Elektrotechnika elektronika miernictwo

Transkrypt

1 Elektrotechnika elektronika miernictwo Franciszek Gołek Wykład 14 Pomiar i sprzęt pomiarowy w elektronice

2 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

3 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.

4 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.

5 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!

6 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.

7 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!

8 Mierząc multimetrem warto wiedzieć, że: 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).

9 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.

10 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.

11 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.

12 Idea wyświetlania napięć doprowadzonych do płytek odchylających lampy oscyloskopowej (Y w pionie i X w poziomie).

13 Uproszczony schemat oscyloskopu

14 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.

15 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.

16 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.

17 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.

18 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.

19 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.

20 Oscyloskop jako przyrząd diagnostyczny

21 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)

22 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).

23 Krzywe Lissajous Zastosowania: pomiar częstości przez porównanie, obserwacja stabilności generatorów.

24 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.

25 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.

26 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).

27 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).

28 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.).

29 Skrętka Najprostszy sposób zmniejszenia indukcyjnego sprzężenia ze źródłami zakłóceń. Ekranowanie jako kolejny sposób redukcji łapania zakłóceń. Ekrany obniżają przenikanie zakłóceń do obwodów elektronicznych.

30 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, 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, C), 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.

31 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.

32 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.

33 Obowiązuje też zasada separacji ziemi czułych układów analogowych od ziemi zakłócających obwodów cyfrowych.

34 Separacji ziemi czułych układów analogowych od ziemi zakłócających obwodów cyfrowych. Diody Schottky ego zastosowano dla uniknięcia dużych skoków napięcia przy włączaniu i wyłączaniu zasilania.

35 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).

36 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.

37 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).

38 Wzmacniacz fazoczuły ( 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.

39 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.

40

41 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.

42 Estetyka grafiki i przejrzystość projektów w LabVIEW.

43 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

44 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

45 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.

46 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.

47 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.