เครื่องมือวัดดิจิตอล

งานนำเสนอเรื่อง: "เครื่องมือวัดดิจิตอล"— ใบสำเนางานนำเสนอ:

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

2 Analog v.s. Digital

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

4 Analog Measurement Digital Measurement

5 คุณสมบัติที่แตกต่างกันของเครื่องมือวัดดิจิตอลแต่ละรุ่น
จำนวนหลักของตัวเลขที่แสดง จำนวนของประเภทการวัด ใน 1 เครื่องมือ ความถูกต้อง ความไวในการอ่านค่าต่างๆ ชนิดของจอแสดงผลดิจิตอล

6 คุณลักษณะทั่วไปของเครื่องมือวัดดิจิตอล
Input Range : +/- 1.0 V to +/- 1,000.0 V, with automatic range selection and overload indication Absolute Accuracy : as high as +/ % of the reading Resolution : 1 part in 106 ( 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

7 7 Segmental Displays using LEDs

8 วงจรขับ 7-Segment-LED โดยใช้ microcontroller

9 การใช้ 7 Segments LED ในเครื่องมือวัด

10 LCD (Liquid Crystal Display) Module

11 ส่วนประกอบของ LCD Module

12 Reflective twisted nematic liquid crystal display.
Vertical filter film to polarize the light as it enters. Glass substrate with ITO electrodes. The shapes of these electrodes will determine the dark shapes that will appear when the LCD is turned on or off. Vertical ridges etched on the surface are smooth. Twisted nematic liquid crystals. Glass substrate with common electrode film (ITO) with horizontal ridges to line up with the horizontal filter. Horizontal filter film to block/allow through light. Reflective surface to send light back to viewer.

13 A sub-pixel of a color LCD

14 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

15 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

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

17 Counting Converter

18 “And” Gate Look Up Table

19 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)

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

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

22 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

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

24 Digital Voltmeter แบบใช้ Counting Converter

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

26 3 bit, 0-7

27 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

28 วงจรของ Successive Approximate

29 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

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

31

32 ความผิดพลาดจากการเปลี่ยนค่า input

33 Digital Voltmeter แบบใช้ Successive Approximate (1)

34 Digital Voltmeter แบบใช้ Successive Approximate (2)

35 3. Dual – Slope ADC ใช้หลักการวงจร Integrator ทำงานร่วมกับ Comparator

36 เมื่อสับ SW1 มาที่ Vin จะได้ Vo เป็น (ความชันเป็น บวก)

37 เมื่อสับ SW1 มาที่ Vref จะได้ Vo เป็น (ความชันเป็น ลบ)

38 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)

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

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

41 ผลจากการที่ Comparator ไม่เป็นอุดมคติ

42 แก้ไขโดยต่อวงจรชดเชยดังรูป (เพื่อหักล้างกับ )

43 Digital Voltmeter แบบใช้ Dual Slope
Vin

44 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

45 3 bit flash converter 0 – 7 V ถ้าต้องการความละเอียดของค่าที่วัดมากขึ้น ต้องใช้จำนวน bit มากขึ้น

46 การแปลง Analog to Digital แบบอื่นๆ
Ramp Technique Voltage to Frequency Conversion

47 Ramp Technique เหมาะสำหรับการวัดสัญญาณ DC จากวงจร พบว่า ;
1. สัญญาณ Clock จะเริ่มนับที่จุดที่สัญญาณ Ramp ตัดกับสัญญาณอินพุต 2. สัญญาณ Clock จะสิ้นสุดที่จุดที่สัญญาณ Ramp ตัดกับสัญญาณศูนย์ (0)

48 วงจร Ramp Technique ADC

49 Voltage to Frequency Conversion
หลักการคล้าย Dual Slope Technique ป้อน ei จน eo เท่ากับ er

50 จาก dual slope : ซึ่ง er และ t2 มีค่าคงที่  K2 = ert2 จะได้ :

51 ตัวอย่าง IC ที่เป็น ADC

52 A/D-Wandler IC-12-BIT ADC Typ HI3-574AJN-5

53 Digital Multi - Meter

54 วงจร Digital Multi - Meter

55 Block Diagram of a Basic Digital Multi-meter

56 Current to Voltage Converter

57 End Of Unit