เครื่องมือวัดดิจิตอล Digital Measurement 303251 EE Instruments & Measurements , EE&CPE , NU Piyadanai Pachanapan

Analog v.s. Digital

เครื่องมือวัดดิจิตอล Digital Measurement เครื่องมือวัดที่แสดงผลออกมาเป็นตัวเลข แทนที่จะเป็นเข็มชี้ ลดความผิดพลาดจากการอ่านค่า (Human reading & Interpolation errors) เพิ่มความไวในการอ่านค่า (increases reading speed) สามารถดึงค่าที่วัดไปประมวลผล (Processing) ,ควบคุม (Controlling) หรือ เก็บค่า (Recording) ต่อไปได้ ลดปัญหาที่มีจากสัญญาณรบกวน (Noise)

Analog Measurement Digital Measurement

คุณสมบัติทั่วไปของเครื่องมือวัดดิจิตอล Input Range : +/- 1.0 V to +/- 1,000.0 V, with automatic range selection and overload indication Absolute Accuracy : as high as +/- 0.005 % of the reading Resolution : 1 part in 106 ( 1 can be read on the 1-V input range) Input Characteristic : Input Resistance typically 10 Output Signal : BCD (binary coded decimal) output for digital processing or recording

การแปลงสัญญาณอนาล็อกให้เป็นดิจิตอล Analog to Digital Converter (ADC) มีการแปลงสัญญาณ Analog ให้เป็น Digital อยู่ 4 วิธี ดังนี้ Counting Converter 2. Successive Approximate 3. Dual – Slope Converter 4. Flash Converter

วงจรพื้นฐานของ ADC ประกอบด้วย DAC และ Comparator Digital to Analog Converter ประกอบด้วย DAC และ Comparator ในส่วน Logic จะขึ้นอยู่กับวิธีการออกแบบ จะนำค่าที่ได้จาก DAC ไปเปรียบเทียบกับสัญญาณ input (ไม่รู้ค่า) ทำซ้ำจนกว่าสัญญาณจาก DAC เท่ากับ สัญญาณ input

1. Counting Converter เป็นวิธีที่ง่ายที่สุด ในการแปลง Analog -> Digital ใช้วิธีนับค่าเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ แล้วนำผลที่ได้ไปเปรียบเทียบกับค่าที่ต้องการ (สัญญาณ input, สัญญาณที่วัด) ส่วนประกอบ ประกอบด้วย Digital to Analog Converter (DAC) Comparator Counter Logic gate

Counting Converter

“And” Gate Look Up Table

Comparator จะเปรียบเทียบค่าแรงดัน input กับ ค่าแรงดันจากตัวนับ AND เมื่อ D/A รับค่าที่นับเพิ่มทีละ 1 จากตัวนับ (Counter) จะแปลงค่าเป็นสัญญาณ analog ที่มีค่าแรงดันค่าๆ หนึ่ง Comparator จะเปรียบเทียบค่าแรงดัน input กับ ค่าแรงดันจากตัวนับ หากสัญญาณทั้ง 2 เท่ากัน แรงดัน output ของ comparator จะเท่ากับ 0 (logic 0) ถ้าไม่เท่ากันก็จะแรงดันไม่ใช่ 0 (logic 1)

แรงดัน output ของ comparator จะต่อเข้า logic gate กับ clock (สัญญาณนาฬิกา) logic 1  clock ยังทำงาน  ตัวนับนับเพิ่มขึ้น logic 0  clock หยุดทำงาน  ตัวนับไม่นับเพิ่ม  ได้ค่าดิจิตอลจาก ตัวนับที่ต้องการ

ความไวของการแปลงจะขึ้นอยู่กับ : DAC setting time, tda 2. Comparator setting time, ts 3. Logic Reaction setting time, tl

ข้อเสีย ของ Counting Converter จะต้องเริ่มนับที่ 0 เสมอ และนับเพิ่มเรื่อยๆ ทำให้ช้า การทำงานที่ช้า  Output จะมี delay (ทำให้ไม่นิยมใช้) แก้ปัญหาที่เกิดขึ้นได้โดย : เปลี่ยนตัวนับเป็นนับลงได้ โดยจะอ้างอิงระดับจากระดับเก่า ทำให้ไม่ต้องเริ่มนับ 0 ใหม่ เมื่อมีการเปลี่ยน input ใหม่ ก็จะอ้างอิงกับผลลัพธ์เดิม ทำให้ได้ผลลัพธ์ไวขึ้น

Count “Down”  ค่าลบ (-) Check  สั่ง counter นับ ขึ้น / ลง Count “Up”  ค่าบวก (+) Count “Down”  ค่าลบ (-)

Digital Voltmeter แบบใช้ Counting Converter

2. Successive Approximate ใช้หลักการของ Binary Search ในการหาคำตอบ นำค่าผลลัพธ์มาเปรียบเทียบกับค่ากึ่งกลางของช่วง เพื่อให้ทราบว่าค่านั้นๆ มากกว่า หรือ น้อยกว่า โดยจะปรับช่วงให้แคบลงมาเรื่อยๆ แล้วเปรียบเทียบผลลัพธ์กับค่ากึ่งกลางของช่วงไปเรื่อยๆ จะได้ผลลัพธ์ที่ต้องการ

3 bit, 0-7

Flow Chart Vsp = mid point of the current space being tested Vest = the current estimate of the voltage with zeros in the bit position which have not yet been tested

วงจรของ Successive Approximate

ข้อดี ของวิธี Successive Approximate ใช้เวลาน้อยกว่าวิธี Counting Algoritm เวลาที่ใช้ในการหาคำตอบแน่นอน (n รอบ) สำหรับ n bit converter ซึ่งอ้างอิงได้ 2n ระดับ และ ระดับ Vin คงที่ ข้อเสีย ของวิธี Successive Approximate ถ้า Vin เปลี่ยนทันทีทันใด ขณะทำ binary search –> คำตอบที่ได้ผิดพลาด เช่น Vin เปลี่ยนจาก 5 V เป็น 2 V

Successive Approximate [ข้อมูล 9 bit , 0 - 511] คำตอบ 499 คำตอบ 320 ** หาคำตอบได้ในการประมาณค่า จำนวน 9 ครั้ง ( = n)

ความผิดพลาดจากการเปลี่ยนค่า input

Digital Voltmeter แบบใช้ Successive Approximate

3. Dual – Slope ADC ใช้หลักการวงจร Integrator ทำงานร่วมกับ Comparator

เมื่อสับ SW1 มาที่ Vin จะได้ Vo เป็น (ความชันเป็น บวก)

เมื่อสับ SW1 มาที่ Vref จะได้ Vo เป็น (ความชันเป็น ลบ)

ขั้นตอนการทำงานของ Dual Slope Converter จะสับ SW1 ไปที่ Vin เป็นเวลา M.t (เวลาที่แน่นอน) จะได้ Vin = Vx 2. หลังเวลา M.t จะสับ SW1 ไปที่ Vref และจะนับเวลาไปเรื่อยๆ จนกว่า Vo = 0 (ใช้เวลาเท่ากับ N.t)

3. จากกราฟที่ได้ จะได้ความสัมพันธ์ ดังนี้ 3. จากกราฟที่ได้ จะได้ความสัมพันธ์ ดังนี้ จน.นับของ counter จะได้

ความเร็วของการแปลงสัญญาณ จะขึ้นอยู่กับ - ขนาดสัญญาณ input, Vin - ค่า R, C ของวงจร Integrator ปัญหาของการใช้ ADC ชนิดนี้ คือ ตัว comparatorไม่เป็นอุดมคติ  มีผลต่างแรงดันอยู่ แม้ว่าจะต่ออินพุตทั้งสองลงกราวด์แล้ว

ผลจากการที่ Comparator ไม่เป็นอุดมคติ

แก้ไขโดยต่อวงจรชดเชยดังรูป (เพื่อหักล้างกับ )

Digital Voltmeter แบบใช้ Successive Approximate Vin

4. Flash Converter ใช้หลักการแบ่งแรงดันเป็นหลายๆค่า (Voltage Divider) เป็นแรงดันที่ใช้เปรียบเทียบของ comparator เปรียบเทียบ Vin กับ Comparator เป็นคู่ๆ พร้อมกัน ค่าแรงดันที่ใช้เปรียบเทียบ จะปล่อย logic ออกมา ดังนี้ Logic 1 เมื่อ แรงดันเปรียบเทียบ Vin Logic 0 เมื่อ แรงดันเปรียบเทียบ = Vin

3 bit flash converter 0 – 7 V ถ้าต้องการความละเอียดของค่าที่วัดมากขึ้น ต้องใช้จำนวน bit มากขึ้น

ตัวอย่าง IC ที่เป็น ADC

End Of Unit