Multimeter och räknare Läsanvisningar Carlson, Johansson: Elektronisk Mätteknik • • • • • • • Multimeter och räknare Kap. 3.1 – Allmänt om spänningsmätning, s.127 – 130 Kap 3.3 – Ingångssteget i en DVM/DMM, s. 136 – 137 Kap 3.4 – Integrerande A/D-omvandling, s. 140 - 142 Kap 3.6 - 3.8 – Mätning av växelspänning/strömmar/resistans, s. 151 – 169 Kap 3.9 – Speciella DMM-funktioner, s. 170 – 172 Kap 4.1 – 4.6 s. 193 – 226 Kap 4.8 – 4.10 – Övriga mätfunktioner, styrning av mätförlopp samt mätosäkerhet, s.246 - 270 Du skall känna till och kortfattat kunna beskriva: • • • • • • • • • • • • • Likriktat medelvärde, effektivvärde och toppvärde Digital voltmeter Ingångsimpedans Integrerande A/D-omvandling och undertryckning av nätstörningar (50 Hz). Tvåtråds- och fyrtrådsmätning av resistans Konventionell och reciprok frekvensräknare De fem vanligaste mätfelsorsakerna vid frekvens- och tidintervallsmätning Påverkan av hysteresbandets bredd för triggerns känslighet och när olika bredd på hysteresband används Det s.k. ±1 felet vid frekvensmätning Relativ och absolut noggrannhet för konventionell och reciprok frekvensräknare Period- och tidintervallsmätare Stigtid, falltid, amplitud, periodtid, frekvens och pulslängd för en pulsliknande signal DC-kopplad resp. AC-kopplad ingång på frekvensräknare resp. periodtidsmätare För godkänd laboration krävs: 1 Upplägg Multimeter • • • • • Grundprincip Inre resistans Spänningsmätning Resistansmätning Strömmätning • • • Godkänt på de skriftliga förberedelsefrågorna. Godkänd laboration Godkänd rapport eller godkänd granskning av rapport Multimeter - instrument HP/Agilent 34401 – bänkmultimeter Hög noggrannhet, GPIB Räknare • • • • • 2 Grundprincip Konventionell räknare Reciprok räknare Mätmetoder Upplösning Fluke 75 / 77 – handhållen multimeter Billig, enkel, låg upplösning, enklare att ha i fickan 4 3 Integrerande A/D-omvandlare Multimeter - blockschema Tref*Ux=Tx*Uref Ux 5 Uref Ux=Tx*Uref/Tref 6 1 Operationsförstärkaren Den inverterande förstärkaren Icke-inverterande ingång Vout = (V + − V − ) ⋅ G G=∞ Vout = V + −V − = 0 G + V =V − Vout = (V + − V − ) ⋅ G Inverterande ingång • Ideal Operationsförstärkare: – Oändlig förstärkning (G) – Oändlig bandbredd (oändligt snabb) – Oändlig inresistans (ingen ström genom + och -) – Ingen utresistans (kan driva ström) • V+ = V- (eftersom V+ i detta fall är kopplat till jord fås en “virtuell jord” vid V-) • IIN = 0 (oändlig inresistans, ingen ström flyter in i operationsförstärkaren)=> • I1= I2 Vin = I 1 ⋅ R1, I 1 = Integratorn • • • • Vin R2 , Vout = − I 2 ⋅ R 2, Vout = − ⋅Vin R1 R1 Integrerande A/D-omvandlare I några AD-omvandlare används en integrator Utsignalen från en integrator beror på tiden och insignalen En integrator kan implementeras med en OP-förstärkare och en kondensator Spänningen över kondensatorn kommer att vara lika med utspänningen Generellt för en kondensator gäller Vout = (V + − V − ) ⋅ G t VC = 1 i (t ) dt C ∫0 Tref*Ux=Tx*Uref t Vout = − 1 Vin dt RC ∫0 Ux Uref Ux=Tx*Uref/Tref 10 Multimeter - störningar 11 Institutionen för Elektrisk Mätteknik 12 2 Multimeter - störningar Andra A/D-omvandlare • Integrerande AD-omvandling vanlig • Styrning av integrationstiden möjliggör undertryckning av störning • Alla frekvenser med ett helt antal våglängder inom integrationstiden kommer undertryckas • • • • • Parallellomvandlare (Flash) Deltapulsmodulation Successiv approximation Spänning/frekvensomvandling etc 13 Multimeter - mätmetoder 14 Multimeter - spänningsmätning • För att mäta ström, resistans och växelspänning måste dessa konverteras till en DC-spänning först • A/D-omvandlaren mäter likspänning. • Andra storheter måste omvandlas till likspänning innan mätning • Växelspänning – – – – Peak – topp Peak-peak – topp-topp Average – likriktat medelvärde RMS Root mean square - effektivvärde • Växelspänning kan omvandlas genom heleller halvvågslikriktning 15 Multimeter - växelspänning 16 Multimeter - växelspänning Helvågslikriktning • Effektivvärdet mest intressant • Den växelspänning som utvecklar samma effekt i t.ex. en resistor som en likspänning med samma storlek. T • Likriktat medelvärde: – Oftast inte intressant i sig T U = 1 U (t ) dt T ∫0 17 Repetition, Ohms lag: P=U*I=U2/R 2 U EFF = 1 U 2 (t )dt T ∫0 18 3 Multimeter - växelspänning Multimeter - växelspänning • Formfaktorn och toppfaktorn beskriver hur amplituden förhåller sig till effektivvärdet. formfaktor n = U EFF U toppfaktor n = • Hur mäter man effektivvärdet? • Enkelt och billigt: – Mät likriktat medelvärde och räkna om till effektivvärde mha formfaktorn – Ger bara rätt värden för sinussignal • Mer avancerade instrument: – Mäter sant effektivvärde (true RMS) Uˆ U EFF 19 Multimeter - mätmetoder 20 Multimeter - strömmätning • För att mäta ström, resistans och växelspänning måste dessa konverteras till en DC-spänning först Viktigt att R inte är stort för att undvika att påverka kretsen man mäter på. 21 22 Multimeter - mätmetoder Multimeter - strömmätning • För att mäta ström, resistans och växelspänning måste dessa konverteras till en DC-spänning först Viktigt att R inte är stort för att undvika att påverka kretsen man mäter på. 23 24 4 Multimeter - resistansmätning Multimeter - resistansmätning Konstantströmmetoden • Två olika metoder att omvandla en resistans till en spänning – Konstantströmmetoden – Kvotmetoden Kvotmetoden 25 Multimeter - resistansmätning 26 Multimeter - instrument HP/Agilent 34401 – bänkmultimeter Hög noggrannhet, GPIB Tvåtrådsmätning Fyrtrådsmätning Fluke 75 / 77 – handhållen multimeter Billig, enkel, låg upplösning, enklare att ha i fickan 28 27 Multimeter – inre resistans Multimeter - bakgrund • Spänningsmätning – Hög inre resistans • Viktigt att veta vad mätinstrumentet har för inre resistans. • Vilken mätprincip använder instrumentet? • Hur påverkar mätinställningarna noggrannheten? Låg resistans ger spänningsdelning → mätfel • Strömmätning – Låg inre resistans Hög resistans påverkar strömmen i kretsen 29 30 5 Räknare Räknare - varför • Frekvens • Periodtid (1/f) • Tidmätning (T1-T2) • Ett oscilloskop har normalt 3 – 4 siffors noggrannhet som bäst • En räknare kan ha upp till 9 siffor • Stigtid/falltid • Pulslängd • Avståndsmätning • GPS 31 32 Räknare - frekvens Räknare - puls • Frekvens anger hur många gånger en signal repeteras per sekund. • Periodtidens inverterade värde, f = 1/T = N/TN Periodtid för två olika signaler 33 Räknare - konventionell 34 Konventionell frekvensräknare Mäter antalet ingångscykler N under en viss mättid, typiskt 1 sekund. Okänd signal Fyrkantspuls Tidfönster 1 s. 35 36 6 Räknare - upplösning Räknare - tidmätning Mätosäkerhet då man kan få med delar av perioder, ± 1 insignalscykel (relativt fel). Kvantiseringsfel (absolut fel) = 1 / Mättiden 10 sekunder ger t. ex. upplösningen 1/10= 0.1 Hz Genom att byta plats på ingångsteget och oscillatorn får man en tidräknare. 37 Räknare - reciprok 38 Räknare - reciprok • Klarar av att mäta frekvens enligt f = N / TN • 2 separata räknarsteg - mäter över helt antal perioder • Alltid n hela perioder av insignalen • Mätningen är inte synkroniserad med klockpulserna ibland räknas klockpulsperioder och ibland ej 39 Räknare - upplösning 40 Räknare - interpolation • Hög upplösning även vid låga frekvenser • Relativa felet är nu ± 1 klockcykel men det absoluta felet är oförändrat • Genom att hålla koll på var i klockpulserna man startar mätningen kan man få ännu högre noggrannhet • En interpolatorkrets mäter fasläget på klockpulsen 41 42 7 Räknare - tidmätning Räknare - tidintervall SR-vippa öppnar och stänger OCH-grinden 43 Räknare - tidintervall 44 Räknare – tidmätning • Mätosäkerhet på ± 1 klockcykel • För att höja noggrannheten kan man – Öka klockfrekvensen – Interpolera – Använda medelvärdesbildning Ingen synkning av start/stop och klockan ger en upplösning som är 1 klockpuls 10 MHz tidbasoscillator => 100 ns upplösning 45 Räknare - ingångssteg 1 MΩ, frekvensberoende ok för < 100 MHz mindre belastning på objektet 50 Ω för HF system 46 Räknare - ingångssteg x1 eller x10 Frekvensoberoende dämpning 47 Övre gränsfrekvens ACofta 50-100 kHz kopplingskondensator reducerar brus Vars kapacitans bestämmer den undre gränsfrekvensen för ingången, vanligen Det dynamiska området är typiskt -5V / 10-50 Hz +5V. Kan gå upptill -50 /+50V med 10x dämpningen. Över det kapar dioderna 48 topparna för att skydda instrumentet. 8 Räknare - komparatorn Räknaren - hysteresband Jämför insignalen med en triggernivå och slår om när triggernivån passeras Skillnaden mellan triggpunkten och återställningspunkten kallas hysteresband 49 Räknare - hysteresband Smalt 50 Räknare – triggnivå Med AC-kopplingen ligger triggnivån på 0V och därmed ligger även hysteresbandet kring 0V. Brett För en osymmetrisk signal kan därför triggvillkoret bli fel Hysteresbandets förhållande till insignalen kan varieras genom en ställbar komparator eller genom att dämpa insignalen. Lågpassfilter samt ställbar hysteres => bra brusundertryckning 51 Räknare - triggnivå 52 Räknare - skillnader Skillnader mellan tid och frekvensmätningar 53 54 9 Tidbasoscillatorn Tidbasoscillatorn • Vanligast är kvartskristall (SiO2) • Bygger på piezoelektrisk effekt • Resonansfrekvensen beror bl.a. tjockleken, ytan och massan • Problem; åldring, gravitation, stötar och retracing Tre olika typer av kristalloscillatorer för olika krav Standardoscillatorer (UCXO = uncompensated x-tal oscillator) 10 ppm frekvensändring 0-50° C (ca 100Hz) Temperaturkompenserade oscillatorer (TCXO) en termistor styr en fintrimmningskondensator 1 ppm frekvensändring 0-50° C (ca 10Hz) Ugnsstabiliserade oscillatorer (OCXO) kristallen sitter i ett hölje/ugn som hålls vid konstant temperatur (70° C ± 0,01 ) av effekttransistorer 0,1-0,002 ppm frekvensändring 0-50° C (ca 1-0,02 Hz) 55 56 Mätosäkerheten De vanligaste osäkerhetsfaktorerna för frekvens- och tidintervallmätning är: • • • • • Mätningens upplösning Triggerfel p.g.a. brus Tidbasoscillatorns osäkerhet Triggerpunktens inställningsosäkerhet Skillnader mellan ingångskanaler 57 10
© Copyright 2024