Lab 4.pdf

(523 KB) Pobierz
MULTIMETRY CYFROWE I INTEGRACYJNE PRZETWORNIKI ANALOGOWO – CYFROWE – Ćwiczenie nr 4
MULTIMETRY CYFROWE I INTEGRACYJNE PRZETWORNIKI ANALOGOWO
– CYFROWE – Ćwiczenie nr 4
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z multimetrami cyfrowymi: 34401A f-my Agilent, ME21 f-my Metex oraz
dwoma metodami przetwarzania analogowo–cyfrowego: metodą podwójnego całkowania i metodą przetwarzania
napięcia na częstotliwość, a także z architekturą systemu pomiarowego.
2. Wprowadzenie
Multimetry cyfrowe skupiają w sobie wiele różnorodnych funkcji pomiarowych. Są najbardziej popularnymi
przyrządami elektronicznymi. Produkowanych jest wiele typów multimetrów od prostych (3 1/2 lub 4 1/2
cyfrowych) serwisowych do bardzo dokładnych (8 1/2 cyfrowych) multimetrów laboratoryjnych.
2.1. Multimetry serwisowe
Większość współczesnych multimetrów serwisowych oprócz pięciu podstawowych pomiarów - napięcia i
natężenia prądu stałego i zmiennego oraz rezystancji - realizuje dodatkowo pomiary częstotliwości, pojemności,
temperatury oraz testy ciągłości obwodu z sygnalizacją akustyczną (możliwość wygodnego przeprowadzania testów
bez konieczności patrzenia na wyświetlacz), testy tranzystorów i diod. Bardziej uniwersalne mierzą dodatkowo:
czas, okres, fazę, szerokość impulsów, współczynnik wypełnienia. Multimetry wyposażone są we wskaźniki
cyfrowe, a także wskaźniki analogowe typu bargraf. Zakresy pomiarowe są przełączane ręcznie lub automatycznie.
Do realizacji pomiarów służą trzy zaciski oznaczone symbolami COM, V/Ω, A. Zacisk COM jest używany w
każdym rodzaju pomiarów. Mierząc napięcie lub rezystancję wykorzystujemy zaciski V/Ω i COM, mierząc
natężenie prądu wykorzystujemy zaciski A i COM. Bardzo ważne jest użycie właściwych zacisków pomiarowych i
prawidłowe ustawienie funkcji przyrządu. Błąd może spowodować uszkodzenie miernika.
Droższe typy multimetrów serwisowych zaopatrzone są w ciekłokrystaliczne ekrany graficzne, służące do
wyświetlania wyniku pomiaru i zobrazowania przebiegów czasowych (funkcja oscyloskopu) lub wykreślania trendu
na podstawie pomiarów w dłuższym odcinku czasu bez udziału użytkownika. Produkowane są także multimetry do
bezkontaktowego pomiaru prądu w obwodach elektrycznych, zarówno zmiennego jak i stałego, nazywane
"multimetrami cęgowymi". W obwodach prądu stałego pomiar opiera się na wykorzystaniu zjawiska Halla.
2.2. Multimetry laboratoryjne
Precyzyjne multimetry laboratoryjne są oferowane w wersjach od 4 1/2 do 8 1/2 cyfrowych. Posiadają wyższą
rozdzielczość i lepszą dokładność od multimetrów serwisowych. Wiele z nich ma rozdzielczość odpowiadającą
kilkudziesięciu nanowoltom i dokładność pomiarów rzędu 20 ppm. Multimetry laboratoryjne mają co najmniej pięć
zacisków pomiarowych. Dwie pary zacisków są potrzebne do dokładnych pomiarów małych rezystancji metodą
Kelvina (czteroprzewodowo). Jedna para oznaczona symbolami HI i LO dostarcza prąd do mierzonego rezystora,
druga para oznaczona symbolami HI SENSING i LO SENSING służy do pomiaru spadku napięcia na rezystorze. W
ten sposób unika się wpływu rezystancji doprowadzeń na wynik pomiaru. Piąty zacisk oznaczony literą I służy do
pomiaru prądu.
Multimetry laboratoryjne są z reguły programowane. Funkcje pomiarowe są zadawane z klawiatury znajdującej
się na płycie czołowej przyrządu. Klawiatura ta pozwala programować pracę multimetru w języku zaznaczonych na
niej symboli. Użytkownik może korzystać z menu o strukturze wielopoziomowego drzewa. Poruszając się w górę i
w dół oraz w poziomie drzewa, wybiera poszczególne komendy i parametry pracy multimetru. Zestaw komend
zawiera operacje odnoszące się do procedury pomiarowej, a także operacje matematyczne.
Multimetry laboratoryjne są zazwyczaj przewidziane do pracy w systemach pomiarowych o złożonej strukturze.
Odbywa się to za pośrednictwem wybranego interfejsu wg standardu GPIB, RS-232 lub USB.
2.3. Budowa multimetrów cyfrowych
Uproszczony schemat blokowy multimetru cyfrowego pokazano na rys. 1. W wielu współczesnych
rozwiązaniach konstrukcyjnych, w celu zredukowania wymiarów, podniesienia niezawodności i obniżenia ceny,
poszczególne bloki są wykonane w postaci specjalizowanych układów scalonych wielkiej skali integracji.
W typowym multimetrze cyfrowym sygnał wejściowy: napięcie AC lub DC, prąd, rezystancja oraz każda inna
mierzona wielkość (np. temperatura), są zamieniane na napięcie DC przeskalowane w celu dopasowania do zakresu
przetwarzania przetwornika A/C. Przetwornik A/C dokonuje zamiany tego napięcia na równoważną postać cyfrową,
która jest eksponowana na wyświetlaczu. Blok sterowania cyfrowego, wykonywany przeważnie na
mikrokontrolerze, zarządza przepływem informacji wewnątrz przyrządu, koordynuje wewnętrzne funkcje oraz,
poprzez standardowe interfejsy, dokonuje transferu danych pomiarowych do zewnętrznych przyrządów, takich jak
drukarki lub komputery.
Laboratorium Metrologii
We
Kondycjoner
sygnału
wejściowego
Przetwornik
A/C
Układ
ekspozycji
wyniku
Układ sterowania
IEC-625
RS-232
Rys. 1. Schemat blokowy multimetru
Przetwornik
skali napięcia
zmiennego
Przetwornik
AC/DC
AC
Przetwornik
skali napięcia
stałego
AC
DC
do
przetwornika
A/C
DC
Ω
Hi
I
Ω
A
Przetwornik
I/U
Przetwornik
R/U
COM
Rys. 2. Bloki funkcjonalne kondycjonera sygnału wejściowego
Kondycjoner sygnału wejściowego może być dalej podzielony na bloki funkcjonalne, jak pokazuje rys. 2. Na
schemacie tym przełączniki wyboru funkcji, przetworniki skali, przetwornik R/U, rezystor wzorcowy do pomiaru
prądu i przetwornik AC/DC są odrębnymi blokami. Jest to typowe, ale nie jedyne, rozwiązanie.
Pomiar prądu realizowany jest w multimetrach metodą pomiaru spadku napięcia na wewnętrznym wzorcowym
rezystorze. Rezystor wzorcowy jest dobierany do zakresu pomiarowego, na przykład: 0,1 Ω dla zakresów 3 A i 1 A;
1 Ω dla zakresu 100 mA; 10 Ω dla zakresu 10 mA.
Dla pomiaru napięcia lub prądu zmiennego sygnał mierzony po przeskalowaniu w dzielniku wejściowym jest
podawany na przetwornik AC/DC. Blok ten może być prostym układem prostownikowym wykonanym na diodach
lub bardziej złożonym detektorem rzeczywistej wartości skutecznej (true RMS).
Przetwarzanie rezystancji na napięcie może polegać na bezpośrednim wykorzystaniu prawa Ohma. Oznacza to,
że jest mierzony spadek napięcia na badanej rezystancji, wymuszony przepływem prądu ze źródła prądowego o
dokładnie znanej wydajności.
2.4. Przetworniki A/C stosowane w multimetrach cyfrowych
W większości multimetrów cyfrowych stosowane są integracyjne przetworniki A/C, bazujące na pośredniej
metodzie przetwarzania. Napięcie wejściowe jest najpierw przetwarzane na odcinek czasu lub częstotliwość, a
następnie, za pomocą licznika, na postać cyfrową. Na rys. 3 pokazano schemat blokowy przetwornika
integracyjnego realizującego metodę podwójnego całkowania. Zbudowany jest z integratora, komparatora, źródła
napięcia referencyjnego oraz części cyfrowej (licznika, zegara i układu sterującego pracą przetwornika).
U x
U int
N
Integrator
Część
cyfrowa
-U o
K
Rys. 3. Schemat blokowy przetwornika A/C realizującego metodę podwójnego całkowania
Rys. 4 przedstawia charakterystyczny przebieg napięcia na wyjściu integratora. Konwersja zaczyna się
podaniem mierzonego napięcia na integrator. Skutkiem tego jest liniowe narastanie napięcia na wyjściu integratora
(pierwsze całkowanie), które trwa przez ściśle określony czas, wyznaczany przez licznik. Po upływie tego czasu
układ sterowania przełącza wejście integratora na źródło napięcia wzorcowego o przeciwnej polaryzacji i
kondensator integratora rozładowuje się (drugie całkowanie) aż do czasu, gdy komparator wykryje napięcie równe
zero. Licznik mierzy odcinek czasu, jaki jest potrzebny do rozładowania kondensatora. Ponieważ wartości
rezystancji i pojemności w integratorze oraz częstotliwość zegara pozostają stałe w obu cyklach przetwarzania,
stosunek czasu rozładowania T 2 do czasu ładowania kondensatora T 1 odpowiada stosunkowi napięcia mierzonego
U x do napięcia referencyjnego U o . Stąd liczba impulsów zliczonych w czasie rozładowania kondensatora N x jest
proporcjonalna do mierzonego napięcia.
T
2
=
U
x =
N
x
(1)
T
U
N
1
o
max
2
182066661.033.png 182066661.034.png 182066661.035.png 182066661.036.png 182066661.001.png 182066661.002.png 182066661.003.png 182066661.004.png 182066661.005.png 182066661.006.png 182066661.007.png 182066661.008.png 182066661.009.png 182066661.010.png 182066661.011.png 182066661.012.png
Laboratorium Metrologii
Bezwzględne wartości rezystancji, pojemności kondensatora oraz częstotliwości zegara nie mają wpływu na
dokładność przetwarzania. Co więcej, każdy nałożony na mierzone napięcie sygnał zakłócający jest uśredniany w
czasie pierwszego całkowania, co umożliwia tłumienie zakłóceń periodycznych, na przykład o częstotliwości sieci
energetycznej. W tym celu konieczne jest dopasowanie czasu pierwszego całkowania do okresu zakłóceń lub jego
wielokrotności. Od dokładności tego dopasowania zależy skuteczność tłumienia zakłóceń.
U x = 0.20V
U x = 0.10V
0
10000
N (wskazanie licznika)
Rys.4. Przebiegi napięcia na wyjściu integratora w przetworniku A/C z podwójnym całkowaniem
czas równy całkowitej wielokrotności
okresu napięcia w sieci energetycznej
0
1000 2000
Do grupy metod integracyjnych pośredniego przetwarzania należy również metoda częstotliwościowa. W tej
metodzie, wielkością pośrednią pomiędzy napięciem a cyfrą jest częstotliwość. Mamy tu do czynienia z dwoma
rodzajami integracji: całkowaniem napięcia U x w integratorze w zmiennym czasie, zależnym od aktualnej wartości
U x , oraz uśrednianiem częstotliwości w liczniku przez ściśle określony czas T i . W istocie rzeczy, przetwarzanie
metodą częstotliwościową składa się z wielu kroków, mających cechy przetwarzania metodą czasową (rys. 5).
Tłumienie zakłóceń uzyskuje się w tego typu przetworniku dobierając do okresu zakłóceń czas T i .
U int
t
t x = var
U r
t
T i = const
Rys. 5. Przebieg napięcia na wyjściu integratora w przetworniku typu U/f
W ćwiczeniu badany jest przetwornik ADVFC32 firmy Analog Devices, którego schemat blokowy
przedstawiono na rys. 6. Układ pracuje na zasadzie równoważenia ładunku. Prąd wejściowy równy V IN / R 1 jest
całkowany przez wejściowy wzmacniacz operacyjny z kondensatorem C 2 . Na wyjściu wzmacniacza otrzymuje się
liniowo opadający przebieg napięcia. Gdy przebieg ten osiągnie wartość progową, następuje zmiana stanu na
wyjściu komparatora, która wyzwala przerzutnik monostabilny (one-shot). Impuls generowany przez przerzutnik
zamyka klucz dołączając do wejścia wzmacniacza operacyjnego wzorcowe źródło prądowe o wydajności 1 mA,
które ładuje kondensator. Czas trwania ładowania można dla układu ADVFC32 obliczyć ze wzoru
t c
=
( 1
C
+
44
pF
)
×
6
k
Ω
.
(2)
Po tym czasie następuje ponowne rozładowywanie kondensatora. W każdym cyklu ładunek pobrany z kondensatora
jest równy ładunkowi dostarczonemu
(
mA
−
I
)
×
t
=
I
×
(
1
−
t
)
.
(3)
IN
c
IN
c
f
OUT
Stąd częstotliwość impulsów na wyjściu układu wynosi
f
=
V
IN
.
(4)
OUT
R
×
1
mA
×
t
1
c
3
182066661.013.png 182066661.014.png 182066661.015.png 182066661.016.png 182066661.017.png 182066661.018.png 182066661.019.png 182066661.020.png 182066661.021.png
Laboratorium Metrologii
Rys. 6. Schemat blokowy przetwornika napięcie – częstotliwość ADVFC32
2.5. Tłumienie zakłóceń okresowych nałożonych na mierzone napięcie
Multimetry zbudowane przy wykorzystaniu przetworników całkujących mają naturalne właściwości tłumienia
zakłóceń periodycznych, pod warunkiem odpowiedniego dobrania czasu całkowania. Rozważmy pomiar napięcia o
wartości 0V za pomocą woltomierza integracyjnego w obecności zakłóceń typu uU t
U
t
o
+
∫
T
1
U
U
t
=
=
t
+
T
[
]
U
=
sin
ω
tdt
=
−
cos
ω
t
o
o
1
=
−
cos
ω
(
t
+
T
)
−
cos
ω
.
(5)
sr
T
ω
t
t
t
ω
T
o
1
o
1
1
t
o
Po rozwinięciu tego wyrażenia według wzoru na różnicę cosinusów otrzymujemy
U
=
−
U
⎡
−
2
sin
1
(
2
ω
t
+
ω
T
)
sin
1
(
ω
T
)
⎤
.
(6)
sr
⎣
o
1
1
⎦
ω
T
2
2
1
Przyjmijmy najbardziej niekorzystny przypadek, gdy całkowanie rozpoczyna się w momencie czasu t 0 takim, że
napięcie średnie osiąga wartość maksymalną. Ma to miejsce, gdy
sin
1
(
2
ω
t o
+ T
ω
)
=
1
.
2
1
Otrzymamy wówczas
U
=
2
U
sin
1
ω
T
=
U
sin
π
fT
(7)
sr
(max)
ω
T
2
1
ω
=
2
π
f
π
fT
1
1
1
Opierając się na właściwości funkcji
sin
x
wnioskujemy, że gdy częstotliwość zakłóceń maleje do zera, to U sr ( max )
x
zdąża do U . W celu oceny tłumienia zakłóceń przez przetwornik integracyjny w funkcji częstotliwości obliczymy
stosunek napięcia średniego przy częstotliwości zakłóceń równej 0Hz do jego wartości przy innych
częstotliwościach; dzięki temu otrzymamy wskaźnik niezależny od poziomu zakłóceń.
π
T
1
U
π
fT
T
π
x
=
1
=
n
=
(8)
U
sin
π
fT
sin
π
x
T
sin
π
fT
1
1
sin
π
π
fT
1
T
1
n
gdzie x
=
T
T n
jest stosunkiem czasu integracji do okresu zakłóceń.
4
= sinω , gdzie ω - pulsacja
zakłóceń. Niech całkowanie napięcia mierzonego zaczyna się w chwili t = t 0 i kończy w chwili t = t 0 + T 1 .
Wówczas średnia wartość napięcia za okres całkowania wynosi
t
1
182066661.022.png 182066661.023.png 182066661.024.png 182066661.025.png 182066661.026.png 182066661.027.png 182066661.028.png
 
Laboratorium Metrologii
W celu ilościowego określenia tłumienia zakłóceń przez przetworniki integracyjne stosuje się miarę decybelową
powyższego wskaźnika, nazywaną Współczynnikiem Tłumienia Sygnału Nałożonego (Normal Mode Rejection
Ratio)
NMRR
[ =
dB
]
20
log
π
sin
x
(9)
π
x
dB
40
30
20
10
0
0,1 1 10
x
Rys. 7. Wykres tłumienia zakłóceń w funkcji stosunku czasu integracji do okresu zakłóceń
Rys. 7 przedstawia przebieg współczynnika NMRR w funkcji stosunku czasu integracji do okresu napięcia
zakłócającego. Wynika z niego, że wybór właściwego czasu całkowania umożliwia całkowitą eliminację zakłóceń.
Czas ten (w Europie) powinien być równy 20 ms, lub wielokrotności tej liczby, z uwagi na to, że zakłócenia mają
przeważnie częstotliwość sieci elektroenergetycznej.
2.6. Podstawowe parametry metrologiczne multimetrów cyfrowych
Liczba cyfr , jest podstawowym parametrem technicznym multimetru. Pełna liczba cyfr odpowiada liczbie
pozycji dziesiętnych, na których multimetr wyświetla pełen zestaw cyfr od "0" do "9". Większość multimetrów
dopuszcza przekroczenie zakresu i dodanie do wyniku "1/2" cyfry. Na przykład multimetr 34401A może mierzyć
9.999 V na zakresie 10 V. Wynik ten składa się z czterech pełnych cyfr. Multimetr dopuszcza 20 % przekroczenie
zakresu 10 V i pomiar napięcia do wartości 11.999 V. Możliwość ta jest określona liczbą cyfr 4 1/2.
Błąd pomiaru jest specyfikowany dla multimetrów cyfrowych jako ± (% odczytu + % zakresu). Dodatkowy
błąd wskazań może być wywołany zmianą temperatury otoczenia, bardzo niską częstotliwością lub dużym
współczynnikiem szczytu mierzonego sygnału.
Przykład obliczania błędu pomiaru napięcia.
Zakładając, że specyfikacja multimetru podaje błąd jako ± ( 0.002 % wartości odczytu + 0.0005% zakresu ), błąd
pomiaru napięcia 5 V na zakresie 10 V obliczamy w następujący sposób:
0.0020 % × 5 V = 100 μV
0.000 5% × 10 V = 50 μV
Bezwzględny błąd pomiaru = 100 μV + 50 μV = ± 150 μV
Względny błąd pomiaru = ± 0.003 % (lub 30ppm) napięcia 5 V.
Rozdzielczość , wyraża najmniejszy przyrost wielkości sygnału wejściowego, który powoduje zmianę wyniku
pomiaru. Rozdzielczość może być podawana w jednostkach mierzonej wielkości (na przykład w μV), lub jako
stosunek minimalnej wyświetlanej wartości do maksymalnej wyświetlanej wartości na wybranym zakresie, w
procentach albo częściach na milion (ppm). Rozdzielczość bywa też wyrażana liczbą bitów słowa wyjściowego
przetwornika analogowo – cyfrowego zastosowanego w multimetrze. Na przykład 12 bitów odpowiada [1 / (2 12 –
1)]100% = 100 % / 4095 = 0.024 % rozdzielczości, 16 bitów 0.0015 % rozdzielczości. Dla przetworników a/c,
których konstrukcja oparta jest na liczniku, rozdzielczość można podawać w postaci liczby zliczeń. Wszystkie
sposoby są równoważne.
Przykład
Multimetr 6 cyfrowy na zakresie 1 V może dokonywać pomiarów z rozdzielczością 1 000 000 zliczeń.
Odpowiada to: V
1μ ,
0.0001 % pełnego zakresu lub 1 ppm,
n = 20 bitom, gdzie
= .
Czas pomiaru multimetrem jest zazwyczaj dłuższy od czasu przetwarzania A/C. Na przykład, niektóre
multimetry mają w cykl pomiarowy włączoną fazę autozerowania, inne jako wynik pomiaru podają uśrednioną
wartość wielu przetworzeń zrealizowanych w dłuższym odcinku czasu. W multimetrach laboratoryjnych
użytkownik może zazwyczaj programować czas całkowania wybierając kompromis pomiędzy szybkością a
dokładnością pomiarów.
n
entier
(
6
/
log
2
=
19
.
93
)
5
182066661.029.png 182066661.030.png 182066661.031.png 182066661.032.png

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin