Elektrická měření 10 VI2 – 3. sem. Bc. David FURKA Měřicí přístroje seznámení s přístroji měřícími zákl. el. veličiny: ampérmetr voltmetr wattmetr měřič kmitočtu osciloskop seznámení s významem vyjadřování chyby měření a její výpočet ELM VI2 Měřicí přístroje

Obecné rozdělení měř. přístr. (MP) analogové - měří kontinuelně - spojitý údaj - nepotřebují vlastní zdroj el. en. (někdy) - lze odečíst amplitudu přech.dějů - lze zjistit trend měřené veličiny číslicové - několik měření za sekundu (multimetr 3x) - jednoznačný údaj - chyba je nezávislá na poloze přístroje - nespojitý údaj (záleží na citlivosti) - potřebují vždy cizí zdroj el. energie - nedávají informaci o trendu měř. veličiny ELM VI2 Měřicí přístroje

Ampérmetr – pro DC proud měří elektrický proud – přímoukazující měřicí přístroj prochází jím celý měřený proud – zapojen sériově požadavek na minimální vnitřní odpor – chyba metody Možnosti měření stejnosměrného proudu 101 μA ÷ 100 A - analogový magnetoelektrický nebo elektromagnetický MP . 101 μA ÷ 101 A - číslicový Ametr a multimetry - úbytek napětí na bočníku > ADP > ZJ od 101 nA - el. převodník UI s operačním zesil. 101 pA ÷ 102 pA - úbytek napětí na vysokoohm.odporu mikrovoltmetrem s modulačním zesil. větší proudy - bočníkem zvětš. měř. rozsah Ametru ELM VI2 Měřicí přístroje

Ampérmetr – pro AC proud Možnosti měření střídavého proudu 100 mA ÷ 102 A - elmag. a eldyn. analogové MP frekv. do 102 Hz - magel. analog. MP s usměrňovačem (harmon.průběh) 102 μA ÷ 101 A - číslicové multimetry (úbytek napětí na frekv. do 103 Hz bezindukčním bočníku) větší proudy - externí bočník větš. f = 50 Hz - měřicí transformátor proudu - klešťový ampérmetr ELM VI2 Měřicí přístroje

Voltmetr – pro DC napětí měří el. napětí – přímoukazující měřicí přístroj snímá rozdíl potenciálů – připojujeme paralelně na měř. část obvodu požadavek na maximální vnitřní odpor (kvůli chybě metody) Možnosti měření stejnosměrného napětí 101 mV ÷ 102 V - magel. analogové voltmetry 102 μV ÷ 102 V - číslicové voltmetry větší napětí - s použitím předřadníku menší napětí - s použitím předzesilovače velmi malá napětí - s použitím modulačního zesilovače ELM VI2 Měřicí přístroje

Voltmetr – pro AC napětí Možnosti měření střídavého napětí 100 V ÷ 102 V - magel. analogové Vmetry s usměrňovačem frekv. do 103 nebo termočlánkem až 104 Hz - měří Ustř resp. Uef, stupnice v Uef 101 V ÷ 102 V - elmag. analogové Vmetry frekv. do 101 - měří Uef, stupnice v Uef někdy až 103 Hz 100 mV ÷ 101 V - nf milivoltmetry (s analog. i dig. výstupem) - měří Ustř resp. Uef, stupnice v Uef 102 mV - Vmetry s vf sondou f až 100 GHz - měří Umax, stupnice v Uef ELM VI2 Měřicí přístroje

ELM VI2 Měřicí přístroje Digitální multimetr číslicový stejnosměrný voltmetr doplněný o převodníky měřicí střídavá napětí, proudy, odpory (převádějí na DC napětí) základ je DC voltmetr (vst.dělič VD a zesilovač Z, AD převodník, log.řídicí jednotka ŘJ a číslicový zobrazovač ČZ) další bloky převádějí měřené veličiny na DC napětí v požadovaném rozsahu hodnot ELM VI2 Měřicí přístroje

Digit. multimetr – hlavní parametry počet míst zobrazovače (3 až 8 a ½ místa) počet a hodnoty vstupních rozsahů (4 až 6 pro 0,01 V až 1000 V) přesnost (tabulka v manuálu) časová stálost rozlišovací schopnost (1 digit – změna posled. místa na displeji o 1) citlivost (min. napětí měřitelné tímto MP) vstupní impedance (typicky 10 MΩ) typ použitého AD převodníku (dvoutaktní integrace) ELM VI2 Měřicí přístroje

ELM VI2 Měřicí přístroje Číslicový ampérmetr Jaké zdířky? Do obvodu zapojit sériově Proudové svorky B + C – menší proudy (zde do 2A) - jištěno A + C – větší proudy (zde od 2 do 20A) - nejištěno Nastavený měřicí rozsah AC A – střídavý proud DC A – stejnosměrný proud A B C ELM VI2 Měřicí přístroje

ELM VI2 Měřicí přístroje Číslicový voltmetr Do obvodu zapojit paralelně Jaké zdířky? Napěťové svorky A + B - pro měření všech napětí Nastavený měřicí rozsah AC V – střídavé napětí max. 750 V DC V – stejnosměrné napětí max. 1000 V Vnitřní odpor přístroje typická hodnota 10 MΩ A B ELM VI2 Měřicí přístroje

ELM VI2 Měřicí přístroje Wattmetr Pro přímé měření elektrického výkonu je třeba snímat napětí i odebíraný proud  4 svorky analogový - elektrodynamický - ferodynamický elektronický - na principu PWM - s Hallovou sondou - se vzorkovačem, ADP, pamětí a procesorem ELM VI2 Měřicí přístroje

ELM VI2 Měřicí přístroje Analogový wattmetr Zapojení Wmetru do obvodu Popis svorek a cívek ELM VI2 Měřicí přístroje

Většinou přímoukazující přístroje Měřiče kmitočtu Většinou přímoukazující přístroje analogové - rezonanční jazýčkové kmitoměry (45 ÷ 55 Hz) - výchylkové kmitočtoměry - osciloskop (nepřímá metoda) číslicové - čítače - digitální osciloskop - analogový kmitočtoměr s číslovým výstupem ELM VI2 Měřicí přístroje

 na obrazovce zobrazuje průběh signálů přivedených na vstup Osciloskop - úvod  na obrazovce zobrazuje průběh signálů přivedených na vstup Přístroj sloužící především k: zobrazení časového průběhu signálu měření periody, frekvence, amplitudy a dalších parametrů… porovnání dvou, popř. více signálů měření fázového posuvu Zobrazení vzájemné závislosti dvou signálů ELM VI2 Měřicí přístroje

Osciloskopy - rozdělení Několik kritérií pro rozdělení, ty hlavní jsou: princip - analogové - digitální__________________________ počet paprsků - jednopaprskové - dvoupaprskové____________________ použití - laboratorní univerzální (NF a VF) - vzorkovací - vysokonapěťové - medicínské - malé revizní______________________ počet kanálů - jednokanálové - dvoukanálové - vícekanálové ELM VI2 Měřicí přístroje

Osciloskop (analog) – hlavní části Vertikální systém - vstupní obvody - koncový vertikální zesilovač - zpožďovací linka________________ Horizontální systém - obvod časové základny - spouštěcí obvod - koncový horizontální zesilovač_____ Obrazovka - katoda – zdroj elektronového paprsku - vertikální vychylovací destičky - horizontální vychylovací destičky - Wehneltův válec (tvar, rychl., ostrost) - luminofor ELM VI2 Měřicí přístroje

ELM VI2 Měřicí přístroje Analogový osciloskop nejrozšířenější, většinou 2-kanálový obrazovka s elektrostatickým vychylováním základní osciloskop pracuje při f = 0 až 10 MHz Nejdůležitější parametry počet kanálů (1, 2, s el. přepínačem i více – 4,8…) vstupní napěťové rozsahy (1 mV/d až 5 V/d) vstupní impedance (typ. 1 MΩ a C = 30 pF) doba náběhu (dle fh) horní mezní kmitočet (101 až 102 GHz) počet časových základen (1 nebo 2 – dvojitá ČZ) přesnost zesílení doplňky osciloskopu (kurzory apod.) ELM VI2 Měřicí přístroje

Doba náběhu a horní mezní kmit. Horní mezní kmit. fh - frekvence harmonického signálu, při kterém je amplituda zobrazeného signálu teprve o 3 dB nižší než skutečná amplituda (0,707krát) Doba náběhu tn - reakce na vstupní obdélníkový puls o f = 50% fh - doba potřebná k růstu zobrazené amplitudy z 0,1 Umax do 0,9 Umax ELM VI2 Měřicí přístroje

Osciloskop (analog) – blok.schéma signál zprac. VD, PZ a KVZ ZL zpozdí signál o 20-200 ns zpožděný sig. U4 – vych.sys. u3 slouží pro spouštění ČZ ČZ - pohybuje bodem po obr. - řídí jas bodu na obr. - nastavuje stupnici osy x P1 – přepínač AC-DC-GND P2 – přep.spouštění EXT-INT P3 – přep.řežimu Y-t a XY ELM VI2 Měřicí přístroje

Dvoukanálový osciloskop Zásadní problém – jak jedním paprskem zobrazit souč. 2 průběhy…? Vycházíme ze setrvačnosti světélkování bodu na luminoforu, kde dopadá elektron. režim CHOP - zobrazí kousek sig.1, kousek sig.2, zas kousek sig.1 atd. - použití pro zobrazení průběhů nižších kmitočtů režim ALT - zobr. celý průběh sig.1, pak celý průběh sig.2, (alternate) - použití pro zobrazení průběhů vysokých kmitočtů ELM VI2 Měřicí přístroje

Režimy přepínání ALT a CHOP ELM VI2 Měřicí přístroje

Dvoukanálový osciloskop - schéma AM – astabilní multivibrátor PPF – přep. pevnou frekv. (CHOP) PČZ – přep. čas. zákl. (ALT) ELM VI2 Měřicí přístroje

Ovládací prvky analog. osc. A - přep. ČZ [s/div] B - přep. 1.kanálu [V/DIV] C - přep. 2.kanálu [V/DIV] D,E - přep. typu průběhu F - přep. režim zobrazení G,H - vertik. pozice průb. I - intenzita světlení bodu K - ostrost paprsku J - síťový vypínač L – nast.úrovně spouštění M – režimu spouštění ČZ N – zdroj spouštění ČZ A L J M N 1 div I D K F E B C G H Kanál 1 Kanál 2 ELM VI2 Měřicí přístroje

Pracovní režimy osciloskopu 1 kanálový režim Y – t - závislost kanálu 1 (osa Y) na čase (t) 2 kanálový režim Y – t - CH1 – čas. závislost kanálu 1 - CH2 – čas. závislost kanálu 2 - DUAL – současné zobr. kanálů 1 i 2 - ADD – zobr. součtu obou průběhů 2 kanálový režim X-Y - časová základna vypnuta - signál kanálu 1 vychyluje ve směru X - signál kanálu 2 vychyluje ve směru Y - složením sig. o stejné frekv.obrazec - tvar obrazce je dán fáz. posuvem sig. ELM VI2 Měřicí přístroje

Dvojitá časová základna I. u vyšší třídy osciloskopů (“dual timebase“) pro zobrazení detailů průběhu (zákmity apod.) nejběžnější je tzv. zpožděný režim – hlavní a zpožděná ČZ po průběhu se posouváme nezávisle na čase volbou ÚSB ELM VI2 Měřicí přístroje

Dvojitá časová základna II. 1. – průběh zobrazení pomocí hlavní ČZ 2. – průběh signálu hlavní ČZ 3. – průběh signálu zpožděné ČZ  čas t0 řízen úrovní spouštění ČZB 4. – modulace jasu – součet umodA a umodB 5. – průběh zákmitu (tB) při funkci “delay“ ELM VI2 Měřicí přístroje

Digitální osciloskop Měřený (snímaný) signál je digitalizován snímáno v ekvidistantních časových okamžicích ukládání do rychlé číslicové paměti vyjmutí z paměti  zobraz., další využití (pam.médium,stand.rozhr.) Charakteristické parametry a veličiny šířka pásma, nap.citlivost, přesnost,počet kanálů atd.(jako u analog. osc.) vzorkovací frekvence vertikální rozlišovací schopnost (počet bitů ADP) velikost paměti rychlost obnovování průběhů na displeji standard. rozhraní apod. ELM VI2 Měřicí přístroje

ELM VI2 Měřicí přístroje Digitální osciloskop nejstarší DO – číslicová paměť dynam. dějů s analog.osc.na výstupu je-li zde ČZ analog.osciloskopu – lze přepínat analog. a dig. režim využívá se “FIFO“ paměť paměť je neustále plněna vzorky, obsah kontinuelně přepisován po naplnění – jako první se přepíše první zapsaný vzorek současné osciloskopy – mikropočítač zpracovává digitaliz. signál některé osc. - jen jeden ADP pro všechny kanály – časový multiplex (jako CHOP mode u analog.osc.) ELM VI2 Měřicí přístroje

Digitální osciloskop - výhody Výhody číslicového zpracování průběhů: jednorázové přechodové děje – možnost zachycení lepší přesnost rychlé měření (kurzory, autom.výpočty, zobrazení hodnot na displ.) dostupnost kopie průběhu (tisk, dig.podoba apod.) archivace možnost číslicového zpracování sejmutých průběhů a spektr. analýza úplná programovatelnost měření, samočinné nastavení přístroje možnost “záporného zpoždění - pretriggering“ ELM VI2 Měřicí přístroje

Digitální osciloskop bez multiplexu ELM VI2 Měřicí přístroje

Dig. osciloskop s multiplexem ELM VI2 Měřicí přístroje

Vzorkování v reálném čase (RTS) Musí být splněna podmínka vzorkování (vzorkovací věta) fs ≥ fm, kde fs je vzorkovací kmitočet, fm je kmitočet nejvyšší obsažené harmonické složky klas. vzorkování v ekvidistantních čas. intervalech - vzorkovací interval  vzork. frekvence fs ~ 4÷10 fh max jediný spouštěcí impuls  blok vzorků ve všech kanálech umožňuje pretriggering jediný typ vzorkování jednorázových přechodových dějů výhodné – velká vzorkovací rychlost a velká hloubka (délka) paměti ELM VI2 Měřicí přístroje

Sekvenční vzorkování v ekvivalentním čase (SRS) převzato z analogových vzorkovacích osciloskopů jen pro periodické průběhy z každé periody jen 1 vzorek (spoušť. pulsem), poloha dalšího vzorku se oproti začátku periody posunuje o Δt (časovacím obvodem) ekvivalentní vzorkovací frekv.je pak mnohem vyšší než skutečná fse = 1 / Δt oproti RTS : + větší fse – lze zachytit více detailů - pomalejší sestavení průběhu, neumožňuje pretriggering ELM VI2 Měřicí přístroje

Náhodné vzorkování v ekvivalentním čase (RRS) pouze pro periodické průběhy umožňuje pretrigger, rychlejší sestavení obrazu než SRS po příchodu každého spouštěcího pulsu je signál ovzorkován max. vzork. frekvencí generátor vzorkovacího signálu není synchronizovaný se spouštěcím impulsem, prodleva se mění pro jednotlivé sady ekvidistantních vzorků (sada1,2,3,…) ELM VI2 Měřicí přístroje

Pasivní sonda k osciloskopu Zvst osciloskopu bývá 1 MΩ a paralelní Cvst bývá 30 pF v nižších kmitočtech – chování jako R u vyšších kmit. kapacita ovlivňuje průběh hrot snímající vstupní signál – ovlivňuje měřený obvod sonda musí být správně vykompenzovaná A B Kompenzace sondy (1kHz) A – málo kompenzovaná (C1 příliš malé) B – vykompenzovaná správně C – překompenzovaná, C1 moc velké) C C1R1=(Ci+CK)Ri ELM VI2 Měřicí přístroje

ELM VI2 Měřicí přístroje Děkuji za pozornost Kontakt: Bc. David FURKA furka@vosvdf.cz 412 315 047 ELM VI2 Měřicí přístroje