1. No category

1
Langaton pinsettimallinen yleismittari ja
oskilloskooppi
Otto Pekander ja Samuli Salonen
Aalto-yliopisto
Sähkötekniikan korkeakoulu
Signaalinkäsittelyn ja akustiikan laitos
Otakaari 5A
Tiivistelmä—Nykyiset yleismittarit ja oskilloskoopit on suunni-
Alle millimetrin kokoisille komponenteille ei löydy sopivia
teltu kestämään korkeita jännitteitä, eikä niiden käyttöliittymän
mittalaitteita tai ne ovat hyvin kalliita. Pienten komponenttien
suunnittelussa ole tapahtunut suuria muutoksia, vaikka mitatta-
asettamia haasteita on yleisesti pyritty lähestymään lisäämällä
vien komponenttien koko ja käyttöjännitteet alenevat jatkuvasti.
Nykyisen kaltaisilla isoilla mittajohdoilla on hyvin hankalaa mi-
piirilevylle noin millimetrin kokoisia mittapisteitä, joihin on
tata sähköisiä parametreja alle millimetrin kokoisista komponen-
helpompi saada komponentteihin nähden suuret mitta-anturit
teista. Tätä käyttötarkoitusta varten esittelemme tässä työssä pin-
liitettyä. Kun tehdään erittäin korkean tiheyden tuotteita, tä-
settimallisen langattoman mittalaitteen. Mittalaite on integroitu
mä ei ole enää mahdollista, sillä testipisteet vievät liian suu-
pinsetteihin, jolloin mittaus pienten pintaladottavien komponent-
ren määrän piirilevyn pinta-alasta.Varsin usein prototyyppien
tien yli helpottuu huomattavasti. Mittaustulos esitetään käyttäjälle esimerkiksi tabletin tai älypuhelimen isolla ja laadukkaalla
kokoonpanossa tai verifikaatiossa syntyy myös tarve kompo-
näytöllä. Koska esitelty laite toimii akulla ja on kelluva, voidaan
nenttien arvojen varmistukseen, sillä SMD-komponenteilla ei
mittaus suorittaa ilman oikosulkuvaaraa. Esitetty mittalaite saa-
ole yhtenäistä merkintästandardia komponenttiarvoille. Usein
vutti kaikissa toteutetuissa mittakategorioissa noin yhden prosen-
komponenttiarvoja ei merkitä ollenkaan, jotta piirilevystä oli-
tin mittausvirheen verrattuna National Instrumentsin ja Rigolin
si hankalampi tuottaa kopioita jälkikäteen. Pienten irrallisten
valmistamiin kalibroituihin tarkkuusmittalaitteisiin.
komponenttien parametrien mittaus on nykyisillä mittalaitteilla
lähes mahdotonta ja irralliset komponentit täytyy usein hävitI. J OHDANTO
tää. Yleisesti käytössä olevat mittalaitteet ovat kaiken lisäksi
Elektroniikassa ollaan jatkuvasti siirtymässä pienempiin
usein liian isoja, jotta niita haluaisi kantaa mukana. Toisaal-
komponenttikokoihin sekä alempiin käyttöjännitteisiin. Tuo-
ta monissa mittalaittessa myöskään näyttö ei ole erotettavissa,
tekehityksessä ja tutkimuksessa käytetyt yleismittarit ja oskil-
mikä voi olla joskus kätevää, kun esimerkiksi mitattava kom-
loskoopit ovat kuitenkin suunniteltu kestämään korkeita jän-
ponentti on auton konehuoneessa, mutta kytkimet joilla sitä
nitteitä, eikä niiden käyttöliittymän suunnittelussa ole tapah-
hallitaan, auton sisällä.
tunut komponentteihin nähden samassa suhteessa muutoksia.
Tässä työssä esitettävä pinsettimallinen yleismittari pyrkii
2
Markkinoilla oleviin mittalaitteisiin nähden langattomuus
tuo myös merkittäviä etuja, sillä raskasta prosesointia voidaan
siirtää suhteessa erittäin tehokkaille mobiiliprosessoreille. Mittalaitteen oma digitaalinen signaaliprosessori (DSP) voi grafiikan ja käyttöliittymän piirron sijaan keskittyä mittausdatan reaaliaikaiseen käsittelyyn. Käytetty DSP pystyykin reaaliajassa tuottamaan spektrianalyysiä mitatusta signaalista ja laskemaan siihen monia korjauskertoimia, joilla voidaan kompensoida esimerkiksi lämpötilan tai käyttöjännitteen muutoksien
Kuva 1. Pinsetteihin integroitu yleismittari ja oskillskooppi.
vaikutuksia mittaukseen. Erilaiset langattomat sensorit ovatkin
tekemässä läpimurtoa elektroniikassa älypuhelinten yleistyes-
vastaamaan näihin kysymyksiin. Hahmotelma pinsettimallisen
sä. Esimerkiksi erilaisissa terveyttä tarkkailevissa sensoreis-
yleismittarin ulkonäöstä on esitetty kuvassa 1. Työssä suun-
sa käytetään usein lyhyen kantaman verkkoja datan lähetyk-
niteltiin helposti mukava kulkeva yleiskäyttöinen testityökalu
seen ja kerätty informaatio esitetään esimerkiksi tietokoneella
pintaliitoskomponenteille. Ongelmaa ratkaistiin langattomuu-
tai kannettavissa älypuhelimen kaltaisissa laitteissa.[?] Myös
della, sillä näyttö on usein yksi mittareiden suurimmista ja kal-
kotiautomaatiossa kasvava trendi näyttää olevan tiedon esitys
leimmasta komponenteista. Suunniteltu mittari lähettää esikä-
älypuhelimissa. Esimerkiksi sähkönkulutusmittari saattaa ol-
sitellyn mittausdatan älypuhelimessa toimivaan sovellukseen.
la rakennettuna hankalaan paikkaan, mutta kulutusta voidaan
Samalla saadaan käyttöön sekä erittäin korkealaatuinen näyttö
seurata langattomasti omalla puhelimella. [2]
että mahdollistetaan näytön ja mittalaitteen erottaminen toisis-
Seuraavassa kappaleessa käsitellään laitteen elektroniikkaa
taan. Lisäksi erillisiä mittapisteitä ei tarvita, sillä pinsettimal-
ja mittaustekniikkaa. Kolmannessa kappaleessa käydään läpi
lisella yleismittarilla pintaliitoskoponenttien päistä on helppo
piirilevyn suunnittelu. Neljäs kappale käsittelee sekä mitta-
saada varma kontakti mittausta varten. Kun kokoonpano suori-
laitteen reaaliaikaohjelmistoa että näyttölaitteen ohjelmistoa.
tetaan pinseteillä, jotka samalla näyttävät komponentin arvon,
Viidennessä kappaleessa esitetään testitulokset. Kuudes kap-
voidaan varmistua, että ladottavat komponentit ovat varmasti
pale puolestaan käsittelee keskustelun suunnitellusta laitteesta
oikeita ja toleranssien sisällä. Myös komponenttihävikki pie-
ja seitsemännessä kappaleessa käydään läpi johtopäätökset.
nenee, kun irrallisten komponenttien arvot pystytään selvittämään.
II. E LEKTRONIIKKA JA MITTAUSTEKNIIKKA
Langattomuudesta ja pienestä koosta tulee myös haastei-
Kuvassa 2 on esitetty moduulitason kuvaus laitteen toi-
ta, sillä laitteen virrankulutus pitäisi pystyä minimoimaan ja
minnasta. Mittausteknisesti laite koostuu kahdesta osasta:
komponenttimäärä pitäisi pitää mahdollisimman alhaisena, jot-
oskilloskooppi- ja RCL-piireistä. Molemmat mittapiirit on kyt-
ta laitteen kokoa ei joudu kasvattamaan suurta akkua varten.
ketty samaan atulaan ja aktiivinen mittauspiiri valitaan releillä.
Lisäksi kustannukset lähetevät nopeasti kasvamaan, mikäli in-
Toinen pinsetin atula on kytketty analogimaahan, joten kaikki
tegrointiastetta kasvatetaan ja aletaan käyttämään kehittyneitä
mittaukset tapahtuvat tätä maatasoa vasten.
elektroniikan pakkausteknologioita ja HDI piirilevyjä.
Oskilloskooppipiiri on yksinkertainen ja tehty mahdollisim-
3
Käytännössä induktanssin laskeminen on vaikeaa, koska
RL-piirin aikavakio on liian pieni mitattavaksi nykyisellä mittataajuudella ja 1 kΩ:n testivastuksella. Pienten induktanssien
selvitykseen vaaditaan hyvin eri tyyppistä lähestymistapaa.
Kondensaattorin arvo määritetään kaavalla
Kuva 2. Mittalaitteen moduulitason arkketehtuuri
man vähillä komponenteilla. Oskilloskooppipiirin AC osio on
t
C = ln
R
Vin
Vin − VC
− C0 ,
(1)
missä t on latausaika, R käytetty sarjaresistanssi, Vin jänni-
esitetty kuvassa 3.
Piiri vaimentaa tulevaa signaalia ensin 20 dB ja lisää signaa-
telähteen antojännite sekä VC kondensaattorin yli mitattu jän-
liin tasajännitekomponentin, jolla mahdollistetaan myös ne-
nite. Yhtälön komponentti C0 on mittapiirin oma parasiitti-
gatiivisten signaalien mittaus. Mikäli käyttäjä valitsee pienen
jännitealueen, vahvistetaan ensin alipäästösuodatettua signaalia 28 dB. Suurin mitattavissa oleva signaali on siis 33 V ja
resoluutio 12-bit AD-muuntimella noin 8,1 mV tai 320 µV. Piirin kohinan tehollisarvo on maksimissaan 5 vähiten merkitsevää bittiä (5 LSB RMS) ja on peräisin tasajännitekomponentin
pulssinleveysmodulaatiolla toteutetusta säädöstä. Vahvistinpiirien tai vastusten kohina on kokonaiskohinabudjetissa merkityksetön. Suurin virhelähde signaaliin on käytännössä kuitenkin alun vaimennin, jonka kapasitanssi pitää erikseen kalibroida käyttäen trimmerikondensaattoria. Mikäli vaimentimen säätökondensaattorin arvo on liian pieni piiri alkaa soimaan. Liian
suuri arvo aiheuttaa korkeiden taajuuksien ylivaimentumista.
Komponenttien
arvon
määritykseen
käytettävä
RCL-
mittapiiri perustuu tuntemattoman komponentin askelvasteen
mittaukseen. Mitattavaan komponenttiin johdetaan impulssivaste tunnetun resistiivisen komponentin läpi. Mittauksessa
käytetään hyväksi oskilloskooppimittauksen tekniikkaa, eli
kun tuntemattomaan komponenttiin kytketään testijännite,
nen kapasitanssi, joka selvitetään tekemällä avoimista pinseteistä kapasitanssimittaus. Kuten kaavasta nähdään mittausepävarmuus riippuu suoraan käytetyn vastuksen, kellon ja ADmuuntimen tarkkuuksista. Koska mittaus on suhteessa ADmuuntimen käyttöjännitteeseen, ei sen epätarkkuus vaikuta
mittaustulokseen. Käytetyn sarjaresistanssin tarkkuus on 0,1
%, mutta käytännössä tähän summautuu vielä hajaresistanssia muualta: kytkinpiirin hajaresistanssi on 3,5 Ω, releen 0,1
Ω, juotoksista ja johtimista vaihtelevia määriä, sekä lopulta regulaattorin antoimpedanssi on noin 0,25 Ω. Osa näistä
komponenteista kalibroidaan pois mittaamalla piirin oikosulkuresistanssi. Osa epäideaalisuuksista muuttuu kuitenkin virran, lämpötilan ja jännitteen funktiona, eikä niiden täydellinen
kompensointi ohjelmallisesti ole mahdollista. Kellon ja ADmuuntimen resoluutio eivät ole tarkkuutta rajoittavia tekijöitä,
sen sijaan vahvistimien offset-jännite, joka muuttuu lämpötilan funktiona, aiheuttaa pysyvän virhelähteen. Huomattavaa
on, että parasiittisten komponenttien vaikutus korostuu, mikäli
käytettyä mittavastusta pienennetään.
otetaan tuntemattoman komponentin yli olevasta jännitteestä
Resistanssi mitataan käyttäen samoja referenssivastuksia.
näyte 2 µs välein, kuvan 3 kytkennällä. Impulssivastees-
Tuntematon vastus muodostaa jännitejakajan ja sen arvo voi-
ta saadaan siis muodostettua kuva, josta voidaan teoriassa
daan laskea kaavalla:
sekä tunnistaa komponentin tyyppi että laskea induktanssi,
kapasitanssi ja resistanssi.
R=
VR ∗ Rref
,
VR − Vin
(2)
4
Kuva 3. Oskilloskooppipiiri, signaali tulee pinsetin kärjestä vasemmalta alhaalta ja siirtyy operaatiovahvistin asteiden jälkeen suoraan muuntimen eri kanaviin
missä VR on tuntemattoman vastuksen yli oleva jännite, Rref
gitaalisista piireistä tuleva korkeataajuinen kohina pyrittiin pi-
käytetyn mittavastuksen arvo ja Vin jännitelähteen antojännite.
tämään pois mittakortin analogiosiolta. Piirilevyosiot on jaettu
Resistanssimittauksen epävarmuus muodostuu lähinnä käyte-
maatason avauksella. Parhaaksi tekniikaksi havaittiin maata-
tyn mittaresistanssin virheestä, joka on käytännössä sama kuin
sojen yhdistäminen yhdessä pisteessä mittajänniteregulaattorin
kapasitanssimittauksessa. Mittauksen resoluutio, kun käytössä
alla, jonka vieressä myös AD-muunnin sijaitsee. Tästä pistees-
on 12-bittinen AD-muunnin, saadaan kaavalla
tä oli mahdollista vetää mahdollisimman yhtenäinen ja kortin
R
≈ 240 mΩ,
−1
212
molemmilla puolilla kulkeva maataso akkuliittimelle asti käyt(3)
kun mittavastus on 1 kΩ. Hyvin pieniä vastus- tai jännitearvoja
täen läpivientirasteria. Tällä vältyttiin edeltävissä prototyypeissä ilmenneiltä maatasovirheiltä.
varten käytettävissä on myös 40 dB vahvistin, jolloin jännitePiirilevyn suunnittelussa kiinnitettiin erityistä huomiota
mittauksen sisääntuloon redusoitu resoluutio on 8 µV ja sitä
vuotovirtojen välttämiseen. Esimerkiksi kaikkien mittauksen
vastaava resistanssimittauksen resoluutio 2,4 mΩ. Näin korketarkkuuden kannalta tärkeimpien vastusten ympäri on jätetty
aa resoluutiota voidaan käyttää esimerkiksi oikosulun paikalmaatasoa estämään vuotovirrat viereisistä johtimista. Vastuslistamisessa, mutta mittauksen absoluuttinen arvo on lähinnä
ten alle on myös tehty avaus juotteenestopinnoitteeseen, jolviitteellinen, johtuen vahvistinpiirin offsetin matalan taajuuden
loin kokoonpanoprosessissa piirilevyn pinnalle mahdollisesti
vaihteluista.
jäävät johtavat suolot olisivat varmasti maapotentiaalissa. Tämä estää virran johtumisen komponenttien alla piirilevyn pinIII. P IIRILEVYN SUUNNITTELU
taa pitkin ja vähentää esimerkiksi kosteudesta aiheutuvia im-
Herkän analogielektroniikan suunnittelussa komponenttia-
pedanssitason muutoksia. Mikäli johtimessa kulkeva signaali
settelulla ja huolellisella piirilevysuunnittelulla on suuri mer-
taas on peräisin korkeaimpedanssisesta lähteestä, ongelmana
kitys. Erityisiä haasteita suunnittelulle toi rajoitus kahden ker-
on, että signaali voi vuotaa maahan ja vaimentua odottamatto-
roksen piirilevyihin, jolloin hyvän yhtenäisen maan saaminen
masti. Tällainen tilanne tulisi kyseeseen lähinnä, kun mitataan
koko piirilevyn alueelle oli haasteellista. Piirilevy, joka on esi-
erittäin korkeita yli 10 MΩ vastuksia. Käytännössä vuotovirto-
tetty kuvassa 4 jaettiin analogi- ja digitaaliosioihin, jolloin di-
jen riski pakottaa myös käyttämään operaatiovahvistinpiireis-
5
Taulukko I
K ÄYTETYN DSP- PROSESSORIN TÄRKEIMMÄT OMINAISUUDET [3]
Prosessori
Arkkitehtuuri
RAM-muistia
Flash-muistia
AD-muunnin
DMA
PWM
Matematiikka
Virrankulutus
Microchip dsPIC33FJ128GP804
16-bittinen, Muunneltu Harward, DSP
16 KB
128 KB
500 Ksps, 12-bit
1,1 Msps, 10-bit
±2 LSb max. signaalin epälineaarisuus
2 KB-DMA muisti, 8 eri DMA-kanavaa,
DMA-siirto ei pysäytä prosessoria
16-bitin tarkkuus, järjestelmän kellotaajuus
16 x 16 kerroin operaatiot
32/16 ja 16/16 jako-operaatiot
MAC - Jakaa muuttujan sekä summaa
yhdellä kellojaksolla
70 mA @ 40 MHz
IV. O HJELMISTOT
A. Mittalaitteen prosessorin reaaliaikaohjelmisto
Laitteen pääprosessoriksi valittiin Microchipin valmistama
16-bittinen DSP, jonka tärkeimmät ominaisuudet on esitetty taulukossa I. Prosessorin Harward-arkkitehtuuri ja erilliKuva 4. Piirilevyn analogiosion alareunassa näkyy pinsetin kiinnityskohta.
Analogimaa kulkee pitkin piirilevyn vasenta laitaa vältellen digitaalisia piirejä
aina akun liittimelle asti, jossa analogi ja digitaalimaa yhdistyy. Tämä raja
näkyy kuvassa valkoisella viivalla piirilevyn pinnassa.
nen kaksiporttinen DMA-muisti mahdollistaa mittausdatan reaaliaikaisen käsittelyn näytteenoton aikana. Ohjelmiston vuokaavio on esitetty kuvassa 5. Laitteistolle kirjoitettu ohjelmisto hyödyntääkin merkittävästi DMA-siirtoa sekä automatisoidussa näytteenotossa että datan lähetyksessä ulos kuten edellä
mainitusta vuokaaviosta nähdään. Tällä tavalla itse prosesso-
sä suuria pakkauskokoja, kun pienemmissä QFN-paketeissa ei
rin kapasiteetti on käytettävissä datan analysointiin, kuten da-
ole tilaa suojamaan käyttöön komponentin jalkojen ympärillä.
tan muuntamiseen kommunikaatiota varten ja reaaliaikaiseen
korjauskertoimien laskentaan tuleville datapisteille. Prosesso-
Passiivikomponenteissa käytännössä 0402 oli sopivin pak-
rin kapasiteetti riittää esimerkiksi FFT-muunnoksen reaaliai-
kaus valinta suhteessa kokoon, hintaan ja toleransseihin. Pie-
kaiseen tekoon oskilloskooppitilassa ilman käyttäjälle näkyviä
nemmissä 0201 komponenteissa on käytetty yleisesti metal-
viiveitä. Tämä vähentää myös Bluetooth-rajapinnan yli lähe-
liohutkalvovastuksien sijaan paksukalvotekniikkaa, jolla on
tettävän datan määrää, kun koko raakadataa ei tarvitse lähettää
huomattavasti suurempi terminen kohina ja merkittävä 1/f -
älypuhelimessa tai tabletissa toimivaan Android-ohjelmistoon.
kohinakomponentti, joka johtuu kalvon muodostavien rakeiden
hitaasta liikehdinnästä. Metalliohutkalvovastusten toleranssit
ovat myös yleensä paremmat ja resistanssin lämpötilariippuvuus alhaisempi.
B. Näyttölaitteenohjelmisto
Älypuhelimella tai tablettitietokoneella toimivan Androidohjelmiston vuokaavio on esitetty kuvssa 6. Bluetooth-
6
ADC-moduuli
DMA0
Katkoviivalla tapahtuvat siirrot
toimivat taustalla, eivätkä vaadi
prosesoriaikaa.
Mittasilmukka ja
signaalikäsittely
Oskilloskooppi
RCL-mittaus
Tasajännitemittaus
(Spektrianalyysi)
Akun tila
DMA1
UART/Bluetooth
Virranhallinta
Jännite offset
Asetukset
Käynnistysskripti
Asetusmuutokset
Moduulien alustus
Kuva 5. Sulautetun ohjelmiston vuokaavio.
rajapinnalta vastaanotettu data luetaan ja siitä tunnistetaan,
kiksi RCL- sekä tasajännitemittaustilassa mittatulokset skaala-
minkä mittaustilan dataa DSP lähettää. Ohjelma varmistaa
taan järkevään kerrannaisyksikköön. Lisäksi oskilloskooppiti-
myös, että käyttäjä on Android-ohjelmassa samassa mittausti-
lassa mittausdatasta voidaan muun muassa laskea aritmeettinen
lassa, jossa DSP on. Mikäli vastaantotettu data ei vastaa muo-
keskiarvo ja näyttää se käyrän piirron ohella käyttäjälle.
doltaan nykyistä ohjelmiston tilaa, ei tehdä mitään vaan jää-
Bluetooth-rajapinnalle lähetetty data pitää sisällään muun
dään odottamaan oikean tyyppisiä datapaketteja. Itse datasta
muassa käyttäjän asettamia asetuksia. Rajapinnan yli DSP:lle
ei tehdä mitään oletuksia, vaan lähettävän osapuolen täytyy
lähetetään esimerkiksi tieto siitä, missä mittaustilassa käyttäjä
reaaliajassa muuntaa mitattava data SI-yksiköihin. Tämä mah-
Android-päätelaitteellaan on, jotta DSP tietää siirtyä vastaa-
dollistaa ohjelmiston käytön myös muihin tarkoituksiin, sillä
vaan mittaustilaan ja lähettää takaisin oikeanlaista mittausda-
jännitteen sijasta voidaan lähettää esimerkiksi lämpötila, kos-
taa.
teus tai tuulimittauksia, eikä android ohjelmistoon tarvitse tehdä muutoksia. Mittaustulos voidaan esittää graafisena tai puhtaana numeroarvona.
Bluetooth-rajapinnan yli olevaan kommunikaatioon ei toteutettu erillistä kättely- tai kuittaustoteutusta. Tuotekehityksen aikana sille ei löydetty suurta tarvetta. Toisaalta valmiissa
Kun oikean tyyppistä dataa on saatu, ohjelma kirjoittaa vas-
tuotteessa kättelymekanismi voisi parantaa toimintavarmuut-
taanotetun mittausdatan sen tyyppiä vastaavaan puskuriin var-
ta, mikäli radioliikenne on kohinaista tai signaalitasot heikot.
sinaista esittämistä varten. Riippuen mittaustilasta ja asetuk-
Kättely kuitenkin lisää latensseja ja lähetettävän datan määrää,
sista, raakadatalle suoritetaan vielä skaalaus-, korjaus-, ja las-
joita yritettiin kommunikaatioprotokollaa tehdessä minimoida.
kentaoperaatioita, ennen kuin se esitetään käyttäjälle. Esimer-
Kuvassa 7 on esitetty kuvankaappaus käyttäjärajapinnasta,
7
kun käyttäjä on valinnut oskilloskooppitilan. Näyttöön on li-
Bluetooth-palvelu
sätty myös signaalin aritmeettinen keskiarvo, sekä maksimi ja
minimiarvojen esitys.
Kuvassa 8 puolestaan on esitetty RCL-mittaustila, jossa esitetään kaikki mitattavissa olevat parametrit. Mikäli jotain parametria ei saada mitattua tai se on nolla, ilmoitetaan siitä
käyttäjälle korvaamalla numeroarvo kolmella viivalla.
Tilakone
Oskilloskooppi
RCL-mittaus
Tasajännitemittaus
Asetukset
Kuvissa 7 ja 8 oikeassa reunassa olevilla napeilla ohjataan
Android-ohjelman toimintaa. Tasajännitemittaustila on esitykseltään lähes identtinen RCL-mittaustilan kanssa.
Datan esitys
V. T ESTITULOKSET
Laitteen suorituskykyä mitattiin vertaamalla mittaustuloksia National Instruments:in valmistamaan PXI-4065 6,5merkitsevän numeron digitaaliseen yleismittariin. JännitemitKäyttöliittymä
tauksissa käytettiin signaaligeneraattorina Rigolin valmistamaa
DG-4062 16-bit satunnaissignaaligeneraattoria. Mittasignaali
Kuva 6. Android-ohjelmiston vuokaavio.
syötettiin laitteeseen suoraan koaksiaalikaapelia käyttäen, jotta toimistoympäristöstä ei tulisi merkittävää kohinaa mittaukseen. Mahdolliset mittaukseen vaikuttavat maasilmukat pyrittiin estämään käyttämällä kaikkia laitteita UPS-järjestelmän
akulla. Myös itse mittakortti sai käyttövirran kyseisestä akusta.
Kuvissa 9 ja 10 on esitetty mitatut DC-jännitteet ja kuvassa 11 taas näiden suhteellinen ero referenssistä. Tutkittu yksilö kykeni siis prosentin mittausvirheeseen koko alueella, kun
Kuva 7. Kuvakaappaus Android-ohjelmiston oskilloskooppitilasta.
tutkittavana on tasajännitekomponentti ja ohjelmiston annetaan
automaattisesti valita oikea jännitealue. Kun androidohjelmistossa käyttäjä asettaa ruudukon kooksi 0.5 V/DIV ja jolloin
maksimi jännite on 2.5V, siirrytään automaatisesti käyttämään
tarkempaa jännitealuetta.
Kun mahdollisia häiriölähteitä tutkittiin, havaittiin, että vaimennetussa signaalissa suurimman ongelman tuottaa jänniteoffsetin luova piiri, jonka ulostulo ei pääse tarpeeksi lähelle
nollaa ja jonka offsetilla on lisäksi hyvin matalien taajuuk-
Kuva 8. Kuvakaappaus Android-ohjelmiston RCL-mittaustilasta.
8
sien 1/f komponentti. Kun tämän jälkeen käytetään taas vah-
ei absoluuttisesti pystyttykkään määrittämään.
vistusta, siirtyy tämä “virtuaalisen nollatason” huojunta kymmenkertaisena mittatulokseen. Ratkaisu tähän olisi lisätä pii-
VI. K ESKUSTELUA
riin negatiivinen jännitelähde, jolloin vahvistimet saavuttaisi-
Suuniteltu laite kykenee toteuttamaan sille asetetut vaati-
vat puhtaasti nollan ja niiden jännite offset olisi merkityksetön
mukset, eli lähinnä komponenttiarvojen nopean määrittämi-
12-bitin tarkkuudella. Kuvasta 10 nähdään, että kun ei käytetä
sen, tarkan tasajännitemittauksen ja referenssinä toimivan os-
oskilloskoopin sisääntuloa vaan vaimentamatonta piensignaa-
killoskooppimittauksen. Laitetta on helppo käyttää ja puheli-
li sisääntuloa, päästään huomattavasti parempiin tarkkuuksiin.
mella toimiva ohjelmisto on huomattava parannus yleismitta-
Tässä tapauksessa mittatarkkuus rajoittuu pienillä alle 100 mV
reiden kehnoihin näyttöihin. Laitteen tarkkuus ei ehkä kaikissa
signaaleilla offsetin kalibroinnin tarkkuuteen, ja toisaalta tätä
luokissa ole vielä tyydyttävä, mutta mittalaitteen komponentit
suuremmilla arvoilla AD-muuntimen sisäiseen epälineaarisuu-
maksavat tällä hetkellä noin $40 tuhannen kappaleen erässä.
teen, joka on noin 0,25 % ja maksimissaan 0,4 %.
Tästä noin $20 kuluu Bluetooth-moduuliin sekä prosessoriin.
Resistanssimittauksen tarkkuus on esitetty kuvassa 12. Re-
Oskilloskooppimittauksen rajoittava tekijä lienee langattoman
sistanssimittauksessa suurimmat virheet muodostuvat selväs-
datasiirron maksiminopeus, joka on 115 200 b/s tai 921 600
ti piensignaalimittapiirin jännitemittaustarkkuudesta, joka oli
b/s, riippuen käytetystä Bluetooth-moduulista ja puhelimesta.
esitetty edellä, sekä mittaresistorien tarkkuudesta. Näistä saa-
Mikäli näytenopeutta kasvatetaan merkittävästi, joudutaan sa-
daan jo yhdessä laskettua, kun lämpötilan vaikutus otetaan
malla joko kasvattamaan mittakortin oman muistin määrää, tai
huomiooon noin
siirtymään muihin langattomiin ratkaisuihin, jotta datamäärä
pystytään käsittelemään kohtuullisessa ajassa.
4X
=
q
=
p
=
0, 42%
x2res
+
x2kytkin
+ xADC + xtemp
(4)
0, 0012 + 0, 0022 + 0, 00252 + 0, 00252
Voisi olla kiinnostavaa hyödyntää akullisen työkalun potentiaalia 16-bittisellä AD-muuntimella. Johtuen valitusta kommunikaatioprotokollasta, tämä ei lisäisi lähetettävän datan
määrää lainkaan. Lisäksi usein 16-bittiset mittalaitteet ovat
Laskennallinen tarkkuus on hyvin lähellä mitattuja arvoja. Pienillä ja hyvin suurilla vastusten arvoilla tarkkuus pienenee, sillä AD-muuntimen resoluutio alkaa olla heikko. Kaikkein yleisimmin käytetyillä vastusten arvoilla voidaan hyvinkin saavuttaa luotettavasti alle prosentin mittausvirhe.
Kondensaattorien mittauksen tarkkuutta ei pystytty verifioimaan, sillä käytössä ei ollut laitetta, jonka suhteellinen tark-
näytteistystaajuudeltaan hitaita, jolloin tiedon siirto ei jää
välttämättä enää pullonkaulaksi. Siirtyminen tarkempiin ADmuunnoksiin kuitenkin tarkoittaa samalla pakollisia negatiivisia jännitteitä ja vähintään nelikerrospiirilevyä, jotta todellinen
tarkkuus voi parantua. Pelkästään lisäämällä negatiivinen jännitelähde, voidaan tehdä suuri parannus DC-tason tarkkuuteen
ja sitä myöten parantaa kaikkien mittaustilojen tarkkuutta.
kuus olisi riittävä kalibroinnin suorittamiseen. Laitteella kui-
RCL-piirin tarkkuutta voidaan myöskin lisätä käyttämäl-
tenkin mitattiin useita kondensaattorikokoja, ja saadut arvot
lä suhteellisen halpaa ja hidasta 24-bittistä delta-sigma AD-
olivat aina valmistajan antamien toleranssien sisällä, riippu-
muunninta. Resoluutio pienillä ja erittäin suurilla vastusarvoil-
matta siitä oliko ilmoitettu tarkkuus 5 % tai 10 %. Voidaan
la saadaan sillä hyvin korkeaksi. Toisaalta kondensaattorimit-
siis olettaa, että mittatarkkuus on vähintään 10% vaikka sitä
tauksessa näytteistyksen ajoituksen tarkkuus on niin suuri, että
Mitattu jännite dBV
20
0
−20
Mittakortti 10X
PXI-4065
−40
−40 −30 −20 −10
0
10
20
Mitattava signaali (DG-4062)
Suhteellinen mittausvirhe prosentteina
9
2
Probe 10X
1.5
1
0.5
0
−0.5
101
102
103
104
105
106
Resistanssi mitattuna PXI-4065
107
Kuva 12. Resistanssimittauksen tarkkuus, kun tuloksia verrataan PXI-4065
yleismittamoduulin lukemiin, joiden tyypillinen virhe on alle 100 ppm.
Kuva 9. DC-mittaus käyttäen 20 dBV vaimennusta.
24-bittinen jännitearvon mittaus lisäisi tarkkuutta merkittäväs-
Mitattu jännite dBV
ti. Myös kunnollinen 16-bittinen muunnin olisi tässä suhtees0
sa jo suuri parannus nykyiseen 12-bittiseen muuntimeen, jonka sisäinen vahvistusvirhe ja offset käytännössä nyt asettavat
−20
rajan piirin tarkkuudelle.
Induktanssimittaus ei tosin näilläkään konsteilla tule kovinMittakortti 1X
PXI-4065
−40
−40
−30
−20
−10
0
10
Mitattava signaali (DG-4062)
hestymistapa. Tälläinen voisi olla esimerkiksi oskillaattoripiiri,
johon tuntematon kela kytketään. Piirin taajuuden muutoksista
pystyttäisiin tuolloin ratkaisemaan tuntemattoman kelan arvo
Kuva 10. DC-mittaus ilman vaimennusta
hyvinkin tarkasti, kun prosessori toimii korkealla taajuudella
ja laadukkaalla oskillaattorilla. Tämän tyyppinen piiri tarvitsee
2
Suhteellinen virhe prosentteina
kaan hyväksi, vaan sen mittaukseen tarvittaisiin aivan uusi lä-
paljon korkealuokkaisia kytkimiä, joilla kontrolloidaan eri testikuormia, ja on siksi hyvin hankala toteuttaa pienessä koossa.
1
VII. J OHTOPÄÄTÖKSET
0
Tässä työssä esiteltiin langaton pinsettimallinen yleismittari
ja oskilloskooppi. Hanketta voidaan pitää onnistuneena, kun
Mittakortti 10X
Mittakortti 1X
−1
0
2
4
6
8
Mitattava signaali (DG-4062)
Kuva 11. DC-mittauksen tarkkuus, kun referenssinä käytetään PXI-4065 mittamoduulin arvoja, joiden tyypillinen virhe on alle 70 ppm.
tarkoituksena oli tuottaa laite, jota voidaan käyttää komponenttien lajitteluun ja niiden arvojen varmistukseen. Laitteella
saavutetaan myös kohtuullinen kahden tai kolmen tunnin käyttöaika riippuen mittaustyypistä. Tämä on varsin riittävä prototyyppien rakentelussa. Toiminta-aikaa voi myös jatkaa käyttä-
10
mällä laitetta USB kaapelilla. Tarkoituksena oli saada riittävän
tarkka mittaustulos kätevästi ja nopeasti ja siinä projektissa onnistuttiin. Laitteesta saatiin myös niin pieni ja kevyt, ettei se
häiritse, vaikka laitetta käytettäisiin pidempiäkin aikoja.
V IITTEET
[1] H. Alemdar, C. Ersoy, ": A survey", "Computer Networks", vol. 54, s.
2688-2710, 2010.
[2] M. Kovatsch, M. Weiss, D. Guinard. "Embedding internet technology
for home automation." Emerging Technologies and Factory Automation
(ETFA), 2010 IEEE Conference on. IEEE, 2010
[3] Microchip dsPIC33FJ128GP804 datasheet
[4] National Instruments PXI-4065 datasheet
[5] Rigol DG-4062 datasheet