MULTIMETRY CYFROWE I INTEGRACYJNE PRZETWORNIKI … · Podstawy elektroniki i metrologii na kierunku...

Podstawy elektroniki i metrologii na kierunku Informatyka

1

MULTIMETRY CYFROWE I INTEGRACYJNE PRZETWORNIKI ANALOGOWO – CYFROWE – Ćwiczenie nr 4

1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z multimetrami cyfrowymi: 34401A f-my Agilent, ME21 f-my Metex oraz

dwoma metodami przetwarzania analogowo–cyfrowego: metodą podwójnego całkowania i metodą przetwarzania napięcia na częstotliwość, a także z architekturą systemu pomiarowego.

2. Wprowadzenie Multimetry cyfrowe skupiają w sobie wiele różnorodnych funkcji pomiarowych. Są najbardziej popularnymi przyrządami elektronicznymi. Produkowanych jest wiele typów multimetrów od prostych (3 1/2 lub 4 1/2 cyfrowych) serwisowych do bardzo dokładnych (8 1/2 cyfrowych) multimetrów laboratoryjnych.

2.1. Multimetry serwisowe Większość współczesnych multimetrów serwisowych oprócz pięciu podstawowych pomiarów - napięcia i natężenia prądu stałego i zmiennego oraz rezystancji - realizuje dodatkowo pomiary częstotliwości, pojemności, temperatury oraz testy ciągłości obwodu z sygnalizacją akustyczną (możliwość wygodnego przeprowadzania testów bez konieczności patrzenia na wyświetlacz), testy tranzystorów i diod. Bardziej uniwersalne mierzą dodatkowo: czas, okres, fazę, szerokość impulsów, współczynnik wypełnienia. Multimetry wyposażone są we wskaźniki cyfrowe, a także wskaźniki analogowe typu bargraf. Zakresy pomiarowe są przełączane ręcznie lub automatycznie. Do realizacji pomiarów służą trzy zaciski oznaczone symbolami COM, V/Ω, A. Zacisk COM jest używany w każdym rodzaju pomiarów. Mierząc napięcie lub rezystancję wykorzystujemy zaciski V/Ω i COM, mierząc natężenie prądu wykorzystujemy zaciski A i COM. Bardzo ważne jest użycie właściwych zacisków pomiarowych i prawidłowe ustawienie funkcji przyrządu. Błąd może spowodować uszkodzenie miernika. Droższe typy multimetrów serwisowych zaopatrzone są w ciekłokrystaliczne ekrany graficzne, służące do wyświetlania wyniku pomiaru i zobrazowania przebiegów czasowych (funkcja oscyloskopu) lub wykreślania trendu na podstawie pomiarów w dłuższym odcinku czasu bez udziału użytkownika. Produkowane są także multimetry do bezkontaktowego pomiaru prądu w obwodach elektrycznych, zarówno zmiennego jak i stałego, nazywane "multimetrami cęgowymi". W obwodach prądu stałego pomiar opiera się na wykorzystaniu zjawiska Halla.

2.2. Multimetry laboratoryjne Precyzyjne multimetry laboratoryjne są oferowane w wersjach od 4 1/2 do 8 1/2 cyfrowych. Posiadają wyższą rozdzielczość i lepszą dokładność od multimetrów serwisowych. Wiele z nich ma rozdzielczość odpowiadającą kilkudziesięciu nanowoltom i dokładność pomiarów rzędu 20ppm. Multimetry laboratoryjne mają co najmniej pięć zacisków pomiarowych. Dwie pary zacisków są potrzebne do dokładnych pomiarów małych rezystancji metodą Kelvina (czteroprzewodowo). Jedna para oznaczona symbolami HI i LO dostarcza prąd do mierzonego rezystora, druga para oznaczona symbolami HI SENSING i LO SENSING służy do pomiaru spadku napięcia na rezystorze. W ten sposób unika się wpływu rezystancji doprowadzeń na wynik pomiaru. Piąty zacisk oznaczony literą I służy do pomiaru prądu. Multimetry laboratoryjne są z reguły programowane. Funkcje pomiarowe są zadawane z klawiatury znajdującej się na płycie czołowej przyrządu. Klawiatura ta pozwala programować pracę multimetru w języku zaznaczonych na niej symboli. Użytkownik może korzystać z menu o strukturze wielopoziomowego drzewa. Poruszając się w górę i w dół drzewa, wybiera poszczególne komendy i parametry pracy multimetru. Zestaw komend zawiera operacje odnoszące się do procedury pomiarowej, a także operacje matematyczne. Multimetry laboratoryjne są zazwyczaj przewidziane do pracy w systemach pomiarowych o złożonej strukturze. Odbywa się to za pośrednictwem wybranego interfejsu wg standardu GPIB lub RS-232.

2.3. Budowa multimetrów cyfrowych Uproszczony schemat blokowy multimetru cyfrowego pokazano na rys. 1. W wielu współczesnych rozwiązaniach konstrukcyjnych, w celu zredukowania wymiarów, podniesienia niezawodności i obniżenia ceny, poszczególne bloki są wykonane w postaci specjalizowanych układów scalonych wielkiej skali integracji. W typowym multimetrze cyfrowym sygnał wejściowy: napięcie AC lub DC, prąd, rezystancja oraz każda inna mierzona wielkość (np. temperatura), są zamieniane na napięcie DC przeskalowane w celu dopasowania do zakresu przetwarzania przetwornika A/C. Przetwornik A/C dokonuje zamiany tego napięcia na równoważną postać cyfrową, która jest eksponowana na wyświetlaczu. Blok sterowania cyfrowego, wykonywany przeważnie na mikrokontrolerze, zarządza przepływem informacji wewnątrz przyrządu, koordynuje wewnętrzne funkcje oraz, poprzez standardowe interfejsy, dokonuje transferu danych pomiarowych do zewnętrznych przyrządów, takich jak drukarki lub komputery.


2

Kondycjoner

sygnałuwejściowego

PrzetwornikA/C

Układekspozycji

wyniku

Układ sterowania IEC-625RS-232

We

Rys. 1. Schemat blokowy multimetru

Przetwornik

skali napięcia zmiennego

Przetwornik skali napięcia

stałego

Przetwornik R/U

Przetwornik AC/DC

Przetwornik I/U

I

AC DC

ΩHi

A

COM

AC DC

Ω

do przetwornika A/C

Rys. 2. Bloki funkcjonalne kondycjonera sygnału wejściowego

Kondycjoner sygnału wejściowego może być dalej podzielony na bloki funkcjonalne, jak pokazuje rys. 2. Na schemacie tym przełączniki wyboru funkcji, przetworniki skali, przetwornik R/U, rezystor wzorcowy do pomiaru prądu i przetwornik AC/DC są odrębnymi blokami. Jest to typowe, ale nie jedyne, rozwiązanie. Pomiar prądu realizowany jest w multimetrach metodą pomiaru spadku napięcia na wewnętrznym wzorcowym rezystorze. Rezystor wzorcowy jest dobierany do zakresu pomiarowego, na przykład: 0,1 Ω dla zakresów 3 A i 1 A; 1 Ω dla zakresu 100 mA; 10 Ω dla zakresu 10 mA. Dla pomiaru napięcia lub prądu zmiennego sygnał mierzony po przeskalowaniu w dzielniku wejściowym jest podawany na przetwornik AC/DC. Blok ten może być prostym układem prostownikowym wykonanym na diodach lub bardziej złożonym detektorem rzeczywistej wartości skutecznej (true RMS). Przetwarzanie rezystancji na napięcie może polegać na bezpośrednim wykorzystaniu prawa Ohma. Oznacza to, że jest mierzony spadek napięcia na nieznanej rezystancji, wymuszony przepływem prądu ze źródła prądowego o dokładnie znanej wydajności.

2.4. Przetworniki A/C stosowane w multimetrach cyfrowych W większości multimetrów cyfrowych stosowane są integracyjne przetworniki A/C, bazujące na pośredniej metodzie przetwarzania. Napięcie wejściowe jest najpierw przetwarzane na odcinek czasu lub częstotliwość, a następnie, za pomocą licznika, na postać cyfrową. Na rys. 3 pokazano schemat blokowy przetwornika integracyjnego realizującego metodę podwójnego całkowania. Zbudowany jest z integratora, komparatora, źródła napięcia referencyjnego oraz części cyfrowej (licznika, zegara i układu sterującego pracą przetwornika).

Integrator Część

cyfrowa K

Ux

-Uo

Uint N

Rys. 3. Schemat blokowy przetwornika A/C realizującego metodę podwójnego całkowania

Rys. 4 przedstawia charakterystyczny przebieg napięcia na wyjściu integratora. Konwersja zaczyna się podaniem mierzonego napięcia na integrator. Skutkiem tego jest liniowe narastanie napięcia na wyjściu integratora (pierwsze całkowanie), które trwa przez ściśle określony czas, wyznaczany przez licznik. Po upływie tego czasu układ sterowania przełącza wejście integratora na źródło napięcia wzorcowego o przeciwnej polaryzacji i kondensator integratora rozładowuje się (drugie całkowanie) aż do czasu, gdy komparator wykryje napięcie równe zero. Licznik mierzy odcinek czasu, jaki jest potrzebny do rozładowania kondensatora. Ponieważ wartości rezystancji i pojemności w integratorze oraz częstotliwość zegara pozostają stałe w obu cyklach przetwarzania, stosunek czasu rozładowania T2 do czasu ładowania kondensatora T1 odpowiada stosunkowi napięcia mierzonego Ux do napięcia referencyjnego Uo. Stąd liczba impulsów zliczonych w czasie rozładowania kondensatora Nx jest proporcjonalna do mierzonego napięcia.


3

max1

2NN

UU

TT x

o

x == (1)

Bezwzględne wartości rezystancji, pojemności kondensatora oraz częstotliwości zegara nie mają wpływu na dokładność przetwarzania. Co więcej, każdy nałożony na mierzone napięcie sygnał zakłócający jest uśredniany w czasie pierwszego całkowania, co umożliwia tłumienie zakłóceń periodycznych, na przykład o częstotliwości sieci energetycznej. W tym celu konieczne jest dopasowanie czasu pierwszego całkowania do okresu zakłóceń lub jego wielokrotności. Od dokładności tego dopasowania zależy skuteczność tłumienia zakłóceń.

0 10000 N (wskazanie licznika)

Ux = 0.20V

Ux = 0.10V

0 1000 2000czas równy całkowitej wielokrotnościokresu napięcia w sieci energetycznej

Rys.4. Przebieg napięcia na wyjściu integratora w przetworniku A/C z podwójnym całkowaniem

Do grupy metod integracyjnych pośredniego przetwarzania należy również metoda częstotliwościowa. W tej metodzie, wielkością pośrednią pomiędzy napięciem a cyfrą jest częstotliwość. Mamy tu do czynienia z dwoma rodzajami integracji: całkowaniem napięcia Ux w integratorze w zmiennym czasie, zależnym od aktualnej wartości Ux, oraz uśrednianiem częstotliwości w liczniku przez ściśle określony czas Ti. W istocie rzeczy, przetwarzanie metodą częstotliwościową składa się z wielu kroków, mających cechy przetwarzania metodą czasową (rys. 5). Tłumienie zakłóceń uzyskuje się w tego typu przetworniku dobierając do okresu zakłóceń czas Ti.

Ti = const

tx = var

Uint

Ur

t

t

Rys. 5. Przebieg napięcia na wyjściu integratora w przetworniku typu U/f

W ćwiczeniu badany jest przetwornik ADVFC32 firmy Analog Devices, którego schemat blokowy przedstawiono na rys. 6. Układ pracuje na zasadzie równoważenia ładunku. Prąd wejściowy równy VIN /R1 jest całkowany przez wejściowy wzmacniacz operacyjny z kondensatorem C2. Na wyjściu wzmacniacza otrzymuje się liniowo opadający przebieg napięcia. Gdy przebieg ten osiągnie wartość progową, następuje zmiana stanu na wyjściu komparatora, która wyzwala przerzutnik monostabilny (one-shot). Impuls generowany przez przerzutnik zamyka klucz dołączając do wejścia wzmacniacza operacyjnego wzorcowe źródło prądowe o wydajności 1 mA, które ładuje kondensator. Czas trwania ładowania można dla układu ADVFC32 obliczyć ze wzoru

Ω×+= kpFCtc 7.6)44( 1 . (2)

Po tym czasie następuje ponowne rozładowywanie kondensatora. W każdym cyklu ładunek pobrany z kondensatora jest równy ładunkowi dostarczonemu

)1()1( cOUT

INcIN tf

ItImA −×=×− . (3)

Stąd częstotliwość impulsów na wyjściu układu wynosi


4

c

INOUT tmAR

Vf××

=11

. (4)

Rys. 6. Schemat blokowy przetwornika napięcie – częstotliwość ADVFC32

2.5. Tłumienie zakłóceń okresowych nałożonych na mierzone napięcie Multimetry zbudowane przy wykorzystaniu przetworników całkujących mają naturalne właściwości tłumienia zakłóceń periodycznych, pod warunkiem odpowiedniego dobrania czasu całkowania. Rozważmy pomiar napięcia o wartości 0V za pomocą woltomierza integracyjnego w obecności zakłóceń typu u U t= sinω , gdzie ω - pulsacja zakłóceń. Niech całkowanie napięcia mierzonego zaczyna się w chwili t = t0 i kończy w chwili t = t0 + T1. Wówczas średnia wartość napięcia za okres całkowania wynosi

[ ]ooTtt

tt

Tt

tsr tTt

TUt

tUtdt

TUU o

o

o

o

ωωω

ωω

ω cos)(coscossin 111

11

−+−=−== +==

+

∫ . (5)

Po rozwinięciu tego wyrażenia według wzoru na różnicę cosinusów otrzymujemy

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ +−−= )(

21sin)2(

21sin2 11

1TTt

TUU osr ωωωω . (6)

Przyjmijmy najbardziej niekorzystny przypadek, gdy całkowanie rozpoczyna się w momencie czasu t0 takim, że napięcie średnie osiąga wartość maksymalną. Ma to miejsce, gdy

1)2(21

sin 1 =+ Tto ωω .

Otrzymamy wówczas

11

211

(max) sin21sin2 fT

fTUT

TUU fsr π

πω

ω πω == = (7)

Opierając się na właściwości funkcji xxsin

wnioskujemy, że gdy częstotliwość zakłóceń maleje do zera, to Usr(max) zdąża

do U. W celu oceny tłumienia zakłóceń przez przetwornik integracyjny w funkcji częstotliwości obliczymy stosunek napięcia średniego przy częstotliwości zakłóceń równej 0 Hz do jego wartości przy innych częstotliwościach; dzięki temu otrzymamy wskaźnik niezależny od poziomu zakłóceń.

xx

TT

TT

fTfT

fTfTU

U

n

nπ

π

π

π

ππ

ππ

sinsin

sinsin 1

1

1

1

11

=== (8)


5

gdzie xTTn

= 1 jest stosunkiem czasu integracji do okresu zakłóceń.

W celu ilościowego określenia tłumienia zakłóceń przez przetworniki integracyjne stosuje się miarę decybelową powyższego wskaźnika, nazywaną Współczynnikiem Tłumienia Sygnału Nałożonego (Normal Mode Rejection Ratio)

xx20dB NMRRπ

π=

sinlog][ (9)

dB

0,1 1 10

40

30

20

10

0 x

Rys. 7. Wykres tłumienia zakłóceń w funkcji stosunku czasu integracji do okresu zakłóceń

Rys. 7 przedstawia przebieg współczynnika NMRR w funkcji stosunku czasu integracji do okresu napięcia zakłócającego. Wynika z niego, że wybór właściwego czasu całkowania umożliwia całkowitą eliminację zakłóceń. Czas ten (w Europie) powinien być równy 20 ms, lub wielokrotności tej liczby, z uwagi na to, że zakłócenia mają przeważnie częstotliwość sieci elektroenergetycznej.

2.6. Podstawowe parametry metrologiczne multimetrów cyfrowych

Liczba cyfr, jest podstawowym parametrem technicznym multimetru. Pełna liczba cyfr odpowiada liczbie pozycji dziesiętnych, na których multimetr wyświetla pełen zestaw cyfr od "0" do "9". Większość multimetrów dopuszcza przekroczenie zakresu i dodanie do wyniku "1/2" cyfry. Na przykład multimetr 34401A może mierzyć 9.999 V na zakresie 10 V. Wynik ten składa się z czterech pełnych cyfr. Multimetr dopuszcza 20 % przekroczenie zakresu 10 V i pomiar napięcia do wartości 11.999 V. Możliwość ta jest określona liczbą cyfr 4 1/2. Błąd pomiaru jest specyfikowany dla multimetrów cyfrowych jako ± (% odczytu + % zakresu). Dodatkowy błąd wskazań może być wywołany zmianą temperatury otoczenia, bardzo niską częstotliwością lub dużym współczynnikiem szczytu mierzonego sygnału. Przykład obliczania błędu pomiaru napięcia. Zakładając, że specyfikacja multimetru podaje błąd jako ± ( 0.002 % wartości odczytu + 0.0005% zakresu ), błąd pomiaru napięcia 5 Vdc na zakresie 10 Vdc obliczamy w następujący sposób: 0.0020 % × 5 Vdc = 100 μV 0.000 5% × 10 Vdc = 50 μV Bezwzględny błąd pomiaru = 100 μV + 50 μV = ± 150 μV Względny błąd pomiaru = ± 0.003 % (lub 30ppm) napięcia 5 V. Rozdzielczość, wyraża najmniejszy przyrost wielkości sygnału wejściowego, który powoduje zmianę wyniku pomiaru. Rozdzielczość może być podawana w jednostkach mierzonej wielkości (na przykład w μV), lub jako stosunek minimalnej wyświetlanej wartości do maksymalnej wyświetlanej wartości na wybranym zakresie, w procentach albo częściach na milion (ppm). Rozdzielczość bywa też wyrażana liczbą bitów słowa wyjściowego przetwornika analogowo – cyfrowego zastosowanego w multimetrze. Na przykład 12 bitów odpowiada [1 / (212 – 1)]100% = 100 % / 4095 = 0.024 % rozdzielczości, 16 bitów 0.0015 % rozdzielczości. Dla przetworników a/c, których konstrukcja oparta jest na liczniku, rozdzielczość można podawać w postaci liczby zliczeń. Wszystkie sposoby są równoważne. Przykład Multimetr 6 cyfrowy na zakresie 1 V może dokonywać pomiarów z rozdzielczością 1 000 000 zliczeń. Odpowiada to: V 1μ ,

0.0001 % pełnego zakresu lub 1 ppm, n = 20 bitom, gdzie ).log/ 931926(entier n == .

Czas pomiaru multimetrem jest zazwyczaj dłuższy od czasu przetwarzania A/C. Na przykład, niektóre multimetry mają w cykl pomiarowy włączoną fazę autozerowania, inne jako wynik pomiaru podają uśrednioną wartość wielu przetworzeń zrealizowanych w dłuższym odcinku czasu. W multimetrach laboratoryjnych użytkownik może zazwyczaj programować czas całkowania wybierając kompromis pomiędzy szybkością a dokładnością pomiarów.


6

2.7. Przegląd multimetrów cyfrowych czołowych firm światowych Wymienione zalety oraz prostota metody podwójnego całkowania są przyczyną stosowania jej przez producentów multimetrów. Niektórzy jednak (np. Fluke, Hewlett-Packard), dążąc do zwiększenia rozdzielczości i szybkości przetwarzania, stosują pewne odmiany tej techniki i mają własne układy scalone wielkiej skali integracji do realizacji procesu przetwarzania. Zaawansowane wersje tych układów, oprócz przetwornika A/C, mogą zawierać dodatkowo blok sterowania multimetrem, blok częstościomierza oraz blok do testowania ciągłości obwodów elektrycznych. Przykładem może być technika wielokrotnego całkowania (multiple slope) zastosowana w multimetrze Fluke 27, firmy Fluke Corporation (USA). Polega ona na wykonaniu serii dziesięciu małych konwersji, po 40ms każda. Te małe konwersje dające 25 wyników na sekundę służą do wysterowania szybkiego wskaźnika typu bargraf i do realizacji szybkiego autozerowania. Duża konwersja, obejmująca dziesięć małych, daje wynik cyfrowy o pełnej rozdzielczości. Po każdej dużej konwersji następuje faza autozerowania trwająca 100ms. Firma Agilent Technology w swoich multimetrach (na przykład 34401A) stosuje opatentowaną metodę przetwarzania A/C nazywaną "multislope III". Jest to odmiana integracyjnej metody przetwarzania z równoważeniem ładunku (charge balance). Idea działania tych przetworników sprowadza się do tego, by uzyskać równowagę w układzie, polegającą na doprowadzaniu i odprowadzaniu stałych kwantów ładunku do i z kondensatora. Przetworniki z równoważeniem ładunku stosują "wolno biegnący" integrator ze źródłem impulsów rozładowujących w pętli sprzężenia zwrotnego. Firma Keithley dla osiągnięcia jednocześnie dużej rozdzielczości i szybkości przetwarzania również stosuje odmianę metody z równoważeniem ładunku - metodę ze zmienną szerokością impulsu rozładowującego i stałą częstotliwością. Firma Prema Precision Electronic Inc. (USA) produkuje ASIC o rozdzielczości 25 bitowej oparty na technice "multiple ramp", która jest również odmianą metody z równoważeniem ładunku. Podstawową zaletą tej techniki jest wyeliminowanie wpływu na dokładność przetwarzania strat w dielektryku kondensatora całkującego oraz dryftów.

2.8. Multimetr 34401A firmy Agilent Technology (dawniej Hewlett Packard) Multimetr 34401A jest wysokiej klasy przyrządem laboratoryjnym, w którym skupiono kilkanaście funkcji

pomiarowych, między innymi: pomiar napięć i prądów stałych, pomiar prawdziwej wartości skutecznej napięć i prądów zmiennych, pomiar rezystancji, częstotliwości, okresu, badanie ciągłości obwodu, testowanie diod, pomiar stosunku dwóch napięć stałych. Charakteryzuje się wysoką dokładnością, posiada 6 ½ cyfrowy wyświetlacz, podstawowy 24 godzinny błąd pomiaru napięcia stałego wynosi 0.0015 %. Zakresy pomiarowe mogą być wybierane ręcznie lub automatycznie. Maksymalna programowana częstość pomiarów to 1000 pomiarów na sekundę.

Podstawowe funkcje pomiarowe są wybierane z klawiatury znajdującej się na płycie czołowej multimetru. Na rys. 8. przedstawiono płytę czołową multimetru z wyodrębnionymi grupami funkcjonalnymi kluczy programujących.

Rys. 8. Płyta czołowa multimetru 34401A


7

Rzadziej używane funkcje pomiarowe i parametry pracy przyrządu programuje się za pomocą menu, które posiada strukturę 3 poziomowego drzewa (menus, commands, parameters), przedstawioną na rys. 9. Przemieszczanie się po drzewie w dół lub w górę jest realizowane za pomocą pionowych strzałek. Każdy poziom drzewa posiada kilka gałęzi, których wybór jest dokonywany za pomocą poziomych strzałek, prawej i lewej. Dla włączenia lub wyłączenia menu należy wcisnąć kolejno klawisze Shift i Menu On/Off . Dla wykonania komendy z menu należy nacisnąć Enter. Aby wywołać ostatnio wykonywaną komendę nacisnąć Shift Recall.

1. FUNCTION - funkcje pomiarowe: DC V – pomiar napięcia stałego, DC I pomiar prądu stałego, AC V – pomiar napięcia zmiennego, AC I – pomiar prądu zmiennego, Ω 2W – dwuprzewodowy pomiar rezystancji, Ω 4W – czteroprzewodowy pomiar rezystancji, Freq – pomiar częstotliwości, Period – pomiar okresu, Cont))) - badanie ciągłości obwodu, symbol diody - testowanie diod półprzewodnikowych.

2. MATH - operacje matematyczne: Min-Max zapamiętuje wartości minimalną i maksymalną z serii wyników pomiarów, Null - pomiary relatywne - każda wyświetlana liczba jest różnicą pomiędzy wynikiem pomiaru i zadaną wcześniej wartością „null”, dB, dBm pomiary stosunku napięć stałych i zmiennych w mierze decybelowej.

3. TRIG - wyzwalanie pomiaru: SINGLE - pomiar jednorazowy, AUTO - automatyczne wyzwalanie pomiaru, HOLD - pamiętanie wyniku.

4. SHIFT - zmiana funkcji kluczy programujących na funkcje opisane kolorem niebieskim. 5. TERMINALS - wybór gniazd pomiarowych: FRONT – gniazda na płycie czołowej przyrządu, REAR –

gniazda na płycie tylnej przyrządu. 6. RANGE - wybór zakresu pomiarowego: AUTO – automatyczny, MAN - ręczny, DIGITS - wybór liczby

cyfr w wyniku pomiaru: 4, 5 lub 6 cyfr. 7. MENU - klucze do poruszania się po drzewie menu: LEVEL - zmiana poziomu menu, CHOICES - wybór

funkcji lub parametru, ENTER – wykonanie.

Rys. 9. Struktura drzewa MENU

Na najwyższym poziomie MENU, nazywanym TOP, do dyspozycji użytkownika jest sześć pozycji, oznaczonych literami od A do F.

W trakcie wykonywania ćwiczenia używane jest jedynie MEASurement MENU. Przykładowa sekwencja programująca rozdzielczość woltomierza ma postać: SHIFT, ON, ∨ , >, >, >, >, ∨ , >, >,...... (wybór żądanego parametru), ENTER.

ON/OFF

A: MEAS B: MATH

1: AC FILTER 2: CONTINUITY 5: RESOLUTION

Fast Slow Medium


8

Podstawowe gniazda pomiarowe multimetru, to oznaczone symbolami HI i LO gniazda INPUT (z prawej strony na rys. 10), używane do pomiaru napięć, częstotliwości, okresu, ciągłości obwodu, rezystancji metodą dwuprzewodową oraz do testowania diod. Gniazdo HI należy łączyć z punktem pomiarowym o wyższym potencjale, gniazdo LO z punktem pomiarowym o potencjale niższym. Dodatkowa para gniazd HI i LO z lewej strony jest używana do czteroprzewodowego pomiaru rezystancji oraz pomiaru stosunku dwu napięć. W trakcie pomiaru prądów stałych i zmiennych wykorzystuje się gniazda oznaczone symbolami I oraz LO.

Rys. 10. Zespół gniazd pomiarowych multimetru 34401A

2.9. Słownik podstawowych terminów anglojęzycznych

Autoranging - zdolność przyrządu do przełączania zakresów w sposób automatyczny. Automatic Power-off - automatyczne odłączenie zasilania po określonym czasie bezczynności multimetru (10 - 30 min), realizowane w celu oszczędności baterii. Bar graph - bargraf - część wyświetlacza dająca analogowe wskazanie mierzonej wielkości (słupek o długości proporcjonalnej do wyniku pomiaru). Przydatny do monitorowania wolno-zmiennych lub niestabilnych napięć. Beeper, Buzzer - źródła sygnału dźwiękowego, używane w multimetrach na przykład do sygnalizacji przekroczenia zakresu pomiarowego. CMV Common Mode Voltage - napięcie pomiędzy zaciskiem LO i masą multimetru. CMRR - Common Mode Rejection Ratio - współczynnik tłumienia sygnału wspólnego dla obu wejść multimetru HI oraz LO. Com - (od ang. common - wspólny) zacisk multimetru używany przy wszystkich pomiarach napięć, prądów i rezystancji. Bench multimeter - multimetr stacjonarny do użytku na stanowisku laboratoryjnym. Clamp multimeter - multimetr cęgowy. Handheld multimeter - przenośny multimetr serwisowy mieszczący się w dłoni. HI - zacisk wejściowy multimetru dla dołączenia wyższego potencjału. LO - zacisk wejściowy multimetru dla dołączenia niższego potencjału. LCD - wyświetlacz ciekłokrystaliczny. NMV - normal mode voltage - napięcie podane pomiędzy zaciski HI i LO multimetru. NMRR - Normal Mode Rejection Ratio - współczynnik tłumienia sygnału nałożonego. Określa zdolność multimetru do tłumienia zakłóceń nałożonych na napięcie mierzone. Podawany w dB dla określonej częstotliwości zakłóceń. OVLD - overload - przekroczenie zakresu pomiarowego. ppm - parts per million. Relative mode - tryb pracy multimetru, w którym wyświetlane są tylko różnice pomiędzy bieżącymi wynikami a jednym zapamiętanym wynikiem. Sleep mode - inna nazwa funkcji automatycznego odłączania zasilania. Smoothing - funkcja multimetru, która pozwala na bieżącą ekspozycję średniej z kilku (np. ośmiu) ostatnich wyników pomiarów.

2.10. Sposób wykonywania ćwiczenia laboratoryjnego Ćwiczenie wykonywane jest z pomocą i pod nadzorem komputera, do którego dołączone są wybrane przyrządy

+

_

Mierzone napięcie


9

pomiarowe. Szczegółowe instrukcje do zadań, schematy ideowe i montażowe oraz żądane wartości wyświetlane są na bieżąco na ekranie monitora w trakcie wykonywania ćwiczenia. Po uruchomieniu komputera, w oknie danych osobowych (rys. 11), należy podać swoje imię i nazwisko oraz numer indeksu i kierunek studiów. Ćwiczenie obejmuje test oraz 7 zadań laboratoryjnych. Wykonanie pięciu pierwszych jest obowiązkowe, a dwóch pozostałych nadobowiązkowe. Wykonanie zadań dodatkowych możliwe jest wyłącznie po poprawnym zakończeniu części obowiązkowej. W czasie wykonywania zadań laboratoryjnych przyznawane są punkty za poprawne i precyzyjne zrealizowanie poleceń. Szybkość wykonywania zadań nie jest punktowana, liczy się tylko poprawność. Otrzymane wyniki i uzyskane punkty zapisywane są na bieżąco na dysku twardym komputera, a po zakończeniu ćwiczenia wydrukowane zostanie sprawozdanie, które należy przedłożyć prowadzącemu do podpisu. W sytuacji awaryjnej można wykonywać ćwiczenie "na raty", aktualny stan ćwiczenia jest zapamiętany na dysku i można do niego powrócić w dowolnym momencie.

Rys. 11. Okno wprowadzania danych osobowych

Rys. 12. Menu główne programu

Widok ekranu z "menu" podstawowym przedstawiono na rysunku 12. W celu rozpoczęcia wykonywania zadania należy wybrać "przycisk" z odpowiednim numerem zadania. Wybranie przycisku <KONIEC> spowoduje przejście do funkcji drukowania sprawozdania i zakończenie programu.


10

Przed wykonaniem pierwszego zadania należy rozwiązać test składający się z 8 pytań wybranych przez komputer. Punktowane są prawidłowe odpowiedzi. Zaznaczanie poprawnej odpowiedzi polega na wybraniu myszką (lub klawiszami TAB i ENTER) jednego z przycisku oznaczonego "A>", "B>",..."D>". Przycisk przy zaznaczonej odpowiedzi zmienia kolor na zielony. Po zaznaczeniu jednej poprawnej odpowiedzi należy wybrać przycisk <GOTOWE>. Widok ekranu w czasie testu z zaznaczoną poprawną odpowiedzią przedstawiono na rys.13.

Rys. 13. Widok ekranu w czasie testu z zaznaczoną poprawną odpowiedzią

3. Wykaz sprzętu pomiarowego

1. Multimetr cyfrowy Agilent 34401A 2. Multimetr cyfrowy Metex ME-21 3. Układ laboratoryjny z przetwornikami U/t i U/f 4. Zasilacz stabilizowany BS-525 5. Generator funkcyjny Agilent (Hewlett Packard) 33120A 6. Oscyloskop dwukanałowy TDO2062B 7. Rezystor dekadowy (Rmax = 100 kΩ) 8. Układ laboratoryjny z diodami 9. Przewody połączeniowe BNC-wtyki bananowe 3 szt. 10. Trójnik BNC, zaciski widełkowe 2 szt.

4. Zadania pomiarowe

Część obowiązkowa

4.1. Pomiary napięć woltomierzem integracyjnym z przetwarzaniem U/t, dobieranie właściwego zakresu pomiarowego i określanie rozdzielczości pomiaru

W pierwszej części zadania mierzone jest napięcie stałe 100 mV na wszystkich zakresach multimetru 34401A w celu określenia błędu dyskretyzacji. W dalszej części losowana jest wartość napięcia, dla której należy dobrać właściwy zakres pomiarowy, a następnie określić z jaką rozdzielczością pomiar był wykonany. Obserwowane jest także przepełnienie zakresu oraz jego automatyczny wybór. Pomiary zostaną wykonane w układzie przedstawionym na rys. 14.

Podczas pomiaru jakiejkolwiek wielkości przyrząd pomiarowy należy ustawić na właściwy zakres, to znaczy tak, aby błędy pomiaru były jak najmniejsze. Typowym dla mierników cyfrowych składnikiem błędu pomiaru jest błąd dyskretyzacji. Aby go zminimalizować, należy wybrać najniższy możliwy zakres, który nie powoduje jeszcze przekroczenia wartości zakresowej. Przykładowo, jeżeli mierzymy napięcie 2 V, to najlepszym zakresem (w multimetrze 34401A) będzie zakres 10 V, gdyż na zakresie 100 V błąd pomiaru będzie dziesięciokrotnie większy, a na


11

zakresie 1 V nastąpi przekroczenie wartości zakresowej. Wartość napięcia i szczegółowy schemat montażowy będzie wyświetlony na ekranie monitora w trakcie wykonywania ćwiczenia.

Hi

Lo

V 34401A BS-525 lub 33120A

Rys. 14. Układ pomiarowy do zadania 4.1

Zapamiętaj ! WYBIERAJ ZAWSZE NAJNIŻSZY MOŻLIWY

ZAKRES POMIAROWY

4.2. Pomiar napięcia stałego w obecności zakłóceń

Zadanie polega na sprawdzeniu, czy woltomierz integracyjny 34401A prawidłowo eliminuje zakłócenia o częstotliwości sieci energetycznej (50 Hz) i jej wielokrotności. Pomiary zostaną wykonane przy trzech częstotliwościach sygnału zakłócającego: 50, 75 i 100 Hz w układzie pomiarowym z rys.15. Multimetry są tak konstruowane, aby były odporne na zakłócenia o częstotliwości sieci energetycznej (50 Hz) i jej wielokrotności. W woltomierzach integracyjnych realizowane to jest poprzez odpowiedni dobór czasu całkowania integratora. Czas ten powinien równać się okresowi sygnału zakłócającego lub jego wielokrotności. Przykładowo, w Polsce częstotliwość sieci energetycznej wynosi 50Hz, zatem czas całkowania winien wynosić tc = 1/50 Hz = 20 ms lub jego wielokrotność.

~

Hi

Lo VHi

Gnd

BS-525

33120A

34401A

Rys. 15. Układ pomiarowy do badania odporności multimetru na zakłócenia

Zapamiętaj ! MULTIMETRY SĄ TAK KONSTRUOWANE, ABY ELIMINOWAĆ ZAKŁÓCENIA O CZĘSTOTLIWOŚCI SIECI ENERGETYCZNEJ

I JEJ WIELOKROTNOŚCI

4.3. Pomiar rezystancji

Celem tego zadania jest przedstawienie metody stosowanej powszechnie w multimetrach cyfrowych do pomiaru rezystancji. Zadanie polega na zmierzeniu wartości rezystora i rozwiązaniu prostego zadania rachunkowego. Pomiary zostaną wykonane w układzie pomiarowym pokazanym na rys. 16.

RX Rezystor dekadowy

Hi

Lo

Ω 34401A

Rys. 16. Układ pomiarowy do zadania 4.3


12

multimetr 34401A

UX

IWZ

RX Rezystor dekadowy V

Rys. 17. Metoda pomiaru rezystancji w multimetrze 34401A

Metoda pomiaru rezystancji (rys. 17) polega na tym, że mierzony jest spadek napięcia Ux na nieznanej rezystancji wymuszony przepływem prądu z wewnętrznego wzorcowego źródła prądowego, o wydajności Iwz . Stąd

IU = R

wz

xx (10)

Zapamiętaj ! MULTIMETR W FUNKCJI OMOMIERZA ZASILA PRĄDOWO

BADANY ELEMENT. NIE MOŻNA WIĘC MIERZYĆ MULTIMETREM REZYSTORÓW W UKŁADACH POD NAPIĘCIEM

4.4. Badanie przetwornika integracyjnego z przetwarzaniem napięcia na czas Zadanie polega na obserwacji przebiegu napięcia na integratorze przetwornika U/t i pomiarach czasów pierwszego i drugiego całkowania. Przebiegi obserwuje się na oscyloskopie cyfrowym dla trzech napięć mierzonych – dwóch dodatnich i jednego ujemnego. Pomiary zostaną wykonane w układzie pomiarowym przedstawionym na rys. 17.

Hi

Lo

INT

SYNCH.

R

C

T1

Układ z przetwornikiem U/t

V BS-525

34401A

CH1 EXT

TDO2062B

Ux

-Uo

N

T2

Część cyfrowa

K

Rys. 17. Układ pomiarowy do badania przetwornika integracyjnego U/t

Zapamiętaj ! CZAS PIERWSZEGO CAŁKOWANIA W PRZETWORNIKU U/t JEST STAŁY

NIEZALEŻNIE OD WARTOŚCI MIERZONEGO NAPIĘCIA

Część dodatkowa

4.5. Badanie przetwornika integracyjnego z przetwarzaniem napięcie częstotliwość

Zadanie polega na obserwacji i pomiarze sygnałów występujących w układzie przetwornika integracyjnego z przetwarzaniem napięcia na częstotliwość oraz na zarejestrowaniu charakterystyki przejściowej (zależności między częstotliwością na wyjściu przetwornika U/f, a napięciem wejściowym). Pomiary zostaną wykonane w układzie pomiarowym przedstawionym na rys. 18.


13

IN

GND

INT

OUT f

R

C

tc

Układ z przetwornikiem U/f

V

f ME-21

BS-525

34401A

CH1 CH2 TDO2062B

Rys. 18. Układ pomiarowy do badania przetwornika integracyjnego U/f

Zapamiętaj ! PRZETWARZANIE NAPIĘCIA NA CZĘSTOTLIWOŚĆ JEST

OPERACJĄ LINIOWĄ

4.6. Dodatkowe funkcje nowoczesnych multimetrów cyfrowych: pomiary spadku napięcia na złączach

p-n

Multimetr ME-21 umożliwia przeprowadzenie następujących pomiarów: 1) napięcia stałego i zmiennego, 2) prądu stałego i zmiennego, 3) rezystancji, 4) przejścia (zwarcia), 5) częstotliwości i 6) stanów logicznych. Posiada on ponadto szereg bardzo użytecznych cech dodatkowych: 1) automatyczne wyłączenie po 15 min., 2) optyczny i dźwiękowy sygnalizator przekroczenia zakresu, 3) wskaźnik analogowy (bargraf), 4) wskaźnik zużycia baterii, 5) funkcje określenia wartości maksymalnej lub minimalnej w serii pomiarów, 6) możliwość podłączenia do komputera osobistego. Zadanie prezentuje bardzo przydatną funkcje tego multimetru: pomiar spadku napięcia na złączu p-n. Wykonywane są ponadto pomiary napięć w kierunku przewodzenia. Pomiary są realizowane w układach pomiarowych pokazanych na rys. 19.

badana dioda

Rn

Hi

Lo

badana dioda

Hi

Lo V

ME-21

34401A BS-525

A COMmA

ME-21

Rys. 19. Układ pomiarowy do zadania 4.6: a) pomiary spadku napięcia na złączach p-n multimetrem ME-21

b) pomiary napięć na diodach multimetrem 34401A dla określonych wartości prądów

Zapamiętaj !

POMIAR SPADKU NAPIĘCIA NA ZŁĄCZU P-N ELEMENTU PÓŁPRZEWODNIKOWEGO POZWALA NA SZYBKĄ OCENĘ, CZY ELEMENT JEST DOBRY, CZY ZŁY ORAZ POZWALA NA PRZEPROWADZENIE KLASYFIKACJI (OKREŚLENIA TYPU)

TEGO ELEMENTU.


14

5. Opracowanie

1. Oblicz i narysuj wartości względnego błędu dyskretyzacji podczas pomiaru napięcia stałego multimetrem 34401A w zakresie od 1μV do 100 V. Załóż, że w trakcie pomiaru wybrano właściwy zakres pomiarowy i nie przekraczano wartości zakresowej. Błąd dyskretyzacji dla 4 zakresów pomiarowych (0,1V, 1V, 10V, 100V) przedstawić na wspólnym wykresie. Na osiach wykresu przyjąć skalę logarytmiczną dla obu współrzędnych: błędu dyskretyzacji i napięcia.

2. Skomentuj i uzasadnij analitycznie wyniki pomiarów z zadania 4.2 (zadanie 2. z protokołu pomiarów). 3. Korzystając ze wzoru (1) wyznacz wartość napięcia referencyjnego badanego przetwornika U/t. Weź pod uwagę, że w układzie laboratoryjnym napięcie podawane na wejście przetwornika jest dzielone w stosunku 1:10.

4. Dla jednego z napięć podawanych na wejście przetwornika U/f w punkcie 4.5 (zadanie 5. z protokołu pomiarów) wyznacz, za pomocą wzorów (2 ) i (4), teoretyczną wartość częstotliwości na wyjściu przetwornika i porównaj z wynikiem pomiaru (wyznacz błąd względny pomiaru przyjmując za wartość poprawną częstotliwości wynik obliczeń).

MULTIMETRY CYFROWE I INTEGRACYJNE PRZETWORNIKI … · Podstawy elektroniki i metrologii na kierunku...

Documents

Transcript of MULTIMETRY CYFROWE I INTEGRACYJNE PRZETWORNIKI … · Podstawy elektroniki i metrologii na kierunku...