Ćwiczenie 1&2 (Elektronika i Telekomunikacja) Wprowadzenie do obsługi multimetrów analogowych i cyfrowych oraz analiza błędów i niepewności pomiarowych Program ćwiczenia: 1. Pomiar bezpośredni napięcia stałego multimetrem cyfrowym 2. Pomiar bezpośredni napięcia stałego multimetrem analogowym 3. Pomiar bezpośredni rezystancji metodą dwuprzewodową multimetrem cyfrowym 4. Pomiar bezpośredni rezystancji metodą czteroprzewodową multimetrem cyfrowym 5. Pomiar bezpośredni wartości skutecznej napięcia zmiennego multimetrem cyfrowym 6. Pomiar bezpośredni częstotliwości napięcia zmiennego multimetrem cyfrowym 7. Pomiar częstotliwości napięcia zmiennego multimetrem cyfrowym z wykorzystaniem funkcji statystycznych 8. Pomiar bezpośredni pojemności multimetrem cyfrowym Wykaz przyrządów: Multimetr cyfrowy Rigol DM3051 Multimetr analogowy UM 3a/UM 4B/UM 5B Zasilacz/Generator uniwersalny Zestawy rezystorów R 1 R 6, R 1 Literatura: [1] Zatorski A., Rozkrut A. Miernictwo elektryczne. Materiały do ćwiczeń laboratoryjnych. Wyd. AGH, Skrypty nr SU 1190, 1334, 1403, 1585, Kraków, 1990, 1992, 1994, 1999 [2] Chwaleba A., Poniński M., Siedlecki A. Metrologia elektryczna. WNT, Warszawa 1979, 1991, 1994, 2009 [3] Tumański S., Technika pomiarowa, Wydawnictwa Naukowo Techniczne, 2007, Warszawa Dokumentacja techniczna przyrządów pomiarowych: [4] Instrukcja obsługi: RIGOL, Multimetry cyfrowe serii DM3000 http://www.kmet.agh.edu.pl > dydaktyka > Materiały dla studentów Strony www: http://www.rigolna.com/ http://www.home.agilent.com > Technical Support http://polskiemultimetry.prv.pl/ str. 1
Zakres wymaganych wiadomości: budowa i zasada działania przyrządów analogowych magnetoelektrycznych i elektromagnetycznych, pomiar przyrządem analogowym; pojęcia: skali, podziałki, działki elementarnej, stałej zakresowej, symbole stosowane do opisu przyrządów analogowych, budowa i zasada działania przyrządów cyfrowych, pomiar przyrządem cyfrowym; pojęcia: liczby cyfr znaczących, rozdzielczości, czułości, struktura multimetru cyfrowego, przetwornik A/C z podwójnym całkowaniem, przetwornik AC/DC pomiar napięcia zmiennego, w tym pojecie True RMS, przyczyny błędów i niepewności pomiarowych, obliczanie błędów granicznych i niepewności w pomiarach przyrządem analogowym i cyfrowym str. 2
Charakterystyka multimetru cyfrowego Rigol DM3051 Cyfrowe multimetry laboratoryjne serii DM3000 firmy Rigol są urządzeniami zaprojektowanymi do wykonywania wielofunkcyjnych pomiarów o dużej precyzji, w tym również pomiarów w systemach zautomatyzowanych. W skład serii wchodzą multimetry cyfrowe o rozdzielczości odczytu do 6½ cyfry, charakteryzujące się dużą szybkością akwizycji danych, opcją multipleksera torów pomiarowych do pomiarów automatycznych, funkcją operacji matematycznych, elastyczną konfiguracją czujników użytkownika itp. Przyrządy wyposażono w interfejsy transmisyjne, jak RS 232, USB, LAN czy GPIB, które można wykorzystywać do archiwizacji i wydruku wyników pomiarów. Poniżej zestawiono wybrane parametry eksploatacyjne multimetrów z serii DM3000: Częstotliwość próbkowania do 50kSa/s pozwala na precyzyjne pomiary np. szybkozmiennych przebiegów o częstotliwości akustycznej. Rozdzielczość: 6½ cyfry, maks. odczyt: 2 400 000. 24 funkcje pomiarowe: Prąd stały i zmienny, napięcie stałe i zmienne, rezystancja metodą 2 i 4 przewodową, pojemność, test ciągłości, test diod, częstotliwość, wypełnienie, pomiary względne, pomiary z czujnikami zewnętrznymi itd. Pomiary w trybie dyskryminatora pozwalające na sortowanie wyników test Dobry/Zły. Pomiary z wykorzystaniem operacji matematycznych: maksimum, minimum, wartości graniczne, wartość średnia, dbm, db. Funkcje akwizycji danych: zapis danych, pomiar wielokanałowy, pomiary automatyczne. Pomiary napięć i prądów zmiennych z przetwornikiem rzeczywistej wartości skutecznej True RMS. Wewnętrzna pamięć do 10 grup ustawień parametrów pomiaru i pamięć ustawień przyrządu z wykorzystaniem komputera PC. Monochromatyczny wyświetlacz LCD o rozdzielczości 256x64 piksele. Interfejsy transmisyjne: RS 232, USB, LAN i GPIB. Proste i wygodne w użyciu oraz elastyczne oprogramowanie narzędziowe pod systemy operacyjne Microsoft Windows 98/Me/2000/XP: Ultralogger, Ultrasensor i UltraDMM. Rysunek 1 Widok płyty czołowej multimetru cyfrowego Rigol DM3051. str. 3
Charakterystyka multimetru analogowego UM 4b Miernik uniwersalny typu UM 4B jest przeznaczony do pomiarów napięcia stałego, prądu stałego, napięcia przemiennego, prądu przemiennego, rezystancji lub poziomu przenoszenia, w 36 zakresach pomiarowych. Miernik ma ustrój pomiarowy magnetoelektryczny o ruchomej cewce i o magnesie rdzeniowym. Rysunek 2 Widok płyty czołowej multimetru analogowego UM 4b. Rysunek 3 Widok płyty czołowej modułu zasilającego. str. 4
1. Pomiar bezpośredni napięcia stałego multimetrem cyfrowym RIGOL DM3051 1) Włączyć zasilanie multimetru. 2) Nacisnąć przycisk, aby przejść do trybu pomiaru napięcia stałego. 3) Spodziewane wartości mierzonych napięć stałych zawierają się w zakresie od 5V do 20V w związku z tym zakres mierzonego napięcia należy ustawić na 40V. W tym celu należy użyć przycisków Rng+ lub Rng z menu kontekstowego na wyświetlaczu multimetru. 4) Podłączyć przewody pomiarowe zgodnie z rysunkiem 4; jeden przewód do gniazda HI, a drugi do gniazda LO multimetru. Rysunek 4 Pomiar napięcia stałego multimetrem cyfrowym. 5) Źródłem mierzonego napięcia stałego jest zasilacz stabilizowany, ze skokową regulacją napięcia. Przewód pomiarowy z gniazda HI podłączyć do zacisku + zasilacza, a przewód z gniazda LO do zacisku oznaczonego symbolem masy. 6) Włączyć zasilacz, a pokrętło regulacji napięcia ustawić w pozycji 6V. 7) Odczytać i zanotować w tabeli 1 wynik pomiaru. Tabela znajduje się w konspekcie sprawozdania. 8) Wykonać pomiar dla napięcia 12V. 9) Wyłączyć zasilacz i rozłączyć przewody pomiarowe. 10) Z tabeli A (patrz załącznik do instrukcji) odczytać wartości współczynników a i b i obliczyć błędy graniczne pomiarów, wg poniższego wzoru (Z u zakres napięciowy na którym wykonano pomiar): a U + b Z Δ gru = 100 U str. 5
Na tej podstawie wyznaczyć niepewność standardową pomiaru typu B: oraz niepewność rozszerzoną: gdzie: u U B ( U ) Δ = gr U 3 ( U) = k u ( U) B k = 3 p ; p = 0,95 str. 6
2. Pomiar bezpośredni napięcia stałego multimetrem analogowym UM 3a/UM 4B/UM 5B 1) Pokrętłem znajdującym się tuż pod skalą miernika ustawić zero mechaniczne wskazówki. 2) Dolne pokrętło multimetru ustawić w pozycji pomiaru napięcia stałego V. 3) Spodziewane wartości mierzonych napięć stałych zawierają się w zakresie od 5V do 20V w związku z tym prawym pokrętłem należy ustawić zakres mierzonego napięcia powyżej 20V. 4) Podłączyć przewody pomiarowe zgodnie z rysunkiem 5; jeden przewód do zacisku +, a drugi do zacisku środkowego multimetru. UM 4B lub UM 5B UM 3a Rysunek 5 Pomiar napięcia stałego multimetrem analogowym. 5) Źródłem mierzonego napięcia stałego jest zasilacz stabilizowany, ze skokową regulacją napięcia. Przewód pomiarowy z zacisku + multimetru podłączyć do zacisku + zasilacza, a przewód z zacisku środkowego do zacisku oznaczonego symbolem masy. 6) Włączyć zasilacz, a pokrętło regulacji napięcia ustawić w pozycji 6V. 7) Dobrać zakres pomiarowy multimetru w taki sposób aby wskazanie ustaliło się w powyżej ½ podziałki. 8) Z górnej podziałki multimetru oznaczonej symbolem (napięcie stałe), odczytać i zanotować w tabeli 2 liczbę wskazanych działek, całkowitą liczbę działek na podziałce i zakres pomiarowy. 9) Jeżeli jest to konieczne zwiększyć zakres pomiarowy multimetru i wykonać pomiary dla napięcia 9V lub 12V. 10) Wyłączyć zasilacz i rozłączyć przewody pomiarowe. 11) Na podstawie zanotowanych wartości, obliczyć stałą przyrządu i wynik pomiaru w każdym przypadku. 12) Obliczyć błąd graniczny pomiarów wg wzoru (K klasa przyrządu, Z u zakres pomiarowy): str. 7
K ZU Δ gru = 100 Na tej podstawie wyznaczyć niepewność standardową pomiaru typu B: oraz niepewność rozszerzoną: gdzie: u U B ( U ) Δ = gr U 3 ( U) = k u ( U) B k = 3 p ; p = 0,95 str. 8
3. Pomiar bezpośredni rezystancji metodą dwuprzewodową 1) Włączyć zasilanie multimetru. 2) Nacisnąć przycisk, aby przejść do trybu pomiaru rezystancji metodą dwuprzewodową. 3) Ponieważ nie są znane spodziewane wartości rezystancji, więc multimetr należy ustawić na automatyczny dobór zakresu pomiarowego naciskając przycisk Auto w menu kontekstowym. 4) Badane rezystory R 1 do R 6 znajdują się na płytce drukowanej. Podłączyć przewody pomiarowe zgodnie z rysunkiem 6. Rysunek 6 Pomiar rezystancji metodą dwuprzewodową. 5) Przełączając zworkę na płytce drukowanej, wykonać pomiary dla dwóch wybranych rezystorów. Wyniki zanotować w tabeli 3. 6) Na podstawie wartości zmierzonej rezystancji, z tabeli A (załącznik) wybrać i zanotować zakres pomiarowy dla każdego wyniku. 7) Bazując na danych podanych w tabeli A obliczyć błędy graniczne i niepewności pomiarowe pomiarów wg wzorów podanych w punkcie 1. UWAGA! W tabeli podano błędy graniczne dla metody czteroprzewodowej. Dla metody dwuprzewodowej należy uwzględnić dodatkową rezystancję 0,2 Ω. a R + b ZR ΔgrR = + 0, 2Ω 100 str. 9
4. Pomiar bezpośredni rezystancji metodą czteroprzewodową 1) Włączyć zasilanie multimetru. 2) Nacisnąć dwukrotnie przycisk, aby przejść do trybu pomiaru rezystancji metodą czteroprzewodową. Na ekranie powinien pojawić się napis 4WR MODE. 3) Ponieważ nie są znane spodziewane wartości rezystancji, więc multimetr należy ustawić na automatyczny dobór zakresu pomiarowego naciskając przycisk Auto w menu kontekstowym. 4) Badany rezystor R 1 znajduje się na płytce drukowanej. Podłączyć przewody pomiarowe zgodnie z rysunkiem 7. Rysunek 7 Pomiar rezystancji metodą czteroprzewodową. 5) Wykonać pomiar, a wynik zanotować w tabeli 4. 6) Przełączyć multimetr w tryb pomiaru metodą dwuprzewodową poprzez jednokrotne naciśnięcie przycisku. Wykonać pomiar, a wynik zanotować w tabeli. 7) Bazując na danych podanych w tabeli A obliczyć błędy graniczne i niepewności pomiarowe wg wzorów podanych w punkcie 1. Porównać wyniki uzyskane obydwiema metodami. str. 10
5. Pomiar bezpośredni wartości skutecznej napięcia zmiennego multimetrem cyfrowym 1) Włączyć zasilanie multimetru. 2) Po włączeniu zasilania multimetr znajduje się w trybie pomiaru ciągłego, to znaczy odczyt wielkości mierzonej następuje z maksymalną częstotliwością próbkowania i jest na bieżąco aktualizowany na ekranie. W tym punkcie ćwiczenia należy zmienić tryb pracy multimetru w taki sposób aby pomiar był wykonywany na życzenie użytkownika. W tym celu należy nacisnąć przycisk na płycie czołowej multimetru. 3) Nacisnąć przycisk, aby przejść do trybu pomiaru napięcia zmiennego. 4) Spodziewane wartości skuteczne mierzonych napięć zmiennych zawierają się w zakresie od 5V do 20V w związku z tym zakres mierzonego napięcia należy ustawić na 20V. W tym celu należy użyć przycisków Rng+ lub Rng z menu kontekstowego na wyświetlaczu multimetru. 5) Podłączyć przewody pomiarowe zgodnie z rysunkiem 8; jeden przewód do gniazda HI, a drugi do gniazda LO multimetru. Rysunek 8 Pomiar napięcia zmiennego. 6) Źródłem mierzonego napięcia zmiennego jest układ generator/wzmacniacz, z płynną regulacją napięcia i skokową regulacją częstotliwości. Przewody pomiarowe z gniazd HI i LO należy podłączyć do zacisków WY generatora. Włączyć zasilanie generatora. 7) Pokrętło regulacji częstotliwości ustawić w pozycji 1kHz. Wybrać sinusoidalny kształt sygnału. Przełącznik składowa stała ustawić w pozycji 0. 8) Pokrętłem amplituda ustawić żądaną wartość napięcia. 9) Nacisnąć przycisk, aby wyzwolić pojedynczy pomiar. 10) Odczytać i zanotować w tabeli 5 wynik pomiaru. 11) Powtórzyć czynności z punktów 8 10 dla dwóch innych wartości napięć z całego zakresu regulacji napięcia. 12) Nacisnąć przycisk History z menu kontekstowego na ekranie multimetru. Funkcja pamięci historycznej pozwala na zachowanie i przeglądanie wyników pomiaru. Zapisane dane mogą być str. 11
wyświetlane w postaci informacji ogólnej (Info), listy (List) i histogramu (HistoG). Naciskając odpowiednie przyciski kontekstowe wyświetlić historię pomiarów w różnej postaci. 13) Wyłączyć zasilanie generatora. 14) Bazując na danych podanych w tabeli B obliczyć błędy graniczne i niepewności pomiarowe, wg wzorów podanych w punkcie 1. str. 12
6. Pomiar bezpośredni częstotliwości napięcia zmiennego multimetrem cyfrowym 1) Włączyć zasilanie multimetru. Upewnić się, że przycisk świeci w sposób ciągły, co oznacza, że multimetr jest trybie pomiaru ciągłego. Jeżeli jest inaczej nacisnąć przycisk. 2) Nacisnąć przycisk, aby przejść do trybu pomiaru częstotliwości. 3) Zakres pomiaru częstotliwości jest dobierany automatycznie i wynosi 3Hz 300kHz. 4) Podłączyć przewody pomiarowe zgodnie z rysunkiem 7; jeden przewód do gniazda HI, a drugi do gniazda LO multimetru. Rysunek 9 Pomiar częstotliwości. 5) Źródłem mierzonego sygnału jest układ generator/wzmacniacz, z płynną regulacją napięcia i skokową regulacją częstotliwości. Przewody pomiarowe z gniazd HI i LO należy podłączyć do zacisków generatora. 6) Włączyć generator, a pokrętło regulacji amplitudy ustawić w pozycji środkowej. Wybrać sinusoidalny kształt sygnału. Przełącznik składowa stała ustawić w pozycji 0. 7) Wykonać pomiary dla dwóch wybranych częstotliwości sygnału sinusoidalnego. 8) Odczytać i zanotować w tabeli 4 wyniki pomiaru. 9) Wyłączyć zasilanie generatora. 10) Bazując na danych podanych w tabeli C obliczyć błędy graniczne i niepewności pomiarów wg wzorów podanych w punkcie 1. str. 13
7. Pomiar częstotliwości napięcia zmiennego multimetrem cyfrowym z wykorzystaniem funkcji statystycznych Jak można było zauważyć podczas pomiarów wykonywanych w poprzednim punkcie, częstotliwość mierzonych sygnałów nie jest stabilna lecz zmienia się w czasie w sposób losowy wokół wartości rzeczywistej. Nie wchodząc w tym miejscu w szczegóły teoretyczne można przyjąć, że w takim przypadku lepszą oceną wielkości mierzonej jest średnia arytmetyczna liczona na podstawie serii pomiarów niż pomiar pojedynczy. Multimetr RIGOL umożliwia odczyt wartości parametrów statystycznych dla serii pomiarów. Na ekranie przyrządu mogą być wyświetlane następujące parametry statystyczne: wartość średnia (Ave), wartość maksymalna (Max), wartość minimalna (Min) wraz z całkowitą liczbą odczytów w serii pomiarów (Total). 1) Włączyć zasilanie multimetru. Upewnić się, że przycisk świeci w sposób ciągły, co oznacza, że multimetr jest trybie pomiaru ciągłego. Jeżeli jest inaczej nacisnąć przycisk. 2) Nacisnąć przycisk, aby przejść do trybu pomiaru częstotliwości. 3) Zakres pomiaru częstotliwości jest dobierany automatycznie i wynosi 3Hz 300kHz. 4) Podłączyć przewody pomiarowe zgodnie z rysunkiem 7; jeden przewód do gniazda HI, a drugi do gniazda LO multimetru. 5) Źródłem mierzonego sygnału jest układ generator/wzmacniacz, z płynną regulacją napięcia i skokową regulacją częstotliwości. Przewody pomiarowe z gniazd HI i LO należy podłączyć do zacisków generatora. 6) Włączyć generator, a pokrętło regulacji amplitudy ustawić w pozycji środkowej. Wybrać sinusoidalny kształt sygnału. Przełącznik składowa stała ustawić w pozycji 0. 7) Częstotliwość sygnału sinusoidalnego ustawić na 0,1kHz. 8) Aby wejść w menu pomiarów statystycznych, należy nacisnąć przycisk, a następnie z menu kontekstowego wybrać kolejno Stats All. Opuścić podmenu naciskając, a następnie włączyć funkcje statystyczne naciskając On. 9) Na ekranie zostaną wyświetlone wszystkie parametry statystyczne. Po przekroczeniu 30 pomiarów, wstrzymać pomiar naciskając przycisk i zanotować wartości parametrów statystycznych w tabeli 5 10) Nacisnąć przycisk, a następnie z menu kontekstowego wybrać Off. 11) Ustawić inną (dowolną) częstotliwość sygnału i powtórzyć działania z punktów 8 i 9. 12) Wyłączyć zasilanie generatora. str. 14
8. Pomiar bezpośredni pojemności multimetrem cyfrowym 1) Włączyć zasilanie multimetru. 2) Nacisnąć przycisk, aby przejść do trybu pomiaru pojemności. 3) Wybrać odpowiedni zakres pomiarowy. 4) Podłączyć do multimetru dostarczone przez prowadzącego sondy pomiarowe. Wykonać pomiary dla kilku różnych kondensatorów. Rysunek 10 Pomiar pojemności. 5) Bazując na danych podanych w tabeli D obliczyć błędy graniczne niepewności pomiarów wg wzorów podanych w punkcie 1. str. 15
DODATEK Dokładność pomiarów multimetrem DM3051 TABELA A str. 16
TABELA B str. 17
TABELA C TABELA D str. 18