Mittaustekniikan perusteet / luento 5 Perusmittalaitteet 3 Yleismittari aajuuslaskuri ja taajuuslähteet Yleismittari Yleisimmin sähkötekniikassa käytetty mittalaite. Kahta perustyyppiä: Analogimittari Kiertokäämimittari Ei enää juurikaan käytössä Digitaalimittari Käytännössä kaikki nykyiset mittarit oat digitaalimittareita Digitaalinen yleismittari Huomaa mittareiden toisistaan poikkeaat näyttämät! Poikkeama on mittareiden epäarmuuksien sisällä. Digitaalinen yleismittari Digitaalisella yleismittarilla oidaan mitata: D/A jännitettä D/A irtaa esistanssia, kapasitanssia ja induktanssia Myös muita mittauksia Suuri ottoimpedanssi: yypillisesti >0 MΩ Kuormittaa mitattaaa piiriä ähän Amittaukset: otossa myös kapasitanssia! ehollisaron mittaus: Usein todellinen tehollisaro myös eisinimuotoisille Ajännitteille tai irroille Vaihtoehtoisesti tasasuunnatun keskiaron mittaus Mitattaat taajuudet pieniä (< MHz)
ehollisaro (MS) Virran tai jännnitteen tehollisaro (MSaro) on errannollinen nopeuteen, jolla sähköenergia muuttuu muiksi energian muodoiksi. Luonnostaan tehollisarosta riippuia ilmiöitä: Elektrodynaaminen: oima kahden irtajohtimen älillä Elektrostaattinen: oima kahden aratun johtimen älillä A jännitteen/irran lämmitysteho (termomunnin) Elektroniikan aulla toteutettaia menetelmiä: MSaron laskenta analogisesti tai digitaalisesti asasuunnatun keskiaron mittaus Satunnaisnäytteistys ehollisaro (MS) ehollisaro = MS (ootmeansquare) Ajännite joka ilmaistaan tehollisaronsa aulla antaa resistanssiin saman tehon kuin astaaan suuruinen Djännite Kaikilla allaoleilla aaltomuodoilla on sama tehollisaro ja tehollisaromittari näyttää aroa V kaikille signaaleille Aaltomuoto Amplitudi V MS.44 Sini.44.733 Kolmio.733 Kantti D Sama teho ehollisaron laskenta ehollisaron laskenta (analogisesti tai digitaalisesti) Määritellään keskimääräisen tehon aulla: 2 ( ( t) ) Hetkellinen teho resistanssiin: P = Keskimääräinen teho hetkellisestä tehosta: integroi jakson yli ja jaa jakson pituudella: P ag t0+ 2 2 = ( t) = t0 MS = MS t0+ 2 t 0 ( t) oot Mean Square (=MS) atkaistaan MS asasuunnattu keskiaro s. MS Aaltomuotoa kuaaia suureita (tehollisaro, tasasuunnattu keskiaro, huippuaro) ei saada toisistaan, ellei aaltomuotoa tunneta. Eli: Mitattaessa eisinimuotoista Asignaalia, on syytä tietää miten mittari mittaa tehollisaron. Esimerkki: tasasuunnattua keskiaroa käyttää mittari ehdään puoli tai kokoaaltotasasuuntaus Keskiaroistetaan saatu signaali Kerrotaan akiolla (Sini =,) tehollisaron saamiseksi Näyttää äärin eisinimuotoisille signaaleille
Digitaalinen yleismittari Digitaalinen yleismittari Jännite ja resistanssi OM Virta Digitaalisen yleismittarin lohkokaaio Ylijännite suojaus Sulake Ω / V A/Dmuunnin Vakioirtalähde Virtaetuastus ma / V Ohjaus ja näyttö A / D ehollisaro muunnin ehollisaromuuntimella on maksimitaajuus, jota suuremmilla taajuuksilla se ei toimi oikein! A/D muunnos yleismittarissa Digitaalisissa yleismittareissa lähes poikkeuksetta ns. kaksoisintegroia A/D muunnin Kaksoisintegroia muunnin saadaan helposti tarkaksi Integroia muunnin Jännite muunnetaan ajaksi, joka muutetaan digitaaliluuksi Integraattori toimii erkkotaajuussuodattimena (Integrointiaika = erkkotaajuuden jakson moninkerta) Integraattori toimii alipäästösuodattimena Integraattori: i(t) (t) ( t) = 0 i( t) Kaksoisintegroia muunnin Kaksoisintegroia muunnin digtaaliaro Kello Laskuri Ohjauslogiikka in( t) 0 + 0 ref t in( ) 0 V IN =2 V + 0 ref V in Komparaattori VIN=2 V VIN= V V IN = V 0 + 0 V ref i(t) (t) ( t) = 0 i( t) 0 + 0. Sisääntulosignaalia integroidaan aika 2. Integraattoria puretaan akioirralla, kunnes päästään nollapisteeseen. ähän kulua aika 0 mitataan 0 in ( t) = + 0 ja supistuat pois yhtälöistä Ei tarkkuusaatimuksia Mitataan aikojen suhdetta Kellon pitää olla stabiili ref = aajuuden ei taritse olla tarkkaan tunnettu in ref 0 in = ref 0 Saadaan helposti tarkaksi
Kaksoisintegroia muunnin Yhteeneto: Kaksoisintegroia muunnin saadaan helposti tarkaksi arkkuus riippuu pääosin jännitereferenssin tarkkuudesta Myös muiden komponenttien epäideaalisuudet aikuttaat tulokseen (integraattori, komparaattori...) Kellon tarkkuus ei juurikaan aikuta, koska mitataan aikojen suhdetta Muuntimella on hyä lineaarisuus ja häiriönsieto Kaksoisintegroia A/Dmuunnin on hidas errattuna muihin A/Dmuunnintyyppeihin. Yleismittarin epäarmuus yypillisiä aroja mittausepäarmuudelle @ V D Alle uosi kalibroinnista ja käyttö ohjeen mukaan. Epäarmuudet ilmoitetaan yleensä: X ppm/% näyttämästä + Y ppm/% mittaalueesta tai X ppm/% näyttämästä + N numeroa V D eading ange otal HP 3458A 8 0 6 3 0 7 8,3 0 6 HP 3440A 4 0 5 7 0 6 4,7 0 5 HP 3468A,8 0 4 2 0 5 2,0 0 4 M4650 5 0 4 3 0 4 8,0 0 4 Yleismittarin epäarmuus Ohjeita mittarin käytössä HP 3458A: 8,3 0 6 @ V D HP 3468A: 2,0 0 4 @ V D HP 3440A: 4,7 0 5 @ V D M4650: 8,0 0 4 @ V D Suojaa mittalaitetta Varo: induktiiiset komponentit aiheuttaat jännitetransientteja (kelat, muuntajat, etc.) Varmista mittauskohteen jännitteettömyys, kun teet resistanssimittauksia Älä ikinä kytke mittaria jännitelähteeseen irtamittausasennossa Näin pienennät mittausepäarmuutta Mittaa mahdollisimman lähellä täyttä näyttämää Kannattaa mitata suhdetta, jos se on mahdollista arkasta mittarin offsetjännitteet tai irrat (Dmittaus)
aajuuslaskurit Signaalin taajuutta tai jaksonaikaa, tapahtuimen lukumäärää ja usein myös aikaäliä oidaan mitata taajuuslaskurilla aajuuslaskuri aajuuslaskurin lähtökohta: Kehittyneillä laskimilla oidaan mitata mm. huippuaroa, pulssin leeyttä, nousu ja laskuaikaa Kua: HewlettPackard, application note AN200 Suora mittaus: lasketaan tuleien pulssejen lukumäärä laskurin sisäisen kellon määräämässä ajassa. aajuuslaskuri Suoran taajuuslaskennan rajoituksia Laskureiden toimintataajuus (max ~3 GHz) Heterodyneteknikka (~20 GHz) aajuudensiirtooskillaattori (~20 GHz) ± pulssin epäarmuus Johtuu laskurin kellon ja signaalin älisen aiheen satunnaisuudesta Signaali Mittaus Mittaus 2 Kua: HewlettPackard, application note AN200 Suhteellinen erottelukyky: f N = f N m f m iippuu taajuudesta Heterodynetekniikka sisääntulea signaali aajuuslaskuri f X mikseri f ± Kf M f,2 f KNf M M säädettää suodin M X Kf M alipäästösuodin kampageneraattori f M = Mf B taajuuskertoja mikrokontrolleri signaalin haaitsin aajuudensiirtooskillaattori Vaihelukitaan matalataajuinen jännitesädettää oskillaattori sisääntuleaan signaaliin Jännitesäädettään oskillaattorin taajuus mitataan f B AGahistin f X Kf M näyttöyksikölle laskurin kellolta input taanomainen laskuri
Laskennan epäarmuus Pulssien laskennan ± epäarmuuden pienentäminen Periodimittaus Interpolaatio (aikaälin mittaus) PLLtaajuuskertoja 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 taajuusrippua) Modernit laskurit alitseat oikean mittaustaan automaattisesti f nf n f m osc Kua: HewlettPackard, application note AN200 Periodimittaus Periodimittaus on suoraa mittausta herkempi signaalin kohinalle ja huojunnalle liipaisuirhe Hyä signaalikohina suhde Hyä liipaisupiiri Kuat: P. Horowitz ja W. Hill, he Art of Electronics
Aikaälin mittaus Interpolaatio Periodilaskurin muunnos: kahden tapahtuman aikaälin mittaus Lineaariinterpolaatio Vernierinterpolaatio Kua: P. Horowitz ja W. Hill, he Art of Electronics Paras suorituskyky: suurin mahdollinen kellotaajuus yypillisesti ~500 MHz 2 ns resoluutio ätä parempaan on mahdollista päästä interpoloimalla Kuat: P. Horowitz ja W. Hill, he Art of Electronics Ottopiiri Signaalitaso Vaimennin, ahistin ja Schmitttriggerin hystereesirajat määrääät signaalitason minimin Ottopiiri Sisääntulon A tai Dkytkentä Liipaisutason säätö yypillisesti: 20 mv 50 mv Liipaisu positiiiselta tai negatiiiselta reunalta Kuat: HewlettPackard, application note AN200 Kuat: HewlettPackard, application note AN200
Ottopiiri Ottoimpedanssi aajuuslaskuri kuormittaa mitattaaa piiriä kuten esim. oskilloskooppi Yleensä: aajuus < 0 MHz suuriimpedanssinen sisääntulo ~ MΩ/35 pf aajuus > 0 MHz 50 Ω soitettu sisääntulo Suurin signaalitaso Vahistimen lineaarinen alue määrää suurimman signaalitason Saturoituminen (toiminta hidastuu), aurioituminen Vaimentimet Yleensä: 0X, 00X tai jatkua aajuuslaskurin mittausepäarmuus Kaikissa mittauksissa: Laskurin kellon epäarmuus Laskennan epäarmuus (usein ±) Periodimittaus Lisäksi liipaisuirhe Aikaälin mittaus Lisäksi systemaattisia irheitä start ja stopsisääntulojen eroista johtuen Kua: HewlettPackard, application note AN200 Kellot, taajuuslähteet Kellon (taajuuslähteen) epäarmuus riippuu käytetystä referenssistä aajuusreferenssejä: Kartsikiteet esiumin perustilan ylihienorakenne satomikellot Primäärinormaali (SIsekunti) ubidiumin perustilan ylihienorakenne batomikellot Vedyn perustilan ylihienorakenne Hmaser Mekaaninen ärähtelijä Fspektroskopia Maser Kua: Kartz Atomikellot Kellot, taajuuslähteet oat ylioimaisesti käytetyin taajuusreferenssi Otettu käyttöön 920luulla Kehittyät edelleen Atomikelloissa kideoskillaattorin taajuus lukitaan takaisinkytkennällä atomaariseen referenssiin Atomaarinen referenssi poistaa pitkän ajan taajuusryöminnän Kideoskillaattorin taajuusryömintä oidaan poistaa myös lukitsemalla sen taajuus GPSsignaaliin Edullinen kello, jonka suorituskyky on ain ähän atomikelloja heikompi
+ + Pietsosähköinen ilmiö Kideoskillaattorin toiminnan perusta + + Määritelmä: mekaanisen jännityksen tiettyihin kideluokkiin kuuluissa kiteissä synnyttämä sähköinen polarisaatio, joka on errannollinen jännitykseen ja jonka etumerkki riippuu jännityksen suunnasta Sähköinen polarisaatio haaitaan jännitteenä kiteen yli Kiteen yli kytketty jännite aiheuttaa muodonmuutoksen + + + Kua: HewlettPackard Kartsikide oskillaattoripiirissä: Mekaaninen ärähtelymoodi määrää kiteen taajuuden Sähköisesti kide näyttää resonaattoripiiriltä Kun kide kytketään oskillaattoripiiriin, osa ahistimen ulostulon tehosta kytketään takaisin kiteelle, mikä saa sen ärähtelemään Mekaaninen ärähtely stabiloi taajuuden sarjaresonanssipiiri Voi olla sähköisesti säädettää VO rinnakkaisresonanssipiiri Kuat: HewlettPackard, application note AN2002 Kua: Queen s uniersity, Kiderakenne dept. of chemistry Kartsikide on kiteistä piidioksidia, jonka kiderakenne on trigonaalisymmetrinen Kideoskillaattori almistetaan leikkaamalla kartsikiteestä sen symmetriaakseleihin nähden määrätyissä kulmissa olea pala Valitut kulmat määrääät kiteen sähköiset ja mekaaniset ominaisuudet, esim. ärähtelymoodin ja lämpötilariippuuuden Esimerkkejä ärähtelymoodeista (eri leikkaukset) Kua: HewlettPackard aajuus määräytyy fyysisistä mitoista Pyöreät, thikness shear moodissa toimiat kiteet tuottaat hyälaatuisen signaalin Kiinnitys: Kua: HewlettPackard Esim: MA H49 0 MHz Acut, fundamental mode Koko: ~50 µm 8 mm Kua: HewlettPackard, application note AN2002
Sähköinen sijaiskytkentä Kiteen fyysiset ominaisuudet määrääät sijaiskytkennän komponenttien arot Kiteen reaktanssi lähenee nollaa sarjaresonanssissa Hajakapasitanssit: elektrodit, pidike, johdot... Kiteen Qaron suuruusluokka 45 000 aajuuden riippuuudet Lämpötila tärkein taajuuteen aikuttaa tekijä, mikäli kide joutuu alttiiksi lämpötilanaihtelulle Lämpötilariippuuuden määrää kiteen leikkaus Hystereesi Aleikkaus. Käyrät kuaaat kiteitä, joiden leikkauskulmat poikkeaat toisistaan joitain kaarisekunteja. Mekaaniset akiot, mm. massa Häiöt Kua: HewlettPackard, application note AN2002 Kuat: HewlettPackard, application note AN2002 Aika: pitkän ajan stabiilius Kideoskillaattorin taajuus muuttuu ähitellen Syitä: kiteen ominaisuuksien muutos, atomien tai molekyylien kiinnittyminen tai irtoaminen kiteen pinnasta, kiinnityksen ominaisuuksien muutos Jotta taajuuden epäarmuus pysyisi pienenä, kideoskillaattoria täytyy säännöllisesti säätää. Aika: lyhyen ajan stabiilius taajuuskohina aajuuskohinan synty oskillaattorissa on äistämätöntä Ympäristotekijät, esim. tärinä, oiat lisätä kohinaa Stabiilius ilmoitetaan yleensä ns. Allanarianssin neliöjuurena Sähköinen teho Kiteille on määritelty maksimiteho tätä suuremmilla tehoilla jännitykset oiat ylittää kiteen keston. iippuuus: ~ 0 9 /µw Graitaatio Kiteen taajuus riippuu sen orientaatiosta graitaation aiheuttaman rasituksen kautta (mm. kiinnitys). iippuuus: ~ 0 9 /G Sama ilmiö näkyy mikäli kide altistetaan kiihtyyyksille Käynnistyskertojen älinen aihtelu (retrace) Sammutettaessa ja uudelleen käynnistettäessä kideoskillaattorin taajuus oi muuttua ~ 0 8 Kua: HewlettPackard, application note AN200
ärinä ja iskut iippuuus kuten graitaatiolle Kestäyys: ~ 30 G 0 ms pulssi ärinän aikutus keskiaroistuu pitkällä ajalla, mutta näkyy taajuuskohinassa Yhteeneto: Epäarmuus Eri lämpötilakompensointimenetelmille Kua: HewlettPackard, application note AN200 Kua: HewlettPackard, application note AN2002 Atomikellot satomikello Periaate: takaisinkykentä jännitesäädettää (kide) oskillaattori ulostulo akaisinkytkennän aikaakio? aajuusstabiilius: f σ y(2, τ ) = f SN 0 τ Sekunti on 99263770 kertaa sellaisen säteilyn jakson aika, joka astaa cesium 33 atomin siirtymää perustilan ylihienorakenteen kahden energiatason älillä Kalium 39:n perustilan Breitabi kaaio atomaarinen referenssi eferenssinä yleensä s tai b Yksi elektroni sisemmän, ympyräsymmetrisen, elektronipilen ulkopuolella Ylihienorakennetilojen energiaero suuri Suuri höyrynpaine Eli: taajuus saadaan s atomin alenssielektronin spinin kääntämiseen tarittaan kantin energiasta: E=h f F=4 6 2 S /2 9.92 GHz F=3 Kua: S. Sanberg, Atomic and Molecular Spectroscopy
satomikello satomikello F D etector Maailman ensimmäinen (ajan ylläpidossa käytetty) satomikello NPL (Englanti) 955. Epäarmuus n. s / 300 uotta Menetelmä demonstroitiin NBS:ssä 95 O en A B Oen = uuni, josta cesiumsuihku lähtee, A & B = tilanalintamagneetit, = heikko magneettikenttä ja Detector = ilmaisin Moderni kaupallinen atomikello Agilent 998. Epäarmuus n. s / 400 000 uotta (~03) amseyjuoakuio f 00 Hz = 0 9 f 0 0 GHz SternGerlach magneetti Kua: Science museum Ajanhetki Koordinoitu maailmanaika U (AI U) Ylläpidetään sadoilla eri puolilla maailmaa toimiilla atomikelloilla. Välitetään pääasiassa GPSsatelliittien kautta. Esim: 50 staajuusnormaalia jatkuasti käytössä U.S. naal obseratoryssä. Epäarmuus n. 20 ns. Kuat: Agilent