Mittaustekniikan perusteet / luento 5 Perusmittalaitteet 3 Yleismittari Yleisimmin sähkötekniikassa käytetty mittalaite. Kahta perustyyppiä: Analogimittari Kiertokäämimittari Ei enää juurikaan käytössä Digitaalimittari Käytännössä kaikki nykyiset mittarit oat digitaalimittareita Yleismittari aajuuslaskuri 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 (2-pistemittaus / 4-pistemittaus) Myös muita mittauksia (diodi, kapasitanssi, induktanssi) Suuri ottoimpedanssi jännitemittauksissa: yypillisesti > MΩ 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. Luonnostaan tehollisarosta riippuia ilmiöitä: Elektrodynaaminen: oima kahden irtajohtimen älillä Elektrostaattinen: oima kahden aratun johtimen älillä A jännitteen/irran lämmitysteho (termomunnin) Elektroniikan aulla toteutettaia menetelmiä: MS-aron laskenta analogisesti tai digitaalisesti asasuunnatun keskiaron mittaus Satunnaisnäytteistys ehollisaro (MS) ehollisaro = MS (oot-mean-square) 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 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 ( ( ) Hetkellinen teho resistanssiin: P = Keskimääräinen teho hetkellisestä tehosta: integroi jakson yli ja jaa jakson pituudella: P ag t+ 2 2 = ( = t MS = MS t+ 2 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 ei-sinimuotoista A-signaalia, 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 ei-sinimuotoisille 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( ( ( = i( Kaksoisintegroia muunnin Kaksoisintegroia muunnin digtaaliaro Kello Laskuri Ohjauslogiikka t in( ) + in( V IN=2 V + V in Komparaattori V IN=2 V V IN= V V IN= V + V i( ( ( = i( +. Sisääntulosignaalia integroidaan aika 2. Integraattoria puretaan akioirralla, 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
Kaksoisintegroia muunnin Yhteeneto: Kaksoisintegroia muunnin saadaan helposti tarkaksi arkkuus riippuu pääosin jänniteerenssin 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/D-muunnin on hidas errattuna muihin A/D-muunnintyyppeihin. Yleismittarin epäarmuus yypillisiä aroja mittausepäarmuudelle @ 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 8-6 3-7 8,3-6 HP 344A 4-5 7-6 4,7-5 HP 3468A,8-4 2-5 2, -4 M-465 5-4 3-4 8, -4 Yleismittarin epäarmuus Ohjeita mittarin käytössä HP 3458A: 8,3-6 @ V D HP 3468A: 2, -4 @ V D HP 344A: 4,7-5 @ V D M-465: 8, -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 offset-jännitteet tai -irrat (D-mittaus)
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 pulssejen 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 erottelukyky: f N = f N m f m iippuu taajuudesta Heterodyne-tekniikka sisääntulea signaali aajuuslaskuri f,2 f M f X mikseri f ± Kf M M X Kf M alipäästösuodin säädettää suodin KNfM kampageneraattori f M = Mf B 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
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 taajuusrippua) Modernit laskurit alitseat oikean mittaustaan automaattisesti f nf n f m 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
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 Aikaälin mittaus Periodilaskurin muunnos: kahden tapahtuman aikaälin mittaus Kua: P. Horowitz ja W. Hill, he Art of Electronics Paras suorituskyky: suurin mahdollinen kellotaajuus yypillisesti ~5 MHz 2 ns resoluutio ätä parempaan on mahdollista päästä interpoloimalla Interpolaatio Ottopiiri Lineaari-interpolaatio Vernier-interpolaatio Signaalitaso Vaimennin, ahistin ja Schmitt-triggerin hystereesirajat määrääät signaalitason minimin Kuat: P. Horowitz ja W. Hill, he Art of Electronics 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 ~ MΩ/35 pf aajuus > MHz 5 Ω 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 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