SENSORER OCH MÄTTEKNIK

Transkript

1 AD/DA SENSORER OCH MÄTTEKNIK 2017 Innehåll Repetition binära tal Operationsförstärkare Principer för A/D omvandling Parallellomvandlare (Flash) Integrerande (Integrating Dual Slope) Deltapulsmodulation (Delta Pulse Modulation) Approximerande (Successive Approximation) Spänning/frekvensomvandling (VFC)

2 Innehåll forts. Mätosäkerhet Sampling Vikning (Aliasing) Principer för D/A omvandling Sammanfattning Lab-info Förberedelser och/eller övningar Läsanvisningar Kap. 3.1 Allmänt om spänningsmätning, s Kap 3.3 Ingångssteget i en DVM/DMM, s Kap. 3.4 A/D-omvandling (sid ) Kap. 3.5 D/A-omvandling (sid ) Kap Mätning av växelspänning/strömmar/resistans, s Kap 3.9 Speciella DMM-funktioner, s Kap Mätosäkerhet vid likspänningsmätning (sid ) Kap. 6.2 Vikningsdistorsion (sid. 354) Kap. 8.3 Vikning (sid )

3 Uppgifter 3:4-3:7 3:24-3:25 6:4-6:6 Förberedelseuppgifter i labbhandledning AD/DA omvandling Ljud och tal Musik på CD, komprimerat mp3 Telefon Video Digital TV DVD Mätvärden från sensorer Industri (ex. temperatur, tryck, töjning) Medicin (ultraljud, MR-kamera, tomografi)

4 Varför digital signal behandling Lättare att hantera information Mindre störningskänslig Påverkas inte av omgivningen Lägre kostnad Lättare att konstruera stabila system Lättare att modifiera system Långtidsmätningar Komprimering av data Tillämpningar Digitala oscilloskop 8 bitar och 200 MS/s -> 10 GS/s Audio CD 16 bitar och 44.1 ks/s Bilder, bildbehandling Ofta 8 bitar per färg (RGB-CMYK), i t ex medicinska sammanhang högre upplösning, kanske 16 bitar per färg Digital Telefoni Första systemen(gsm): Hz, 8 bitar, 8 khz Tredje generationen (3G): Hz, 16 bitar, 16 khz samplingshastighet

5 Repetition: Binära talsystem Basen är 2 Ex. 13 dec = = 1101 bin Största decimaltalet man kan representera med 8 bitar (1 byte) är: = N -1 MSB LSB Binära tal BCD kod, Binary Coded Decimal

6 Gray-kod Gray-kod 12

7 Kvantisering Operationsförstärkaren Icke inverterande ingång Inverterande ingång Ideal Operationsförstärkare: Oändlig förstärkning (G) Oändlig bandbredd (oändligt snabb) Oändlig inresistans (ingen ström genom + och ) Ingen utresistans (kan driva ström)

8 Komparatorn De flesta AD omvandlare använder sig av en komparator som en del i omvandlingsprocessen En komparator jämför två spänningsnivåer A och B Om A > B ger komparatorn logisk hög signal, tex 1 Om A < B ger komparatorn logisk låg signal, tex 0 En komparator kan implementeras med en enkel OPförstärkare utan återkoppling. A B Den inverterande förstärkaren V + = V (eftersom V + i detta fall är kopplat till jord fås en virtuell jord vid V ) I IN = 0 (oändlig inresistans, ingen ström flyter in i operationsförstärkaren)=> I 1 = I 2

9 Integratorn I några AD-omvandlare används en integrator Utsignalen från en integrator beror på tiden och insignalen En integrator kan implementeras med en OP-förstärkare och en kondensator Spänningen över kondensatorn kommer att vara lika med utspänningen Generellt för en kondensator gäller A/D omvandling Flash omvandlare (parallell) Integrerande omvandlare Deltapulsmodulation Spänning/frekvensomvandlare Successiv approximation (SAR) Finns en uppsjö av andra tekniker men dessa behandlas inte i denna kurs

10 Flash omvandlare (parallell) V IN jämförs med noggranna spänningsnivåer uppdelade i jämna steg Komparatorernas utgångar bildar en termometer kod som i grindnätet omvandlas till binärkod Snabb men dyr Ex. MAX104 från maxim-ic. ±5V, 1Gsps, 8-Bit ADC with On-Chip 2.2GHz Track/Hold Amplifier Integrerande omvandlare (Dual slope) Kondensatorn laddas upp under en bestämd tid T REF som bestäms av klockpulsgeneratorn U REF används för att ladda ur kondensatorn och tiden T x mäts i en räknarkrets U REF, T X och T REF används sedan för att räkna ut U X Ex. TLC /2 Digit Precision Analog to Digital Converters från Analog Devices Används i digitala voltmetrar (DVM)

11 Deltapulsmodulation Mätning av tidskvoten mellan uppoch urladdning av kondensatorn Ux är kvoten mellan Tin/T Spännings/frekvensomvandlare Omvandlar en analog inspänning till ett pulståg med en frekvens som är direkt proportionell mot inspänningens värde Ex. AD7741 Single-Supply, Single-Channel Synchronous VFC

12 Successiv approximation (SAR) Successiv intervallhalvering Antalet approximationer motsvarar bitlängden för A/D omvandlaren Ex. AD7484: 14-Bit, 3 MSPS SAR ADC Sample and Hold (S/H) krets Används för att spänningen konstant på ingången till SAR konvertern

13 Jämförelse Felkällor Kvantiseringsosäkerhet Nollpunktsosäkerhet Skalfaktorosäkerhet Lineariseringsosäkerhet Mätupplösning

14 Kvantiseringsosäkerhet +/- ½ LSB Ex. en 8-bitars omvandlare med 5 Volts mätområde ger en upplösning på 5/2 8 = 19.5 mv I en 8-bitars omvandlare måste spänningsförändringen i insignalen vara minst 19.5 mv för att märkas Obs, 3 bitar Nollpunktsosäkerhet Felaktig nollreferens (U 0 ) Drift i ingångssteget (t.ex. orsakad av temperaturändringar)

15 Skalfaktorosäkerhet Fel inställning av spänningsreferens (U REF ) Osäkerhet i komponentvärden i förstärkare eller resistanser Lineariseringsosäkerhet Differentiell olinearitet (DNL) Beror på det analoga ingångssteget Skillnaden mellan det teoretiska och det verkliga steget DNL ½ LSB

16 Mätupplösning, konventionell DVM 3½ - 5½ digit DVM HP3478 Dual Slope omvandling Skallängd enheter, motsvarar bitar Längre skallängd ger högre upplösning Kortare mättid ger lägre upplösning och lägre skallängd ½ digit 5 digit Sampling Samplingsteorem: Samplingsfrekvensen f s måste vara minst två gånger så stor som den största frekvenskomponent i signalen man samplar.

17 Vikning (aliasing) fs < 2*f Vikning (aliasing)

18 Vikning (aliasing) För att undvika vikning har man ett lågpassfilter på ingången till omvandlaren Filtrets brytfrekvens ska vara mindre än eller lika med fs/2 D/A omvandling Viktade resistorer R-2R stege

19 D/A omvandling med viktade resitorer R1 R2 Inverterande förstärkare Utgångstegens storlek beror på referenspänningen. Svårt att ha hög ordlängd pga att det är svårt att tillverka resistorer med väldigt hög precision C B A U UT D/A omvandling med R-2R stege Endast ett resistorvärde behövs. 2R får genom att seriekoppla två resistorer

20 Sammanfattning Olika metoder för analog till digital omvandling Olika kategorier av fel som förekommer i AD (och DA) omvandlare Sample and Hold kretsen Prestandakriterier (snabbhet, upplösning, momentan /medelvärde) för olika AD omvandlare Samplingsteoremet vikning aliasing Principer för digital till analog omvandling Multimeter

21 Multimeter - bakgrund Numera nästan alltid digitala Klarar av att mäta många storheter Mäter t ex spänning, resistans, ström, kortslutning, temperatur mm. Handhållen, billig med lägre noggrannhet Stationär - bänkmultimeter, dyr med hög noggrannhet Multimeter - instrument HP bänkmultimeter Hög noggrannhet Datorkommunikation Fluke 77 el 75 handhållen multimeter Billig, enkel, låg upplösning, enklare att ha i fickan

22 Upplägg för föreläsningen Multimeter Grundprincip Inre resistans Spänningsmätning Strömmätning Resistansmätning Begrepp V 0V Vp Vos Vpp t Vp: Toppvärde Vpp: Topp till toppvärde V RMS : Effektivvärde = Vp/ 2 0,71 Vp (sinus) V: Likriktat medelvärde = 2Vp/ 0,64 Vp (sinus) Vos: Offset: Överlagrad likspänning

23 Multimeter - blockschema Multimeter Upplösning Ex. Handhållen multimeter 3 ½ siffror Visar värden mellan , decimalkomma på lämplig plats. Motsvarar 12 bitar AV omv. Ex. Bänkmultimeter 6 ½ siffror Visar värden mellan , decimalkomma på lämplig plats. Motsvarar 22 bitar AD omv.

24 Multimeter - bakgrund Viktigt att veta vad mätinstrumentet har för inre resistans - för att avgöra om mätvärdet riskerar att påverkas. Vilken mätprincip använder instrumentet? Hur påverkar mätinställningarna noggrannheten? Multimeter inre resistans Spänningsmätning Parallellt med spänningskällan» Hög inre resistans nödvändig, typ MΩ» För låg resistans påverkar uppmätt spänning genom spänningsdelning mätfel Instrumentets inre resistans ger ca 5% lägre värde på spänningen över 500 k resistorn

25 Multimeter inre resistans Strömmätning I serie med strömkällan» Låg inre resistans nödvändig, typ 0,1 100 Ω» För hög resistans påverkar strömmen i kretsen mätfel Instrumentets inre resistans ger ca 1% lägre värde på strömmen Multimeter - mätmetoder En multimeter mäter alltid likspänning För att mäta växelspänning, ström och resistans måste dessa konverteras till en DCspänning först

26 Multimeter växelspänningsmätning Växelspänning omvandlas genom likriktning. 51 Multimeter - växelspänning Vanligaste omvandlingssättet helvågslikriktning. Alla negativa perioder vänds till positiva istället. Likriktat medelvärde: Oftast inte intressant i sig

27 Multimeter - växelspänning Effektivvärdet mest intressant Den växelspänning som utvecklar samma effekt i en komponent som en likspänning med samma storlek. Multimeter - växelspänning Formfaktorn och toppfaktorn beskriver hur amplituden förhåller sig till effektivvärdet.

28 Multimeter - växelspänning Hur mäter man effektivvärdet? Enkelt och billigt: Mät likriktat medelvärde och räkna om till effektivvärde mha formfaktorn Ger bara rätt värden för sinussignal Mer avancerade instrument: Mäter sant effektivvärde Multimeter - växelspänning

29 Multimeter - växelspänning Effektivvärdet Multimeter - strömmätning Viktigt att R inte är stort för att undvika att påverka kretsen man mäter på.

30 Multimeter - resistansmätning Två olika metoder att omvandla en resistans till en spänning Konstantströmmetoden Kvotmetoden Multimeter - resistansmätning Konstantströmmetoden Kvotmetoden

31 Multimeter - resistansmätning Tvåtrådsmätning Fyrtrådsmätning Multimeter - mätosäkerhet Anges normalt i specifikationen som: ± (% av avläst värde + antal steg i minst signifikant siffra) Ex. Fluke 77 Avläst värde på 320 området (Upplösning 0.1 ): 95,3 Osäkerhet: ± (0,5% av 95,3 + 2 x 0,1) ± (0,48 + 0,2) ± 0,7

32 Multimeter mätosäkerhet Kalibrering Kom ihåg att instrument specifikationer gäller under en viss tid som anges av tillverkaren, t ex upp till ett år. För att säkerställa att specifikationerna uppfylls och för att minimera mätfelen måste instrumenten kalibreras regelbundet. Hur ofta beror på tillämpningen. För utveckling, produktion och underhåll av medicinteknisk utrustning krävs normalt kalibrering minst en gång per år eller oftare, beroende på riskanalys och de rutiner som utnyttjas för kvalitets säkring. Multimeter - störningar Integrerande AD-omvandling vanlig Styrning av integrationstiden möjliggör undertryckning av störning Alla frekvenser med ett helt antal våglängder inom integrationstiden kommer undertryckas. Ex 50 Hz 20 ms periodtid.

33 Störningsundertryckning - Integrerande omvandlare T REF väljs till en heltalsmultipel av periodtiden på den störning man vill undertrycka! Störnings-undertryckning - Integrerande omvandlare SMRR Series Mode Rejection Ratio 50 Hz

34 Störnings-undertryckning - Integrerande omvandlare Integrationstiden i instrumentet påverkas av vald upplösning (antal siffror)