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


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


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.


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.


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.


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


7/19

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


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


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.


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


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.


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%


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 (%)


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


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


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


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


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.


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

Documents

ad pretvornik s dvostrukom pilom