Státnice z elektrotechniky

<< předchozí     následující >>

Kapitola 23
AD a DA převodníky

23.1  Číslicový voltmetr

Zobrazuje výsledek na číslicovém tablu. Základní funkcí je měření stejnosměrného napětí. Používáme-li převodník proudu na napětí, odporu na napětí, převodník střídavého napětí… → pak je nazýváme číslicové multimetry (rozšířené voltmetry). Číslicové voltmetry měří samočinně.

23.1.1  Parametry číslicového voltmetru

  1. počet míst číslicového zobrazovače (odpovídá chyba voltmetru), nejpřesnější chyba 10-4
  2. počet měřících rozsahů 4 až 6, základní rozsah 1 V nebo 10 V
  3. rozlišovací schopnost - velikost napětí na vstupu voltmetru, která způsobí na výstupu změnu údaje voltmetru o jedničku na posledním místě číslicového zobrazovače
  4. rychlost měření - charakterizuje ji počet měření za 1 s; starší 1 měření za 30 s, dnešní 1 měření za 1 s
  5. odolnost proti rušení - sériové nebo souhlasné ; proti sériovému rušení síťové frekvence a jejímu násobku jsou odolné integrační voltmetry
  6. vstupní impedance ~ 10 MΩ , pro malé rozsahy ~ 109Ω , pro střední rozsahy ~ 1 MΩ
  7. typ použitého AD převodníku - určuje přesnost, rychlost, odolnost proti rušení - dnes převodníky s dvojí integrací a postupnou aproximací
  8. kmitočtový rozsah - měření střídavých napětí - horní mezní frekvence bývá 50 kHz až 1 MHz

23.2  Analogově-číslicové převodníky

23.2.1  Převodní charakteristika ideálního a skutečného AD převodníku

Skutečné převodníky jsou zatíženy chybou nuly - nenulový výstup pro nulové vstupní napětí. Chyba konstanty - jiný sklon charakteristiky. Chyba linearity - průměrná charakteristika není lineární. Chyba nuly a konstanty lze před měřením odstranit převodníku. Parametry převodníku se mění s časem a teplotou.

Chyba linearity převodníku

Integrální nelinearita vyjadřuje největší odchylku skutečné průměrné charakteristiky od ideální charakteristiky. Diferenciální nelinearita udává, jak se liší šířka jednotlivých schodů skutečné charakteristiky od ideální.

23.2.2  Analogově-číslicový převodník kompenzačního typu

Měřené napětí se zde porovnává s kompenzačním napětím, které je vyrobeno ve zdroji kompenzačního napětí. Po připojení napětí Ux na vstup převodníku bude růst napětí Uk(t) od nuly tak dlouho, pokud nebude Ux = Uk(t). Pak se růst zastaví a počet „schodů“ bude úměrný Ux. Je-li výška „schodu“ ΔUk, je údaj voltmetru N = Ux / ΔUk, čili doba převodu je přímo úměrná napětí Ux.

23.2.3  Analogově-číslicový převodník s dvojí integrací

Jedná se o převodník integračního typu, v němž p dobu T1 integruje měřené napětí a naintegrované hodnotě je pak úměrný údaj voltmetru. Zvolíme-li dobu T1 rovnu celistvému násobku doby periody harmonického rušivého napětí, neprojeví se toto rušivé napětí vůbec v údají voltmetru.

Po dobu T1 je připojeno napětí Ux a na výstupu integrátoru je napětí Uv = 1/RC0T1 Ux dt = 1/RC T1 Ux. Pak se přepojí na UR o opačné polaritě, než je napětí Ux a integruje se po dobu T2, až klesne výstupní napětí na nulu.

23.2.4  Analogově číslicové převodníky s mezipřevodem na kmitočet

Měřené napětí se přivádí na vstup integrátoru, na výstupu integrátoru bude napětí UA. Po dosažení napětí U2 je spuštěn impulzový generátor, který vyrobí impulz Uk. Délka tohoto impulzu je Tk a je volena tak, aby se kondenzátor C nabil na napětí U0. Cyklus se opakuje po celou dobu Ti, během níž počítá čítač impulzy. Čím bude Ux vyšší, tím více proběhne integračních cyklů v době periody Ti. Tedy údaj čítače je přímo úměrný měřenému napětí Ux. Napětí na výstupu integrátoru je UA = Ux t/τ. Bude-li UA = U2, bude generován impulz Uk délky Tk, který částečně vybije (a to na hodnotu U2) kondenzátor C. Náboj při nabíjení i vybíjení bude stejný.
1

R1

 
Tx

0
  Ux dt   =  
1

R2

 
Tk

0
  Uk dt
Ux Tk

R2
  =  
1

R1
  Ux Tx
fx  =  
R2

R1
1

Uk Tk
  Ux

23.2.5  Komparační analogově-číslicové převodníky

Jedná se o nejrychlejší AD převodníky s dobou převodu asi 10 ns. Zde se porovná v jednom taktu měřené napětí s řadou referenčních napěťových úrovní vzhledu k měřenému napětí Ux a převede se do dvojkového kódu. Každé referenční úrovni je přiřazen jeden napěťový komparátor, takže pro n-bitový převodník je třeba 2n-1 napěťových komparátorů.

Dekodér převede jedničku na příslušné číslo. V podstatě se jedná o převod z kódu 1 z n na přímý dvojkový kód. Jelikož však reakce všech komparátorů nejsou stejné, mohlo by při přímém připojení komparátorů k dekodérů vzniknout chyba převodu zejména tehdy, pokud by se napětí Ux během převodu měnilo. Proto se mezi komparátory a dekodér vkládá soustava paměťových členů D, které si zapamatují výstupní signály komparátorů a nejednou tyto předají do dekodéru. Předávání se uskuteční impulzem CLK.

23.3  Číslicově-analogové převodníky

Tyto převodníky slouží k převedení číselné hodnoty D obvykle ve dvojkové soustavě na odpovídající hodnotu výstupního napětí. Jednotlivým bitům vstupního čísla odpovídají stavy spínačů převodníku. Číslo ve dvojkové soustavě můžeme napsat
D = zn 22 + zn-1 2n-1+ …+z1 21 + z0 20 = n
Σ
i = 0 
zi 2i.
Pak bude i-tý bit odpovídat i-tému spínači převodníku. Pro zi = 1 je tento spínač sepnut, pro zi = 0 rozepnut. Čili pomocí řady rezistorů o hodnotách odporů odstupňovaných ve dvojkové soustavě odvodíme z referenčního zdroje UR proudy příslušné velikosti, které se přivedou do sčítacího bodu invertorového zesilovače. Výstupní napětí UV je úměrné součtu těchto proudů. Které proudy se sčítají, to určuje stav spínačů. Napětí na spínačích se mění z hodnoty UR při rozepnutí na hodnotu 0 při sepnutí. To zmenšuje jejich rychlost – spínač vykazuje parazitní kapacitu a navíc se mění zatížení podle hodnoty vstupního čísla.

Všechny tyto nevýhody odstraňuje jiné provedení převodníku. Místo spínačů je zde použito přepínačů. Hodnotě zi = 0 odpovídá i-tý přepínač přepnutý na zem a hodnotě zi = 1 odpovídá přepínač přepnutý na invertující vstup zesilovače. Zdroj referenčního napětí je v tomto případě zatěžován konstantním odporem, který je tvořený paralelní kombinací všech náhradních odporů převodníku. V našem případě je tento odpor RZ = 1/15 R1. Protože je konstantní, nemusí mít zdroj UR malý vnitřní odpor.

23.3.1  Číslicově-analogový převodník s odporovou žebříčkovou sítí R-2R

U DA převodníku se obtížně realizují rezistory nejvyšších řádů s požadovanou přesností. Z toho důvodu se realizuje další typ převodníku, kde se hodnot odporů dosahuje dělením referenčního napětí pomocí odporového děliče. Odstupňované napětí působí na vstupech stejně velikých odporů o hodnotě 2R a druhé konce těchto odporů jsou připojeny do sčítacího bodu OZ. I zde se používají přepínače. Při tomto zapojení je zdroj zatěžován stálým odporem o velikosti R.