reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
© photodynamx dreamstime.com Technologie | 15 grudnia 2017

Błędy pomiarowe napięcia AC w multimetrach cyfrowych

Artykuł opisuje rodzaje błędów występujące w multimetrach cyfrowych oraz rozwiązania pojawiających się problemów.
Błędy dla typowych trybów pomiarowych

W przypadku, gdy do wejścia LO multimetru doprowadzone jest napięcie przemienne względem zacisku uziemienia, to jest duże prawdopodobieństwo powstawania błędów pomiarowych. W przypadku multimetrów istotne jest, w jaki sposób wyjście wzorcowego źródła napięcia przemiennego jest dołączone do przyrządu – czy za pomocą zacisków znajdujących się na panelu przednim przyrządu czy też za pomocą złącz pomiarowych zainstalowanych na tylnym panelu przyrządu. W idealnym przypadku miernik powinien dokonywać takiego samego pomiaru niezależnie od tego, do którego wejścia jest dołączone źródło sygnału. Niestety zarówno samo źródło jak i miernik mogą wpłynąć na zmianę takiej idealnej sytuacji. Ze względu na pojemność jaka występuje pomiędzy zaciskiem LO i masą (około 200 pF), źródło sygnału może być różnie obciążane w zależności od sposobu jego podłączenia. Wielkość błędu zależna jest od odpowiedzi źródła na takie obciążenie.

Układy wejściowe multimetru cyfrowego pomimo tego, że są ekranowane różnie reagują na sposób dołączenia źródła sygnału z uwagi na niewielkie różnice w pojemności względem uziemienia. Błędy z tym związane są większe dla wysokich napięć i przebiegów o wysokich częstotliwościach. Typowo należy uwzględnić dodatkowy błąd rzędu 0,06% dla zakresu 100 V i częstotliwości 100 kHz przy wykorzystywaniu zacisków znajdujących się na panelu tylnym przyrządu. W celu zmniejszenia tego błędu użytkownik może zastosować techniki uziemienia opisane przy pomiarach napięć stałych.

Pomiary wartości skutecznej napięć przemiennych

Nowoczesne multimetry cyfrowe serii Truevolt firmy Agilent wykonują pomiaru rozpraszanej mocy w wyniku oddziaływania przyłożonego napięcia. Moc rozpraszana na określonej rezystancji jest proporcjonalna do pierwiastka przyłożonego napięcia niezależnie od kształtu przebiegu sygnału. Multimetr dokonuje dokładnego pomiaru napięcia lub prądu tak długo jak długo mierzony przebieg niesie energię powyżej efektywnej przepustowości miernika. Należy zwrócić uwagę, że multimetry Keysight serii Truevolt wykorzystują tę samą technikę pomiarową do pomiaru wartości skutecznej napięcia i prądu. Skuteczne pasmo dla przebiegów napięcia przemiennego wynosi 300 kHz, podczas gdy pasmo dla przebiegów prądu przemiennego wynosi 10 kHz.



Funkcje pomiaru napięcia i prądu przemiennego realizują pomiar sprzężonych wartości skutecznych tych wielkości. Oznacza to, że przy pomiarze eliminowana jest wartość składowej stałej i mierzone są tylko składowe przemienne przebiegu wejściowego. Jak widać w powyższej tabeli dla przebiegów sinusoidalnego, trójkątnego i prostokątnego składowe sprzężone przemienne (AC) są równe składowej AC+DC, ponieważ przebiegi te nie zawierają składowej stałej powodującej offset przebiegów. W przypadku przebiegów niesymetrycznych takich jak paczki impulsów dodatnich może występować pewna składowa stała, która w procesie pomiaru będzie eliminowana. W niektórych pomiarach może być to bardzo istotne i korzystne.

Eliminacja składowej stałej jest bardzo istotna w przypadku pomiarów małych sygnałów przemiennych w obecności dużych napięć stałych powodujących offset przebiegu. Przykładem takiego pomiaru jest pomiar tętnień napięcia wyjściowego zasilaczy napięcia stałego. W przypadku, gdyby zaistniała konieczność pomiaru sumarycznej wartości skutecznej przebiegu stałego i przemiennego istnieje możliwość określenia takiej wartości poprzez niezależny pomiar składowej stałej DC i przemiennej AC, a następnie wykonanie sumowania zmierzonych wartości jak to przedstawiono poniżej:



W celu jak najlepszej eliminacji przemiennej składowej szumu, pomiar składowej stałej DC należy wykonać przy ustawieniu czasu całkowania na co najmniej 10 cykli linii zasilania (PLC).

Dokładność pomiaru rzeczywistej wartości skutecznej przy występowaniu wysokoczęstotliwościowej składowej mierzonego sygnału

Powszechnie popełnianym błędem jest przyjmowanie, że skoro multimetr dokonuje precyzyjnego pomiaru rzeczywistej wartości skutecznej przebiegu sinusoidalnego, to można stosować specyfikację przyrządu w zakresie uzyskiwanej dokładności pomiaru dla przebiegów o innych kształtach fali. W rzeczywistości kształt mierzonego przebiegu w bardzo istotny sposób wpływa na dokładność pomiaru wartości skutecznej przebiegu przez dowolny miernik szczególnie, gdy w sygnale wejściowym pojawi się składowa wysokoczęstotliwościowa.

Jako przykład można rozpatrzeć ciąg impulsów, jeden z najtrudniejszych typów przebiegów do dokładnego zmierzenia za pomocą multimetrów. Szerokość impulsu w tym przebiegu w dużej mierze decyduje o zawartości składowej o wysokiej częstotliwości. Widmo częstotliwościowe pojedynczego impulsu jest określane przez jego rozkład Fouriera. Spektrum częstotliwości impulsów jest szeregiem Fouriera próbkowanym wzdłuż rozkładu Fouriera przemnożonego przez częstotliwości powtarzania impulsów (prf).

Poniższy rysunek przedstawia rozkład Fouriera dwóch bardzo różnych impulsów: jednego o dużej szerokości (200 µs) i drugiego wąskiego (6,7 µs). Przepustowość toru pomiaru napięcia przemiennego ACV w multimetrze cyfrowym wynosi 300 kHz, zatem zawartość częstotliwości powyżej 300 kHz nie będzie mierzona.

Zauważyć należy, że widmo wąskiego impulsu znacznie przekracza efektywną przepustowość przyrządu. Wynik jest mniej dokładny dla pomiaru wąskiego impulsu zawierającego składowa o wysokiej częstotliwości.

W przeciwieństwie do tego, widmo częstotliwości impulsu szerokiego mieści się w znaczącej mierze poniżej częstotliwości granicznej 300 kHz, zatem pomiary wykonany dla tego impulsu jest znacznie dokładniejszy.

Zmniejszenie wartości pdf powoduje zwiększenie gęstość linii w widmie Fouriera i zwiększa ilość energii sygnału wejściowego wypadającego w ramach pasma częstotliwości odbieranego przez multimetr, co z kolei powoduje wzrost dokładność pomiaru.

Podsumowując, błąd powstający w pomiarach wartości skutecznej wzrasta, gdy rośnie część energii sygnału wejściowego na częstotliwościach powyżej pasma wejściowego przyrządu.



Określanie błędu związanego z wysokimi częstotliwościami (poza pasmem wejściowym miernika)

Prostym sposobem opisu kształtu sygnału jest odniesienie się do wartości jego współczynnika szczytu (Crest Factor - C.F.). Współczynnik szczytu jest stosunkiem wartości szczytowej do wartości skutecznej przebiegu. Dla paczki impulsów współczynnik szczytu jest w przybliżeniu równy odwrotności pierwiastka kwadratowego współczynnika wypełnienia.



Należy zwrócić uwagę, że współczynnik szczytu jest parametrem zależnym od szerokości impulsu i jego częstotliwości powtarzania. Sam współczynnik szczytu nie jest wystarczający żeby w pełni scharakteryzować składowe częstotliwościowe sygnału.

Tradycyjnie multimetry cyfrowe zawierają tabelę współczynników redukcyjnych, która ma zastosowanie do wszystkich częstotliwości. Algorytm pomiarowy stosowany w miernikach serii Truevolt, nie jest z natury wrażliwy na wartość współczynnika szczytu, więc nie takie przewymiarowanie jest konieczne. Dla tego typu mierników jak to opisano wyżej istotne jest, jaka część energii sygnału mieści się w paśmie wejściowym miernika, a jaka wielkość energii znajduje się poza tym pasmem.
Dla sygnałów okresowych, kombinacja współczynnika szczytu i szybkości powtarzania może dawać informację o tym, że część energii przenoszona jest przez wysokie częstotliwości i wpływa bezpośrednio na wartość błędu pomiaru. Pierwsze przejście przez zero prostego impulsu występuje na częstotliwości f1 = 1/tp.
Pozwala to na szybkie określenie zawartości wysokich częstotliwości poprzez ustalenie, gdzie następuje to przejście w zależności od wartości współczynnika szczytu:



W poniższej tabeli przedstawiono typową wartość błędu dla różnych przebiegów impulsowych, jako funkcję częstotliwości impulsów wejściowych:



W tabeli tej podane są dodatkowe błędy dla każdego typu przebiegu, które należy dodać do wartości podanej w specyfikacji przyrządu określającej dokładność wykonywanych pomiarów.

Dane podane w specyfikacji są prawdziwe dla wartości współczynnika kształtu CF≤10 przy założeniu, że tylko niewielka część energii sygnału znajduje się poza pasmem 300 kHz dla pomiaru napięcia i 10 kHz dla pomiaru prądu. Dokładność przyrządu nie jest specyfikowana dla wartości współczynnika szczytu CF>10 lub dla przypadku, gdy większość energii sygnału znajduje się poza pasmem wejściowym przyrządu. Przykład:

Paczka impulsów o poziomie 1 V (rms) jest mierzona za pomocą multimetru na zakresie 1 V. Charakteryzuje się ona amplitudą impulsów 3 V (współczynnik szczytu wynosi więc 3) i posiada czas trwania 111 µs. Wartość prf może być określona dla częstotliwości 1000 Hz z zależności:



Jak wynika z tabeli przedstawionej powyżej przebieg przemienny może być zmierzony z uwzględnieniem dodatkowego błędu na poziomie 0,18%

Błędy związane z obciążeniem obwodu

Przy pomiarach napięcia przemiennego, wejście miernika widziane jest, jako rezystancja 1 MΩ połączona równolegle z pojemnością 100 pF. Przewody wykorzystywane podczas pomiarów wprowadzają dodatkową pojemność oraz rezystancję. W tabeli poniżej przedstawiono przybliżone parametry wejściowe multimetru w funkcji częstotliwości mierzonego napięcia przemiennego.



Dla niskich częstotliwości błąd spowodowany obciążeniem jest równy:



Dla wysokich częstotliwości błąd spowodowany obciążeniem jest równy:



gdzie:
Rs – rezystancja źródła
F – częstotliwość mierzonego napięcia
Cin – pojemność wejściowa miernika (100 pF) + pojemność wnoszona przez przewody pomiarowe


Błędy charakterystyczne dla pomiarów sygnałów o małych poziomach

Pomiary napięć przemiennych poniżej 100 mV są szczególnie narażone na pojawianie się błędów pomiarowych związanych z zewnętrznymi źródłami szumów. Przewody pomiarowe działają jak antena odbiorcza, a prawidłowo działający miernik dokonuje pomiaru zaindukowanego napięcia przemiennego. Cały wejściowy tor pomiarowy, wraz z przewodem zasilającym działa jak antena pętlowa. Prądy wirowe indukujące się w takiej antenie powodują powstawanie sygnałów błędów, które w postaci napięć na wejściowej impedancji przyrządu podawane są na wejście multimetru. Dlatego w przypadku pomiaru niskich napięć należy stosować przewody ekranowane z ekranem dołączonym do zacisku wejściowego LO. Należy również zadbać o to, żeby multimetr i badane źródło prądu przemiennego dołączone były do tej samej linii energetycznej. Konieczne jest również zmniejszenie pętli uziemienia o ile nie można ich uniknąć. Źródła o wysokiej impedancji są bardziej podatne na wpływ szumów niż źródła o niskiej impedancji. Dla dużych częstotliwości można zredukować impedancję źródła poprzez dołączanie równolegle do zacisków wejściowych multimetru dodatkowej pojemności. Wielkość dołączanego kondensatora należy dobrać eksperymentalnie.

Większość zewnętrznych szumów nie jest skorelowana z sygnałem wejściowym. Błąd spowodowany wpływem szumów można określić za pomocą poniższej zależności:



Szum skorelowany z mierzonym sygnałem, choć jest przypadkiem rzadko pojawiającym się, jest szczególnie szkodliwy, ponieważ zawsze dodaje się bezpośrednio do sygnału wejściowego. Pomiar sygnału o niskim poziomie o takiej samej częstotliwości jak częstotliwość linii zasilającej jest często wykonywanym pomiarem i jest on podatny na występowanie powyższego błędu.

Podsumowanie

Podczas wykonywania pomiarów wysokich częstotliwości czy niskich napięć AC bardzo ważne jest minimalizowanie błędów. Używaj źródła o małej impedancji wewnętrznej, odpowiednich przewodów pomiarowych oraz minimalizuj pętle między przewodami. Przy ustalaniu błędów pomiarowych AC zawsze bierz pod uwagę kształt sygnału, szum oraz częstotliwość.

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy AM Technologies.

© AM Technologies

Komentarze

Zauważ proszę, że komentarze krytyczne są jak najbardziej pożądane, zachęcamy do ich zamieszczania i dalszej dyskusji. Jednak komentarze obraźliwe, rasistowskie czy homofobiczne nie są przez nas akceptowane. Tego typu komentarze będą przez nas usuwane.
reklama
reklama
Załaduj więcej newsów
April 21 2018 15:38 V9.3.2-1