ELEKTRONIKA Z ELEMENTAMI TECHNIKI POMIAROWEJ

PROF. JAN ZAKRZEWSKI

Katedra Metrologii, Elektroniki i Automatyki

AKADEMICKA 10 –STARY ELEKTRYCZNY

Pok.23, tel. 237 1806

terminy zajęć

27.02, 13.03, 27.03, 24.04, 8.05, 22.05, 5.06

LITERATURA

Otto Liman, Horst Pelka

ELEKTRONIKA bez wielkich problemów

WZMACNIACZE OPERACYJNE

TECHNIKA CYFROWA

AUTOMATYKA

Horowitz P. ,Hill W. : Sztuka elektroniki. T. 1 i 2

Kaźmiekowski M., Wójciak A.: UKŁADY STEROWANIA I POMIARÓW W ELEKTRONICE PRZEMYSŁOWEJ

Zakrzewski J.: Podstawy Miernictwa dla Kierunku Mechanicznego. Wyd. Pol. Śląskiej, Gliwice, 2004

ELEKTRONIKA

TELEKOMUNIKACJA

ELEKTRONIKA PRZEMYSŁOWAENERGOELEKTRONIKA

POMIARY, AUTOMATYKA, ROBOTYKA

BAZA

KOLEKTOR

EMITER

TRANZYSTOR p-n-p

+

-

ICIB =20 µA

IB =15 µA

IB =10 µA

IB =5 µA

UCE

5mA

10mA

UKŁADY ANALGOWE

Filtry

Wzmacniacze

Generatory

UKŁADY CYFROWE

Procesory

Liczniki

Bramki logiczne

Przetworniki analogowo-cyfrowe

Cyfrowe przetwarzanie informacji jest dogodniejsze, gdyż jest mniej podatne na zakłócenia, prostsze, tańsze i szybsze.

ANALOGOWE UKLADY ELEKTRONIKI POMIAROWEJ

U

ŹRÓDŁA

I

ER

UI

IRU

W

OBCOBCW

WOBC

R

RI

RR

RII

1

OBCR

WR OBCR

WR

OBCWOBC RR

EI

dt

tdiLdτi(τ

CtRitu

t )())()(

0

1

)()())( sIsC

LCssRCsIsL

sC

1(RsU

21

jωσs

PRĄDY ZMIENNE

sC

LCssRC

sI

sU 21

)(

)(

PRĄDY PRZEMIENNE

)( jLIjU L Cj

jIUC

)(

)( ωjRI

)( ωjI

)( ωjU

)()())(()( ωjZωjILωjCωj

RωjIωjU 1

Cω

LCωjR

Cωj

LCωRCωjωjZ

11 22

)(

ImRe)( ψjMejωZ

ψM

Re

Im

ANALIZA OBWODÓW PRĄDU PRZEMIENNEGO

U

I

EZ

UI

OBCWOBC ZZ

EI

IZU

W

OBCOBCW

WOBC

Z

ZZZ

ZII

1

1

OBCZ

WZ OBCZ

WZ

-

+AUWE

U2

64 1010 A

A

UUWE

2

R2

U1

R1 I

011 IRU 022 IRU kUR

RUU 1

1

212

WZMACNIACZ OPERACYJNY

-

+AUWE

U2

64 1010 A

A

UUWE

2

R2

U1

R1 I

R3

R5

U3U5

5

5

3

3

1

1

R

U

R

U

R

UI

5

5

3

3

1

122 R

U

R

U

R

URU

A

UUWE

2

-

+A

U2

R2

U1 R1

I

0122 IRIRU011 IRU

)( kUR

RRUU

11

1

2112

A

UUWE

2

-

+A

U2U1

UWE

12 UU

Wtórnik Transformator impedancji

-

+AUWE

U2

64 1010 A

A

UUWE

2

R2

U1

R1 I

kUR

RUU 1

1

212

A

kkUU

11

112

PARAMETRY WZMACNIACZY OPERACYJNYCH

Częstotliwość graniczna

Rezystancja wejściowa

Rezystancja wyjściowa

Napięcie wyjściowe (zasilania)

CMRR- Common Mode Rejection Ratio (WTSW –Współczynnik tłumienia składowej wspólnej)

Wzmocnienie otwartej pętli A

Napięcie niezrównoważenia, prądy polaryzacji, napięcie dryfu termicznego i inne psuje

f

k

-

+

R2

UM = Uz δ

Zasilanie

napięciowe

RM(1-δ)

RM(1-δ)RM(1+δ)

RM(1+δ)

UM

MZ R

RUU 2

2 δ

CMRR =100 dB

CsRU

R

ZUU

11

1

212

1

WZMACNIACZ CAŁKUJACY

-

+U2U1

R1 I

II

sCZ

CjZ

1122 lub

ω

C

CRωjUU

112

1

φ

ω

90°

RC

10,1

ω10

10,001 0,01 100000,1 100010010

1

2

U

U

CHARAKTERYSTYKI CZĘSTOTLIWOŚCIOWE

CRjR

R

U

U

21

2

1

2

1

1

ω

WZMACNIACZ CAŁKUJACY ?

CRj

RZ

2

22 1 ω

-

+U2U1

R1 I

IIC

R2

φ

ω

CR2

10,1

ω10

10,001 0,01 100000,1 100010010

1

2

U

U

FILTR DOLNOPRZEPUSTOWY

90°

45°

0,1

ω10

10,001 0,01 100000,1 100010010

1

2

U

U

FILTR DOLNOPRZEPUSTOWY

3-go rzędu

2-go rzędu

1-go rzędu

U2

U1

+-

0,1

ω10

10,001 0,01 100000,1 100010010

1

2

U

U

FILTR GÓRNOPRZEPUSTOWY

3-go rzędu

2-go rzędu

1-go rzędu

U2

U1

+-

FILTR ŚRODKOWOPRZEPUSTOWY

2-go rzędu

0,1

ω10

10,001 0,01 100000,1 100010010

1

2

U

U

3-go rzędu

1-go rzędu

U2

U1

+-

U2

U1

+-

U2

U1

+-

U2

U1

+-

Dolnoprzepustowy

Środkowoprzepustowy

Górnoprzepustowy

21212

11212

12 1

2

CCRRωωjRCRRC

UU

])([R2R1

C1

C2

WŁASCIWOŚCI FILTRÓW DOLNOPRZEPUSTOWYCH

FILTR BUTTERWORTHA – maksymalnie płaska charakterystyka modułu transmitancji częstotliwościowej, duża wrażliwość na zmiany wartości elementów filtru

FILTR BESSELA (THOMSONA) – maksymalnie liniowa charakterystyka fazy transmitancji częstotliwościowej co powoduje niezniekształcanie przebiegu i poprawną odpowiedź na sygnał skokowy

FILTR CZEBYSZEWA –charakterystyka modułu transmitancji częstotliwościowej wykazuje zafalowania, ale powyżej częstotliwości załamania jest bardzo stroma

U2

+-

LC

10 ω

GENERACJA NAPIĘĆ PRZEMIENNYCH

Generator z mostkiem Wiena

Dodatnie sprzężenie zwrotne

LC

U2

2231 TssTk

ksK

)()(

RCT

PARAMETRY GENERATORÓW

Częstotliwość (akustyczne, radiowe, w.cz.)

Przestrajanie częstotliwości (VCO)

Poziom zniekształceń ( w % zaw.harmonicznych)

Moc wyjściowa

Napięcie wyjściowe

Kształt przebiegu (sinusoidalny -LC,

prostokątny –generator relaksacyjny - RC)

PRZETWARZANIE ANALOGOWO-CYFROWE

Kondycjonowanie sygnału

Próbkowanie

Kwantowanie Kodowanie

Wzmacnianie Filtracja S&H

Tw. Shannona Przetworniki Szybkość działania

Rozdzielczość Liczniki

WARTOŚĆ SYGNAŁU

LICZBA

. . . . . . . . . . .kk+1

k 1325 10100101101

k+1 1320 10100101000

k+2 1334 10100110110

k+3 1353 10101001001

 

k+4 1374 10101011110

k+5 1361 10101100001

I I I II I

Δt

PróbkowaniePróbkowanie

KwantowanieKwantowanie (rozdzielczość)(rozdzielczość)

KodowanieKodowanie

Przesył, przetwarzaniePrzesył, przetwarzanie

Dekodowanie (odstęp próbkowania)Dekodowanie (odstęp próbkowania)

Przetwarzanie A/C i C/APrzetwarzanie A/C i C/A

PRZETWARZANIE ANALOGOWO-CYFROWE

. . . . . . . . . . .kk+1 Δt

t

f

gw

grft

2

1Δ

fgr

Δt małe = gęste próbkowanie

TWIERDZENIE SHANNONA

gw

f

gw

f

3/Δt2/Δt1/Δt

2/Δt1/Δt

Δt duże = rzadkie próbkowanie

Przetwornik z podwójnym całkowaniem

-+

U2U0

RIIC

UM

UM >UM

U2

tC1 = const

t

U2

tC1 = const = 20ms

UM >UM

U2

t

U2

Przetwornik z podwójnym całkowaniem

-+

U2U0

RIIC

UM

tC2

N

N N > N

tC2 > tC2tC2

Przetwornik kompensacyjny

U i

U 0

U n

U N

s 1

s 2

s i

s n

U OUT

I n

I i

I 1

I 0

UK Układ sterowania stykami

UM

+

-LH

UMAX

UM ± q

q = U0

U 7

U 6

U 5

U 4U 3

U 2 U 1 U 0

U X

U X

CLK

t

t

Koniec konwersji

0EOC

StartST

ST EOC t

Takty1 2 3, ...

Następnycykl

UM

Przetwornik kompensacyjny – zasada pracy

Układ próbkująco - pamiętający

S&H

Przetworniki S&H

Przetworniki całkujące (uśredniające)

Przetwornik typu FLASH

Bardzo szybki, do 1500 MS/s

(milionów próbek na sek.)

MAX 108

licznik

GIWzegar

fCLK TWZ

Q

D

C

R1

R2UM

UK

Przetwornik sigma – delta

BB

Ti – b. krótki impuls rozładowujący

AD7710

Parametry przetworników a/c

Rozdzielczość – wyrażana w bitach lub w wartościach LSB

Szybkość działania – wyrażana w cyklach na sekundę

Zakres przetwarzanych napięć – zwykle 0-10V lub 0- 5V lub –5V do +5V

Nieliniowość całkowa i różniczkowa