Multimeter och räknare

Transkript

1 Multimeter och räknare Förberedelser Multimeter och räknare Inför laborationen: Skriv ut den här laborationshandledningen eller ladda ner den till dator/surfplatta (ej mobiltelefon) och ta med handledningen till laborationen. Läs igenom laborationshandledningen, förslagsvis appendix och förberedelseuppgifter först (finns längst bak i denna handledning) och därefter själva laborationsanvisningarna. Ta med miniräknare till laborationen. Läs i kursboken Elektronisk mätteknik: Kap. 2.2 Standardavvikelse, s Kap. 3. Allmänt om spänningsmätning, s Kap 3.3 Ingångssteget i en DVM/DMM, s Kap 3.4 Integrerande A/D-omvandling, s Kap Mätning av växelspänning/strömmar/resistans, s Kap 3.9 Speciella DMM-funktioner, s Kap s Kap Övriga mätfunktioner, styrning av mätförlopp samt mätosäkerhet, s Du skall känna till och kortfattat kunna beskriva: Likriktat medelvärde, effektivvärde och toppvärde Digital voltmeter Ingångsimpedans Integrerande A/D-omvandling och undertryckning av nätstörningar (50 Hz). Tvåtråds- och fyrtrådsmätning av resistans Konventionell och reciprok frekvensräknare De fem vanligaste mätfelsorsakerna vid frekvens- och tidintervallsmätning Påverkan av hysteresbandets bredd för triggerns känslighet och när olika bredd på hysteresband används Det s.k. ± felet vid frekvensmätning Relativ och absolut noggrannhet för konventionell och reciprok frekvensräknare Period- och tidintervallsmätare Stigtid, falltid, amplitud, periodtid, frekvens och pulslängd för en pulsliknande signal DC-kopplad resp. AC-kopplad ingång på frekvensräknare resp. periodtidsmätare För godkänd laboration krävs: Godkänt på de skriftliga förberedelsefrågorna. Godkänd laboration Godkänd rapport eller godkänd granskning av rapport 2 Upplägg Multimeter - instrument Multimeter Grundprincip Inre resistans Spänningsmätning Resistansmätning Strömmätning Räknare Grundprincip Konventionell räknare Reciprok räknare Mätmetoder Upplösning HP/Agilent 3440 bänkmultimeter Hög noggrannhet, GPIB 3 Fluke 75 / 77 handhållen multimeter Billig, enkel, låg upplösning, enklare att ha i fickan 4 Multimeter - blockschema Multimeter - ingångssteg 5 6

2 Operationsförstärkaren Den inverterande förstärkaren Icke-inverterande ingång Inverterande ingång Vout = ( V + V ) G V out = ( V G = + Vout G = V V + V = V + V ) G = 0 Ideal Operationsförstärkare: Oändlig förstärkning (G) Oändlig bandbredd (oändligt snabb) Oändlig inresistans (ingen ström genom + och -) Ingen utresistans (kan driva ström) V + = V - (eftersom V + i detta fall är kopplat till jord fås en virtuell jord vid V - ) I IN = 0 (oändlig inresistans, ingen ström flyter in i operationsförstärkaren)=> I = I 2 Vin = I V R in R, I =, Vout = I 2 R2, V out R2 = V R in Multimeter - ingångssteg Multimeter - blockschema 9 0 DC Integrerande A/D-omvandlare U x U ref T ref *U x = -T x *U ref U x = -T x *U ref /T ref Integratorn I några AD-omvandlare används en integrator Utsignalen från en integrator beror på tiden och insignalen En integrator kan implementeras med en OP-förstärkare och en kondensator Spänningen över kondensatorn kommer att vara lika med utspänningen Generellt för en kondensator gäller VC = C t 0 i( t) dt V out V out = ( V + = RC V ) G t 0 V dt in 2

3 Multimeter - störningar 3 4 Multimeter - störningar Andra A/D-omvandlare Integrerande AD-omvandling vanlig Styrning av integrationstiden möjliggör undertryckning av störning Alla frekvenser med ett helt antal våglängder inom integrationstiden kommer undertryckas Parallellomvandlare (Flash) Deltapulsmodulation Successiv approximation Spänning/frekvensomvandling etc 5 6 Multimeter - mätmetoder För att mäta ström, resistans och växelspänning måste dessa konverteras till en DC-spänning först Multimeter växelspänning AC A/D-omvandlaren mäter likspänning. Andra storheter måste omvandlas till likspänning innan mätning Växelspänning Peak topp Peak-peak topp-topp Average likriktat medelvärde RMS Root mean square - effektivvärde 7 8 3

4 Multimeter likriktat medelvärde Helvågslikriktning Multimeter effektivvärde RMS Effektivvärdet mest intressant Den växelspänning som utvecklar samma effekt i t.ex. en resistor som en likspänning med samma storlek. Likriktat medelvärde: Oftast inte intressant i sig U = T T 0 U ( t)dt Repetition, Ohms lag: P=U*I=U 2 /R 2 U EFF T = T U 2 (t)dt Multimeter - växelspänning Multimeter - växelspänning Hur mäter man effektivvärdet? Enkelt och billigt: Mät likriktat medelvärde och räkna om till effektivvärde mha formfaktorn Ger bara rätt värden för sinussignal Mer avancerade instrument: Mäter sant effektivvärde (true RMS) Formfaktorn och toppfaktorn beskriver hur amplituden förhåller sig till effektivvärdet. formfaktorn U = U EFF toppfaktorn = Uˆ U EFF 2 22 Multimeter - mätmetoder Multimeter - strömmätning För att mäta ström, resistans och växelspänning måste dessa konverteras till en DC-spänning först Viktigt att R inte är stort för att undvika att påverka kretsen man mäter på

5 Multimeter - strömmätning Viktigt att R inte är stort för att undvika att påverka kretsen man mäter på. Multimeter - mätmetoder För att mäta ström, resistans och växelspänning måste dessa konverteras till en DC-spänning först Multimeter - resistansmätning Två olika metoder att omvandla en resistans till en spänning Konstantströmmetoden Kvotmetoden Multimeter - resistansmätning Konstantströmmetoden Kvotmetoden Multimeter - resistansmätning Tvåtrådsmätning Multimeter - instrument HP/Agilent 3440 bänkmultimeter Hög noggrannhet, GPIB Fyrtrådsmätning 29 Fluke 75 / 77 handhållen multimeter Billig, enkel, låg upplösning, enklare att ha i fickan 30 5

6 Multimeter inre resistans Spänningsmätning Hög inre resistans Låg resistans ger spänningsdelning mätfel Multimeter - bakgrund Viktigt att veta vad mätinstrumentet har för inre resistans. Vilken mätprincip använder instrumentet? Hur påverkar mätinställningarna noggrannheten? Strömmätning Låg inre resistans Hög resistans påverkar strömmen i kretsen 3 32 Upplägg Räknare Multimeter Grundprincip Inre resistans Spänningsmätning Resistansmätning Strömmätning Räknare Grundprincip Konventionell räknare Reciprok räknare Mätmetoder Upplösning Frekvens Periodtid (/f) Tidmätning (T -T 2 ) Stigtid/falltid Pulslängd Avståndsmätning GPS Räknare - varför Ett oscilloskop har normalt 3 4 siffors noggrannhet som bäst En räknare kan ha upp till 9 siffor Räknare - frekvens Frekvens anger hur många gånger en signal repeteras per sekund. Periodtidens inverterade värde, f = /T = N/TN Periodtid för två olika signaler

7 Räknare - puls Räknare - konventionell Mäter antalet ingångscykler N under en viss mättid, typiskt sekund. Fyrkantspuls Konventionell frekvensräknare Okänd signal Räknare - upplösning Mätosäkerhet då man kan få med delar av perioder, ± insignalscykel (Kvantiseringsfel) Kvantiseringsfelet bestämmer mätningens upplösning Mättid 0 s ger absoluta upplösningen /0= 0. Hz Tidfönster s Räknare - tidmätning Räknare - reciprok Klarar av att mäta frekvens enligt f = N / TN 2 separata räknarsteg - mäter över helt antal perioder Genom att byta plats på ingångsteget och oscillatorn får man en tidräknare

8 Räknare - reciprok Räknare - upplösning Mätosäkerheten (Kvantiseringsfelet) är nu ± klockcykel vilket också är den absoluta upplösningen (00 ns) Relativa upplösningen är nu ± klockcykel/mättid Alltid n hela perioder av insignalen Mätningen är inte synkroniserad med klockpulserna! ibland räknas klockpulsperioder och ibland ej Räknare - interpolation Räknare - tidintervall Genom att hålla koll på var i klockpulserna man startar mätningen kan man få ännu högre noggrannhet En interpolatorkrets mäter fasläget på klockpulsen SR-vippa öppnar och stänger OCH-grinden Räknare - tidintervall Räknare tidmätning Mätosäkerhet på ± klockcykel För att höja noggrannheten kan man Öka klockfrekvensen Interpolera Använda medelvärdesbildning Ingen synkning av start/stop och klockan ger en upplösning som är klockpuls 0 MHz tidbasoscillator => 00 ns upplösning

9 Frekvensräknare HP533A Räknare - ingångssteg MΩ, frekvensberoende ok för < 00 MHz mindre belastning på objektet x eller x0 Frekvensoberoende dämpning 50 Ω för HF system Räknare - ingångssteg Räknare - komparatorn ACkopplingskondensator Vars kapacitans bestämmer den undre gränsfrekvensen för ingången, vanligen 0-50 Hz Det dynamiska området är typiskt -5V / +5V. Kan gå upptill -50 /+50V med 0x dämpningen. Över det kapar dioderna topparna för att skydda instrumentet. Övre gränsfrekvens ofta khz reducerar brus 5 Jämför insignalen med en triggernivå och slår om när triggernivån passeras 52 Räknaren - hysteresband Räknare - hysteresband Smalt Brett Skillnaden mellan triggpunkten och återställningspunkten kallas hysteresband Hysteresbandets förhållande till insignalen kan varieras genom en ställbar komparator eller genom att dämpa insignalen. Lågpassfilter samt ställbar hysteres => bra brusundertryckning

10 Räknare triggnivå Räknare - triggnivå Med AC-kopplingen ligger triggnivån på 0V och därmed ligger även hysteresbandet kring 0V. För en osymmetrisk signal kan därför triggvillkoret bli fel Räknare - skillnader Tidbasoscillatorn Vanligast är kvartskristall (SiO 2 ) Bygger på piezoelektrisk effekt Resonansfrekvensen beror bl.a. tjockleken, ytan och massan Problem; åldring, gravitation, stötar och retracing Skillnader mellan tid och frekvensmätningar Tidbasoscillatorn Tre olika typer av kristalloscillatorer för olika krav Standardoscillatorer (UCXO = uncompensated x-tal oscillator) 0 ppm frekvensändring 0-50 C (ca 00Hz) Temperaturkompenserade oscillatorer (TCXO) en termistor styr en fintrimmningskondensator ppm frekvensändring 0-50 C (ca 0Hz) Ugnsstabiliserade oscillatorer (OCXO) kristallen sitter i ett hölje/ugn som hålls vid konstant temperatur (70 C ± 0,0 ) av effekttransistorer 0,-0,002 ppm frekvensändring 0-50 C (ca -0,02 Hz) 59 Mätosäkerheten De vanligaste osäkerhetsfaktorerna för frekvens- och tidintervallmätning är: Mätningens upplösning Triggerfel p.g.a. brus Tidbasoscillatorns osäkerhet Triggerpunktens inställningsosäkerhet Skillnader mellan ingångskanaler 60 0