 8 – A/D A D/A KARTY PRO PC ...............................................................22 9.1 ÚVOD 22 9.2 ÚKOLY MĚŘENÍ ............................................................................................................. 22

10 ÚLOHA Č. 9 – INTEGRAČNÍ A/D PŘEVODNÍKY V MULTIMETRECH METEX23 10.1 ÚVOD 23 10.2 ÚKOLY MĚŘENÍ ............................................................................................................. 25 10.3 PŘÍKLAD VÝSLEDKŮ MĚŘENÍ ......................................................................................... 25 11 ÚLOHA Č. 10 – MĚŘENÍ VLASTNOSTÍ A/D PŘEVODNÍKŮ VE ZVUKOVÝCH KARTÁCH .......................................................................................................................26 11.1 ÚVOD 26 11.2 ÚKOLY MĚŘENÍ ............................................................................................................. 26 12 ÚLOHA Č. 11 – MĚŘENÍ VLASTNOSTÍ D/A PŘEVODNÍKŮ VE ZVUKOVÝCH KARTÁCH .......................................................................................................................27

Vzájemný převod A/D signálů – laboratorní cvičení

3

12.1 ÚVOD 27 12.2 ÚKOLY MĚŘENÍ ..............................................................................................................27 13 ÚLOHA Č. 12 – EXTERNÍ PC GENERÁTOR LIBOVOLNÝCH PRŮBĚHŮ ETC M631 ................................................................................................................................. 28 13.1 ÚVOD 28 13.2 ÚKOLY A POSTUP MĚŘENÍ ..............................................................................................29 14 ÚLOHA Č. 13 – EXTERNÍ PC OSCILOSKOP ETC M525 ...................................... 30 14.1 ÚVOD 30 14.2 ÚKOLY A POSTUP MĚŘENÍ ..............................................................................................31 15 ÚLOHA Č. 14 – MULTIMETR/OSCILOSKOP JAKO ZÁSUVNÁ KARTA DO CF SLOTU ............................................................................................................................. 31 15.1 ÚVOD 31 15.2 ÚKOLY A POSTUP MĚŘENÍ ..............................................................................................32 16 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY ........................................................................... 34

4


Seznam obrázků OBR. 2.1: OBR. 2.2: OBR. 2.3: OBR. 3.1: OBR. 3.2: OBR. 3.3: OBR. 4.1: OBR. 4.2: OBR. 4.3: OBR. 4.4: OBR. 6.1: OBR. 7.1: OBR. 7.2: OBR. 7.3: OBR. 7.4: OBR. 7.5: OBR. 8.1: PSPICE OBR. 8.2: OBR. 9.1: OBR. 10.1: OBR. 11.1: OBR. 12.1: OBR. 13.1: OBR. 14.1: OBR. 15.1:

ZAPOJENÍ VZORKOVACÍHO ZESILOVAČE ............................................................ 10 PRŮBĚH VÝSTUPNÍHO NAPĚTÍ VZORKOVACÍHO ZESILOVAČE ............................. 10 ZAPOJENÍ PŘÍSTROJŮ V JEDNOTLIVÝCH ÚKOLECH .............................................. 11 SCHÉMA ZAPOJENÍ ANALOGOVĚ ČÍSLICOVÉHO PŘEVODNÍKU ............................. 12 SCHÉMA ZAPOJENÍ MĚŘENÍ ................................................................................ 13 ČASOVÉ PRŮBĚHY SIGNÁLŮ PŘEVODNÍKU ......................................................... 13 SCHÉMA ZAPOJENÍ ČÍSLICOVĚ ANALOGOVÉHO PŘEVODNÍKU ............................. 14 PRINCIP PŘEVODNÍKU DAC08........................................................................... 15 MĚŘENÍ PŘEVODNÍ CHARAKTERISTIKY PŘEVODNÍKU ........................................ 16 MĚŘENÍ DOBY USTÁLENÍ PŘEVODNÍKU .............................................................. 16 SCHÉMA MĚŘICÍHO PRACOVIŠTĚ........................................................................ 17 VNITŘNÍ ZAPOJENÍ MULTIPLEXERU .................................................................... 19 MĚŘENÍ ODPORŮ SPÍNAČŮ V SEPNUTÉM STAVU ................................................. 20 MĚŘENÍ PŘEPÍNACÍ DOBY, DOBY PRODLEVY A DOBY SEPNUTÍ ........................... 20 MĚŘENÍ PRŮNIKU .............................................................................................. 20 MĚŘENÍ PŘESLECHU .......................................................................................... 20 KASKÁDNÍ ZAPOJENÍ OSMIBITOVÉHO A/D A D/A PŘEVODNÍKU V PROGRAMU 21 PŘÍKLAD SIMULACE V PROGRAMU PSPICE ......................................................... 22 ZÁSUVNÁ KARTA TEDIA PCA 7428AS ........................................................... 22 PŘÍKLAD GRAFU ................................................................................................ 25 PROGRAM „OSCILLOSCOPE FOR WINDOWS“ ..................................................... 26 PROGRAM „AUDIO SWEEPGEN“ ........................................................................ 27 OVLÁDACÍ OBRAZOVKA GENERÁTORU ETC M631 ........................................... 28 OVLÁDACÍ OBRAZOVKA OSCILOSKOPU ETC M525........................................... 30 MULTIMETR DO CF SLOTU A OVLÁDACÍ SOFTWARE .......................................... 32 U

U

U


5

Seznam tabulek TAB. 3.1: TAB. 4.1: TAB. 7.1: TAB. 10.1:

UKÁZKA TABULKY NAMĚŘENÝCH A VYPOČTENÝCH HODNOT PRO ROZSAH 10 V 14 KÓDOVÁNÍ DVOJKOVÉHO SIGNÁLU PŘEVODNÍKU...............................................15 KÓDOVÁNÍ KANÁLŮ MULTIPLEXERU..................................................................19 PŘÍKLAD TABULKY NAMĚŘENÝCH HODNOT .......................................................25 U

6

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.

1.2

Úvod do laboratorních úloh předmětu Vzájemný převod A/D signálů

Laboratorní cvičení probíhají každý týden ve dvouhodinových vyučovacích blocích, tj. 2 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 12. 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 12 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 33120A)

•

Tabulky naměřených a vypočtených hodnot


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 33120A a 33220A 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 mVPP (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 33220A 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 –2,5 V a +2,5 V, ale mezi 0 V a 5 V. Na generátoru proto nastavte amplitudu 2,5 VPP a ofset 1,25 V. Vždy před připojením tohoto signálu k měřenému obvodu si jeho správné nastavení zkontrolujte pomocí osciloskopu.

8


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“


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

10


2

Úloha č. 1 – Vzorkovací zesilovač

2.1

Úvod

Vzorkovací zesilovač umožňuje definovaný odběr vzorku vstupního napětí v okamžiku změny řídícího signálu S/H. Vzorkovací zesilovač je tvořen vstupním zesilovačem Z1, elektronickým spínačem S řízeným budičem B, paměťovým kondenzátorem CH a výstupním zesilovačem Z2. 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 CH nabit na napětí vstupu v okamžiku rozepnutí spínače, tj. přechodu signálu S/H z úrovně H (zde +5V) do L (0 V). u S/H

IN

G

spínací tranzienta + − Δ U2

B

Z1

S CH

Z2

OUT

rozpínací tranzienta ΔU1

G

0 Tr

Obr. 2.1: Zapojení vzorkovacího zesilovače

T

Tu

t

Obr. 2.2: 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 Z2. 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 Tu, přechod ze stavu sledování do stavu pamatování je určen rozpínací dobou Tr. Oba přechody mohou být provázeny přechodovými tranzientami.

2.2 1)

Úkoly měření 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 CH = 1 nF.


11

2)

Změřte kmitočtovou charakteristiku vzorkovače (závislost přenosu napětí K = 20log(UVÝST/UVST) [dB] na kmitočtu) pro paměťové kondenzátory CH = 1 nF, 10 nF, 100 nF a určete mezní kmitočty pro pokles o 3 dB. UVÝST a UVST 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. UVST volte 5 VŠŠ a frekvenci generátoru zvyšujte až do dosažení UVÝST = UVST/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 VŠŠ při CH = 1 nF, 10 nF.

4)

Změřte průnik KPR = 20log(UVÝST/UVST) vstupního sin. signálu o amplitudě 5 VŠŠ a kmitočtu 10 kHz na výstup vzorkovače při CH = 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 CH = 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 IN + −10V

+5V

MAC 198

OUT

S/H Z

ČV

ČV

~

OUT

S/H

OSC

2) Měření kmitočtové charakteristiky

Y1

+5V

MAC 198

Y1

OUT Y2

IN

5 Všš

S/H

OSC

G CH

~

MAC 198

OUT

S/H

4) Měření průniku

+5V S H

MAC 198

Y2 OSC

G CH

3) Měření rychlosti přeběhu a doby ustálení IN

Y2

CH

1) Měření převodní charakteristiky

IN

MAC 198

G

CH

5 Všš

IN

5 Všš

Y1

OUT

S/H CH OSC

5) Měření rychlosti poklesu Obr. 2.3: Zapojení přístrojů v jednotlivých úkolech

12

3 3.1


Úloha č. 2 – Analogově číslicový převodník 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 UIN/R5 kompenzován proudem z číslicově analogového převodníku DAC08, řízeného aproximačním registrem MHB 1502. 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 74LS123. 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 −15V

+15V BIP OFF

REF 01

13 R2 5k 14 UC+ REF

6

4

IN 10V +15V −15V R5 5k

10n

R1 10k 2

COMP

3 UC−

16 C

IOUT

4

2

DAC 08

R4 1k

R3 5k 15 IOUT REF− 2 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 LR 5 6 7 8 9 10 11 12 1

3

− +

8 LM 311

+5V R9 1k

4

7

1 AG

MHB 1502 7

CLK IN

D

9 CP 10

S

RG Q0 3 4 Q1 5 Q2 6 Q3 11 Q4 12 Q5 13 Q6 14 Q7 15 Q7

CLK OUT

START

1/2 74LS123

1/2 74LS123 1 2 3

DO 1 2 CC

A1

Q1

B1

Q1

R1

CT1 RT1

9

13 +5V

4 14

5k

R7

10 11

15

A2

Q2 5

B2

Q2

R2

CT2 RT2

C1 22p

12 6

+5V R8 25k

7 C2 22p STATUS

SER OUT

DG

Obr. 3.1: Schéma zapojení analogově číslicového převodníku


10V + −5V Z

ČV

13

WSH570 IN STATUS 1 A/D S 2 G

GND

OSC

G TTL Obr. 3.2: Schéma zapojení měření min 50ns

100ns

450ns

START CLK IN / CLK OUT 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!

3.2 1)

Úkoly měření 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 20 V výstup.) Určete odchylky změřených rozhodovacích úrovní od ideálních hodnot. Pro ideální rozhodovací úrovně (rozsah 10 V) platí vztah: U ID− ROZ = (D − 0,5)

U REF 10 = (D − 0,5) 8 [V] N 2 2

( 3.1 )

D je dekadický ekvivalent vyššího ze dvou sousedních „přeskakujících“ kódových slov. Pro rozsah ±5 V je třeba od výsledného napětí ještě odečíst 5 V.

14


Tab. 3.1:

Ukázka tabulky naměřených a vypočtených hodnot pro rozsah 10 V

Kódová slova, mezi kterými se převodník rozhoduje HHHHHHHL HHHHHHHH … …

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 2)

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 2 mA ze zdroje referenčního napětí 10 V REF01 a zesilovačem LM311, zapojeným ve funkci převodníku proud na napětí. COMP IN

+15V −15V

+15V BIP OFF

5k

10n 10k 2 REF 01

4

6

5k 5k

14

13 +UC REF+

3 −UC

16 C

IOUT

DAC 08

4

15 REF− IOUT 2 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 LR 5 6 7 8 9 10 11 12 1

S

2 3

− +

LM 311 7

6

OUT

4 AG

+15V −15V (MSB) a1

a8(LSB)

Obr. 4.1: Schéma zapojení číslicově analogového převodníku Vlastní číslicově analogový převodník DAC08 je tvořen osmi spínanými proudovými zdroji, realizovanými tranzistory T1 až T8, které generují váhové proudy na výstupy proudových sběrnic IOUT a IOUT|. Váhové proudy jsou odvozeny ze zdroje proudu, tvořeného zesilovačem Z a tranzistorem Tr pomocí odporové sítě R-2R. Jmenovitý vstupní proud převodníku 2 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.

Vzájemný převod A/D signálů – laboratorní cvičení +UCC

LR

15

B2

B1(BSB)

B8(LSB)

B7

PŘEVODNÍKY ÚROVNÍ IOUT IOUT S1

+Uref

−

Tr

S2

T1

S8

S7

T2

T7

T8

Z −Uref

+ R

2R

2R R

COMP

2R

2R

R

−UCC

Obr. 4.2: Princip převodníku DAC08 Tab. 4.1: Kódování dvojkového signálu převodníku MSB LSB LLLLLLLL LLLLLLLH . . . . . . . . LHHHHHHH HLLLLLLL HLLLLLLH . . . . . . . . HHHHHHHL HHHHHHHH

4.2

Rozsah 10 V 0,000 0,039 … 4,961 5,000 5,039 … 9,922 9,961

Rozsah ±5V -5,000 -4,961 … -0,039 0,000 0,039 … 4,922 4,961

Úkoly měření

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.

2)

Změřte dobu ustálení výstupního napětí převodníku při buzení vstupu a1 (MSB) obdélníkovým signálem TTL (úrovně 0 V a 5 V) o kmitočtu 100 kHz. Při měření jsou ostatní bity a2 až a8 na úrovni L. Přepínač a1 je v poloze H. Vstupy jsou interně připojeny odpory 2k2 k napětí +5V. Změřte dobu ustálení jak pro náběžnou, tak pro sestupnou hranu.

16

FEKT Vysokého učení technického v Brně Y1 BIP OFF DAC 08 a1 +5V

COMP IN OUT ČV AG a8

PŘEPÍNAČE

LR

Obr. 4.3: Měření převodní charakteristiky převodníku

5 5.1

DAC 08

OUT Y2 AG OSC

a1 TTL

a8

G

Obr. 4.4: Měření doby ustálení převodníku

Úloha č. 4 – Integrované A/D a D/A převodníky Úvod

V této úloze se seznámíte s D/A převodníkem LTC1257 a A/D převodníkem LTC1286 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.

5.2

Úkoly měření

A. D/A převodník LTC1257 1)

Seznamte se s parametry D/A převodníku uvedenými v katalogovém listě. Zejména vyhledejte informaci o jeho referenčním napětí UREF (Bulit-In Reference Voltage) a počtu bitů převodníku N.

2)

Stanovte vzorec pro konverzi dekadického čísla D poslaného na převodník na očekávané výstupní napětí UVÝST. Ve vzorci budou dále figurovat referenční napětí UREF a počet bitů převodníku N.

3)

Použijte program LTC1257.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 20 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 LTC1286 1)

Seznamte se s parametry A/D převodníku uvedenými v katalogovém listě.

2)

Převodník má referenční vstup připojen na napájecí napětí. Referenční napětí UREF tedy co nejpřesněji změřte mezi žlutým a bílým přívodním vodičem z napájecího zdroje.


17

3)

Pro toto měření mějte přepínač na převodníku v poloze PC. Použijte program LTC1286.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 20 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 2 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

18

6.2


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.

2)

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 fvýst na čísle D) v celém rozsahu a hodnoty vyneste do grafu

5)

Vyneste závislost absolutní chyby převodníku na D. Za správnou hodnotu považujte fvýst = 10wD. 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.


19

DA

S1A S2A

Tab. 7.1: Kódování kanálů multiplexeru

S3A S4A S1B

DB

S2B S3B

A1 X L L H H

A0 X L H L H

EN H L L L L

Sepnutý kanál Žádný 1A 1B 2A 2B 3A 3B 4A 4B

• H úroveň 5 V

S4B

• L úroveň 0 V +VS

DEKODÉR + BUDIČE

−VS

• X libovolná úroveň A1

A0

EN

GND

Obr. 7.1: Vnitřní zapojení multiplexeru

7.2

Úkoly měření

1)

Změřte odpor alespoň tří spínačů multiplexeru v sepnutém stavu při proudu 200 µA. Nezapomeňte na vhodné buzení adresních vstupů (viz tabulka výše) a na zapojení ochranného odporu (trimru) Rd. Napětí stejnosměrného zdroje Z zvětšujte od nuly, dokud obvodem nepoteče proud 200 µA.

2)

Změřte přepínací dobu TTRAN potřebnou k přepnutí jednoho kanálu na druhý. Přepínací kmitočet volte 100 kHz v TTL úrovních (0 V a 5 V). Určete též dobu prodlevy TP a dobu sepnutí TS pro náběžnou a sestupnou hranu signálu. Průběhy zakreslete a okótujte.

3)

Změřte průnik DOFF sinusového signálu o rozkmitu 10 VŠŠ a kmitočtu 500 kHz z rozepnutého kanálu na výstup multiplexeru. Napětí UD měřte kurzory jako mezivrcholovou hodnotu sinusového průběhu se zanedbáním šumu.

DOFF = 20 log 4)

UD [dB] US

( 7.1 )

Změřte přeslech CT sinusového signálu o rozkmitu 10 VŠŠ a kmitočtu 500 kHz z rozepnutého na sepnutý kanál. Napětí UD měřte opět kurzory. CT = 20 log

UD [dB] US

( 7.2 )

20


MAC 24 + 5V

− mV

IS = 200μA ~20k mA

S1A S2A S3A S4A S1B S2B S3B S4B

Rd

+5V

+ Z

0V

[]

−

USD

AG

MAC 24 AMX 100kHz TTL

DA

G

Y1 Y2 OSC

A0 A1 EN

AG

GND

DB

Tps

Tss Tpn

Tsn

+5V

A0 A1 EN

−

S1A AMX S2A S3A DA S4A S1B S2B S3B S4B DB

Y1 0 T TRAN

GND

5μs

5μs H Y2

Obr. 7.2: Měření odporů spínačů v sepnutém stavu

L

Obr. 7.3: Měření přepínací doby, doby prodlevy a doby sepnutí

MAC 24

f = 500kHz US = 10Všš

~ G

S1A AMX S2A S3A S4A S1B S2B DA S3B S4B DB

MAC 24

f = 500kHz US = 10Všš

Y1

~ G

Y2 UD

A0 +5V A1 EN

GND

Obr. 7.4: Měření průniku

OSC +5V

AG

S1A AMX S2A S3A S4A S1B S2B DA S3B S4B DB A0 A1 EN

Y1 Y2 UD OSC

AG

GND

Obr. 7.5: Měření přeslechu


8

21

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. 8.1. DAC8break

ADC8break In

1 Co

Vin

2 3

St

Vsam

Ov

4 5

R2

0

0

IN

DB7 DB6 CNVRT DB5 DB4 STATDB3 DB2 OVERDB1 DB0 REF AGND

16 15 14 13 12 11 10 9

13 12 11 10 9 8 7 6

8

R3

1k

U2

U1

DB7 DB6 DB5 3 DB4 OUT DB3 DB2 4 DB1 REF DB0 AGND

5V

0

0

0

R1

C1

5

1k

0

Out

Vref

0

100

10p

0

Obr. 8.1: Kaskádní zapojení osmibitového A/D a D/A převodníku v programu PSpice

8.2

Úkoly měření

1)

Přihlaste se k počítači pod uživatelským jménem administrator. Heslo vám zadá vyučující.

2)

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: fin = 1 kHz, fvz = 10 kHz a fvz = 20 kHz. Frekvence fvz 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 20-ti harmonických pro fvz = 10 kHz a fvz = 20 kHz (PSpice) podle vztahu: THD =

2

2

2

2

2

2

U 2 + U 3 + ... + U 20 U 1 + U 2 + ... + U 20

⋅ 100 [%] ,

( 8.1 )

kde U1 je amplituda (velikost spektrální čáry) první harmonické o frekvenci fin = 1 kHz, U2 je amplituda následující výrazné harmonické o frekvenci fvz – fin atd. Při odečítání velikostí jednotlivých harmonických používejte kurzory a vhodně měňte měřítka os dvojklikem na osy nebo tlačítky .

22

FEKT Vysokého učení technického v Brně 5.0V

2.5V

0V 0s

20us V(Out)

40us

60us

80us

100us

V(In) Time

Obr. 8.2: Příklad simulace v programu PSpice

9 9.1

Úloha č. 8 – A/D a D/A karty pro PC 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 7428AS) je na Obr. 9.1.

Obr. 9.1: Zásuvná karta TEDIA PCA 7428AS

9.2

Úkoly měření

A. Měření vlastností karty TEDIA PCA 7428AS 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


23

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. 2)

Změřte závislosti napětí odečtených na 4 desetinná místa z obou panelů ScopeWin na vstupním napětí v rozsahu ±5V (minimálně 20 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-6024E, 16x 12-bit D/A ~200 kS/s ) od firmy National Instruments 1)

Úloha se měří na PC č. 2. 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 6024E. 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.

2)

(Pozn. Výstupní signál je na svorkách 22-56 – kanál 0 a 21-56 – kanál 1.)

3)

Změřte závislost výstupního napětí D/A převodníku na nastaveném napětí v rozsahu ±10V pro kanál 0 a 1 (minimálně 20 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 4422. 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:

X=

N −S ⋅ 100 [%] , S

( 10.1 )

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.

24


Máme li tedy udanou přesnost +/-( 0,1% rdg + 1 digits) a měříme na rozsahu 2V, 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 1/2 místného multimetru. Celková chyba proto může být +/-0,002V a zobrazený údaj tak mezi 0,998 – 1,002V. Metex M3610D

Jedná se o 3 1/2 místný multimetr, umožňující měřit stejnosměrné napětí (rozsahy od 200mV do 1000V), střídavé napětí (do 750V), odpor, proud stejnosměrný i střídavý od 200uA do 200mA a přes speciální zdířku až do 20A. Dále umí zobrazit frekvenci měřeného signálu, otestovat PN přechod diod. Výrobcem zaručované přesnosti na některých rozsazích: Napětí: Proud: 200mV 200uA 2V 2mA +/- (0,5%+1digits) +/- (0,3%+1digits) DC DC 20V 20mA 200V 200mA +/- (1,2%+1digits) 1000V +/- (0,5%+1digits) 20A +/- (2,0%+5digits) Metex M-4640A

Jde o 4 1/2 místný multimetr, umožňující měřit stejnosměrné napětí (rozsahy od 200mV do 1000V), střídavé napětí (do 750V), odpor, proud stejnosměrný i střídavý od 2mA do 200mA a přes speciální zdířku až do 20A. Dále umí zobrazit frekvenci měřeného signálu, otestovat PN přechod diod. Výrobcem zaručované přesnosti na některých rozsazích: Napětí: Proud: 200mV 2mA +/- (0,3%+3digits) +/2V 20mA DC (0,05%+3digits) DC 20V 200mA +/- (0,5%+3digits) 200V 20A +/- (0,8%+5digits) 1000V +/- (0,1%+5digits) Digistant 4422

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 0-12V, krok od 1uV po 1mV, dle rozsahu. Vstupní odpor R>1Gohm, tolerance +/- 0.025% F.S. Proud: rozsah do 30mA , krok 1uA, vnitřní odpor R<10ohm, přesnost +/-0,025% F.S 2. Zapojen jako zdroj

Výstupní napětí se dá nastavit v rozsahu 0-11V, krok je 1uV až 1mV dle rozsahu, výstupní odpor Ri <5mOhm, přesnost +/- 0.02%FS. Proud lze nastavit od 0 do 22mA s krokem 200nA2uA, vnitřní odpor Ri>500Mohm a přesnost 0.03%FS (0-1.9999mA, 0.02%FS2-22mA).


25

10.2 Úkoly měření 1)

Seznamte se s obsluhou multimetrů a kalibrátoru. Digistant 4422 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).

2)

Změřte statickou převodní charakteristiku pro napěťový rozsah 2 V ss a pro proudový rozsah 2 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 2 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).

10.3 Příklad výsledků měření Měření napětí, rozsah 200 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 0,800

* [mV] +/- 0,100 +/- 0,121 +/- 0,142 +/- 0,163 +/- 0,184 +/- 0,205 +/- 0,226 +/- 0,247 +/- 0,667 +/- 0,688 +/- 0,700

0,600 0,400 0,200

Δ [mV]

Metex M-3610D US [mV] UN [mV] Δ [mV] 0 0 0,000 7 6,9 -0,100 14 13,9 -0,100 21 21 0,000 28 27,9 -0,100 35 35 0,000 42 41,9 -0,100 49 48,9 -0,100 189 188,9 -0,100 196 195,9 -0,100 200 199,9 -0,100

0,000 0

50

100

150

-0,200 -0,400 -0,600 -0,800

Us [mV]

Obr. 10.1: Příklad grafu

200

26


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 MAudio 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“


Seznamte se s uživatelským rozhraním programu „Oscilloscope for Windows“. Zobrazení průběhů zapněte pomocí tlačítka Z (vlevo) a vyzkoušejte si funkci ovládacích prvků.

2)

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 20 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


K=

DÍLKYŠ−Š [V-1] GAIN ⋅U VST Š−Š

27

( 11.1 )

pro jednotlivé body měření a dále stanovte průměrnou převodní konstantu KP z přímky, kterou získáte proložením převodní charakteristiky změřené v bodě 2. 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

12 Úloha č. 11 – Měření vlastností D/A převodníků ve zvukových kartách 12.1 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 MAudio 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. 12.1: Program „Audio SweepGen“


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.

28


2)

Pomocí dvoukanálového osciloskopu změřte kmitočtovou charakteristiku karty pro levý i pravý kanál v rozsahu 20 Hz – 20 kHz. Měřte alespoň na 20 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 (UMAX) 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 (UMIN) při všech třech výše jmenovaných ovládacích prvcích nastavených na minimum. Odstup signál/šum pak vypočítejte jako 20 log (UMAX / UMIN) [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 20 Hz – 20 kHz.

13 Úloha č. 12 – Externí PC generátor libovolných průběhů ETC M631 13.1 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.

1 2 3

7 8

4 5 6

9

10

Obr. 13.1: Ovládací obrazovka generátoru ETC M631


29

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 2) Zapínání sumace generovaného signálu a externího signálu přiváděného na vstup EM A (ponechat Off) 3) Zapínání atenuátoru 20 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

13.2 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)

2) 3)

4)

5) 6)

7)

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.) 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 2 %. 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. 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. Pomocí osciloskopu změřte dobu náběžné a sestupné hrany (10% - 90%) obdélníkového signálu o frekvenci 10 kHz, napětí 2 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. 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 2*pi, Real end 4*pi a Formula sin(x)/x^4, OK, OK.

30


14 Úloha č. 13 – Externí PC osciloskop ETC M525 14.1 Úvod Jedná se o dvoukanálový osciloskop se šířkou pásma 150 MHz. K PC se připojuje přes rozhraní USB 2.0 či USB 1.1, přes které je rovněž napájen. Osciloskop má citlivost 10mV/div až 5V/div s krokom 1-2-5, maximální vzorkovací frekvence v reálném čase je 200MS/s, maximální ekvivalentní vzorkovací frekvence je 20GS/s. V režimu zobrazení (zoom) 1:1 je časová základna nastavitelná od 2ns/div do 100ms/div s krokem 1-2-5. S využitím jiných režimů zobrazení je možné nastavit časovou základnu od 200ps/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.

4 1

2

5

3 6

7

8

9

Obr. 14.1: Ovládací obrazovka osciloskopu ETC M525 Popis ovládacích prvků: (Popis lze zobrazit najetím myši na jednotlivé ovládací prvky.)

1) 2) 3) 4) 5) 6)

Zapínání a vypínání zobrazení kanálů A a B Ovládání kurzorů; posun kurzorů se provádí myší přímo v okně průběhů Speciální funkce (matematické operace, FFT…) Informace o režimu osciloskopu, měřítku, údaje kurzorů Vertikální posun Změna napěťového měřítka


31

7) Časová základna 8) Režim spouštění 9) Volba kanálu spouštění

14.2 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 2% z aktuální měřené hodnoty.

2)

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 A→ B = 20 log

3)

U B(P−P ) U A( P − P )

( 14.1 )

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 128 kbyte vyrovnávací paměti. Frekvence měření je volitelná od méně než 1 S/s do 40 kS/s.

32


1 2 5 3

6

4

Obr. 15.1: Multimetr do CF slotu a ovládací software Popis ovládacího software:

1) Nastavení ukládání dat do souboru. Frekvence 8 vzorků/sek, ukládání se spustí dotykem žlutého tlačítka 2) Naměřená hodnota druhého kanálu 3) Volba měřené veličiny druhého kanálu: napětí, proud, odpor 4) Volba rozsahu 5) Zapnutí/vypnutí měření na druhém kanálu 6) Volba režimu hlasového výstupu

15.2 Úkoly a postup měření 1)

Zapněte kapesní počítač PDA tlačítkem vpravo nahoře. Dotykový displej ovládejte pomocí stylusu (ovládací tyčinka). Z menu Start spusťte Graphical DMM Shortcut a vyberte mód multimetru (Volts, Ohms, Amps) pro oba kanály. Na zásuvné kartě by se měly rozsvítit dvě modré LED a na displeji PDA by se měly objevit měřené hodnoty. Dotykem na tato čísla lze multimetr přepnout do grafického režimu a aktivovat tak jednoduchý osciloskop. Ověřte funkci všech ovládacích prvků jak v režimu číslicovém, tak v grafickém.

2)

Ke vstupu karty připojte přesný kalibrátor napětí a na rozsahu 2 V DC (manuálně zvolte tento rozsah, jinak je přepínání rozsahů automatické) změřte přesnost multimetru. Měřte v obou polaritách, alespoň 40 hodnot. Vyneste graficky závislost absolutní chyby multimetru na napětí nastaveném na kalibrátoru.

3)

Propojte kartu s generátorem sinusového průběhu s efektivní hodnotou (RMS) 1 V. Změřte frekvenční charakteristiku prvního kanálu multimetru (závislost K = 20log(UDMM/UGEN) [dB] na kmitočtu) a určete mezní kmitočet pro pokles o 3 dB. UDMM je údaj multimetru (hodnota RMS) a UGEN = 1 VRMS (kontrolujte na osciloskopu). Měřte alespoň na 15 frekvencích a kolem mezního kmitočtu a nad ním vhodně zmenšete frekvenční krok. Frekvenci generátoru zvyšujte až do dosažení UDMM = 0,2 V.

4)

Přístroje ponechejte ve stejném zapojení jako při předchozím měření. Na generátoru nastavte maximální možnou amplitudu sinusového signálu a mezní kmitočet zjištěný v předchozím bodě. Změřte přeslech mezi kanály 1 a 2:

Vzájemný převod A/D signálů – laboratorní cvičení CT = 20 log 5)

U KAN 2 [dB] U KAN 1

33

( 15.1 )

Zapojení opět ponechte stejné, na generátoru nastavte sinusový průběh o frekvenci 1 kHz a mezivrcholové hodnotě 1 V. Dotykem na měřené hodnoty na multimetru se přepněte do grafického režimu a zobrazte časový průběh signálu generátoru. Zjistěte, jaké možnosti nastavení nabízí multimetr při zobrazení grafických průběhů.

34


16 Seznam použité literatury [1]

Vedral, J.: Elektronické funkční jednotky (návody k měření). Didaktik Elektronické učební pomůcky, Praha

[2]

Linear Technology: LTC1257 - Complete Single Supply 12-Bit Voltage Output DAC in SO-8. Datasheet, URL: http://www.linear.com/pc/downloadDocument.do?navId=H0,C1,C1155,C1005,C1156 ,P1425,D3414

[3]

Linear Technology: LTC1286 - Micropower Sampling 12-Bit A/D Converters In S0-8 Packages. Datasheet, URL: http://www.linear.com/pc/downloadDocument.do?navId=H0,C1,C1155,C1001,C1158 ,P1444,D2760

[4]

Záhlava, V.: OrCAD 10. Grada Publishing, Praha 2004

[5]

Tedia: PCA-7208A/7408A, PCA-7228A/7428A, PCA-7228E/7428E, PCA-7628A, multifunkční karty pro sběrnici PCI. Manuál, URL: http://www.tedia.cz/download/files/pca7000a.pdf

[6]

National Instruments: Low-Cost E Series Multifunction DAQ – 12 or 16-Bit, 200 kS/s, 16 Analog Inputs. Manuál, URL: http://www.ni.com/pdf/products/us/4daqsc202204_ETC_212-213.pdf

[7]

M-AUDIO: M-AUDIO Revolution 5.1 User Guide. Manuál, URL: http://www.maudio.com/images/global/manuals/060317_Rev51_UG_EN01.pdf

[8]

ETC: ETC M631 Arbitrary Waveform Generator, User’s Guide. Manuál, URL: http://www.etc.sk/ftp/documents/m631/1.00/m631eng.pdf

[9]

ETC: M520 Series Oscilloscope, User’s Guide. Manuál, URL: http://www.etc.sk/ftp/documents/m520/2.02/m520eng.pdf

Teorie vzájemného převodu analogového a číslicového signálu

Recommend Documents