109
10. MULTIMETRY CYFROWE I INTEGRACYJNE PRZETWORNIKI
ANALOGOWO – CYFROWE – Ćwiczenie nr 4
10.1. Cel
ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z multimetrami cyfrowymi: 34401A, ME21 oraz
dwoma metodami przetwarzania analogowo – cyfrowego: metodą podwójnego całkowania
i metodą przetwarzania napięcia na częstotliwość.
10.2. Wprowadzenie
Multimetry cyfrowe skupiają w sobie wiele różnorodnych funkcji pomiarowych. Są
najbardziej popularnymi przyrządami elektronicznymi. Produkowanych jest wiele typów
multimetrów od prostych (3 1/2 lub 4 1/2 cyfrowych) serwisowych do bardzo dokładnych
(8 1/2 cyfrowych) multimetrów laboratoryjnych.
10.2.1. Multimetry serwisowe
Większość współczesnych multimetrów serwisowych oprócz pięciu podstawowych
pomiarów - napięcia i natężenia prądu stałego i zmiennego oraz rezystancji - realizuje
dodatkowo pomiary częstotliwości, pojemności, rzeczywistej wartości skutecznej,
temperatury oraz testy ciągłości obwodu z sygnalizacją akustyczną (możliwość wygodnego
przeprowadzania testów bez konieczności patrzenia na wyświetlacz), testy tranzystorów i
diod. Bardziej uniwersalne mierzą dodatkowo: czas, okres, fazę, szerokość impulsów,
współczynnik wypełnienia. Multimetry wyposażone są we wskaźniki cyfrowe, a także
wskaźniki analogowe typu bargraf. Zakresy pomiarowe są przełączane ręcznie lub
automatycznie.
Do realizacji pomiarów służą trzy zaciski oznaczone symbolami COM, V/
Ω, A. Zacisk
COM jest używany w każdym rodzaju pomiarów. Mierząc napięcie lub rezystancję
wykorzystujemy zaciski V/
Ω i COM, mierząc natężenie prądu wykorzystujemy zaciski A
i COM. Bardzo ważne jest użycie właściwych zacisków pomiarowych i prawidłowe
ustawienie funkcji przyrządu. Błąd może spowodować uszkodzenie miernika.
Droższe typy multimetrów serwisowych zaopatrzone są w ciekłokrystaliczne ekrany
graficzne, służące do wyświetlania wyniku pomiaru i zobrazowania przebiegów czasowych
(funkcja oscyloskopu) lub wykreślania trendu na podstawie pomiarów w dłuższym odcinku
czasu bez udziału użytkownika. Produkowane są także multimetry do bezkontaktowego
pomiaru prądu w obwodach elektrycznych, zarówno zmiennego jak i stałego, nazywane
"multimetrami cęgowymi". W obwodach prądu stałego pomiar opiera się na wykorzystaniu
zjawiska Halla. W laboratorium Podstaw Miernictwa używane są multimetry serwisowe
koreańskiej firmy Metex.
10.2.2. Multimetry laboratoryjne
Precyzyjne multimetry laboratoryjne są oferowane w wersjach od 4 1/2 do 8 1/2
cyfrowych. Posiadają wyższą rozdzielczość i lepszą dokładność od multimetrów
serwisowych. Wiele z nich ma rozdzielczość odpowiadającą kilkudziesięciu nanowoltom i
dokładność pomiarów rzędu 20ppm. Multimetry laboratoryjne mają co najmniej pięć
zacisków pomiarowych. Dwie pary zacisków są potrzebne do dokładnych pomiarów małych
110
rezystancji metodą Kelvina (czteroprzewodowo). Jedna para oznaczona symbolami HI i LO
dostarcza prąd do mierzonego rezystora, druga para oznaczona symbolami HI SENSING i LO
SENSING służy do pomiaru spadku napięcia na rezystorze. W ten sposób unika się wpływu
rezystancji doprowadzeń na wynik pomiaru.
Multimetry laboratoryjne są z reguły programowane. Funkcje pomiarowe są zadawane z
klawiatury znajdującej się na płycie czołowej przyrządu. Klawiatura ta pozwala programować
pracę multimetru w języku zaznaczonych na niej symboli. Użytkownik może korzystać z
menu o strukturze wielopoziomowego drzewa. Poruszając się w górę i w dół drzewa, wybiera
poszczególne komendy i parametry pracy multimetru. Zestaw komend zawiera operacje
odnoszące się do procedury pomiarowej, a także operacje matematyczne.
Multimetry
laboratoryjne
są zazwyczaj przewidziane do pracy w systemach pomiarowych
o złożonej strukturze. Odbywa się to za pośrednictwem wybranego interfejsu wg standardu
GPIB lub RS-232.
10.2.3. Budowa multimetrów cyfrowych
Uproszczony schemat blokowy multimetru cyfrowego pokazano na rys. 10.1. W wielu
współczesnych rozwiązaniach konstrukcyjnych, w celu zredukowania wymiarów,
podniesienia niezawodności i obniżenia ceny, poszczególne bloki są wykonane w postaci
specjalizowanych układów scalonych wielkiej skali integracji.
Kondycjoner
sygnału
wejściowego
Przetwornik
A/C
Układ
ekspozycji
wyniku
Układ sterowania
IEC-625
RS-232
We
Rys. 10.1. Schemat blokowy multimetru
W typowym multimetrze cyfrowym sygnał wejściowy: napięcie AC lub DC, prąd,
rezystancja oraz każda inna mierzona wielkość (np. temperatura), są zamieniane na napięcie
DC przeskalowane w celu dopasowania do zakresu przetwarzania przetwornika A/C.
Przetwornik A/C dokonuje zamiany tego napięcia na równoważną postać cyfrową, która jest
eksponowana na wyświetlaczu. Blok sterowania cyfrowego, wykonywany przeważnie na
mikrokontrolerze, zarządza przepływem informacji wewnątrz przyrządu, koordynuje
wewnętrzne funkcje oraz, poprzez standardowe interfejsy, dokonuje transferu danych
pomiarowych do zewnętrznych przyrządów, takich jak drukarki lub komputery.
Przetwornik
skali napięcia
zmiennego
Przetwornik
skali napięcia
stałego
Przetwornik
R/U
Przetwornik
AC/DC
Przetwornik
I/U
I
AC
DC
Ω
Hi
A
COM
AC
DC
Ω
do
przetwornika
A/C
111
Rys. 10.2. Bloki funkcjonalne kondycjonera sygnału wejściowego
Kondycjoner
sygnału wejściowego może być dalej podzielony na bloki funkcjonalne, jak
pokazuje rys. 10.2. Na schemacie tym przełączniki wyboru funkcji, przetworniki skali,
przetwornik R/U, rezystor wzorcowy do pomiaru prądu i przetwornik AC/DC są odrębnymi
blokami. Jest to typowe, ale nie jedyne, rozwiązanie.
Pomiar
prądu realizowany jest w multimetrach metodą pomiaru spadku napięcia na
wewnętrznym wzorcowym rezystorze. Rezystor wzorcowy jest dobierany do zakresu
pomiarowego, na przykład: 0,1
Ω dla zakresów 3A i 1A; 1Ω dla zakresu 100mA; 10Ω dla
zakresu 10mA.
Dla pomiaru napięcia lub prądu zmiennego sygnał mierzony po przeskalowaniu w
dzielniku wejściowym jest podawany na przetwornik AC/DC. Blok ten może być prostym
układem prostownikowym wykonanym na diodach lub bardziej złożonym detektorem
rzeczywistej wartości skutecznej (true RMS).
Przetwarzanie rezystancji na napięcie może polegać na bezpośrednim wykorzystaniu
prawa Ohma. Oznacza to, że jest mierzony spadek napięcia na nieznanej rezystancji,
wymuszony przepływem prądu ze źródła prądowego o dokładnie znanej wydajności.
10.2.4. Przetworniki A/C stosowane w multimetrach cyfrowych
W
większości multimetrów cyfrowych stosowane są integracyjne przetworniki A/C,
bazujące na pośredniej metodzie przetwarzania. Napięcie wejściowe jest najpierw
przetwarzane na odcinek czasu lub częstotliwość, a następnie, za pomocą licznika, na postać
cyfrową. Na rys. 10.3 pokazano schemat blokowy przetwornika integracyjnego realizującego
metodę podwójnego całkowania. Zbudowany jest z integratora, komparatora, źródła napięcia
referencyjnego oraz części cyfrowej (licznika, zegara i układu sterującego pracą
przetwornika).
Integrator
Część
cyfrowa
K
U
x
-U
o
U
int
N
Rys. 10.3. Schemat blokowy przetwornika A/C realizującego metodę podwójnego całkowania
Rys. 10.4 przedstawia charakterystyczny przebieg napięcia na wyjściu integratora.
Konwersja zaczyna się podaniem mierzonego napięcia na integrator. Skutkiem tego jest
liniowe narastanie napięcia na wyjściu integratora (pierwsze całkowanie), które trwa przez
ściśle określony czas, wyznaczany przez licznik. Po upływie tego czasu układ sterowania
przełącza wejście integratora na źródło napięcia wzorcowego o przeciwnej polaryzacji i
kondensator integratora rozładowuje się (drugie całkowanie) aż do czasu, gdy komparator
wykryje, że osiągnięty został punkt startowy. Licznik mierzy odcinek czasu, jaki jest
potrzebny do rozładowania kondensatora. Ponieważ wartości rezystancji i pojemności w
integratorze oraz częstotliwość zegara pozostają stałe w obu cyklach przetwarzania, stosunek
czasu rozładowania T
2
do czasu ładowania kondensatora T
1
odpowiada stosunkowi napięcia
mierzonego U
x
do napięcia referencyjnego U
o
. Stąd liczba impulsów zliczonych w czasie
rozładowania kondensatora N
x
jest proporcjonalna do mierzonego napięcia.
112
max
x
o
x
1
2
N
N
U
U
T
T
=
=
(10.1)
Bezwzględne wartości rezystancji, pojemności kondensatora oraz częstotliwości zegara nie
mają wpływu na dokładność przetwarzania. Co więcej, każdy nałożony na mierzone napięcie
sygnał zakłócający jest uśredniany w czasie pierwszego całkowania, co umożliwia tłumienie
zakłóceń periodycznych, na przykład o częstotliwości sieci energetycznej. W tym celu
konieczne jest dopasowanie czasu pierwszego całkowania do okresu zakłóceń lub jego
wielokrotności. Od dokładności tego dopasowania zależy skuteczność tłumienia zakłóceń.
0
10000
N (wskazanie licznika)
U
x
= 0.20V
U
x
= 0.10V
0
1000
2000
czas równy całkowitej wielokrotności
okresu napięcia w sieci energetycznej
Rys.10.4. Przebieg napięcia na wyjściu integratora w przetworniku A/C z podwójnym całkowaniem
Do grupy metod integracyjnych pośredniego przetwarzania należy również metoda
częstotliwościowa. W tej metodzie, wielkością pośrednią pomiędzy napięciem a cyfrą jest
częstotliwość. Mamy tu do czynienia z dwoma rodzajami integracji: całkowaniem napięcia U
x
w integratorze w zmiennym czasie, zależnym od aktualnej wartości U
x
, oraz uśrednianiem
częstotliwości w liczniku przez ściśle określony czas T
i
. W istocie rzeczy, przetwarzanie
metodą częstotliwościową składa się z wielu kroków, mających cechy przetwarzania metodą
czasową (rys. 10.5). Tłumienie zakłóceń uzyskuje się w tego typu przetworniku dobierając do
okresu zakłóceń czas T
i
.
T
i
= const
t
x
= var
U
int
U
r
t
t
Rys. 10.5. Przebieg napięcia na wyjściu integratora w przetworniku typu U/f
113
W ćwiczeniu badany jest przetwornik ADVFC32 firmy Analog Devices, którego schemat
blokowy przedstawiono na rys. 10.6. Układ pracuje na zasadzie równoważenia ładunku. Prąd
wejściowy równy V
IN
/R
1
jest całkowany przez wejściowy wzmacniacz operacyjny z
kondensatorem C
2
. Na wyjściu wzmacniacza otrzymuje się liniowo opadający przebieg
napięcia. Gdy przebieg ten osiągnie wartość progową, następuje zmiana stanu na wyjściu
komparatora, która wyzwala przerzutnik monostabilny (one-shot). Impuls generowany przez
przerzutnik zamyka klucz dołączając do wejścia wzmacniacza operacyjnego wzorcowe źródło
prądowe o wydajności 1 mA, które ładuje kondensator. Czas trwania ładowania można dla
układu ADVFC32 obliczyć ze wzoru
Ω
k
.
)
pF
C
(
t
c
7
6
44
1
×
+
=
. (10.2)
Po tym czasie następuje ponowne rozładowywanie kondensatora. W każdym cyklu ładunek
pobrany z kondensatora jest równy ładunkowi dostarczonemu
)
1
(
)
1
(
c
OUT
IN
c
IN
t
f
I
t
I
mA
−
×
=
×
−
.
(10.3)
Stąd częstotliwość impulsów na wyjściu układu wynosi
c
IN
OUT
t
mA
R
V
f
×
×
=
1
1
. (10.4)
Rys. 10.6. Schemat blokowy przetwornika napięcie – częstotliwość ADVFC32
10.2.5. Tłumienie zakłóceń okresowych nałożonych na mierzone napięcie
Multimetry zbudowane przy wykorzystaniu przetworników całkujących mają naturalne
114
właściwości tłumienia zakłóceń periodycznych, pod warunkiem odpowiedniego dobrania
czasu całkowania. Rozważmy pomiar napięcia o wartości 0V za pomocą woltomierza
integracyjnego w obecności zakłóceń typu
, gdzie
ω - pulsacja zakłóceń. Niech
całkowanie napięcia mierzonego zaczyna się w chwili t = t
u U
t
= sinω
0
i kończy w chwili t = t
0
+ T
1
.
Wówczas średnia wartość napięcia za okres całkowania wynosi
[
]
U
T
tdt
U
t
t
U
T
t
T
t
sr
t
t
T
t t
t t
T
o
o
o
o
o
o
=
= −
= −
+
−
+
=
= +
∫
1
1
1
1
1
sin
cos
cos (
) cos
ω
ω
ω
ω
ω
ω
U
.
(
10.5
)
Po rozwinięciu tego wyrażenia według wzoru na różnicę cosinusów otrzymujemy
U
U
T
t
T
T
sr
o
= −
−
+
ω
ω
ω
ω
1
1
2
1
2
2
1
2
sin (
) sin (
)
1
.
(
10.6
)
Przyjmijmy najbardziej niekorzystny przypadek, gdy całkowanie rozpoczyna się w momencie
czasu t
0
takim, że napięcie średnie osiąga wartość maksymalną. Ma to miejsce, gdy
1
2
2
1
1
=
+
)
T
t
(
sin
o
ω
ω
.
Otrzymamy wówczas
U
U
T
T
U
fT
fT
sr
f
(max)
sin
sin
=
=
=
2
1
2
1
1
2
1
1
ω
ω
π
π
ω
π
(
10.7
)
Opierając się na właściwości funkcji
x
x
sin
wnioskujemy, że gdy częstotliwość zakłóceń
maleje do zera, to U
sr(max)
zdąża do U. W celu oceny tłumienia zakłóceń przez przetwornik
integracyjny w funkcji częstotliwości obliczymy stosunek napięcia średniego przy
częstotliwości zakłóceń równej 0 Hz do jego wartości przy innych częstotliwościach; dzięki
temu otrzymamy wskaźnik niezależny od poziomu zakłóceń.
x
sin
x
T
T
sin
T
T
fT
sin
fT
fT
sin
fT
U
U
n
n
π
π
π
π
π
π
π
π
=
=
=
1
1
1
1
1
1
(
10.8
)
gdzie x
T
T
n
=
1
jest stosunkiem czasu integracji do okresu zakłóceń .
W celu ilościowego określenia tłumienia zakłóceń przez przetworniki integracyjne stosuje się
miarę decybelową powyższego wskaźnika, nazywaną Współczynnikiem Tłumienia Sygnału
Nałożonego (Normal Mode Rejection Ratio)
x
x
20
dB
NMRR
π
π
=
sin
log
]
[
(
10.9
)
dB
0,1 1 10
40
30
20
10
0
x
115
Rys. 10.7. Wykres tłumienia zakłóceń w funkcji stosunku czasu integracji do okresu zakłóceń
Rys. 10.7 przedstawia przebieg współczynnika NMRR w funkcji stosunku czasu integracji do
okresu napięcia zakłócającego. Wynika z niego, że wybór właściwego czasu całkowania
umożliwia całkowitą eliminację zakłóceń. Czas ten (w Europie) powinien być równy 20 ms,
lub wielokrotności tej liczby, z uwagi na to, że zakłócenia mają przeważnie częstotliwość
sieci elektroenergetycznej.
10.2.6. Podstawowe parametry metrologiczne multimetrów cyfrowych
Liczba
cyfr, jest podstawowym parametrem technicznym multimetru. Pełna liczba cyfr
odpowiada liczbie pozycji dziesiętnych, na których multimetr wyświetla pełen zestaw cyfr od
"0" do "9". Większość multimetrów dopuszcza przekroczenie zakresu i dodanie do wyniku
"1/2" cyfry. Na przykład multimetr 34401A może mierzyć 9.999 V na zakresie 10 V. Wynik
ten składa się z czterech pełnych cyfr. Multimetr dopuszcza 20 % przekroczenie zakresu 10 V
i pomiar napięcia do wartości 11.999 V. Możliwość ta jest określona liczbą cyfr 4 1/2.
Błąd pomiaru jest specyfikowany dla multimetrów cyfrowych jako
± (% odczytu + %
zakresu). Dodatkowy błąd wskazań może być wywołany zmianą temperatury otoczenia,
bardzo niską częstotliwością lub dużym współczynnikiem szczytu mierzonego sygnału.
Przykład obliczania błędu pomiaru napięcia.
Zakładając, że specyfikacja multimetru podaje błąd jako
± ( 0.002 % odczytu + 0.000 5%
zakresu ), błąd pomiaru napięcia 5 Vdc na zakresie 10 Vdc obliczamy w następujący sposób.
Błąd odczytu
= 0.0020 %
× 5 Vdc = 100 µV
Błąd zakresu
= 0.000 5%
× 10 Vdc = 50 µV
Bezwzględny błąd pomiaru = 100
µV + 50 µV = ± 150 µV
Względny błąd pomiaru =
± 0.003 % (lub 30ppm) napięcia 5 V.
Rozdzielczość, wyraża najmniejszy przyrost wielkości sygnału wejściowego, który
powoduje zmianę wyniku pomiaru. Rozdzielczość może być podawana w jednostkach
mierzonej wielkości (na przykład w
µV), lub jako stosunek minimalnej wyświetlanej wartości
do maksymalnej wyświetlanej wartości na wybranym zakresie, w procentach albo częściach
na milion (ppm). Rozdzielczość bywa też wyrażana liczbą bitów słowa wyjściowego
przetwornika analogowo – cyfrowego zastosowanego w multimetrze. Na przykład 12 bitów
odpowiada 100 % / (2
12
– 1) = 100 % / 4095 = 0.024 % rozdzielczości, 16 bitów 0.0015 %
rozdzielczości. Dla przetworników a/c, których konstrukcja oparta jest na liczniku,
rozdzielczość można podawać w postaci liczby zliczeń. Wszystkie sposoby są równoważne.
116
Przykład
Multimetr 6 cyfrowy na zakresie 1 V może dokonywać pomiarów z rozdzielczością 1 000 000
zliczeń.
Odpowiada to:
1
,
V
µ
0.0001 % pełnego zakresu lub 1 ppm,
n = 20 bitom, gdzie
.
)
.
log
/
93
19
2
6
(
entier
n
=
=
Czas pomiaru multimetrem jest zazwyczaj dłuższy od czasu przetwarzania A/C. Na
przykład, niektóre multimetry mają w cykl pomiarowy włączoną fazę autozerowania, inne
jako wynik pomiaru podają uśrednioną wartość wielu przetworzeń zrealizowanych w
dłuższym odcinku czasu. W multimetrach laboratoryjnych użytkownik może zazwyczaj
programować czas całkowania wybierając kompromis pomiędzy szybkością a dokładnością
pomiarów.
10.2.7. Przegląd multimetrów cyfrowych czołowych firm światowych
Wymienione zalety oraz prostota metody podwójnego całkowania są przyczyną
stosowania jej przez producentów multimetrów. Niektórzy jednak (np. Fluke, Hewlett-
Packard), dążąc do zwiększenia rozdzielczości i szybkości przetwarzania, stosują pewne
odmiany tej techniki i mają własne układy scalone wielkiej skali integracji do realizacji
procesu przetwarzania. Zaawansowane wersje tych układów, oprócz przetwornika A/C, mogą
zawierać dodatkowo blok sterowania multimetrem, blok częstościomierza oraz blok do
testowania ciągłości obwodów elektrycznych.
Przykładem może być technika wielokrotnego całkowania (multiple slope) zastosowana w
multimetrze Fluke 27, firmy Fluke Corporation (USA). Polega ona na wykonaniu serii
dziesięciu małych konwersji, po 40ms każda. Te małe konwersje dające 25 wyników na
sekundę służą do wysterowania szybkiego wskaźnika typu bargraf i do realizacji szybkiego
autozerowania. Duża konwersja, obejmująca dziesięć małych, daje wynik cyfrowy o pełnej
rozdzielczości. Po każdej dużej konwersji następuje faza autozerowania trwająca 100ms.
Firma Agilent Technology w swoich multimetrach (na przykład 34401A) stosuje
opatentowaną metodę przetwarzania A/C nazywaną "multislope III". Jest to odmiana
integracyjnej metody przetwarzania z równoważeniem ładunku (charge balance). Idea
działania tych przetworników sprowadza się do tego, by uzyskać równowagę w układzie,
polegającą na doprowadzaniu i odprowadzaniu stałych kwantów ładunku do i z kondensatora.
Przetworniki z równoważeniem ładunku stosują "wolno biegnący" integrator ze źródłem
impulsów rozładowujących w pętli sprzężenia zwrotnego. Firma Keithley dla osiągnięcia
jednocześnie dużej rozdzielczości i szybkości przetwarzania również stosuje odmianę metody
z równoważeniem ładunku - metodę ze zmienną szerokością impulsu rozładowującego i stałą
częstotliwością. Firma Prema Precision Electronic Inc. (USA) produkuje ASIC o
rozdzielczości 25 bitowej oparty na technice "multiple ramp", która jest również odmianą
metody z równoważeniem ładunku. Podstawową zaletą tej techniki jest wyeliminowanie
wpływu na dokładność przetwarzania strat w dielektryku kondensatora całkującego oraz
dryftów.
10.2.8. Multimetr 34401A firmy Agilent Technology (dawniej Hewlett Packard)
Multimetr 34401A jest wysokiej klasy przyrządem laboratoryjnym, w którym skupiono
kilkanaście funkcji pomiarowych, między innymi: pomiar napięć i prądów stałych, pomiar
prawdziwej wartości skutecznej napięć i prądów zmiennych, pomiar rezystancji,
częstotliwości, okresu, badanie ciągłości obwodu, testowanie diod, pomiar stosunku dwóch
117
napięć stałych. Charakteryzuje się wysoką dokładnością, posiada 6 ½ cyfrowy
wyświetlacz, podstawowy 24 godzinny błąd pomiaru napięcia stałego wynosi 0.0015 %.
1. FUNCTION - funkcje pomiarowe: DC V – pomiar napięcia stałego, DC I pomiar
prądu stałego, AC V – pomiar napięcia zmiennego, AC I – pomiar prądu
zmiennego, Ω 2W – dwuprzewodowy pomiar rezystancji, Ω 4W –
czteroprzewodowy pomiar rezystancji, Freq – pomiar częstotliwości, Period –
pomiar okresu, Cont))) - badanie ciągłości obwodu, symbol diody - testowanie diód
półprzewodnikowych.
2. MATH - operacje matematyczne: Min-Max zapamiętuje wartości minimalną i
maksymalną z serii wyników pomiarów, Null - pomiary relatywne - każda
wyświetlana liczba jest różnicą pomiędzy wynikiem pomiaru i zadaną wcześniej
wartością „null”, dB, dBm pomiary stosunku napięć stałych i zmiennych w mierze
decybelowej.
3. TRIG - wyzwalanie pomiaru: SINGLE - pomiar jednorazowy, AUTO -
automatyczne wyzwalanie pomiaru, HOLD - pamiętanie wyniku.
4. SHIFT - zmiana funkcji kluczy programujących na funkcje opisane kolorem
niebieskim.
5. TERMINALS - wybór gniazd pomiarowych: FRONT – gniazda na płycie czołowej
przyrządu, REAR – gniazda na płycie tylnej przyrządu.
6. RANGE - wybór zakresu pomiarowego: AUTO – automatyczny, MAN - ręczny,
DIGITS - wybór liczby cyfr w wyniku pomiaru: 4, 5 lub 6 cyfr.
7. MENU - klucze do poruszania się po drzewie menu: LEVEL - zmiana poziomu
118
menu, CHOICES - wybór funkcji lub parametru, ENTER – wykonanie.
Rys. 10.8. Płyta czołowa multimetru 34401A
Zakresy pomiarowe mogą być wybierane ręcznie lub automatycznie. Maksymalna
programowana częstość pomiarów to 1000 pomiarów na sekundę.
Podstawowe funkcje pomiarowe są wybierane z klawiatury znajdującej się na płycie
czołowej multimetru. Na rys. 10.8. przedstawiono płytę czołową multimetru z
wyodrębnionymi grupami funkcjonalnymi kluczy programujących.
Rzadziej używane funkcje pomiarowe i parametry pracy przyrządu programuje się za
pomocą menu, które posiada strukturę 3 poziomowego drzewa (menus, commands,
parameters), przedstawioną na rys. 10.9. Przemieszczanie się po drzewie w dół lub w górę
jest realizowane za pomocą pionowych strzałek. Każdy poziom drzewa posiada kilka
gałęzi, których wybór jest dokonywany za pomocą poziomych strzałek, prawej i lewej. Dla
włączenia lub wyłączenia menu należy wcisnąć kolejno klawisze Shift i Menu On/Off .
Dla wykonania komendy z menu należy nacisnąć Enter. Aby wywołać ostatnio
wykonywaną komendę nacisnąć Shift Recall.
ON/OFF
B: MATH
A: MEAS
2: CONTINUITY
5: RESOLUTION
1: AC FILTER
Fast
Medium
Slow
Rys. 10.9. Struktura drzewa MENU
Na najwyższym poziomie MENU, nazywanym TOP, do dyspozycji użytkownika jest
sześć pozycji, oznaczonych literami od A do F.
119
W trakcie wykonywania ćwiczenia używane jest jedynie MEASurement MENU.
Przykładowa sekwencja programująca rozdzielczość woltomierza ma postać: SHIFT,
ON,
, >, >, >, >,
, >, >,...... (wybór żądanego parametru), ENTER.
∨
∨
Podstawowe gniazda pomiarowe multimetru, to oznaczone symbolami HI i LO
gniazda INPUT (z prawej strony na rys. 10.10), używane do pomiaru napięć,
częstotliwości, okresu, ciągłości obwodu, rezystancji metodą dwuprzewodową oraz do
testowania diod. Gniazdo HI należy łączyć z punktem pomiarowym o wyższym
potencjale, gniazdo LO z punktem pomiarowym o potencjale niższym. Dodatkowa
para gniazd HI i LO z lewej strony jest używana do czteroprzewodowego pomiaru
rezystancji oraz pomiaru stosunku dwu napięć. W trakcie pomiaru prądów stałych i
zmiennych wykorzystuje się gniazda oznaczone symbolami I oraz LO.
+
Mierzone
napięcie
_
Rys. 10.10. Zespół gniazd pomiarowych multimetru 34401A
120
10.2.9. Słownik podstawowych terminów anglojęzycznych
Autoranging - zdolność przyrządu do przełączania zakresów w sposób automatyczny.
Automatic Power-off - automatyczne odłączenie zasilania po określonym czasie
bezczynności multimetru (10 - 30 min), realizowane w celu oszczędności baterii.
Bar graph - bargraf - część wyświetlacza dająca analogowe wskazanie mierzonej wielkości
(słupek o długości proporcjonalnej do wyniku pomiaru). Przydatny do monitorowania wolno-
zmiennych lub niestabilnych napięć.
Beeper, Buzzer - źródła sygnału dźwiękowego, używane w multimetrach na przykład do
sygnalizacji przekroczenia zakresu pomiarowego.
CMV Common Mode Voltage - napięcie pomiędzy zaciskiem LO i masą multimetru.
CMRR - Common Mode Rejection Ratio - współczynnik tłumienia sygnału wspólnego dla
obu wejść multimetru HI oraz LO.
Com - (od ang. common - wspólny) zacisk multimetru używany przy wszystkich pomiarach
napięć, prądów i rezystancji.
Bench multimeter - multimetr stacjonarny do użytku na stanowisku laboratoryjnym.
Clamp multimeter - multimetr cęgowy.
Handheld multimeter - przenośny multimetr serwisowy mieszczący się w dłoni.
HI - zacisk wejściowy multimetru dla dołączenia wyższego potencjału.
LO - zacisk wejściowy multimetru dla dołączenia niższego potencjału.
LCD - wyświetlacz ciekłokrystaliczny.
NMV - normal mode voltage - napięcie podane pomiędzy zaciski HI i LO multimetru.
NMRR - Normal Mode Rejection Ratio - współczynnik tłumienia sygnału nałożonego.
Określa zdolność multimetru do tłumienia zakłóceń nałożonych na napięcie mierzone.
Podawany w dB dla określonej częstotliwości zakłóceń.
OVLD - overload - przekroczenie zakresu pomiarowego.
ppm - parts per million.
Relative mode - tryb pracy multimetru, w którym wyświetlane są tylko różnice pomiędzy
bieżącymi wynikami a jednym zapamiętanym wynikiem.
Sleep mode - inna nazwa funkcji automatycznego odłączania zasilania.
Smoothing - funkcja multimetru, która pozwala na bieżącą ekspozycję średniej z kilku (np.
ośmiu) ostatnich wyników pomiarów.
10.2.10. Sposób wykonywania ćwiczenia laboratoryjnego
Ćwiczenie wykonywane jest z pomocą i pod nadzorem komputera, do którego dołączone
są wybrane przyrządy pomiarowe. Szczegółowe instrukcje do zadań, schematy ideowe i
montażowe oraz żądane wartości wyświetlane są na bieżąco na ekranie monitora w trakcie
wykonywania ćwiczenia.
Po uruchomieniu komputera, w oknie danych osobowych (rys. 10.11), należy podać swoje
imię i nazwisko oraz numer indeksu i kierunek studiów.
Ćwiczenie obejmuje 10 zadań laboratoryjnych. Wykonanie sześciu pierwszych jest
obowiązkowe, a czterech pozostałych nadobowiązkowe. Zadania można wykonywać w
dowolnej kolejności (przyciski z numerami zadań już wykonanych zmieniają kolor z szarego
na zielony i można te zadania wykonywać wielokrotnie). Wykonanie zadań dodatkowych
możliwe jest wyłącznie po poprawnym zakończeniu części obowiązkowej.
W czasie wykonywania zadań laboratoryjnych przyznawane są punkty za poprawne i
precyzyjne zrealizowanie poleceń. Szybkość wykonywania zadań nie jest punktowana, liczy
się tylko poprawność. Otrzymane wyniki i uzyskane punkty zapisywane są na bieżąco na
121
dysku twardym komputera, a po zakończeniu ćwiczenia wydrukowane zostanie
sprawozdanie, które należy przedłożyć prowadzącemu do podpisu. W sytuacji awaryjnej
można wykonywać ćwiczenie "na raty", aktualny stan ćwiczenia jest zapamiętany na dysku i
można do niego powrócić w dowolnym momencie.
Rys. 10.11. Okno wprowadzania danych osobowych
Rys. 10.12. Menu główne programu
122
.....Widok ekranu z "menu" podstawowym przedstawiono na rys. 10.12.
W celu rozpoczęcia wykonywania zadania należy wybrać "przycisk" z odpowiednim
numerem zadania. Wybranie przycisku <KONIEC> spowoduje przejście do funkcji
drukowania sprawozdania i zakończenie programu.
Rys. 10.13. Widok ekranu w czasie testu z zaznaczoną poprawną odpowiedzią
Przed wykonaniem pierwszego zadania należy rozwiązać test składający się z 5 pytań
wybranych przez komputer. Punktowane są prawidłowe odpowiedzi i czas odpowiadania.
Zaznaczenie odpowiedzi błędnych spowoduje przyznanie punktów karnych! Zaznaczanie
poprawnych odpowiedzi polega na wybraniu myszką (lub klawiszami TAB, strzałki
↑ ↓ i
ENTER) "przycisku" oznaczonego "A>", "B>",..."D>".
Przycisk przy zaznaczonej odpowiedzi zmienia kolor na zielony. Po zaznaczeniu wszystkich
poprawnych odpowiedzi należy wybrać przycisk <GOTOWE>. Widok ekranu w czasie testu
z zaznaczoną poprawną odpowiedzią przedstawiono na rys. 10.13.
10.3. Wykaz sprzętu pomiarowego
a.
Multimetr cyfrowy Agilent 34401A
b.
Multimetr cyfrowy Metex ME-21
c.
Multimetr cyfrowy Metex M3640
d.
Układ laboratoryjny z przetwornikami U/t i U/f
e.
Zasilacz stabilizowany BS-525
f.
Generator funkcyjny Agilent (Hewlett Packard) 33120A
g.
Oscyloskop dwukanałowy Metrix OX 8040
h.
Rezystor dekadowy (R
max
= 100 kΩ)
i.
Układ laboratoryjny z diodami
123
j.
Przewody BNC-BNC, BNC-wtyki bananowe
10.4. Zadania pomiarowe
Część obowiązkowa
10.4.1. Pomiary napięć woltomierzem integracyjnym z przetwarzaniem U/t, dobieranie
właściwego zakresu pomiarowego i określanie rozdzielczości pomiaru
Zadanie polega na wykonywaniu pomiarów napięcia stałego i zmiennego na poszczególnych
zakresach i obserwacji błędu dyskretyzacji. Następnie losowana jest wartość napięcia, dla której należy
dobrać właściwy zakres pomiarowy, a następnie określić z jaką rozdzielczością pomiar był wykonany.
Obserwowane jest także przepełnienie zakresu oraz jego automatyczny wybór. Pomiary zostaną
wykonane w układzie przedstawionym na rys. 10.14.
Podczas pomiaru jakiejkolwiek wielkości przyrząd pomiarowy należy ustawić na właściwy
zakres, to znaczy tak, aby błędy pomiaru były jak najmniejsze. Typowym dla mierników
cyfrowych składnikiem błędu pomiaru jest błąd dyskretyzacji. Aby go zminimalizować,
należy wybrać najniższy możliwy zakres, który nie powoduje jeszcze przekroczenia wartości
zakresowej. Przykładowo, jeżeli mierzymy napięcie 2 V, to najlepszym zakresem (w
multimetrze 34401A) będzie zakres 10 V, na zakresie 100 V błąd pomiaru będzie
dziesięciokrotnie większy, a na zakresie 1 V nastąpi przekroczenie wartości zakresowej.
Wartość napięcia i szczegółowy schemat montażowy będzie wyświetlony na ekranie monitora
w trakcie wykonywania ćwiczenia.
Hi
Lo
V
34401A
BS-525
lub
33120A
Rys. 10.14. Układ pomiarowy do zadania 10.4.1
Zapamiętaj !
WYBIERAJ ZAWSZE NAJNIŻSZY MOŻLIWY
ZAKRES POMIAROWY
10.4.2. Pomiar napięcia stałego w obecności zakłóceń
Zadanie polega na sprawdzeniu, czy woltomierz integracyjny 34401A prawidłowo
eliminuje zakłócenia o częstotliwości sieci energetycznej (50Hz) i jej wielokrotności. Pomiary
zostaną wykonane przy trzech częstotliwościach sygnału zakłócającego: 50, 75 i 100Hz w
układzie pomiarowym z rys. 10.15.
Multimetry są tak konstruowane, aby były odporne na zakłócenia o częstotliwości sieci
energetycznej (50Hz) i jej wielokrotności. W woltomierzach integracyjnych realizowane to
jest poprzez odpowiedni dobór czasu całkowania integratora. Czas ten powinien równać się
okresowi sygnału zakłócającego lub jego wielokrotności. Przykładowo, w Polsce
częstotliwość sieci energetycznej wynosi 50Hz, zatem czas całkowania winien wynosić t
c
=
124
1/50Hz = 20ms lub jego wielokrotność.
~
Hi
Lo
V
Hi
Gnd
BS-525
33120A
34401A
Rys. 10.15. Układ pomiarowy do badania odporności multimetru na zakłócenia
Zapamiętaj !
MULTIMETRY SĄ TAK KONSTRUOWANE, ABY ELIMINOWAĆ
ZAKŁÓCENIA O CZĘSTOTLIWOŚCI SIECI ENERGETYCZNEJ
I JEJ WIELOKROTNOŚCI10.4.3. Pomiar rezystancji
Celem tego zadania jest przedstawienie metody stosowanej powszechnie w multimetrach
cyfrowych do pomiaru rezystancji. Zadanie polega na zmierzeniu wartości rezystora i
rozwiązaniu prostego zadania rachunkowego. Pomiary zostaną wykonane w układzie
pomiarowym pokazanym na rys. 10.16.
R
X
Rezystor
dekadowy
Hi
Lo
Ω
34401A
Rys. 10.16. Układ pomiarowy do zadania 10.4.3
multimetr 34401A
U
X
I
WZ
R
X
Rezystor
dekadowy
V
Rys. 10.17. Metoda pomiaru rezystancji w multimetrze 34401A
Metoda pomiaru rezystancji (rys. 10.17) polega na tym, że mierzony jest spadek napięcia
U
x
na nieznanej rezystancji wymuszony przepływem prądu z wewnętrznego wzorcowego
źródła prądowego, o wydajności I
wz
. Stąd
125
I
U
=
R
WZ
X
X
(
10.10
)
Zapamiętaj !
MULTIMETR W FUNKCJI OMOMIERZA ZASILA PRĄDOWO
BADANY ELEMENT. NIE MOŻNA WIĘC MIERZYĆ MULTIMETREM
REZYSTORÓW W UKŁADACH POD NAPIĘCIEM
10.4.4. Pomiar prądu
Celem tego zadania jest przedstawienie metody stosowanej powszechnie w multimetrach
cyfrowych do pomiaru prądu. Zadanie polega na zmierzeniu wartości prądu wzorcowego
omomierza i określeniu rezystancji wewnętrznej amperomierza. Pomiary zostaną wykonane w
układzie pomiarowym pokazanym na rys. 10.18.
R
n
Rezystor
dekadowy
Hi
Lo
Ω
34401A
A
Hi
Lo
M-4650CR
I
WZ
Rys. 10.18. Układ pomiarowy do zadania 10.4.5
multimetr
ME-21
U
X
I
X
V
R
n
Rezystor dekadowy
Hi
Lo
Ω
34401A
R
WZ
Rys. 10.19. Metoda pomiaru prądu w multimetrze ME-21
Metoda pomiaru prądu (rys. 10.19) polega na tym, że mierzony jest spadek napięcia U
x
na
wewnętrznym wzorcowym rezystorze R
wz
, przez który przepływa mierzony prąd, czyli
R
U
=
I
WZ
X
X
(
10.11
)
Zapamiętaj !
AMPEROMIERZ WPROWADZA DODATKOWĄ REZYSTANCJĘ
DO OBWODU, W KTÓRYM MIERZY PRĄD
126
10.4.5. Badanie przetwornika integracyjnego z przetwarzaniem napięcia na czas
Zadanie polega na obserwacji przebiegu napięcia na integratorze przetwornika U/t i
pomiarach czasów pierwszego i drugiego całkowania. Przebiegi obserwuje się na
oscyloskopie cyfrowym dla trzech napięć mierzonych – dwóch dodatnich i jednego
ujemnego. Pomiary zostaną wykonane w układzie pomiarowym przedstawionym na rys.
10.20.
Hi
Lo
INT
SYNCH.
R
C
T
1
Układ z przetwornikiem U/t
V
BS-525
34401A
CH1 EXT
OX 8040
U
x
-U
o
N
T
2
Część
cyfrowa
K
Rys. 10.20. Układ pomiarowy do badania przetwornika integracyjnego U/t
Zapamiętaj !
CZAS PIERWSZEGO CAŁKOWANIA W PRZETWORNIKU U/t JEST STAŁY
NIEZALEŻNIE OD WARTOŚCI MIERZONEGO NAPIĘCIA
10.4.6. Badanie przetwornika integracyjnego z przetwarzaniem napięcia na
częstotliwość
Zadanie polega na obserwacji i pomiarze sygnałów występujących w układzie
przetwornika integracyjnego z przetwarzaniem napięcia na częstotliwość oraz na
zarejestrowaniu charakterystyki przejściowej (zależności między częstotliwością na wyjściu
przetwornika U/f, a napięciem wejściowym). Pomiary zostaną wykonane w układzie
pomiarowym przedstawionym na rys. 10.21.
127
IN
GND
INT
OUT f
R
C
t
c
Układ z przetwornikiem U/f
V
f
ME-21
BS-525
34401A
CH1 CH2
OX 8040
Rys. 10.21. Układ pomiarowy do badania przetwornika integracyjnego U/f
Zapamiętaj !
PRZETWARZANIE NAPIĘCIA NA CZĘSTOTLIWOŚĆ JEST
OPERACJĄ LINIOWĄ
Część dodatkowa
10.4.7. Dodatkowe funkcje nowoczesnych multimetrów cyfrowych: pomiary spadku
napięcia na złączach p-n
Multimetr ME-21 umożliwia przeprowadzenie następujących pomiarów: 1) napięcia
stałego i zmiennego, 2) prądu stałego i zmiennego, 3) rezystancji, 4) przejścia (zwarcia), 5)
częstotliwości i 6) stanów logicznych.
Posiada on ponadto szereg bardzo użytecznych cech dodatkowych: 1) automatyczne
wyłączenie po 15 min., 2) optyczny i dźwiękowy sygnalizator przekroczenia zakresu, 3)
wskaźnik analogowy (bargraf), 4) wskaźnik zużycia baterii, 5) funkcje określenia wartości
maksymalnej lub minimalnej w serii pomiarów, 6) możliwość podłączenia do komputera
osobistego.
Zadanie prezentuje bardzo przydatną funkcje tego multimetru: pomiar spadku napięcia na
złączu p-n. Wykonywane są ponadto pomiary napięć w kierunku przewodzenia. Pomiary są
realizowane w układach pomiarowych pokazanych na
rys. 10.22.
badana
dioda
R
n
Hi
Lo
badana
dioda
Hi
Lo
V
ME-21
34401A
BS-525
A
COM
mA
ME-21
Rys. 10.22. Układ pomiarowy do zadania 10.4.7:
128
a) pomiary spadku napięcia na złączach p-n multimetrem ME-21
b) pomiary napięć na diodach multimetrem 34401A dla określonych wartości prądów
Zapamiętaj !
POMIAR SPADKU NAPIĘCIA NA ZŁĄCZU P-N ELEMENTU
PÓŁPRZEWODNIKOWEGO POZWALA NA SZYBKĄ OCENĘ,
CZY ELEMENT JEST DOBRY, CZY ZŁY ORAZ POZWALA NA
PRZEPROWADZENIE KLASYFIKACJI (OKREŚLENIA TYPU)
TEGO ELEMENTU.
10.4.8. Identyfikacja elementów na podstawie pomiarów za pomocą multimetru
cyfrowego
Zadanie polega na sprawdzeniu (zmierzeniu), za pomocą DOWOLNYCH funkcji
multimetrów ME-21, M3640 i 34401A, w których gałęziach są rozmieszczone elementy
wchodzące w skład "czarnej skrzynki". Przykładowe rozmieszczenie elementów przedstawia
rysunek 10.23.
We wnętrzu każdej "czarnej skrzynki" zamontowane są trzy elementy: rezystor,
kondensator i dioda, dwa z nich mają wspólny zacisk.
1
4
2
5
3
100nF
Si
10k
Ω
Rys. 10.23. Przykładowe rozmieszczenie elementów w "czarnej skrzynce"
Zapamiętaj !
NOWOCZESNY MULTIMETR CYFROWY JEST PODSTAWOWYM
NARZĘDZIEM W PRACOWNI KAŻDEGO ELEKTRONIKA
10.4.9. Współpraca multimetru ME-21 z komputerem osobistym
Celem zadania jest przedstawienie sposobu podłączenia multimetru ME-21 do komputera
osobistego i zaprezentowanie krótkiego programu, w języku Pascal, odczytującego wynik
pomiaru z multimetru.
Multimetr ME-21 może być podłączony do komputera za pośrednictwem interfejsu
szeregowego w standardzie RS-232, w który wyposażony jest komputer. Interfejsy (porty)
szeregowe noszą w systemie operacyjnym MS-DOS standardowe nazwy: COM1, COM2,
COM3 i COM4.
Przedstawiony niżej program realizuje jednokrotne odczytanie wyniku pomiaru z
multimetru i wyświetla go na ekranie.
Program MetexME21;
uses Crt;
const AdresBazowy = $3F8;
129
var ME21: Text;
Wynik: string;
Begin
port[AdresBazowy+4] := $01;
Assign(ME21, 'COM1' );
Rewrite(ME21);
Write(ME21, 'D' );
Close(ME21);
Reset(ME21);
Read(ME21, Wynik );
Close(ME21);
WriteLn( Wynik );
End.
Zapamiętaj !
DANE Z MULTIMETRU DO KOMPUTERA PRZESYŁANE SĄ ZA
POMOCĄ ZNAKÓW STANDARDOWEGO KODU ASCII
10.4.10. Pomiar zakłóconego napięcia stałego i komputerowa obróbka statystyczna
wyników
Zadanie polega na wykonaniu serii pomiarów w układzie pomiarowym według rys. 10.24.
Program komputerowy estymuje parametry statystyczne zakłóceń.
Hi
Lo
V
34401A
33120A
Rys. 10.24. Układ pomiarowy do zadania 10.4.10
10.5. Opracowanie
1.
Oblicz i narysuj wartości względnego błędu dyskretyzacji podczas pomiaru napięcia
stałego multimetrem 34401A w zakresie od 0 do 100 V. Załóż, że w trakcie pomiaru
wybrano właściwy zakres pomiarowy i nie przekraczano wartości zakresowej.
2.
Skomentuj wyniki pomiarów z zadania 10.4.2 (zadanie 2. z protokołu pomiarów).
3.
Korzystając ze wzoru 10.1 wyznacz wartość napięcia referencyjnego badanego
przetwornika U/t. Weź pod uwagę, że w układzie laboratoryjnym napięcie podawane na
wejście przetwornika jest dzielone w stosunku 1:10.
4.
Dla jednego z napięć podawanych na wejście przetwornika U/f w punkcie 10.4.6
(zadanie 6. z protokołu pomiarów) wyznacz, za pomocą wzorów 10.2 – 10.4, teoretyczną
wartość częstotliwości na wyjściu przetwornika i porównaj z wynikiem pomiaru
(wyznacz błąd względny pomiaru przyjmując za wartość poprawną częstotliwości wynik
obliczeń).