24. 2. 2014
Meranie jednosmerného (DC)
napätia
• DC napätia v elektronických obvodoch - rozsah od
jednotiek mV do stoviek voltov - bez problémov
• meranie veľmi malých DC napätí v rozsahu mV a nV
– v praxi problém s napäťovýcm ofsetom a jeho
driftom v jednosmerných predzosilňovačoch vo
voltmetroch
• meranie kV – problém s bezpečnosťou a izolačnými
možnosťami materiálov – špeciálne VN sondy a
nepriame metódy
• Meranie DC napätia je základná funkcia každého
multimetra. Na DC napätie sa prevádzajú meracími
prevodníkmi všetky ostatné merané veličiny
Meranie napätia a prúdu multimetre
Ján Šaliga
KEMT FEI TU Košice
2014
2
Pripojenie voltmetra k
meranému obvodu
Meranie jednosmerného napätia
• Voltmeter sa pripája vždy paralelne
• Ak nemá ovplyvniť podmienky v meranom obvode, musí
byť jeho vstupný odpor (impedancia) oveľa väčšia ako
ekvivalentný vnútorný odpor v meranom bode
(systematická chyba merania) – zvyčajne splnené pre
moderné digitálne multimetre (Rvoltmeter ~10 – 100MW)
1000.00 mVDC
U m  U ekv.
Rekv
Uekv
Um
RVm
RVm
Rekv  RVm
U  U ekv  U m  U ekv
Rekv
Rekv  RVm
3
4
Súhlasné napätie
POZOR u voltmetrov napájaných z 230V
• Pôsobí rovnako na obe
meracie svorky (voči
zemi) – nemalo by teda
ovplyvňovať výsledkok
• Realita: presluch CMR
z anglického Common
Mode Rejection,
• Merajú rozdiel napätia medzi
meracími svorkami( Hi, Lo/com)
• Elektronika je napájaná z siete 230V
cez napájací transformátor s
konečnou izolačnou schopnosťou
• Prekročenie limitu medzi meracími
svorkami a zemou siete môže
poškodiť prístroj!
Prístrojový zosilňovač vo
voltmetri
U+
U-
Uo
– býva udávaný v dB
5
6
1
24. 2. 2014
Napäťové zosilňovače v
multimetroch
Meranie malých DC napätí
• Problém: napäťový ofset a jeho drift (teplota,
starnutie, napájanie, ...) v DC zosilňovačoch
• Riešenie – špeciálne voltmetre (nie multimeter!):
– v neinvertujúcom zapojení
– problém zosilňovanie
napätia snímaného voči
zemi
– v diferenčnom zapojení –
problém: malá vstupná
impedancia
DC
Modulátor
AC AC zosilňovač
ACVCC_CIRCLE VCC_CIRCLE
DC
Demodulátor
4
– modulačný zosilňovač
3
OUT
Vout  GV1  V2 ),
-
1
11
- veľká vst. imp.
- Nastavenie zisku RG
- Malé fmax
+
2
V-
• Prístrojové
zosilňovače
V+
• OZ:
– periodicky nulovaný zosilňovač
C6
C
7
8
VCC_CIRCLE
VCC_CIRCLE
Prevodník s dvojitou integráciou
AD prevod v multimetroch
• Požiadavky, vysoká presnosť (nad
20bitov, nad 5 miest) s relatívne pomalým
opakovaním (niekoľko meraní za sekundu)
• Realizácia: integračné prevodníky s dvoj a
viacnásobnou integráciou
• Najnovšie rýchla digitalizácia
aproximačným alebo sigmadelta AČP a
výpočet zo vzoriek
1 N
VDC   V ti ),
N i 1
9
•
•
Princíp: neznáme
napätie sa prevedie na
čas, meraný počtom
impulzov známej
frekvencie
Výhoda okrem
presnosti a ceny je aj
potlačenie
periodických rušivých
signálov (napr. sieť
50Hz)
t
Vzorkovací
obvod (S&H)
Aproximačný
register
Vref
0
•
Riadiac
a logika
vINT OUT
-
+
Zápis
výsledku
konverzie
+
Integrátor
Pretečenie čítača =
prepínanie vstupu
Dáta
Záchytný register
Komparátor
1
1 v x x )
ix )dx  
dx  k v x x )dx
C0
C0 R
0
t
vINT OUT t )  
t


vINT OUT
t

Vx1>Vx2 
vINT OUT t )  kVxt
vINT OUT T )  kVxT
Vref>0
Vx1<0
t
Vx2<0
T=konštanta
0
t
0
t


 k Vxt   Vi sin i x  i )dx 
0


T+T02 T+T01
vINT OUT t )  kVxT  kVref t  T )
Viacnásobná
integrácia: korekcia
ofsetu zosilňovačov,
spínačov, zeme atď.
kVxT  kVref T0
 Vx  Vref
T0
T
10
Sigma-delta AČ prevodníky
Σ-Δ modulátor
Výstup N
bitov
Hodiny
Čítač
Reset a
štart prevodu
C
R
vINT OUT t )  k  vx x )dx  k  Vx  Vi sin i x  i ))dx 
Aproximačný prevodník
Analógový
vstup
Hodiny
Reset
vx(t),Vx
Analógový +
vstup
N bitový
DAC
Komparátor
Integrátor
Σ
-
1 bitový
ADC
Decimačný
číslicový filter
Výstup
N bitov
N1 bitový
DAC
Najčastejší algoritmus postupného upresňovania kódu zodpovedajúcemu
vstupnému analógovému napätiu je nasledovný:
• a.
Najvyšší bit sa nastaví na log. 1, všetky nižšie na log. 0.
• b.
Vytvorené ekvivalentné napätie na výstupe ČAP sa porovná so
vstupným. Ak je menšie ako vstupné, log. 1 sa v danom bite zachová, ak
väčšie, hodnota bitu sa vynuluje.
• c.
Ak ešte neboli vyskúšané všetky bity, nasledujúci bit v poradí smerom
k najnižšiemu bitu sa nastaví na log. 1, vyššie sa zachovajú z
predchádzajúceho nastavenia a nižšie bity sa nastavia na log. 0. Následne
sa zopakuje postup od bodu b.
11
•
•
•
•
Jednoduchý a lacný ale vyžaduje veľké prevorkovanie
Rozlíšenie 16 až 24 bitov, ale iba pre pomalé signály
Základ Σ-Δ modulátor vytvárajúcich postupnosť bitov a decimačný
dolnopriepustný číslicový FIR filter vytárajúci z postupnosti bitov kódy –
digitalizované vzorky signálov
Prevzorkovanie (takt modulátora) býva niekoľko desaťnásobne a viac
vyššie ako požadovaná vzorkovacia frekvencia pre vzorky na výstupe AČP.
12
2
24. 2. 2014
Striedavý voltmeter - princíp
Meranie striedavého (AC) napätia
• Požadovaný meraný parameter: zvyčajne
efektívna hodnota
• Šírka frekvenčného pásma:
DC úmerné
efektívnej
hodnote
K AČP
– úzkopásmové - selektívne (najmä v oblasti VF)
Väzovný kondenzátor
blokujúci vstup DC
zložky vstupného
signálu
Konvertor
AC na DC AC zosilňovač/
delič
• napäťové rozsahy: nie je problém ani s napätiami v rozsahu
mV – limit daný šumom obvodov a šírkou pásma
• miesto voltmetrov spektrálne analyzátory
• prúdy sa merajú iba výnimočne najčastejšie nepriamo
+
707.106 mVAC
ACV
– širokopásmové najčastejší prípad v praxi najmä v
oblasti NF (jednotky Hz až stovky kHz)
– v súčasnosti najmä rôzne multimetre:
1 Vdc
-
• napäťové rozsahy: nie je problém s napätiami v rozsahu mV
až stovky V – limit daný šumom obvodov, resp.
bezpečnosťou – obdoba meranie veľkých DC napätí
3
2
1
0
Striedavý voltmeter merá
iba striedavú zložku
vstupného signálu
2 Vp-p=
0.707Vrms
1 Vdc
offset
Signal
13
14
Konverzia striedavého napätia na
jednosmerné
Konverzia striedavého napätia na
jednosmerné
• Diódové usmerňovače
• Diódové usmerňovače
– Pasívne
– Aktívne
• veľká chyba spôsobená vlastnosťami reálnych
diód
• Výsledok prevodu: ~ absolútnej hodnote priebehu
• Presné
• Výsledok prevodu: ~ absolútnej hodnote priebehu
ak ui t )  0
 0

uo t )   R2
 ui t ) ak ui t )  0
 R1

R1
ui(t)
D1
 2ui t )  ui t )  ui t ) ak ui t )  0
uo t )  ui t )  
 ui t )  0  ui t ) ak ui t )  0
D1
R2
ui(t)
OZ
D2
OZ2
OZ1
D2
uo(t)
Uo(t)
U1(t)
15
Striedavý voltmeter s diódovým
usmerňovačom
16
Je možné previesť strednú absolútnu hodnotu na
efektívnu pre ľubovoľný priebeh? NIE!!!
• Harmonický
Zosilnenie K
U m  avr K . A sin 2ft ) 
U rms
• Trojuholník
T R2 
ui t ),
T R1
 K . A sin x )dx 
0
K .A

 cos x0
T /2
K . A.t
1 2 2 K . A.t
4K .A  t 2 

dt 
T
T 0 T
T 2  2  0
2
2
A
U rms
2

K

Um
3
3
U m  avr
U rms
U o  k ui t ) ,


2 KA

A
U


 K  rms 
Um
2
2 2
T
U o  k
1


KA
2
T
• Pravouhlý
• Pri meraní striedavého signálu ale má byť
výsledkom merania jeho efektívna hodnota!!!
U rms
17
1 2
2K .A T / 2
t 0  KA
K . Adt 
T 0
T
2
U rms
 A K 
1
Um
U m  avr K . A 
18
3
24. 2. 2014
Prevodníky na skutočnú efektívnu
hodnotu
Efektívna hodnota?
1.733V
1.414V
1
1V
Signál
Vpeak
Vrms
Sínus
1.414
1
Trojuholník
1.733
1
• Dnes najčastejší princíp: realizácia definičného
vzťahu nelineárnymi elektronickými obvodmi
1V
Pravouhlý
1
1

T
DC
1
1
U RMS 
• Pomer medzi efektívnou hodnotou a strednou
po usmernení, resp. špičkovou závisí na tvare
signálu = tvarový koeficient
• AC voltmetre s klasickým usmerňovačom sú
kalibrované tak, aby pre harmonický signál
ukazovali efektívnu hodnotu. Pre iný tvar signálu
to ale nie je korektný údaj
)
1 2
2
t )
u AC t )dt  avr u AC
T 0
• Nelineárne obvody
– Kvadrátory (analógové násobičky)
– logaritmické a exponenciálne obvody
– najčastejšie v praxi: kvadrátor s riadeným ziskom
spätnou väzbou z výstupu (viď napr. www.analog.com)
Problém: vytvoriť a „udržať“ presnú požadovanú
nelineárnu charakteristiku
19
20
Prevodníky na skutočnú efektívnu
hodnotu – explicitný princíp
Analógová
násobička
ui(t)
Dolný
priepust (RC)
U1

)

)
U1  k1  avr ui2 t ) ,
Uo
+
Prevodníky na skutočnú efektívnu
hodnotu – implicitný princíp
-
x
Analógováná
sobička, zisk
G=1/y
y1
Dolný priepust
(RC)
y
U 2  k2U o2
U2
 )

)
 )
y  avr x 2  xrms
k1  avr ui2 t )
 K avr ui2 t )  KU i rms
k2
Uo 

)
Veľmi presné ale použiteľné iba v malom dynamickom rozsahu
(cca. 20dB)
x2
y
 x2  1
y  avr y1 )  avr   avr x 2
 y y
U1  U 2  U1  k1  avr ui2 t )  k2U o2  0
Analógová
násobička
y1  Gx 2 
Menej presná ako explicitná ale s väčším dynamickým rozsahom
a širšˇim frekvenčným pásmom.
V praxi častejšia
21
Prevodníky na skutočnú efektívnu
prostredníctvom teploty
Prevodníky na skutočnú efektívnu hodnotu –
výpočet zo vzoriek
• Výpočet zo vzoriek digitalizovaného priebehu
U rms 
4
+
W2
W1
Thermocouple
-
V-
-
2
• priebeh signálu musí byť digitalizovaný s dostatočnou
presnosťou
-
– multimetre min. 14 bitov, desiatky vzoriek z periódy
– doplnok číslicových osciloskopov – malá presnosť (8 bitové
digitalizátory)
+
• Nevýhoda: citlivosť na okolitú teplotu -> kompenzačný
princíp, nelinearita najmä u termistorov, malý signál z
termočlánkov
• použitie najmä v oblasti vf (GHz) – meranie výkonu
1 N 2
 u i.Ts )
N i 1
– problémy:
Thermocouple
1
OUT
+
11
-
W1
2
3
1
W2
OUT
1
V+
4
V-
-
11
2
+
V+
4
3
OUT
V-
-
+
11
+
V+
Thermocouple
1
3
W1
11
-
V-
OUT
2
W2
+
V+
4
VCC_CIRCLE
• Nepriamo
cez výkon, napr. tepelný - termočlánky, VCC_CIRCLE
VCC_CIRCLE VCC_CIRCLE
termistory (senzory teploty)
– striedavý signál
po zosilnení
VCC_CIRCLE
VCC_CIRCLE VCC_CIRCLE VCC_CIRCLE
prevedie na výkon (teplo) a merá sa zmena teploty.
3
22
• automatický výber vhodného úseku signálu (periódy) pre
výpočet, presný odhad periódy signálu, ...
23
24
4
24. 2. 2014
Dôležité parametre voltmetrov
Vrcholový faktor (crest factor)
• presnosť – systematická neistota (udávaná
výrobcom)
• vstupná impedancia
AC voltmetre:
• medzné frekvencie (dolná, horná) – výrobcovia
obyčajne udávajú niekoľko frekvenčných pásiem
s rôznou presnosťou prístroja
• Merajú aj DC zložku?
• Pomer maximálnej (špičkovej) hodnoty meraného
priebehu k rozsahu, pričom takýto priebeh bude ešte
prístrojom odmeraný korektne. Inými slovami, vrcholový
faktor vyjadruje prebuditeľnosť prístroja na danom
rozsahu. Udáva sa najčastejšie v decibeloch
T
U rms ac dc 
T
T
1 2
1 2
1 2
2
t )dt  Udc2  Urms
uac dc t )dt 
U dcdt   uac
ac
T 0
T 0
T0
25
26
Meranie prúdu multimetrom
Meranie prúdu
• rozsah od jednotiek mA do jednotiek A bez
problémov
• meranie malých DC prúdov v rozsahu nA a pA –
problém s vstupnými prúdmi a ich driftom v
jednosmerných predzosilňovačoch
• meranie stovky A a vyššie – problém so snímaním
prúdu – špeciálne prúdové sondy a nepriame
metódy
• Meranie DC prúdu mutimetrom sa realizuje
prevodom meraného prúdu na merané DC napätie
pri známej prevodovej konštante.
Prúdový bočník (shunt)
prevádzajúci meraný prúd na
napätie
K vnútornému
voltmetru
Iac(t)
Idc
Pre meranie prúdu sa obyčajne na multimetri používajú
iné svorky ako pri meraní napätia.
Na multimetri je potrebné zvoliť vhodný režim –
meranie jednosmerného alebo striedavého prúdu.
Pri meraní prúdu v elektrickom obvode je
nutné tento rozpojiť a zapojiť ampérmeter
do série so záťažou v meranej vetve
obvodu.
Iac(t)
Idc
27
Pripojenie ampérmetra k meranému
obvodu
•
•
Uekv
Im 
I0
U ekv
;
Rekv  R Am
I m 
U ekv
Prevod I na U
Ampérmeter sa pripája vždy do série tak, aby jeho svorkami pretekal
meraný prúd. Meraný obvod je teda potrebné rozpojiť a rozpojenie
premostiť ampérmetrom
Ak nemá ovplyvniť podmienky v meranom obvode, musí byť jeho
vstupný odpor (impedancia) oveľa menšia (ideálne nulová) ako
ekvivalentný vnútorný odpor v meranom bode (systematická chyba
merania) – zvyčajne splnené pre moderné digitálne multimetre
(Rampermetra ~0,01 – 10W)
Rekv
R ekv
RAm
Im
28
U ekv
R Am
 I m  U1
Rekv
Rekv Rekv  R Am )
• Požiadavka: čo
najmenšia vstupná
impedancia
• Pasívne prevodníky =
presný snímací rezistor –
bočník (Shunt)
– Prepočet meraného prúdu
podľa pomerov vstupného
odporu ampérmetra a
bočníka
• Aktívne prevodníky s OZ
U=-R.I
29
R
I
H
OZ
L
U
I
30
5
24. 2. 2014
Meranie jednosmerného odporu v
multimetroch
Meranie veľkých prúdov
•
•
•
• Používajú sa kliešťové ampérmetre
• Dva princípy snímania prúdu:
– Prúdový transformátor:
– Nelineárna stupnica (nula vpravo,
nekonečno vľavo) – malá presnosť
– Potreba opakovaného nastavovania
nuly
– V moderných multimetroch
nepoužívané
• Iba striedavý prúd, úzky frekvenčný rozsah
• Lacné, jednoduché
– Hallova sonda – polovodičový snímač
magnetického poľa:
• Striedavý aj jednosmerný prúd, vyššia cena
•
Bx
N2
Ix‘
Meranie sa robí jednosmerným signálom
Využíva sa obyčajne princíp vychádzajúci z Ohmovho zákona
Staré analógové multimetre:
I merané 
U DC
Rvar  Rx
Moderné prístroje: prevodník odpor na napätie
Rx
Bx
Hallova sonda
IREF
U o   I REF  Rx
Uo=kBxInap=KIxInap
OZ
IREF
Ix
Ix
31
Meranie jednosmerného odporu
•
•
Merá sa úbytok napätia na súčiastke pri známom prúde z prúdového
zdroja
Nedostatok: pri malých odporoch veľká chyba spôsobená odporom
prívodných vodičov (v sérii so súčiastkou) – možná korekcia
odčítaním ich odporu meraného samostatne z výsledku
Prepäťová
ochrana
Uo
Inap
32
Zlepšenie presnosti merania
• Štvovodičové pripojenie pre kompenzáciu vplyvu odporu
prívodných vodičov na výsledok merania
• Princíp: samostatná dvojica pre prívod prúdu a
samostaná pre snímanie úbytku napätia
Prepäťová
ochrana
K jednosmernému
voltmetru
K jednosmerné
mu voltmetru
33
Príklady
34
Bloková schéma a princíp multimetra
• Príručné multimetre (batérie)
• Stolné multimetre (sieť)
Vstup:
Udc, Uac,
Iac, Idc, R,
C, L, atď.
Analógová časť: analógový prepínač s
výberom funkcie, rozsahu zmenou útlmu a
zosilnenia a prevodníka pre zvolenú veličinu
na napätie:
Napäťový delič
a zosilňovač
Prevodník I/U
Komunikačné rozhranie:
USB, LAN GPIB, atď.
AČP
AC/DC
konvertor*
(usmerňovač,
rms)
Mikrokontrolér,
číslicové
spracovanie
signálu (DSP)
Prevodník R/U
Prevodník C/U
Predný panel s ovládacími
tlačidlami a displejom
Prevodník L/U
Ďalšie
konvertory,
napr. teplota na
napätie a pod.
35
*AC/DC konvertor môže byť
realizovaný aj softvérovo (DSP)
namiesto hardvérovej realizácie, ak
sa v multimetri využíva rýchly AČ
prevodník
36
6
24. 2. 2014
Doplnkové funkcie DMM
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Ako merať presne?
Dva displeje zobrazujúce doplnkové údaje (viď nižšie)
Automatická voľba rozsahov
Zachytenie max, min hodnoty
Zastavenie merania (HOLD), riadenie spúšťania (TRIGGER)
Štatistické spracovanie – priemer, smerodajná odchýlka
Porovnanie s limitmi = funkcia logickej sondy (LO, HI)
Test kontinuity (skratu) = signál ak odpor medzi meranými bodmi je
pod limit (zvyčajne cca 50 až 100 ohmov)
Zvuková signalizácia stavu
Meranie rôznych doplnkových parametrov ako C, L, f, ...
Prenos dát to PC, riadenie z PC
...
• Používajte vhodný prístroj – pozor najmä
na na RMS a medzné frekvencie
multimetra
• Používajte vhodný merací rozsah = blízko
plného rozsahu pokiaľ je to možné
(systematické neistoty)
• Merajte radšej pomer ako absolútnu
hodnotu veličiny
37
38
Princíp
• Previesť C a L na jednosmerné napätie zvyčajne s
medzikrokom na impulzy (UL a UH konštanty, f~400Hz)
Meranie L a C na multimetri
t i  kRCx
Um  UH
Cx 
Cx
Zdroj pravouhlých
impulzov, cca. 400
- 500Hz
MKO – doba kyvu
určená meraným
prvkom
Dolný
priepust
Jednosmerný
voltmeter
ti
T  ti
t
kRCx
UL
 U H  U L ) i  U L  U H  U L )
UL
T
T
T
T
Um UL T
 aU m  b
U H  U L kR
ak UL = 0
Cx 
Um T
 KU m ,
U H kR
40
Meranie DC parametrov
Meranie tranzistorov a diód
• Multimetre: meranie UAK a h21E v danom
pracovnom (viď manuál multimetra)
• Merá sa napätie na dióde napájanej
prúdovým zdrojom
– Z napätia je možné určiť vývody (anódu a
katódu) a prípadne aj odhadnúť typ diódy
(planárna kremíková, Schottky, ...)
42
7
24. 2. 2014
Princíp merania h21E
h21E   
IK IE

IB IB
+Unap
E
RB PNP
PNP
NPN
C
B
B
C
E
RE
RB NPN
Jednosmerný
voltmeter
43
8
Download

Multimetre 2014.pdf