Perusmittalaitteet 2
Transcription
Perusmittalaitteet 2
Mittaustekniikan perusteet / luento 4 Perusmittalaitteet 2 • Yleismittari • Taajuuslaskuri Digitaalinen yleismittari • Digitaalisella yleismittarilla voidaan mitata: – – – – DC/AC -jännitettä DC/AC -virtaa Resistanssia (2-pistemittaus / 4-pistemittaus) Myös muita mittauksia (diodi, kapasitanssi, induktanssi, lämpötila…) • Suuri ottoimpedanssi jännitemittauksissa: – Tyypillisesti >10 M • Kuormittaa mitattavaa piiriä vähän • (AC-mittaukset: otossa myös kapasitanssia) • Tehollisarvon mittaus: – Usein todellinen tehollisarvo myös ei-sinimuotoisille AC- jännitteille tai -virroille – Vaihtoehtoisesti tasasuunnatun keskiarvon mittaus – Mitattavat taajuudet pieniä (<1 MHz) • Usein mahdollisuus virtuaali-instrumentointiin! Digitaalinen yleismittari •Yleisimmin sähkötekniikassa käytetty mittalaite. Huomaa mittareiden toisistaan poikkeavat näyttämät! Poikkeama on mittareiden epävarmuuksien sisällä. Tehollisarvo (RMS) • Virran tai jännnitteen tehollisarvo (RMS-arvo) on verrannollinen nopeuteen, jolla sähköenergia muuttuu muiksi energian muodoiksi. • Voidaan mitata AC-jännitteen/virran aiheuttama lämmitysteho ns. termomuntimella • Elektroniikan avulla toteutettavia menetelmiä: – RMS-arvon laskenta analogisesti tai digitaalisesti – Tasasuunnatun keskiarvon mittaus Tehollisarvo (RMS) Tehollisarvon laskenta • Tehollisarvo = RMS (Root-Mean-Square) • Tehollisarvon laskenta (analogisesti tai digitaalisesti) – AC-jännite joka ilmaistaan tehollisarvonsa avulla antaa samaan resistanssiin saman tehon kuin vastaavan suuruinen DC-jännite – Kaikilla allaolevilla aaltomuodoilla on sama tehollisarvo ja tehollisarvomittari näyttää arvoa 1 V kaikille signaaleille – Määritellään keskimääräisen tehon avulla: 2 v (t ) – Hetkellinen teho resistanssiin: P R – Keskimääräinen teho hetkellisestä tehosta: integroi jakson yli ja jaa jakson pituudella: 1 1 R T Pavg 1.733 v 1.414 v Aaltomuoto Amplitudi VRMS 1v 1v Sini 1.414 1 Kolmio 1.733 1 Kantti 1 1 DC 1 1 t0 T v (t )dt t0 1 T v RMS Sama teho Root 2 vRMS R 2 Mean Ratkaistaan vRMS t0 T v 2 (t )dt t0 Square (=RMS) Tasasuunnattu keskiarvo vs. RMS Digitaalinen yleismittari • Halvemmat mittarit saattavat määritellä tehollisarvon tasasuunnatun keskiarvon kautta: Digitaalisen yleismittarin lohkokaavio Ohjaus ja näyttö – Tehdään puoli- tai kokoaaltotasasuuntaus – Keskiarvoistetaan saatu signaali – Kerrotaan vakiolla (Sini = 1,11) tehollisarvon saamiseksi • Näyttää väärin ei-sinimuotoisille signaaleille • Tulosta voidaan korjata, jos aaltomuoto tunnetaan. Jännite ja resistanssi /V Ylijännite suojaus Vakiovirtalähde COM mA / V Sulake Virtaetuvastus AC / DC A/Dmuunnin Tehollisarvo muunnin Virta Yksi sisäänmeno jännitteelle ja resistanssille, toinen virralle Virta ja resistanssi Digitaalinen yleismittari • Virran mittauksessa virta kulkee etuvastuksen läpi, jonka yli muodostuva jännite U = R * I ohjataan A/Dmuuntimelle • Resistanssimittauksessa mittari generoi vakiovirran, joka ohjataan mitattavan resistanssin läpi. Resistanssin yli muodostuva jännite ohjataan A/Dmuuntimelle. • A/D -muunnos yleismittarissa – Digitaalisissa yleismittareissa yleensä kaksoisintegroiva A/D -muunnin – Kaksoisintegroiva muunnin saadaan helposti tarkaksi ja lineaariseksi • Integroiva muunnin – Jännite muunnetaan ajaksi, joka muutetaan digitaaliluvuksi – Integraattori toimii verkkotaajuussuodattimena (Integrointiaika = verkkotaajuuden jakson moninkerta) C i(t) T Integraattori: Kaksoisintegroiva muunnin Kaksoisintegroiva muunnin T 1 vin (t ) dt C0 R digtaaliarvo Kello T Laskuri 1 vin (t ) dt C0 R Ohjauslogiikka 1 C T T0 T v ref R Vin C 1 C T v (t ) 1 i (t )dt C0 dt VIN =1 V VIN =1 V T T+T0 C v(t) R Komparaattori 0 i(t) T vref VIN =2 V T 0 Vref T T0 dt VIN =2 V R 1 i (t )dt C0 v (t ) v(t) 1. Sisääntulosignaalia Vin integroidaan aika T 2. Integraattoria puretaan vakiovirralla Vref/R, kunnes päästään nollapisteeseen. Tähän kuluva aika T0 mitataan T 1 vin (t ) dt C0 R 1 C T T0 T T+T0 vref R dt vinT vref T0 • C ja R supistuvat pois yhtälöistä • Ei tarkkuusvaatimuksia • Mitataan aikojen suhdetta • Kellon pitää olla stabiili • Taajuuden ei tarvitse olla tarkkaan tunnettu vin vref T0 T Saadaan helposti tarkaksi Kaksoisintegroiva muunnin • Yhteenveto: Yleismittarin epävarmuus • Tyypillisiä arvoja mittausepävarmuudelle @ 1 V DC – Kaksoisintegroiva muunnin saadaan helposti tarkaksi – Tarkkuus riippuu pääosin jännitereferenssin tarkkuudesta ja kellon stabiilisuudesta – Kellon tarkkuus ei juurikaan vaikuta, koska mitataan aikojen suhdetta – Muuntimella on hyvä lineaarisuus ja häiriönsieto – Kaksoisintegroiva A/D-muunnin on hidas verrattuna muihin A/D-muunnintyyppeihin. (<1 kHz) – Alle vuosi kalibroinnista ja käyttö ohjeen mukaan. – Epävarmuudet ilmoitetaan yleensä: X ppm/% näyttämästä (reading) + Y ppm/% mitta-alueesta (range) tai X ppm/% näyttämästä + N numeroa (digits) 1 V DC HP 3458A HP 34401A HP 3468A M-4650 Yleismittarin epävarmuus HP 3458A: 8,3 10-6 @ 1 VDC HP 34401A: 4,7 10-5 @ 1 VDC Reading -6 8 10 -5 4 10 -4 1,8 10 -4 5 10 Range 3 7 2 3 -7 10 -6 10 -5 10 -4 10 Total 8,3 4,7 2,0 8,0 Ohjeita mittarin käytössä • Suojaa mittalaitetta – Varmista mittauskohteen jännitteettömyys, kun teet resistanssimittauksia – Älä kytke mittaria jännitelähteeseen virtamittausasennossa – Varo: induktiiviset komponentit aiheuttavat jännitetransientteja (kelat, muuntajat, etc.) HP 3468A: 2,0 10-4 @ 1 VDC M-4650: 8,0 10-4 @ 1 VDC • Näin pienennät mittausepävarmuutta – – – – Mittaa mahdollisimman lähellä täyttä näyttämää Kannattaa mitata suhdetta, jos mahdollista Huomioi mittarin offset-jännitteet tai –virrat Resistanssimittauksissa huomioi mittausjohtimet -6 10 -5 10 -4 10 -4 10 Taajuuslaskurit Taajuuslaskuri • Signaalin taajuutta tai jaksonaikaa, tapahtumien lukumäärää ja usein myös aikaväliä voidaan mitata taajuuslaskurilla – Kehittyneillä laskimilla voidaan mitata mm. huippuarvoa, pulssin leveyttä, nousu- ja laskuaikaa… • Taajuuslaskurin lähtökohta: Kuva: Hewlett-Packard, application note AN-200 • Suora mittaus: lasketaan tulevien pulssien lukumäärä laskurin sisäisen kellon määräämässä ajassa. Taajuuslaskuri • Suoran taajuuslaskennan rajoituksia • Heterodyne-tekniikka – Laskureiden toimintataajuus (max ~3 GHz) • Heterodyne-teknikka (~20 GHz) • Taajuudensiirto-oskillaattori (~20 GHz) – 1 pulssin epävarmuus • Johtuu laskurin kellon ja signaalin välisen vaiheen satunnaisuudesta Signaali f fm Mittaus 1 N N 1 Tf m Riippuu taajuudesta Mittaus 2 Kuva: Hewlett-Packard, application note AN-200 fX Kf M fX Kf M input Kf M alipäästösuodin säädettävä suodin f M ,2 f M mikrokontrolleri signaalin havaitsin Nf M näyttöyksikölle kampageneraattori fM Suhteellinen epävarmuus: AGC-vahvistin mikseri fX sisääntuleva signaali Mf TB taajuuskertoja f TB tavanomainen laskuri Taajuuslaskuri laskurin kellolta • Taajuudensiirto-oskillaattori – Vaihelukitaan matalataajuinen jännitesädettävä oskillaattori sisääntulevaan signaaliin – Jännitesäädettävän oskillaattorin taajuus mitataan Laskennan epävarmuus • Pulssien laskennan 1 epävarmuuden pienentäminen – Periodimittaus – Keskiarvoistus ja kohina – PLL-taajuuskertoja Periodimittaus • Periodimittaus: laskurin sisäisen kellon jaksoja lasketaan signaalin periodin määräämä aika – Matalataajuisten signaalien mittaus Input signal fin Kuva: P. Horowitz ja W. Hill, The Art of Electronics Kuva: P. Horowitz ja W. Hill, The Art of Electronics Periodimittaus • Myös periodimittauksessa on yhden pulssin epävarmuus, nyt kuitenkin kellosignaalissa – Periodin pituuden mittauksen 1 epävarmuus (resoluutio): T Tm N N 1 T m f osc Tm n/ fm fm nf osc – Tietylle mittausajalle epävarmuus on vakio (ei taajuusriippuva) – Modernit laskurit valitsevat oikean mittaustavan automaattisesti Kuva: Hewlett-Packard, application note AN-200 Periodimittaus • Periodimittaus on suoraa mittausta herkempi signaalin kohinalle ja huojunnalle liipaisuvirhe – Hyvä signaali-kohina -suhde – Hyvä liipaisupiiri Kuvat: P. Horowitz ja W. Hill, The Art of Electronics Keskiarvoistus • Mikäli digitaalisessa mittauksessa on kohinaa siten, että arvo vaihtelee vähintään kahden tason välillä, saa mittaustulokseen lisää desimaaleja keskiarvoistamalla! • Kohinaa voidaan jopa lisätä tahallaan (dither, dithering) Ottopiiri • Signaalitaso – Vaimennin, vahvistin ja Schmitt-triggerin hystereesirajat määräävät signaalitason minimin Effects of dithering and averaging on a sine wave input [National Instruments] • Taajuuslaskureissa kohinaa on automaattisesti (±1 pulssia) joten sitä ei tarvitse lisätä – Tyypillisesti: 20 mV - 50 mV – Liipaisu positiiviselta tai negatiiviselta reunalta Ottopiiri Kuvat: Hewlett-Packard, application note AN-200 Ottopiiri • Sisääntulon AC- tai DC-kytkentä • Ottoimpedanssi – Taajuuslaskuri kuormittaa mitattavaa piiriä kuten esim. oskilloskooppi – Yleensä: • Taajuus < 10 MHz suuri-impedanssinen sisääntulo ~1 M /35 pF • Taajuus > 10 MHz 50 sovitettu sisääntulo • Suurin signaalitaso • Liipaisutason säätö – Vahvistimen lineaarinen alue määrää suurimman signaalitason • Saturoituminen (toiminta hidastuu), vaurioituminen – Vaimentimet • Yleensä: 10X, 100X tai jatkuva Kuvat: Hewlett-Packard, application note AN-200 Taajuuslaskurin mittausepävarmuus • Kaikissa mittauksissa: – Laskurin kellon epävarmuus – Laskennan epävarmuus (usein 1) • Periodimittaus – Lisäksi liipaisuvirhe • Aikavälin mittaus – Lisäksi systemaattisia virheitä start- ja stop-sisääntulojen eroista johtuen Kuva: Hewlett-Packard, application note AN-200