S Mittaustekniikan perusteet A Tentti

Transkriptio

1 S Mittaustekniikan perusteet A Tentti / Kärhä Tehtävät 1-2 käsittelevät luentoja ja ne hyvitetään vuoden 2006 luentokuulustelupisteiden perusteella. Tehtävät 3-5 käsittelevät laboratoriotöitä eikä niitä hyvitetä. Mikäli vastaat tehtäviin 1-2 ja olet osallistunut luentokuulusteluihin, otetaan parempi suoritus automaattisesti huomioon lopullisessa arvostelussa. Merkitse vastauspaperiin laboratoriotöiden suoritusvuosi mikäli suoritettu ennen vuotta Ohessa on 12 väittämää antureista. Ovatko väittämät oikein vai väärin? Oikeasta vastauksesta saat 3/4 pistettä ja pisteiden summasta vähennetään 3 pistettä. Kokonaistulos ei kuitenkaan voi olla negatiivinen. Vastaa oheisen mallin (kuva 1) mukaisesti ensimmäiselle sivulle. Kuva 1. Tehtävän 1 vastausmalli. Väittämät: 1. Termopari perustuu liitoksen resistanssin muutokseen lämpötilan funktiona 2. Korkeiden lämpötilojen (>200 C) tarkkuusmittauksissa kannattaa käyttää NTC-termistoria vaikkakin hinta on kallis 3. Vastusanturi (esim. PT-100) on muihin lämpötila-antureihin verrattuna melko lineaarinen 4. Pyrometri mittaa lämpötilaa koskettamatta kohdetta 5. Pyrometrin mittaustulos ei riipu kohteen materiaalista 6. Valodiodilla voidaan mitata matalia valotehoja joita valomonistinputki ei enää havaitse 7. Valodiodin vaste riippuu valmistukseen käytetyistä puolijohdemateriaaleista 8. Pietsoanturissa puristus generoi kiteen yli varauksen joka mitataan 9. Paine-eron mittaamiseen voidaan käyttää magneettista Hall-anturia 10. Venymäliuska-anturin lämpötilariippuvuutta voidaan kompensoida toisella venymäliuskalla 11. Anturin herkkyyden yksikkö on joko [1] tai [%] tilanteesta riippuen 12. Mikäli jännitemittarin mittaustulos ei riipu mitattavan jännitteen taajuudesta, sanotaan mittarin olevan lineaarinen 2. Selitä taajuuslaskurin toimintaperiaate. Esitä miten matalien ja korkeiden taajuuksien mittaukset eroavat toisistaan. Selitä myös, mistä tekijöistä taajuusmittauksen epävarmuus muodostuu. 3. Lämpöanturi (T 0 =20 ºC) asetetaan kiehuvaan veteen (T=100 ºC). Anturin lämpövastus veteen on 6 K/W ja anturin lämpökapasiteetti on 12 J/K. a) Mitä lämpötilaa anturi näyttää oltuaan vedessä puoli minuuttia? b) Kuinka suuren virheen lämpöanturin lukemaan aiheuttaa 10 ma:n mittausvirta, mikäli anturina käytetään PT-100 vastusta (resistanssi noin 100 Ω) ja lämpöanturin lukema on asettunut loppuarvoonsa ( t = )? KÄÄNNÄ

2 4. Mittaamme spektrianalysaattorilla alla olevan kuvan mukaista signaalia. Kuva 2. Spektrianalysaattorille menevä signaali. a) Hahmottele signaalin ideaalinen spektri. (Arvostelussa amplitudiasteikon lukuarvoista saa ½ pistettä, spektrin muodolla saa 1½ pistettä). b) Analysaattorin resoluutiokaistanleveydeksi on asetettu 100 khz. Miten tämä muuttaa näytöllä näkyvää kuvaa suhteessa hahmottelemaasi ideaaliseen spektriin? c) Analysaattorin sisäänmenossa on nappi, jonka vieressä lukee Coupling: AC/DC. Mikä vaikutus tällä on näytöllä näkyvään spektriin? d) Signaali ajetaan ideaalisen ylipäästösuodattimen läpi. Suodattimen rajataajuus on f = 1,5 MHz. Miten tämä näkyy spektrissä? Hahmottele myös miltä ylipäästösuodatettu signaali näyttäisi oskilloskoopin ruudulla (suhteessa alkuperäiseen). 5. a) Haluat mitata resistanssin vastuksesta, jonka suuruusluokka on 1 Ω. Käytössäsi on kaksi yleismittaria, joissa normaalit virta-, jännite- ja resistanssialueet sekä laboratoriojännitelähde. Mittajohtimiksi on käytettävissä haluamasi määrä banaani-banaani -johtimia, sekä näihin tarvittaessa hauenleuka-adaptereita (kuva), joilla saa mittajohtimen puristettua kiinni vastuksen jalkoihin. Esitä mittauskytkentä ja selitä sen toiminta. Kuva 3. Hauenleuka-adapteri. b) Laske kuvan 2. linkistä kuinka suuri lähettimen teho tarvitaan, kun haluttu tehomarginaali on 6 db, vastaanottimen herkkyys on 1 µw, yhden liittimen vaimennus on 0.5 db, kuidun vaimennus α=3 db/km ja kuidun pituus on 6 km? Lähetin Kuitu Liitin Liitin 0.5 db α=3 db/km 0.5 db Kuva 4. Kuitulinkki. Vastaanotin Herkkyys = 1µ W KÄÄNNÄ

3 S Mittaustekniikan perusteet A Tentti / Kärhä, Nieminen Tehtävät 1-2 käsittelevät luentoja ja ne hyvitetään vain vuoden 2005 luentokuulustelupisteiden perusteella. Tehtävät 3-5 käsittelevät laboratoriotöitä eikä niitä hyvitetä. Mikäli vastaat tehtäviin 1-2 ja olet osallistunut luentokuulusteluihin, otetaan parempi suoritus automaattisesti huomioon lopullisessa arvostelussa. Merkitse vastauspaperiin laboratoriotöiden suoritusvuosi. 1. Ohessa on 12 väittämää kohinasta ja taajuusmittauksista. Ovatko väittämät oikein vai väärin? Oikeasta vastauksesta saat 3/4 pistettä ja pisteiden summasta vähennetään 3 pistettä. Kokonaistulos ei kuitenkaan voi olla negatiivinen. Vastaa oheisen mallin (kuva 1) mukaisesti ensimmäiselle sivulle. Kuva 1. Tehtävän 1 vastausmalli. Väittämät: 1. Terminen kohina sisältää usein jaksollisia komponentteja 2. 1/f kohinaa pienennetään pääsääntöisesti jäähdyttämällä piiriä 3. Valkoisen kohinan kohinajännitetiheys [V/ Hz] on vakio taajuudesta riippumatta 4. Anturin kohinasovituksessa minimoidaan vahvistimen kohinaluku F 5. Signaalia keskiarvoistettaessa muiden kohinoiden vaikutus pienenee, mutta raekohina ei juurikaan vaimene 6. Signaali-kohinasuhde SNR pienenee, mikäli piiriin indusoituu lisää kohinaa 7. Kvartsikideoskillaattorin ominaistaajuus on riippumaton kiteen mekaanisista mitoista 8. Kvartsikideoskillaattoria ei saa toimimaan tarkasti huoneen lämpötilassa 9. GPS-signaalista (Global Positioning System) saadaan tarkka kellonaika 10. Jäännösepäpuhtaudet kuten Cesium tai Rubidium häiritsevät usein atomikellojen toimintaa 11. Tarkkaa aikaa (taajuutta) tarvitaan metrin määritelmän realisoinnissa 12. Maailmanaika UTC määritellään eri puolilla maailmaa sijaitsevien atomikellojen keskiarvona 2. Tarkastellaan kuvan 2. mukaista järjestelmää. Piirrä kuva ja selitä, kuinka kapasitiivinen, induktiivinen ja resistiivinen häiriö voivat kytkeytyä verkosta tai ulkopuolisista johtimista kuvan järjestelmään. Mitä suunnittelullisia tms. menetelmiä on mahdollista käyttää pienentämään kapasitiivisesti kytkeytyvää häiriötä? Lähetin Vastaanotin R S U R L 240V 0 V MAA Verkko Kuva 2. Järjestelmä, johon häiriö kytkeytyy. KÄÄNNÄ

4 3. a) Selitä/piirrä symmetrisen kytkennän periaate. Mistä johtuu, että tällainen kytkentä vaimentaa tehokkaasti siihen kytkeytyviä häiriöitä? (2 p.) b) Alla olevassa kuvassa 3 on esitetty tilanne, jossa oskilloskoopin x- ja y-kanavia ohjaavat samantaajuiset signaalit joilla on vaihe-eroa. Kuva 3. Oskilloskoopin x-y mittauksen tulos. bx = cx sin( ωt) Pisteen b koordinaatit ovat by = a y sin( ωt + ϕ) Johda kaava, jolla saat laskettua signaalien välisen vaihe-eron φ pisteiden a ja b avulla. (2 p.) c) Käytettävissäsi on oskilloskooppi, optinen vastaanotin, sekä lähetin (laser) jota moduloidaan sinimuotoisella signaalilla. Vastaanottimen sekä lähettimen signaaleille on myös sähköinen liitin, BNC. Selitä, kuinka mittaat näillä laitteilla tuntemattoman pituisen valokuidun pituuden (taitekerroin tiedetään). (2 p.) 4. a) Piirrä mittapään, mittajohdon sekä oskilloskoopin muodostama sähköinen kytkentä (3 p.). Laske 1:10 vaimentavan mittapään resistanssin arvo (1 p.). Oskilloskoopille R in = 1 MΩ, C in = 15 pf. b) Mittaat 1,0 µf:n kondensaattorin ja 1,0 MΩ vastuksen muodostaman sarjaankytkennän kondensaattorin latautumista oskilloskoopilla. Kytket 15 V:n tasajännitteen kytkennän yli. Mihin arvoon kondensaattorin yli oleva jännite nousee, jos mittaat 1) mittapään avulla 2) ilman mittapäätä? (2 p.) 5. Selitä lyhyesti / piirrä (1 p. kukin): a) Säröytynyt sinisignaali (kuva taajuustasossa) b) Vastuksen nelipistemittaus c) Lämpöanturin aika-vakion määrittäminen aika-lämpötila kuvaajasta d) Miten suora taajuusmittaus eroaa periodimittauksesta? e) AC-jännitteen tehollisarvo f) Kirjoita kaava, jolla lasket logaritmisen vaimennuksen (db) mitattavan kohteen ulostulolle suhteessa sisäänmenevään signaaliin, kun mitattavana suureena on 1) teho 2) jännite. KÄÄNNÄ

5 S Mittaustekniikan perusteet A Tentti /Kärhä Tehtävät 1-2 käsittelevät luentoja ja ne hyvitetään vain vuoden 2004 luentokuulustelupisteiden perusteella. Tehtävät 3-5 käsittelevät laboratoriotöitä eikä niitä hyvitetä. Mikäli vastaat tehtäviin 1-2 ja olet osallistunut luentokuulusteluihin, otetaan parempi suoritus automaattisesti huomioon lopullisessa arvostelussa. Merkitse vastauspaperiin laboratoriotöiden suoritusvuosi. 1. Ohessa on 12 väittämää yleismittarista ja taajuuslaskurista. Ovatko väittämät oikein vai väärin? Oikeasta vastauksesta saat 3/4 pistettä ja pisteiden summasta vähennetään 3 pistettä. Kokonaistulos ei kuitenkaan voi olla negatiivinen. Selityksiä ei huomioida. Vastaa oheisen mallin (kuva 1) mukaisesti ensimmäiselle sivulle. Kuva 1. Tehtävän 1 vastausmalli. Väittämät: 1. Aaltomuotoa kuvaavat suureet (tehollisarvo, tasasuunnattu keskiarvo, huippuarvo) saadaan toisistaan, vaikkei aaltomuotoa tunnettaisikaan. 2. Tehollisarvon (RMS) laskemiseksi signaaalista otetaan ensin neliöjuuri, se keskiarvoistetaan ja lopuksi tulos korotetaan toiseen potenssiin. 3. AC-jännite joka ilmaistaan tehollisarvonsa avulla antaa resistanssiin saman tehon kuin vastaavan suuruinen DC-jännite. 4. Oheisessa kuvassa esitetyillä aaltomuodilla (huippuarvo annettu) on kaikilla sama tehollisarvo v 1.11 v 1 v 5. Kaksoisintegroiva muunnin integroi sisääntulevan signaalin kahdesti. 6. Tehollisarvomuuntimella on maksimitaajuus, jota suuremmilla taajuuksilla se ei toimi oikein. 7. ±1 pulssin epävarmuus johtuu laskurin kellon ja signaalin välisen vaiheen satunnaisuudesta. 8. Periodimittauksessa laskurin sisäisen kellon jaksoja lasketaan käyttäjän asettama aika. 9. Pulssien laskennan ±1 epävarmuuden pienentämiseen voidaan käyttää mm. PLL-taajuuskertojaa. 10. Taajuuslakurin kellon taajuuden epävarmuus ei vaikuta periodimittauksen epävarmuuteen. 11. Taajuuslaskuri ei kuormita mitattavaa piiriä. 12. Tietylle mittausajalle periodimittauksen ±1 pulssin epävarmuus on vakio. 2. Selitä lyhyesti: a) Mihin tarkoitukseen käytetään oskilloskoopin HOLD OFF -säätöä? Anna esimerkki tilanteesta, jossa HOLD OFF -säätö on hyödyllinen. b) Oskilloskoopin liipaisun toimintaperiaate? c) Miksi oskilloskooppimittauksissa käytetään tavallisesti mittapäätä? d) Equivalent time sampling. e) Mitkä ovat digitaalisen oskilloskoopin edut analogiseen verrattuna? f) Mistä seikoista riippuu oskilloskooppimittauksen ylärajataajuus? KÄÄNNÄ 3. Määrittele lyhyesti tai piirrä: (yht 6.)

6 a) Vastuksen nelipistemittaus b) Hystereesi c) Lämpösähköinen anturi eli termoelementti d) Sinimuotoisen signaalin spektri e) Taajuuden määrittäminen periodimittauksella f) Zener-diodin virta-jännitekäyrä 4. Piirrä kytkentä mittapäälle, mittauskaapelille ja oskilloskoopille. Mittapää vaimentaa jännitettä suhteessa 1:10. Laske mikä on mittapään resistanssin arvo. Mittapään laajakaistainen toiminta varmistetaan virittämällä mittapään kondensaattori. Mikä tulee säädettävän kondensaattorin arvon olla, jotta laajakaistainen jännitteenjako toimii? Oskilloskoopille R in = 1 Mohm, C in = 15 pf. Mittauskaapelille C=100 pf. (6p.) 5. a) Kuinka voidaan vähentää kapasitiivisesti kytkeytyviä häiriöitä elektronisissa laitteissa? b) Laske kuvan 2. linkistä kuinka suuri lähettimen teho tarvitaan, kun haluttu tehomarginaali on 6 db, vastaanottimen herkkyys on 1 µw, yhden liittimen vaimennus on 0.5 db, kuidun vaimennus α=3 db/km ja kuidun pituus on 6 km? Lähetin Kuitu Liitin Liitin 0.5 db α=3 db/km 0.5 db Vastaanotin Herkkyys = 1µ W Kuva 2. Kuitulinkki.

7 S Mittaustekniikan perusteet A - Tentti /Hahtela, Merimaa Tehtävät 1-2 käsittelevät luentoja ja ne hyvitetään vain vuoden 2004 luentokuulustelupisteiden perusteella. Tehtävät 3-5 käsittelevät laboratoriotöitä eikä niitä hyvitetä. Parempi suoritus huomioidaan automaattisesti lopullisessa arvostelussa, mikäli vastaat tehtäviin 1-2 vaikka olet osallistunut luentokuulusteluihin. Merkitse vastauspaperiin laboratoriotöiden suoritusvuosi. 1. Ohessa on 12 väittämää spektrianalysaattoreista. Ovatko väittämät oikein vai väärin? Oikeasta vastauksesta saat 3/4 pistettä ja pisteiden summasta vähennetään 3 pistettä. Kokonaistulos ei kuitenkaan voi olla negatiivinen. Selityksiä ei huomioida. Vastaa oheisen mallin (kuva 1) mukaisesti ensimmäiselle sivulle. Kuva 1. Tehtävän 1 vastausmalli. Väittämät: 1. Säädettävä kaistanpäästösuodin on käytännöllinen komponentti, jota käytetään pyyhkäisevässä spektrianalysattorissa. 2. Pyyhkäisevän spektrianalysaattorin resoluutio paranee kun pyyhkäistään nopeammin. 3. Kapeaa suodatinta käytettäessä on mahdollista havaita heikompia signaaleja. 4. Pyyhkäisevä spektrianalysaattoria käytetään usein transientti-ilmiöiden tarkasteluun. 5. FFT-spektrianalysaattorilla saadaan kaikki (mittausalueella olevat) taajuudet samanaikaisesti. 6. FFT-spektrianalysaattorissa näytteenottonopeus määrää resoluution. 7. Ikkunointia on välttämätöntä käyttää FFT-spektrianalysaattorissa alias-ilmiön takia. 8. Ikkunafunktion muoto vaikuttaa mitatun spektrin muotoon. 9. FFT-spektrianalysaattorin A/D-muuntimen bittimäärä ja muut ominaisuudet määräävät analysaattorin dynaamisen alueen. 10. Jos FFT-spektrianalysaattori ottaa 2 N näytettä signaalista, saadaan tällöin mittaustuloksena 2 2 N spektrikomponenttia. 11. FFT-perustuu oletukseen, että mitattu näytejono toistuu äärettömästi. 12. Transienttimittauksissa FFT-analysaattorilla signaali vaimennetaan nollaan mittausajan lopussa, ellei signaali tee sitä luonnostaan. 2. Termopari Termoparia käytetään lämpötilan mittaukseen. Selitä termoparin toiminta, sen rajoitukset sekä mittaukseen vaikuttavat tekijät. Toiminnan kuvaukseen tulee sisältyä termojännitteen synnyn selitys, termojännitteen mittauksen periaate sekä yksinkertainen mittauskytkentä. 3. Määrittele tai selitä lyhyesti a) Mittapään virittäminen. (2p) b) Digitaalisen pulssin nousuaika. (2p) c) Mittaat spektrianalysaattorilla ja jaluat erottaa toisistaan 2 MHz:n välein olevat taajuuskomponentit. Taajuuspyyhkäisy kattaa 10 MHz:n kaistan. Kuinka kauan tulee pyyhkäisyn vähintään kestää? (2p) KÄÄNNÄ

8 4. Taajuuslaskuri a) Piirrä ja selitä lohkokaaviot, joista selviää taajuuslaskurin toiminta suorassa taajuusmittauksessa ja periodimittauksessa. (2p.) b) Mittaat taajuutta mittarilla, jonka kellotaajuus on 12 MHz ja suurin mittausaika 15 s. Mittauksessa on mahdollista keskiarvoistaa 20 jaksoa. Mikä on rajataajuus, jonka toisella puolella on tarkempaa käyttää periodimittausta ja toisella puolella suoraa taajuusmittausta? Kumpi on tarkempi rajataajuutta korkeammilla taajuuksilla? (4p.) 5. Olet tehnyt kuvan 2 mukaisen kytkennän laskeaksesi kelan induktanssin. Käytät 10 Ohmin vastusta ja olet mitannut induktanssin parasiittisen reistanssin olevan 8,5 Ohmia. a) Piirrä mittauskytkentä, jossa esität kuinka signaaligeneraattori ja oskilloskooppi kytketään induktanssin mittaamiseksi. (2p) b) Mittaat oskilloskoopin XY-asennossa. Signaaligeneraattorin taajuus on 5 Hz, annon huipusta-huippuun amplitudi on 10 V ja vaihe-eroksi olet mitannut 30 astetta. Piirrä mitä oskilloskoopin näytöllä näkyy. (2p) c) Laske annettujen arvojen perusteella kelan induktanssi. (2p) Resistanssi R R L Induktanssi L Kuva 2. Kelan induktanssin mittaus. Parasiittinen reistanssi

9 S Mittaustekniikan perusteet A - Tentti / Hahtela, Merimaa Tehtävät 1-2 käsittelevät luentoja ja ne hyvitetään vain vuoden 2004 luentokuulustelupisteiden perusteella. Tehtävät 3-5 käsittelevät laboratoriotöitä eikä niitä hyvitetä. Parempi suoritus huomioidaan automaattisesti lopullisessa arvostelussa, mikäli vastaat tehtäviin 1-2 vaikka olet osallistunut luentokuulusteluihin. Merkitse vastauspaperiin laboratoriotöiden suoritusvuosi. 1. Ohessa on 12 väittämää mittayksikköjärjestelmästä ja sen realisoinnista. Ovatko väittämät oikein vai väärin? Oikeasta vastauksesta saat 3/4 pistettä ja pisteiden summasta vähennetään 3 pistettä. Kokonaistulos ei kuitenkaan voi olla negatiivinen. Selityksiä ei huomioida. Vastaa oheisen mallin (kuva 1) mukaisesti ensimmäiselle sivulle. Kuva 1. Tehtävän 1 vastausmalli. Väittämät: 1. Mittayksikköjärjestelmään sisältyy perussuureita, joita ei ole mahdollista realisoida määritelmänsä mukaan. 2. Mitään mittayksikköjärjestelmän perussuureista ei enää realisoida prototyypin (=artefaktin) avulla. 3. Mittayksiköille on määritelty kerrannaisia suurten ja pienten arvojen ilmaisun helpottamiseksi. Määritelmät piko=10-9, nano=10-12, femto=10-15, atto=10-18, tsepto=10-21 ja jokto=10-24 ovat oikein. 4. SI-perusyksiköitä on yhteensä Metrin määritemän realisoinnissa tarvitaan sekuntia. 6. Realisoitaessa metriä varsinainen pituusmittaus tehdään interferometrisesti mittaamalla valon aallonpituuksia tai sen osia. 7. Termodynaaminen lämpötila on vaikeasti mitattavissa ja siksi käytännön mittauksia varten on sovittu kansainvälisestä lämpötila-asteikosta. Matalassa lämpötilassa asteikko toteutetaan Planckin säteilylain avulla. 8. Valovoima kuvaa ihmissilmän havaitsemaa kirkkautta ns. standardihavaitsijan päivänäkemisen herkkyyskäyrän mukaisesti. 9. SI-järjestelmään kuuluvien yksiköiden kanssa ei ole sallittua käyttää mitään järjestelmään kuulumattomia yksiköitä. 10. Sekunti on SI-mittayksikköjärjestelmän tarkin yksikkö. 11. Sähkösuureet realisoidaan käytännössä Josephson ja Kvantti-Hall ilmiöiden avulla, ei SIperusyksiköiden avulla. 12. Josephson-liitos muodostaa resistanssinormaalin, jonka arvo saadaan luonnonvakioista ja taajuudesta. 2. Maadoitus a) Mitkä ovat maadoituksen tehtävät? b) Mikä on maasilmukka? (Piirrä kuva) c) Mitä menetelmiä voidaan käyttää maasilmukoiden katkaisuun? d) Mikä on signaalimaan tarkoitus? e) Miksi käytetään erillistä suojamaata? f) Anna esimerkkejä maadoitustavoista. 3. Piirrä kytkentä mittapäälle, mittauskaapelille ja oskilloskoopille. Mittapää vaimentaa jännitettä suhteessa 1:10. Laske mikä on mittapään resistanssin arvo. Mittapään laajakaistainen toiminta varmistetaan virittämällä mittapään kondensaattori. Mikä tulee säädettävän kondensaattorin arvon olla, jotta laajakaistainen jännitteenjako toimii? Oskilloskoopille R in = 1 Mohm, C in = 15 pf. Mittauskaapelille C=100 pf. (6 p.) 4. Määrittele lyhyesti tai piirrä: (yht 6 p.) a) Vastuksen nelipistemittaus KÄÄNNÄ

10 b) Hystereesi c) Termopari d) Sinimuotoisen signaalin spektri e) Taajuuden määrittäminen periodimittauksella f) Zener-diodin virta-jännitekäyrä 5. a) Kuinka voidaan vähentää kapasitiivisesti kytkeytyviä häiriöitä elektronisissa laitteissa? (3 p.) b) Laske oheisen kuvan 2 linkistä: Kuinka suuri lähettimen teho tarvitaan, kun haluttu tehomarginaali on 6 db, vastaanottimen herkkyys on 1 µw, yhden liittimen vaimennus on 0.5 db, kuidun vaimennus α=3 db/km ja kuidun pituus on 6 km? (3 p.) Kuva 2. Kuitulinkki. Lähetin Kuitu Liitin Liitin 0.5 db α=3 db/km 0.5 db Vastaanotin Herkkyys = 1µ W

11 S Mittaustekniikan perusteet A - Tentti / Hahtela, Merimaa Tehtävät 1-2 käsittelevät luentoja ja ne hyvitetään vain vuoden 2004 luentokuulustelupisteiden perusteella. Tehtävät 3-5 käsittelevät laboratoriotöitä eikä niitä hyvitetä. Parempi suoritus huomioidaan automaattisesti lopullisessa arvostelussa, mikäli vastaat tehtäviin 1-2 vaikka olet osallistunut luentokuulusteluihin. Merkitse vastauspaperiin laboratoriotöiden suoritusvuosi. 1. Ohessa on 12 väittämää mittausepävarmuudesta ja mittatarkkuden ylläpidosta. Ovatko väittämät oikein vai väärin? Oikeasta vastauksesta saat 3/4 pistettä ja pisteiden summasta vähennetään 3 pistettä. Kokonaistulos ei kuitenkaan voi olla negatiivinen. Selityksiä ei huomioida. Vastaa oheisen mallin (kuva 1) mukaisesti ensimmäiselle sivulle. Kuva 1. Tehtävän 1 vastausmalli. Väittämät: 1. Mittausepävarmuus on mittaustulokseen liittyvä parametri, joka kuvaa mittaussuureen arvojen odotettua vaihtelua. 2. Mittaustuloksia ilmoitettaessa mittausvirhettä ei tiedetä. 3. Tyypin B mittausepävarmuus määritellään mittaussarjan tilastollisten ominaisuuksien perusteella 4. Standardiepävarmuus on mittaustulosten estimoitu varianssi. 5. Stabiiliudella tarkoitetaan mittalaitteen kykyä säilyttää metrologiset ominaisuutensa ajan kuluessa. 6. Mittausstandardi on kiintomitta, mittauslaite, vertailuaine tai mittausjärjestelmä, jolla määritellään, toteutetaan, säilytetään tai toistetaan suureen mittayksikkö tai suureen yksi tai useampi referenssiarvo. 7. Kalibroinnin jälkeen mittalaitteen näyttämän tai kiintomitan arvon yhteys suureen tosiarvoon tunnetaan ilman epävarmuutta. 8. Laite on kalibroitava vain mikäli halutaan saavuttaa laitevalmistajan ilmoittamaa epävarmuutta pienempi epävarmuustaso. 9. Kalibroinnissa verrataan mittalaitteen näyttämää tai kiintomitan arvoa mittanormaaliin. 10. Mikäli mittaustulos saadaan yhtälöstä y = a1x1 + a2x2 (ei ristikorrelaatiota), saadaan yhdistetty standardiepävarmuus yhtälöstä u c ( y) = a ( ) ( ) missä u(x 1 u x1 + a 2u x2 i) ovat parametrien x i standardiepävarmuudet. 11. Jos mittaustulokset ovat normaalijakautuneita ja standardiepävarmuus on luotettavasti määritetty, voi välin y± u c (y) odottaa sisältävän 68% todennäköisyydellä oikean arvon. 12. Systemaattinen virhe pysyy samana tai muuttuu epäsäännöllisellä tavallla. 2. Kuvassa 2 on esitetty pyyhkäisevän spektrianalysaattorin yksinkertaistettu lohkokaavio. Selitä lyhyesti lohkokaavion osien toiminta ja tarkoitus (poislukien videosuodatin, välitaajuusvahvistin, referenssioskillaattori ja vaimentimiet). Olet asettanut spektrianalysaattorin pyyhkäisemään taajuusvälin 0 1 GHz ja spektrianalysaattorin sisääntuloon viedään 500 MHz:n sinisignaali. Vertaa spektrianalysaattorin näytölle muodostuvaa kuvaa ja alkuperäistä spektriä ja selitä erot. Esivalitsin tai alipäästösuodatin Sekoittaja Välitaajuussuodatin (kaistanpäästö) Ilmaisin Sisääntulovaimennin Välitaajuusvahvistin Logvahvistin Videosuodatin Y Paikallisoskillaattori Pyyhkäisygeneraattori X Kuva 2. Pyyhkäisevän spektrianalysaattorin lohkokaavio. Referenssioskillattori (kide) Näyttö KÄÄNNÄ

12 3. Piirrä kytkentä mittapäälle, mittauskaapelille ja oskilloskoopille. Mittapää vaimentaa jännitettä suhteessa 1:10. Laske mikä on mittapään resistanssin arvo. Mittapään laajakaistainen toiminta varmistetaan virittämällä mittapään kondensaattori. Mikä tulee säädettävän kondensaattorin arvon olla, jotta laajakaistainen jännitteenjako toimii? Oskilloskoopille R in = 1 Mohm, C in = 15 pf. Mittauskaapelille C=100 pf. 4. a) Mittaat spektrianalysaattorilla signaalia, jonka tiedät olevan kanttiaaltoa. Piirrä ja kuvaile miltä signaalin spektri näyttää spektrianalysaattorin näytöllä. b) Miten mittaat spektrianalysaattorilla jännitelähteen kohinajännitetiheyden (V/ Hz)?. c) Määrittele AC-jännitteen tehollisarvo. 5. a) Kuinka voidaan vähentää induktiivisesti kytkeytyviä häiriöitä elektronisissa laitteissa? (2p.) b) Elektroniikkalaitteen analogia- ja digitaaliosia sisältävällä piirilevyllä kulkee digitaalinen kellosignaali, jonka taajuus on 1 MHz. Signaali on sakara-aaltoa, jonka voi ajatella siniaaltokomponenttien summaksi (1, 3, 5, 7, MHz. Vastaavat jänniteamplitudit 3,5, 1,2, 0,7, 0,5, V). Laske kuinka suuri on digitaalivedosta vieressä kulkevaan analogiasignaalia välittävään foliovetoon kytkeytyvän 5 MHz:n jännitekomponentin aiheuttaman häiriöjännitteen tehollisarvo. Digitaali- ja analogiavedon välinen kapasitanssi on 8,9 pf. Analogiavedon kapasitanssi maahan nähden on 17 pf (sisältäen vetoon liittyvien lähtöjen ja tulojen kapasitanssit). Vastaavasti analogiavedon resistanssi maahan on 5,6 kω. Piirrä kuva kytkennästä. (Kuvassa oltava kaikki signaalivedot, kapasitanssit, vastukset ja jännitteet.) (4p.)

13 S Mittaustekniikan perusteet A Tentti / Hahtela, Merimaa Tehtävät 1-2 käsittelevät luentoja ja ne hyvitetään vain vuoden 2004 luentokuulustelupisteiden perusteella. Tehtävät 3-5 käsittelevät laboratoriotöitä eikä niitä hyvitetä. Parempi suoritus huomioidaan automaattisesti lopullisessa arvostelussa, mikäli vastaat tehtäviin 1-2 vaikka olet osallistunut luentokuulusteluihin. Merkitse vastauspaperiin laboratoriotöiden suoritusvuosi. 1. Ohessa on 12 väittämää oskilloskoopista. Ovatko väittämät oikein vai väärin? Oikeasta vastauksesta saat 3/4 pistettä ja pisteiden summasta vähennetään 3 pistettä. Kokonaistulos ei kuitenkaan voi olla negatiivinen. Selityksiä ei huomioida. Vastaa oheisen mallin (kuva 1) mukaisesti ensimmäiselle sivulle. Kuva 1. Tehtävän 1 vastausmalli. Väittämät: 1. Jännitemittapäätä käytettäessä oskilloskooppi ei kuormita mitattavaa piiriä lainkaan. 2. Equivalent time sampling moodi sopii kertailmiöiden mittaukseen. 3. Oskilloskooppimittauksen ylärajataajuus riippuu oskilloskoopin lisäksi myös mittapäästä. 4. Tavanomaisella analogisella oskilloskoopilla voidaan tarkastella myös liipaisuehtoa edeltävää signaalia. 5. Digitaalisten oskilloskooppien näytteenotto voidaan tehdä A/D-muunnosta nopeammaksi. 6. Interpoloinnilla tarkoitetaan Equivalent time sampling moodissa tapahtuvaa pisteiden asettelua oskilloskoopin näytölle. 7. Taajuuskorjatussa jännitteenjakajassa (tavallinen oskilloskoopin ottovaimennin) komponenttien hajakapasitanssit eivät (juurikaan) vaikuta jännitteenjaon suuruuteen. 8. Mitattaessa 100 MHz signaalia 100 MHz:n oskilloskoopilla ja sopivalla mittapäällä, on signaalin amplitudissa noin 30 % virhe. 9. Mittapään maadoitusjohdinta ei tarvitse käyttää mitattaessa yli 10 MHz:n taajuuksia, koska maadoitus tapahtuu luotettavasti myös verkkomaan kautta. 10. Kanttiaalto ei havaittavasti vääristy, mikäli sen taajuus on pienempi kuin oskilloskoopin ylärajataajuus. 11. Oskilloskoopin sisääntulo on tyypillisesti kelluva. 12. Mitattavan piirin ominaisuudet määräävät miten mittapää tulee virittää. 2. Selitä lyhyesti: a) Mittausepävarmuus b) Standardiepävarmuus c) Jäljitettävyys d) Kalibrointi e) Mittanormaali f) Miten yhdistät mittaukseen vaikuttavien tekijöiden standardiepävarmuudet yhdistetyksi standardiepävarmuudeksi u c? KÄÄNNÄ 3. a) Taajuuden määrittäminen periodimittauksella. (2p) b) Millaisia ongelmia venymäliuska-antureiden lämpötilariippuvuus voi aiheuttaa mittauksissa ja kuinka ongelmat voidaan välttää? (2p)

14 c) Haluat erottaa toisistaan 1 MHz:n välein olevat taajuuskomponentit spektrianalysaattorilla. Taajuuspyyhkäisy kattaa 10 MHz:n kaistan. Kuinka kauan tulee yhden pyyhkäisyn vähintään kestää? (2p) 4. Lämpöanturi (T 0 =25 ºC) asetetaan kiehuvaan veteen (T=100 ºC). Anturin lämpövastus veteen on 7 K/W ja anturin lämpökapasiteetti on 13 J/K. a) Mitä lämpötilaa anturi näyttää oltuaan vedessä 30 sekuntia. (4p) b) Kuinka suuren virheen lämpöanturin lukemaan aiheuttaa 6 ma:n mittausvirta, mikäli anturina käytetään PT-100 vastusta (resistanssi mittauslämpötilassa noin 140 Ω) ja lämpöanturin lukema on asettunut loppuarvoonsa ( t = ). (2p) 5. a) Laske kuvan 2 signaalien tasasuunnatut keskiarvot ja tehollisarvot. (3p) 2,5 V T -2,5V Kuva 2. Kolmio- ja kanttiaallot. b) Laske kuvan 3 linkistä: Kuinka suuri lähettimen teho tarvitaan, kun haluttu tehomarginaali on 6 db, vastaanottimen herkkyys on 1 µw, yhden liittimen vaimennus n. 0.5 db, kuidun vaimennus α=3 db/km ja kuidun pituus on 7 km? (3p) Lähetin Kuitu Liitin Liitin 0.5 db α=3 db/km 0.5 db Vastaanotin Herkkyys = 1µ W Kuva 3. Kuitulinkki.

15 S Mittaustekniikan perusteet A Tentti / Hahtela, Merimaa Tehtävät 1-3 käsittelevät luentoja ja ne hyvitetään vain vuoden 2003 luentokuulustelupisteiden perusteella. Tehtävät 4-6 käsittelevät laboratoriotöitä eikä niitä hyvitetä. Mikäli vastaat tehtäviin 1-3 ja olet osallistunut luentokuulusteluihin, otetaan parempi suoritus automaattisesti huomioon lopullisessa arvostelussa. Merkitse vastauspaperiin laboratoriotöiden suoritusvuosi. 1. Ohessa on 12 väittämää yleismittarista ja taajuuslaskurista. Ovatko väittämät oikein vai väärin? Oikeasta vastauksesta saat 3/4 pistettä ja pisteiden summasta vähennetään 3 pistettä. Kokonaistulos ei kuitenkaan voi olla negatiivinen. Selityksiä ei huomioida. Vastaa oheisen mallin (kuva 1) mukaisesti ensimmäiselle sivulle. Kuva 1. Tehtävän 1 vastausmalli. Väittämät: 1. Aaltomuotoa kuvaavat suureet (tehollisarvo, tasasuunnattu keskiarvo, huippuarvo) saadaan toisistaan, vaikkei aaltomuotoa tunnettaisikaan. 2. Tehollisarvon (RMS) laskemiseksi signaaalista otetaan ensin neliöjuuri, se keskiarvoistetaan ja lopuksi tulos korotetaan toiseen potenssiin. 3. AC-jännite joka ilmaistaan tehollisarvonsa avulla antaa resistanssiin saman tehon kuin vastaavan suuruinen DC-jännite. 4. Oheisessa kuvassa esitetyillä aaltomuodilla (huippuarvo annettu) on kaikilla sama tehollisarvo v 1.11 v 1 v 5. Kaksoisintegroiva muunnin integroi sisääntulevan signaalin kahdesti. 6. Tehollisarvomuuntimella on maksimitaajuus, jota suuremmilla taajuuksilla se ei toimi oikein. 7. ±1 pulssin epävarmuus johtuu laskurin kellon ja signaalin välisen vaiheen satunnaisuudesta. 8. Periodimittauksessa laskurin sisäisen kellon jaksoja lasketaan käyttäjän asettama aika. 9. Pulssien laskennan ±1 epävarmuuden pienentämiseen voidaan käyttää mm. PLL-taajuuskertojaa. 10. Taajuuslakurin kellon taajuuden epävarmuus ei vaikuta periodimittauksen epävarmuuteen. 11. Taajuuslaskuri ei kuormita mitattavaa piiriä. 12. Tietylle mittausajalle periodimittauksen ±1 pulssin epävarmuus on vakio. 2. Esitä kuvaus Kirchhoffin lakien demonstroimisesta käyttäen apuna sopivia kytkentäkaavioita. Käytettävissä on jännite- ja virtamittareita, kaksi paristoa, kaksi vastusta sekä johtimia. (Kevään 98 YO-tehtävä) 3. Tarkastellaan kuvan 2. mukaista järjestelmää. Piirrä kuva ja selitä, kuinka kapasitiivinen, induktiivinen ja resistiivinen häiriö voivat kytkeytyä verkosta tai ulkopuolisista johtimista kuvan järjestelmään. Mitä suunnittelullisia tms. menetelmiä on mahdollista käyttää pienentämään kapasitiivisesti kytkeytyvää häiriötä? KÄÄNNÄ

16 Lähetin Vastaanotin R S U R L 240V 0 V MAA Verkko Kuva 2. Järjestelmä, johon häiriö kytkeytyy. 4. Määrittele lyhyesti tai piirrä: (yht. 6p.) a) Vastuksen nelipistemittaus b) Hystereesi c) Lämpösähköinen anturi eli termoelementti d) Sinimuotoisen signaalin spektri e) Mittapään virittäminen f) Zener-diodin virta-jännitekäyrä 5. Olet tehnyt kuvan 3 mukaisen kytkennän laskeaksesi kelan induktanssin. Käytät 10 Ohmin vastusta ja olet mitannut induktanssin parasiittisen reistanssin olevan 8,4 Ohmia. a) Piirrä mittauskytkentä, jossa esität kuinka signaaligeneraattori ja oskilloskooppi kytketään induktanssin mittaamiseksi. (2p) b) Mittaat oskilloskoopin XY-asennossa. Signaaligeneraattorin taajuus on 3 Hz, annon huipusta-huippuun amplitudi on 10 V ja vaihe-eroksi olet mitannut 30 astetta. Piirrä mitä oskilloskoopin näytöllä näkyy. (2p) c) Laske annettujen arvojen perusteella kelan induktanssi. (2p) Resistanssi Induktanssi R R L L Kuva 3. Induktanssin mittaus. Parasiittinen reistanssi 6. a) Laske kuvan 4 linkistä: Kuinka suuri lähettimen teho tarvitaan, kun haluttu tehomarginaali on 6 db, vastaanottimen herkkyys on 1 µw, yhden liittimen vaimennus on 0.5 db, kuidun vaimennus α=3 db/km ja kuidun pituus on 7 km? (3p.) Kuitu Lähetin Liitin Liitin 0.5 db α=3 db/km 0.5 db Kuva 4. Kuitulinkki. Vastaanotin Herkkyys = 1µ W b) Mittaat taajuutta mittarilla, jonka kellotaajuus on 8 MHz ja suurin mittausaika 20 s. Mittauksessa on mahdollista keskiarvoistaa 15 jaksoa. Mikä on rajataajuus, jonka toisella puolella on tarkempaa käyttää periodimittausta ja toisella puolella suoraa taajuusmittausta? Kumpi on tarkempi rajataajuutta korkeammilla taajuuksilla? Esitä myös laskutoimitukset. Pelkkä vastaus ei anna pisteitä. (3p)

17 S Mittaustekniikan perusteet A Tentti / Hahtela, Merimaa Tehtävät 1-3 käsittelevät luentoja ja ne hyvitetään vain vuoden 2003 luentokuulustelupisteiden perusteella. Tehtävät 4-6 käsittelevät laboratoriotöitä eikä niitä hyvitetä. Mikäli vastaat tehtäviin 1-3 ja olet osallistunut luentokuulusteluihin, otetaan parempi suoritus automaattisesti huomioon lopullisessa arvostelussa. Merkitse vastauspaperiin laboratoriotöiden suoritusvuosi. 1. Ohessa on 12 väittämää yleismittarista ja taajuuslaskurista. Ovatko väittämät oikein vai väärin? Oikeasta vastauksesta saat 3/4 pistettä ja pisteiden summasta vähennetään 3 pistettä. Kokonaistulos ei kuitenkaan voi olla negatiivinen. Selityksiä ei huomioida. Vastaa oheisen mallin (kuva 1) mukaisesti ensimmäiselle sivulle. Kuva 1. Tehtävän 1 vastausmalli. Väittämät: 1. Aaltomuotoa kuvaavat suureet (tehollisarvo, tasasuunnattu keskiarvo, huippuarvo) saadaan toisistaan, vaikkei aaltomuotoa tunnettaisikaan. 2. Tehollisarvon (RMS) laskemiseksi signaaalista otetaan ensin neliöjuuri, se keskiarvoistetaan ja lopuksi tulos korotetaan toiseen potenssiin. 3. AC-jännite joka ilmaistaan tehollisarvonsa avulla antaa resistanssiin saman tehon kuin vastaavan suuruinen DC-jännite. 4. Oheisessa kuvassa esitetyillä aaltomuodilla (huippuarvo annettu) on kaikilla sama tehollisarvo v 1.11 v 1 v 5. Kaksoisintegroiva muunnin integroi sisääntulevan signaalin kahdesti. 6. Tehollisarvomuuntimella on maksimitaajuus, jota suuremmilla taajuuksilla se ei toimi oikein. 7. ±1 pulssin epävarmuus johtuu laskurin kellon ja signaalin välisen vaiheen satunnaisuudesta. 8. Periodimittauksessa laskurin sisäisen kellon jaksoja lasketaan käyttäjän asettama aika. 9. Pulssien laskennan ±1 epävarmuuden pienentämiseen voidaan käyttää mm. PLL-taajuuskertojaa. 10. Taajuuslakurin kellon taajuuden epävarmuus ei vaikuta periodimittauksen epävarmuuteen. 11. Taajuuslaskuri ei kuormita mitattavaa piiriä. 12. Tietylle mittausajalle periodimittauksen ±1 pulssin epävarmuus on vakio. 2. Selitä lyhyesti: a) Mihin tarkoitukseen käytetään oskilloskoopin HOLD OFF -säätöä? Anna esimerkki tilanteesta, jossa HOLD OFF -säätö on hyödyllinen. b) Oskilloskoopin liipaisun toimintaperiaate? c) Miksi oskilloskooppimittauksissa käytetään tavallisesti mittapäätä? d) Equivalent time sampling. e) Mitkä ovat digitaalisen oskilloskoopin edut analogiseen verrattuna? f) Mistä seikoista riippuu oskilloskooppimittauksen ylärajataajuus? KÄÄNNÄ 3. Olet tekemässä mittausta, jossa lopputuloksen määräämiseksi on tehtävä useita erillisiä mittauksia (esimerkki: kokonaisvirtaus usean erillisen putken läpi). Oletetaan mittausta

18 kuvaavaksi yhtälöksi y = a x + a x a x N N, missä a i ovat tunnettuja vakioita ja x i ovat mittaustuloksina saatuja estimaatteja. Tunnet myös estimaattien standardiepävarmuudet u(x i ). Määritä mittaustuloksen yhdistetty standardiepävarmuus u c (y). Miten tulkitset standardiepävarmuuden, jos oletetat tulosten olevan normaalijakautuneita? 4. Määrittele lyhyesti tai piirrä: (yht 6.) a) Vastuksen nelipistemittaus b) Hystereesi c) Lämpösähköinen anturi eli termoelementti d) Sinimuotoisen signaalin spektri e) Taajuuden määrittäminen periodimittauksella f) Zener-diodin virta-jännitekäyrä 5. Piirrä kytkentä mittapäälle, mittauskaapelille ja oskilloskoopille. Mittapää vaimentaa jännitettä suhteessa 1:10. Laske mikä on mittapään resistanssin arvo. Mittapään laajakaistainen toiminta varmistetaan virittämällä mittapään kondensaattori. Mikä tulee säädettävän kondensaattorin arvon olla, jotta laajakaistainen jännitteenjako toimii? Oskilloskoopille R in = 1 Mohm, C in = 15 pf. Mittauskaapelille C=100 pf. (6p.) 6. a) Kuinka voidaan vähentää kapasitiivisesti kytkeytyviä häiriöitä elektronisissa laitteissa? b) Laske kuvan 2. linkistä kuinka suuri lähettimen teho tarvitaan, kun haluttu tehomarginaali on 6 db, vastaanottimen herkkyys on 1 µw, yhden liittimen vaimennus on 0.5 db, kuidun vaimennus α=3 db/km ja kuidun pituus on 6 km? Lähetin Kuitu Liitin Liitin 0.5 db α=3 db/km 0.5 db Vastaanotin Herkkyys = 1µ W Kuva 2. Kuitulinkki.

19 S Mittaustekniikan perusteet A Tentti / Hahtela, Merimaa Tehtävät 1-3 käsittelevät luentoja ja ne hyvitetään vain vuoden 2003 luentokuulustelupisteiden perusteella. Tehtävät 4-6 käsittelevät laboratoriotöitä eikä niitä hyvitetä. Mikäli vastaat tehtäviin 1-3 ja olet osallistunut luentokuulusteluihin, otetaan parempi suoritus automaattisesti huomioon lopullisessa arvostelussa. Merkitse vastauspaperiin laboratoriotöiden suoritusvuosi. 1. Ohessa on 12 väittämää mittausepävarmuudesta. Ovatko väittämät oikein vai väärin? Oikeasta vastauksesta saat 3/4 pistettä ja pisteiden summasta vähennetään 3 pistettä. Kokonaistulos ei kuitenkaan voi olla negatiivinen. Selityksiä ei huomioida. Vastaa oheisen mallin (kuva 1) mukaisesti ensimmäiselle sivulle. Kuva 1. Tehtävän 1 vastausmalli. Väittämät: 1. Tyypin B mittausepävarmuus määritetään mittaussarjan tilastollisten ominaisuuksien perusteella. 2. Osa systemaattisesta virheestä voi olla tunnettua. 3. Mitattavan arvon estimaatti (mittaustulos) on y ja sen standardiepävarmuus u c tunnetaan (oletus: normaalijakauma). Tällöin välin y± u c, voidaan odottaa sisältävän 95 % todennäköisyydellä oikean arvon Y. 4. Standardiepävarmuus u c ei sisällä systemaattisia virheitä. 5. Lopullinen tulos on usein funktio monesta parametrista: Y = f X, X,..., X ). Parametreihin X n voivat ( 1 2 n sisältyä mm. korjaustermit, mittaaja ja laboratorio, jossa mittaus tehdään. 6. Epästabiiliudella tarkoitetaan mittauslaitteen metrologisten ominaisuuksien muutosta ajan kuluessa. 7. Epästabiilille laitteelle (aikariippuvuus määräävä) ei ole välttämättä mahdollista laskea standardiepävarmuutta (epävarmuus ei konvergoi). 8. Mittaustulosten (mittauksista saatujen estimaattien) käsittelyn tarkoitus on vain määrittää epävarmuus, mitattavan suureeen arvo määritellään muilla tavoin. 9. Mikäli mittausepävarmuus ilmoitetaan prosentteina mittaustuloksesta, on kyseessä absoluuttinen mittausepävarmuus. 10. Useimmissa tapauksissa mittaustulos on käyttökelpoinen, vaikka tietoa tulokseen liittyvästä mittausepävarmuudesta ei olisikaan. 11. Kalibroinnilla sisältyy määritelmän mukaan laitteen säätäminen ja huoltaminen siten, että se näyttää oikeaa arvoa. 12. Kalibroinnilla ei voi poistaa epävarmuutta, joka aiheutuu laitteen käyttöympäristöstä. 2. Piirrä periaatekuva oskilloskoopin vaimentavasta mittapäästä. Miksi vaimentavaa mittapäätä käytetään ja miten se toimii? Optimoi 1:10 vaimentavan mittapään komponenttien arvot mahdollisimman tasaista taajuusvastetta varten, kun oskilloskoopin sisääntulon resistanssi on 0.9 MΩ ja kapasitanssi on 12 pf. Mikä on tällöin oskilloskoopin ottoimpedanssi 20 MHz:n taajuudella mittapään kanssa ja ilman sitä? KÄÄNNÄ

20 3. Vastuksen nelipistemittaus: a) Tarkastellaan kuvan 2 mukaista vastuksen nelipistemittausta. Miksi nelipistemittauksessa virtalähteen ja mitattavan vastuksen R välissä olevilla vastuksilla R1 ja R2 ei ole vaikutusta resistanssin R mittaustulokseen? b) Laske jännitemittarin (V) ja mitattavan vastuksen R välissä olevien johdinvastusten R3 ja R4 (~ 2 Ω) suhteellinen vaikutus mittaustulokseen, kun volttimittarin sisäinen resistanssi on 1 MΩ ja mitattavan vastuksen suuruus on 50 Ω. R1 R3 R2 R R4 V Kuva 2. Vastuksen nelipistemittaus. 4. a) Selitä lyhyesti oskilloskoopin liipaisun toiminta. (2p) b) Määrittele digitaalisen pulssin nousuaika. (2p) c) Haluat erottaa toisistaan 1 MHz:n välein olevat taajuuskomponentit spektrianalysaattorilla. Taajuuspyyhkäisy kattaa 10 MHz:n kaistan. Kuinka kauan tulee yhden pyyhkäisyn vähintään kestää? (2p) 5. a) Piirrä ja selitä lohkokaaviot, joista selviää taajuuslaskurin toiminta suorassa taajuusmittauksessa ja periodimittauksessa. (2p.) b) Mittaat taajuutta mittarilla, jonka kellotaajuus on 4 MHz ja suurin mittausaika 20 s. Mittauksessa on mahdollista keskiarvoistaa viisi jaksoa. Mikä on rajataajuus, jonka toisella puolella on tarkempaa käyttää periodimittausta ja toisella puolella suoraa taajuusmittausta? Kumpi on tarkempi rajataajuutta korkeammilla taajuuksilla? (4p.) 6. a) Piirrä kytkentä, jolla voit mitata diodin virta-jännitekäyrän. Käytössäsi on kelluva signaaligeneraattori, vastus sekä oskilloskooppi. (3p.) b) Lämpöanturi (T 0 =20 C) pudotetaan kiehuvaan veteen. Laske kuinka kauan kestää, että anturi saavuttaa 85 C:n lämpötilan. Anturin lämpövastus R T veteen on 1.7 K/W ja lämpökapasiteetti C T on 8.8 J/K. (3p.)

21 S Mittaustekniikan perusteet A Tentti / Hahtela, Merimaa Tehtävät 1-3 käsittelevät luentoja ja ne hyvitetään vain vuoden 2003 luentokuulustelupisteiden perusteella. Tehtävät 4-6 käsittelevät laboratoriotöitä eikä niitä hyvitetä. Mikäli vastaat tehtäviin 1-3 ja olet osallistunut luentokuulusteluihin, otetaan parempi suoritus automaattisesti huomioon lopullisessa arvostelussa. Merkitse vastauspaperiin laboratoriotöiden suoritusvuosi. 1. Ohessa on 12 väittämää spektrianalysaattoreista. Ovatko väittämät oikein vai väärin? Oikeasta vastauksesta saat 3/4 pistettä ja pisteiden summasta vähennetään 3 pistettä. Kokonaistulos ei kuitenkaan voi olla negatiivinen. Selityksiä ei huomioida. Vastaa oheisen mallin (kuva 1) mukaisesti ensimmäiselle sivulle. Kuva 1. Tehtävän 1 vastausmalli. Väittämät: 1. Säädettävä kaistanpäästösuodin on käytännöllinen komponentti, jota käytetään pyyhkäisevässä spektrianalysattorissa. 2. Pyyhkäisevän spektrianalysaattorin resoluutio paranee kun pyyhkäistään nopeammin. 3. Kapeaa suodatinta käytettäessä on mahdollista havaita heikompia signaaleja. 4. Pyyhkäisevä spektrianalysaattoria käytetään usein transientti-ilmiöiden tarkasteluun. 5. FFT-spektrianalysaattorilla saadaan kaikki (mittausalueella olevat) taajuudet samanaikaisesti. 6. FFT-spektrianalysaattorissa näytteenottonopeus määrää resoluution. 7. Ikkunointia on välttämätöntä käyttää FFT-spektrianalysaattorissa alias-ilmiön takia. 8. Ikkunafunktion muoto vaikuttaa mitatun spektrin muotoon. 9. FFT-spektrianalysaattorin A/D-muuntimen bittimäärä ja muut ominaisuudet määräävät analysaattorin dynaamisen alueen. 10. Jos FFT-spektrianalysaattori ottaa 2 N näytettä signaalista, saadaan tällöin mittaustuloksena 2 2 N spektrikomponenttia. 11. FFT-perustuu oletukseen, että mitattu näytejono toistuu äärettömästi. 12. Transienttimittauksissa FFT-analysaattorilla signaali vaimennetaan nollaan mittausajan lopussa, ellei signaali tee sitä luonnostaan. 2. Metri, miten se määritellään ja mitä kaikkea tarvitaan jotta määritelmästä päästään pituuden mittaamiseen? (lukuarvojen tarkkaa muistamista ei edellytetä) 3. Tarkastellaan kuvan 2. mukaista järjestelmää. Piirrä kuva ja selitä, kuinka kapasitiivinen, induktiivinen ja resistiivinen häiriö voivat kytkeytyä verkosta tai ulkopuolisista johtimista kuvan järjestelmään. Mitä suunnittelullisia tms. menetelmiä on mahdollista käyttää pienentämään kapasitiivisesti kytkeytyvää häiriötä? KÄÄNNÄ

22 Lähetin Vastaanotin R S U R L 240V 0 V MAA Verkko Kuva 2. Järjestelmä, johon häiriö kytkeytyy. 4. Määrittele lyhyesti tai piirrä: (yht. 6p.) a) Digitaalisen pulssin nousuaika b) Hystereesi c) Signaalin dispersio optisessa kuidussa d) Oskilloskoopin XY-asento e) Venymäliuska-anturi f) Pt-100 anturi 5. a) Mittaat spektrianalysaattorilla signaalia, jonka tiedät olevan kanttiaaltoa. Piirrä ja kuvaile miltä signaalin spektri näyttää spektrianalysaattorin näytöllä. (2p.) b) Vastuksen nelipistemittaus. (2p.) c) Määrittele AC-jännitteen tehollisarvo. (2p.) 6. a) Laske oheisen kuvan linkistä: Kuinka suuri lähettimen teho tarvitaan, kun haluttu tehomarginaali on 6 db, vastaanottimen herkkyys on 1 µw, yhden liittimen vaimennus on 0.5 db, kuidun vaimennus α=3 db/km ja kuidun pituus on 9 km? (3p.) Lähetin Kuitu Liitin Liitin 0.5 db α=3 db/km 0.5 db Vastaanotin Herkkyys = 1µ W b) Elektroniikkalaitteen analogia- ja digitaaliosia sisältävällä piirilevyllä kulkee digitaalinen kellosignaali, jonka taajuus on 1 MHz. Signaali on sakara-aaltoa, jonka voi ajatella siniaaltokomponenttien summaksi (1, 3, 5, 7, MHz. Vastaavat jänniteamplitudit 3,5, 1,2, 0,7, 0,5, V). Laske kuinka suuri on digitaalivedosta vieressä kulkevaan analogiasignaalia välittävään foliovetoon kytkeytyvän 5 MHz:n jännitekomponentin aiheuttaman häiriöjännitteen tehollisarvo. Digitaali- ja analogiavedon välinen kapasitanssi on 15 pf. Analogiavedon kapasitanssi maahan nähden on 21 pf (sisältäen vetoon liittyvien lähtöjen ja tulojen kapasitanssit). Vastaavasti analogiavedon resistanssi maahan on 7,5 kω. Piirrä kuva kytkennästä. (Kuvassa oltava kaikki signaalivedot, kapasitanssit, vastukset ja jännitteet.) (3p)

23 S Mittaustekniikan perusteet A Tentti / Hahtela, Merimaa, Lehtonen Tehtävät 1-3 käsittelevät luentoja ja ne hyvitetään vain vuoden 2003 luentokuulustelupisteiden perusteella. Tehtävät 4-6 käsittelevät laboratoriotöitä eikä niitä hyvitetä. Mikäli vastaat tehtäviin 1-3 ja olet osallistunut luentokuulusteluihin, otetaan parempi suoritus automaattisesti huomioon lopullisessa arvostelussa. Merkitse vastauspaperiin laboratoriotöiden suoritusvuosi. 1. Ohessa on 12 väittämää oskilloskoopista. Ovatko väittämät oikein vai väärin? Oikeasta vastauksesta saat ½ pistettä, tyhjästä 0 pistettä ja väärästä -½ pistettä. Kokonaistulos ei kuitenkaan voi olla negatiivinen. Selityksiä ei huomioida. Vastaa oheisen mallin (kuva 1) mukaisesti. Kuva 1. Tehtävän 1 vastausmalli. Väittämät: 1. Jännitemittapäätä käytettäessä oskilloskooppi ei kuormita mitattavaa piiriä lainkaan. 2. Equivalent time sampling moodi sopii vain jatkuvien signalien mittaukseen. 3. Oskilloskooppimittauksen ylärajataajuus riippuu oskilloskoopin lisäksi myös mittapäästä. 4. Tavanomaisella analogisella oskilloskoopilla voidaan tarkastella myös liipaisuehtoa edeltävää signaalia. 5. Digitaalisten oskilloskooppien näytteenotto voidaan tehdä A/D-muunnosta nopeammaksi. 6. Interpoloinnilla tarkoitetaan Equivalent time sampling moodissa tapahtuvaa pisteiden asettelua oskilloskoopin näytölle. 7. Taajuuskorjatussa jännitteenjakajassa (tavallinen oskilloskoopin ottovaimennin) komponenttien hajakapasitanssit eivät (juurikaan) vaikuta jännitteenjaon suuruuteen. 8. Mitattaessa 100 MHz signaalia 100 MHz:n oskilloskoopilla ja sopivalla mittapäällä, on signaalin amplitudissa noin 30 % virhe. 9. Mittapään maadoitusjohdinta ei tarvitse käyttää mitattaessa yli 10 MHz:n taajuuksia, koska maadoitus tapahtuu luotettavasti myös verkkomaan kautta. 10. Kanttiaalto ei havaittavasti vääristy, mikäli sen taajuus on alle puolet oskilloskoopin ylärajataajuudesta. 11. Oskilloskoopin sisääntulo on tyypillisesti kelluva. 12. Mitattavan piirin ominaisuudet määräävät miten mittapää tulee virittää. 2. Olet tekemässä mittausta, jossa lopputuloksen määräämiseksi on tehtävä useita erillisiä mittauksia (esimerkki: kokonaisvirtaus usean erillisen putken läpi). Nyt mittausta kuvaava yhtälö on y = a x + a x a x N N, missä ai ovat tunnettuja vakioita ja x i ovat mittaustuloksina saatuja estimaatteja. Tunnet myös estimaattien standardiepävarmuudet u(x i ). Määritä mittaustuloksen yhdistetty standardiepävarmuus u c (y). Miten standardiepävarmuus on (yleisesti) tulkittavaissa, jos oletetaan tulosten olevan normaalijakautuneita? 3. a) Selitä, mitä tarkoittaa A/D-muuntimen dynaaminen alue. b) Miksi alias-ilmiö (laskostuminen) haittaa mittalaitteita, jotka käyttävät A/D-muuntimia. c) Mitä etuja saavutetaan, jos mittalaitteet liitetään suoraan sisäväylään? KÄÄNNÄ 4. Lämpöanturi (T 0 =24 ºC) asetetaan kiehuvaan veteen (T=100 ºC). Anturin lämpövastus veteen on 6 K/W ja anturin lämpökapasiteetti on 13 J/K.

24 a) Mitä lämpötilaa anturi näyttää oltuaan vedessä 27 sekuntia. (4p) b) Kuinka suuren virheen lämpöanturin lukemaan aiheuttaa 6 ma:n mittausvirta, mikäli anturina käytetään PT-100 vastusta (resistanssi mittauslämpötilassa noin 140 Ω) ja lämpöanturin lukema on asettunut loppuarvoonsa ( t = ). (2p) 5. a) Kuinka voidaan vähentää kapasitiivisesti kytkeytyviä häiriöitä elektronisissa laitteissa? (2p) b) Elektroniikkalaitteen analogia- ja digitaaliosia sisältävällä piirilevyllä kulkee digitaalinen kellosignaali, jonka taajuus on 1 MHz. Signaali on sakara-aaltoa, jonka voi ajatella siniaaltokomponenttien summaksi (1, 3, 5, 7, MHz. Vastaavat jänniteamplitudit 3,5, 1,2, 0,7, 0,5, V). Laske kuinka suuri on digitaalivedosta vieressä kulkevaan analogiasignaalia välittävään foliovetoon kytkeytyvän 3 MHz:n jännitekomponentin aiheuttaman häiriöjännitteen tehollisarvo. Digitaali- ja analogiavedon välinen kapasitanssi on 11 pf. Analogiavedon kapasitanssi maahan nähden on 19 pf (sisältäen vetoon liittyvien lähtöjen ja tulojen kapasitanssit). Vastaavasti analogiavedon resistanssi maahan on 7,2 kω. Piirrä kuva kytkennästä. (Kuvassa oltava kaikki signaalivedot, kapasitanssit, vastukset ja jännitteet.) (4p) 6. a) Piirrä ja kuvaile vastuksen nelipistemittauksen toimintaperiaate. (2p) b) Määrittele digitaalisen pulssin nousuaika. (2p) c) Haluat erottaa toisistaan 1 MHz:n välein olevat taajuuskomponentit spektrianalysaattorilla. Taajuuspyyhkäisy kattaa 10 MHz:n kaistan. Kuinka kauan tulee yhden pyyhkäisyn vähintään kestää? (2p)

25 S Mittaustekniikan perusteet A Tentti /Merimaa, Hahtela Tehtävät 1-3 käsittelevät luentoja ja ne hyvitetään vain vuoden 2002 luentokuulustelupisteiden perusteella. Tehtävät 4-6 käsittelevät laboratoriotöitä eikä niitä hyvitetä. Mikäli vastaat tehtäviin 1-3 ja olet osallistunut luentokuulusteluihin, otetaan parempi suoritus automaattisesti huomioon lopullisessa arvostelussa. Merkitse vastauspaperiin laboratoriotöiden suoritusvuosi. 1. Digitaalisissa yleismittareissa käytetään usein ns. kaksoisintegroivaa A/D-muunninta. Miksi nimenomaan integroivaa muunninta käytetään yleismittareissa? Piirrä muuntimen lohkokaavio. Selitä muunnosprosessin kulku. Piirrä myös kuva integraattorin jännitteestä muunnoksen aikana. 2. Tarkastellaan kuvan 1. mukaista järjestelmää. Piirrä kuva ja selitä kuvaa käyttäen, kuinka kapasitiivinen, induktiivinen ja resistiivinen häiriö voivat kytkeytyä verkosta tai ulkopuolisista johtimista kuvan järjestelmään. Mitä suunnittelullisia tms. menetelmiä on mahdollista käyttää pienentämään kapasitiivisesti kytkeytyvää häiriötä? I H Lähetin Vastaanotin R S U R L U H Verkko: 240V rms MAA I H Kuva 1. Järjestelmä, johon häiriö kytkeytyy. 3. Olet tekemässä mittausta, jossa lopputuloksen määräämiseksi on tehtävä useita erillisiä mittauksia (esimerkki: kokonaisvirtaus usean erillisen putken läpi). Nyt mittausta kuvaava yhtälö on y = a x + a x a x N N, missä ai ovat tunnettuja vakioita ja x i ovat mittaustuloksina saatuja estimaatteja. Tunnet myös estimaattien standardiepävarmuudet u(x i ). Määritä mittaustuloksen yhdistetty standardiepävarmuus u c (y). Miten standardiepävarmuus on tulkittavaissa, jos oletetaan tulosten olevan normaalijakautuneita? 4. a) Piirrä ja selitä lohkokaaviot, joista selviää taajuuslaskurin toiminta suorassa taajuusmittauksessa ja periodimittauksessa. (3p) b) Mittaat taajuutta laskurilla, jonka kellotaajuus on 8 MHz ja suurin mittausaika 25 s. Mittauksessa on mahdollista keskiarvoistaa 20 jaksoa. Mikä on rajataajuus, jonka toisella puolella on tarkempaa käyttää periodimittausta ja toisella puolella suoraa taajuusmittausta? Kumpi on tarkempi rajataajuutta korkeammilla taajuuksilla? Esitä myös laskutoimitukset. Pelkkä vastaus ei anna pisteitä. (3p) 5. Määrittele lyhyesti tai piirrä: (yht. 6p) a) Vastuksen nelipistemittaus b) Hystereesi c) Termoelementti d) Piirrä ideaalisen siniaallon spektri e) Digitaalisen signaalin nousuaika f) Diodin virta-jännitekäyrä 6. Selitä venymäliuska-antureiden rakenne, toiminta ja käyttö mittaustekniikassa.