|
|
| (Nie pokazano 8 pośrednich wersji utworzonych przez tego samego użytkownika) |
| Linia 1: |
Linia 1: |
| '''to jest wersja testowa 1''' | | '''wersja beta 01''' |
|
| |
|
| {| border="0" cellpadding="4" width="100%"
| | ='''''LABORATORIUM WIRTUALNE 1'''''= |
| |valign="top" width="450px"|[[Grafika:Slajd1.JPG]]
| |
| |valign="top"|Ćwiczenie 1. Test ćwiczenia
| |
| |}
| |
|
| |
|
| <hr width="100%">
| | =='''Ćwiczenie 2 - Środowisko programistyczne LabWindows/CVI'''== |
|
| |
|
| | ==Części ćwiczenia== |
|
| |
|
| <table border=1 cellpadding=0 cellspacing=0><tr>
| | * [[Laboratorium wirtualne 1/Moduł 2 - ćwiczenie 2/wstęp|Ćwiczenie 2 - Wstęp]] |
| <td>[[Grafika:Slajd1.JPG]]</td>
| | * [[Laboratorium wirtualne 1/Moduł 2 - ćwiczenie 2/część 1|Ćwiczenie 2 - część 1]] |
| <td>Przetwarzanie analogowo-cyfrowe jest we współczesnych technice pomiarowej jednym z najważ-niejszych procesów realizowanych w trakcie przetwarzania sygnałów pomiarowych. Właściwości przetwornika analogowo-cyfrowego często decydują o właściwościach metrologicznych przyrządu lub systemu pomiarowego. Zalety cyfrowego przetwarzania sygnałów powodują, że konstruując przyrządy i układy pomiarowe dąży się do zastępowania elementów analogowych przez elementy realizujące przetwarzanie cyfrowe.
| | * [[Laboratorium wirtualne 1/Moduł 2 - ćwiczenie 2/część 2|Ćwiczenie 2 - część 2]] |
| | | * [[Laboratorium wirtualne 1/Moduł 2 - ćwiczenie 2/część 3|Ćwiczenie 2 - część 3]] |
| Podstawowe zalety przetwarzania cyfrowego to:
| | * [[Laboratorium wirtualne 1/Moduł 2 - ćwiczenie 2/część 4|Ćwiczenie 2 - część 4]] |
| uniwersalność – inaczej programowalność, ten sam układ cyfrowy (mikroprocesor) może reali-zować różne zadania w zależności od programu (algorytmu)
| | * [[Laboratorium wirtualne 1/Moduł 2 - ćwiczenie 2/część 5|Ćwiczenie 2 - część 5]] |
| stabilność – układy cyfrowe są mniej wrażliwe na zmiany temperatury i procesy starzeniowe (nie zmieniają swoich parametrów z upływem czasu)
| |
| powtarzalność – odpowiedź układu cyfrowego, na daną kombinację stanów wejściowych, po-winna być zawsze taka sama
| |
| realizowalność – w technice analogowej trudno jest zrealizować niektóre funkcje, np. filtry szczelinowe
| |
| | |
| W torze przetwarzania sygnałów pomiarowych przetwarzanie a/c jest realizowane na jak najwcze-śniejszym etapie. Schemat toru przetwarzania sygnałów przedstawiono na rysunku.
| |
| | |
| Na rysunku zobrazowano przetwarzanie analogowo-cyfrowe jako proces składający się z dwóch etapów: dyskretyzacji w dziedzinie czasu czyli próbkowania i dyskretyzacji w dziedzinie amplitudy czyli kwantowania.
| |
| </td>
| |
| </tr>
| |
| </table>
| |
| | |
| | |
| | |
| <table border=1 cellpadding=0 cellspacing=0>
| |
| <tr>
| |
| <td>[[Grafika:Slajd2.JPG]]</td>
| |
| <td>Próbkowanie polega na rejestracji wartości sygnału z odstępem czasowym określanym jako okres próbkowania. Problem próbkowania od strony teoretycznej jest rozważany w ramach zajęć z Cy-frowego Przetwarzania sygnałów. Elementarnym zagadnieniem jest tutaj kwestia dopasowania częstotliwości próbkowania do pasma przetwarzanych sygnałów. Z twierdzenia Nyquista, opisane-go zależnością (1) wynika, że aby można było odtworzyć sygnał z jego próbek bez zniekształceń, częstotliwość próbkowania fs musi być przynajmniej 2 razy większa od częstotliwości najwyższej harmonicznej występującej w sygnale fmax. W rzeczywistości sygnały pomiarowe rzadko mają ograniczone pasmo, a ponadto częstotliwość fmax musiałaby być znana przed rozpoczęciem proce-su przetwarzania. Stąd spełnienie warunku (1) wymaga zastosowania dodatkowego układu wej-ściowego tzw. filtru antyaliasingowego. W praktyce relacja pomiędzy częstotliwością próbkowania, a częstotliwością sygnału zależy zarówno od celu przetwarzania (pomiar parametrów, rejestracja, analiza widmowa) jak i charakteru zmienności sygnału (ciągły sygnał okresowy, przebieg jedno-krotny, sygnał logiczny). Inne zatem będą warunki próbkowania w multimetrach, oscyloskopach cyfrowych, analizatorach widma czy analizatorach stanów logicznych. Proces próbkowania może być realizowany zarówno przez sam przetwornik analogowo-cyfrowy jak i przez specjalny układ próbkująco-pamiętający (S/H). Układy scalone, realizujące przetwarzanie analogowo-cyfrowe, często zawierają w swojej strukturze układ S/H i właściwy przetwornik a/c.
| |
| Na rys. (b) pokazano przetwarzanie, którego celem nie jest wyznaczenie chwilowych wartości sy-gnału, ale wartości średniej w pewnym przedziale czasowym określanym jako czas integracji. W odniesieniu do przetworników a/c rysunek sygnalizuje podstawowy podział tych przetworników na układy przetwarzające wartość chwilową i wartość średnią.
| |
| </td>
| |
| </tr>
| |
| </table>
| |
| | |
| | |
| <table border=1 cellpadding=0 cellspacing=0>
| |
| <tr>
| |
| <td>[[Grafika:Slajd3.JPG]]</td>
| |
| <td>Kwantowanie sygnału polega na przyporządkowaniu ciągłym przedziałom wartości sygnału analo-gowego pewnych wartości dyskretnych w postaci cyfrowej. Nieuchronnie następuje przy tym strata informacji, ponieważ nieskończonej liczbie wartości sygnału w każdym przedziale jest przypisana tylko jedna wartość cyfrowa. Odwzorowanie ciągłych wartości sygnału analogowego (w praktyce napięcia) na cyfrowe będzie tym dokładniejsze im przedział wartości analogowych będzie mniej-szy. Ten elementarny przedział jest określany jako przedział kwantowania i opisany jako q (UFS jest pełnym zakresem przetwarzania, a n liczbą bitów przetwornika).
| |
| Matematycznie proces kwantowania (czasami również całego przetwarzania a/c) jest opisany rów-naniem (2), gdzie Ui – napięcie wejściowe, UREF – napięcie odniesienia określające zakres prze-twarzania. Na rysunkach pokazano charakterystykę przejściową unipolarnego przetwornika a/c (o dodatniej polaryzacji napięcia wejściowego). Charakterystyka ma postać przebiegu schodkowego. Na rysunku pokazano również fragment teoretycznej (o nieskończenie małym przedziale kwanto-wania) charakterystyki przetwarzania łączącej punkt o współrzędnych [0V, najmniejszy co do war-tości bezwzględnej stan przetwornika] z punktem o współrzędnych [UFS , maksymalny stan prze-twornika]. Taki opis charakterystyki wynika z stąd, że przetwornik może działać w dowolnym ko-dzie i niekoniecznie najmniejszy stan przetwornika musi oznaczać, że wszystkie bity są równe 0. Poniżej charakterystyki przejściowej pokazano jak zmienia się błąd kwantowania stanowiący różni-cę pomiędzy wartościami rzeczywistymi z charakterystyki schodkowej, a wartościami z idealnej charakterystyki przetwarzania. Z rysunku widać, że charakterystyka rzeczywista znajduje się zaw-sze poniżej charakterystyki idealnej, a błąd kwantowania zmienia się od 0 do q. Wartość średnia tego błędu jest różna od zera i wynosi . Dodatkowy problem stanowi przejście przez 0, gdyby taki przetwornik miał pracować jako bipolarny (powstaje nieciągłość lub charakterystyka w ogóle nie przechodzi przez 0).
| |
| </td>
| |
| </tr>
| |
| </table>
| |
| | |
| | |
| <table border=1 cellpadding=0 cellspacing=0>
| |
| <tr>
| |
| <td>[[Grafika:Slajd4.JPG]]</td>
| |
| <td>
| |
| Charakterystykę przejściową kształtuje się (tak jak na rysunku) przez przemieszczenie jej o war-tość odpowiadającą ½ q. Wówczas wartość średnia błędu kwantowania wynosi 0, a charakterysty-ka dla przetwornika bipolarnego ma przebieg monotoniczny. </td>
| |
| </tr>
| |
| </table>
| |
| | |
| | |
| <table border=1 cellpadding=0 cellspacing=0>
| |
| <tr>
| |
| <td>[[Grafika:Slajd5.JPG]]</td>
| |
| <td>Przykładową charakterystykę dla przetwornika 3-bitowego pokazano na rysunku. Zakładając, że przetwornik działa w naturalnym kodzie binarnym, wartościom napięcia z przedziału (0¸½ q) odpo-wiada stan bitów 000, wartościom (½ q ¸ 1½ q) stan 001. Jeżeli przetwornik jest n-bitowy to może znajdować się w 2n stanach (od 0 do 2n-1). Przejście do maksymalnego stanu (czyli 0111 dla prze-twornika 3-bitowego) następuje przy wartości napięcia wejściowego równej UFS - 1½ q. Rozróżnia się dwa określenia dotyczące zakresu przetwarzania: nominalny i rzeczywisty zakres przetwarza-nia. W dokumentacji przetworników jest podawany zakres nominalny, wówczas zakres rzeczywisty (odpowiadający połowie ostatniego schodka) wynosi (UFS – q). Kody cyfrowe, odpowiadające na-pięciom różniącym się o wartość przedziału kwantowania q, powinny różnić się na pozycji najmniej znaczącego bitu (LSB). Stąd przedział kwantowania jest utożsamiany z najmniej znaczącym bitem i oznaczany jako LSB. Wartość przedziału kwantowania determinuje rozdzielczość przetwornika, z tym, że rozdzielczość jest wyrażana zazwyczaj przez liczbę bitów. W tym ujęciu przetwornik 16-bitowy będzie miał większą rozdzielczość niż przetwornik 10-bitowy. Rozdzielczość można odnieść do wyniku przetwarzania w postaci cyfr dziesiętnych (choć nie jest to dokładna równoważność). Przykładowo przetwornik 10-bitowy może znajdować się w 1024 stanach co odpowiada trzem cy-from dziesiętnym, a przetwornik 16-bitowy to w dużym przybliżeniu 5 cyfr dziesiętnych. O multime-trze laboratoryjnym 6½ (np. Agilent 34401A) można powiedzieć, że ma rozdzielczość 22-bity.</td>
| |
| </tr>
| |
| </table>
| |
| | |
| | |
| <table border=1 cellpadding=0 cellspacing=0>
| |
| <tr>
| |
| <td>[[Grafika:Slajd6.JPG]]</td>
| |
| <td>Błędy przetworników dzieli się na błędy statyczne i dynamiczne. W zależności od szybkości zmian przetwarzanych sygnałów większe znaczenie mogą mieć błędy statyczne (sygnały wolnozmienne jak dla multimetrów) lub dynamiczne (sygnały szybkozmienne jak dla oscyloskopów).
| |
| Błędy statyczne przejawiają się odchyleniami rzeczywistej ch-ki przetwarzania od ch-ki idealnej.
| |
| błąd przesunięcia (offset)
| |
| błąd wzmocnienia (gain) – wszystkie przedziały kwantowania nieco różnią się od przedziału ideal-nego
| |
| błąd pełnej skali (offset + gain)
| |
| te błędy mogą być skorygowane !
| |
| </td>
| |
| </tr>
| |
| </table>
| |
| | |
| | |
| | |
| <table border=1 cellpadding=0 cellspacing=0>
| |
| <tr>
| |
| <td>[[Grafika:Slajd7.JPG]]</td>
| |
| <td>Współcześnie, przetwarzanie a/c metodą delta-sigma, zyskuje dużą popularność z uwagi na bar-dzo wysoką rozdzielczość (24 bity). Jest to efektywna rozdzielczość wynikająca z ograniczenia poziomu szumów (wzrost współczynnika SNR).
| |
| W dziedzinie częstotliwości spróbkowany sygnał sinusoidalny jest reprezentowany przez pojedyn-czy prążek na tle szumu kwantyzacji rozłożonego równomiernie w paśmie od 0 do połowy często-tliwości próbkowania fs/2. Jeżeli częstotliwość próbkowania wzrośnie k razy to szum rozłoży się w szerszym paśmie (do kfs/2), a jego wartość skuteczna się nie zmieni. Stosując filtr cyfrowy można wybrać z widma sygnał użyteczny, a wyeliminować znaczną część szumu. Zatem zastosowanie nadpróbkowania i filtracji cyfrowej już znacznie poprawia SNR.
| |
| </td>
| |
| </tr>
| |
| </table>
| |
| | |
| | |
| <table border=1 cellpadding=0 cellspacing=0>
| |
| <tr>
| |
| <td>[[Grafika:Slajd8.JPG]]</td>
| |
| <td>Drugi ważny czynnik, zwiększający SNR, to kształtowanie szumów poprzez wykorzystanie natural-nych właściwości układu. Struktura układu przetwornika jest pokazana na rysunku. W układzie znajduje się sumator, integrator (układ uśredniający), komparator (1-bitowy przetwornik a/c) oraz przełącznik w pętli sprzężenia zwrotnego. Zadaniem przełącznika jest podanie na wejście sumato-ra napięcia –UREF lub +UREF w zależności od tego czy na wyjściu komparatora był stan wysoki „1” czy niski „0”. Tym samym przełącznik pracuje jak 1-bitowy przetwornik c/a. Na wyjściu całego układu znajduje się filtr cyfrowy i decymator czyli układ zmniejszający częstotliwość próbkowania. Układ przetwornika można zamodelować strukturą pokazaną na rysunku. Całkowanie sygnału jest operacją równoważną uśrednianiu i filtracji dolnoprzepustowej. Sygnał wyjściowy jest opisany za-leżnością (2), z której wynika, że sygnał wyjściowy jest sumą dwóch składników: sygnału wejścio-wego (filtrowanego dolnoprzepustowo) i szumu (filtrowanego górnoprzepustowo). Efekt w dziedzi-nie częstotliwości pokazano na rysunku.</td>
| |
| </tr>
| |
| </table>
| |
| | |
| | |
| <table border=1 cellpadding=0 cellspacing=0>
| |
| <tr>
| |
| <td>[[Grafika:Slajd9.JPG]]</td>
| |
| <td>Podstawowym elementem układu jest rejestr sukcesywnych aproksymacji (SAR). Przetwarzanie polega na porównywaniu napięcia wejściowego z generowanym cyfrowo napięciem kompensują-cym. W zależności od wyniku porównania w SAR zostaje ustawiona „1” lub „0” na odpowiednim bicie. Czas przetwarzania jest równy sumie czasów porównania dla wszystkich bitów + 1 okres zegara taktującego. Problem w przetwornikach kompensacyjnych stanowi wytwarzanie napięcia w wewnętrznym przetworniku c/a. Zamiast dawniej stosowanych przetworników z drabinką rezystan-cyjną obecnie stosuje się układy z redystrybucją ładunku.</td>
| |
| </tr>
| |
| </table>
| |
| | |
| <table border=1 cellpadding=0 cellspacing=0>
| |
| <tr>
| |
| <td></td>
| |
| <td></td>
| |
| </tr>
| |
| </table>
| |
