Langaton pinsettimallinen yleismittari ja oskilloskooppi

1 Langaton pinsettimallinen yleismittari ja oskilloskooppi Otto Pekander ja Samuli Salonen Aalto-yliopisto Sähkötekniikan korkeakoulu Signaalinkäsittelyn ja akustiikan laitos Otakaari 5A Tiivistelmä Nykyiset yleismittarit ja oskilloskoopit on suunniteltu kestämään korkeita jännitteitä, eikä niiden käyttöliittymän suunnittelussa ole tapahtunut suuria muutoksia, vaikka mitattavien komponenttien koko ja käyttöjännitteet alenevat jatkuvasti. Nykyisen kaltaisilla isoilla mittajohdoilla on hyvin hankalaa mitata sähköisiä parametreja alle millimetrin kokoisista komponenteista. Tätä käyttötarkoitusta varten esittelemme tässä työssä pinsettimallisen langattoman mittalaitteen. Mittalaite on integroitu pinsetteihin, jolloin mittaus pienten pintaladottavien komponenttien yli helpottuu huomattavasti. Mittaustulos esitetään käyttäjälle esimerkiksi tabletin tai älypuhelimen isolla ja laadukkaalla näytöllä. Koska esitelty laite toimii akulla ja on kelluva, voidaan mittaus suorittaa ilman oikosulkuvaaraa. Esitetty mittalaite saavutti kaikissa toteutetuissa mittakategorioissa noin yhden prosentin mittausvirheen verrattuna National Instrumentsin ja Rigolin valmistamiin kalibroituihin tarkkuusmittalaitteisiin. I. JOHDANTO Elektroniikassa ollaan jatkuvasti siirtymässä pienempiin komponenttikokoihin sekä alempiin käyttöjännitteisiin. Tuotekehityksessä ja tutkimuksessa käytetyt yleismittarit ja oskilloskoopit ovat kuitenkin suunniteltu kestämään korkeita jännitteitä, eikä niiden käyttöliittymän suunnittelussa ole tapahtunut komponentteihin nähden samassa suhteessa muutoksia. Alle millimetrin kokoisille komponenteille ei löydy sopivia mittalaitteita tai ne ovat hyvin kalliita. Pienten komponenttien asettamia haasteita on yleisesti pyritty lähestymään lisäämällä piirilevylle noin millimetrin kokoisia mittapisteitä, joihin on helpompi saada komponentteihin nähden suuret mitta-anturit liitettyä. Kun tehdään erittäin korkean tiheyden tuotteita, tämä ei ole enää mahdollista, sillä testipisteet vievät liian suuren määrän piirilevyn pinta-alasta.varsin usein prototyyppien kokoonpanossa tai verifikaatiossa syntyy myös tarve komponenttien arvojen varmistukseen, sillä SMD-komponenteilla ei ole yhtenäistä merkintästandardia komponenttiarvoille. Usein komponenttiarvoja ei merkitä ollenkaan, jotta piirilevystä olisi hankalampi tuottaa kopioita jälkikäteen. Pienten irrallisten komponenttien parametrien mittaus on nykyisillä mittalaitteilla lähes mahdotonta ja irralliset komponentit täytyy usein hävittää. Yleisesti käytössä olevat mittalaitteet ovat kaiken lisäksi usein liian isoja, jotta niita haluaisi kantaa mukana. Toisaalta monissa mittalaittessa myöskään näyttö ei ole erotettavissa, mikä voi olla joskus kätevää, kun esimerkiksi mitattava komponentti on auton konehuoneessa, mutta kytkimet joilla sitä hallitaan, auton sisällä. Tässä työssä esitettävä pinsettimallinen yleismittari pyrkii

2 Markkinoilla oleviin mittalaitteisiin nähden langattomuus tuo myös merkittäviä etuja, sillä raskasta prosesointia voidaan siirtää suhteessa erittäin tehokkaille mobiiliprosessoreille. Mittalaitteen oma digitaalinen signaaliprosessori (DSP) voi grafiikan ja käyttöliittymän piirron sijaan keskittyä mittausdatan reaaliaikaiseen käsittelyyn. Käytetty DSP pystyykin reaaliajassa tuottamaan spektrianalyysiä mitatusta signaalista ja laskemaan siihen monia korjauskertoimia, joilla voidaan kompensoida esimerkiksi lämpötilan tai käyttöjännitteen muutoksien Kuva 1. Pinsetteihin integroitu yleismittari ja oskillskooppi. vaikutuksia mittaukseen. Erilaiset langattomat sensorit ovatkin tekemässä läpimurtoa elektroniikassa älypuhelinten yleistyes- vastaamaan näihin kysymyksiin. Hahmotelma pinsettimallisen sä. Esimerkiksi erilaisissa terveyttä tarkkailevissa sensoreis- yleismittarin ulkonäöstä on esitetty kuvassa 1. Työssä suun- sa käytetään usein lyhyen kantaman verkkoja datan lähetyk- niteltiin helposti mukava kulkeva yleiskäyttöinen testityökalu seen ja kerätty informaatio esitetään esimerkiksi tietokoneella pintaliitoskomponenteille. Ongelmaa ratkaistiin langattomuu- tai kannettavissa älypuhelimen kaltaisissa laitteissa.[?] Myös della, sillä näyttö on usein yksi mittareiden suurimmista ja kal- kotiautomaatiossa kasvava trendi näyttää olevan tiedon esitys leimmasta komponenteista. Suunniteltu mittari lähettää esikä- älypuhelimissa. Esimerkiksi sähkönkulutusmittari saattaa ol- sitellyn mittausdatan älypuhelimessa toimivaan sovellukseen. la rakennettuna hankalaan paikkaan, mutta kulutusta voidaan Samalla saadaan käyttöön sekä erittäin korkealaatuinen näyttö seurata langattomasti omalla puhelimella. [2] että mahdollistetaan näytön ja mittalaitteen erottaminen toisis- Seuraavassa kappaleessa käsitellään laitteen elektroniikkaa taan. Lisäksi erillisiä mittapisteitä ei tarvita, sillä pinsettimal- ja mittaustekniikkaa. Kolmannessa kappaleessa käydään läpi lisella yleismittarilla pintaliitoskoponenttien päistä on helppo piirilevyn suunnittelu. Neljäs kappale käsittelee sekä mitta- saada varma kontakti mittausta varten. Kun kokoonpano suori- laitteen reaaliaikaohjelmistoa että näyttölaitteen ohjelmistoa. tetaan pinseteillä, jotka samalla näyttävät komponentin arvon, Viidennessä kappaleessa esitetään testitulokset. Kuudes kap- voidaan varmistua, että ladottavat komponentit ovat varmasti pale puolestaan käsittelee keskustelun suunnitellusta laitteesta oikeita ja toleranssien sisällä. Myös komponenttihävikki pie- ja seitsemännessä kappaleessa käydään läpi johtopäätökset. nenee, kun irrallisten komponenttien arvot pystytään selvittämään. II. E LEKTRONIIKKA JA MITTAUSTEKNIIKKA Langattomuudesta ja pienestä koosta tulee myös haastei- Kuvassa 2 on esitetty moduulitason kuvaus laitteen toi- ta, sillä laitteen virrankulutus pitäisi pystyä minimoimaan ja minnasta. Mittausteknisesti laite koostuu kahdesta osasta: komponenttimäärä pitäisi pitää mahdollisimman alhaisena, jot- oskilloskooppi- ja RCL-piireistä. Molemmat mittapiirit on kyt- ta laitteen kokoa ei joudu kasvattamaan suurta akkua varten. ketty samaan atulaan ja aktiivinen mittauspiiri valitaan releillä. Lisäksi kustannukset lähetevät nopeasti kasvamaan, mikäli in- Toinen pinsetin atula on kytketty analogimaahan, joten kaikki tegrointiastetta kasvatetaan ja aletaan käyttämään kehittyneitä mittaukset tapahtuvat tätä maatasoa vasten. elektroniikan pakkausteknologioita ja HDI piirilevyjä. Oskilloskooppipiiri on yksinkertainen ja tehty mahdollisim-

3 Käytännössä induktanssin laskeminen on vaikeaa, koska RL-piirin aikavakio on liian pieni mitattavaksi nykyisellä mittataajuudella ja 1 kω:n testivastuksella. Pienten induktanssien selvitykseen vaaditaan hyvin eri tyyppistä lähestymistapaa. Kondensaattorin arvo määritetään kaavalla Kuva 2. Mittalaitteen moduulitason arkketehtuuri man vähillä komponenteilla. Oskilloskooppipiirin AC osio on esitetty kuvassa 3. Piiri vaimentaa tulevaa signaalia ensin 20 db ja lisää signaaliin tasajännitekomponentin, jolla mahdollistetaan myös negatiivisten signaalien mittaus. Mikäli käyttäjä valitsee pienen jännitealueen, vahvistetaan ensin alipäästösuodatettua signaalia 28 db. Suurin mitattavissa oleva signaali on siis 33 V ja resoluutio 12-bit AD-muuntimella noin 8,1 mv tai 320 µv. Piirin kohinan tehollisarvo on maksimissaan 5 vähiten merkitsevää bittiä (5 LSB RMS) ja on peräisin tasajännitekomponentin pulssinleveysmodulaatiolla toteutetusta säädöstä. Vahvistinpiirien tai vastusten kohina on kokonaiskohinabudjetissa merkityksetön. Suurin virhelähde signaaliin on käytännössä kuitenkin alun vaimennin, jonka kapasitanssi pitää erikseen kalibroida käyttäen trimmerikondensaattoria. Mikäli vaimentimen säätökondensaattorin arvo on liian pieni piiri alkaa soimaan. Liian suuri arvo aiheuttaa korkeiden taajuuksien ylivaimentumista. Komponenttien arvon määritykseen käytettävä RCLmittapiiri perustuu tuntemattoman komponentin askelvasteen mittaukseen. Mitattavaan komponenttiin johdetaan impulssivaste tunnetun resistiivisen komponentin läpi. Mittauksessa käytetään hyväksi oskilloskooppimittauksen tekniikkaa, eli kun tuntemattomaan komponenttiin kytketään testijännite, otetaan tuntemattoman komponentin yli olevasta jännitteestä näyte 2 µs välein, kuvan 3 kytkennällä. Impulssivasteesta saadaan siis muodostettua kuva, josta voidaan teoriassa C = t R ln ( Vin V in V C ) C 0, (1) missä t on latausaika, R käytetty sarjaresistanssi, V in jännitelähteen antojännite sekä V C kondensaattorin yli mitattu jännite. Yhtälön komponentti C 0 on mittapiirin oma parasiittinen kapasitanssi, joka selvitetään tekemällä avoimista pinseteistä kapasitanssimittaus. Kuten kaavasta nähdään mittausepävarmuus riippuu suoraan käytetyn vastuksen, kellon ja ADmuuntimen tarkkuuksista. Koska mittaus on suhteessa ADmuuntimen käyttöjännitteeseen, ei sen epätarkkuus vaikuta mittaustulokseen. Käytetyn sarjaresistanssin tarkkuus on 0,1 %, mutta käytännössä tähän summautuu vielä hajaresistanssia muualta: kytkinpiirin hajaresistanssi on 3,5 Ω, releen 0,1 Ω, juotoksista ja johtimista vaihtelevia määriä, sekä lopulta regulaattorin antoimpedanssi on noin 0,25 Ω. Osa näistä komponenteista kalibroidaan pois mittaamalla piirin oikosulkuresistanssi. Osa epäideaalisuuksista muuttuu kuitenkin virran, lämpötilan ja jännitteen funktiona, eikä niiden täydellinen kompensointi ohjelmallisesti ole mahdollista. Kellon ja ADmuuntimen resoluutio eivät ole tarkkuutta rajoittavia tekijöitä, sen sijaan vahvistimien offset-jännite, joka muuttuu lämpötilan funktiona, aiheuttaa pysyvän virhelähteen. Huomattavaa on, että parasiittisten komponenttien vaikutus korostuu, mikäli käytettyä mittavastusta pienennetään. Resistanssi mitataan käyttäen samoja referenssivastuksia. Tuntematon vastus muodostaa jännitejakajan ja sen arvo voidaan laskea kaavalla: sekä tunnistaa komponentin tyyppi että laskea induktanssi, kapasitanssi ja resistanssi. R = V R R ref V R V in, (2)

4 Kuva 3. Oskilloskooppipiiri, signaali tulee pinsetin kärjestä vasemmalta alhaalta ja siirtyy operaatiovahvistin asteiden jälkeen suoraan muuntimen eri kanaviin missä V R on tuntemattoman vastuksen yli oleva jännite, R ref käytetyn mittavastuksen arvo ja V in jännitelähteen antojännite. Resistanssimittauksen epävarmuus muodostuu lähinnä käytetyn mittaresistanssin virheestä, joka on käytännössä sama kuin kapasitanssimittauksessa. Mittauksen resoluutio, kun käytössä on 12-bittinen AD-muunnin, saadaan kaavalla R 2 12 240 mω, (3) 1 kun mittavastus on 1 kω. Hyvin pieniä vastus- tai jännitearvoja varten käytettävissä on myös 40 db vahvistin, jolloin jännitemittauksen sisääntuloon redusoitu resoluutio on 8 µv ja sitä vastaava resistanssimittauksen resoluutio 2,4 mω. Näin korkeaa resoluutiota voidaan käyttää esimerkiksi oikosulun paikallistamisessa, mutta mittauksen absoluuttinen arvo on lähinnä viitteellinen, johtuen vahvistinpiirin offsetin matalan taajuuden vaihteluista. III. PIIRILEVYN SUUNNITTELU Herkän analogielektroniikan suunnittelussa komponenttiasettelulla ja huolellisella piirilevysuunnittelulla on suuri merkitys. Erityisiä haasteita suunnittelulle toi rajoitus kahden kerroksen piirilevyihin, jolloin hyvän yhtenäisen maan saaminen koko piirilevyn alueelle oli haasteellista. Piirilevy, joka on esitetty kuvassa 4 jaettiin analogi- ja digitaaliosioihin, jolloin digitaalisista piireistä tuleva korkeataajuinen kohina pyrittiin pitämään pois mittakortin analogiosiolta. Piirilevyosiot on jaettu maatason avauksella. Parhaaksi tekniikaksi havaittiin maatasojen yhdistäminen yhdessä pisteessä mittajänniteregulaattorin alla, jonka vieressä myös AD-muunnin sijaitsee. Tästä pisteestä oli mahdollista vetää mahdollisimman yhtenäinen ja kortin molemmilla puolilla kulkeva maataso akkuliittimelle asti käyttäen läpivientirasteria. Tällä vältyttiin edeltävissä prototyypeissä ilmenneiltä maatasovirheiltä. Piirilevyn suunnittelussa kiinnitettiin erityistä huomiota vuotovirtojen välttämiseen. Esimerkiksi kaikkien mittauksen tarkkuuden kannalta tärkeimpien vastusten ympäri on jätetty maatasoa estämään vuotovirrat viereisistä johtimista. Vastusten alle on myös tehty avaus juotteenestopinnoitteeseen, jolloin kokoonpanoprosessissa piirilevyn pinnalle mahdollisesti jäävät johtavat suolot olisivat varmasti maapotentiaalissa. Tämä estää virran johtumisen komponenttien alla piirilevyn pintaa pitkin ja vähentää esimerkiksi kosteudesta aiheutuvia impedanssitason muutoksia. Mikäli johtimessa kulkeva signaali taas on peräisin korkeaimpedanssisesta lähteestä, ongelmana on, että signaali voi vuotaa maahan ja vaimentua odottamattomasti. Tällainen tilanne tulisi kyseeseen lähinnä, kun mitataan erittäin korkeita yli 10 MΩ vastuksia. Käytännössä vuotovirtojen riski pakottaa myös käyttämään operaatiovahvistinpiireis-

5 Taulukko I KÄYTETYN DSP-PROSESSORIN TÄRKEIMMÄT OMINAISUUDET [3] Prosessori Arkkitehtuuri RAM-muistia Flash-muistia AD-muunnin DMA PWM Matematiikka Virrankulutus Microchip dspic33fj128gp804 16-bittinen, Muunneltu Harward, DSP 16 KB 128 KB 500 Ksps, 12-bit 1,1 Msps, 10-bit ±2 LSb max. signaalin epälineaarisuus 2 KB-DMA muisti, 8 eri DMA-kanavaa, DMA-siirto ei pysäytä prosessoria 16-bitin tarkkuus, järjestelmän kellotaajuus 16 x 16 kerroin operaatiot 32/16 ja 16/16 jako-operaatiot MAC - Jakaa muuttujan sekä summaa yhdellä kellojaksolla 70 ma @ 40 MHz IV. OHJELMISTOT Kuva 4. Piirilevyn analogiosion alareunassa näkyy pinsetin kiinnityskohta. Analogimaa kulkee pitkin piirilevyn vasenta laitaa vältellen digitaalisia piirejä aina akun liittimelle asti, jossa analogi ja digitaalimaa yhdistyy. Tämä raja näkyy kuvassa valkoisella viivalla piirilevyn pinnassa. A. Mittalaitteen prosessorin reaaliaikaohjelmisto Laitteen pääprosessoriksi valittiin Microchipin valmistama 16-bittinen DSP, jonka tärkeimmät ominaisuudet on esitetty taulukossa I. Prosessorin Harward-arkkitehtuuri ja erillinen kaksiporttinen DMA-muisti mahdollistaa mittausdatan reaaliaikaisen käsittelyn näytteenoton aikana. Ohjelmiston vuokaavio on esitetty kuvassa 5. Laitteistolle kirjoitettu ohjelmisto hyödyntääkin merkittävästi DMA-siirtoa sekä automatisoidussa näytteenotossa että datan lähetyksessä ulos kuten edellä sä suuria pakkauskokoja, kun pienemmissä QFN-paketeissa ei ole tilaa suojamaan käyttöön komponentin jalkojen ympärillä. mainitusta vuokaaviosta nähdään. Tällä tavalla itse prosessorin kapasiteetti on käytettävissä datan analysointiin, kuten datan muuntamiseen kommunikaatiota varten ja reaaliaikaiseen Passiivikomponenteissa käytännössä 0402 oli sopivin pakkaus valinta suhteessa kokoon, hintaan ja toleransseihin. Pienemmissä 0201 komponenteissa on käytetty yleisesti metalliohutkalvovastuksien sijaan paksukalvotekniikkaa, jolla on huomattavasti suurempi terminen kohina ja merkittävä 1/f - kohinakomponentti, joka johtuu kalvon muodostavien rakeiden hitaasta liikehdinnästä. Metalliohutkalvovastusten toleranssit ovat myös yleensä paremmat ja resistanssin lämpötilariippuvuus alhaisempi. korjauskertoimien laskentaan tuleville datapisteille. Prosessorin kapasiteetti riittää esimerkiksi FFT-muunnoksen reaaliaikaiseen tekoon oskilloskooppitilassa ilman käyttäjälle näkyviä viiveitä. Tämä vähentää myös Bluetooth-rajapinnan yli lähetettävän datan määrää, kun koko raakadataa ei tarvitse lähettää älypuhelimessa tai tabletissa toimivaan Android-ohjelmistoon. B. Näyttölaitteenohjelmisto Älypuhelimella tai tablettitietokoneella toimivan Androidohjelmiston vuokaavio on esitetty kuvssa 6. Bluetooth-

6 ADC-moduuli DMA0 Katkoviivalla tapahtuvat siirrot toimivat taustalla, eivätkä vaadi prosesoriaikaa. Mittasilmukka signaalikäsittely Oskilloskooppi RCL-mittaus Tasajännitemittaus (Spektrianalyysi) ja DMA1 UART/Bluetooth Akun tila Virranhallinta Jännite offset Asetukset Käynnistysskripti Asetusmuutokset Moduulien alustus Kuva 5. Sulautetun ohjelmiston vuokaavio. rajapinnalta vastaanotettu data luetaan ja siitä tunnistetaan, minkä mittaustilan dataa DSP lähettää. Ohjelma varmistaa myös, että käyttäjä on Android-ohjelmassa samassa mittaustilassa, jossa DSP on. Mikäli vastaantotettu data ei vastaa muodoltaan nykyistä ohjelmiston tilaa, ei tehdä mitään vaan jäädään odottamaan oikean tyyppisiä datapaketteja. Itse datasta ei tehdä mitään oletuksia, vaan lähettävän osapuolen täytyy reaaliajassa muuntaa mitattava data SI-yksiköihin. Tämä mahdollistaa ohjelmiston käytön myös muihin tarkoituksiin, sillä jännitteen sijasta voidaan lähettää esimerkiksi lämpötila, kosteus tai tuulimittauksia, eikä android ohjelmistoon tarvitse tehdä muutoksia. Mittaustulos voidaan esittää graafisena tai puhtaana numeroarvona. Kun oikean tyyppistä dataa on saatu, ohjelma kirjoittaa vastaanotetun mittausdatan sen tyyppiä vastaavaan puskuriin varsinaista esittämistä varten. Riippuen mittaustilasta ja asetuksista, raakadatalle suoritetaan vielä skaalaus-, korjaus-, ja laskentaoperaatioita, ennen kuin se esitetään käyttäjälle. Esimerkiksi RCL- sekä tasajännitemittaustilassa mittatulokset skaalataan järkevään kerrannaisyksikköön. Lisäksi oskilloskooppitilassa mittausdatasta voidaan muun muassa laskea aritmeettinen keskiarvo ja näyttää se käyrän piirron ohella käyttäjälle. Bluetooth-rajapinnalle lähetetty data pitää sisällään muun muassa käyttäjän asettamia asetuksia. Rajapinnan yli DSP:lle lähetetään esimerkiksi tieto siitä, missä mittaustilassa käyttäjä Android-päätelaitteellaan on, jotta DSP tietää siirtyä vastaavaan mittaustilaan ja lähettää takaisin oikeanlaista mittausdataa. Bluetooth-rajapinnan yli olevaan kommunikaatioon ei toteutettu erillistä kättely- tai kuittaustoteutusta. Tuotekehityksen aikana sille ei löydetty suurta tarvetta. Toisaalta valmiissa tuotteessa kättelymekanismi voisi parantaa toimintavarmuutta, mikäli radioliikenne on kohinaista tai signaalitasot heikot. Kättely kuitenkin lisää latensseja ja lähetettävän datan määrää, joita yritettiin kommunikaatioprotokollaa tehdessä minimoida. Kuvassa 7 on esitetty kuvankaappaus käyttäjärajapinnasta,

7 kun käyttäjä on valinnut oskilloskooppitilan. Näyttöön on lisätty myös signaalin aritmeettinen keskiarvo, sekä maksimi ja Bluetooth-palvelu minimiarvojen esitys. Kuvassa 8 puolestaan on esitetty RCL-mittaustila, jossa esitetään kaikki mitattavissa olevat parametrit. Mikäli jotain parametria ei saada mitattua tai se on nolla, ilmoitetaan siitä käyttäjälle korvaamalla numeroarvo kolmella viivalla. Kuvissa 7 ja 8 oikeassa reunassa olevilla napeilla ohjataan Android-ohjelman toimintaa. Tasajännitemittaustila on esitykseltään lähes identtinen RCL-mittaustilan kanssa. Tilakone Oskilloskooppi RCL-mittaus Tasajännitemittaus Datan esitys Asetukset V. TESTITULOKSET Laitteen suorituskykyä mitattiin vertaamalla mittaustuloksia National Instruments:in valmistamaan PXI-4065 6,5- merkitsevän numeron digitaaliseen yleismittariin. Jännitemittauksissa käytettiin signaaligeneraattorina Rigolin valmistamaa DG-4062 16-bit satunnaissignaaligeneraattoria. Mittasignaali syötettiin laitteeseen suoraan koaksiaalikaapelia käyttäen, jotta toimistoympäristöstä ei tulisi merkittävää kohinaa mittaukseen. Mahdolliset mittaukseen vaikuttavat maasilmukat pyrittiin estämään käyttämällä kaikkia laitteita UPS-järjestelmän akulla. Myös itse mittakortti sai käyttövirran kyseisestä akusta. Kuvissa 9 ja 10 on esitetty mitatut DC-jännitteet ja kuvassa 11 taas näiden suhteellinen ero referenssistä. Tutkittu yksi- Käyttöliittymä Kuva 6. Android-ohjelmiston vuokaavio. lö kykeni siis prosentin mittausvirheeseen koko alueella, kun Kuva 7. Kuvakaappaus Android-ohjelmiston oskilloskooppitilasta. tutkittavana on tasajännitekomponentti ja ohjelmiston annetaan automaattisesti valita oikea jännitealue. Kun androidohjelmistossa käyttäjä asettaa ruudukon kooksi 0.5 V/DIV ja jolloin maksimi jännite on 2.5V, siirrytään automaatisesti käyttämään tarkempaa jännitealuetta. Kun mahdollisia häiriölähteitä tutkittiin, havaittiin, että vaimennetussa signaalissa suurimman ongelman tuottaa jänniteoffsetin luova piiri, jonka ulostulo ei pääse tarpeeksi lähelle nollaa ja jonka offsetilla on lisäksi hyvin matalien taajuuk- Kuva 8. Kuvakaappaus Android-ohjelmiston RCL-mittaustilasta.

8 ei absoluuttisesti pystyttykkään määrittämään. sien 1/f komponentti. Kun tämän jälkeen käytetään taas vahvistusta, siirtyy tämä virtuaalisen nollatason huojunta kymmenkertaisena mittatulokseen. Ratkaisu tähän olisi lisätä piiriin negatiivinen jännitelähde, jolloin vahvistimet saavuttaisivat puhtaasti nollan ja niiden jännite offset olisi merkityksetön 12-bitin tarkkuudella. Kuvasta 10 nähdään, että kun ei käytetä oskilloskoopin sisääntuloa vaan vaimentamatonta piensignaali sisääntuloa, päästään huomattavasti parempiin tarkkuuksiin. Tässä tapauksessa mittatarkkuus rajoittuu pienillä alle 100 mv signaaleilla offsetin kalibroinnin tarkkuuteen, ja toisaalta tätä suuremmilla arvoilla AD-muuntimen sisäiseen epälineaarisuuteen, joka on noin 0,25 % ja maksimissaan 0,4 %. Resistanssimittauksen tarkkuus on esitetty kuvassa 12. Resistanssimittauksessa suurimmat virheet muodostuvat selvästi piensignaalimittapiirin jännitemittaustarkkuudesta, joka oli esitetty edellä, sekä mittaresistorien tarkkuudesta. Näistä saadaan jo yhdessä laskettua, kun lämpötilan vaikutus otetaan huomiooon noin X = x 2 res + x 2 kytkin + x ADC + x temp (4) = 0, 001 2 + 0, 002 2 + 0, 0025 2 + 0, 0025 2 = 0, 42% Laskennallinen tarkkuus on hyvin lähellä mitattuja arvoja. Pienillä ja hyvin suurilla vastusten arvoilla tarkkuus pienenee, sillä AD-muuntimen resoluutio alkaa olla heikko. Kaikkein yleisimmin käytetyillä vastusten arvoilla voidaan hyvinkin saavuttaa luotettavasti alle prosentin mittausvirhe. Kondensaattorien mittauksen tarkkuutta ei pystytty verifioimaan, sillä käytössä ei ollut laitetta, jonka suhteellinen tarkkuus olisi riittävä kalibroinnin suorittamiseen. Laitteella kuitenkin mitattiin useita kondensaattorikokoja, ja saadut arvot olivat aina valmistajan antamien toleranssien sisällä, riippumatta siitä oliko ilmoitettu tarkkuus 5 % tai 10 %. Voidaan siis olettaa, että mittatarkkuus on vähintään 10% vaikka sitä VI. KESKUSTELUA Suuniteltu laite kykenee toteuttamaan sille asetetut vaatimukset, eli lähinnä komponenttiarvojen nopean määrittämisen, tarkan tasajännitemittauksen ja referenssinä toimivan oskilloskooppimittauksen. Laitetta on helppo käyttää ja puhelimella toimiva ohjelmisto on huomattava parannus yleismittareiden kehnoihin näyttöihin. Laitteen tarkkuus ei ehkä kaikissa luokissa ole vielä tyydyttävä, mutta mittalaitteen komponentit maksavat tällä hetkellä noin $40 tuhannen kappaleen erässä. Tästä noin $20 kuluu Bluetooth-moduuliin sekä prosessoriin. Oskilloskooppimittauksen rajoittava tekijä lienee langattoman datasiirron maksiminopeus, joka on 115 200 b/s tai 921 600 b/s, riippuen käytetystä Bluetooth-moduulista ja puhelimesta. Mikäli näytenopeutta kasvatetaan merkittävästi, joudutaan samalla joko kasvattamaan mittakortin oman muistin määrää, tai siirtymään muihin langattomiin ratkaisuihin, jotta datamäärä pystytään käsittelemään kohtuullisessa ajassa. Voisi olla kiinnostavaa hyödyntää akullisen työkalun potentiaalia 16-bittisellä AD-muuntimella. Johtuen valitusta kommunikaatioprotokollasta, tämä ei lisäisi lähetettävän datan määrää lainkaan. Lisäksi usein 16-bittiset mittalaitteet ovat näytteistystaajuudeltaan hitaita, jolloin tiedon siirto ei jää välttämättä enää pullonkaulaksi. Siirtyminen tarkempiin ADmuunnoksiin kuitenkin tarkoittaa samalla pakollisia negatiivisia jännitteitä ja vähintään nelikerrospiirilevyä, jotta todellinen tarkkuus voi parantua. Pelkästään lisäämällä negatiivinen jännitelähde, voidaan tehdä suuri parannus DC-tason tarkkuuteen ja sitä myöten parantaa kaikkien mittaustilojen tarkkuutta. RCL-piirin tarkkuutta voidaan myöskin lisätä käyttämällä suhteellisen halpaa ja hidasta 24-bittistä delta-sigma ADmuunninta. Resoluutio pienillä ja erittäin suurilla vastusarvoilla saadaan sillä hyvin korkeaksi. Toisaalta kondensaattorimittauksessa näytteistyksen ajoituksen tarkkuus on niin suuri, että

9 Mitattu jännite dbv 20 0 20 40 Mittakortti 10X PXI-4065 40 30 20 10 0 10 20 Mitattava signaali (DG-4062) Kuva 9. DC-mittaus käyttäen 20 dbv vaimennusta. Suhteellinen mittausvirhe prosentteina 2 Probe 10X 1.5 1 0.5 0 0.5 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 Resistanssi mitattuna PXI-4065 Kuva 12. Resistanssimittauksen tarkkuus, kun tuloksia verrataan PXI-4065 yleismittamoduulin lukemiin, joiden tyypillinen virhe on alle 100 ppm. Mitattu jännite dbv 0 20 40 Mittakortti 1X PXI-4065 40 30 20 10 0 10 Kuva 10. DC-mittaus ilman vaimennusta Suhteellinen virhe prosentteina 2 1 0 1 Mitattava signaali (DG-4062) Mittakortti 10X Mittakortti 1X 0 2 4 6 8 Mitattava signaali (DG-4062) Kuva 11. DC-mittauksen tarkkuus, kun referenssinä käytetään PXI-4065 mittamoduulin arvoja, joiden tyypillinen virhe on alle 70 ppm. 24-bittinen jännitearvon mittaus lisäisi tarkkuutta merkittävästi. Myös kunnollinen 16-bittinen muunnin olisi tässä suhteessa jo suuri parannus nykyiseen 12-bittiseen muuntimeen, jonka sisäinen vahvistusvirhe ja offset käytännössä nyt asettavat rajan piirin tarkkuudelle. Induktanssimittaus ei tosin näilläkään konsteilla tule kovinkaan hyväksi, vaan sen mittaukseen tarvittaisiin aivan uusi lähestymistapa. Tälläinen voisi olla esimerkiksi oskillaattoripiiri, johon tuntematon kela kytketään. Piirin taajuuden muutoksista pystyttäisiin tuolloin ratkaisemaan tuntemattoman kelan arvo hyvinkin tarkasti, kun prosessori toimii korkealla taajuudella ja laadukkaalla oskillaattorilla. Tämän tyyppinen piiri tarvitsee paljon korkealuokkaisia kytkimiä, joilla kontrolloidaan eri testikuormia, ja on siksi hyvin hankala toteuttaa pienessä koossa. VII. JOHTOPÄÄTÖKSET Tässä työssä esiteltiin langaton pinsettimallinen yleismittari ja oskilloskooppi. Hanketta voidaan pitää onnistuneena, kun tarkoituksena oli tuottaa laite, jota voidaan käyttää komponenttien lajitteluun ja niiden arvojen varmistukseen. Laitteella saavutetaan myös kohtuullinen kahden tai kolmen tunnin käyttöaika riippuen mittaustyypistä. Tämä on varsin riittävä prototyyppien rakentelussa. Toiminta-aikaa voi myös jatkaa käyttä-

10 mällä laitetta USB kaapelilla. Tarkoituksena oli saada riittävän tarkka mittaustulos kätevästi ja nopeasti ja siinä projektissa onnistuttiin. Laitteesta saatiin myös niin pieni ja kevyt, ettei se häiritse, vaikka laitetta käytettäisiin pidempiäkin aikoja. VIITTEET [1] H. Alemdar, C. Ersoy, ": A survey", "Computer Networks", vol. 54, s. 2688-2710, 2010. [2] M. Kovatsch, M. Weiss, D. Guinard. "Embedding internet technology for home automation." Emerging Technologies and Factory Automation (ETFA), 2010 IEEE Conference on. IEEE, 2010 [3] Microchip dspic33fj128gp804 datasheet [4] National Instruments PXI-4065 datasheet [5] Rigol DG-4062 datasheet