0 Kaksisädeoskilloskoopin käyttö

0 Kaksisädeoskilloskoopin käyttö Työn tavoitteet Oppia oskilloskoopin toimintaperiaate Oppia tavallisen kaksisädeoskilloskoopin käyttö Oppia mittaamaan jaksollisia signaaleja Oppia mittapään tarkoitus ja käyttö Opetella mittausten dokumentointia Mihin oskilloskooppia tarvitaan? Oskilloskooppi (skooppi) on erittäin tavallinen yleismittauslaite. Sen avulla voidaan tarkastella hyvinkin nopeita jaksollisia (toistuvia, periodisia) ilmiöitä havainnollisessa muodossa. Oskilloskooppi mittaa jännitettä, mutta myös muita sähköisiä ja ei-sähköisiä suureita mittausanturien avulla. Sitä käytetään elektronisten laitteiden huollossa, testauksessa, tutkimustyössä, opetuksessa jne. 0.1 Analogisen oskilloskoopin toimintaperiaate Historiallisista syistä oskilloskoopin toimintaperiaate käsitellään analogisen oskilloskoopin kautta. Analogisessa oskilloskoopissa korostuneen aseman saa näyttöosa, koska se on tärkeä analogisen oskilloskoopin suorituskykyyn vaikuttava komponentti. Digitaalisessa oskilloskoopissa taas jatkuvan signaalin muuttaminen diskreeteiksi näytteiksi on tärkeä asia, jota on syytä käsitellä tarkemmin. Analoginen oskilloskooppi ei pysty tarjoamaan yhtä monipuolisia ominaisuuksia kuin digitaalioskilloskooppi. Analogisen oskilloskoopin esittely tuo kuitenkin esiin hyvin oskilloskoopin peruspiirteet. Mitattava periodinen jännitesignaali saadaan näkyviin oskilloskoopin kuvapinnalle. Oskilloskoopin kuva esittää jännitteen (pystysuunnassa Y) ajan (vaakasuunnassa X) funktiona. Signaali vahvistetaan pystypoikkeutusosassa poikkeutusjännitteeksi näyttöosan katodisädeputkelle (CRT) kts. kuva 6. Liipaisuosa määrää hetken, jolloin vaakapoikkeutusosa käynnistää nousevan vaakapoikkeutusjännitteen. Näiden peruslohkojen ymmärtäminen on tärkeätä käytön kannalta, koska säätimet on ryhmitelty laitteen etupaneeliin lohkoittain. Seuraavassa tarkastellaan lähemmin näitä lohkoja ja niiden säätimiä ja liitäntöjä. Kuvaus ei koske mitään tiettyä laitetta, ainoastaan tavallisimpia toimintoja. Yksinkertaisissa laitteissa ei ole edes kaikkia kuvattuja toimintoja ja ominaisuuksia, kun taas kehittyneemmissä laitteissa on toimintoja ja säätimiä moninkertainen määrä. 11

0.1.1 Näyttöosa Katodisädeputkessa poikkeutusjännitteillä (deflection voltage) ohjattava elektronisuihku pommittaa fosforoitua kuvapintaa, johon muodostuu näkyvä piste. Elektronisäteen liikkuessa fosforoidun pinnan jälkiloistoaika helpottaa sen näkymistä. Kuvapinta on jaettu vaaka- ja pystyviivoilla neliön muotoisiin ruutuihin, jakoväleihin. Säteen hallintaan tarvittavat säätimet Kirkkaus (intensity) Erilaisten taustavalaistusolosuhteiden takia tulee säteiden kirkkauden olla säädettävissä. Nopeissa, harvoin toistuvissa ilmiöissä säde kulkee kuvapintaa pitkin vain murto-osan kokonaisajasta ja tällöin säteen kirkkautta tulee yleensä lisätä. Huom! Älä "valaise" laboratoriota oskilloskoopin avulla. Liian kirkas kuva kuluttaa kuvaputken fosforoitua pintaa. Ch. 1 input Ch. 2 input Coupling AC DC GND esivahvistin Pystypoikkeutusosa Volts/div Cal. Elektroninen kytkin/ tasonsäätö summaus Position Ch. 1 Alt Ch. 2 Chop Add y-vahvistin Kakkoskanavan invertointi Invert Vaakapoikkeutusosa XY x-vahvistin CRT Ext. trigger input Ext. Time/div ramppigen. verkkotaajuus Ch. 1 Ch. 2 Trigger source Line Coupling AC DC Liipaisuosa HF-reject komparaattori Level Slope Mode Holdoff paluusäteen sammutus Intensity Focus Beam finder Näyttöosa Z-input säteen kirkkauden vahvistin Kuva 6. Oskilloskoopin lohkokaavio. Oskilloskoopin etulevyssä olevat tekstit on kursivoitu. Hae säde (beam finder), joissakin oskilloskoopeissa Jos säde on hukassa beam finder painonappi nopeuttaa oikeiden säätöjen tekemistä. Säädin ohittaa kirkkaudensäätöosan ja pienentää vaaka- ja pystypoikkeutusjännitteitä niin, että säde tulee aina varmasti näkyviin. Pisteen paikka ruudulla näyttää minnepäin sitä on säädettävä, jotta se olisi normaalisti kuvaruudulla. 12

Kuvan terävyys (focus, astigmatism) Säätimillä vaikutetaan putken pinnalla näkyvän pisteen muotoon. Yleensä piste tai viiva säädetään mahdollisimman teräväksi. 0.1.2 Pystypoikkeutusosa Mitattava signaali vahvistetaan ja siitä muodostetaan pystypoikkeutusjännite, joka liikuttaa sädettä pystysuunnassa (y-suunta). Vahvistus on säädettävä ja siksi laitteella voidaan mitata hyvin eritasoisia signaaleja. Kaksisädeoskilloskoopissa on kaksi y- kanavaa. Esivahvistimien perässä on nopea kytkin, jonka avulla nopeassa tahdissa valitaan vuoronperään y-kanavat ohjaamaan näytön poikkeutusjännitettä, jolloin näytöllä näyttää olevan molemmille y-kanaville oma säteensä. Tästä tulee nimitys kaksisädeoskilloskooppi (dual-trace oscilloscope) Yleensä kanavat on nimetty Ch 1:ksi ja Ch 2:ksi (tai Y 1 ja Y 2). Ylärajataajuus ja herkkyys Ylärajataajuutta kutsutaan oskilloskoopeissa yleensä oskilloskoopin kaistanleveydeksi, onhan alarajataajuutena tavallisesti tasajännite. Pystypoikkeutusosan ominaisuudet määräävät kaksi oskilloskooppia kuvaavaa ominaisuutta: herkkyyden ja ylärajataajuuden. Pystypoikkeutusosan herkkyys (yleensä etuvahvistimen laatu) määrää suurimman mahdollisen vahvistuksen jakoväliä kohti (volts/div). Tavanomainen suurin herkkyys jakoväliä kohti on 1 mv. y x Kuva 7. Oskilloskoopin näyttöruudukko (graticule) Vahvistimen kaistanleveys määrää ylärajataajuuden. Ylärajataajuudeksi yleisesti määritellään taajuus, jolla vahvistus on pudonnut vakioarvostaan 3 db (vakioresistansiin saatava teho pudonnut puoleen, jännite pudonnut 1 2 = 0, 708 osaan alkuarvosta). Ylärajataajuus ei ole mikään ehdoton raja oskilloskoopin toiminnan kannalta. Ylärajataajuutta korkeammat taajuudet näkyvät enemmän vaimentuneina. Digitaalisignaaleja mitattaessa tulee huomioida, että esim. 10 MHz:n sa- 13

kara-aalto voi sisältää taajuuskomponentteja yli sataan megahertsiin asti. 30 MHz:n oskilloskoopilla ei siis pysty näkemään tällaisen sakara-aallon todellista muotoa. Tavanomainen oskilloskoopin rajataajuus on 10... 100 MHz. Pystypoikkeutusosan säätimet Vahvistus (volts/div) Pystypoikkeutusherkkyys valitaan erikseen kanaville Ch 1 ja Ch 2. Herkkyys on ilmoitettu jakoväliä kohti ja kiinteitä herkkyyden arvoja on yleensä kolmella dekadilla, muutamasta millivoltista ruutua kohden kymmeniin voltteihin ruutua kohden. Herkkyyttä voi säätää myös portaattomasti (variable-säätö), jos halutaan sovittaa signaali tietylle näytön ruutuvälille signaalin muodon tutkimiseksi. Kun variablesäätö kytketään päälle, syttyy monissa oskilloskoopeissa uncal-valo osoittamaan, että volts/div-valitsimella asetettu herkkyys ei pidä paikkaansa. Säteen liikuttelu pystysuunnassa (vertical position) Kummankin kanavan säteitä voidaan liikuttaa pystysuunnassa toisistaan riippumatta. Ottosignaalin kytkeytyminen (input coupling) Mitattava signaali kytkeytyy suoraan pystypoikkeutusvahvistimelle asennossa DC. Nimestään huolimatta DC-asento sopii erittäin hyvin vaihtojännitteen mittaamiseen. Asennossa AC tasajännitekomponentti suodatetaan pois ylipäästösuodattimen avulla. Rajataajuus on yleensä 1-3 Hz. Alle 10 Hz taajuuksilla oskilloskooppi vaimentaa havaittavasti signaalia AC-asennossa. AC asentoa käytetään, kun halutaan erottaa pieni vaihtojännitekomponentti, joka ratsastaa DC-jännitteen päällä. Asennossa GND vahvistimen ottoon syötetään mitattavan signaalin sijaan 0 V:n jännite, jolloin vertical position -säätimen avulla voidaan asettaa signaalin nollataso haluttuun paikkaan. Jos herkkyyttä (volts/div) muutetaan, tulee nollataso aina tarkistaa uudelleen. Toimintamuoto (mode) Kaksisädeoskilloskoopissa on valittava oikea toimintamuoto säteiden piirtämiselle. Muodossa ALT y-kanavien säteet pyyhkäisevät vuorotellen kuvapinnan yli. Nopeilla pyyhkäisynopeuksilla vuorottelua ei havaita, mutta hitailla nopeuksilla tämä vuorottelu on häiritsevää eikä toimintamuoto ole käyttökelpoinen. Toinen vaihtoehto on säteiden vuorottelu nopeasti (chop) skoopin sisäisen hakkurin tahdissa. Hitailla pyyhkäisynopeuksilla näyttää kumpikin säde kulkevan yhtäaikaisesti näytöllä, mutta korkeilla pyyhkäisynopeuksilla vuorottelu tulee näkyviin ja häiritsee mittauksia. Jotkut skoopit suorittavat valinnan automaattisesti pyyhkäisynopeusasetuksen perusteella. Kummankin kanavan säteet voidaan lisäksi sammuttaa ja sytyttää (Ch 1 on/off, Ch 2 on/off) tai niistä voidaan muodostaa summa (add) Yleensä ainakin toisen kanavan 14

voi erillisestä kytkimestä invertoida jolloin summaus saa aikaan signaalien erotuksen. Pystypoikkeutusosan liitännät Signaalin otto (input) Molemmilla kanavilla (Ch 1 ja Ch 2) on oma liittimensä mitattavan jännitteen kytkemiseksi. Liitin on yleensä ns. BNC-liitin. Signaali on kytkettävä oskilloskooppiin mahdollisimman lyhyillä suojatuilla johdoilla verkko- ja suurtaajuushäiriöiden kytkeytymisen estämiseksi. Yleensä on aina pyrittävä käyttämään mittapäitä (probe), jos mitataan korkeita taajuuksia ja mitattavan kohteen impedanssi ei ole alhainen. Vaikka mitataan matalataajuisia ilmiöitä, suurtaajuushäiriöt häiritsevät mittausta, mikäli suojausta ei ole tehty kunnolla. vaakapoikkeutusjännite aika liipaisuhetki ramppi paluuramppi estotila odotustila liipaisuhetki Kuva 8. Vaakapoikkeutusjännitteen aaltomuoto 0.1.3 Vaakapoikkeutusosa Säteen piirtoa varten tarvitaan poikkeutusjännite myös vaakasuunnassa (x-suunta). Ramppigeneraattori muodostaa vaakapoikkeutusjännitteen, joka muodostuu lineaarisesta rampista (ramp), paluurampista (retrace), estotilasta (holdoff) ja odotustilasta, kts. kuva 8. Säde piirretään nousevan rampin aikana, mutta säde sammutetaan paluurampin, lopun estotilan ja odotustilan ajaksi. Estotilan pituus on normaaliasennossa paluurampin pituinen, mutta käyttäjä voi pidentää sitä holdoff-nuppia säätämällä. Odotustilan aikana ramppigeneraattori on valmiina aloittamaan rampin liipaisusta. Rampin nousunopeus on säädettävissä erittäin laajalla alueella ja tämän ansiosta skoopilla voidaan seurata hyvin hitaita ja nopeita ilmiöitä (sekunneista alle mikrosekuntiin). 15

Vaakapoikkeutuksen säädöt Pyyhkäisynopeus (sweep speed, sec/div) Säätimellä valitaan säteen kulkunopeus vaakasuunnassa (x-suunnassa). Aika-asteikko on ilmoitettu jakoväliä kohti ja asteikko on yleensä porrastettu 3 askelta/dekadi. Esim. 1 ms, 2 ms, 5 ms, 10 ms.../jakoväli. Pyyhkäisynopeutta voi säätää myös portaattomasti (variable-säätö), jos halutaan sovittaa signaali tietylle näytön ruutuvälille signaalin muodon tutkimiseksi. Myös tässä tapauksessa saattaa uncalvalo syttyä, jotta portaatonta säätöä ei unohda päälle. Pyyhkäisynopeuden säätimen yhteydessä on useimmiten myös xy-asento, jolloin vaakapoikeutusvahvistimelle kytketään toinen sisäänmeno (Ch 1) pyyhkäisygeneraattorin sijasta. Säteen liikuttelu vaakasuunnassa (x-position) Kuvapinnalta tarkasti luettaessa auttaa, kun esim. jakson alkuhetki voidaan siirtää jakoviivan kohdalle. Suurennus (magnification, 5, 10) Kuvaa voidaan vahvistaa vaakasuunnassa vakiokertoimella (esim. 5 tai 10), siten, että vain osa normaalisti pyyhkäistävästä aika-alueesta on näkyvissä. Sädettä voidaan liikutella vaakasuunnassa (x-position). 0.1.4 Liipaisuosa Liipaisuhetki määrää sen, milloin skooppi aloittaa säteen piirtämisen, kts. kuva 8. On tärkeätä, että signaalin piirtäminen aloitetaan joka kerta jakson samasta kohdasta. Liipaisuhetki määrätään epäsuorasti säädettävän liipaisujännitteen avulla. Monipuolisen liipaisuosan avulla voidaan tarkastella hyvinkin erilaisia signaaleja. Useimmiten vaikeudet skoopin käytössä liittyvätkin oikean liipaisutason ja liipaisutavan valintaan. Liipaisuosan säätimet Liipaisun aiheuttaja (trigger source) Kaksisädeoskilloskoopissa on valittavissa useita vaihtoehtoja liipaisun aiheuttajaksi. Jompikumpi kanavien Ch 1 tai Ch 2 signaaleista, ulkoinen liipaisu erillisestä otosta (ext trigger, trigger input) tai liipaisu verkkotaajuudesta (Line). Liipaisutaso ja -suunta (trigger level, trigger slope) Liipaisutason (trigger level) säätäminen käsin on tärkeää selkeän näytön aikaansaamiseksi. Mikäli aaltomuoto on monimutkainen, liipaisutason avulla kuva tulee säätää 16

vakaaksi ja yksikäsitteiseksi. Liipaisun suunta (trigger slope) määrää, suoritetaanko liipaisu signaalin nousevalla vai laskevalla reunalla. Liipaisutavan valitsin (trigger mode) Normaalimuodossa (normal) liipaisu tapahtuu, jos liipaisun aiheuttava signaali leikkaa liipaisutason valittuun suuntaan odotustilassa, kts. kuva 8. Jos liipaisuehto ei täyty, odotustila jatkuu, mikä on yleinen syy siihen, ettei kuvaruudulla näy mitään. Automaattiliipaisuasennossa (auto) oskilloskooppi on odotustilassa hetken aikaa valmiina liipaisemaan, jos liipaisuehto täyttyy, mutta liipaisee kohta automaattisesti, vaikkei ehto täyttyisi. Auto-asento on välttämätön, jotta esim. DC-jännitteen saa näkymään kuvaruudulla. Hitaasti toistuvilla signaaleilla oskilloskooppi ehtii automaattiliipaista turhan aikaisin, jolloin liipaisuhetken tahdistamiseksi signaalin kanssa joutuu käyttämään normal-asentoa. Yleensä on mahdollista kertapyyhkäisy (single sweep), jolloin oskilloskooppi jää pyyhkäisyn jälkeen estotilaan ja siirtyy odotustilaan, kun kertapyyhkäisyvalintaa painetaan uudestaan. Liipaisun kytkeytyminen (trigger coupling) Liipaisupiirin otto on mahdollista kytkeä suoraan (DC) tai ylipäästösuodatettuna (AC), jolloin on helpompi tahdistua pieneen rippelijännitteeseen. Estotila (trigger holdoff) Estotilaa voidaan pidentää holdoff-nupista. Estotilan pidentäminen voi tulla tarpeelliseksi esim., jos mitattava signaali täyttää liipaisuehdon usean kerran jakson aikana. Kuva näyttöruudulla saadaan yksiselitteiseksi vain, jos liipaisu tapahtuu aina vastaavasta nousevasta tai laskevasta reunasta kuin edellisillä pyyhkäisyillä. Holdoffin avulla voidaan ohittaa liipaisuehdon täyttäviä hetkiä, jotta liipaisu tapahuisi oikeasta kohdasta. Liipaisuosan liitännät Ulkoinen liipaisu (ext trigger) Liipaisu suoritetaan tämän signaalin määräämässä tahdissa, mikäli trigger source - kytkin on asennossa ext. 0.1.5 Kalibrointisignaali Oskilloskoopissa on kalibrointisignaalilähtö, joka on yleensä 1 V, 1 khz sakaraaalto. 17

0.2 Viivästetyllä aika-akselilla varustettu oskilloskooppi 0.2.1 Viivästetty pyyhkäisy Viivästetyllä pyyhkäisyllä varustetuissa oskilloskoopeissa on kaksi erillistä vaakapoikkeutusramppigeneraattoria, kts kuvat 9 ja 10. Näissä B-vaakapoikkeutusosa on A-vaakapoikkeutusosan kaltainen ja sitä käytetäänkin eräänlaisena apuaika-akselina pyyhkäisyn viivästyksessä. B-vaakapoikkeutusosa poikkeaa A:sta sikäli, että B- ramppigeneraattorissa on lisäksi säädettävä viivästyspiiri. Tutkittavan ilmiön aiheuttama liipaisu laukaisee A-rampin, joka ehdittyään tiettyyn jännitearvoon laukaisee erityisen vertailupiirin avulla B-rampin. Vertailutaso ja sitä kautta viivästysaika ovat säädettävissä tavallisesti kymmenkierroksisella potentiometrillä. B-vaakapoikkeutusrampin alkamista on mahdollista viivästää oskilloskoopista riippuen noin 0,1...10s liipaisupulssin tulosta lukien. A-pyyhkäisyn liipaisutaso mitattava signaali A-pyyhkäisyn ramppi B-pyyhkäisyn liipaisutaso B-pyyhkäisyn ramppi B-pyyhkäisyn pituinen kirkastuspulssi A-säteeseen Kuva 9. Kaaviokuva viivästetyn pyyhkäisyn muodostamisesta. A-pyyhkäisyn säde kirkastetaan B-pyyhkäisyn ajalta, jotta nähdään, minkä osuuden B-pyyhkäisy näyttää A-säteestä. t A-pyyhkäisyn säde kirkastettu osuus B-pyyhkäisyn säde Kuva 10. Kuvan 9 mitattava signaali oskilloskoopin näytöllä, kun A- ja B-säteet on valittu näkymään yhtäaikaa. 18

0.3 Digitaalinen oskilloskooppi Digitaaliset oskilloskoopit ovat valloittaneet markkinat analogisilta oskilloskoopeilta monien hyödyllisten ominaisuuksiensa takia. Näitä ovat mitattujen aaltomuotojen tallennus muistiin tai levykkeelle, tulostus oskilloskooppiin liitettävän tulostimen avulla, automaattisten mittausten ja kursorimittausten käyttö sekä oskilloskoopin ohjaus tietokoneella mittausten automatisoimiseksi ja tulosten nopeaksi siirtämiseksi tietokoneeseen jatkokäsittelyä varten. 0.3.1 Digitaalisen oskilloskoopin toimintaperiaate Tulevasta signaalista otetaan näytteitä, joille tehdään A/D-muunnos 1 nopealla ADmuuntimella, tyypillisesti 8 bitin resoluutiolla. Näin syntyvät tavut talletetaan näytteenottonopeudella nopeaan muistiin, josta tieto kerätään mikroprosessorisysteemiin. Nopeat kertailmiöt tai erittäin hitaasti muuttuvat signaalit saadaan vaivatta näkyviin. Tyypillinen oskilloskoopin kuvaputki kykenee VGA-resoluutioon. Koska signaali on muistissa mikroprosessorijärjestelmässä, voidaan toteuttaa erilaisia mittausta tukevia signaalin käsittely- ja analysointitoimintoja. Lisäksi mittausten tulostaminen tavallisella tulostimella tai tulosten siirtäminen tietokoneeseen jatkokäsittelyä varten saadaan mahdolliseksi. kanava 1 pystypoikkeutusvahvistin AD-muunnin ADmuisti kanava 2 mikroprosessorisysteemi TV-kuvaruutu pystypoikkeutusvahvistin AD-muunnin ADmuisti ulkoinen liipaisu (ext. trig.) liipaisukomparaattori viivelaskuri tallennuksen pysäytys kideoskillaattori Kuva 11. Digitaalisen oskilloskoopin lohkokaavio 0.3.2 Näytteenoton erityispiirteitä. Seuraavassa kuvataan näytteenottoon liittyviä asioita, jotka tuovat esiin digitaalisuuden tuomia erityispiirteitä. 1 Muunnetaan jännitteet numeroarvoiksi 19

Jatkuva pyyhkäisy Työssä käytettävän oskilloskoopin pystypoikkeutusvahvistimen taajuuskaista on 100 MHz. Shannonin näytteenottoteoreeman mukaan tarvitaan vähintään kaksi näytettä jaksoa kohden, jotta siniaalto pystyttäisiin konstruoimaan täydellisenä (Näytteenoton täytyy tapahtua vähintään Nyquistin taajuudella). Käytännössä oskilloskooppi tarvitsee hieman enemmän näytteitä jaksoa kohden. 400 miljoonaa näytettä sekunnissa riittäisi, jotta yhden pyyhkäisyn aikana saataisiin riittävästi näytteitä signaalista, jonka taajuuskaista ulottuu 100 MHz:iin asti. Oskilloskoopin digitointinopeus on kuitenkin vain 20 miljoonaa näytettä (engl. sample) sekunnissa (20 MS/s) yhdelle kanavalle ja 10 MS/s kahdelle kanavalle. Oskilloskoopin hinnassa säästetään hitaan näytteenottotaajuuden ansiosta kymmeniä prosentteja verrattuna oskilloskooppiin, joka näytteistäisi 400 Ms/s, mutta jatkuvalla pyyhkäisyllä päästään 100 MHz kaistanleveyteen asti 100 MHz:n toistuva signaali saadaan kuitenkin näkyviin käyttämällä jatkuvaa pyyhkäisyä. Oskilloskoopin toiminta perustuu satunnaiseen toistuvaan näytteenottoon. Toistuva näytteenotto tarkoittaa sitä, että useiden pyyhkäisyjen aikana otetaan näytteitä signaalista. Näytteenottohetki suhteessa signaalin vaiheeseen muuttuu, jolloin lopulta saadaan konstruoitua signaali, kuva 12. 8 3 9 4 liipaisutaso 2 7 1 5 11 12 6 Kuva 12. Signaalin digitointi usean pyyhkäisyn aikana. Asynkronisuus tarkoittaa sitä, että signaalia digitoidaan jatkuvasti oskilloskoopin oman kellon tahdissa riippumatta liipaisuhetkestä. Kun signaali leikkaa liipaisutason valittuun suuntaan, asettaa oskilloskooppi muistissa olevat, kuten myös liipaisuhetken jälkeen tulevat pisteet liipaisuhetkeen verrattuna oikeisiin paikkoihin. Koska mitattavan signaalin taajuus ja näytteenottotaajuus eivät ole mitenkään synkronissa keskenään, muuttuu näytteenottohetket liipaisuhetkeen verrattuna pyyhkäisystä toiseen, joten vähitellen kertyy riittävän tiheästi pisteitä, jotta signaali saadaan konstruoitua. Asynkronisuudesta on kaksi hyötyä. Ensinnäkin liipaisuhetkeä edeltävältä ajalta saa signaalin näkyviin, mikä analogiaskoopissa olisi hyvin hankala toteuttaa. Toiseksi 10 20

asynkronisuus tekee aliasoitumisen1, jossa aliasoitunut signaali pysyisi stabiilina kuvaruudulla, erittäin epätodennäköiseksi. Joskus kuvaruudulla rullaa nopeasti aliasoitunut signaali, jolloin voi saada väärän käsityksen mitattavan signaalin taajuudesta. Mutta siinä vaiheessa, kun liipaisun saa toimimaan niin, ettei kuva rullaa, on kuvaruudulla varmasti todellinen signaali. Eräs haitta digitaalioskilloskoopeissa on mikroprosessorisysteemin muodostama pullonkaula. Se tahti, jolla mikroprosessorijärjestelmä pystyy päivittämään kuvaruutua on yleensä huomattavan hidas verrattuna näytteenottotaajuuteen. Näyttö pystytään päivittämään muutama kymmenen kertaa sekunnissa, vaikka pyyhkäisynopeus vaatisi näytön päivittämistä 20 000 kertaa sekunnissa. Esim. satunnaisesti 50 kertaa minuutissa esiintyvää häiriöpiikkiä, joka kuitenkin esiintyy vain n. joka 20000:nnella pyyhkäisyllä mittaussignaalin seassa, voi joutua näinollen odottamaan tunnin, ennen kuin se vilahtaa kuvaruudulla. Analogiaskooppi päivittää näytön joka pyyhkäisyllä, minkä vuoksi piikkien löytämiseen on realistiset mahdollisuudet. Töissä käytettävän alinäytteistävän oskilloskoopin tapauksessa näyte osuu em. pyyhkäisynopeudella niin harvoin tuhatkin kertaa sekunnissa esiintyvän häiriöpiikin kohdalle, ettei piikki käytännössä koskaan näy yhtä pistettä pidempänä kuvaruudulla, vaikka se olisi todelliselta leveydeltään kymmeniä pisteitä. Joissain oskilloskoopeissa on toiminto, jonka avulla piikkien löytämistä voidaan jonkin verran helpottaa (glitch capture). Jos piikit haluaa löytää helpolla, saa varautua hankkimaan varsin kalliin digitaaliskoopin, jossa tiedonkeruu- ja -tallennusnopeutta on parannettu. Kalliissakin oskilloskoopissa voi olla yllättäviä puutteita. Mittaustekniikan laboratorioon ostettiin tutkimuskäyttöön oskilloskooppi, jonka 500 MHz:n vahvistimen perässä oli 2 GS/s digitoiva A/D muunnin. Nopeiden kertailmiöiden mittaamisen ohella ajateltiin käyttää hyväksi oskilloskoopin 50 s kestävää pyyhkäisyä hitaasti muuttuvan signaalin seurantaan erään laitteen säätämisen aikana. Osoittautui, ettei tämä ollut mahdollista, koska oskilloskooppi näytti aaltomuodon kuvaruudulla vasta, kun koko pyyhkäisy oli tehty. Kertapyyhkäisy Kertapyyhkäisy on digitaalisen oskilloskoopin huomattavimpia etuja tavalliseen analogiseen skooppiin verrattuna. (Ennen digitaalisten oskilloskooppien tuloa oli kylläkin markkinoilla kertapyyhkäisyyn kykeneviä muistiputkeen perustuvia analogisia oskilloskooppeja.) Hyvin monet ilmiöt ovat kertaluonteisia tai niin hitaita, ettei 1 Kun oskilloskooppia käytetään hitaalla pyyhkäisynopeudella, joudutaan rajallisen muistikapasiteetin vuoksi pudottamaan näytteenottotaajuutta. Koska esivahvistin kuitenkin päästää taajuudet yli 100 MHz:iin asti AD-muuntimelle, voi syntyä aliasoitumisilmiö taajuuksilla, jotka ylittävät puolet näytteenottotaajuudesta. Esim. jos signaalin taajuus on täsmälleen sama kuin näytteenottotaajuus, tulee näyte otetuksi aina signaalin samassa vaiheessa, jolloin kuvaruudulla signaali näkyy DC-jännitteenä. Jos signaalin taajuus on 1 Hz yli tai ali näytteenottotaajuuden, näkyy näytöllä 1 Hz signaali, joka on amplitudiltaan yhtä suuri kuin alkuperäinen signaali. Korkea taajuus on näin ollen aliasoitunut alhaiselle taajuudelle. 21

niistä saa selkoa oskilloskoopilla, jossa ei ole muistia. Alias-ilmiön mahdollisuutta ei kertapyyhkäisyn yhteydessä kuitenkaan sovi unohtaa. Johtuen työssä käytettävän oskilloskoopin matalahkosta näytteenottotaajuudesta, valmistaja on ilmoittanut, että oskilloskooppi kykenee kertapyyhkäisyllä toimimaan vain 2 MHz:iin asti yhdellä kanavalla ja 1 MHz:iin asti kahdella kanavalla. Oskilloskooppi ei kuitenkaan suodata pois korkeampia taajuuksia, joten syntyy alias-ilmiö taajuuksilla, jotka ovat yli puolet näytteenottotaajuudesta.. Kertapyyhkäisyllä asynkroninen näytteenottokaan ei pelasta tilannetta, kun signaalin taajuus on näytteenottotaajuuden tai sen monikerran tuntumassa. Esim. 20,05 MHz:n siniaalto näkyy näytöllä 50 khz:n siniaaltona. 0.4 Mittapää Mittapäitä on moneen eri tarkoitukseen: ei-sähköisten ja sähköisten suureiden muuttaminen oskilloskoopilla mitattavaksi jännitteeksi (virtamittapää, painemuuttaja,...). Mittapää voi olla joko aktiivinen tai passiivinen. 0.4.1 Suuri-impedanssinen mittapää Kun skooppi kytketään mitattavaan piiriin ilman mittapäätä, siitä tulee virtapiirin osa, joka häiritsee piirin alkuperäistä toimintaa. Skoopin äärellinen ottoimpedanssi kuormittaa piiriä. Skoopin ottoimpedanssi muodostuu poikittaisresistanssista, yleensä 1 MΩ, ja sen rinnalla olevasta n. 20 pf:n kapasitanssista. Pienillä taajuuksilla impedanssi on yleensä riittävän suuri, mutta suurilla taajuuksilla kapasitanssi pudottaa impedanssin alas, mikä voi dramaattisesti muuttaa piirin toimintaa. Nopeissa digitaalipiireissä voi lisäksi mittauskaapelin heijastuksien takia syntyä bittivirheitä, koska esim. 1,5 m pitkään mittajohtoon menevä signaali heijastuu skoopista palatakseen piiriin runsaan 10 ns:n jälkeen. Piiriin syntyy näin ylimääräisiä pulsseja. Yleisin mittapää on passiivinen suuri-impedanssinen, jonka avulla ottoimpedanssia kasvatetaan herkkyyden kustannuksella. kuvassa 13 on esitetty kytkentä mittapään liittämisestä oskilloskoopin ottoon. Mittapäässä oleva vastus on lähes mittapään kärjessä, jolloin mittapäästä tuleva heijastus tulee jo n. 100 ps:n kuluttua, jolloin nopeakaan piiri ei tulkitse heijastusta uudeksi pulssiksi. Mittapää on periaatteeltaan vain jännitteenjakaja, mutta pelkkä vastus ei riitä, vaan tarvitaan myös kompensoiva kondensaattori vastuksen rinnalle, jotta mittapään vaimennussuhde olisi vakio mahdollisimman laajalla taajuusalueella. Kondensaattorin arvo riippuu jännitteenjakosuhteesta sekä mittajohdon ja oskilloskoopin ottokapasitanssista, minkä vuoksi kondensaattorin tulee on säädettävä. Joskus kondensaattorin arvo on kiinteä, jolloin erillinen säädettävä kondensaattori sijaitsee liittimessä, jolla mittapää kytketään skoopin ottoon. Tämä kondensaattori on sähköisesti skoopin oton rinnalla. Resistiivinen jännitteenjakosuhde mittapäässä on 22

1:m = R 1 R i + R i, (0.1) missä vastukset ovat kuten kuvassa. Sanotaan, että mittapään vaimennus on m-kertainen. Jotta mittapään aikaansaama jännitteen jakosuhde pysyisi vakiona taajuudesta riippumatta, on kapasitiivisen jännitteenjaon oltava yhtä suuri. 1:m = 1 C2 + Ci 1 1 + C + C C 2 i 1 = C1 C + C + C 1 2 i (0.2) Kärki Mittapää R 1 Kaapeli Oskilloskooppi R i Maaklepsi C 1 C 2 Metallikotelo Metallikuori Maajohdin toimii suojavaippana C i verkkomaa Kuva 13. Mittapää, kaapeli ja vahvistimen otto. Oskilloskoopin vahvistin näkee jännitteen, joka syntyy R i :n ja C i :n sekä kaapelin kapasitanssin C 2 (n. 80 pf/m) yli. Huomaa, että oskilloskoopin maa ja siis myös mittapään maaklepsi kytkeytyy oskilloskoopin verkkojohdon kautta verkkomaahan. Edellisten perusteella päädytään ehtoon: CR = ( C + C) R. (0.3) 1 1 2 i i 0.4.2 Mittapään virittäminen Mittapää voidaan virittää suorakaideaallon (sakara-aallon) avulla. Suorakaideaalto, joka yleensä saadaan skoopista itsestään (cal output), kytketään ottoon mittapään avulla. Kun pyyhkäisynopeus ja muut säädöt on suoritettu niin, että suorakaideaalto näkyy selvästi kuvassa, säädetään mittapään kondensaattorilla aaltomuodon kulmat mahdollisimman suoriksi. Mittapäässä voi olla kytkin, jolla kytketään vaimennus päälle. 1 asennossa vaimennusvastus ja -kondensaattori ohitetaan (yleensä pieniarvoisella vastuksella), 10 asennossa vaimennus on päällä ja ref-asennossa kytkin oikosulkee keskijohtimen maahan, jotta nollatason sijainti voidaan kätevästi tarkastaa skoopin näytöltä. 23

C 1 on liian pieni C 1 on liian suuri oikea viritys Kuva 14. Mittapään virittäminen säätökondensaattorilla 0.5 Tavallisimmat mittaukset oskilloskoopilla Usein riittää, että signaalin aaltomuoto nähdään selkeästi kuvapinnalla, eikä numeerisia arvoja tarvitse tällöin määrittää. 0.5.1 Amplitudin, taajuuden ja jaksonpituuden mittaus Luettaessa mitattavaa signaalia kuvaavia arvoja kuvapinnalta, on muistettava laittaa asteikkoihin vaikuttavat säätimet cal-asentoon (volts/div ja sec/div). 0.5.2 Nousuajan (rise time) ja pulssin pituuden (pulse width) mittaus Ideaalinen askelvaste sisältää äärettömästi taajuuskomponentteja. Äärellisen taajuuskaistan takia käytännön askeleilla on aina äärellinen nousuaika. Koska askelvaste voi käytännössä olla monimutkainen, on sovittu, että nousuaika on 10 % ja 90 % välillä askelen alku- ja lopputasoista. Nousuajan lukemista helpottaa pystypoikkeutusvahvistuksen portaaton säätö. Positiivisen pulssin pituus on määritelty nousevan reunan puolesta välistä laskevan reunan puoleen väliin. 0.5.3 Vaihe-eron mittaus Vaihe kahden samantaajuisen sinimuotoisen signaalin välillä mitataan seuraavasti. Säädetään signaalien amplitudit yhtäsuuriksi ja luetaan esim. jaksojen alkuhetkien aika-ero. Edellisen suhde signaalien jaksonpituuteen ilmaisee vaihesiirron osuuden 360 vaihesiirrosta 24

asettumisaika ylitys 90% vaipuminen (droop) 50% 10% pulssin pituus 50% alitus ennen nousevaa reunaa nousuaika Kuva 15. Pulssin ominaisuuksien määrittelyjä 0.6 Mittaukset Tarvittavat laitteet Kaksisädeoskilloskooppi Mittapää (2 kpl) Signaaligeneraattori RC-piiri ja tasasuuntauspiiri Käytännön mittausten tekeminen laboratoriossa ei ole valmiiden vastauskaavakkeiden täyttämistä. Selkeät muistiinpanot käytetyistä laitteista, mittausjärjestelyistä ja mittaustuloksista ovat yhtä tärkeitä kuin itse mittaustulokset. 0.6.1 Oskilloskooppiin tutustuminen Mitkä ovat käyttämäsi skoopin tyyppimerkintä, oton resistanssi ja kapasitanssi (ei löydy kaikista oskilloskoopeista), herkin jännitealue ja lyhin pyyhkäisyaika? Hae eri toimintalohkot, nimeä ne ja luettele kaikki lohkoihin liittyvät säätimet ja liitynnät. Onko käyttämässäsi oskilloskoopissa jokin säädin tai liityntä sellainen, jota selostuksessa ei ole mainittu? Mainitse myös, jos joku mielestäsi oleellinen säädin tai liityntä puuttuu. 0.6.2 Näyttöosan säätimet ja kalibrointi Kytke oskilloskoopin virta päälle ja odota CRT:n lämpiämistä hetken. Säädä säteen kirkkaus sopivaksi ja käyrä tai piste teräväksi. Mikäli et saa sädettä näkyviin, pyydä assistentti apuun. Kytke mittapäät oskilloskooppiin ja suorita mittapäiden kalibrointi. Mikä on käyttämäsi mittapään vaimennussuhde ja vaimennusvastuksen suuruus. Mikä on sisäisen kalibrointisignaalin taajuus ja amplitudi? 25

0.6.3 Amplitudin, vaiheen ja jaksonpituuden mittaus Kytke sinimuotoinen signaali RC-alipäästösuodattimen ottoon. Valitse amplitudi siten, että saat hyvän signaalin. Kytke oskilloskoopin mittapäät RC-piirin ottoon ja antoon. Mittaa kompleksinen siirtofunktio UOut UIn (amplitudi/vaihe) vastauskaavakkeessa annetuilla taajuuksilla. Säädä signaalin taajuus signaaligeneraattorin säätönupin asteikon avulla mahdollisimman tarkkaan. Mittaa jaksonpituus oskilloskoopista ja laske siitä signaalin taajuus. R U in C U out Kuva 16. RC-alipäästösuodatin Vertaa mitattuja siirtofunktion arvoja esiselostustehtävissä laskettuihin ja selitä mahdolliset poikkeamat. Muistithan virittää mittapäät? Millä taajuudella signaalin taso on laskenut 3 db (-3 db:n rajataajuus)? Mikä on tällä taajuudella oleva vaihe-ero? 0.6.4 Tasasuuntaajapiiri Kytke signaaligeneraattorista 50 Hz sinisignaali, n. 8 V huipusta huippuun, tasasuuntaajapiirin ottoon. Mittaa tasasuunnatun antojännitteen suuruus sekä rippelin (ACkomponentin) suuruus. Mittaa rippeli myös 1 khz:n taajuudella. 0.6.5 Pulssimittaus, nousuaika Kytke signaaligeneraattorista suorakaideaaltoa skoopin toiseen ottoon. Aseta taajuudeksi 10 khz ja amplitudiksi 5 V. Mittaa nousuaika ja pulssinpituus eli aika, jonka signaali on suurempi kuin 50% maksimiarvosta, kts.kuva 15. Mittaa myös laskevan pulssin osuuden nousuaika (laskevalta reunalta) ja pulssin pituus eli aika, jonka signaali on pienempi kuin 50% maksimista. Vertaa tuloksia keskenään. 26

Työn tavoitteet 1 Yleismittarin käyttäminen Oppia tuntemaan tutkittujen yleismittareiden rakenne pääpiirteissään Oppia tuntemaan tutkittujen yleismittareiden suorituskyky pääpiirteissään Oppia tuntemaan tutkittujen mittareiden rajoitukset Oppia käyttämään tavallisia yleismittareita. 1.1 Digitaalisen yleismittarin toiminta Yleismittareilla voidaan yleensä mitata jännitettä, virtaa ja resistanssia. Virta- ja jännitemittauksia voidaan suorittaa niin tasa- kuin vaihtosuureille. Näiden perusominaisuuksien lisäksi mittareissa voi olla runsaasti lisämittausalueita kuten esim. kapasitanssin, taajuuden tai transistorin virtavahvistuksen mittaamiseen. Tässä työssä on tutkittavana digitaaliset yleismittarit Fluke 8050 ja Metex M-4650, jotka ovat tyypillisiä mittarityyppejä. 1.1.1 Yleismittarin lohkokaavio Kuvassa 17 on esitetty tyypillisen digitaalisen yleismittarin lohkokaavio. Yleismittarin etuosassa on vaimennin, jolla voidaan valita haluttu jännite-, virta- tai vastusalue. Vastusalueella alueen valinta muuttaa virtageneraattorin virta-arvoa. Seuraavana on vaihto-tasajännitemuunnin, joka yleensä perustuu lineaaripiirin avulla idealisoituun dioditasasuuntaajaan. Viimeisenä asteena ovat analogia-digitaali-muunnin sekä näyttö. 1.1.2 Analogia-digitaalimuunnin Digitaalisen yleismittarin perusosan muodostaa analogia-digitaalimuunnin (A/Dmuunnin). A/D-muuntimen ominaisuudet määräävät mittarin nopeus-, tarkkuus- ja häiriönsieto-ominaisuudet. Tässä työssä käytettävän digitaalivolttimittarin A/D-muunnin perustuu kaksoisintegrointiin. Kaksoisintegroiva A/D-muunnin (dual-slope A/D converter, kaksoisluiskaanalogia digitaalimuunnin) on yleisimmin käytetty muunnintyyppi digitaalisissa volttimittareissa, yleismittareissa ja muissa hitaissa mittaussovellutuksissa. Se on toiminnaltaan hidas verrattuna muihin muunnintyyppeihin, mutta sillä saavutetaan erittäin hyvä lineaarisuus ja häiriövaimennus. Muuntimen toiminta selviää kuvista 18 ja 19. 27

U R vertailujännite Jännite Jännite DC Virta AC/DC AC A/D Virtagen. Ohm. Näyttö Virta Resistanssi Kuva 17. Digitaalisen yleismittarin lohkokaavio Muunnoksen alussa kytketään mitattava jännite U X integraattorin ottoon. Tuntematonta jännitettä integroidaan vakioaika T 1. Aika määrätään muuntimen kellolla, laskurilla ja ohjauslogiikalla. Tämän jälkeen integraattorin ottoon kytketään negatiivinen vertailujännite U R. Vertailujännitettä integroidaan, kunnes integraattorin antojännite U I laskee nollaan. C U X R U I integraattori komparaattori Kello Ohjauslogiikka Laskuri n digitaalinen anto Kuva 18. Kaksoisintegroiva A/D-muunnin 28

U I 1 2 3 t T 1 T 2 Kuva 19. Integraattorin antojännite U I kolmella erisuurella jännitteellä Kello, laskuri ja ohjauslogiikka mittaavat integrointiin kuluvaa aikaa, kunnes komparaattori havaitsee nollajännitteen. Tulokseksi saatu aika T 2 on suoraan verrannollinen mitattavaan jännitteeseen. T 2 TU 1 X = (1.1) U R Toimintaperiaatteesta johtuen muuntimen tarkkuus ei ole riippuvainen kellon taajuuden ja integraattorin aikavakion stabiiliudesta, kunhan ne vain pysyvät vakioina muunnoksen ajan. Lisäksi muuntimella saadaan hyvä verkkotaajuisten (50Hz) häiriöiden vaimennus, jos integrointiaika T 1 valitaan häiriön jakson tai sen monikerran pituiseksi. 1.1.3 Mittareiden näyttämät AC-alueella AC-jännitteen tehollisarvo määritellään niin, että vaihtojännite, joka tuottaa resistiiviseen kuormaan saman keskimääräisen tehon kuin DC-jännite, on tehollisarvoltaan sama kuin em. DC-jännite. Tehollisarvojen avulla voidaan laskea vaihtojännitteiden yhteydessä samanlaisia asioita, kuin DC-jännitteillä. Esim. voidaan laskea 60 W:n hehkulampun virrankulutus tutulla kaavalla I=P/U. AC-jännitteen hetkellinen teho on 2 Ut () Pt () =, (1.2) R missä U(t) on hetkellinen jännite ja R on kuormaresistanssi. Keskimääräinen teho on näin ollen P Ave T U() t 2 R dt 0 =, (1.3) T 29

missä T on jaksonaika. Jos signaali ei ole jaksollinen, valitaan integrointiaika T niin, että usean perättäisen mittauksen välillä ei tule suurta hajontaa. Keskimääräisestä tehosta voidaan laskea jännitteen tehollisarvo: U = P R (1.4) RMS Ave Esimerkiksi siniaallolla tehollisarvo on 1 2 huippuarvosta tai π = 111, kertaa 2 2 jännitteen tasasuunnattu keskiarvo. Yleismittarin vaste on yleensä joko keskiarvoon tai tehollisarvoon pohjautuva. Koska kuitenkin usein ollaan kiinnostuneita tehollisarvosta, on keskiarvonäyttöinen yleismittari säädetty näyttämään sinimuotoisille signaaleille tehollisarvoa kertomalla keskiarvo luvulla 1,11. Tällainen mittari näyttää tehollisarvoa ainoastaan sinimuotoisille signaaleille. Muilla aaltomuodoilla voidaan oikea tehollisarvo kuitenkin laskea, mikäli aaltomuoto tunnetaan. Keskiarvopohjaisia mittareita ovat mm. kiertokäämimittarit sekä yksinkertaisemmat digitaalivolttimittarit (Metex M-4650). Tehollisarvonäyttöisiä ovat mm. kiertorautamittarit (käytetään taulumittarina sähkövoimatekniikassa) sekä digitaaliyleismittarit, joissa tehollisarvo lasketaan tarkoitukseen kehitetyllä mikropiirillä. Esimerkkinä tällaisesta todellista tehollisarvoa näyttävästä mittareista käsitellään laboratoriotöissä yleismittaria Fluke 8050. Useimmilla yleismittareilla ei DC-komponentti vaikuta näyttämään vaihtosuureita mitattaessa (=mittari ACkytketty), mutta on myös olemassa mittareita, jotka mittaavat koko signaalin (AC+DC) arvoa. Molemmat tässä työssä käytettävät yleismittarit ovat vaihtosuureita mitattaessa AC-kytkettyjä. 1.1.4 Pienten resistanssien mittaus Käytettäessä tyypillistä yleismittaria (kuva 17) summautuu mittausjohtimien resistanssi mitattavaan vastukseen. Pieniä resistansseja (< 1 Ω) mitattaessa yhdysjohtimien resistanssin ja liitosresistanssien vaikutus mittaustulokseen voi kasvaa merkittäväksi. Pienten resistanssien mittauksessa nelipistemenetelmä tehokkaasti eliminoi haitallisten resistanssien vaikutusta (kuva 20). Mitattavan resistanssin (R) läpi kulkeva virta on vakio riippumatta johdin- ja ylimenoresistansseista ja jännitemittari mittaa vain tutkittavan vastuksen yli olevaa jännitettä. Työssä käytetään pienten resistanssien mittaukseen yleismittaria HP 3468A tai HP 34401A, joissa on nelipistemittausmahdollisuus. 30

liitos- ja johdinresistanssit I R V jännitemittaus mittausvirtalähde Kuva 20. Vastuksen nelipistemittaus. Virtalähde on sisäänrakennettu mittariin. 1.1.5 Tutkittavat yleismittarit Tutkittavana on Fluken kolmen ja puolen numeron (suurin näyttämä 1999) yleismittari sekä neljän ja puolen numeron mittari Metex M-4650. Molemmissa mittareissa mittaus perustuu kaksoisintegroivaan AD-muuntimeen. Vaihtojännitteen ja -virran osalta Fluke 8050 mittaa suoraan tehollisarvoa (true root mean square, TRMS), joten mittari näyttää oikein vaihtosuureen tehollisarvoa aaltomuodosta riippumatta. Metex edustaa taas hieman yksinkertaisempaa tekniikkaa, sillä sen näyttämä on AC-alueilla tasasuunnattuun keskiarvoon verrannollinen, mutta näyttö on korjattu kertoimella 1,11 näyttämään sinimuotoiselle signaalille tehollisarvoa. Muilla aaltomuodoilla Metexin näyttämä eroaa todellisesta tehollisarvosta. Molemmat mittarit ovat ACkytkettyjä, joten niillä vaihtosuureita mitattaessa saadaan arvo pelkästään vaihtokomponentille. Jos halutaan koko signaalin tehollisarvo, täytyy se laskea kaavalla RMS 2 DC 2 ACRMS U = U + U. (1.5) 1.2 Mittaukset Tarvittavat laitteet Yleismittari Fluke 8050 Yleismittari Metex M-4650 Yleismittari HP 3468A tai HP 34401A Jännitelähde Mascot 0-30 V Oskilloskooppi Säätövastus Pieni vastus Funktiogeneraattori Musta laatikko, väriltään harmaa Vastusmittauskytkentä 31

1.2.1 Virran ja jännitteen mittaus Kytke jännitelähde, vastuskytkentä sekä kaksi mittaria siten, että saat mitattua vastuksen R1 yli olevan jänniteen sekä sen läpi kulkevan virran. Säädä jännitelähteen jännitteeksi n. 5V. Laske mittausten perusteella vastuksen R1 arvo. 1.2.2 DC-jännitteen mittaaminen suuri-impedanssisesta piiristä Suuri-impedanssisen piirin jännitteiden mittaaminen tuottaa ongelmia, koska mittari kuormittaa piiriä. Mustassa laatikossa (kuva 21) suuri-impedanssista piiriä kuvaa jännitelähde, jossa on suuri sisäinen vastus R S. Jännitelähteen perään on kytketty operaatiovahvistin, jonka ottoimpedanssi Z in on hyvin suuri verrattuna tyypillisen yleismittarin ottoimpedanssiin, vahvistus on yksi ja antoimpedanssi puolestaan erittäin pieni, jota yleismittarin vastus ei kuormita. Mittaa jännite Metexillä operaatiovahvistimen lähdöstä. Anna Metexin olla mittaamassa ja mittaa Flukella mustan laatikon jännitelähteen suuruus jännitelähteen ja operaatiovahvistimen välissä olevasta ulosotosta. Mitä Metex nyt näyttää? Laske Metexin mittaustuloksen muuttumisen avulla arvio R S :n arvolle. R S A=1 E Z in Kuva 21. Musta laatikko 1.2.3 AC-jännitteen mittaus Mittaa kummallakin mittarilla funktiogeneraattorin lähdöstä saatavat sini-, kolmioja suorakaidejännitteet 100 Hz:n taajuudella (tutki riippuuko mittaustulos siitä, onko vain toinen vai molemmat mittarit kytkettynä). Käytä oskilloskooppia säätääksesi kunkin aaltomuodon amplitudiksi 5 V huipusta huippuun (ilman kuormaa) ja tasajännitetasoksi 0 V. Käytä äskeistä kalibrointiasi hyväksesi. Lisää ulostulosignaaliin +2V tasajännite (offset) ja toista mittaukset. 1.2.4 Virtamittaus, mittarin jännitehäviö Mittaa mittarien yli jäävä jännite 100mA:n virralla. Asteikoksi valitaan 0,2A. Suorita mittaus kuvan 22 mukaisesti kytkemällä toinen mittareista jännite- ja toinen virtamittariksi. Toista mittaus, kun olet vaihtanut mittareiden toimintatapoja. HUOM! Aseta säätövastus maksimiarvoonsa ennen jännitelähteen kytkemistä ja varmista asia mittaamalla säätövastuksen arvo yleismittarin ohmiasennolla. Sopiva arvo jännitteelle on noin 5V. 32

100 R Jännitelähde A V Kuva 22. Virtamittarin jännitehäviön mittaaminen 1.2.5 Pienten vastusten nelipistemittaus Mittaa Flukella, Metexillä ja HP:lla (HP nelipistemittauksella) pienen vastuksen suuruus. Kuinka suuri on johdin- ja liitosresistanssien osuus kaksipistemittauksessa? 1.3 Kysymykset 1.3.1 Mikä on valmistajan mukaan Fluken ja Metexin epävarmuus 200 V asteikolla, kun mitattava jännite on: - 50 % täydestä näyttämästä, eli 100 V - 25 % täydestä näyttämästä, eli 50 V - 5 % täydestä näyttämästä, eli 10 V Ilmoita tulos millivoltteina. 1.3.2 Mistä johtuu kohdan 1.2.2 mittauksessa jännitteen muuttuminen, kun toinen yleismittari kytketään operaatiovahvistimen oton puolelle? Laske R S :n suuruus. Operaatiovahvistimen sisäänmenoimpedanssi on noin 10 12 Ω. 1.3.3 Laske kohdassa 1.2.3 Metexillä mitatuista jännitteistä oikeat tehollisarvot, kun otetaan huomioon siniaallosta poikkeavan aaltomuodon aiheuttama virhe. Ohje: vrt. esiselostus. 1.3.4 Vertaa kohdassa 1.2.4 saatuja tuloksia valmistajan antamiin tietoihin. 1.3.5 Voiko tutkituilla mittareilla saada selville, onko kysymyksessä tasa- vai vaihtojännite vaiko niiden summa? Perustele vastaus. 33

Liitteet: Liitteissä esim. merkintä ± 0.05% of reading + 3 digits tarkoittaa seuraavaa: 0.05% of reading tarkoittaa 0,05% mittauslukemasta. 3 digits tarkoittaa kolmen yksikön muutosta näytön viimeisessä numerossa. Esim. Metexissä 200 mv:n alueella 3 digits tarkoittaa 30µV. Epätarkkuudet summataan tavallisella yhteenlaskulla. Liite 1.1 Metex M-4650 spesifikaatioita 4. SPESIFICATIONS Accuracies are ± (% reading + No. of digits) Guaranteed for 1 year, 23 C ± 5 C, less than 75% RH. Warm up time is 1 minute. DC Voltage Range Accuracy Resolution 200 mv 10 µv 2 V 100 µv 20 V ± 0.05 % of rdg + 3 digits 1 mv 200 V 10 mv 1000 V ± 0.1 % of rdg + 5 digits 100 mv Input impedance: 10 Mohm on all ranges. Overload protection: 1000V dc or peak ac on all ranges. AC Voltage Range Accuracy Resolution 200 mv 10 µv 2 V 100 µv 20 V ± 0.5 % of rdg + 10 digits 1 mv 200 V 10 mv 750 V ± 0.8 % of rdg + 10 digits 100 mv Input impedance: >10 Mohm in parallel with <50 pf (ac coupled). Frequency range: 40 Hz to 400 Hz. Overload protection: 750 V rms or 1000 V peak countinuous on ac ranges, except 200 mv ac range (15 seconds maximum above 300 V rms). Indication: Average (rms of sine wave). 34

DC Current Range Accuracy Resolution 200 µa 10 na 2 ma ± 0.3 % of rdg + 3 digits 100 na 20 ma* 1 µa 200 ma 10 µa 2 A* ± 0.5 % of rdg + 3 digits 100 µa 20 A ± 0.8 % of rdg + 5 digits 1 ma * except 4630 and 4650 Overload protection: 2 A/250 V fuse. 20A range unfused. Maximum input current: 20 A (MAXIMUM OF 15 MINUTES). Measuring voltage drop: 200 mv. AC Current Range Accuracy Resolution 200 µa 10 na 2 ma ± 0.8 % of rdg + 10 digits 100 na 20 ma* 1 µa 200 ma 10 µa 2 A* ± 1.0 % of rdg + 10 digits 100 µa 20 A ± 1.2 % of rdg + 15 digits 1 ma * except 4630 and 4650 Overload protection: 2 A/250 V fuse. 20A range unfused. Maximum input current: 20 A (MAXIMUM OF 15 MINUTES). Frequency range: 40 Hz to 400 Hz. Indication: Average (rms of sine wave). Measuring voltage drop: 200 mv. Resistance Range Accuracy Resolution 200 ohm ± 0.2 % of rdg + 5 digits 0.01 ohm 2 Kohm 0.1 ohm 20 Kohm 1 ohm 200 Kohm ± 0.15 % of rdg + 3 digits 10 ohm 2 Mohm 100 ohm 20 Mohm ± 0.5 % of rdg + 5 digits 1 Kohm Overload protection: 500 V dc/ac rms on all ranges, except 200 ohm range (250 V dc/ac). Open circuit voltage: <1.2 V. Relative humidity: 0 to 75%, 0 C to 35 C on 2 Mohm, 20 Mohm 0 to 90%, 0 C to 35 C on all other ranges 0 to 70%, 35 C to 50 C 35

Liite 1.2 Fluke 8050A Spesifikaatioita 36

37

Liite 1.3 HP 3468A spesifikaatioita 38

39

40

4 Anturimittauksia Työn tavoitteet Tutustua lämpötilan mittauksessa käytettäviin antureihin (platinavastus, termistori ja termoelementti) Tutustua venymäliuskan käyttöön 4.1 Yleistä Mitattavat fysikaaliset suureet muunnetaan usein erilaisilla antureilla sähkösuureiksi, joiden käsittelyssä sovelletaan yleistä sähkömittaustekniikkaa. Taulukossa 4.1 on lueteltu erilaisia fysikaalisia mitattavia suureita ja anturiperiaatteita. Taulukko 4.1. Anturityyppien soveltuvuus Anturityyppi Mitattava fysikaalinen suure el.putki induktanssi kapasitanssi lämpösähköinen magnetostriktio induktio pietsosähköinen radioaktiivinen resistiivinen valosähköinen Kiihtyvyys x x x x x x x Kosteus x x Lämpötila x x x x Massa x x x x Nopeus x x x x x x x x Paine x x x x x x x x x Paksuus x x x x x Pinnan taso x x x x x Siirtymä x x x x x x x x Valo x x x Virtaus x x x x x x Viskositeetti x x x x Voima x x x x x 61

4.2 Anturien jako Anturit voidaan jakaa toimintaperiaatteen mukaan esim. seuraavasti: 1) jännitettä tai virtaa kehittävät analogia-anturit 2) muuttuvaparametriset analogia-anturit 3) taajuutta tai pulsseja kehittävät anturit 4) digitaaliset anturit Ensimmäiseen ryhmään kuuluvat lähinnä sellaiset anturit, jotka eivät tarvitse ulkoisia teholähteitä. Toiseen ryhmään kuuluvat erilaiset siltakytkennät, joissa sillan jonkin komponentin impedanssi riippuu mitattavasta suureesta. Rajanveto ensimmäisen ja toisen ryhmän välillä on joissakin tapauksissa vaikeaa, kolmannen ja neljännen ryhmän välillä se on helpompaa. 4.2.1 Lämpösähköiset anturit eli termoelementit Lämpösähköiset anturit perustuvat kahden metallin liitoksessa syntyvään lämpötilasta riippuvaan jännite-eroon. Koska suljetussa virtapiirissä on välttämättä vähintään kaksi tällaista liitosta, täytyy toinen liitos pitää vakiolämpötilassa. Taulukossa 4.2 selviävät tärkeimpien termoelementtien ominaisuudet. Taulukko 4.2. Termoelementtien ominaisuuksia Positiivinen Negatiivinen Normaali elementti elementti lämpötila-alue C platina platina 870-1700 20 % rodium 6 % rodium kromi konstantaani 0-870 rauta konstantaani 0-760 kromi alumiini 0-1260 platina platina 0-1480 13 % rodium platina platina 0-1480 10 % rodium kupari konstantaani -180 370 62

60 Termojännite, mv 0-200 400 1000 Kuva 31. Rauta-konstantaanitermoelementin (Fe-Ko) termojännitteen riippuvuus lämpötilaerosta Teollisuuskäytössä yleisimmät termoelementtiparit ovat Cu-Konst, Fe-Konst, CrNi- Ni ja PtRh-Pt. 4.2.2 Vastuslämpömittarit Haluttaessa päästä suurempaan lämpötilan mittaustarkkuuteen ja suurempaan ulostulojännitteeseen kuin termoelementeillä, käytetään vastuslämpömittaria, joka perustuu vastuksen lämpötilariippuvuuteen. Yleisimmin käytetty anturi on platinasta valmistettu nimellisresistanssiarvoltaan (lämpötilassa 0 C) 100 Ω ns. Pt-100 anturi. Platina onkin eniten käytetty vastusanturimateriaali ja yleinen tarkkuusmittauksissa. Platinan etuja ovat sillä saavutettava laaja mittausalue -250 C - +962 C, erinomainen pitkän ajan stabiilisuus myös korkeissa lämpötiloissa, lämpölaajenemiskertoimen lineaarisuus, helppo muovattavuus sekä kestävyys kemiallista rasitusta vastaan. Myös joistakin muista metalleista valmistetaan vastuslämpömittareita. Kuvassa 32 on esitetty lämpövastusanturien lämpötilariippuvuuksia. Vastuslämpömittarin haittapuolia ovat hidas toiminta, suuri koko ja mutkikkaampi (siltakytketty) mittauspiiri. 63

5,0 4,0 3,0 nikkeli termistori volframi kupari rauta 2,0 1,0 0 0 200 400 600 800 Lämpötila C Kuva 32. Platinan, kuparin, volframin ja nikkelin sekä termistorin resistanssin lämpötilariippuvuus. 4.2.3 Puolijohdelämpömittarit eli termistorit Termistoreja käytetään lämpötilamittauksiin, kun halutaan yksinkertaisin menetelmin suurta erottelukykyä. Termistorit ovat puolijohteista valmistettuja lämpötila-antureita, joiden toiminta perustuu metallivastuslämpömittareiden tapaan resistanssin lämpötilariippuvuuteen. Termistorien lämpötilakerroin on metallivastusten lämpötilakertoimiin verrattuna noin kymmenkertainen, mutta erittäin epälineaarinen Termistorit valmistetaan sintraamalla metallioksidijauheesta. Metallioksidijauheesta muodostetaan halutun muotoinen kappale, joka kuumennetaan. Tällöin jauheessa tapahtuu uudelleen kiteytymistä, joka sitoo jauheen kiinteäksi kappaleeksi. Tämän jälkeen anturi suojataan metallilla tai lasilla ja siihen liitetään mittausjohdot. Yleisimmin käytettyjen termistoreiden lämpötilakertoimet ovat negatiivisia eli niiden resistanssi pienenee lämpötilan kasvaessa. Negatiivisen lämpötilakertoimen omaavia termistoreita kutsutaan NTC-termistoreiksi (Negative thermal coefficient). NTCtermistorien lisäksi markkinoilla on PTC-termistoreita (Positive thermal coefficient), joiden lämpötilakerroin on tietyllä lämpötila-alueella positiivinen. Lämpötilan muuttuessa termistorin resistanssi muuttuu suhteellisen voimakkaasti noudattaen yhtälöä R T = R e 0 β 1 1 T T0, (4.1) 64

missä R 0 on resistanssin arvo referenssilämpötilassa T 0 (kelvineissä), R T resistanssin arvo lämpötilassa T sekä β kerroin, joka riippuu termistorin valmistusprosessista ja rakenteesta. β on yleensä suuruusluokkaa +3500 K. Ratkaisemalla R 0 yhtälöstä (4.1), kun lämpötila lähenee ääretöntä, saadaan R 0 = R β, (4.2) e T 0 missä R on R T lämpötilan lähestyessä ääretöntä. Sijoittamalla yhtälön (4.2) oikea puoli yhtälöön (4.1) R 0 :n paikalle saadaan toinen useasti käytetty yhtälö resistanssin lämpötilariippuvuuden kuvaamiseen R T β = R et, (4.3) missä R on termistorin resistanssi lämpötilan lähestyessä ääretöntä. Yhtälöt (4.1) ja (4.3) ovat ainoastaan approksimaatioita termistorin lämpötilan ja resistanssin välisen riippuvuuden kuvaamiseen, joten niitä ei voida käyttää tarkkaan lämpötilan määrittämiseen. Kuvassa 33 on esitetty kolmen NTC-termistorin resistiivisyyden lämpötilariippuvuus. Termistorien käyttöalue ulottuu läheltä absoluuttista nollapistettä aina 200 C:een saakka. Termistoreilla päästään suuriin herkkyyksiin, mutta niiden stabiilius on huonompi kuin vastuslämpöantureilla. Valikoituja tavallisia massavastuksia voidaan käyttää lämpötilamittareina alueella 4...100 K. Niiden lämpötilariippuvuus on muotoa ln R+ K ln R = C+ DT (4.4) Germaniumlämpömittaria käytetään alueella 0...50 K mittanormaalin tapaan, sillä kyseisen lämpömittariin hystereesi on hyvin pieni (10-3 K) ja germaniumpalan vastuksen muuttumisnopeus on suuri. 65