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 U_x na vstup převodníku bude růst napětí U_k(t) od nuly tak dlouho, pokud nebude U_x = U_k(t). Pak se růst zastaví a počet „schodů“ bude úměrný U_x. Je-li výška „schodu“ ΔU_k, je údaj voltmetru N = U_x / ΔU_k, čili doba převodu je přímo úměrná napětí U_x.

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 U_x a na výstupu integrátoru je napětí U_v = ¹/_RC ∫₀^T₁ U_x dt = ¹/_RC T₁ U_x. Pak se přepojí na U_R o opačné polaritě, než je napětí U_x 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 U_A. Po dosažení napětí U₂ je spuštěn impulzový generátor, který vyrobí impulz U_k. Délka tohoto impulzu je T_k a je volena tak, aby se kondenzátor C nabil na napětí U₀. Cyklus se opakuje po celou dobu T_i, během níž počítá čítač impulzy. Čím bude U_x vyšší, tím více proběhne integračních cyklů v době periody T_i. Tedy údaj čítače je přímo úměrný měřenému napětí U_x. Napětí na výstupu integrátoru je U_A = U_x ^t/_τ. Bude-li U_A = U₂, bude generován impulz U_k délky T_k, 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 U_x 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 U_x 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 z_i = 1 je tento spínač sepnut, pro z_i = 0 rozepnut. Čili pomocí řady rezistorů o hodnotách odporů odstupňovaných ve dvojkové soustavě odvodíme z referenčního zdroje U_R proudy příslušné velikosti, které se přivedou do sčítacího bodu invertorového zesilovače. Výstupní napětí U_V je úměrné součtu těchto proudů. Které proudy se sčítají, to určuje stav spínačů. Napětí na spínačích se mění z hodnoty U_R 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 z_i = 0 odpovídá i-tý přepínač přepnutý na zem a hodnotě z_i = 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 R_Z = ¹/₁₅ R₁. Protože je konstantní, nemusí mít zdroj U_R 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.