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

B艂臋dy pomiarowe napi臋cia AC w multimetrach cyfrowych

Artyku艂 opisuje rodzaje b艂臋d贸w wyst臋puj膮ce w multimetrach cyfrowych oraz rozwi膮zania pojawiaj膮cych si臋 problem贸w.
B艂臋dy dla typowych tryb贸w pomiarowych W przypadku, gdy do wej艣cia LO multimetru doprowadzone jest napi臋cie przemienne wzgl臋dem zacisku uziemienia, to jest du偶e prawdopodobie艅stwo powstawania b艂臋d贸w pomiarowych. W przypadku multimetr贸w istotne jest, w jaki spos贸b wyj艣cie wzorcowego 藕r贸d艂a napi臋cia przemiennego jest do艂膮czone do przyrz膮du 鈥 czy za pomoc膮 zacisk贸w znajduj膮cych si臋 na panelu przednim przyrz膮du czy te偶 za pomoc膮 z艂膮cz pomiarowych zainstalowanych na tylnym panelu przyrz膮du. W idealnym przypadku miernik powinien dokonywa膰 takiego samego pomiaru niezale偶nie od tego, do kt贸rego wej艣cia jest do艂膮czone 藕r贸d艂o sygna艂u. Niestety zar贸wno samo 藕r贸d艂o jak i miernik mog膮 wp艂yn膮膰 na zmian臋 takiej idealnej sytuacji. Ze wzgl臋du na pojemno艣膰 jaka wyst臋puje pomi臋dzy zaciskiem LO i mas膮 (oko艂o 200 pF), 藕r贸d艂o sygna艂u mo偶e by膰 r贸偶nie obci膮偶ane w zale偶no艣ci od sposobu jego pod艂膮czenia. Wielko艣膰 b艂臋du zale偶na jest od odpowiedzi 藕r贸d艂a na takie obci膮偶enie. Uk艂ady wej艣ciowe multimetru cyfrowego pomimo tego, 偶e s膮 ekranowane r贸偶nie reaguj膮 na spos贸b do艂膮czenia 藕r贸d艂a sygna艂u z uwagi na niewielkie r贸偶nice w pojemno艣ci wzgl臋dem uziemienia. B艂臋dy z tym zwi膮zane s膮 wi臋ksze dla wysokich napi臋膰 i przebieg贸w o wysokich cz臋stotliwo艣ciach. Typowo nale偶y uwzgl臋dni膰 dodatkowy b艂膮d rz臋du 0,06% dla zakresu 100 V i cz臋stotliwo艣ci 100 kHz przy wykorzystywaniu zacisk贸w znajduj膮cych si臋 na panelu tylnym przyrz膮du. W celu zmniejszenia tego b艂臋du u偶ytkownik mo偶e zastosowa膰 techniki uziemienia opisane przy pomiarach napi臋膰 sta艂ych. Pomiary warto艣ci skutecznej napi臋膰 przemiennych Nowoczesne multimetry cyfrowe serii Truevolt firmy Agilent wykonuj膮 pomiaru rozpraszanej mocy w wyniku oddzia艂ywania przy艂o偶onego napi臋cia. Moc rozpraszana na okre艣lonej rezystancji jest proporcjonalna do pierwiastka przy艂o偶onego napi臋cia niezale偶nie od kszta艂tu przebiegu sygna艂u. Multimetr dokonuje dok艂adnego pomiaru napi臋cia lub pr膮du tak d艂ugo jak d艂ugo mierzony przebieg niesie energi臋 powy偶ej efektywnej przepustowo艣ci miernika. Nale偶y zwr贸ci膰 uwag臋, 偶e multimetry Keysight serii Truevolt wykorzystuj膮 t臋 sam膮 technik臋 pomiarow膮 do pomiaru warto艣ci skutecznej napi臋cia i pr膮du. Skuteczne pasmo dla przebieg贸w napi臋cia przemiennego wynosi 300 kHz, podczas gdy pasmo dla przebieg贸w pr膮du przemiennego wynosi 10 kHz. Funkcje pomiaru napi臋cia i pr膮du przemiennego realizuj膮 pomiar sprz臋偶onych warto艣ci skutecznych tych wielko艣ci. Oznacza to, 偶e przy pomiarze eliminowana jest warto艣膰 sk艂adowej sta艂ej i mierzone s膮 tylko sk艂adowe przemienne przebiegu wej艣ciowego. Jak wida膰 w powy偶szej tabeli dla przebieg贸w sinusoidalnego, tr贸jk膮tnego i prostok膮tnego sk艂adowe sprz臋偶one przemienne (AC) s膮 r贸wne sk艂adowej AC+DC, poniewa偶 przebiegi te nie zawieraj膮 sk艂adowej sta艂ej powoduj膮cej offset przebieg贸w. W przypadku przebieg贸w niesymetrycznych takich jak paczki impuls贸w dodatnich mo偶e wyst臋powa膰 pewna sk艂adowa sta艂a, kt贸ra w procesie pomiaru b臋dzie eliminowana. W niekt贸rych pomiarach mo偶e by膰 to bardzo istotne i korzystne. Eliminacja sk艂adowej sta艂ej jest bardzo istotna w przypadku pomiar贸w ma艂ych sygna艂贸w przemiennych w obecno艣ci du偶ych napi臋膰 sta艂ych powoduj膮cych offset przebiegu. Przyk艂adem takiego pomiaru jest pomiar t臋tnie艅 napi臋cia wyj艣ciowego zasilaczy napi臋cia sta艂ego. W przypadku, gdyby zaistnia艂a konieczno艣膰 pomiaru sumarycznej warto艣ci skutecznej przebiegu sta艂ego i przemiennego istnieje mo偶liwo艣膰 okre艣lenia takiej warto艣ci poprzez niezale偶ny pomiar sk艂adowej sta艂ej DC i przemiennej AC, a nast臋pnie wykonanie sumowania zmierzonych warto艣ci jak to przedstawiono poni偶ej: W celu jak najlepszej eliminacji przemiennej sk艂adowej szumu, pomiar sk艂adowej sta艂ej DC nale偶y wykona膰 przy ustawieniu czasu ca艂kowania na co najmniej 10 cykli linii zasilania (PLC). Dok艂adno艣膰 pomiaru rzeczywistej warto艣ci skutecznej przy wyst臋powaniu wysokocz臋stotliwo艣ciowej sk艂adowej mierzonego sygna艂u Powszechnie pope艂nianym b艂臋dem jest przyjmowanie, 偶e skoro multimetr dokonuje precyzyjnego pomiaru rzeczywistej warto艣ci skutecznej przebiegu sinusoidalnego, to mo偶na stosowa膰 specyfikacj臋 przyrz膮du w zakresie uzyskiwanej dok艂adno艣ci pomiaru dla przebieg贸w o innych kszta艂tach fali. W rzeczywisto艣ci kszta艂t mierzonego przebiegu w bardzo istotny spos贸b wp艂ywa na dok艂adno艣膰 pomiaru warto艣ci skutecznej przebiegu przez dowolny miernik szczeg贸lnie, gdy w sygnale wej艣ciowym pojawi si臋 sk艂adowa wysokocz臋stotliwo艣ciowa. Jako przyk艂ad mo偶na rozpatrze膰 ci膮g impuls贸w, jeden z najtrudniejszych typ贸w przebieg贸w do dok艂adnego zmierzenia za pomoc膮 multimetr贸w. Szeroko艣膰 impulsu w tym przebiegu w du偶ej mierze decyduje o zawarto艣ci sk艂adowej o wysokiej cz臋stotliwo艣ci. Widmo cz臋stotliwo艣ciowe pojedynczego impulsu jest okre艣lane przez jego rozk艂ad Fouriera. Spektrum cz臋stotliwo艣ci impuls贸w jest szeregiem Fouriera pr贸bkowanym wzd艂u偶 rozk艂adu Fouriera przemno偶onego przez cz臋stotliwo艣ci powtarzania impuls贸w (prf). Poni偶szy rysunek przedstawia rozk艂ad Fouriera dw贸ch bardzo r贸偶nych impuls贸w: jednego o du偶ej szeroko艣ci (200 碌s) i drugiego w膮skiego (6,7 碌s). Przepustowo艣膰 toru pomiaru napi臋cia przemiennego ACV w multimetrze cyfrowym wynosi 300 kHz, zatem zawarto艣膰 cz臋stotliwo艣ci powy偶ej 300 kHz nie b臋dzie mierzona. Zauwa偶y膰 nale偶y, 偶e widmo w膮skiego impulsu znacznie przekracza efektywn膮 przepustowo艣膰 przyrz膮du. Wynik jest mniej dok艂adny dla pomiaru w膮skiego impulsu zawieraj膮cego sk艂adowa o wysokiej cz臋stotliwo艣ci. W przeciwie艅stwie do tego, widmo cz臋stotliwo艣ci impulsu szerokiego mie艣ci si臋 w znacz膮cej mierze poni偶ej cz臋stotliwo艣ci granicznej 300 kHz, zatem pomiary wykonany dla tego impulsu jest znacznie dok艂adniejszy. Zmniejszenie warto艣ci pdf powoduje zwi臋kszenie g臋sto艣膰 linii w widmie Fouriera i zwi臋ksza ilo艣膰 energii sygna艂u wej艣ciowego wypadaj膮cego w ramach pasma cz臋stotliwo艣ci odbieranego przez multimetr, co z kolei powoduje wzrost dok艂adno艣膰 pomiaru. Podsumowuj膮c, b艂膮d powstaj膮cy w pomiarach warto艣ci skutecznej wzrasta, gdy ro艣nie cz臋艣膰 energii sygna艂u wej艣ciowego na cz臋stotliwo艣ciach powy偶ej pasma wej艣ciowego przyrz膮du. Okre艣lanie b艂臋du zwi膮zanego z wysokimi cz臋stotliwo艣ciami (poza pasmem wej艣ciowym miernika) Prostym sposobem opisu kszta艂tu sygna艂u jest odniesienie si臋 do warto艣ci jego wsp贸艂czynnika szczytu (Crest Factor - C.F.). Wsp贸艂czynnik szczytu jest stosunkiem warto艣ci szczytowej do warto艣ci skutecznej przebiegu. Dla paczki impuls贸w wsp贸艂czynnik szczytu jest w przybli偶eniu r贸wny odwrotno艣ci pierwiastka kwadratowego wsp贸艂czynnika wype艂nienia. Nale偶y zwr贸ci膰 uwag臋, 偶e wsp贸艂czynnik szczytu jest parametrem zale偶nym od szeroko艣ci impulsu i jego cz臋stotliwo艣ci powtarzania. Sam wsp贸艂czynnik szczytu nie jest wystarczaj膮cy 偶eby w pe艂ni scharakteryzowa膰 sk艂adowe cz臋stotliwo艣ciowe sygna艂u. Tradycyjnie multimetry cyfrowe zawieraj膮 tabel臋 wsp贸艂czynnik贸w redukcyjnych, kt贸ra ma zastosowanie do wszystkich cz臋stotliwo艣ci. Algorytm pomiarowy stosowany w miernikach serii Truevolt, nie jest z natury wra偶liwy na warto艣膰 wsp贸艂czynnika szczytu, wi臋c nie takie przewymiarowanie jest konieczne. Dla tego typu miernik贸w jak to opisano wy偶ej istotne jest, jaka cz臋艣膰 energii sygna艂u mie艣ci si臋 w pa艣mie wej艣ciowym miernika, a jaka wielko艣膰 energii znajduje si臋 poza tym pasmem. Dla sygna艂贸w okresowych, kombinacja wsp贸艂czynnika szczytu i szybko艣ci powtarzania mo偶e dawa膰 informacj臋 o tym, 偶e cz臋艣膰 energii przenoszona jest przez wysokie cz臋stotliwo艣ci i wp艂ywa bezpo艣rednio na warto艣膰 b艂臋du pomiaru. Pierwsze przej艣cie przez zero prostego impulsu wyst臋puje na cz臋stotliwo艣ci f1 = 1/tp. Pozwala to na szybkie okre艣lenie zawarto艣ci wysokich cz臋stotliwo艣ci poprzez ustalenie, gdzie nast臋puje to przej艣cie w zale偶no艣ci od warto艣ci wsp贸艂czynnika szczytu: W poni偶szej tabeli przedstawiono typow膮 warto艣膰 b艂臋du dla r贸偶nych przebieg贸w impulsowych, jako funkcj臋 cz臋stotliwo艣ci impuls贸w wej艣ciowych: W tabeli tej podane s膮 dodatkowe b艂臋dy dla ka偶dego typu przebiegu, kt贸re nale偶y doda膰 do warto艣ci podanej w specyfikacji przyrz膮du okre艣laj膮cej dok艂adno艣膰 wykonywanych pomiar贸w. Dane podane w specyfikacji s膮 prawdziwe dla warto艣ci wsp贸艂czynnika kszta艂tu CF鈮10 przy za艂o偶eniu, 偶e tylko niewielka cz臋艣膰 energii sygna艂u znajduje si臋 poza pasmem 300 kHz dla pomiaru napi臋cia i 10 kHz dla pomiaru pr膮du. Dok艂adno艣膰 przyrz膮du nie jest specyfikowana dla warto艣ci wsp贸艂czynnika szczytu CF>10 lub dla przypadku, gdy wi臋kszo艣膰 energii sygna艂u znajduje si臋 poza pasmem wej艣ciowym przyrz膮du. Przyk艂ad: Paczka impuls贸w o poziomie 1 V (rms) jest mierzona za pomoc膮 multimetru na zakresie 1 V. Charakteryzuje si臋 ona amplitud膮 impuls贸w 3 V (wsp贸艂czynnik szczytu wynosi wi臋c 3) i posiada czas trwania 111 碌s. Warto艣膰 prf mo偶e by膰 okre艣lona dla cz臋stotliwo艣ci 1000 Hz z zale偶no艣ci: Jak wynika z tabeli przedstawionej powy偶ej przebieg przemienny mo偶e by膰 zmierzony z uwzgl臋dnieniem dodatkowego b艂臋du na poziomie 0,18% B艂臋dy zwi膮zane z obci膮偶eniem obwodu Przy pomiarach napi臋cia przemiennego, wej艣cie miernika widziane jest, jako rezystancja 1 M鈩 po艂膮czona r贸wnolegle z pojemno艣ci膮 100 pF. Przewody wykorzystywane podczas pomiar贸w wprowadzaj膮 dodatkow膮 pojemno艣膰 oraz rezystancj臋. W tabeli poni偶ej przedstawiono przybli偶one parametry wej艣ciowe multimetru w funkcji cz臋stotliwo艣ci mierzonego napi臋cia przemiennego. Dla niskich cz臋stotliwo艣ci b艂膮d spowodowany obci膮偶eniem jest r贸wny: Dla wysokich cz臋stotliwo艣ci b艂膮d spowodowany obci膮偶eniem jest r贸wny: gdzie: Rs 鈥 rezystancja 藕r贸d艂a F 鈥 cz臋stotliwo艣膰 mierzonego napi臋cia Cin 鈥 pojemno艣膰 wej艣ciowa miernika (100 pF) + pojemno艣膰 wnoszona przez przewody pomiarowe B艂臋dy charakterystyczne dla pomiar贸w sygna艂贸w o ma艂ych poziomach Pomiary napi臋膰 przemiennych poni偶ej 100 mV s膮 szczeg贸lnie nara偶one na pojawianie si臋 b艂臋d贸w pomiarowych zwi膮zanych z zewn臋trznymi 藕r贸d艂ami szum贸w. Przewody pomiarowe dzia艂aj膮 jak antena odbiorcza, a prawid艂owo dzia艂aj膮cy miernik dokonuje pomiaru zaindukowanego napi臋cia przemiennego. Ca艂y wej艣ciowy tor pomiarowy, wraz z przewodem zasilaj膮cym dzia艂a jak antena p臋tlowa. Pr膮dy wirowe indukuj膮ce si臋 w takiej antenie powoduj膮 powstawanie sygna艂贸w b艂臋d贸w, kt贸re w postaci napi臋膰 na wej艣ciowej impedancji przyrz膮du podawane s膮 na wej艣cie multimetru. Dlatego w przypadku pomiaru niskich napi臋膰 nale偶y stosowa膰 przewody ekranowane z ekranem do艂膮czonym do zacisku wej艣ciowego LO. Nale偶y r贸wnie偶 zadba膰 o to, 偶eby multimetr i badane 藕r贸d艂o pr膮du przemiennego do艂膮czone by艂y do tej samej linii energetycznej. Konieczne jest r贸wnie偶 zmniejszenie p臋tli uziemienia o ile nie mo偶na ich unikn膮膰. 殴r贸d艂a o wysokiej impedancji s膮 bardziej podatne na wp艂yw szum贸w ni偶 藕r贸d艂a o niskiej impedancji. Dla du偶ych cz臋stotliwo艣ci mo偶na zredukowa膰 impedancj臋 藕r贸d艂a poprzez do艂膮czanie r贸wnolegle do zacisk贸w wej艣ciowych multimetru dodatkowej pojemno艣ci. Wielko艣膰 do艂膮czanego kondensatora nale偶y dobra膰 eksperymentalnie. Wi臋kszo艣膰 zewn臋trznych szum贸w nie jest skorelowana z sygna艂em wej艣ciowym. B艂膮d spowodowany wp艂ywem szum贸w mo偶na okre艣li膰 za pomoc膮 poni偶szej zale偶no艣ci: Szum skorelowany z mierzonym sygna艂em, cho膰 jest przypadkiem rzadko pojawiaj膮cym si臋, jest szczeg贸lnie szkodliwy, poniewa偶 zawsze dodaje si臋 bezpo艣rednio do sygna艂u wej艣ciowego. Pomiar sygna艂u o niskim poziomie o takiej samej cz臋stotliwo艣ci jak cz臋stotliwo艣膰 linii zasilaj膮cej jest cz臋sto wykonywanym pomiarem i jest on podatny na wyst臋powanie powy偶szego b艂臋du. Podsumowanie Podczas wykonywania pomiar贸w wysokich cz臋stotliwo艣ci czy niskich napi臋膰 AC bardzo wa偶ne jest minimalizowanie b艂臋d贸w. U偶ywaj 藕r贸d艂a o ma艂ej impedancji wewn臋trznej, odpowiednich przewod贸w pomiarowych oraz minimalizuj p臋tle mi臋dzy przewodami. Przy ustalaniu b艂臋d贸w pomiarowych AC zawsze bierz pod uwag臋 kszta艂t sygna艂u, szum oraz cz臋stotliwo艣膰. Artyku艂 opublikowano dzi臋ki uprzejmo艣ci firmy AM Technologies. 漏 AM Technologies
reklama
reklama
Za艂aduj wi臋cej news贸w
February 15 2019 09:57 V12.1.1-2