Labor für elektrische Messtechnik

Transkript

1 Fassung vom Blatt. Einführung Die mwandlung eines analogen Signals, das zeit- und wertkontinuierlich ist, in ein digitales Signal, erfordert zwei Vorgänge: eine Zeitdiskretisierung, die schaltungsmäßig durch eine Abtasthalteschaltung (Sample & Hold Schaltung) realisiert wird, siehe dazu Versuch Opertationsverstärker, und eine Wertdiskretisierung, die durch den eigentlichen Analog-Digital-msetzer erfolgt. Dabei wird der zeitdiskrete, aber noch wertkontinuierliche Abtastwert quantisiert, d.h. in eine Zahl mit endlicher Auflösung umgewandelt. Analog-Digital-msetzer werden z. B. zum mwandeln von analogen Audio- und Videosignalen und auch in Digitalen Messgeräten verwendet. Bei der Analog-Digital-msetzung sind grundsätzlich die folgenden Verfahren zu unterscheiden: a) Parallel-msetzer b) msetzer nach dem Wägeverfahren c) msetzer mit Integrationsverfahren In diesem Versuch werden folgende msetzer untersucht: ) Der inkrementale Stufenumsetzer und der msetzer mit der sukzessiven Approimation nach dem Verfahren b) 2) Der Zweirampen-msetzer nach dem Verfahren c) PS: Für msetzer kann auch Wandler gesetzt werden, da es bislang verwendet wurde!. Inkrementaler Stufenumsetzer Bild : Blockschaltbild 8-Bit inkrementaler Stufenumsetzer (mit Anschlüssen) Funktionsweise: Mit dem "Start"-Signal (hier: Taster auf Platine) wird der Zähler auf Null gesetzt. Dadurch erscheint am Ausgang des D/A-msetzers eine Spannung von V. Die ist kleiner oder höchstens gleich der zu messenden Spannung, wodurch am Ausgang des Komparators K eine logische "" erscheint. Mit dieser "" am einen Eingang lässt das "nd"-gatter die Taktimpulse passieren. Der Zähler beginnt die Taktimpulse zu zählen, und die Spannung am Ausgang des D/A-msetzers läuft treppenförmig hoch. Dabei ist die Höhe einer solchen Treppenstufe:

2 Fassung vom Blatt 2 MAX n Δ = = Quantisierungsfehler 2 wenn es sich bei dem D/A-msetzer um einen "n-bit" msetzer handelt. Erreicht die Spannung am Ausgang des D/A-msetzers den Wert, so ändert der Ausgang des Komparators seinen Zustand von logisch "" auf logisch "". Nun sperrt das Gatter die Taktimpulse und am Ausgang des Zählers kann der Binärwert abgelesen werden der zu der Spannung gehört..2 Sukzessive Approimation Takt Start Steuerlogik A - + K D7 D6 D5 D4 D3 D2 D D MSB LSB ref D/A-msetzer Bild 2: Das Verfahren der sukzessiven Approimation (Prinzipschaltbild) Die Steuerlogik des msetzers setzt als erstes das höchstwertige Bit. (MSB D7). Dadurch erscheint am Ausgang des D/A-msetzers die halbe Referenzspannung ref. Über den Komparator K erhält die Steuerlogik die Information, ob diese Spannung /2 ref größer ist als die zu wandelnde Spannung. Wenn ja, so wird das Bit D7 zurückgenommen, ansonsten bleibt es gesetzt. Dann wird das nächste Bit D6 gesetzt. u.s.w. An einem Beispiel soll dieses Verfahren demonstriert werden.:

3 Fassung vom Blatt 3 Es sei ref = 6 V und die zu wandelnde Spannung X = 9,45 V. D7 wird gesetzt A = 8 V A < X A = 8 V D7 = 2. D6 wird gesetzt A = 2 V A > X A = 8 V D6 = 3. D5 wird gesetzt A = V A > X A = 8 V D5 = 4. D4 wird gesetzt A = 9 V A < X A = 9 V D4 = 5. D3 wird gesetzt A = 9,5 V A > X A = 9 V D3 = 6. D2 wird gesetzt A = 9,25 V A < X A = 9,25 V D2 = 7. D wird gesetzt A = 9,375 V A < X A = 9,375 V D = 8. D wird gesetzt A = 9,4375 V A < X A = 9,4375 V D = Notieren Sie zur Vorbereitung ein solches Schema für eine Referenzspannung ref = 256 mv und eine zu wandelnde Spannung von,25 V..3 Rampenumsetzer.3. Single Slope Beim Einrampenumsetzer (Single-Slope-msetzer) wird eine Spannungsrampe erzeugt, d.h. die Spannung wird linear in der Zeit erhöht. a (t) = k t Gleichzeitig mit dem Start der Spannungsrampe wird ein Zähler gestartet. Die Rampenspannung a (t) wird mit der umzusetzenden Spannung X verglichen. Wenn die beiden Spannungen gleich groß sind, wird der Zähler gestoppt. Der Zählerstand Z ist nun: Z = f t wobei t = k die Zeit ist, die die Spannungsrampe benötigt hat, um den zu messenden Wert zu erreichen und f die Taktfrequenz, mit der der Zähler beaufschlagt wurde. Somit ist der Zählerstand der digitalisierte Wert der Spannung. Bild 3: Spannungsverlauf beim Single-Slope msetzer

4 Fassung vom Blatt 4 Erzeugen kann man eine solche Spannungsrampe, indem man einen Kondensator mit einem konstanten Strom auflädt. Eine geeignete Schaltung zeigt Bild 4. Integrator C S R a Bild 4 : Integrator Legt man an den Eingang eine negative Spannung an und wechselt der Schalter S von der Position 2 in die Position, so beginnt am Ausgang des Operationsverstärkers die Spannung linear in der Zeit anzusteigen, bis die maimale Ausgangsspannung erreicht ist (Versorgungsspannung = ca. - 2 V). Die Steilheit mit der die Spannung ansteigt, ist durch den Wert sowie die Größe von R und C bestimmt. Für a erhält man: a = t R C Der Wert den man bei einer solchen Wandlung erhält, hängt also u.a. von dem Wert R und C ab. Die Temperatur- und Langzeitdrift von Kondensatoren schränkt die Genauigkeit bei solchen sog. Single-Slope-Wandlern erheblich ein..3.2 Dual Slope 6 V - +8V 2 + Teiler X : a S b C 27 22nF ref R 47k Auf und Ab- Integrator Komparator Dekodierer Treiber für Siebensegmentanzeige Steuerschaltung Interner Takt 3,4,5 S = elektronischer mschalter: von t bis t in Position a von t bis t 2 in Position b Pin 38 ICL 77 Bild 5: Blockschaltbild eines AD-Zweirampen-msetzers

5 Fassung vom Blatt 5 Beim Dual-Slope-Wandler wird dieser Nachteil dadurch umgangen, dass man einen Kondensator durch die zu wandelnde Spannung auflädt und dann die Zeit misst, die ein konstanter Strom benötigt um denselben Kondensator über denselben Widerstand wieder zu entladen. Bei fest vorgegebener Ladezeit entfällt dann der Einfluss von R und C. Durch eine höhere Spannung wird der Kondensator auch auf eine höhere Spannung aufgeladen; entsprechend länger dauert es, bis der Kondensator mit einem konstanten Strom wieder entladen ist. a (t) t G t t t2 t Also nochmals zum Mitdenken: Bild 6: Spannungsverlauf beim Dual-Slope msetzer (durchgehend: < 2 : unterbrochen). Der Schalter befindet sich in Stellung b. Damit liegt eine negative Spannung am Eingang des Integrators. Dadurch wird gewährleistet, dass die Ausgangsspannung des Integrators auf jeden Fall größer als V ist. Würde man die Eingangsspannung auf V legen, so könnte auf Grund eines, bei einem realen Operationsverstärker immer vorhandenen, Offsetfehlers am Ausgang bereits eine negative Spannung anliegen, was die Messung verfälschen würde. 2. Die Ablaufsteuerung AS legt den Schalter in die Stellung a. Nun liegt die umzusetzende Spannung am Eingang des Integrators. Als Folge davon nimmt die Ausgangsspannung des Integrators linear ab und zwar um so schneller je höher die Spannung ist. 3. Zum Zeitpunkt t hat die Ausgangsspannung des Integrators V erreicht. Dies wird der Ablaufsteuerung durch den Komparator K signalisiert. (Dessen Ausgang wechselt von Minus nach Plus). Durch die Ablaufsteuerung wird nun ein Timer mit einer fest eingestellten Zeit (der Integrationszeit t - t ) gestartet. 4. Zum Zeitpunkt t ist diese Integrationszeit abgelaufen. Die Integratorausgangsspannung hat nun den Wert:

6 Fassung vom Blatt 6 a R C t R C ( t) = () t dt = ( t t ) t mit dem Mittelwert = () t dt t t 5. Die Ablaufsteuerung legt den Schalter wieder in die Position b und damit eine negative (Referenz-) Spannung an den Eingang des Integrators. Damit nimmt nun die Ausgangsspannung am Integrator wieder zu und zwar mit einer durch die fest eingeprägte Referenzspannung ref vorgegebenen Steigung. Gleichzeitig mit dem mlegen des Schalters legt die Ablaufsteuerung eine logische an das ND-Gatter und sorgt damit dafür, dass die Impulse des Taktgebers das ND-Gatter passieren können. Der Zähler beginnt die Taktimpulse zu zählen. 6. Zum Zeitpunkt t 2 hat die Ausgangsspannung des Integrators wieder V erreicht (der Komparatorausgang wechselt von Plus nach Minus). Die Ablaufsteuerung legt nun eine logische an den Eingang des ND-Gatter und sperrt damit den Durchgang der Taktimpulse durch das Gatter. Die gezählten Taktimpulse N sind nun proportional zum Mittelwert der Spannung während der Integrationszeit, denn für die Spannung a (t 2 ) gilt: R C t 2 = R C R C 2 ( t ) = ( t ) dt = ( t t ) + ( t t ) a 2 a t N = f ( t t ) = f ( t t ) 2 mit der fest eingestellten Integrationszeit Δt = t - t. Man erkennt, dass der Zählerstand N unabhängig von R und C ist. 2. Versuchsdurchführung Auf einer Platine mit integrierter Spannungsversorgung sind ein Inkremental-msetzer und ein AD-Wandler nach dem Verfahren der sukzessiven Approimation aufgebaut. Eine zweite Platine enthält einen Dual-Slope-Wandler.

7 Fassung vom Blatt 7 2. Stufenumsetzer (Bild - auf Seite!!!) Bestimmen Sie zunächst die beiden Frequenzen der internen Taktgeber. Langsam (Pin 28): f =...Hz ; Schnell (Pin 3): f =...khz Verbinden Sie dann einen Taktgeber mit dem Zählereingang (Pin 26). Legen Sie eine zu messende Spannung an, ca.,2 V, die Sie mit einem Digitalvoltmeter überprüfen. Starten Sie mit dem Taster einen Messvorgang und zeichnen Sie, das Signal an Pin 8 mit dem Oszilloskop auf. (Plot!). Mit dem Speicheroszilloskop können Sie auch nachträglich die einzelnen Spannungsschritte auflösen (Zoom). (Plot!) Ein Spannungsschritt beträgt Δ =... V. Lesen Sie den (dualen) Zählerstand N an den Dioden ab : N =... (dual) entspricht... (dezimal) und vergleichen Sie die daraus resultierende Spannung = N Δ =... mit der angelegten Spannung (Messung mit DVM). =... Erhöhen Sie solange, bis der Zähler gerade noch nicht überläuft und die Zahl 255 dual anzeigt. Bei welcher Spannung ist das der Fall? ma =... Hieraus ergibt sich eine (mittlere) Stufenbreite von Δ = ma / 256 = msetzer nach dem Verfahren der sukzessiven Approimation Bild 7: AD-Wandler sukzessive Approimantion (Blockschaltbild und Anschlußplan) Bei dem in diesem Versuch verwendeten A/D-msetzer (ZN427) ist die Ausgangsspannung des D/A-msetzers nicht nach außen geführt. Deshalb wurde ein eterner D/A-msetzer an die digitalen Ausgänge angeschlossen. An dessen Ausgang (6) kann nun das sukzessive Annähern der Spannung A an die zu wandelnde Spannung VIN= (4) /2,7 beobachtet werden.

8 Fassung vom Blatt 8 Der A/D-Wandler stellt ein Signal (EOC end of conversion, 22) zur Verfügung, das signalisiert, dass eine Wandlung beendet ist. Dieser Ausgang ist mit dem Starteingang (SC) verbunden, so dass sofort nach beendeter Wandlung eine neue beginnt. Triggern Sie auf dieses Signal! Bei niedrigen Taktfrequenzen (Verbindung von 28->26) kann die msetzung an den Leuchtdioden verfolgt werden. Geben Sie für eine zu messende Spannung von = 7V (nach Teiler: VIN=7V/2,7 = 2,59 V) die 8-Bit-Binärzahlen und die dazugehörigen Spannungen 6 an, die an den Leuchtdioden während einer Wandlung angezeigt werden. Oszilloskop: Trigger auf Signal 22, Stufenförmige Spannung (6) mit Curser vermessen. Plot ausführlich beschriften und erklären. Takt Nr. Binärzahl Spannung (6) in V Beobachten Sie auch die Approimation mit einer Spannung X knapp unterhalb, knapp oberhalb der halben Maimalspannung und mit X = V. Drucken Sie die Ergebnisse aus. Eine gute Soundkarte kann Analoge Signale mit 4 ksampels und 6 bit auflösen. Mit welcher Taktfrequenz muss der AD-Wandler (Sukzessive Approimation) mindestens betrieben werden? Antwort: Dual Slope AD-Wandler (siehe Bild 5) Der Minuspol der Spannungsversorgung (Punkt ) darf nicht mit der Masse der Messspannung verbunden werden!

9 Fassung vom Blatt 9 a) Legen Sie eine Spannung X von V an und nehmen Sie die Spannungsverläufe an den Punkten 27 und 28 auf. Erstellen Sie einen Ausdruck, in welchem Sie die nachfolgenden Messgrößen vermerken: Benutzen Sie die Cursorfunktion und messen Sie an Punkt 28 die Spannung bei den Schalterstellungen a: a =...mv sowie an Punkt 27: und b: b =...mv. - Zeitintervalle t -t =...ms und t 2 -t =... - die negative Maimalspannung ma =... V und vergleichen Sie das Messergebnis mit dem erwarteten Wert ma =- 28 * (t -t ) / (RC) =... b) Machen Sie nun dieselbe Messung mit = 5 V. Welche Größen bleiben gleich?... Welche ändern sich?... c) Schalten Sie zum Widerstand R = 47 kω des Integrators (Punkt 28 und 29) einen Widerstand von kω parallel (mit Widerstandsdekade). Legen Sie wieder = V an und beobachten Sie die Spannungsverläufe an den Punkten 27 und 28. Welche Größenbleiben gegenüber Fall a gleich?... Welche ändern sich?... d) Messen Sie die interne Taktfrequenz des Dual Slope Wandlers. (direkt am IC "ICL77" pin 38 mit einem Tastkopf) e) Legen Sie an den Eingang eine sinusförmige Mischspannung mit Gleichanteil 5 V, Amplitude 2,5 V und Frequenz Hz. Betrachten Sie wiederum die Signale an den Punkten 27 und 28. (Plot). Beobachten Sie die 7-Segmentanzeige. Beschreiben und erklären Sie Ihre Beobachtungen Erhöhen Sie die Frequenz auf 3 Hz und auf Hz. Resultat?...

10 Fassung vom Blatt

11 Fassung vom Blatt