Elektrická měření 10 VI2 – 3. sem.

1. Elektrická měření 10VI2 – 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

2. 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

3. 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 • 101μA ÷ 100 A - analogový magnetoelektrický nebo elektromagnetický MP . • 101μA ÷ 101 A - číslicový Ametr a multimetry- úbytek napětí na bočníku > ADP > ZJ • od 101 nA- el. převodník UI s operačním zesil. • 101pA ÷ 102 pA - úbytek napětí na vysokoohm.odporu mikrovoltmetrem s modulačním zesil. • větší proudy - bočníkem zvětš. měř. rozsah Ametru ELM VI2 Měřicí přístroje

4. 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) • 102μA ÷ 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

5. 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

6. 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

7. 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

8. 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

9. 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

10. 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

11. 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

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

13. 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

14. 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

15. 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

16. 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

17. 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 (1mV/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

18. 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

19. 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

20. 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

21. Režimy přepínání ALT a CHOP ELM VI2 Měřicí přístroje

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

23. 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

24. 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

25. 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

26. 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

27. 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

28. 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

29. 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

30. Digitální osciloskop bez multiplexu ELM VI2 Měřicí přístroje

31. Dig. osciloskop s multiplexem ELM VI2 Měřicí přístroje

32. 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

33. 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

34. 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

35. 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

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