Multimeter och räknare Del 1: Multimetern 1 Multimeter 2 1
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 3 Multimeter - instrument HP 34401 bänkmultimeter Hög noggrannhet Datorkommunikation Fluke 77 el 75 handhållen multimeter Billig, enkel, låg upplösning, enklare att ha i fickan 4 2
Upplägg för föreläsningen Multimeter Grundprincip Inre resistans Spänningsmätning Strömmätning Resistansmätning 5 V Begrepp Vp Vpp 0V Vos t Vp: Toppvärde Vpp: Topp till toppvärde V RMS : Effektivvärde = Vp/ 2 0,71 Vp (sinus) V: Likriktat medelvärde = 2Vp/π 0,64 Vp (sinus) Vos: Offset: Överlagrad likspänning 6 3
Multimeter - blockschema 7 Multimeter Upplösning Ex. Handhållen multimeter 3 ½ siffror Visar värden mellan 0000-3999, decimalkomma på lämplig plats. Motsvarar 12 bitar AV-omv. Ex. Bänkmultimeter 6 ½ siffror Visar värden mellan 0000000-3999999, decimalkomma på lämplig plats. 8 Motsvarar 22 bitar AD-omv. 4
Flash-omvandlare Ej tillräcklig upplösning för multimeter i praktiken 9 Integrerande omvandlare Mätvärdet erhålls i instrumentet som ett tidsmått 10 5
Integrerande omvandlare 11 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? 12 6
Multimeter inre resistans Spänningsmätning Parallellt med spänningskällan Hög inre resistans nödvändig, typ. 1 10 M För låg resistans påverkar uppmätt spänning genom spänningsdelning mätfel Instrumentets inre resistans ger ca 5% lägre värde på spänningen över 500 kω resistorn 13 Multimeter inre resistans Strömmätning I serie med strömkällan Låg inre resistans nödvändig, typ 0,1 100 För hög resistans påverkar strömmen i kretsen mätfel Instrumentets inre resistans ger ca 1% lägre värde på strömmen 14 7
Multimeter - blockschema 15 Multimeter - mätmetoder En multimeter mäter alltid likspänning För att mäta växelspänning, ström och resistans måste dessa konverteras till en DC-spänning först 16 8
Multimeter växelspänningsmätning Växelspänning omvandlas genom likriktning. 17 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 18 9
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 19 Multimeter - växelspänning Formfaktorn och toppfaktorn beskriver hur amplituden förhåller sig till effektivvärdet. formfaktorn U = U EFF toppfaktorn = Uˆ U EFF 20 10
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 21 Multimeter - växelspänning 22 11
Multimeter - växelspänning Effektivvärdet 23 Multimeter - strömmätning Viktigt att R inte är stort för att undvika att påverka kretsen man mäter på. 24 12
Multimeter - resistansmätning Två olika metoder att omvandla en resistans till en spänning Konstantströmmetoden Kvotmetoden 25 Multimeter - resistansmätning Konstantströmmetoden Kvotmetoden 26 13
Multimeter - resistansmätning Tvåtrådsmätning Fyrtrådsmätning 27 Multimeter - mätosäkerhet Anges normalt i specifikationen som: ± (% av avläst värde + antal steg i minst signifikant siffra) Ex. Fluke 77 Avläst värde på 320 Ω området (Upplösning 0.1 Ω): 95,3 Ω Osäkerhet: ± (0,5% av 95,3 + 2 x 0,1) Ω = ± (0,48 + 0,2) Ω ± 0,7 Ω 28 14
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. 29 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. 30 15
Störningsundertryckning - Integrerande omvandlare T REF väljs till en heltalsmultipel av periodtiden på den störning man vill undertrycka! 31 Störnings-undertryckning - Integrerande omvandlare SMRR Series Mode Rejection Ratio 50 Hz 32 16
Störnings-undertryckning - Integrerande omvandlare Integrationstiden i instrumentet påverkas av vald upplösning (antal siffror) 33 Multimeter och räknare Del 2: Räknare 34 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 35 http://www.biolinscientific.com/technology/qcm-d-technology/ Räknare varför? Mätning av tid eller frekvens Ett oscilloskop har normalt 3 4 siffors upplösning som bäst En räknare kan ha 9 eller fler siffror 36 18
Räknare - frekvensmätning Frekvens anger hur många gånger en signal repeteras per sekund. Periodtidens inverterade värde, f = 1/T Om mätningen görs som ett medelvärde över flera (N) perioder: f = N/T N Periodtid för två olika signaler 37 Räknare - puls 38 19
Räknare konventionell frekvensmätning Mäter antalet ingångscykler N under en viss mättid, typiskt 1 sekund. Fyrkantspuls 39 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. absoluta upplösningen 1/10= 0.1 Hz 40 20
Räknare - tidmätning Genom att byta plats på ingångsteget och oscillatorn får man en tidräknare. 41 Räknare - reciprok Klarar av att mäta frekvens enligt f = N / TN 2 separata räknarsteg som ser till att mäta över ett helt antal perioder 42 21
Räknare - upplösning Hög upplösning även vid låga frekvenser Relativa felet är nu ± 1 klockcykel men det absoluta felet är oförändrat 43 Räknare - interpolation I en del Räknare har man lagt till en funktion som håller koll på var i klockpulserna man startar mätningen. Detta gör att kan man få ännu högre noggrannhet En interpolatorkrets mäter fasläget på klockpulsen 44 22
Räknare - tidmätning 45 Räknare - tidintervall SR-vippa öppnar och stänger OCH-grinden 46 23
Räknare - tidintervall Ingen synkning av start/stop och klockan ger en upplösning som är 1 klockpuls 10 MHz tidbasoscillator => 100 ns upplösning 47 Räknare tidmätning Mätosäkerhet på ± 1 klockcykel För att höja noggrannheten kan man Öka klockfrekvensen Interpolera Använda medelvärdesbildning 48 24
Räknare - ingångssteg 1 MΩ, frekvensberoende ok för < 100 MHz mindre belastning på objektet 50 Ω för HF system x1 eller x10 Frekvensoberoende dämpning 49 Räknare - ingångssteg Övre gränsfrekvens AC-kopplingskondensator ofta 50-100 khz Vars kapacitans reducerar brus bestämmer den undre gränsfrekvensen för ingången, vanligen 10-50 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. 50 25
Räknare - komparatorn Jämför inssignalen med en triggnivå och slår om när triggnivån passeras 51 Räknaren - hysteresband Skillnaden mellan triggpunkten och återställningspunkten kallas hysteresband 52 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 53 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 54 27
Räknare - triggnivå 55 Räknare - skillnader Skillnader mellan tid och frekvensmätningar 56 28
Tidbasoscillatorn Vanligast är kvartskristall (SiO 2 ) Bygger på piezoelektrisk effekt Resonansfrekvensen beror bl.a. tjockleken, ytan och massan Problem; åldring, gravitation, stötar 57 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) 58 29
Mätosäkerheten De vanligaste osäkerhetsfaktorerna för frekvens- och tidintervallmätning är: Mätningens upplösning Triggerfel p.g.a. brus Tidbasoscillatorns osäkerhet Triggerpunktens inställningsosäkerhet Skillnader mellan ingångskanaler 59 30