Multimeter och räknare
Del 1: Multimetern
1
Multimeter
2
1
Multimeter - bakgrund
•  Numera nästan alltid digitala
•  Klarar av att mäta många storheter
•  Mäter t ex spänning, resistans, ström,
kortslutning, temperatur mm.
•  Handhållen, billig med lägre noggrannhet
•  Stationär - bänkmultimeter, dyr med hög
noggrannhet
3
Multimeter - instrument
HP 34401 – bänkmultimeter
Hög noggrannhet
Datorkommunikation
Fluke 77 el 75 – handhållen multimeter
Billig, enkel, låg upplösning, enklare
att ha i fickan
4
2
Upplägg för föreläsningen
Multimeter
• 
• 
• 
• 
• 
Grundprincip
Inre resistans
Spänningsmätning
Strömmätning
Resistansmätning
5
V
Begrepp
Vp
Vpp
0V
• 
• 
• 
• 
• 
Vos
t
Vp: Toppvärde
Vpp: Topp till toppvärde
VRMS : Effektivvärde = Vp/√2 ≈ 0,71 Vp (sinus)
V: Likriktat medelvärde = 2Vp/π ≈ 0,64 Vp (sinus)
Vos: Offset: Överlagrad likspänning
6
3
Multimeter - blockschema
7
Multimeter
Upplösning
Ex. Handhållen multimeter
•  3 ½ siffror
•  Visar värden mellan 0000-3999,
decimalkomma på lämplig
plats.
•  Motsvarar 12 bitar AV-omv.
Ex. Bänkmultimeter
•  6 ½ siffror
•  Visar värden mellan
0000000-3999999,
decimalkomma på lämplig
plats.
8
•  Motsvarar 22 bitar AD-omv.
4
Flash-omvandlare
Ej tillräcklig upplösning för
multimeter i praktiken
9
Integrerande omvandlare
Mätvärdet erhålls i instrumentet som ett tidsmått
10
5
Integrerande omvandlare
11
Multimeter - bakgrund
•  Viktigt att veta vad mätinstrumentet
har för inre resistans - för att avgöra
om mätvärdet riskerar att påverkas.
•  Vilken mätprincip använder
instrumentet?
•  Hur påverkar mätinställningarna
noggrannheten?
12
6
Multimeter – inre resistans
•  Spänningsmätning
–  Parallellt med spänningskällan
•  Hög inre resistans nödvändig, typ. 1 – 10 MΩ
•  För låg resistans påverkar uppmätt spänning
genom spänningsdelning → mätfel
Instrumentets inre
resistans ger ca 5%
lägre värde på
spänningen över
500 kΩ resistorn
13
Multimeter – inre resistans
•  Strömmätning
–  I serie med strömkällan
•  Låg inre resistans nödvändig, typ 0,1 – 100 Ω
•  För hög resistans påverkar strömmen i kretsen →
mätfel
Instrumentets inre
resistans ger ca 1%
lägre värde på
strömmen
14
7
Multimeter - blockschema
15
Multimeter - mätmetoder
•  En multimeter mäter alltid likspänning
•  För att mäta växelspänning, ström och
resistans måste dessa konverteras till en
DC-spänning först
16
8
Multimeter –
växelspänningsmätning
•  Växelspänning omvandlas genom
likriktning.
17
Multimeter - växelspänning
•  Vanligaste omvandlingssättet –
helvågslikriktning.
•  Alla negativa perioder ”vänds” till
positiva istället.
1
U =
U (t )dt
•  Likriktat medelvärde:
T !
T
–  Oftast inte intressant i sig
0
18
9
Multimeter - växelspänning
•  Effektivvärdet mest intressant
•  Den växelspänning som utvecklar
samma effekt i en komponent som en
likspänning med samma storlek.
T
U
2
EFF
1
= ! U 2 (t ) dt
T 0
19
Multimeter - växelspänning
•  Formfaktorn och toppfaktorn beskriver
hur amplituden förhåller sig till
effektivvärdet.
U
formfaktorn = EFF
U
Uˆ
toppfaktorn =
U EFF
20
10
Multimeter - växelspänning
•  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
21
Multimeter - växelspänning
22
11
Multimeter - växelspänning
Effektivvärdet
23
Multimeter - strömmätning
Viktigt att R inte är stort för att undvika att
påverka kretsen man mäter på.
24
12
Multimeter - resistansmätning
•  Två olika metoder att omvandla en
resistans till en spänning
–  Konstantströmmetoden
–  Kvotmetoden
25
Multimeter - resistansmätning
Konstantströmmetoden
Kvotmetoden
26
13
Multimeter - resistansmätning
Tvåtrådsmätning
Fyrtrådsmätning
27
Multimeter - mätosäkerhet
Anges normalt i specifikationen som:
± (% av avläst värde + antal steg i minst signifikant siffra)
Ex.
Fluke 77
Avläst värde på 320 Ω området (Upplösning 0.1 Ω): 95,3 Ω
Osäkerhet: ± (0,5% av 95,3 + 2 x 0,1) Ω = ± (0,48 + 0,2) Ω ≈ ± 0,7 Ω 28
14
Multimeter – mätosäkerhet
Kalibrering
Kom ihåg att instrument-specifikationer gäller under en viss tid
som anges av tillverkaren, t ex upp till ett år.
För att säkerställa att specifikationerna uppfylls och för att
minimera mätfelen måste instrumenten kalibreras regelbundet.
Hur ofta beror på tillämpningen. För utveckling, produktion och
underhåll av medicinteknisk utrustning krävs normalt kalibrering
minst en gång per år eller oftare, beroende på riskanalys och de
rutiner som utnyttjas för kvalitets-säkring.
29
Multimeter - störningar
•  Integrerande AD-omvandling vanlig
•  Styrning av integrationstiden
möjliggör undertryckning av störning
•  Alla frekvenser med ett helt antal
våglängder inom integrationstiden
kommer undertryckas. Ex 50 Hz –
20 ms periodtid.
30
15
Störningsundertryckning Integrerande omvandlare
TREF väljs till en heltalsmultipel av periodtiden på
den störning man vill undertrycka!
31
Störnings-undertryckning Integrerande omvandlare
SMRR – Series Mode
Rejection Ratio
50 Hz
32
16
Störnings-undertryckning Integrerande omvandlare
Integrationstiden i instrumentet påverkas av
vald upplösning (antal siffror)
33
Multimeter och räknare
Del 2: Räknare
34
17
Räknare – varför?
•  Ex. Givare som ger frekvens som utsignal
Quartz Crystal Microbalance- QCM
- Biokemisk sensor
Massan från molekyler som belastar
påverkar resonanfrekvensen
Varvtalsgivare, induktiv
Utsignalfrekvens proportionell
mot varvtal
Ex. Övervakning av pumpar i
dialysmaskiner
35
http://www.biolinscientific.com/technology/qcm-d-technology/
Räknare – varför?
•  Mätning av tid eller frekvens
•  Ett oscilloskop har normalt 3 – 4
siffors upplösning som bäst
•  En räknare kan ha 9 eller fler siffror
36
18
Räknare - frekvensmätning
•  Frekvens anger hur många gånger en signal repeteras
per sekund.
•  Periodtidens inverterade värde, f = 1/T
•  Om mätningen görs som ett medelvärde över flera (N)
perioder: f = N/TN
Periodtid för två olika signaler
37
Räknare - puls
38
19
Räknare – konventionell
frekvensmätning
Mäter antalet ingångscykler N under en viss
mättid, typiskt 1 sekund.
Fyrkantspuls
39
Räknare - upplösning
Mätosäkerhet då man kan få med delar av perioder,
± 1 insignalscykel (relativt fel).
Kvantiseringsfel (absolut fel) = 1 / Mättiden
10 sekunder ger t. ex. absoluta upplösningen 1/10=
0.1 Hz
40
20
Räknare - tidmätning
Genom att byta plats på ingångsteget och
oscillatorn får man en tidräknare.
41
Räknare - reciprok
•  Klarar av att mäta frekvens enligt f = N / TN
•  2 separata räknarsteg som ser till att mäta över
ett helt antal perioder
42
21
Räknare - upplösning
•  Hög upplösning även vid låga frekvenser
•  Relativa felet är nu ± 1 klockcykel men det
absoluta felet är oförändrat
43
Räknare - interpolation
•  I en del Räknare har man lagt till en funktion
som håller koll på var i klockpulserna man
startar mätningen. Detta gör att kan man få
ännu högre noggrannhet
•  En interpolatorkrets mäter fasläget på
klockpulsen
44
22
Räknare - tidmätning
45
Räknare - tidintervall
SR-vippa öppnar och stänger
OCH-grinden
46
23
Räknare - tidintervall
Ingen synkning av start/stop och klockan ger
en upplösning som är 1 klockpuls
10 MHz tidbasoscillator => 100 ns upplösning
47
Räknare – tidmätning
•  Mätosäkerhet på ± 1 klockcykel
•  För att höja noggrannheten kan man
–  Öka klockfrekvensen
–  Interpolera
–  Använda medelvärdesbildning
48
24
Räknare - ingångssteg
1 MΩ, frekvensberoende
ok för < 100 MHz
mindre belastning på objektet
x1 eller x10
Frekvensoberoende
dämpning
50 Ω för HF system
49
Räknare - ingångssteg
Övre gränsfrekvens
AC-kopplingskondensator
ofta 50-100 kHz
Vars kapacitans
reducerar brus
bestämmer den undre
gränsfrekvensen för
ingången, vanligen
10-50 Hz
Det dynamiska området är typiskt -5V /
+5V. Kan gå upptill -50 /+50V med 10x
dämpningen. Över det kapar dioderna
50
topparna för att skydda instrumentet.
25
Räknare - komparatorn
Jämför inssignalen med en triggnivå och slår om när
triggnivån passeras
51
Räknaren - hysteresband
Skillnaden mellan triggpunkten och
återställningspunkten kallas hysteresband
52
26
Räknare - hysteresband
Smalt
Brett
Hysteresbandets förhållande till insignalen kan varieras genom en
ställbar komparator eller genom att dämpa insignalen.
Lågpassfilter samt ställbar hysteres => bra brusundertryckning
53
Räknare – triggnivå
Med AC-kopplingen ligger
triggnivån på 0V och därmed
ligger även hysteresbandet
kring 0V.
För en osymmetrisk signal
kan därför triggvillkoret bli
fel
54
27
Räknare - triggnivå
55
Räknare - skillnader
Skillnader mellan tid och frekvensmätningar
56
28
Tidbasoscillatorn
• Vanligast är kvartskristall (SiO2)
• Bygger på piezoelektrisk effekt
• Resonansfrekvensen beror bl.a. tjockleken, ytan och massan
• Problem; åldring, gravitation, stötar
57
Tidbasoscillatorn
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)
58
29
Mätosäkerheten
De vanligaste osäkerhetsfaktorerna för frekvens- och
tidintervallmätning är:
•  Mätningens upplösning
•  Triggerfel p.g.a. brus
•  Tidbasoscillatorns osäkerhet
•  Triggerpunktens
inställningsosäkerhet
•  Skillnader mellan ingångskanaler
59
30