1. No category

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