Multimeter och räknare AD-omvandling. Multimeter

Transkript

1 Multimeter och räknare AD-omvandling 1 Multimeter 2 1

2 Praktiskt prov E:1325 Tre stationer för övning Anmälan på lista 3 Upplägg Multimeter Grundprincip Inre resistans Spänningsmätning Resistansmätning Strömmätning Räknare Grundprincip Konventionell räknare Reciprok räknare Mätmetoder Upplösning Lite information kring laborationen 4 2

3 Begrepp Vp: Toppvärde Vpp: Topp till toppvärde V RMS : Effektivvärde V: Likriktat medelvärde Offset: Överlagrad likspänning 5 Multimeter - blockschema 6 3

4 Multimeter 7 AD-omvandling U A D 0, 1 0, 1 0, 1 0, 1 8 4

5 Binära tal BCD-kod, Binary Coded Decimal Gray-kod

6 Gray-kod 11 Flash-omvandlare 12 6

7 Integrerande omvandlare 13 Integrerande omvandlare 14 7

8 Successiv approximation 15 Successiv approximation 16 8

9 Sample and hold 17 Jämförelse 18 9

10 DA-omvandling 19 Multimeter - bakgrund Klarar av att mäta många storheter Numera nästan alltid digitala Mäter spänning, resistans, ström, kortslutning, temperatur mm. Handhållen, billig med låg noggrannhet Stationär, dyr med hög noggrannhet 20 10

11 Multimeter - instrument HP 3478 bänkmultimeter Hög noggrannhet, GPIB-möjligheter Fluke 75 handhållen multimeter Billig, enkel, låg upplösning, enklare att ha i fickan 21 Multimeter - bakgrund Viktigt att veta vad mätinstrumentet har för inre resistans. Vilken mätprincip använder instrumentet? Hur påverkar mätinställningarna noggrannheten? 22 11

12 Multimeter inre resistans Spänningsmätning Hög inre resistans Låg resistans ger spänningsdelning mätfel Strömmätning Låg inre resistans Hög resistans påverkar strömmen i kretsen 23 Multimeter - blockschema 24 12

13 Multimeter - mätmetoder För att mäta ström, resistans och växelspänning måste dessa konvertas till en DC-spänning först 25 Multimeter - resistansmätning Två olika metoder att omvandla en resistans till en spänning Konstantströmmetoden Kvotmetoden 26 13

14 Multimeter - resistansmätning Konstantströmmetoden Kvotmetoden 27 Multimeter - resistansmätning Tvåtrådsmätning Fyrtrådsmätning 28 14

15 Multimeter - instrument HP 3478 bänkmultimeter Hög noggrannhet, GPIB-möjligheter Fluke 75 handhållen multimeter Billig, enkel, låg upplösning, enklare att ha i fickan 29 Multimeter - strömmätning Viktigt att R inte är stort för att undvika att påverka kretsen man mäter på

16 Multimeter - spänningsmätning En multimeter mäter alltid likspänning. Andra storheter omvandlas till likspänning innan mätning Växelspänning kan omvandlas på ett par olika sätt. 31 Multimeter - växelspänning Vanligaste omvandlingssättet helvågslikriktning. Alla negativa perioder vänds till positiva istället. Likriktat medelvärde: U Oftast inte intressant i sig 1 = T T! 0 U( t)dt 32 16

17 Likriktare 33 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 34 17

18 Multimeter - växelspänning Formfaktorn och toppfaktorn beskriver hur amplituden förhåller sig till effektivvärdet. formfaktorn U = U EFF toppfaktorn = Uˆ U EFF 35 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 36 18

19 Multimeter - växelspänning Effektivvärdet 37 Jämförelse 38 19

20 Integrerande omvandlare 39 Multimeter - störningar Integrerande AD-omvandling vanlig Styrning av integrationstiden möjliggör undertryckning av störning Alla frekvenser med ett helt antal våglängder inom integrationstiden kommer undertryckas 40 20

21 Räknare - varför Ett oscilloskop har normalt 3 4 siffors noggrannhet som bäst En räknare kan ha upp till 9 siffor 41 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 42 21

22 Räknare - puls 43 Räknare - konventionell Mäter antalet ingångscykler N under en viss mättid, typiskt 1 sekund. Fyrkantspuls 44 22

23 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 45 Räknare - tidmätning Genom att byta plats på ingångsteget och oscillatorn får man en tidräknare

24 Räknare - reciprok Klarar av att mäta frekvens enligt f = N / TN 2 separata räknarsteg som ser till att mäta över ett helt antal perioder 47 Räknare - upplösning Hög upplösning även vid låga frekvenser Relativa felet är nu ± 1 klockcykel men det absoluta felet är oförändrat 48 24

25 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 49 Räknare - tidmätning 50 25

26 Räknare - tidintervall SR-vippa öppnar och stänger OCH-grinden 51 Räknare - tidintervall Ingen synkning av start/stop och klockan ger en upplösning som är 1 klockpuls 10 MHz tidbasoscillator => 100 ns upplösning 52 26

27 Räknare tidmätning Mätosäkerhet på ± 1 klockcykel För att höja noggrannheten kan man Öka klockfrekvensen Interpolera Använda medelvärdesbildning 53 Räknare - ingångssteg 1 MΩ, frekvensberoende ok för < 100 MHz mindre belastning på objektet x1 eller x10 Frekvensoberoende dämpning 50 Ω för HF system 54 27

28 Räknare - ingångssteg Övre gränsfrekvens AC-kopplingskondensator ofta khz Vars kapacitans reducerar brus bestämmer den undre gränsfrekvensen för ingången, vanligen Hz Det dynamiska området är typiskt -5V / +5V. Kan gå upptill -50 /+50V med 10x dämpningen. Över det kapar dioderna topparna för att skydda instrumentet. 55 Räknare - komparatorn Jämför inssignalen med en triggnivå och slår om när triggnivån passeras 56 28

29 Räknaren - hysteresband Skillnaden mellan triggpunkten och återställningspunkten kallas hysteresband 57 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 58 29

30 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 59 Räknare - triggnivå 60 30

31 Räknare - skillnader Skillnader mellan tid och frekvensmätningar 61 Tidbasoscillatorn Vanligast är kvartskristall (SiO 2 ) Bygger på piezoelektrisk effekt Resonansfrekvensen beror bl.a. tjockleken, ytan och massan Problem; åldring, gravitation, stötar 62 31

32 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) 63 Mätosäkerheten De vanligaste osäkerhetsfaktorerna för frekvens- och tidintervallmätning är: Mätningens upplösning Triggerfel p.g.a. brus Tidbasoscillatorns osäkerhet Triggerpunktens inställningsosäkerhet Skillnader mellan ingångskanaler 64 32