Download - ad pretvornik s dvostrukom pilom
-
7/27/2019 ad pretvornik s dvostrukom pilom
1/19
Sveuilite u Rijeci
Tehniki fakultet
Diplomski studij elektrotehnike
Smjer Automatika
Projektni zadatak
Iz kolegija Automatizirana instrumentacija
Izrada makete s ADP-om s dvostrukom pilom
Rijeka, rujan 2013 Izradio:
Andro Stanii
-
7/27/2019 ad pretvornik s dvostrukom pilom
2/19
2
Sadraj1. UVOD............................................................................................................................................... 3
2. DIGITALNI PRETVORNICI.................................................................................................................. 4
3. INTEGRIRANI KRUG ICL7107............................................................................................................ 5
4. PRINCIP RADA A/D PRETVORNIKA S DVOSTRUKIM PILASTIM NAPONOM ..................................... 8
5. SHEMA SPOJA I NAIN RADA ........................................................................................................ 10
6. UMJERAVANJE VOLTMETRA.......................................................................................................... 12
7. PRAENJE IZLAZNOG NAPONA INTEGRATORA ............................................................................. 14
8. VRIJEME PRETVORBE A/D PRETVORNIKA ..................................................................................... 16
9. ZAKLJUAK..................................................................................................................................... 18
10. LITERATURA................................................................................................................................... 19
-
7/27/2019 ad pretvornik s dvostrukom pilom
3/19
3
1. UVOD
Analogno digitalna (A/D) pretvorba je postupak kojim se vri generiranje digitalnog signala
ija vrijednost u odgovarajuem kodu predstavlja digitalni ekvivalent vrijednosti analognog
kontinuiranog signala dovedenog na ulaz elektronskog sklopa kojim se ova pretvorba vri. Taj
elektronski sklop naziva se analogno digitalni pretvara a skraeno se oznaava sa A/D
pretvara ili ADC. Analogno digitalni pretvarai imaju nekoliko karakteristinih
parametara, od kojih su najvanije vrijeme konverzije, rezolucija i maksimalan dozvoljeni
opseg ulaznog analognog signala.
-
7/27/2019 ad pretvornik s dvostrukom pilom
4/19
4
2. DIGITALNI PRETVORNICI
A/D pretvarai se u sadanje vrijeme mnogo koriste u primjenama koje obuhvaaju razliite
mjerne instrumente, ureaje za regulaciju, dok se sa razvojem digitalnog raunala otvorila
mogunost za njihovu primjenu u akviziciji i analiziranju razliitih signala pomou raunala.
Bitno je napomenuti da u eri digitalizacije A/D pretvarai moemo pronai u razliitim
ureajima iz domena potroake elektronike od kojih su karakteristian sluaj mobilni
telefoni. Takoer, razvojem raunala i pojavom razliitih alata za programiranje mogue je
realizirati A/D pretvarae i kao softverske komponente, ime se jo vie poveava opseg
primjena A/D pretvaraa.
Jedna od najranijih primjena A/D pretvaraa je u elektronskim mjernim instrumentima.
Digitalni podatak dobiven A/D pretvorbom ima osobinu da je laki za obradu, a takoer je i
poveana propusnost takvog sistema, jer je lake izvriti i detekciju eventualnih greaka u
prijenosu ili obradi takve informacije. U elektronskim mjernim instrumentima se najee
koristi jedna vrsta A/D pretvaraa. Ovi pretvarai su dobili naziv po tome to vrijednost
napona u digitalnom obliku na izlazu pretvaraa predstavlja integral, odnosno srednju
vrijednost napona na njegovom ulazu tokom nekog perioda vremena koji je najee fiksan.
Jasno je da e u prisutnosti VF uma ovakav A/D pretvara dati bolje rezultate nego
pretvaraa tipa sample and hold. Jo jedna vana karakteristika ovakvih A/D pretvaraa je
to oni koriste vrijeme za kvantitizaciju rezultata, te na taj nain minimiziraju greku
nelinearnosti i mogunost da se na njihovom izlazu pojavi pogrean kod.
-
7/27/2019 ad pretvornik s dvostrukom pilom
5/19
5
3. INTEGRIRANI KRUG ICL7107
Slika 1: Prikaz pinova integriranog kruga ICL7107
Ovo je jedno od prvih integriranih kruga namijenjenih ugradnji u digitalne voltmetre i tipian
je predstavnik serije integriranih kruga namijenjenih primjenama u mjernim instrumentima.
Integrirani krug ICL7107 u sebi sadri A/D pretvornik koji radi na principu dvostruke
integracije, dok na izlazu ima integrirane dekoderom sa BCD kodom na LED pokazniku. Za
sam integrirani krug nije potreban vanjski generator signala, poto je ta logika ugraena u ip.
Integrirani krug ICL7107 u sebi ima i implementiranu logiku za automatsko podeavanje
nule. Poto je u ovom integriranom krugu implementirana sva logika za rad, mogue je samo
dodavanje nekoliko pasivnih elemenata za napraviti digitalni mjerni instrument.
Integrirani krug ICL7107 sastoji se od analognog i digitalnog dijela kruga. Analogni dio
obuhvaa sklopove koji su neophodni za realizaciju A/D pretvornika sa dvostrukom pilom,
dok digitalni dio kruga obuhvaa kontrolnu logiku A/D pretvornika kao i krug koji slui za
prikaz izmjerene vrijednosti na LED pokazniku.
Na slici 2 prikazana je blok shema analognog dijela integriranog kruga ICL7107 sa
pripadajuim pasivnim elementima.
-
7/27/2019 ad pretvornik s dvostrukom pilom
6/19
Slika 2. Blok shema a
Bitno je jo istaknuti da s
automatskog podeavanja nu
integratora i komparatora. Ko
da bi se omoguilo pravilno
Tokom integracije referentno
broj zavisi od odnosa referent
Na slici 4 je prikazana je blok
Takt signal koji je neophodan
dodavanjem jednog otpora i
krugu. Drugi nain je da se
ovom sluaju je koriten 1. na
Slika 3. Interno
alognog dijela kruga
kondenzator C2 puni tokom prvog kora
e i na taj nain se obavlja kompenzacija
ndenzator C1 se puni tokom faze automatsko
izvravanje treeg koraka integracije r
napona biti e odbrojani impulsi sa generat
og i ulaznog signala, prema formuli:
= 1000
shema digitalnog dijela integriranog kruga I
za normalan rad ovog integriranog kruga m
ednog kapaciteta izvana, sva ostala logika
akt dovede s nekog vanjskog izvora ali taj
in koji je prikazan na slici 3.
generiran taktsignal
6
ka u integraciji
aponskog buffera,
g podeavanja nule
eferentnog napona.
ora takt signala iji
L7107.
oe se generirati uz
se nalazi u samom
nain je skuplji te
-
7/27/2019 ad pretvornik s dvostrukom pilom
7/19
Slika 4. Blok s
Frekvencija oscilatora se dijel
koji odgovaraju pojedinim
integriranog kruga. Takoer
pretvaraa na slijedei nain:
fazi integracije referentnog si
podeavanja nule od 1000 do
vrijednosti punog opsega, faz
postie da svaki ciklus mjer
taktimpulsa je dobiveno dije
elimo da u jednoj sekundi o
prema formuli
(4000 tak
dok ukoliko elimo da u jed
da bude 48kHz.
ema digitalnog dijela kruga
i sa 4, a nakon toga se koristi kao interni ta
znosima, kao to se vidi sa shemi digi
ovaj taktsignal se koristi i tokom tri k
Tokom faze integracije signala potrebno je 1
gnala potrebno je od 0 do 2000 impulsa, a t
3000 impulsa. Ukoliko je vrijednost mjeren
a automatskog podeavanja nule e trajati d
nja uvijek traje jednako dugo 4000 takt
jenjem frekvencije oscilatora sa 4, odakle p
avljamo dva mjerenja, frekvencija oscilato
impulsa x 4) x 2 ciklusa mjerenja = 32 kHz
oj sekundi obavljamo tri mjerenja, frekven
7
tsignal za brojae
alnog dijela ovog
oraka u radu A/D
000 taktimpulsa, u
okom automatskog
g signala manja od
e. Na taj nain se
impulsa. Tih 4000
roizlazi da ukoliko
a mora biti 32kHz,
ija oscilatora mora
-
7/27/2019 ad pretvornik s dvostrukom pilom
8/19
4. PRINCIP RADA ANAPONOM
Sam postupak A/D pretvor
integracija signala te integra
pretvorbe sa naznaenim kora
Slika 5: Postupak A/D pretvor
1. korak: Automatsko pode
Tokom ovog koraka, greke k
nain da se ulaz spoji na
zapamti u kondenzatoru koj
2. korak: Integracija signala
Ulazni signal se integrira toko
kod pretvaraa sa 3 digi
Nakon to proe ovaj perio
proporcionalna ulaznom signa
D PRETVORNIKA S DVOSTRUKIM
e obavlja se u tri koraka: automatsko
cija referentnog napona. Na Slici 5 prika
cima u pretvorbi.
be
avanje nule.
oje potiu od analognih komponenata biti e
asu i zatvori povratna veza tako da se i
i slui u ovom koraku.
.
m konstantnog broja taktnih signala. Obino
t-a, dok je kod pretvaraa sa 4 digit-a
d integracije, vrijednost napona VIN na
lu.
8
PILASTIM
podeavanje nule,
an je jedan ciklus
svedene na nulu na
formacija o greci
je to 1000 impulsa
to 10000 impulsa.
lici 5 direktno je
-
7/27/2019 ad pretvornik s dvostrukom pilom
9/19
9
3. korak: Integracija referentnog napona.
Na poetku ovog koraka, na ulaz integratora se umjesto ulaznog signala spaja referentni
napon. Polaritet ovog referentnog napona odreuje se tokom prethodnog koraka, tako da se
izlaz integratora vraa na nulu tokom ovog koraka. Digitalni ekvivalent ulaznog napona u
A/D pretvarau je predstavljen brojem impulsa koji se izbroje u vremenskom periodu od
poetka ovog koraka do trenutka kada izlaz integratora padne na nulu.
Jedna od osnovnih prednosti ovakve realizacije A/D pretvaraa je to tonost pretvorbe
teoretski ovisi samo od apsolutne vrijednosti referentnog napona i oblika pojedinih taktnih
impulsa tokom jednog ciklusa pretvorbe (to se moe jednostavno realizirati), a ne zavisi od
referentnog napona ni od vrijednosti integriranog kondenzatora ako se oni ne mijenjaju tokom
jednog ciklusa . Za razliku od ove metode, metoda sukcesivnih aproksimacija zavisi od cijele
mree otpornika koja je potrebna za kvantitizaciju. U praksi, meutim, mora se voditi rauna
o karakteristikama FET prekidaa i kondenzatora i o kanjenju koje realno postoji u detektoru
nule spojenom na izlaz integratora.
-
7/27/2019 ad pretvornik s dvostrukom pilom
10/19
5. SHEMA SPOJA I N
C1 =
AIN RADA
OTPORNICI
OZNAKA VRIJEDNOST
R1 8,2 k
R2 47 k / 470 k
R3 100 k
R4 10 k
R5 = R6 47 k
R7 0
R8 560
KONDENZATORI
OZNAKA VRIJEDNOST
C5 = C6 = C8 = C9 100 nF
C2 470 nF / 47 nF
C3 220 nF
C4 100 pF
C7 10 F
10
-
7/27/2019 ad pretvornik s dvostrukom pilom
11/19
11
OSTALI ELEMENTI
OZNAKA VRIJEDNOST
D1 = D2 1N4148
IC1 ICL7107
IC2 NE555OTPO 1-4 SA23-11 SRWA
Shema prikazuje voltmetar sa LED pokaznikom koji je realiziran pomou integriranog kruga
ICL7107 sa napajanjem od 5 V. Negativni napon, koji je neophodan za pravilan rad, dobiva
se pomou elemenata IC2, C6, D1, D2, i C7.
Prema elementima koji su izabrani ovaj voltmetar moe mjeriti u mjernom opsegu do 200mV
i do 2V,ovisni o elementima koji se razlikuju a to su R2, C2. Za mjerni opseg 200 mV
vrijednosti su R2=47 k i C2=470nF, a za mjerni opseg 2 V vrijednosti su R2=470 k i
C2=47nF koje se mijenjaju ovisni koji mjerni opseg koristimo.
Zaslon ima 3 znamenke, to znai da se na zaslonu maksimalno moe prikazati 1999 s
decimalnom tokom na mjestu gdje sami odredimo. Decimalna toka je spojena preko
otpornika R8 na masu i u ovom sluaju moe biti nakon prve znamenke za mjerni opseg 2 V
ili prije posljednje znamenke za mjerni opseg 200 mV.
Napajanje od 5 V spaja se na stezaljke koje su oznaene sa + i -, dok se signal spaja na
stezaljke koje su oznaene sa HI i LO odnosno na HI se spaja vii napon dok se na
LO spaja nii napon.
Pri pokretanju samog sklopa prvo je potrebno namjestiti napon izmeu pinova 35 i 36 na IC1
sa potenciometrom R4. Napon izmeu ta dva pina za mjerni opseg od 200 mV mora biti
100 mV, za mjerni opseg od 2 V mora biti 1V.
-
7/27/2019 ad pretvornik s dvostrukom pilom
12/19
12
6. UMJERAVANJE VOLTMETRA
Uvjeravanje voltmetra se vri na nain da se paralelno spoje dva voltmetra i mijenja se
vrijednost napona. U ovom sluaju na izvor je prikljuen multimetar i paralelno njemu je
prikljuen voltmetar s integriranim krugom ICL 7107 kojeg treba umjeriti, odnosno odreditipogreku mjerenja.
Mjerenje se vrilo na oba mjerna opsega u 10 koraka. Za mjerni opseg 200 mV uzima se
korak od 20 mV, a za mjerni opseg 2 V uzima se korak od 200 mV. U tablicama su prikazane
vrijednosti za multimetar i voltmetar sa integriranim krugom ICL 7107, te zadnji stupac
prikazuje razliku u postocima. Izvor napajanje je bilo istosmjerni izvor signala.
U drugom sluaju umjesto istosmjernog izvora signala spojen je funkcijski generator koji
generira sinusni valni oblik frekvencije 50 Hz i amplitude 1 VPP i prilikom mjerenja dobivali
smo iste razlike u naponima kao i kod istosmjernog izvora signala.
Mjerni opseg 2 V
Volti Multimetar ICL7107 Razlika Razlika %
0,2 0,201 0,201 0 0,0%0,4 0,4 0,399 0,001 0,1%
0,6 0,6 0,598 0,002 0,2%
0,8 0,802 0,799 0,003 0,3%
1 1,005 1,001 0,004 0,4%
1,2 1,204 1,199 0,005 0,5%
1,4 1,401 1,395 0,006 0,6%
1,6 1,603 1,595 0,008 0,8%
1,8 1,802 1,793 0,009 0,9%2 1,997 1,985 0,012 1,2%
Mjerni opseg 200 mV
Volti Multimetar ICL7107 Razlika Razlika %
0,02 0,0223 0,0224 -0,0001 0,01%
0,04 0,042 0,0422 -0,0002 0,02%
0,06 0,08 0,0802 -0,0002 0,02%
0,08 0,0811 0,0813 -0,0002 0,02%
0,1 0,1006 0,1008 -0,0002 0,02%
0,12 0,1201 0,1203 -0,0002 0,02%0,14 0,1397 0,1399 -0,0002 0,02%
0,16 0,1593 0,1594 -0,0001 0,01%
0,18 0,179 0,1791 -0,0001 0,01%
0,2 0,1983 0,1983 0 0,00%
-
7/27/2019 ad pretvornik s dvostrukom pilom
13/19
13
Na sljedeim grafovima prikazani su grafovi pogreaka instrumenta za mjerni opseg 200 mV i
za mjerni opseg 2 V.
Graf 1. Graf pogreke za mjerni opseg 200 mV (u %)
Graf 2. Graf pogreke za mjerni opseg 2 V (u %)
0,00%
0,01%
0,01%
0,02%
0,02%
0,03%
0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2
%
Volti
Graf pogreke (%)
0,0%
0,2%
0,4%
0,6%
0,8%
1,0%
1,2%
1,4%
0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2
%
Volti
Graf pogreke (%)
-
7/27/2019 ad pretvornik s dvostrukom pilom
14/19
7. PRAENJE IZLAZ
Na ulaz smo spojili genera
frekvencije 50 Hz, amplitu
0 2 VDC i nakon toga s
osciloskopa se spaja na pin 27
Mijenjanjem istosmjerne kom
na osciloskopu razlikuje od o
u brouri je signal prikazan
integracijski signal orijentira
nakon automatskog podeava
kako je prikazano na slikama
vidjeti da integracijski dio k
karakteristika ali zbog u
komponentu napona na 0,5 V
nagib prema dolje a de-integ
istosmjerne komponente nap
dijela karakteristike to je pri
Slika 6: Ulazni signal
OG NAPONA INTEGRATORA
or napona koji je podeen da generira
e 1VPP. Istosmjernu komponentu napona
mo na osciloskopu pratili izlazni napon
integriranog kruga ICL7107.
ponente napona doli smo do zakljuka da si
oga koji je naveden u brourama o ICL710
kao na slici 5 dok je na osciloskopu to pr
prema dolje a de-integracijski signal pre
nja nule signal naglo pada i prije nego de-i
ispod. Na slici 6 prikazan je ulazni signal
arakteristike je ravna sinusoida. Idealno bi
a se pojavljuje sinusoida. Kad pove
DC kako je prikazano na slici 7 integracijsk
acijska karakteristika nagib prema gore. D
na na 1 VDC, 1,5 VDC i 2 VDC poveavaju
azano na slikama 8-10.
V
14
inusni valni oblik
smo mijenjali od
integratora. Sonda
gnal koji se prikae
7 voltmetru. Naime
ikazano tako da je
ma gore s time da
tegrira naglo raste
d 0 VDC i moe se
trebala biti ravna
avano istosmjernu
karakteristika ima
ljnjim poveanjem
se nagibi tih dviju
-
7/27/2019 ad pretvornik s dvostrukom pilom
15/19
Slika 7: Ulazni signal 0,5 V
Slika 9: Ulazni signal 1,5 V
Slika 8: Ulazni
Slika 10: Ulazni
15
signal 1 V
signal 2 V
-
7/27/2019 ad pretvornik s dvostrukom pilom
16/19
16
8. VRIJEME PRETVORBE A/D PRETVORNIKA
Na ukupno vrijeme pretvorba A/D pretvornika utjee RC mrea koja je spojena na pinove 38,
39 i 40 integriranog kruga ICL 7107, odnosno otpornik R3 i kondenzator C4.
Vrijeme oscilatora:
=0,45
=100 10 100 10
0,45= 22,222 10
Ukupno vrijeme pretvorbe:
= 16000 = 355,555
Vrijeme integracijskog perioda:
= 1000 4
= 1000 4 = 88,888
Prema prethodnim formulama prikazane su idealne vrijednosti koje se malo razlikuju od onih
realnih koje su prikazane u sljedeim tablicama.
Kako se moe vidjeti iz tablica, vremena se ne razlikuju po koracima za mjerni opseg 200 mVi za mjerni opseg 2 V
Mjerni opseg 200 mV
KorakNapon
(mV)
t int(ms)
t de-int(ms)
t A-Z(ms)
t UK(ms)
1. 20 90 15 250 355
2. 40 90 35 230 355
3. 60 90 50 215 355
4. 80 90 65 200 355
5. 100 90 85 180 3556. 120 90 105 160 355
7. 140 90 125 140 355
8. 160 90 145 120 355
9. 180 90 150 115 355
10. 200 90 170 95 355
-
7/27/2019 ad pretvornik s dvostrukom pilom
17/19
17
Mjerni opseg 2 V
KorakNapon
(V)
t int(ms)
t de-int(ms)
t A-Z(ms)
t UK(ms)
1. 0,2 90 15 250 355
2. 0,4 90 35 230 355
3. 0,6 90 50 215 355
4. 0,8 90 65 200 355
5. 1 90 85 180 355
6. 1,2 90 105 160 355
7. 1,4 90 125 140 355
8. 1,6 90 145 120 355
9. 1,8 90 150 115 355
10. 2 90 170 95 355
-
7/27/2019 ad pretvornik s dvostrukom pilom
18/19
18
9. ZAKLJUAK
Sa ovim integriranim krugom mogu se realizirati mjerni instrumenti koji mogu imaju i neke
dodatne osobine kao to su detekcija prekoraenja mjernog opsega, vie od dva mjerna opsegai mogu mjeriti puno vei napon. Jasno, kao i sa drugim mjernim sklopovima, sa integriranim
krugom ICL7107 mogu se uz napon mjeriti i druge veliine, kao to je struja, snaga ali i neke
veliine koje nisu elektrine kao to su temperatura i tlak ali uz odgovarajue senzore i
dodatne elemente.
Voltmetar sa integriranim krugom ICL7107 ima svoje prednosti jer se moe koristiti kao
depni instrument s obzirom da mu je potrebna samo jedna baterija za normalan rad.
Integrirani krug pronaao je iroku upotrebu u veini manjih mjernih instrumenta koji se
danas koriste.
-
7/27/2019 ad pretvornik s dvostrukom pilom
19/19
19
10. LITERATURA
1. Dana sheet, ICL7107
2. Application Note AN023 - Low Cost Digital Panel Meter Designs and Complete
Instructions for LCD and LED Kits Intersil
3. http://www.petervis.com/meters/ICL7106%20and%20ICL7107%20Digital%20M
eter/ICL7106%20and%20ICL7107%20Digital%20Meter%20Schematic.html
4. http://www.electronickits.com/kit/complete/meas/m-2666k.pdf