Multimeter & Räknare

Transkript

1 Multimeter & Räknare LARS WALLMAN, BIOMEDICINSK TEKNIK Läsanvisningar Kap. 2.2 Standardavvikelse, s Kap. 3.1 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

2 Multimeter Multimeter - bakgrund Numera nästan alltid digitala Klarar av att mäta många storheter Mäter t ex spänning, resistans, ström, kortslutning, temperatur mm. Handhållen, billig med lägre noggrannhet Stationär - bänkmultimeter, dyr med hög noggrannhet 2

3 Multimeter - instrument HP bänkmultimeter Hög noggrannhet Datorkommunikation Fluke 77 el 75 handhållen multimeter Billig, enkel, låg upplösning, enklare att ha i fickan Begrepp V 0V Vp Vos Vpp t Vp: Toppvärde Vpp: Topp till toppvärde V RMS : Effektivvärde = Vp/ 2 0,71 Vp (sinus) V: Likriktat medelvärde = 2Vp/ 0,64 Vp (sinus) Vos: Offset: Överlagrad likspänning 3

4 Multimeter - blockschema Flash-omvandlare Ej tillräcklig upplösning för multimeter i praktiken 4

5 Integrerande omvandlare Mätvärdet erhålls i instrumentet som ett tidsmått Integrerande omvandlare 5

6 Multimeter Upplösning Ex. Handhållen multimeter 3 ½ siffror Visar värden mellan , decimalkomma på lämplig plats. Motsvarar 12 bitar AV omv. Ex. Bänkmultimeter 6 ½ siffror Visar värden mellan , decimalkomma på lämplig plats. Motsvarar 22 bitar AD omv. Multimeter - bakgrund Viktigt att veta vad mätinstrumentet har för inre resistans - för att avgöra om mätvärdet riskerar att påverkas. Vilken mätprincip använder instrumentet? Hur påverkar mätinställningarna noggrannheten? 6

7 Multimeter inre resistans Spänningsmätning Parallellt med spänningskällan» Hög inre resistans nödvändig, typ MΩ» För låg resistans påverkar uppmätt spänning genom spänningsdelning mätfel Instrumentets inre resistans ger ca 5% lägre värde på spänningen över 500 k resistorn Multimeter inre resistans Strömmätning I serie med strömkällan» Låg inre resistans nödvändig, typ 0,1 100 Ω» För hög resistans påverkar strömmen i kretsen mätfel Instrumentets inre resistans ger ca 1% lägre värde på strömmen 7

8 Multimeter - mätmetoder En multimeter mäter alltid likspänning För att mäta växelspänning, ström och resistans måste dessa konverteras till en DCspänning först Multimeter växelspänningsmätning Växelspänning omvandlas genom likriktning. 16 8

9 Multimeter - växelspänning Vanligaste omvandlingssättet helvågslikriktning. Alla negativa perioder vänds till positiva istället. Likriktat medelvärde: Oftast inte intressant i sig U 1 T T 0 U dt t Multimeter - växelspänning Effektivvärdet mest intressant Den växelspänning som utvecklar samma effekt i en komponent som en likspänning med samma storlek. U 2 EFF 1 T T 0 U 2 ( t) dt 9

10 Multimeter - växelspänning Formfaktorn och toppfaktorn beskriver hur amplituden förhåller sig till effektivvärdet. formfaktorn U U EFF toppfaktorn Uˆ U EFF 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 10

11 Multimeter - växelspänning Multimeter - växelspänning Effektivvärdet 11

12 Multimeter - strömmätning Viktigt att R inte är stort för att undvika att påverka kretsen man mäter på. Multimeter - resistansmätning Två olika metoder att omvandla en resistans till en spänning Konstantströmmetoden Kvotmetoden 12

13 Multimeter - resistansmätning Konstantströmmetoden Kvotmetoden Multimeter - resistansmätning Tvåtrådsmätning Fyrtrådsmätning 13

14 Multimeter - mätosäkerhet Anges normalt i specifikationen som: ± (% av avläst värde + antal steg i minst signifikant siffra) Ex. Fluke 77 Avläst värde på 320 området (Upplösning 0.1 ): 95,3 Osäkerhet: ± (0,5% av 95,3 + 2 x 0,1) ± (0,48 + 0,2) ± 0,7 Multimeter mätosäkerhet Kalibrering Kom ihåg att instrument specifikationer gäller under en viss tid som anges av tillverkaren, t ex upp till ett år. För att säkerställa att specifikationerna uppfylls och för att minimera mätfelen måste instrumenten kalibreras regelbundet. Hur ofta beror på tillämpningen. För utveckling, produktion och underhåll av medicinteknisk utrustning krävs normalt kalibrering minst en gång per år eller oftare, beroende på riskanalys och de rutiner som utnyttjas för kvalitets säkring. 14

15 Multimeter - störningar Integrerande AD-omvandling vanlig Styrning av integrationstiden möjliggör undertryckning av störning Alla frekvenser med ett helt antal våglängder inom integrationstiden kommer undertryckas. Ex 50 Hz 20 ms periodtid. Störningsundertryckning - Integrerande omvandlare T REF väljs till en heltalsmultipel av periodtiden på den störning man vill undertrycka! 15

16 Störnings-undertryckning - Integrerande omvandlare SMRR Series Mode Rejection Ratio 50 Hz Störnings-undertryckning - Integrerande omvandlare Integrationstiden i instrumentet påverkas av vald upplösning (antal siffror) 16

17 Räknare varför? Ex. Givare som ger frekvens som utsignal Quartz Crystal Microbalance QCM Biokemisk sensor Varvtalsgivare, induktiv Massan från molekyler som belastar påverkar resonanfrekvensen Utsignalfrekvens proportionell mot varvtal Ex. Övervakning av pumpar i dialysmaskiner d technology/ Räknare - varför Ett oscilloskop har normalt 3 4 siffors noggrannhet som bäst En räknare kan ha upp till 9 siffor 17

18 Räknare - frekvens Frekvens anger hur många gånger en signal repeteras per sekund. Periodtidens inverterade värde, f = 1/T = N/TN Periodtid för två olika signaler Räknare - puls 18

19 Räknare - konventionell Mäter antalet ingångscykler N under en viss mättid, typiskt 1 sekund. Fyrkantspuls Räknare - upplösning Mätosäkerhet då man kan få med delar av perioder, ± 1 insignalscykel (relativt fel). Kvantiseringsfel (absolut fel) = 1 / Mättiden 10 sekunder ger t. ex. upplösningen 1/10= 0.1 Hz 19

20 Räknare - tidmätning Genom att byta plats på ingångsteget och oscillatorn får man en tidräknare. Räknare - reciprok Klarar av att mäta frekvens enligt f = N / TN 2 separata räknarsteg som ser till att mäta över ett helt antal perioder 20

21 Räknare - upplösning Hög upplösning även vid låga frekvenser Relativa felet är nu ± 1 klockcykel men det absoluta felet är oförändrat Räknare - interpolation Genom att hålla koll på var i klockpulserna man startar mätningen kan man få ännu högre noggrannhet En interpolatorkrets mäter fasläget på klockpulsen 21

22 Räknare - tidmätning Räknare - tidintervall SR vippa öppnar och stänger OCH grinden 22

23 Räknare - tidintervall Ingen synkning av start/stop och klockan ger en upplösning som är 1 klockpuls 10 MHz tidbasoscillator => 100 ns upplösning Räknare tidmätning Mätosäkerhet på ± 1 klockcykel För att höja noggrannheten kan man Öka klockfrekvensen Interpolera Använda medelvärdesbildning 23

24 Räknare - ingångssteg 1 M, frekvensberoende ok för < 100 MHz mindre belastning på objektet x1 eller x10 Frekvensoberoende dämpning 50 för HF system Räknare - ingångssteg AC kopplingskondensator Vars kapacitans bestämmer den undre gränsfrekvensen för ingången, vanligen Hz Övre gränsfrekvens ofta khz reducerar brus Det dynamiska området är typiskt 5V / +5V. Kan gå upptill 50 /+50V med 10x dämpningen. Över det kapar dioderna topparna för att skydda instrumentet. 24

25 Räknare - komparatorn Jämför insignalen med en triggnivå och slår om när triggnivån passeras Räknaren - hysteresband Skillnaden mellan triggpunkten och återställningspunkten kallas hysteresband 25

26 Räknare - hysteresband Smalt Brett Hysteresbandets förhållande till insignalen kan varieras genom en ställbar komparator eller genom att dämpa insignalen. Lågpassfilter samt ställbar hysteres => bra brusundertryckning 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 26

27 Räknare - triggnivå Räknare - skillnader Skillnader mellan tid och frekvensmätningar 27

28 Tidbasoscillatorn Vanligast är kvartskristall (SiO 2 ) Bygger på piezoelektrisk effekt Resonansfrekvensen beror bl.a. tjockleken, ytan och massan Problem; åldring, gravitation, stötar Tidbasoscillatorn Tre olika typer av kristalloscillatorer för olika krav Standardoscillatorer (UCXO = uncompensated x tal oscillator) 10 ppm frekvensändring 0 50 C (ca 100Hz) Temperaturkompenserade oscillatorer (TCXO) en termistor styr en fintrimmningskondensator 1 ppm frekvensändring 0 50 C (ca 10Hz) Ugnsstabiliserade oscillatorer (OCXO) kristallen sitter i ett hölje/ugn som hålls vid konstant temperatur (70 C ± 0,01 ) av effekttransistorer 0,1 0,002 ppm frekvensändring 0 50 C (ca 1 0,02 Hz) 28

29 Mätosäkerheten De vanligaste osäkerhetsfaktorerna för frekvens och tidintervallmätning är: Mätningens upplösning Triggerfel p.g.a. brus Tidbasoscillatorns osäkerhet Triggerpunktens inställningsosäkerhet Skillnader mellan ingångskanaler 29