MULTIMETR CYFROWY. 1. CEL ĆWICZENIA: Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z zasadą działania, obsługą i możliwościami multimetru cyfrowego

Transkrypt

1 1 MLIMER CYFROWY 1. CEL ĆWICZEIA: Celem ćwiczenia jes zapoznanie się z zasadą działania, obsługą i możliwościami mulimeru cyfrowego 2. WPROWADZEIE: Współczesna echnologia elekroniczna pozwala na budowę uniwersalnych przyrządów pomiarowych mulimerów cyfrowych (ang. Digial MuliMeer - DMM). W mulimerach cyfrowych analogowy sygnał mierzony jes przewarzany poprzez przewornik A/C na sygnał cyfrowy. Sygnał en podlega dalszemu przewarzaniu w układach cyfrowych, po czym obliczona warość wielkości mierzonej jes wyświelana na polu odczyowym. Mulimery cyfrowe umożliwiają pomiary wielu wielkości elekrycznych i nieelekrycznych. Są o z reguły napięcia sałe i zmienne, prądy sałe i zmienne oraz rezysancja i pojemność elekryczna. Dodakowo możliwe są pomiary częsoliwości oraz esy ciągłości obwodu, esy diod półprzewodnikowych i ranzysorów, pomiary naężenia dźwięku, naężenia świała i inne. Mulimery cyfrowe charakeryzują się względnie prosą konsrukcja mechaniczną. Do ich budowy wykorzysuje się masowo produkowane elemeny elekroniczne, co przyczynia się do sosunkowo niskiej ceny akich mulimerów. Przewarzanie wielkości mierzonej na posać cyfrową umożliwia ławe zapamięywanie wyników pomiarów, ich przewarzanie w mulimerze oraz przesyłanie, np. za pomocą łącza SB, do sysemów mikroprocesorowych w celu dalszej obróbki. Wiele mulimerów cyfrowych posiada auomayczny dobór zakresu pomiarowego, auomayczną deekcję biegunowości w pomiarach napięć i prądów sałych oraz zabezpieczenia przed przekroczeniem zakresu. Czyni o z mulimeru cyfrowego narzędzie ławe w obsłudze i bezpieczne. Do wad mulimerów cyfrowych można zaliczyć konieczność zasilania oraz cyfrowy sposób prezenacji wyniku pomiaru. aki sposób prezenacji urudnia śledzenie zmian wielkości mierzonej. W przyrządach analogowych można zaobserwować ruch wskazówki, w przyrządach cyfrowych zmiany wielkości mierzonej wywołują ciągła zmianę wyświelanej warości liczbowej rudną do zinerpreowania przez obserwaora. Mulimery częso wyposaża się w zw. linijkę (ang. bargraph) obrazującą zmiany wyniku pomiaru.

2 Przeworniki analogowo-cyfrowe wykorzysywane w mulimerach Sercem każdego mulimeru cyfrowego jes przewornik analogowo - cyfrowy. W zdecydowanej większości mulimerów cyfrowych wykorzysuje się przeworniki z podwójnym całkowaniem, rzadziej spoyka się mulimery z przewornikami ypu sigma - dela. Przeworniki z podwójnym całkowaniem a rys.1 przedsawiono schema blokowy przewornika z podwójnym całkowaniem. inegraor C klucz komparaor R C + K bramka licznik L n f W Rys.1 Schema blokowy przewornika z podwójnym całkowaniem G Przewarzanie w omawianym przeworniku odbywa się w dwóch fazach. Faza 1: W chwili czasowej =0 do układu całkującego (inegraora) dołączone jes mierzone napięcie sałe. apięcie wyjściowe inegraora u C1 ma przebieg czasowy opisany równaniem: uc1 k d, (1) gdzie: k=1/rc sała inegraora. Ponieważ napięcie jes napięciem sałym - napięcie wyjściowe inegraora u C1 jes napięciem liniowo narasającym: uc1 k d k. (2) Faza pierwsza rwa ściśle określony odsęp czasu, po kórym, w chwili = napięcie na wyjściu inegraora ma warość równą:

3 3 Faza 2: u C 0 k d. (3) kład serujący przewornika w chwili = przełącza klucz, co powoduje dołączenie napięcia wzorcowego do wejścia inegraora. Jes o począek fazy 2-giej. apięcie jes odwronie spolaryzowane w sosunku do napięcia mierzonego. apięcie wyjściowe inegraora w fazie 2-giej u c2 ma posać: u C2 k d k. (4) Całkowanie rwa do chwili =, w kórej napięcie wyjściowe inegraora osiągnie warość zerową. Osiągnięcie poziomu zerowego wykrywane jes przez komparaor. Można wówczas napisać nasępującą zależność: u C 2 k d k 0. (5) Odsęp czasu pomiędzy chwilami i oznaczmy jako. Równanie (5) można wedy zapisać nasępująco: k d k k k k k 0. (6) Z zależności powyższej można wyznaczyć warość mierzonego napięcia w funkcji odsępu czasu :. (7) Bramka B jes owierana na począku fazy 1-szej i zamykana na zakończenie fazy 2-giej na czas +. Liczba impulsów, kóre przejdą przez bramkę w czasie jes dobrana ak, aby w chwili nasępowało przepełnienie licznika. Od ej chwili licznik zaczyna ponownie zliczać impulsy od zera, zaś zliczanie zarzymuje się w chwili. Generaor wzorcowy wywarza impulsy o wzorcowym odsępie W, zaem odsęp czasu jes równy: Po uwzględnieniu równania (7) w równaniu (8) orzymujemy: n. (8) W W n cons n. (9) Z równania (9) wynika, że liczba impulsów zliczonych przez licznik jes proporcjonalna do warości napięcia mierzonego. Warość może być wyświelona bezpośrednio na wyświelaczu

4 4 mulimeru lub eż może być poddana dalszemu przewarzaniu. Przebiegi czasowe w przeworniku z podwójnym całkowaniem pokazano na rys. 2. u u C u k n n Rys. 2. Przebiegi czasowe w przeworniku z podwójnym całkowaniem Właściwości przewornika z podwójnym całkowaniem są nasępujące: umożliwia wyłącznie pomiar napięcia sałego; jes sosunkowo niedrogi; charakeryzuje się dobrą sabilnością czasową; jes odporny na zakłócenia sieciowe; jes sosunkowo wolny (czas przewarzania zwykle wynosi od 100 do 300 ms. Dwie osanie cechy wynikają z nasępujących przesłanek: zwykle mierzonym napięciom sałym owarzyszą zakłócenia okresowe o częsoliwości sieciowej (w Europie 50 Hz, w Sanach Zjednoczonych 60 Hz). Jeżeli czas pierwszej fazy całkowania zosanie dobrany jako wielokroność okresu przebiegu zakłócającego, wówczas po czasie pierwszego całkowania warość napięcia wyjściowego układu całkującego będzie aka sama jak dla przebiegu bez zakłóceń zakłócenie nie wpłynie na wynik pomiaru. Czas całkowania w fazie 1 dobiera się jako kroność 20 lub 16,67 ms. Dobór czasu całkowania równego 100 ms pozwala na wyeliminowanie wpływu zarówno zakłóceń o częsoliwości 50 Hz jak i 60 Hz.

5 5 Przeworniki ypu sigma-dela Przeworniki ypu sigma-dela, zwane również przewornikami z próbkowaniem nadmiarowym, składają się z dwóch zasadniczych bloków: modulaora i filru cyfrowego. Próbkowanie nadmiarowe oznacza próbkowanie z częsoliwością znacznie większą od wymaganej dla prawidłowego odworzenie przebiegu (zgodnie z wierdzeniem Shannona Koielnikowa częsoliwość próbkowania powinna być przynajmniej dwukronie większą od najwyższej częsoliwości wysępującej w widmie sygnału próbkowanego). Modulaor, kórego schema jes podobny do przewornika z podwójnym całkowaniem, zawiera inegraor oraz komparaor objęe pęlą sprzężenia zwronego, w kórej znajduje się 1-biowy przewornik cyfrowo analogowy. Modulaor próbkuje nadmiarowo sygnał wejściowy i przewarza na ciąg biów o częsoliwości znacznie większej niż wymagana częsoliwość próbkowania. Filr wyjściowy przewarza ciąg biów na ciąg słów cyfrowych. Przeworniki ypu sigma - dela charakeryzują się duża szybkością przewarzania, małymi szumami kwanyzacji na skuek zasosowania filracji cyfrowej, dużą rozdzielczością, dużą dokładnością, niskim koszem. Przeworniki ypu sigma dela szczególnie nadają się do zasosowań, w kórych wymagane jes przeworzenie sygnałów sałych i zmiennych o częsoliwości nie przekraczającej 1 MHz. Schema blokowy modulaora sigma dela przedsawiono na rys ref - + C/A Rys.3. Schema blokowy modulaora sigma dela.

6 Funkcje mulimeru cyfrowego: Pomiar napięcia sałego Mierzone napięcie sałe podawane jes na wejście układu wejściowego zawierającego wzmacniacze i dzielniki dopasowujące napięcie wejściowe do zakresu przewornika A/C. ajniższy zakres mulimeru cyfrowego w pomiarach napięcia sałego wynosi zwykle 100 lub 200 mv, najwyższy 1000 V. Rezysancja wejściowa ma ypową warość rzędu 10 MΩ. Pomiar napięcia przemiennego Pomiar napięcia przemiennego w mulimerze cyfrowym odbywa się na ogół poprzez przeworzenie napięcia przemiennego na napięcie sałe proporcjonalne do warości skuecznej napięcia wejściowego. asępnie dokonuje się pomiaru wspomnianego napięcia sałego. Mulimery cyfrowe wykorzysują różne meody pomiaru warości skuecznej. ajczęściej spoykanymi meodami pomiaru warości skuecznej są: Meoda rue rms, w kórej warość skueczna SK przebiegu u jes wyznaczana przez mulimer zgodnie z równaniem definicyjnym: SK u d. (10) Zazwyczaj sosuje się próbkowanie sygnałów i obliczanie pierwiaska ze średniej sygnału podniesionego do kwadrau. ego ypu wolomierze mogą być wykorzysane do pomiaru warości skuecznych przebiegów o dowolnym kszałcie. Meoda uśredniania, kóra wykorzysuje zależność między warością średnią wyprosowanego przebiegu a jego warością skueczną: gdzie k współczynnik kszału. SK 1 k 0 u d, (11) Wolomierze z uśrednianiem wykorzysują zazwyczaj prosowanie dwupołówkowe. Przeznaczone są do pomiaru warości skuecznej przebiegów sinusoidalnych, dla kórych współczynnik kszału k ma warość 1,11. Zasosowanie wolomierza ego ypu do pomiaru warości skuecznych przebiegów o innych kszałach prowadzi do znacznych błędów pomiaru.

7 7 Meoda szczyowa: warość skueczna wyznaczana jes na podsawie zmierzonej warości szczyowej w nasępujący sposób: 1 SK M. (12) 2 Omawiane meoda pozwala na pomiar warości skuecznej wyłącznie przebiegów sinusoidalnych. ajniższy zakres mulimeru cyfrowego w pomiarach napięcia przemiennego wynosi zwykle 100 lub 200 mv, najwyższy 750 V. Rezysancja wejściowa ma ypową warość rzędu 10 MΩ, pojemność wejściowa jes rzędu 100 pf. Pomiar prądu sałego i przemiennego Pomiar prądu sałego i zmiennego realizuje się w mulimerach cyfrowych poprzez pomiar spadku napięcia na rezysorze wzorcowym, zw. boczniku. Warość rezysora wzorcowego decyduje o rezysancji wejściowej mulimeru pracującego jako amperomierz. ypowe zakresy w pomiarach prądów zawierają się w granicach 10 µa do 20 A. Pomiar rezysancji Pomiar rezysancji w mulimerach cyfrowych realizuje się na ogół poprzez pomiar spadku napięcia na badanej rezysancji zasilanej sabilizowanym prądem sałym. ypowe zakresy mulimeru wykorzysywanego jako omomierz mieszczą się w granicach od 10 Ω do 1 MΩ. Pomiary wielkości nieelekrycznych Pomiary wielkości nieelekrycznych w mulimerach cyfrowych realizuje się poprzez pomiar sygnałów wyjściowych lub paramerów przeworników wielkości nieelekrycznych na elekryczne, kórymi są najczęściej napięcie lub rezysancja. Zmierzona warość jes wyświelana na polu odczyowym. 3. PROGRAM ĆWICZEIA 1. Zapoznać się z insrukcją obsługi mulimerów. Szczególną uwagę zwrócić na zasady bezpieczeńswa obsługi przyrządów. 2. Zaznajomić się z płyami czołowymi mulimerów.

8 8 3. Po uzyskaniu zgody prowadzącego włączyć mulimery i zapoznać się z funkcjami przycisków i pokręeł obydwu mulimerów, posługując się insrukcja obsługi oraz ewenualnie funkcją HELP przyrządu. Wyłączyć mulimery. 4. Za pomocą kabla koncenrycznego z wykiem BC oraz 2 wykami 4 mm połączyć wyjście generaora funkcyjnego z gniazdami wejściowymi pomiaru napięcia mulimeru Rigol DM3060. Przewodami z wykami 4 mm dołączyć równolegle mulimer Meex M-6000H. Wybrać w obydwu mulimerach funkcję pomiaru napięcia przemiennego. Załączyć generaor i dobrać nasawę generaora ak, aby wywarzał on przebieg sinusoidalny o częsoliwości 50 Hz, ampliudzie 1 V i składowej sałej równej 0. Odczyać wskazania mulimerów. 5. Zmienić kszał przebiegu na prosokąny. Odczyać wskazania mulimerów. 6. Zmienić kszał przebiegu na sinusoidalny. Zmienić warość składowej sałej na 1 V. Odczyać wskazania mulimerów. 7. Wybrać funkcję pomiaru napięcia sałego. Dobrać nasawę generaora ak, aby wywarzał on wyłącznie składową sałą równą 1 V. Odczyać wskazania mulimerów. 8. Dobrać nasawę generaora ak, aby wywarzał on przebieg sinusoidalny o częsoliwości 50 Hz o ampliudzie 1 V i składową sałą równą 1 V. Odczyać wskazania mulimerów. 9. Zmienić częsoliwość generaora na 45 Hz i obserwować zachowanie wskazania mulimeru. 10. Za pomocą kabla koncenrycznego z wykiem BC oraz 2 wykami 4 mm połączyć wyjście generaora funkcyjnego z gniazdami wejściowymi płyki z rezysorem 1000 Ω. Przewodami z wykami 4 mm dołączyć do wyjścia płyki szeregowo obydwa mulimery. Wybrać w obydwu mulimerach funkcję pomiaru prądu przemiennego. Załączyć generaor i dobrać nasawę generaora ak, aby wywarzał on przebieg sinusoidalny o częsoliwości 50 Hz, ampliudzie 5 V i składowej sałej równej 0. Odczyać wskazania mulimerów. 11. Wybrać funkcję pomiaru prądu sałego. Dobrać nasawę generaora ak, aby wywarzał on wyłącznie składową sałą równą 5 V. Odczyać wskazania mulimerów. 12. Do zacisków mulimerów umożliwiających pomiar rezysancji dołączyć za pomocą kabli 4 mm z chwyakami wybrane rezysory. Odczyać wynik pomiaru rezysancji.

9 9 13. Do zacisków mulimerów umożliwiających pomiar pojemności dołączyć za pomocą kabli 4 mm z chwyakami wybrane kondensaory. Odczyać wynik pomiaru pojemności. 14. Dokonać pomiarów wybranych wielkości nieelekrycznych za pomocą mulimeru Meex M-6000H. 4. PYAIA KOROLE: 1. Co o jes mulimer cyfrowy? 2. Omówić zasadę działania przewornika z podwójnym całkowaniem. 3. Wymienić podsawowe cechy przewornika z podwójnym całkowaniem. 4. Wymienić podsawowe funkcje mulimerów cyfrowych. 5. Dlaczego wskazanie warości skuecznej przebiegów prosokąnych w niekórych mulimerach jes o 11% większe niż w innych? 6. Jak oszacować niepewność pomiaru mulimerem cyfrowym? 6. LIERARA: [1] umański S.: echnika pomiarowa. W, Warszawa [2] Sabrowski M.: Cyfrowe przyrządy pomiarowe, Wydawnicwo aukowe PW, Warszawa 2002 [3] Chwaleba A., Poniński M., Siedlecki A.: Merologia elekryczna. W, Warszawa [4] Meex M-6000H Operaing Manual. [5] Insrukcja obsługi: Mulimery cyfrowe serii DM Rigol echnologies, Inc. Opracował: dr inż. Adam Cichy v.2 /