Perusmittalaitteet 2. Yleismittari Taajuuslaskuri

Transkriptio

1 Mittaustekniikan perusteet / luento 4 Perusmittalaitteet 2 Digitaalinen yleismittari Yleisimmin sähkötekniikassa käytetty mittalaite. Yleismittari aajuuslaskuri Huomaa mittareiden toisistaan poikkeaat näyttämät! Poikkeama on mittareiden epäarmuuksien sisällä. Digitaalinen yleismittari Digitaalisella yleismittarilla oidaan mitata: D/A -jännitettä D/A -irtaa esistanssia (2-pistemittaus / 4-pistemittaus) Myös muita mittauksia (diodi, kapasitanssi, induktanssi, lämpötila ) Suuri ottoimpedanssi jännitemittauksissa: yypillisesti > M Kuormittaa mitattaaa piiriä ähän (A-mittaukset: otossa myös kapasitanssia) ehollisaron mittaus: Usein todellinen tehollisaro myös ei-sinimuotoisille A- jännitteille tai -irroille Vaihtoehtoisesti tasasuunnatun keskiaron mittaus Mitattaat taajuudet pieniä (< MHz) ehollisaro (MS) Virran tai jännnitteen tehollisaro (MS-aro) on errannollinen nopeuteen, jolla sähköenergia muuttuu muiksi energian muodoiksi. Voidaan mitata A-jännitteen/irran aiheuttama lämmitysteho ns. termomuntimella Elektroniikan aulla toteutettaia menetelmiä: MS-aron laskenta analogisesti tai digitaalisesti asasuunnatun keskiaron mittaus Usein mahdollisuus irtuaali-instrumentointiin!

2 ehollisaro (MS) ehollisaro = MS (oot-mean-square) Aaltomuoto Amplitudi V MS A-jännite joka ilmaistaan tehollisaronsa aulla antaa samaan resistanssiin saman tehon kuin astaaan suuruinen D-jännite Kaikilla allaoleilla aaltomuodoilla on sama tehollisaro ja tehollisaromittari näyttää aroa V kaikille signaaleille.44 Sini Kolmio.733 Kantti D Sama teho ehollisaron laskenta ehollisaron laskenta (analogisesti tai digitaalisesti) Määritellään keskimääräisen tehon aulla: 2 ( Hetkellinen teho resistanssiin: P Keskimääräinen teho hetkellisestä tehosta: integroi jakson yli ja jaa jakson pituudella: P ag t t MS 2 2 ( MS t 2 t ( oot Mean Square (=MS) atkaistaan MS asasuunnattu keskiaro s. MS Digitaalinen yleismittari Halemmat mittarit saattaat määritellä tehollisaron tasasuunnatun keskiaron kautta: ehdään puoli- tai kokoaaltotasasuuntaus Keskiaroistetaan saatu signaali Kerrotaan akiolla (Sini =,) tehollisaron saamiseksi Näyttää äärin ei-sinimuotoisille signaaleille ulosta oidaan korjata, jos aaltomuoto tunnetaan. Jännite ja resistanssi OM Virta Digitaalisen yleismittarin lohkokaaio Ylijännite suojaus Sulake / V A/Dmuunnin Vakioirtalähde Virtaetuastus ma / V Ohjaus ja näyttö A / D ehollisaro muunnin Yksi sisäänmeno jännitteelle ja resistanssille, toinen irralle

3 Virta ja resistanssi Virran mittauksessa irta kulkee etuastuksen läpi, jonka yli muodostua jännite U = * I ohjataan A/Dmuuntimelle esistanssimittauksessa mittari generoi akioirran, joka ohjataan mitattaan resistanssin läpi. esistanssin yli muodostua jännite ohjataan A/Dmuuntimelle. Digitaalinen yleismittari A/D -muunnos yleismittarissa Digitaalisissa yleismittareissa yleensä kaksoisintegroia A/D -muunnin Kaksoisintegroia muunnin saadaan helposti tarkaksi ja lineaariseksi Integroia muunnin Jännite muunnetaan ajaksi, joka muutetaan digitaaliluuksi Integraattori toimii erkkotaajuussuodattimena (Integrointiaika = erkkotaajuuden jakson moninkerta) Integraattori: i( ( ( i( Kaksoisintegroia muunnin Kaksoisintegroia muunnin digtaaliaro Kello Laskuri Ohjauslogiikka in( in( V IN =2 V V in Komparaattori VIN=2 V VIN= V V IN = V + V i( ( ( i( +. Sisääntulosignaalia Vin integroidaan aika 2. Integraattoria puretaan akioirralla V/, kunnes päästään nollapisteeseen. ähän kulua aika mitataan in( ja supistuat pois yhtälöistä Ei tarkkuusaatimuksia Mitataan aikojen suhdetta Kellon pitää olla stabiili aajuuden ei taritse olla tarkkaan tunnettu in in Saadaan helposti tarkaksi

4 Yhteeneto: Kaksoisintegroia muunnin Kaksoisintegroia muunnin saadaan helposti tarkaksi arkkuus riippuu pääosin jänniteerenssin tarkkuudesta ja kellon stabiilisuudesta Kellon tarkkuus ei juurikaan aikuta, koska mitataan aikojen suhdetta Muuntimella on hyä lineaarisuus ja häiriönsieto Kaksoisintegroia A/D-muunnin on hidas errattuna muihin A/D-muunnintyyppeihin. (< khz) Yleismittarin epäarmuus yypillisiä aroja V D Alle uosi kalibroinnista ja käyttö ohjeen mukaan. Epäarmuudet ilmoitetaan yleensä: X ppm/% näyttämästä (reading) + Y ppm/% mitta-alueesta (range) tai X ppm/% näyttämästä + N numeroa (digits) V D eading ange otal HP 3458A ,3-6 HP 344A ,7-5 HP 3468A, , -4 M , -4 Yleismittarin epäarmuus Ohjeita mittarin käytössä HP 3458A: V D HP 3468A: 2, V D HP 344A: V D M-465: 8, V D Suojaa mittalaitetta Varmista mittauskohteen jännitteettömyys, kun teet resistanssimittauksia Älä kytke mittaria jännitelähteeseen irtamittausasennossa Varo: induktiiiset komponentit aiheuttaat jännitetransientteja (kelat, muuntajat, etc.) Näin pienennät mittausepäarmuutta Mittaa mahdollisimman lähellä täyttä näyttämää Kannattaa mitata suhdetta, jos mahdollista Huomioi mittarin offset-jännitteet tai irrat esistanssimittauksissa huomioi mittausjohtimet

5 aajuuslaskurit Signaalin taajuutta tai jaksonaikaa, tapahtumien lukumäärää ja usein myös aikaäliä oidaan mitata taajuuslaskurilla aajuuslaskuri aajuuslaskurin lähtökohta: Kehittyneillä laskimilla oidaan mitata mm. huippuaroa, pulssin leeyttä, nousu- ja laskuaikaa Kua: Hewlett-Packard, application note AN-2 Suora mittaus: lasketaan tuleien pulssien lukumäärä laskurin sisäisen kellon määräämässä ajassa. aajuuslaskuri Suoran taajuuslaskennan rajoituksia Laskureiden toimintataajuus (max ~3 GHz) Heterodyne-teknikka (~2 GHz) aajuudensiirto-oskillaattori (~2 GHz) pulssin epäarmuus Johtuu laskurin kellon ja signaalin älisen aiheen satunnaisuudesta Signaali Mittaus Mittaus 2 Kua: Hewlett-Packard, application note AN-2 Suhteellinen epäarmuus: f N f N m f m iippuu taajuudesta Heterodyne-tekniikka sisääntulea signaali aajuuslaskuri f X Kf M f,2 f Nf M M säädettää suodin M f M Mf B mikseri f X Kf M alipäästösuodin kampageneraattori taajuuskertoja mikrokontrolleri signaalin haaitsin aajuudensiirto-oskillaattori Vaihelukitaan matalataajuinen jännitesädettää oskillaattori sisääntuleaan signaaliin Jännitesäädettään oskillaattorin taajuus mitataan f B AG-ahistin f X Kf M näyttöyksikölle laskurin kellolta input taanomainen laskuri

6 Laskennan epäarmuus Pulssien laskennan epäarmuuden pienentäminen Periodimittaus Keskiaroistus ja kohina PLL-taajuuskertoja Periodimittaus Periodimittaus: laskurin sisäisen kellon jaksoja lasketaan signaalin periodin määräämä aika Matalataajuisten signaalien mittaus Input signal f in Kua: P. Horowitz ja W. Hill, he Art of Electronics Kua: P. Horowitz ja W. Hill, he Art of Electronics Periodimittaus Myös periodimittauksessa on yhden pulssin epäarmuus, nyt kuitenkin kellosignaalissa Periodin pituuden mittauksen epäarmuus (resoluutio): N m m N f m m osc ietylle mittausajalle epäarmuus on akio (ei taajuusriippua) Modernit laskurit alitseat oikean mittaustaan automaattisesti n/ f m f nf osc Kua: Hewlett-Packard, application note AN-2 Periodimittaus Periodimittaus on suoraa mittausta herkempi signaalin kohinalle ja huojunnalle liipaisuirhe Hyä signaali-kohina -suhde Hyä liipaisupiiri Kuat: P. Horowitz ja W. Hill, he Art of Electronics

7 Mikäli digitaalisessa mittauksessa on kohinaa siten, että aro aihtelee ähintään kahden tason älillä, saa mittaustulokseen lisää desimaaleja keskiaroistamalla! Kohinaa oidaan jopa lisätä tahallaan (dither, dithering) Keskiaroistus Effects of dithering and aeraging on a sine wae input [National Instruments] aajuuslaskureissa kohinaa on automaattisesti (± pulssia) joten sitä ei taritse lisätä Ottopiiri Signaalitaso Vaimennin, ahistin ja Schmitt-triggerin hystereesirajat määrääät signaalitason minimin yypillisesti: 2 mv - 5 mv Liipaisu positiiiselta tai negatiiiselta reunalta Kuat: Hewlett-Packard, application note AN-2 Ottopiiri Sisääntulon A- tai D-kytkentä Liipaisutason säätö Ottopiiri Ottoimpedanssi aajuuslaskuri kuormittaa mitattaaa piiriä kuten esim. oskilloskooppi Yleensä: aajuus < MHz suuri-impedanssinen sisääntulo ~ M/35 pf aajuus > MHz 5 soitettu sisääntulo Suurin signaalitaso Vahistimen lineaarinen alue määrää suurimman signaalitason Saturoituminen (toiminta hidastuu), aurioituminen Vaimentimet Yleensä: X, X tai jatkua Kuat: Hewlett-Packard, application note AN-2

8 aajuuslaskurin mittausepäarmuus Kaikissa mittauksissa: Laskurin kellon epäarmuus Laskennan epäarmuus (usein ) Periodimittaus Lisäksi liipaisuirhe Aikaälin mittaus Lisäksi systemaattisia irheitä start- ja stop-sisääntulojen eroista johtuen Kua: Hewlett-Packard, application note AN-2