PODSTAWY ELEKTRONIKI I MIERNICTWA W5: Metody cyfrowe pomiaru podstawowych wielkości elektrycznych

dr hab. inż. Jacek Jakubowski e-mail: jjakubowski@wat.edu.pl

PODSTAWY ELEKTRONIKI I MIERNICTWA

dr hab. inż. Jacek Jakubowski WEL, pok. 56/100

tel. 839-082 jjakubowski@wat.edu.pl

Konsultacje: - czwartki 15.05-15.35

PODSTAWY ELEKTRONIKI I MIERNICTWA W5: Metody cyfrowe pomiaru podstawowych wielkości elektrycznych

dr hab. inż. Jacek Jakubowski e-mail: jjakubowski@wat.edu.pl

5. Mierniki cyfrowe

5.1. Rola przetworników A/C w pomiarach

struktura systemu zbierania danych

sensor filtr S&H P ADC B

U

S Sample and Hold

Analog to Digital Converter

tor pomiarowy z przetwornikiem A/C (ADC)

PODSTAWY ELEKTRONIKI I MIERNICTWA W5: Metody cyfrowe pomiaru podstawowych wielkości elektrycznych

dr hab. inż. Jacek Jakubowski e-mail: jjakubowski@wat.edu.pl

5.2. Operacje towarzyszące konwersji analogowo-cyfrowej

próbkowanie

1 – próbkowanie

2 - pamiętanie

S&H: efekt działania S&H:

układ

sterow.

+1 +1

WE

WY

2 1

PODSTAWY ELEKTRONIKI I MIERNICTWA W5: Metody cyfrowe pomiaru podstawowych wielkości elektrycznych

dr hab. inż. Jacek Jakubowski e-mail: jjakubowski@wat.edu.pl

PODSTAWY ELEKTRONIKI I MIERNICTWA W5: Metody cyfrowe pomiaru podstawowych wielkości elektrycznych

dr hab. inż. Jacek Jakubowski e-mail: jjakubowski@wat.edu.pl

kwantyzacja (1 zadanie przetwornika A/C)

q

2q

3q

4q

1 2 3 4 5 6

x(n)

n

q

2q

3q

4q

1 2 3 4 5 6

Q[x(n)]

n

sygnał dyskretny (spróbkowany) sygnał skwantowany (cyfrowy)

PODSTAWY ELEKTRONIKI I MIERNICTWA W5: Metody cyfrowe pomiaru podstawowych wielkości elektrycznych

dr hab. inż. Jacek Jakubowski e-mail: jjakubowski@wat.edu.pl

A/C

q

Uwe N

schemat funkcjonalny kwantyzatora – przekształcenie Uwe na N

Parametr 1: zakres przetwarzania FS (Full Scale) - dopuszczalne napięcie wejściowe

def. n

FSq

2

2n – liczba rozróżnianych poziomów

Parametr 2: rozdzielczość przetwornika – długość słowa binarnego n

przy zadanym FS Parametr 3:

PODSTAWY ELEKTRONIKI I MIERNICTWA W5: Metody cyfrowe pomiaru podstawowych wielkości elektrycznych

dr hab. inż. Jacek Jakubowski e-mail: jjakubowski@wat.edu.pl

kodowanie (2 zadanie przetwornika A/C)

LSB

Least Significant Bit

waga 2-n

MSB

Most Significant Bit

waga 0.5

kod naturalny binarny NB

reprezentacja NB ułamka dziesiętnego (liczby z przedziału (0,1)):

nnaaaaN 2222 3

32

21

110 ... , 10 ,ia

słowo kodowe:

nNB aaaaN ...321

PODSTAWY ELEKTRONIKI I MIERNICTWA W5: Metody cyfrowe pomiaru podstawowych wielkości elektrycznych

dr hab. inż. Jacek Jakubowski e-mail: jjakubowski@wat.edu.pl

kod BCD (Binary Coded Decimal)

reprezentacja BCD ułamka dziesiętnego (liczby z przedziału (0,1)):

...222210

222210

222210

00

11

22

33

3

00

11

22

33

2

00

11

22

33

110

cccc

bbbb

aaaaN

słowo kodowe

LSDwagaMSD

BCD xxxxccccbbbbaaaaN 012301230123

,

0123 .......

0.1

dekady

PODSTAWY ELEKTRONIKI I MIERNICTWA W5: Metody cyfrowe pomiaru podstawowych wielkości elektrycznych

dr hab. inż. Jacek Jakubowski e-mail: jjakubowski@wat.edu.pl

5. 3. Bloki pomocnicze stosowane w konwersji A/C 1. Klucz elektroniczny

układ

sterujący

we wy

schemat funkcjonalny

we wy

Us

realizacja praktyczna

zatkanie – klucz otwarty

nasycenie – klucz zamknięty 2. Komparator

+

–

Uwe

Uref

Uwy

schemat funkcjonalny

Uwe

Uwy

Uref

„0”

„1”

Uwe

Uwe – rozdzielczość komparatora

PODSTAWY ELEKTRONIKI I MIERNICTWA W5: Metody cyfrowe pomiaru podstawowych wielkości elektrycznych

dr hab. inż. Jacek Jakubowski e-mail: jjakubowski@wat.edu.pl

3. Układ całkujący

Uwe uwy(t)

schemat funkcjonalny

Uwe uwy(t)

R

C

iC(t)

–

+ Uwe uwy(t)

R

C

PODSTAWY ELEKTRONIKI I MIERNICTWA W5: Metody cyfrowe pomiaru podstawowych wielkości elektrycznych

dr hab. inż. Jacek Jakubowski e-mail: jjakubowski@wat.edu.pl

4. Przetwornik C/A

słowo wejściowe: nNB aaaaN ...321

klucz zamknięty – ai = 1

klucz otwarty – ai = 0

PODSTAWY ELEKTRONIKI I MIERNICTWA W5: Metody cyfrowe pomiaru podstawowych wielkości elektrycznych

dr hab. inż. Jacek Jakubowski e-mail: jjakubowski@wat.edu.pl

5.4. Przykładowe struktury przetworników A/C

typowa rozdzielczość: 8 bitów

zalety:

- wynik w jednym kroku,

przetwornik b. szybki

(0.4ns50ns)

- możliwość uzyskania

nieliniowej charakterystyki

przetwarzania

wady:

duży pobór mocy z uwagi na dużą

liczbę komparatorów;

dla n = 4 – 15

dla n = 8 – 255

Przetwornik A/C bezpośredniego porównania równoległy

(ang. „flash ADC”)

Budowa: - (2n – 1) komparatorów

- wielowartościowe źródło napięcia wzorcowego

- dekoder

PODSTAWY ELEKTRONIKI I MIERNICTWA W5: Metody cyfrowe pomiaru podstawowych wielkości elektrycznych

dr hab. inż. Jacek Jakubowski e-mail: jjakubowski@wat.edu.pl

PODSTAWY ELEKTRONIKI I MIERNICTWA W5: Metody cyfrowe pomiaru podstawowych wielkości elektrycznych

dr hab. inż. Jacek Jakubowski e-mail: jjakubowski@wat.edu.pl

5.5. Woltomierz cyfrowy napięcia stałego

przetwornik

A/C dekoder +0.1234

mV

układ sterujący

układ

wejściowy

Ux

zmiana zakresu

i biegunowości

info o zakresie i biegunowości

zerowanie

przetwornik A/C – najczęściej pośredni

z podwójnym (wielokrotnym)

całkowaniem – tłumienie zakłócenia

sieciowego 50Hz przy odpowiednio

dobranym czasie całkowania T1

T1 = k20ms

k = 1, 2, 3, ...