CYFROWE – Ćwiczenie nr 4

Podstawy elektroniki i metrologii na kierunku Informatyka
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.
1
Podstawy elektroniki i metrologii na kierunku Informatyka
Kondycjoner
sygnału
wejściowego
We
Przetwornik
A/C
Układ
ekspozycji
wyniku
IEC-625
RS-232
Układ sterowania
Rys. 1. Schemat blokowy multimetru
Przetwornik
skali napięcia
zmiennego
AC
Hi
I
DC
Ω
Przetwornik
I/U
A
Przetwornik
AC/DC
AC
DC
Przetwornik
skali napięcia
stałego
do
przetwornika
A/C
Ω
Przetwornik
R/U
COM
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).
Ux
Integrator
Uint
K
-Uo
Część
cyfrowa
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.
2
Podstawy elektroniki i metrologii na kierunku Informatyka
Nx
T2 U x
=
=
T1 U o N max
(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.
Ux = 0.20V
Ux = 0.10V
0
10000
czas równy całkowitej wielokrotności
okresu napięcia w sieci energetycznej
0
N (wskazanie licznika)
1000
2000
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.
Uint
t
tx = var
Ur
t
Ti = const
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
t c = (C1 + 44 pF ) × 6.7 kΩ .
(2)
Po tym czasie następuje ponowne rozładowywanie kondensatora. W każdym cyklu ładunek pobrany z kondensatora
jest równy ładunkowi dostarczonemu
(1mA − I IN ) × t c = I IN × (
Stąd częstotliwość impulsów na wyjściu układu wynosi
3
1
− tc ) .
f OUT
(3)
Podstawy elektroniki i metrologii na kierunku Informatyka
f OUT =
VIN
R1 × 1mA × t c
.
(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 sin ωt , 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
U sr =
U
T1
to +T1
∫
sin ωtdt = −
to
U
U
t =t +T
[cos ω (to + T1 ) − cos ωto ]
cos ωt t =to 1 = −
o
ωt
ωT1
.
(5)
Po rozwinięciu tego wyrażenia według wzoru na różnicę cosinusów otrzymujemy
U sr = −
U
ωT1
1
1
⎡
⎤
⎢− 2 sin 2 (2ωt o + ωT1 ) sin 2 (ωT1 )⎥
⎣
⎦
.
(6)
Przyjmijmy najbardziej niekorzystny przypadek, gdy całkowanie rozpoczyna się w momencie czasu t0 takim, że
napięcie średnie osiąga wartość maksymalną. Ma to miejsce, gdy
sin
1
2
(2ωt o + ωT1 ) = 1 .
Otrzymamy wówczas
U sr (max) =
Opierając się na właściwości funkcji
2U
ωT1
1
U
sin ωT1 ω =2πf =
sin πfT1
2
πfT1
(7)
sin x
wnioskujemy, że gdy częstotliwość zakłóceń maleje do zera, to Usr(max) zdąża
x
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.
π
T1
Tn
πfT1
U
πx
=
=
=
U
sin πfT1
sin
πx
T
sin πfT1
sin π 1
πfT1
Tn
4
(8)
Podstawy elektroniki i metrologii na kierunku Informatyka
gdzie x =
T1
jest stosunkiem czasu integracji do okresu zakłóceń.
Tn
W celu ilościowego określenia tłumienia zakłóceń przez przetworniki integracyjne stosuje się miarę decybelową
powyższego wskaźnika, nazywaną Współczynnikiem Tłumienia Sygnału Nałożonego (Normal Mode Rejection Ratio)
NMRR [ dB ] = 20 log
πx
sin πx
(9)
dB
40
30
20
10
0
0,1
1
10
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.
1μV ,
Odpowiada to:
0.0001 % pełnego zakresu lub 1 ppm,
n = 20 bitom, gdzie n = entier (6 / log 2 = 19.93 ) .
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.
5
Podstawy elektroniki i metrologii na kierunku Informatyka
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
6
Podstawy elektroniki i metrologii na kierunku Informatyka
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.
ON/OFF
B: MATH
A: MEAS
1: AC FILTER
Medium
Fast
2: CONTINUITY
5: RESOLUTION
Slow
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.
7
Podstawy elektroniki i metrologii na kierunku Informatyka
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.
+
Mierzone
napięcie
_
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
8
Podstawy elektroniki i metrologii na kierunku Informatyka
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.
9
Podstawy elektroniki i metrologii na kierunku Informatyka
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.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Multimetr cyfrowy Agilent 34401A
Multimetr cyfrowy Metex ME-21
Układ laboratoryjny z przetwornikami U/t i U/f
Zasilacz stabilizowany BS-525
Generator funkcyjny Agilent (Hewlett Packard) 33120A
Oscyloskop dwukanałowy TDO2062B
Rezystor dekadowy (Rmax = 100 kΩ)
Układ laboratoryjny z diodami
Przewody połączeniowe BNC-wtyki bananowe 3 szt.
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
10
Podstawy elektroniki i metrologii na kierunku Informatyka
zakresie 1 V nastąpi przekroczenie wartości zakresowej. Wartość napięcia i szczegółowy schemat montażowy będzie
wyświetlony na ekranie monitora w trakcie wykonywania ćwiczenia.
Hi
BS-525
lub
33120A
34401A
V
Lo
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.
BS-525
Hi
33120A
34401A
V
Hi
Lo
~
Gnd
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.
Hi
Rezystor
dekadowy
Ω
RX
34401A
Lo
Rys. 16. Układ pomiarowy do zadania 4.3
11
Podstawy elektroniki i metrologii na kierunku Informatyka
IWZ
Rezystor
dekadowy
RX
multimetr 34401A
UX
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
Rx =
Ux
(10)
I wz
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.
Układ z przetwornikiem U/t
TDO2062B
C
34401A
Hi
Ux
T1
R
INT
T2
BS-525
CH1
EXT
-Uo
V
K
Część
cyfrowa
Lo
SYNCH.
N
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.
12
Podstawy elektroniki i metrologii na kierunku Informatyka
Układ z przetwornikiem U/f
C
34401A
BS-525
IN
R
INT
CH1
CH2
TDO2062B
tc
V
OUT f
f
GND
ME-21
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.
ME-21
Hi
badana
dioda
ME-21
A
mA
Rn
COM
BS-525
badana
dioda
Hi
34401A
V
Lo
Lo
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.
13
Podstawy elektroniki i metrologii na kierunku Informatyka
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).
14