Elektrotechnika elektronika miernictwo

advertisement
Elektrotechnika elektronika miernictwo
Franciszek Gołek ([email protected])
www.pe.ifd.uni.wroc.pl
Wykład 14
Pomiar i sprzęt pomiarowy w elektronice
Multimetry (i multitestery)
Multimetry analogowe.
Odczyt z położenia wskazówki.
Oporność wewnętrzna
woltomierza DC zmienna ze
zmianą zakresu.
Konieczna regulacja zera
omomierza.
Multimetry cyfrowe – dokładniejsze.
Odczyt cyfrowy z LCD.
Oporność wewnętrzna woltomierza duża
i niezależna lub mało zależna od
zakresu.
Żadnej regulacji.
Cęgi wysokoprądowe
Multimetry cyfrowe (DMM - digital multimeters) od analogowych odróżnia obok
cyfrowego wyświetlacza również wysoka impedancja wejściowa gdy mierzy
napięcie: RV wynosi zwykle 10 M Ω (lub więcej) na każdym zakresie. Ponadto
często posiadają automatyczną zmianę zakresu i same dobierają właściwy
zakres.
Wśród DMM rozróżniamy ręczne i stacjonarne DMM.
Stacjonarne DMM są bardziej precyzyjne, wyświetlają więcej cyfr (zwykle 5 lub
więcej).
Ręczne DMM tańsze i mniej precyzyjne wyświetlają zwykle 3 do 5 cyfry.
Najczęściej jest ich 3½, co oznacza, że pierwsza cyfra może wynosić 0 lub 1.
Przykładowo możemy odczytać 19,99 V ale już wartość 29,99 V zobaczymy
jako 30,0 V. Natomiast gdy mamy wyświetlacz 3¾ to można odczytać nawet
wartość 3,999 V).
Mogą być wyposażone w wiele akcesoriów:
1) cęgi do pomiaru dużych natężeń prądu bez otwierania obwodu,
2) Termoelement do pomiaru temperatury,
3) Interfejs do połączenia z komputerem. Nowocześniejszymi multimetrami
można mierzyć, oprócz prądu napięcia i oporności również pojemność, indukcyjność,
częstotliwość i temperaturę, można też badać diody i tranzystory. Niektóre multimetry
można podłączać do komputera poprzez interfejs IEC-625 (IEEE-488), RS-232, USB,
USB z opto-sprzęgaczem, bluetooth.
Przykładowy multimetr zamieszczony obok zawiera cztery
otwory-zaciski do podłączenia przewodów (końcówek).
Czarnym kolorem i napisem „COM” oznaczony jest zacisk
wspólny do pomiaru U, R, I, badania diody. Czerwonym
kolorem oznaczono zacisk „gorący” do pomiaru napięć,
rezystancji i do badania diody. Do pomiaru natężenia prądu
mamy osobne dwa zaciski po lewej stronie, jeden dla
niższych natężeń a drugi dla wyższych. Często spotykamy
tylko trzy zaciski, wtedy wspólny zakres prądów zmieniany
jest przełącznikiem. Często stosowaną opcją jest włączanie
sygnału dźwiękowego na zakresie rezystancji do 200 Ω,
opcja ta służy do sprawdzania połączeń i detekcji przerw w
połączeniach, kablach, przewodach itp..
Należy unikać zbyt dużych natężeń prądu mogących
zniszczyć multimetr! Nie mierzyć rezystancji gdy w obwodzie
znajduje się aktywne źródło energii elektrycznej. Nie mylić
zacisków prądowych
i napięciowych.
Uwagi o błędach przy mierzeniu multimetrami
Multimetry to proste przyrządy do pomiaru prądu, napięcia, rezystancji itp.
Multimetr analogowy (wskazówkowy). Błąd określa
klasa dokładności przyrządu jako wielkość procentową
od użytego zakresu. Typowe klasy dokładności: 0.02,
0.05, 0.1, 0.2, 0.5, 1, 1.5, 2.5, 5. Gdy klasa podana jest
w kółeczku, to oznacza ona błąd procentowy od wartości
zmierzonej. Dodatkowo należy uwzględniać błąd odczytu oraz
“zaburzenie” spowodowane podłączeniem przyrządu o zadanej
impedancji wewnętrznej. W woltomierzach analogowych oporność
rośnie ze zwiększaniem zakresu pomiarowego i morze być
podana np. jako 20 kΩ/V. W amperomierzach oporność jest mała
rzędu 1 Ω i też nie może być zaniedbana gdy amperomierz
włączamy do układu z małymi wartościami oporności R.
Rozdzielczość wyraża najmniejszą, dającą się wykryć, zmianę wielkości
mierzonej.
Ostrzeżenie: nie próbuj mierzyć natężenia prądu źródła napięciowego na przykład
przez wetknięcie przewodów pomiarowych miernika do gniazda sieciowego; to samo
dotyczy pomiaru rezystancji. Takie postępowanie jest niebezpieczne!
Multimetry cyfrowe są dokładniejsze od analogowych.
Błąd pomiaru określany jest jako suma dwuskładnikowa.
Pierwszy składnik to ułamek od wartości zmierzonej
(ułamek zależny od temperatury). Drugi składnik to
ułamek od użytego zakresu, albo waga najmniej
znaczącej cyfry tegoż zakresu razy współczynnik n.
Przykładowo: ± 0,5% of rdg + 3D oznacza 0,5 % od wartości odczytanej plus
trzykrotna wartość niezerowego minimum. Oznacza to, że gdy np. wyświetla
się 200 mV to błąd wynosi: (0,5% z 200 mV) + (3·1mV) = 1 mV + 3 mV = 4
mV .
Dodatkowo należy uwzględniać “zaburzenie” badanego układu spowodowane
podłączeniem przyrządu o zadanej impedancji wewnętrznej. Oporność
wewnętrzna (jako wielkość zaburzająca badany układ) podawana jest w
dołączonej do multimetru instrukcji. Czasem wielkość ta jest umieszczana na
obudowie przyrządu. W przyrządach cyfrowych zwykle największa oporność
jest dla zakresu o największej czułości np. 109 Ω, a dla wyższych zakresów np.
107 Ω. Zwykle konieczne jest dobre poznanie instrukcji dołączonej do
przyrządu.
Jaką wartość napięcia pokaże
woltomierz o błędzie wskazań =
0,1V i oporności wewnętrznej Rw=
100kΩ gdy podłączymy go do
zacisków układu, którego UT=100V
a RT= 100kΩ?
Napięcie na zaciskach przed
włączeniem woltomierza wynosi U
= UT=100V. Po podłączeniu
woltomierza U = I Rw = UTRw/
(RT+Rw) = 50V !!!
Błąd 50% !!!
Woltomierz obciąża układ i zmienia
wartość mierzonego napięcia!
Zatem samo włączenie przyrządu pomiarowego
może w znacznym stopniu zaburzyć wartość, którą
chcemy zmierzyć!
Mierząc multimetrem warto wiedzieć, że:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Po włączeniu miernika należy odczekać około 10 min dla jego stabilizacji.
Przed pomiarem należy wybrać przełącznikiem właściwą funkcję pomiarową
(z wielu możliwych: napięcie stałe DC, napięcie zmienne AC, częstotliwość,
pojemność, rezystancja, prąd czy jeszcze inne) oraz właściwy zakres.
Źródłem błędu pomiaru mogą być same doprowadzenia (np. w postaci sił
termoelektrycznych na kontaktach różnych materiałów). Zatem warto przed
pomiarem właściwym dokonać tzw. pomiaru zerowej wartości (napięcia lub
oporu) poprzez zwarcie końcówek multimetru oraz odczytanie wartości
zerowej i dokonania korekty.
Przy pomiarze dużych rezystancji, znaczny błąd może powodować dotykanie
rękoma zacisków bezpośrednio lub poprzez kiepską izolację.
Mierząc napięcia zmienne należy upewnić się czy częstotliwość sygnału
mierzonego nie przekracza wartości granicznych dla danego multimetru
(często wynosi ona zaledwie 400 Hz).
Tzw. końcówki i doprowadzenia sygnału powinny być możliwie krótkie.
Dla minimalizacji błędu dobieramy odpowiedni zakres pomiarowy miernika.
Instrukcja i akcesoria powinny być łatwo dostępne i przechowywane razem z
multimetrem.
Po zakończeniu pomiaru mierniki należy wyłączyć (zwłaszcza mierniki
bateryjne).
Oscyloskopy
to najbardziej rozpowszechnione przyrządy,
które obrazują sygnały elektryczne.
Wyróżnia się oscyloskopy analogowe oraz cyfrowe (są też oscyloskopy analogowo-cyfrowe i
analizatory sygnałowe). Oscyloskopy służą do obserwacji i rejestracji sygnałów elektrycznych,
nawet kilku jednocześnie. Oscyloskop wykorzystywany jest też do badania przebiegów
rozmaitych wielkości fizycznych (po ich zamianie na sygnał elektryczny). Oscyloskopy są
często stosowane do uruchomiania i diagnozowania rozmaitych, nawet bardzo skomplikowanych
układów elektrycznych i elektronicznych. W oscyloskopie wyróżniamy cztery podstawowe
systemy: system wyświetlania, odchylania w pionie, podstawa czasu (czyli system odchylania w
poziomie) i system synchronizacji. Zakończeniem systemu wyświetlania jest ekran lub lampa
oscyloskopowa, na której ekranie wyświetlany jest obraz pożądany obraz. Najczęściej jest to
obraz zależności napięcia od czasu. Pewną analogię można dostrzec w działaniu ploterów XY, u
których wykreślanie krzywych polega na sterowaniu „pisakiem” w kierunkach X i Y
jednocześnie. Oscyloskop może obrazować bardzo szybko zmieniające się wielkości zwykle
poza możliwościami naszych zmysłów. Schemat blokowy prostego (jednokanałowego)
oscyloskopu analogowego wraz ze szkicem lampy oscyloskopowej zamieszczono na stronie 13.
Dla uzyskania świecenia luminoforu w lampie oscyloskopowej konieczne jest wytworzenie
wiązki elektronowej, w której energie kinetyczne elektronów wynoszą od 2 do 20 keV. Oznacza
to, że w oscyloskopach starszego typu (z lampą oscyloskopową - cathode ray tube - CRT)
wytwarzane są niebezpiecznie wysokie napięcia. Oscyloskopy analogowe dobrze obrazują
przebiegi periodyczne, natomiast cyfrowe (wyposażone w pamięć) mogą obrazować również
przebiegi jednorazowe.
Najważniejsze parametry oscyloskopów:
Rozmiary ekranu,
Pasmo częstotliwości,
Liczba kanałów,
Rozdzielczość i czułość,
Maksymalne napięcie wejściowe,
Bogactwo funkcji.
Dodatkowe wyposażenie jak np. sondy 10:1 z korekcja, sensory.
Sygnał/sygnały prostokątne do kalibracji oscyloskopu.
W oscyloskopach cyfrowych dodatkowo: Głębokość pamięci, Szybkość
próbkowania, Dodatkowe funkcje (kursory, narzędzia analityczne itp.).
Istotne są też parametry wejściowe: jak impedancja czy pojemność
wejściowa, zwykle wynoszące 1 MΩ i 10 do 40 pF.
Analogowy oscyloskop 2-kanałowy.
Badany sygnał jest po wzmocnieniu kierowany
bezpośrednio do odchylania wiązki elektronowej
przemieszczającej się po luminoforze ekranu
co powoduje kreślenie świecącej linii obrazującej
przebieg sygnału. Mamy tu bezpośrednie obrazowanie sygnału.
Cyfrowy oscyloskop 2-kanałowy.
Oscyloskop cyfrowy próbkuje sygnał elektryczny,
dokonuje konwersji wartości analogowych na
cyfrowe przy pomocy przetwornika
analogowo-cyfrowego ADC, a następnie
zapamiętane cyfrowe wartości wykorzystuje do
obrazowania zbadanego sygnału.
W oscyloskopach
cyfrowych stosowane są ekrany płaskie
np. ciekłokrystalicznym – LCD (liquid
crystal display).
Oscyloskopy ręczne
Jest to odmiana oscyloskopów cyfrowych. Są to oscyloskopy przenośne
i serwisowe.
Idea wyświetlania napięć
doprowadzonych do płytek
odchylających lampy
oscyloskopowej (Y w pionie i X w
poziomie).
Uproszczony schemat oscyloskopu
Badany sygnał poprzez tłumik o regulowanym tłumieniu dociera do
wzmacniacza odchylania pionowego Y. Na wyjściu tego wzmacniacza
uzyskuje się przebieg napięcia (ewentualnie uzupełniony o
kompensacje/eliminację składowej stałej), który podany na płytki
odchylające Y steruje odchyleniem wiązki elektronowej w pionie. Dla
dokonania pomiaru wielkości napięcia należy pamiętać, że opis
przełącznika skokowego (np. 1V/działkę czyli 1V/cm) jest aktualny
tylko przy skręceniu regulacji ciągłej w pozycję “kalibr” tj. pozycję
kalibracji. Na powierzchni ekranu oscyloskopu znajduje się podziałka w
postaci kratek i kresek. Tu jedna działka = 1 cm a nie 2 mm! Opisy
przełączników przy gniazdach wejściowych: AC – oznacza, że wejście
przyjmuje tylko sygnał zmienny (sprzężenie pojemnościowe), DC –
oznacza, że wejście przyjmuje również składową stałą, GND – oznacza,
że sygnał jest odłączony a wejście jest zwarte do masy. Wtedy możemy
ustawić właściwą dla 0 V pozycję świecącej plamki. Aby obraz na
ekranie lampy był stabilny tj. aby wiązka elektronowa periodycznie
powtarzała ten sam rysunek konieczna jest synchronizacji odchylania
poziomego (podstawy czasu) z badanym sygnałem.
Zatem część sygnału badanego kierowana jest do układu wyzwalania,
który steruje generatorem podstawy czasu i modulacją jaskrawości (tj.
intensywności wiązki elektronowej docierającej do luminoforu).
Pokrętłem poziom (ang. level lub trigger level) wybieramy wartość
napięcia sygnału, przy którym następuje wyzwalanie tj. rozpoczynanie
piło-zębnych impulsów dla płytek odchylania poziomego i impulsów
prostokątnych podawanych na cylinder Wehnelta (elektroda z otworem
otaczająca katodę) dla wypuszczania wiązki elektronowej. W przypadku
oscyloskopu wielokanałowego należy odpowiednim przełącznikiem
wybrać kanał, z którego pobierany jest sygnał synchronizujący (należy
wybrać sygnał najmocniejszy). W przypadku gdy mają być oglądane
sygnały bardzo słabe na wszystkich kanałach dobrą synchronizację
uzyskamy gdy odpowiedni sygnał podamy na osobne wejście
wyzwalania zewnętrznego. Wejście wyzwalania zewnętrznego jest
przydatne w badaniach układów cyfrowych i przy obserwacji
nieperiodycznych sygnałów. Więcej (niż jeden) kanałów ułatwia
porównywanie sygnałów wejściowych i wyjściowych przy badaniu
rozmaitych układów elektronicznych.
Podstawa czasu może być wyzwalana narastającym zboczem (znak
+) lub opadającym zboczem sygnału (znak - ). W śród rodzajów
wyzwalania można wymienić: a) normalne, b) automatyczne, c)
sygnałem telewizyjnym, d) jednorazowe. Szybkość ruchu plamki w
kierunku osi X można zmieniać w szerokim zakresie. Należy pamiętać,
że opis przełącznika skokowego (np. 1s/cm czy 10ns/cm itd.) jest
obowiązujący tylko przy ustawieniu pokrętła regulacji ciągłej w pozycję
kalibr. W oscyloskopach wielokanałowych (zwykle dwu-kanałowych
lub czterokanałowych) zastosowane są przełączniki elektroniczne
przełączające sygnały z kilu wzmacniaczy wejściowych na jeden
wspólny tor sterujący lampą oscyloskopową. Przełączniki te mogą mieć
dwa rodzaje pracy: a) praca przemienna (alternating) – przełączenie
odbywa się podczas ruchu powrotnego plamki; b) praca siekana
(chopped) – przełączenie odbywa się wielokrotnie podczas każdego
kreślenia plamką od lewego do prawego brzegu ekranu. Dla ochrony
przed uszkodzeniami należy unikać podawania napięć większych niż
kilkadziesiąt V na wejścia oscyloskopu a kabel sieciowy włączać tylko
do gniazda z dobrym (tj. sprawnym) uziemieniem.
Brak obrazu badanego przebiegu lub plamki na ekranie
oscyloskopu może mieć następujące przyczyny: a) pokrętłem
przesuwu X lub Y przesunięto obraz poza obszar ekranu; b) przy
stałonapięciowym sprzężeniu podano na wejście Y (lub X) sygnał
o zbyt dużej wartości składowej stałej; c) podstawa czasu nie jest
wyzwalana; d) pokrętło jaskrawości skręcono do minimum.
W nowocześniejszych oscyloskopach cyfrowych instalowane są
liczne udogodnienia np. a) na ekranie pojawiają się napisy
informujące o aktualnych zakresach podstawy czasu, czułości itp.;
b) kursory (zwykle dwie pionowe i dwie poziome linie) ułatwiają
wyznaczenie czasu trwania wybranego fragmentu badanego
przebiegu, jego częstotliwości, fazy oraz zmiany napięcia; c)
stosowane są tzw. ekrany dotykowe, u których wybór funkcji
oscyloskopu dokonuje się przez dotyk palcem odpowiednio
opisanego miejsca na ekranie.
Uwaga. Gdy wybierzemy wejście X (przełącznikiem) i nie podamy
sygnałów ani na wejście X ani Y to świecąca plamka pozostaje w
jednym miejscu ekranu i gdy jest zbyt jaskrawa stopniowo usuwa
luminofor z tego miejsca czyniąc go martwym.
Oscyloskop cyfrowy
Dzięki szybkim przetwornikom analogowo-cyfrowym budowane są oscyloskopy
cyfrowe o częstotliwościach pobierania próbek ponad 1GHz
i paśmie przenoszenia ponad 10 GHz. Działanie takich oscyloskopów polega na
pobraniu n (np. 106) próbek i zapisaniu ich w pamięci. Pracę układu kontroluje układ
mikroprocesorowy pozwalający na wielostronną analizę badanych sygnałów.
Oscyloskopy cyfrowe budowane są również jako karty komputerowe a także jako
kieszonkowe (wielkości kalkulatora z ekranem ciekłokrystalicznym) do celów
diagnostycznych w warunkach terenowych. Często oscyloskopy konstruowane są jako
oscyloskopy analogowo-cyfrowe. Zamiast lampy oscyloskopowej mogą być stosowane
kineskopy monochromatyczne lub kolorowe. W oscyloskopach tych dzięki cyfrowym
podstawom czasu (zliczanie impulsów zegara kwarcowego) możliwe są bardzo
precyzyjne pomiary relacji czasowych badanych sygnałów. Precyzja pomiaru wielkości
napięć zależy od długości słowa przetwornika A/D, które często są 8-bitowe i dające
dokładność 1/28 tj. 1/256 zakresu.
W oscyloskopach cyfrowych oprócz obserwacji sygnału na bieżąco
można oglądać sygnał zamrożony w pamięci nieprzetworzony lub
przetworzony układem mikroprocesorowym w dowolnie pożądany
sposób (wygładzony, uśredniony z wielu sekwencji, w postaci diagramu
zawartości harmonicznych, zróżniczkowany itd.). W oscyloskopie
cyfrowym zbieranie danych może zachodzić niezależnie od chwili
wyzwalania i przebieg może być zapamiętany w dowolnej (regulowanej)
relacji czasowej do impulsu wyzwalania. Zwykle tzw. rekord rejestracji
(tj. n zamrożonych w pamięci próbek) jest wielokrotnie dłuższy od
rekordu obrazowania na ekranie. Pozwala to swobodnie obrazować
dowolne fragmenty i szczegóły raz zarejestrowanego przebiegu.
Oscyloskopy cyfrowe dysponują wieloma funkcjami, których brak w
oscyloskopach analogowych. Np. czuwanie (baby-sitting) oscyloskopu
tak długo, jak długo nie pojawi się impuls wyzwalający, który
spowoduje zamrożenie w pamięci tylko interesującej części ciągle
próbkowanego sygnału z wyprzedzeniem czasowym takim jakie zostało
z góry ustalone. Należy zaznaczyć, iż wyprzedzenia czasowe
ograniczone jest głębokością pamięci natomiast opóźnienie czasowe
może być dowolne.
Oscyloskop jako przyrząd diagnostyczny
Oscyloskop może pracować w modzie X-Y.
W oscyloskopach jest możliwe podawanie na płytki
odchylania poziomego sygnału zewnętrznego zamiast
(piłokształtnej) podstawy czasu z wewnętrznego generatora.
Wtedy zamiast Y=Y(t) widzimy zależność Y=Y(X)
Układ do wizualizacji charakterystyki diody:
ID = ID(UD)
Układ Sawyera-Towera służy do
badania zjawiska histerezy dielektrycznej
dielektryków. Na wejście X oscyloskopu
(odchylanie poziome) podane jest
napięcie na próbce, z dobrym
przybliżeniem bo C >> Cp. Napięcie to
jest proporcjonalne do wektora E
(natężenia pola elektrycznego) w próbce.
Na wejście Y podane jest napięcie na
pojemności C. To napięcie jest
proporcjonalna do ładunku Q na
okładkach kondensatora Cp (z badanym
dielektrykiem), a zatem i do wielkości
wektora indukcji elektrycznej D = Q/A.
Przy dużej przenikalności dielektryka
D ≅ P i możemy przyjąć, że
otrzymujemy pętlę zależności polaryzacji
próbki P od natężenia pola E.
Zastępując kondensator C opornikiem
można badać tzw. pętle prądowe próbek
ferroelektrycznych I = I(E).
Krzywe Lissajous
Zastosowania: pomiar częstości przez porównanie, obserwacja stabilności generatorów.
Dla poprawienia stosunku Sygnał/Szum można uczynić badany sygnał
periodycznym. Np. periodycznie pobudzamy próbkę otrzymujemy
periodyczną odpowiedź próbki. Sygnał pobudzający próbkę musi
jednocześnie synchronizować podstawę czasu oscyloskopu cyfrowego.
Odpowiedzi są sumowane przez oscyloskop (wszystkie odpowiedzi w tej
samej relacji czasowej do impulsu pobudzającego). Przy sumowaniu
szumy nie mają szans się kumulować tak jak sygnał synchroniczny.
Przykłady prostych pomiarów wielkości
elektrycznych
Techniczny pomiar rezystancji polega na jednoczesnym
zmierzeniu napięcia na zaciskach rezystora i natężenia prądu w
rezystorze a następnie obliczeniu rezystancji z prawa Ohma.
Dwa możliwe warianty podłączenia mierników
(woltomierza i amperomierza) pokazują
rysunki a i b. W przypadku „a” pomiar napięcia
na Rx jest obarczony dodatkowym błędem
wynikającym z ze spadku napięcia na
amperomierzu „A”. A w przypadku b pomiar
natężenia prądu w Rx jest obarczony
dodatkowym błędem wynikającym z prądu
płynącego przez woltomierz V. Dysponując amperomierzem i
woltomierzem o wewnętrznych rezystancjach przykładowo RA ≤
1Ω i RV ≥ 106 Ω z łatwością dostrzegamy, że do pomiaru wartości
Rx większych od 1000 Ω dokładniejszy jest wariant z rys. „a”
natomiast do pomiaru Rx o wartościach mniejszych od 1000 Ω
lepszy będzie wariant „b”.
Pomiar małych oporności
Przy pomiarze małych rezystancji bardo ważne
staje się wyeliminowanie oporności styków i
doprowadzeń.
Można to uczynić w układzie z czterema
zaciskami (dwoma prądowymi i dwoma
napięciowymi) wówczas woltomierz „nie łapie”
niepożądanych spadków napięć na stykach i
doprowadzeniach prądu.
Dla wyeliminowania sił termoelektrycznych
należy w pomiarze zastosować prąd przemienny
i wykorzystać wzmacniacz fazo-czuły. (ang.
Lock-in amplifier).
Cztero-kontaktowa metoda pomiaru rezystancji
(właściwej) materiałów półprzewodnikowych
Schemat do pomiaru tą metodą pokazany jest na rysunku. Woltomierz V
mierzy skok potencjału między dwoma wewnętrznymi z czterech punktów
kontaktowych rozmieszczonych w odstępach „s” na powierzchni materiału
badanego. Prąd elektryczny w materiale wymuszany jest obwodem
zawierającym dwa zewnętrzne kontakty punktowe.
Gdy grubość „t” materiału jest dużo większa od odstępów elektrod „s”: t >> s to
ρ ≅ 2πs(U/I).
Gdy grubość „t” materiału jest dużo mniejsza od odstępów elektrod „s”: t << s to
ρ ≅ (πt/ln2)(U/I).
Uwagi o pomiarach i zakłóceniach
Zwykle wiedza o naturze źródła sygnału oraz o konfiguracji odpowiedniego
układu pomiarowego jest konieczna do osiągnięcia wolnego od zakłóceń
pomiaru.
Schemat blokowy typowego układu pomiarowego
W zasadzie w każdym z przedstawionych na schemacie bloków może pojawić
się zakłócenie (tj. niepożądany sygnał zewnętrzny) oraz szumy (generowane
przez elementy układu pomiarowego). W laboratoriach najczęściej jednak
usiłuje się zredukować zakłócenia poprzez optymalizacje połączeń
przenoszących mierzony sygnał (ekranowania, izolacje, stosowanie wejść
różnicowych i eliminowanie składowej wspólnej, równoważenie, uziemienie,
oddzielanie galwaniczne, detekcja selektywna i fazo-czuła, filtracja itp.).
„Skrętka”
Najprostszy sposób
zmniejszenia indukcyjnego
sprzężenia ze źródłami
zakłóceń.
Ekranowanie jako kolejny sposób redukcji
„łapania” zakłóceń.
Ekrany obniżają przenikanie zakłóceń do obwodów elektronicznych.
Najczęściej występującymi szumami są szumy cieplne, szumy śrutowe oraz szumy typu
1/f.
Szumy cieplne (szumy Johnsona), biorą się z drgań i ruchów cieplnych nośników
ładunku. Szumy te opisuje wzór Nyquista:
U = √(4kTR∆f)
Gdzie: k – stała Boltzmana (1,38 1-23 Ws/K) , T – temperatura, R – rezystancja, ∆f –
pasmo częstotliwości.
Szum śrutowy powstaje przy przepływie prądu a zwłaszcza przy przepływie przez
złącza półprzewodnikowe. Opisywany jest przez wzór Schottky’ego:
Is = √(2qI∆f)
Gdzie: q – ładunek nośnika (tu 1,6 10-19C), I – natężenie prądu, ∆f - pasmo.
Szumy 1/f dominują w zakresie niskich częstotliwości. Na tego typu szumy składają
się przypadkowe zmiany gęstości ładunku, tzw. pełzanie zera (biorące się z rozmaitych
przyczyn: upływności, niestabilne styki, zjawiska elektrochemiczne itp.). Szum ten
opisywany jest przez tzw. widmową gęstość mocy S:
S = (U/√∆f)2
Obniżenie szumów można uzyskać przez dobór odpowiednich (zwykle droższych)
elementów niskoszumowych, obniżanie mocy, obniżanie temperatury. Zwykle
ważniejszym w eksperymencie jest uzyskanie lepszego stosunku: sygnał/szum.
Oczywiście poprawę tego stosunku uzyskuje się również poprzez poprawianie
wielkości sygnału użytkowego.
Przy pomiarach małych sygnałów nawet komputer czy monitor komputerowy są
intensywnym źródłem sygnałów zakłócających. Przed przystąpieniem do
eliminowania zakłóceń należy, w miarę możliwości, ustalić i zlokalizować ich
źródła (poprzez zwieranie wejść, przemieszczanie elementów itp.).
Jednym z najpowszechniejszych źródeł zakłóceń jest szybkie przełączanie
dużych prądów (źle sterowane piece - włączenia i wyłączenia grzałek).
Inną przyczyną powstawania zakłóceń może być przemieszczanie się
przewodu powodujące zmianę strumienia indukcji magnetycznej
przenikającego przez dany obwód, co zgodnie z prawem Faradaya prowadzi
do powstawania zakłócającej siły elektromotorycznej. Dodatkowe zakłócenia
wnosi tutaj efekt tryboelektryczny, polegający na indukowaniu w danym
układzie napięcia (dochodzącego do kilkuset miliwoltów) wywołanego przez
odkształcanie dielektryka.
Pojemnościowe sprzęganie zakłóceń. Walka z tym typem przenikania
niepożądanych sygnałów polega na zmniejszaniu pojemności C miedzy
źródłem zakłóceń a odbiornikiem. Dobrym środkiem przeciwdziałającym
pojemnościowemu sprzęganiu obwodów jest ekranowanie elektrostatyczne.
Magnetyczne sprzęganie zakłóceń. Walka z tym typem przenikania
niepożądanych sygnałów polega na zmniejszeniu indukcyjności wzajemnej
obwodów. Zwykle pola magnetyczne indukują napięcia zakłóceń w pętlach
układów elektronicznych.
Czasem udaje się zredukować zakłócenie poprzez
dodanie sygnału zakłócającego o przeciwnej fazie.
Innym razem pomocne staje się stosowanie rozmaitych
filtrów przeciwzakłóceniowych. Generalnie należy starać
się separować silnie zakłócające kable energetyczne od
przewodów pomiarowych. Niekiedy jedynym sposobem
pozbycia się zakłóceń w pracowni pomiarowej jest
przeniesienie ich źródła (silnika, lasera impulsowego,
generatora, pieca itd.) do innego, odpowiednio
oddalonego i najlepiej ekranowanego pomieszczenia.
Należy unikać uziemiania układu w więcej niż
jednym punkcie. Unikamy w ten sposób „łapania”
spadków napięć na kablach uziemiających i
pochodzących od znacznych i niekontrolowanych
prądów płynących w uziemieniach.
Obowiązuje też zasada separacji „ziemi” czułych układów analogowych
od „ziemi” zakłócających obwodów cyfrowych.
http://www.analog-eetimes.com/en/tips-about-printed-circuit-board-designpart-1-dealing-with-harmful-pcb-effects.html?cmp_id=71&news_id=222901415
Separacji ziemi czułych układów analogowych od ziemi
zakłócających obwodów cyfrowych. Diody Schottky’ego
zastosowano dla uniknięcia dużych skoków napięcia przy włączaniu i wyłączaniu
zasilania.
Uzmiennianie sygnału z pomocą modulatora
Jednym ze sposobów pomiaru słabych i zatopionych w szumach
sygnałów stałych lub wolnozmiennych jest tzw. uzmiennianie
sygnału.Woltomierz mierzy tylko sygnał z wąskiego pasma
częstotliwości zawierającego częstotliwość z jaką jest pobudzana próbka
(lub jej harmoniczną np. 2f).
Woltomierz fazo-czuły (Lock-in amplifier, phase
sensitive detector). Woltomierze fazo-czułe (zwane też
wzmacniaczami homodynowymi z filtrem dolnoprzepustowym) służą
do pomiaru słabych, silne zakłócanych szumem, sygnałów. Sprawdzają
się nawet w sytuacji, gdy amplitudy sygnałów zakłócających są o kilka
rzędów większe od sygnału właściwego.
Zasada działania tych woltomierzy polega na ortogonalności napięć
sinusoidalnych o różnych częstotliwościach. Ortogonalność oznacza tu,
że iloczyn dwóch sinusoid o różnych częstotliwościach f1 i f2
całkowany (uśredniony) w czasie znacznie dłuższym niż okres każdej z
sinusoid wynosi zero. Natomiast, gdy częstotliwości i fazy obu
sinusoid są identyczne całka ich iloczynu wynosi połowę iloczynu ich
amplitud. Szum o przypadkowych częstotliwościach i fazach (nie
zgodnych
z sygnałem odniesienia) w wyniku uśrednienia jest eliminowany.
Pomiary fazo-czułe
W tej metodzie mierzony jest sygnał o
częstotliwości identycznej z
częstotliwością pobudzania f0 lub jej
częstotliwością harmoniczną fn w sposób
synchroniczny. To znaczy mierzony jest
albo sygnał w postaci jednej składowej zgodnej w fazie z sygnałem odniesienia.
Mamy wtedy do czynienia z Lock-in’em jednokanałowym. Albo mierzone są dwie
składowe: jedna zgodna w fazie z sygnałem odniesienia i druga o przesuniętej fazie o
90º (opóźniona o T/4). Mamy wtedy do czynienia z Lock-in’em dwukanałowym.
Można jednak przy pomocy regulacji względnego opóźnienia sygnałów doprowadzić
do ich idealnej zgodności fazowej (i wyzerować drugą, opóźnioną składową). Lockin wykonuje mnożenie sygnału wejściowego z sygnałem
odniesienia a sygnał wyjściowy jest
uśrednieniem tego iloczynu w czasie
równym dużej wielokrotności okresu sygnału
odniesienia. Przy pomocy wzmacniaczy
fazo-czułych można badać bardzo
słabe sygnał i przesunięcia fazy
sygnału (opóźnienia).
Wzmacniacz fazoczuły (www.signalrecovery.com) Lock-in analogowy
podobnie jak i cyfrowy mierzy iloczyn sygnałów: A - sygnał mierzony i B - sygnał
odniesienia. Gdy w eksperymencie do pobudzenia próbki stosujemy sygnał ω a jako
sygnał doniesienia stosujemy wyższą harmoniczną np. 2ω to uzyskujemy efekt
różniczkowania – bardzo ważny przy badaniu układów nieliniowych i w różnych
rodzajach spektroskopii. Lock-in 2-kanałowy pozwala również śledzić przesunięcie
fazowe.
Dodatek A.
Uwagi o środowisku LabVIEW
Omawiając w tym krótkim wykładzie podstawowe składniki urządzeń
elektrycznych i elektronicznych nie możemy pominąć tzw. softwaru. Z długiej listy
ważnych programów (LabVIEW, MATLAB, Spice, Eagle,.....) przybliżymy tylko
LabVIEW gdyż to środowisko programistyczne staje się obecnie najbardziej
rozpowszechnionym standardem przemysłowym.
LabVIEW(laboratory virtual instrument engineering workbench) jest
obecnie najbardziej znanym produktem firmy National Instruments - NI. Jest to
ciągle udoskonalane środowisko programistyczne zawierające, między innymi,
narzędzia do kontroli oprzyrządowania pomiarowego, gromadzenia wyników
pomiaru, analizy i przetwarzania danych oraz graficznej prezentacji. Mamy tu
do czynienia z graficznym językiem programowania G. Przy pomocy myszki i
klawiatury układamy ikony, rysujemy połączenia i wpisujemy nazwy na ekranie
komputera budując tym sposobem tzw. wirtualne instrumenty czyli programy
LabVIEW nazywane w skrócie VIs (Virtual instruments). Za symbolami
graficznymi i ikonami kryją się odpowiednie programy i podprogramy. Za
widoczną na ekranie graficzną układanką kryje się automatycznie budowany
kod źródłowy aplikacji, który jest na bieżąco kompilowany a na ekranie widzimy
informację o wykonalności lub niewykonalności powstającego programu. W
przypadku niewykonalności mamy łatwy dostęp do informacji o błędach jakie
popełniliśmy przy budowie układanki. LabVIEW jest systemem opartym o
zasadę przepływu danych, co ma wiele wspólnego z naturą elektroniki, gdzie
istotą jest przekazywanie, propagacja i przetwarzanie sygnałów elektrycznych.
Po odpaleniu LabVIEW, na startowym ekranie, użytkownik może wybrać „New VI” co
powoduje pojawienie się pustego VI o nazwie „Untitled n” (n = 1,2,3...). Taki pusty VI widoczny
jest na ekranie w postaci dwóch części: panel frontowy (front panel) – interfejs graficzny do
wprowadzania jak i wyświetlania danych na rozmaite sposoby i diagram (block diagram).interfejs graficzny do układania tworzonego programu z elementów takich jak Ikony funkcji,
ikony podprogramów, pętle itp. oraz połączeń między blokami i elementami.
Dwa okna pustego VI
Programowanie
zaczynamy od
sejfowania pod
odpowiednią
nazwą
budowanego
tworu a
następnie
wybieramy
z bogatych palet
odpowiednie
elementy i
odpowiednio je
łączymy.
Estetyka grafiki i przejrzystość projektów w LabVIEW.
Edytując panel
frontowy (front
panel) mamy dostęp
do palety kontrolek
(controls palette)
poprzez: View /
Controls Palette.
Dla ułatwienia
poszukiwania
odpowiedniej
kontrolki są one
pogrupowane wg.
Kategorii.
Paleta kontrolek
Przy edycji diagramu
(block diagram)
mamy dostęp do
palety funkcji
(Functions Palette)
poprzez View /
Functions Palette albo
klikanie prawym
przyciskiem myszki.
Paleta funkcji z rozwiniętą
kategorią Programming
Przy edycji
diagramu (block
diagram) mamy
dostęp do palety
funkcji
(Functions
Palette) poprzez
View / Functions
Palette albo
klikanie prawym
przyciskiem
myszki.
Paleta funkcji z rozwiniętą
podkategorią Structures.
Paletka narzędzi.
Automatyczny wybór narzędzia
Paletka narzędzi zwykle nie jest umieszczana na
ekranie komputera, gdyż często stosuje się
ustawienie na automatyczny wybór narzędzia.
Przy takim ustawieniu wygląd kursora zmienia się
aby podpowiedzieć co należy zrobić:
palec pojawia się gdy np. kursor znajdzie się nad
kontrolką aby dokonać jej przełączenia,
strzałka pojawia się gdy kursor zbliży się do ikony
aby dokonać jej przemieszczenia,
„A” – gdy kursor wybiera pole tekstowe tj. gdzie
należy wpisać tekst,
szpulka z drutem pojawia się gdy kursor znajdzie
się nad podłączeniem (we/wy) lub „ścieżką” z
danymi podpowiadając połączenie do przekazu
danych, itd.
W prawym górnym rogu panelu frontowego znajduje się
ikona symbolizująca bieżący program VI. Chcąc potraktować ten VI
jako podprogram w innym większym programie posłużymy się właśnie
tą ikoną. Wstawiamy ją na diagramie większego VI, podobnie
jak dowolną funkcję jako węzeł programu. Z każdym podprogramem lub
funkcją związana jest kratka terminali
czyli kratka wejść i wyjść.
Download
Random flashcards
Motywacja w zzl

3 Cards ypy

Pomiary elektr

2 Cards m.duchnowski

Create flashcards