Převodníky fyzikálních veličin P.Praus

Prezentace na téma: "Převodníky fyzikálních veličin P.Praus"— Transkript prezentace:

1 Převodníky fyzikálních veličin P.Praus praus@karlov.mff.cuni.cz
Definice převodníků fyzikálních veličin Přehled typů převáděných veličin Principy funkce jednotlivých převodníků Přehled nejdůležitějších akčních prvků Komparátor Schmittův spínač Vzorkování signálů Princip D/A převodníku Princip A/D převodníku Připojení A/D a D/A převodníků k počítači

2 Převodníky vybraných základních fyzikálních veličin
Teplota Optické záření Magnetické pole Napětí/frekvence Tlak Síla, zrychlení Poloha Průtok vlhkost Chemické senzory

3 Senzory pro měření teploty

4 Převodníky pro měření teploty
Odporový teploměr Pt zpravidla 100 Ω pro 0 0C Vysoká přesnost a vynikající stabilita a linearita Rozsah použití zpravidla 0 až 450 0C, lze až 800 0C RL = odpor přívodních vodičů, kompenzace chyby měření pomocí 4 drátového zapojení

5 Termočlánek Seebeckovo napětí vznikající na kontaktu 2 různých kovů
Široký rozsah teplot Rychlá odpověď na změnu Nízká cena Pasívní prvek Nutnost kompenzovat studený přechod hodnota nelineárně závislá na T

6 Elektronická kompenzace studeného přechodu

7 Digitální polovodičový teplotní detektor
Přímý převod teploty na digitální údaj, Přesnost jednoduchých senzorů typ. ± 0.5 °C, teplotní rozsah dosti omezený -40 až +150 °C Výstupem pulzní šířková modulace (PWM) nebo digitální sběrnice (I2C, PWM senzor

8 Analogový polovodičový teplotní detektor
Přímý lineární převod teploty na napětí nebo na proud

9 Teplotní senzor s digitálním výstupem

10 Detekce optického záření
Kvantový výtěžek (QE) – měřítko efektivnosti konverze fotonů dopadajících na plochu detektoru na elektrický náboj, v oblasti viditelného záření je vždy menší než 1. Citlivost detektoru (A/W) – poměr fotoproudu a dopadající radiační zářivé energie

11 Náhradní elektrický obvod
Voltampérová charakteristika Planární difusní typ PIN

12 Fotodioda v zapojení převodník I/U

13 Diodová pole (PDA Photodiode Array)
Počet detekčních prvků zpravidla 16 až 64, ale může jich být i 1024 a jsou určeny především pro určování polohy a pro multikanálovou fotometrii s nižšími nároky na citlivost a spektrální rozlišení.

14 Si PIN fotodiody – nízká kapacita, pro vysokorychlostní fotometrii
Si fotodiody S vestavěným zesilovačem a chlazením Si PIN fotodiody – nízká kapacita, pro vysokorychlostní fotometrii

15 Fotonásobič Vysoce citlivé detektory optického záření, hojně využívané ve především spektroskopii

16 Typy uspořádání dynod

17 Mikrokanálkový zesilovač
Vysoce citlivé detektory založené na principu fotonásobiče, používají se k „zesílení“ obrazu před vlastním fotodetektorem

18 CCD detektory CCD = Charge Coupled Device (nábojově vázaná struktura)
Vysoká citlivost, často je třeba chlazení detektoru – term.šum (TE, LN) Má integrační charakter podobně jako fotografický film

19 Princip funkce detekční buňky (pixelu)
Vychází z technologie unipolárních tranzistorů. Na povrchu monokrystalického substrátu P je vytvořena velmi tenká dielektrická izolace (nejčastěji SiO2) a na ní řada těsně sousedících vzájemně izolovaných elektrod. Elektrody jsou periodicky připojeny k řadě sběrnic. Na začátku a na konci struktury jsou v substrátu vytvořeny ostrůvky N+, z nichž vedou ohmické kontakty k vnějšímu zdroji signálu a zátěži. Princip práce spočívá v tom, že na sběrnicích mohou být různá napětí. Při nenulovém napětí na sběrnici vznikne ekvivalent vodivého kanálu N. Protože se nejedná o kanál v pravém slova smyslu, užívá se termín potenciálová jáma , její „hloubka“ závisí na přivedeném napětí. Tam, kde sousedí „mělká“ a „hluboká“ jáma, existuje s povrchem rovnoběžná (laterální) složka intenzity elektrického pole, směřující od hluboké jámy k mělké. Proto budou elektrony z „mělké“ jámy přesunuty do jámy „hluboké“. Volné elektrony jsou v kanálu N (potenciálové jámě) nositeli majoritními, takže pravděpodobnost jejich rekombinace je malá a mohou se v ní udržet poměrně dlouho

20 Architektura detektoru a slučování detekčních buněk (binning)
Zvýšení citlivosti detekce sumací buněk kapacita detekční buňky je limitována určitým množstvím náboje.

21 Typy architektury čipu
Full frame detektor Interline detektor

22 Front a Back illuminated architektura
Osvětlení detektoru „zezadu“ eliminuje jeho zastínění strukturou elektrod a hradel a QE se zvyšuje na více než dvojnásobek.

23 Rozšíření citlivosti do UV oblasti
Fosforová vrstva rozšíří citlivost v oblasti 200 až 430 nm

24 Tenzometr Kovová folie nebo tenký vodič s proměnným odporem v závislosti na mechanickém napětí. Změny odporu jsou malé - detekuje se v zapojení Wheatstoneova můstku

25 Detektory zrychlení (akcelerometry)
Měření vibrací a zrychlení (jednoosé a víceosé typy) Založeny jsou na principu připevnění tělesa o známé hmotnosti k piezoelektrickému elementu

26 Detektory stacionárního magnetického pole
Založeny na Hallově jevu, výstupní napětí je přímo úměrné intenzitě magnetického pole kolmého k povrchu pouzdra

27 Senzory polohy a posuvu
Čidlo lineárního posuvu LVDT (Linear variable differential transformer) Převádí údaj o poloze na elektrický signál s velmi vysokou přesností Konstrukce : NiFe jádro,pohybující se v soustavě cívek (jedna primární – budící a 2 detekční)

28 Obvodové řešení LVDT Buzení Detekce
Hybridní integrované detekční moduly, případně i vsuvné PC karty Budící cívka je sinusově modulována z oscilátoru, základem detekční části je demodulátor a filtr, výsledkem je výstupní stejnosměrné napětí proporcionální k poloze jádra Buzení Detekce

29 Tlak Založené na LVDT senzoru

30 Piezoelektrický princip

31 Optický princip

32 Detektor vakua Termočlánkový princip založený na teplotní vodivosti mezi detektorem a rozžhaveným drátkem torr Emise elektronů z rozžhavené katody 10-2 až torr

33 Průtokoměr Lineární závislost na průtoku
Minimální závislost na viskozitě

34 Chemický senzor ISFET

35 Čidla vlhkosti Rezistivní/kapacitní typ IR typ

36 Převod napětí na frekvenci
Napěťově řízený oscilátor Vynikající pro přenos analogového údaje na velkou vzdálenost beze ztráty informace 2 typy : multivibrátorový a „charge balance“ (přesnější) Multivibrátorový typ

37 Princip „charge balance“
Obsahuje integrátor,přesný proudový zdroj a komparátor – v okamžiku dosažení přepnutí komparátoru je přepnut proudový zdroj, který nadávkuje přesné množství náboje Reset mód Integrate mód

38 Funkční generátor Založen na napěťově řízeném oscilátoru

39 Akční prvky Nejdůležitější typy :
Jsou to hardwarové prostředky, určené se k přímému řízení požadovaných hodnot parametrů ovládaného procesu na základě výstupního elektronického signálu Nejdůležitější typy : Spínače elektrického proudu a napětí Krokové motory (převod polohy) Elektromagnetické ventily (regulace průtoku)

40 Elektronické spínače Pasivní Aktivní elektronická relé
tranzistory (Bipolární a výkonové MOSFET) Tyristory Triaky Polovodičová relé

41 Spínací a rozpínací relé

42 Tyristor Je čtyřvrstvý spínací prvek, tj. prvek obsahující tři přechody PNPN a používá se pro bezeztrátovou regulaci výkonu.

43 Tyristor Tyristor si můžeme představit jako dva bipolární tranzistory, jeden PNP a druhý NPN. Emitor tranzistoru PNP je přiložen na kladný pól zdroje napětí, emitor tranzistoru NPN na záporný pól, do řídicí elektrody G tyristoru nechť teče proud IG. Podle 1. Kirchhoffova zákona o proudech v uzlu musí platit I2=IG+I1 a také, uvážíme-li, že α1.I1 je kolektorový proud PNP tranzistoru a a2I2 kolektorový proud NPN tranzistoru (emitorový proud je I2), musí být I2= α1.I1+ α2.I2 (zanedbávali jsme zbytkové proudy a IG vůči α1.I1). Z těchto dvou rovnic pak máme pro I2 výraz I2=- α 1IG/(1-(α1+ α 2)). Pokud je součet proudových zesílení α1+ α2 přibližně roven jedné, může být proud I2 velmi veliký i když proud řídicí elektrodou IG je velmi malý. Jako proud IG může fungovat i závěrný proud kolektorové diody PNP tranzistoru, který, jak víme, může při překročení mezního dovoleného kolektorového napětí vzrůst lavinovitým průrazem kolektorového přechodu. Jakmile je jednou tyristor ve vodivém stavu, zůstává ve vodivém stavu tak dlouho, dokud se proud I2 nesníží pod určitou hodnotu, neboť tranzistory se vzájemně podporují v otevřeném stavu - sepnutým tranzistorem NPN teče záporný proud do báze tranzistoru PNP a opačně sepnutým tranzistorem PNP teče proud do báze tranzistoru NPN. Rozpojíme-li obvod, vrátí se za určitou krátkou dobu (řádově 100 ns) tyristor do výchozího stavu, ze kterého jej můžeme opět sepnout. Totéž se stane, zmenšíme-li proud tyristorem ne úplně na nulu, ale pod hodnotu tzv. přídržného proudu IH, který je parametrem daného typu tyristoru.

44 Použití tyristoru je zejména vhodné v obvodech střídavého napětí, neboť každý průchod napětí nulou automaticky vypne tyristor a ten čeká na další zapnutí. Jediné, co je zapotřebí k regulaci výkonu pomocí tyristoru, je zařízení, které ”vyrobí” spouštěcí puls do tyristoru ve vhodné fázi periody střídavého napětí. Nejjednodušší je použít pro řízení fáze jednoduchého RC členu s měnitelnou časovou konstantou RC například pomocí proměnného odporu. Je-li odpor nastaven na nulu, spíná se tyristor prakticky okamžitě po průchodu napětí nulou, je-li odpor nastaven na větší hodnotu, zpožďuje se napětí na kondenzátoru za napětím na tyristoru a ten zapne až za určitý čas po průchodu napětí nulou; výkon na zátěži bude v tomto případě menší.

45 Triak Pro relativně malé výkony, tj. pro napětí typická v rozvodné síti a proudy do několika ampér byly vyvinut pětivrstvý spínací prvek - Triak. Je možno jej považovat za dvojici antiparalelně zapojených tyristorů, ale jeho řídící elektroda je zapojena tak, že ho lze ovládat proudem libovolné polarity. Je-li na anodě A1 záporné napětí vzhledem k A2, bude v propustném směru pólovaná levá část, pravá část je v závěrném směru. Přivedeme-li do obvodu řídící elektrody proud, sepneme tím obě poloviny triaku. které pracují stejně jako dva antiparalelně zapojené tyristory s tím rozdílem, že mají jen jednu řídicí elektrodu. Zatímco tyristory jsou určeny pro řízení výkonů až do řádu megawattů, triaky vzhledem ke své složitější struktuře a tím větší náchylnosti na průraz zůstávají doménou pro regulaci nízkovýkonových elektrických spotřebičů; jejich výhoda tkví v jednoduchosti zapojení. Výstupní charakteristiky tvoří soustavu symetrických křivek, parametrem je proud řídící elektrodou IGT, přičemž IGT může mít libovolný směr. Charakteristiky mají stejný tvar, jaký odpovídá dvěma antiparalelně zapojeným tyristorům. Oblast blokovací charakteristiky začíná u nulového napětí a končí u průrazného napětí. V této části charakteristiky představuje triak vysoký odpor, propouštěný proud je velmi malý. Přes oblast negativního diferenciálního odporu (čárkovaná čára) přechází charakteristika do propustné oblasti. Podobně jako u tyristoru představuje triak v této části charakteristiky malý odpor, proud musí být omezen zátěží. V této oblasti charakteristiky je důležitý vratný proud IL, který musí téci mezi hlavními elektrodami A1 a A2, aby při odpojení řídící elektrody zůstal triak v sepnutém stavu. Přídržný proud IH udává hodnotu, pod kterou nesmí klesnout proud triakem, aby se udržel v sepnutém stavu.

46 Fázové řízení spínacích prvků
Pro fázové řízení triaků a tyristorů byly vyvinuty integrované obvody, které umožňují ”lineární” řízení fáze spouštění. V každé půlperiodě ”vyrobí” lineárně vzrůstající pilovité napětí a tyristor se sepne v okamžiku, kdy se toto napětí vyrovná konstantnímu napětí řízenému zvnějšku potenciometrem. Fáze sepnutí je tedy přímo úměrná

47 Polovodičové relé Pracuje stejně jako klasické relé. Pomocí malého výkonu na vstupu – řádově mW spínáme na výstupu výkony řádově W až kW. Vstupní a výstupní obvody jsou galvanicky odděleny, vazba je pouze optická uvnitř relé. Spínání je prováděno polovodičovými prvky – triaky nebo antiparalelně zapojenými tyristory. Díky vnitřním logickým obvodům spínají a vypínají v oblastech blízkých průchodu napětí nulou, takže se minimalizuje elektromagnetické rušení.

48 Krokové motory - bipolární
Dovedou přesně nastavit svoji polohu a tuto polohu i přes působící síly udržet. Stator krokového motoru je tvořen sadou cívek. Pólové nástavce statoru jsou vroubkovány se stejnou roztečí jako je rozteč magnetů na rotoru. Toto je jedna z částí zvyšující přesnost motoru při stejném počtu cívek. Rotor je tvořen hřídelí usazenou na kuličkových ložiskách a prstencem permanentních magnetů. Proud procházající cívkou statoru vytvoří magetické pole, které přitáhne opačný pól magnetu rotoru. Vhodným zapojováním cívek dosáhneme vytvoření rotujícího magnetického pole, které otáčí rotorem. Podle požadovaného kroutícího momentu, přesnosti nastavení polohy a přípustného odběru volíme některou z variant řízení. - unipolární - bipolární krokový motor s 200 kroky na otáčku (1.8 stupně na krok)

49 Metody řízení krokových motorů
Při unipolárním řízení prochází v jednom okamžiku právě jednou cívkou. Motor s tímto buzením má nejmenší odběr, ale také poskytuje nejmenší kroutící moment. Výhodou tohoto řešení je jednoduché zapojení řídící elektroniky - v podstatě stačí jeden tranzistor na každou cívku. Při bipolárním řízení prochází proud vždy dvěma protilehlými cívkami. Ty jsou zapojené tak, že mají navzájem opačně orientované magnetické pole. Motor v tomto režimu poskytuje větší kroutící moment, ovšem za cenu vyšší spotřeby. Jednofázové a dvoufázové řízení Jednofázové řízení znamená, že magnetické pole generuje pouze jedna cívka (případně dvojice cívek při bipolárním buzení). Při dvoufázovém řízení generují shodně orientované magnetické pole vždy dvě sousední cívky. Daní za vyšší kroutící moment je dvojnásobná spotřeba oproti řízení jednofázovému. Řízení s plným versus polovičním krokem Řízení s plným krokem znamená, že na jednu otáčku je potřeba přesně tolik kroků, kolik zubů má stator daného motoru. Dosáhneme ho použitím kterékoliv doposud uvedené metody řízení. Řízením s polovičním krokem dosáhneme dvojnásobné přesnosti. Technicky se jedná o střídání kroků s jedno- a dvoufázovým řízením.

50 Unipolární jednofázové
s plným krokem Unipolární dvoufázové s plným krokem Unipolární s polovičním krokem Bipolární jednofázové s plným krokem Bipolární dvoufázové s plným krokem Bipolární s polovičním krokem

51 Příklad základního zapojení pro řízení motoru v unipolárním dvoufázovém režimu. Jako výkonový budič je použit obvod ULN2803. Ten obsahuje jednak ochranné diody, jednak invertor před každým výkonovým stupněm. To výrazně zjednodušuje dvoufázové řízení při malém počtu řídících linek.

52 Elektronické obvody pro zpracování signálu
Komparátor spínače Schmittův spínač Integrátor Vzorkování signálů Princip D/A převodníku Princip A/D převodníku Analogové multiplexery

53 Princip komparátoru Ideální převodní charakteristika
Základní interfejs mezi analogovým a digitálním světem Obvod,který zajišťuje „rozhodnutí“, které ze 2 analogových vstupních napětí je větší. Výstupem je logická hodnota reflektující relativní hodnoty na vstupu. True = V1 > V2 False = V1 < V2 Ideální převodní charakteristika

54 Základní vlastnosti a parametry
Výstupní napěťové úrovně, korespondující hodnotám True (1) a False (0),je třeba zajistit kompatibilitu s jednotlivými obvyklými logickými skupinami (např. TTL kompatibilita předpokládá, že 1 je + 5V a 0 je < 0,8V) Rychlost odpovědi, změny T na F, typ 40 až 100 ns, nejrychlejší i několik ns Chyby : Vstupní offsetové napětí - (ideálně 0) , udává jak je posunut rozhodovací bod vzhledem ke skutečné 0 hodnotě V1 – V2 (obvykle jednotky mV) interval neurčitosti (ani T ani F), nepřímo uměrný zesílení použitého OZ (obvykle desítky µV) Interval neurčistosti

55 Obvodová realizace komparačního zesilovače
Komparátor zjišťuje, zda součet napětí E1 až En je větší nebo menší než referenční napětí Er - neboli, je-li algebraický součet porovnávaných napětí menší nebo větší než nula. Zjištěný stav se vyjadřuje na výstupu dvěma úrovněmi napětí: Při Es<Er je na výstupu jedna úroveň signálu a při Es>Er úroveň druhá. Jestliže přisoudíme jedné úrovni signálu hodnotu 0 a druhé hodnotu 1, pak je výstup vyjádřen ve dvojkové soustavě V charakteristice komparátoru vznikne hystereze, jestliže zapojíme do obvodu neinvertujícího vstupu kladnou zpětnou vazbu. Tím v podstatě vytváříme z obvodu Schmittůtv trigger

56 Schmittův spínač Velmi rychlý komparátor je zdrojem chyb při zpracování skutečného signálu vlivem šumu. Principem je kladná zpětná vazba v obvodu komparátoru způsobující napěťovou hysterezi nutnou pro zpětný přechod mezi T a F Pro pochopení funkce Schmittova triggeru uvažujme operační zesilovač pouze s kladnou zpětnou vazbou. Na vstup E1 přivádíme střídavé napětí, pak průběh napětí na vstupu a výstupu je znázorněn na obrázku. Je-li napětí na výstupu operačního zesilovače v saturaci + Esat, je napětí E2s na neinvertujícím vstupu operačního zesilovače R1/(R1+R2) . Esat. Jedná se o napěťově řízený klopný obvod - Schmittův trigger, kde vstupním napětím jedné polarity nastane překlopení z jednoho stavu do druhého a napětím opačné polarity překlopení zpět do stavu původního.

57 Nastavení hystereze ±ES saturační napětí operačního zesilovače                   .

58 Elektronické spínače z diskrétních součástek
Ideální spínač má v sepnutém stavu nulový odpor a v rozepnutém odpor nekonečný. Statickým vlastnostem ideálního spínače se nejvíce blíží kontakty mechanického relé. Nevýhodou relé je relativně dlouhá spínací a rozpínací doba, která je v nejlepším případě řádu 1 msec. Proto se pro rychlé doby spínání řádu 1 ms a méně více využívají elektronické spínače s polovodičovými prvky. sériový paralelní Obvykle se v praxi využívá kombinace obou spínačů - spínač serioparalelní. Tato kombinace totiž nejlépe potlačuje vliv svodového proudu a odporu v rozepnutém stavu. Jako příklad použití serioparalelního spínače si uvedeme případ zapojení s operačním zesilovačem :

59 Realizace s použitím tranzistorů

60 Princip integrátoru Výstupní napětí integračního obvodu je úměrné časovému integrálu vstupního napětí Režim nastavení počátečních podmínek (sepnutý kontakt a ), rozepnutý kontakt b ). 2. Režim integrace (sepnutý kontakt b , rozepnutý kontakt a ). Režim paměti (režim při rozepnutém kontaktu a i b ). Kde k = 1/RC a E10 je počáteční podmínka.

61 Vzorkování analogového signálu
Nyquistův vzorkovací teorém Vzorkovací frekvence musí být minimálně dvojnásobkem nejvyšší frekvenční složky v signálu obsažené

62 Šířka pásma signálu frekvenční rozsah ve kterém může být signál přesně digitalizován je dána frekvenční charakteristikou vstupních obvodů a frekvencí vzorkování Je definovaná zvoleným požadovaným útlumem amplitudy měřeného signálu v závislosti na frekvenci vzhledem k jeho skutečné amplitudě.

63 Digitálně/analogové převodníky
Důležitým interfejsovým obvodem mezi digitálními a analogovými obvody, umožňují transformaci číslicově vyjádřené informace na analogové napětí Zaujímají klíčové postavení v řídících systémech. Přesnost a rychlost převodu použitých převodníků je jedním z hlavních faktorů určujících použitelnost a kvalitu celého řídícího systému Jsou jádrem mnoha přístrojů : DVM, plottery, displeje osciloskopu a.p. a mnoha počítačově řízených prvků používaných v automatizaci a.p.

64 Princip digitálně/analogového převodu
Principem je generování výstupního napětí proporcionálního k vstupnímu binárnímu číslu Minimální krok = Vfs / 2n Výstup ideálního 3 bitového D/A převodníku

65 Rozlišení D/A převodníku jako funkce počtu bitů na vstupu
V současnosti jsou levné 8 bitové DAC IC, běžné jsou i 16 bitové (15 µV krok při 1V full scale !!!, snadno zanikne v šumových napětích indukovaných v obvodu – termoelektrická napětí, vlhkost a.p.)

66 Základní obvodové řešení D/A převodu
2 základní obvodové prvky : sčítací zesilovač a spínače na bázi FET U D/A převodníku využíváme vlastnosti operačního zesilovače u kterého je zesílení prakticky určeno zpětnou vazbou Nevýhody zapojení: mnoho různých hodnot R a okrajové hodnoty představují technický problém sepnutým MSB protéká velký proud Kapacitní efekty na MSB a dalších paralelně zapojených spínačích limitují ustálení výstupní hodnoty DAC

67 Jako spínačů se používá obvykle tranzistorů v inverzním zapojení tak, aby chyba způsobená saturačním napětím byla co nejmenší. U inverzního zapojení je saturační napětí řádu mV takže při referenčním napětí Uref = 10 V je chyba způsobená saturačním napětím řádu jednotky promile. Příklad zapojení : Uvedené zapojení má nevýhodu v tom, že odpor sítě se mění v závislosti na vstupním čísle (Q3, Q2, Q1, Q0). U reálného operačního zesilovače tak může vzniknout chyba ve výstupním napětí způsobená změnou vstupního proudu. Aby odpor sítě byl nezávislý na vstupním čísle, je zapojení modifikováno

68 V zapojení na obrázku jsou jednotlivé větve sítě připojeny buď na zem nebo na zdroj napětí Uref
a je použito komplementárních tranzistorů jako spínačů :

69 Vylepšené zapojení DAC v síti R-2R rezistorů
U dosud uvedených zapojení ke každému bitu s různou vahou přísluší jiná velikost odporů v síti. Tato skutečnost je na závadu zejména pro převodníky vyrobené v integrované monolitické formě. Z tohoto důvodu bylo vyvinuto zapojení využívající odporu jedné velikosti : Pro výstupní napětí platí vztah:

70 Převodník D/A z B C D kódu na analogový signál
v jednotlivých blocích převodu dekadických čísel (4 bity) volíme základní odpory v poměru Výstupní napětí: kde N2, N1, N0 je číslo v B C D kódu

71 Digitalizace signálu analogově/digitálním převodníkem
Převodníky analogového signálu na číslicový (A/D převodník) jsou povětšině založeny buď na principu transformace napětí na jinou fyzikální veličinu (většinou čas), která se snadněji digitalizuje nebo na komparačním principu, tj. srovnáváním převáděného analogového napětí s proměnným napětím vytvářeným např. pomocí převodníku D/A. V okamžiku, kdy rozdíl mezi srovnávanými napětími je menší než určitá mez, se převod zastaví a zobrazí se vstupní číslo D/A převodníku. Digitalizace sinusového průběhu signálu s 3 bitovým rozlišením

72 Princip analogově/digitálního převodu
Převodník využívající dvojnásobné analogové integrace Analogový signál transformuje na časový interval, který se digitalizuje.Základním obvodem je analogový integrátor. Ke vstupu integrátoru se nejprve na přesně stanovený časový interval t 1 přivede analogový signál Ux > 0. Poté se na vstup integrátoru připne referenční napětí Uref opačného znaménka než Ux. Komparátor určuje okamžik, kdy výstupní napětí integrátoru je rovno nule. Časový interval mezi okamžikem připojení napětí Uref na vstup integrátoru a překlopení komparátoru označíme t  3. Časové intervaly  t 1 a  t 3 měříme jako násobky přesného hodinového intervalu t 2. Časový interval t3 je úměrný převáděnému analogovému signálu Ux a snadno jej vyjádříme v číslicové formě pomocí hodinových impulsů a čítače. A1 A2 CLK

73 Časový interval vyjádříme pomocí hodinového signálu t = m . t1
Pak je napětí na výstupu integrátoru na konci tohoto intervalu rovno : Po připojení Uref na vstup integrátoru napětí na výstupu se zmenšuje podle vztahu : t je čas počítaný od okamžiku připojení Uref na vstup integrátoru Je-li t = t3 je E0 = 0 a Pak časový interval t3 je úměrný převáděnému analogovému signálu Ux. Časový interval  t3 vyjádříme v číslicové formě pomocí hodinových impulsů a čítače. Přívod hodinových impulsů na vstup čítače blokujeme pomocí řídících signálů A1 a A2, které nám vymezují časový interval  t3. Signál A1 je generován komparátorem a nabývá pro E0 < 0 hodnoty log 1. Pro E0 = 0 se signál A1 změní z log 1 na log 0. Řídící signál A2 je generován obvodem řídící logiky. Na začátku převodu má signál A2 hodnotu log 0. V okamžiku připojení Uref na vstup integrátoru nabude hodnoty log 1 .Číselný údaj čítače je tedy úměrný převáděnému napětí Ux. Výhodou uvedeného zapojení je, že v konstantě úměrnosti ve výsledném vztahu není časová konstanta integrátoru t1 = RC .Tato časová konstanta se může s časem, teplotou i jinými vlivy měnit, což by ovlivňovalo přesnost převodu. Obvykle se uvádí výstupní hodnota převodníku v B C D kódu. Dosahuje se přesnosti 4 1/2 až 5 1/2 platných číslic ( jedna polovina znamená, že nejvíce významná číslice může nabýt hodnoty pouze 1 nebo 0). Převodníky s dvojnásobnou integrací jsou jedny z nejpřesnějších, jejich nevýhodou je však relativně dlouhá doba převodu řádu 100 msec.

74 Převodník komparačního typu s čítačem (aproximační)
Převáděné napětí Ux je přivedeno na komparátor, kde se srovnává s výstupním napětím převodníku D/A. Převodník D/A je řízen vratným čítačem, jehož směr čítání je řízen komparátorem. Čítač čítá hodinové impulsy vpřed v případě, že pro proud ix = (Ux/R) a pro proud ze sítě převodníku D/A is platí vztah: ix + is > 0 (CT čítá vpřed) a ix + is < 0 (CT čítá vzad)

75 Bit s nejvyšší vahou u převodníku D/A má význam znaménkového bitu
Bit s nejvyšší vahou u převodníku D/A má význam znaménkového bitu. Je připojen na kladné referenční napětí (+Uref ). Ostatni bity jsou připojeny na záporné referenční napětí. Proud ze sítě převodníku D/A pak můžeme vyjádřit vztahem: Kde Qz je znaménkový bit s nejvyšší vahou, Qn ostatní bity, j počet bitů převodníku včetně znaménkového, n váha jednotlivých bitů. Převodník vyjadřuje převáděné napětí číslem ve dvojkovém kódu, které je násobkem napětí o velikosti (Uref /2j). Záporné napětí je vyjádřeno doplňkem do dvou. V případě, že se napětí na vstupu převodníku mění, je probíraný převodník schopen s určitým zpožděním sledovat změny vstupního napětí. Převodník je schopen sledovat časovou rychlost vn = (Δu / Δt) změny vstupního napětí ΔU: Kde f je frekvence hod. imulzů Pro frekvenci f = 1 MHz a desetibitový převodník je při Uref = 10 V vn ≈ (10 mV/1 m sec). To znamená, že převodník je schopen sledovat vstupní napětí, jehož maximální časová změna nepřesáhne 10 mV za 1 µsec. V případě, že výstup převodníku požadujeme v BCD kódu (např. pro optickou indikaci) je nutné aby převodník D/A byl převodníkem z BCD kódu.

76 Paralelní komparační převodník s dekodérem
Jeho základem je 2j -1 komparátorů. Na jedny vstupy komparátorů přivádíme převáděné napětí Ux .Na druhé vstupy přivádíme násobky napětí Uref tak, že rozdělíme Uref na 2j diskretních hladin o stálém napětovém rozdílu mezi hladinami  ΔU = (Uref/2j). Jestliže napěťovou úroveň první nenulové hladiny posuneme na DU/2 pak výstup prvního komparátoru se změní z log 0 na log 1 v případě, že Ux > ΔU/2. Výstup druhého komparátoru se změní pro Ux > (3 ΔU/2) atd. Výstupy komparátorů vedeme na dekodér pomocí něhož každému napěťovému intervalu mezi dvěma hladinami přiřadíme binární číslo. Napětí Ux můžeme pak vyjádřit tak, že napěťovému intervalu: Přiřadíme pro j=8 číslo Digitalizace převáděného napětí pak vnáší do převodu chybu (ΔU/2), což v případě, že j = 8 je menší než 0.2% maximální hodnoty. Přesnost osmibitového paralelního převodníku odpovídá tedy běžné chybě analogových voltmetrů. Počet komparátorů je však pro osmibitový převodník 255 ,což je neúnosně mnoho. Za rozumnou hranici je možno považovat 4 bitový paralelní převodník. Vysoká rychlost převodu !

77 Sériově paralelní převodník
Pro vícebitové převodníky, převáděné napětí Ux je nejprve přivedeno na první čtyřbitový převodník pomocí něhož získáme první čtyři bity (MSB). Tyto čtyři bity vedeme na D/A čtyřbitový převodník pomocí něhož dostaneme napětí UDA. Napětí UR = Ux - UDA je opět digitalizováno dalším čtyřbitovým převodníkem, čímž získáme další čtyři bity (LSB). Prvním A/D převodníkem rozdělíme referenční napětí na 16 diskrétních napěťových intervalů, které dalším A/D převodníkem rozdělíme do dalších 16 napěťových intervalů. Počet komparátorů v A/D převodnících tedy klesne pro j = 8 z 255 na 30 .Tato úspora se ovšem dosáhne za cenu prodloužení časového intervalu převodu. Úspora počtu komparátorů Při relativním zachování rychlosti převodu řádově stovky ns zapojení pro j =8

78 Analogový multiplexer
Přepíná vstupy do výstupů a naopak. Je tvořen sítí tranzistorů BiFet, budiči a dekodérem, Spínání je řízeno adresovacími vstupy A1 a A0 a vstupem EN, který vše rozepne. Statické vlastnosti určuje odpor spínačů v septutém stavu, izolační odpor a zbytkový proud spínačů v rozepnutém stavu. Dynamické vlastnosti určují přepínací doby mezi jednotlivými kanály a dobami sepnutí spínačů. Důležitý parametr je mezikanálový přeslech.

79 Metody vzorkování u A/D převodníků s multiplexovaným analogovým vstupem
Simultánní vzorkování Intervalové skenování Kontinuální skenování

80 Integrované měřící vsuvné PCI karty s multiplexovaným A/D převodníkem
Vysoce výkonné, moderní řešení záznamu nejrůznějších fyzikálních veličin převedených na napětí do PC a Navíc: Možnost zpětného ovládání experimentu pomoci digitálních vstupů/výstupů Možnost generování řídících signálů pomocí vestavěných D/A převodníků

81 Integrovaná měřicí vsuvná karta

82 Typické blokové schéma měřicí vsuvné PCI karty

83 Způsoby připojení zemněného a plovoucího signálu na vstup A/D převodníku měřící karty
Diferenciální „Single-ended“

84 Digitální vstup/výstup
PIO interfejsový obvod členěný do 8 bitových bloků, programovatelných jako vstupy a výstupy TTL komunikační úrovně

85 PIO karty