Základní laboratorní měřicí přístroje pro elektrotechniku

Základní laboratorní měřicí přístroje pro elektrotechniku Miloslav Steinbauer 19.11.2014 1DTEE FEEC BUT

Obsah Základní analogové měřicí přístroje (AMP) Číslicové multimetry Přístroje pro nízkoúrovňová měření Osciloskopy 2

ANALOGOVÁ MĚŘIDLA 3

Základní AMP (analogové měřicí přístroje) Jsou to zařízení s elektromechanickým ústrojím, která využívají magnetických, tepelných či dynamických účinků elektrického proudu nebo účinků elektrostatického pole ke stanovení velikosti měřené veličiny. Základem je měřicí ústrojí (pevná a pohyblivá část). Na pohyblivou část působí síly vyvolané měřenou veličinou a vytvářejí pohybový moment M P. Velikost tohoto momentu je úměrná měřené veličině. Aby došlo k ustálení, musí na otočné ústrojí působit direktivní (řídicí) moment M d (nejčastěji pružina). Základní AMP: voltmetry - měří el. napětí (V) ampérmetry - měří el. proud (A) ohmmetry - měří el. odpor (W) wattmetry - měří el. výkon (W) a další - měřiče kmitočtu, fáze, 4

Analogové měřicí přístroje Značení základních ústrojí AMP: magnetoelektrické magnetoelektrické s usměrňovačem magnetoelektrické s termočlánkem feromagnetické indukční rezonanční elektrodynamické ferodynamické magnetoelektrické poměrové elektrodynamické poměrové ferodynamické poměrové 5

Magnetoelektrické (Deprézké) ústrojí Otočná cívka spojená s ručičkou je umístěna v magnetickém poli permanentního magnetu. Prochází-li cívkou měřený proud, je magnetickým polem vychylována. 6

Magnetoelektrické ústrojí Princip: působení magnetického pole permanentního magnetu na vodič protékaný proudem Pohybový moment je přímo úměrný proudu procházejícímu měřicí cívkou. Měří střední hodnotu I s proudu. Brzdicí moment je u magnetoelektrických přístrojů vyvolán proudem, který se indukuje v měřicí cívce a jejím hliníkovém rámečku představujícím závit nakrátko 7

Magnetoelektrické ústrojí 8

Feromagnetické (elektromagnetické) ústrojí Měřicí cívka vytváří magnetické pole, které zmagnetuje pohyblivé segmenty z magneticky měkkého materiálu spojené s ukazatelem. 9

Feromagnetické měřicí ústrojí (elektromagnetické) Princip: působení sil magnetického pole cívky protékané měřeným proudem na feromagnetické tělísko Pohybový moment je úměrný druhé mocnině efektivní hodnoty proudu. Konstrukcí se dá částečně linearizovat. Měří efektivní hodnotu proudu I ef. Moment tlumení vzniklí odporem vzduchu při pohybu lehkého hliníkového křidélka Na vyšších kmitočtech je problém s vířivými proudy. Použití pro střídavá měření síťových kmitočtů. 10 10

Feromagnetické (elektromagnetické) ústrojí 11

Elektrodynamické ústrojí Skládají se z pohyblivé a nepohyblivé cívky, kterými prochází měřený proud. Pohyblivá cívka spojená s ukazatelem je vzniklým magnetickým polem vychylována. 12

Elektrodynamické (ferodynamické) ústrojí Princip: Síly působící mezi dvěma cívkami protékanými proudem Měří efektivní hodnotu proudu, resp. součinu dvou proudů. Často se používají pro konstrukci wattmetrů. Dobrá přesnost a kmitočtové vlastnosti. 13

Umístění důležitých údajů na číselníku AMP 14

Konstanta a výchylka analogového přístroje k rozsah délka stupnice X R 120 max k 60 X M k měř. hodnota k výchylka 60 X M 95 47,5 V 120 15

Předřadník - dělič napětí R 1 R U 2 out U in R R 1 2 U in U U out R 2 Předřadník pro zvýšení měřicího rozsahu V-metru Rozsah 100 V R P Rozsah 10 V V R V Voltmetr 10 V Po zvýšení rozsahu voltmetru na n-násobek: RP n 1 RV R V je vnitřní odpor měřidla 16

Bočník - dělič proudu Bočník pro zvýšení měřicího rozsahu A-metru I = 200 A I A RB I B A R A Ampérmetr 100 A Po zvýšení rozsahu ampérmetru na n-násobek: R B 1 R n 1 A Pak: IB n 1 IA I I I ni A B A R A je vnitřní odpor měřidla, např. (viz obrázek) R A U I A A 60 mv 0, 6 mω 100 A 17

ČÍSLICOVÉ MĚŘICÍ PŘÍSTROJE 18

Číslicový multimetr (DMM) DMM jsou použitelné pro měření I řádově 100 ma až 10 A U řádově 100 nv až 1000 V R řádově 1 W až 100 MW 19

Číslicový multimetr (DMM) Základním blokem číslicového multimetru je stejnosměrný číslicový voltmetr, tvořený AČP a číslicovým zobrazovačem. Používá se nejčastěji AČP integračního typu s dvoutaktní integrací, u rychlých voltmetrů převodník s postupnou aproximací. Na vstupu je doplněn vstupním děličem napětí VD a zesilovačem Z, které slouží ke změně měřicích rozsahů a dosažení požadované vstupní impedance DMM. Pro měření proudů a odporů slouží převodníky těchto veličin na stejnosměrné napětí (PPN a PON). Pro měření střídavých napětí a proudů je před A/D převodník předřazen převodník střídavého napětí na stejnosměrné (usměrňovač, USM). Moderní číslicové multimetry často obsahují ještě mikroprocesor a dále obvody standardizovaného rozhraní (interface), umožňující normalizovanou komunikaci s dalšími přístroji (USB, RS-232, LAN, GPIB ) U I R VD PPN I U PON R U I R U Z USM ~ = AČP A Č řídicí jednotka BČZ 888 displej interface 20

Zesilovač napětí Principiální schéma vstupního obvod u elektronického voltmetru OZ v zapojení neinvertujícího zesilovače má velký vstupní odpor pro větší měřicí rozsahy je předřazen dělič napětí u in + - u out u out R R 1 2 uin R2 R 2 R 1 21

Převodník I/U s bočníkem Proud se pomocí bočníku převádí na napětí měřené dále pomocí V-metru Bočník však zavádí vložené napětí u b i in + - u out u R R 1 2 out iinrb R2 u i R b in B u b R B R 2 R 1 22

Zpětnovazební převodník I/U Vložené napětí je dáno pouze vstupní napěťovou nesymetrií OZ a lze je minimalizovat nulování offsetu Vlastnostmi se toto zapojení blíží ideálnímu ampérmetru R i in - ub 0 u b U + U ofs u out u out i R in 23

Měření odporu převodník R/U Dvě metody: FCMV (Force Current Measure Voltage) FVMC (Force Voltage Measure Current) I S R x I FCMV I V U R x FVMC U U S A R x U I S R x U I S Používá se pro odpory malých hodnot Používá se pro odpory velkých hodnot 24

Poznámky k měření Realizace měření střední absolutní hodnoty je jednoduchá Z principu měří střední hodnotu běžná ústrojí stejnosměrných analogových měřidel; stačí tedy doplnit usměrňovač R P R P ~u + =V ~u + =V R M R M Z číslicového stejnosměrného měřidla lze obdobně vytvořit měřidlo střední absolutní hodnoty přidáním usměrňovače, případně integrátoru (RC článek, dolní propust) Značka magnetoelektrického měřidla s usměrňovačem 25

Poznámky k měření Realizace měření efektivní hodnoty je oproti předchozímu poměrně složitá Z definice efektivní hodnoty pomocí tepelných účinků proudu vychází měření termočlánkem měřený proud ohřívá odporový drát, jehož teplotu měří termočlánek (tzv. Seebeckův jev) náchylné na přetížení, snadno dojde k přetavení topného drátu R P stupnice je nelineární, úměrná I 2 ; často se proto používá komparační zapojení se dvěma shodnými termočlánky ~u ~u R P 0V + =V Termočlánek + - + U ef R P R P - 26

Poznámky k měření Druhou možnost představuje přímá realizace definičního vztahu (tzv. explicitní převodník) Tento převodník má malý dynamický rozsah (pracuje s u 2 ) u Kvadrátor Integrátor 1 T Odmocnina 2 u 2 d t u T 1 T 2 Uef u dt 0 T 0 2 X 1 T X d t T X 0 Nevýhody předešlého odstraňuje zpětnovazební (tzv. implicitní) převodník efektivní hodnoty u A Kvadrátor a dělička u U Integrátor 1 T X d t T A 2 / B 0 2 ef U ef 1 T T 0 u U 2 ef dt B U ef 27

Poznámky k měření Pro měření efektivní hodnoty se vyrábějí integrované převodníky RMS-DC Například AD636, AD737 Cena je několik set Kč, proto jsou i TRMS verze multimetrů dražší 28

Činitel tvaru a výkyvu Činitel tvaru (Form Factor) k t I I sa podíl efektivní a střední absolutní hodnoty Přístroje s převodníkem střední hodnoty jsou určeny jen pro měření harmonických průběhů s činitelem tvaru k th I kth 1,11 I měříme-li pak napětí či proud odlišného tvaru, dopouštíme se systematické chyby měření přístroje měřicí skutečně efektivní hodnotu se označují někdy označeny TRMS, od anglického true root-mean-square sa Činitel výkyvu (Crest Factor, CF) k v I I m Vyjadřuje např. dynamické vlastnosti převodníku měřicího přístroje; přesnost je zaručována jen do jisté maximální velikosti k v 29

Poznámka k problematice měření TRMS Napětí periodického neharmonického průběhu s U ef = 217 V s činitelem tvaru 1,26 Přístroj s TRMS ukáže 217 V (správná hodnota) Tento přístroj ukáže 191 V (chyba -12%) U k U 1,11 U 191 V th sa sa Jednodušší (levnější) měřicí přístroje ukazují namísto efektivní hodnoty 1.11násobek stř. absolutní hodnoty. 30

Základní charakteristiky přístrojů Základní charakteristiky číslicových voltmetrů a multimetrů jsou následující: Počet míst číslicového zobrazovače. Dnes je to 3 až 8½ míst (max. údaj 999 až 199 999 999). Měl by odpovídat celkové přesnosti přístroje, aby bylo možno využít plný rozsah přístroje pro srovnávací měření. Rozlišovací schopnost, rozlišení (resolution). Vyjadřuje nejmenší měřitelnou změnu napětí indikovanou číslicovým voltmetrem. Je to napětí odpovídající změně o jedničku na posledním místě číslicového zobrazovače. Závisí na zvoleném měřicím rozsahu Vstupní impedance. Obvykle bývá 10 MΩ (na nejnižších rozsazích až 10 GΩ) pro měření stejnosměrných napětí a 1 MΩ paralelně s kapacitou asi 40 pf pro měření střídavých napětí. Počet a hodnoty vstupních rozsahů. Přístroje mají obvykle 4 až 6 měřicích rozsahů pro napětí např. 0,01 V až 1000 V; přepínání rozsahů je ruční nebo automatické. Přesnost. Relativní chyby údaje jsou obvykle od 0,1 % až 0,001 % pro stejnosměrná napětí. Chyby číslicových multimetrů jsou specifikovány samostatně pro všechny měřené veličiny, měřicí rozsahy a jednotlivá frekvenční pásma. Časová stálost. Specifikace přesnosti se obvykle uvádí pro dva nebo tři časové intervaly po kalibraci: 24 hodin, 3 měsíce, případně 1 rok. 31

Rozlišení Rozlišení přístroje je definováno nejmenší pozorovatelnou částí odpovídá poslednímu místu displeje: rozlišení 12b převodníku = 1 část z 2 12, tedy 1/4096 4 ¾ místný displej = 1 část z údaje 40000 (00000 až 39999) 7 ½ místný displej = 1 část z údaje 20,000,000 (00000000 až 19999999) Příklad rozlišení: 3 ½ digit (2000) na rozsahu 2W = 1 mw 4 ¾ digit (40000) na rozsahu 400mV = 10 mv 16-bit (65536) A/D na rozsahu 2V = 30 mv 8 ½ digit na rozsahu 200 mv = 1 nv 4 ¾ místný displej 32

Přesnost Přesnost u číslicových přístrojů se udává dvěma hodnotami relativně ke čtené hodnotě na displeji a k hodnotě nastaveného rozsahu ± (% reading + % range) ± (gain error + offset error) Příklad: DMM s přesností ± (0,03% of reading + 0,01% range) Indikuje měřenou hodnotu 0,50000 V při rozsahu 2V Nejistota měření se určí takto: ± (0,03% x 0,5V + 0,01% x 2.0V) = ± (0,00015V + 0,00020V) = ± 350 mv Skutečná hodnota tedy leží v intevalu: 0,49965 0,50035 V Píšeme (0,50000 ± 0,00035) V 33

Příklad parametrů DMM Měření stejnosměrných napětí vstupní odpor přibližně 10 MW rozsah rozlišení přesnost 400 mv 100 mv ± (0,8% z hodnoty + 0,075% z rozsahu) 4 V 1 mv 40 V 10 mv ± (0,8% z hodnoty + 0,025% z rozsahu) 400 V 100 mv 1000 V 1 V ± (1% z hodnoty + 0,075% z rozsahu) Měření stejnosměrných proudů rozsah rozlišení přesnost 400 ma 100 na 4 ma 1 ma ± (1% z hodnoty + 0,05% z rozsahu) 40 ma 10 ma 400 ma 100 ma ± (1,2% z hodnoty + 0,075% z rozsahu) 4 A 1 ma 10 A 10 ma ± (1,5% z hodnoty + 0,125% z rozsahu) Měření střídavých napětí vstupní odpor kmitočtový rozsah tvar signálu přibližně 10 MW 40 ~ 400 Hz libovolný (TRMS) rozsah rozlišení přesnost 4 V 1 mv 40 V 10 mv ± (1% z hodnoty + 0,125% z rozsahu) 400 V 100 mv 750 V 1 V ± (1,2% z hodnoty + 0,125% z rozsahu) Měření střídavých proudů kmitočtový rozsah tvar signálu 40 ~ 400 Hz libovolný (TRMS) rozsah rozlišení přesnost 400 ma 100 na 4 ma 1 ma ± (1,5% z hodnoty + 0,125% z rozsahu) 40 ma 10 ma 400 ma 100 ma ± (2% z hodnoty + 0,125% z rozsahu) 4 A 1 ma 10 A 10 ma ± (2,5% z hodnoty + 0,125% z rozsahu) 34

SPECIÁLNÍ PŘÍSTROJE 35

Nízkoúrovňová měření Za nízkoúrovňová měření obvykle považujeme: Měření proudů v řádu na a menších Měření napětí v řádu nv a menších Měření napětí ze zdrojů s velkým vnitřním odporem Měření odporů hodnot menších než 1 mw nebo naopak větších než 1GW. 36

Měření napětí obvodový model R S U U ofs U M U S U I I bias C in R in V Voltmetr Měřený zdroj je modelován sériovou kombinací U S a R S Voltmetr je modelován ideálním V-metrem a prvky modelujícími parazitní vlastnosti Vstupní klidový proud I bias Vstupní impedance R in C in Vstupní napěťová nesymetrie (offset) U ofs 37

Teoretický limit nízkoúrovňových měření Tepelný (Johnsonův) šum U n 4kTBR S T = 300 K, B = 10 Hz k T B R S Boltzmannova konstanta absolutní teplota šířka pásma šumu rezistivita zdroje Z grafu lze zjistit teoretický limit dosažitelné citlivosti při měření napětí: např. při měření zdroje s R S = 1 MW nelze dosáhnout rozlišení lepšího než mv Obdobné limity platí i pro měření proudů Vliv tepelného šumu lze snížit zmenšením šířky pásma (dolní propust, průměrování měřených hodnot) nebo snížením teploty 38

Nanovoltmetr nv-metr je speciálně navržený voltmetr s předzesilovačem, zesilujícím vstupní napětí na úroveň vhodnou pro A/D převodník Předzesilovač je navržen s ohledem na minimální šumové napětí, napěťový offset a termoelektrické napětí Použití nv-metru: U od 100 pv (10-10 V) do 100 V (pro R S do 1 GW) R od 10 nw do 100 MW 39

Pikoampérmetr pa-metr je speciálně navržený ampérmetr s velkou citlivostí, která je dána malým vstupní klidovým proudem a malým napěťovým offsetem zesilovače Parazitní kapacita C P zpětnovazebního rezistoru bývá kompenzována kapacitou C C pro dosažení lepších dynamických vlastností měřidla Použití pa-metru: I od < 1 fa (10-15 A) do 100 ma R od 10 W do 1 PW (10 16 W) i in R 1 + C P - C C R 2 u out 40

Elektrometr Elektrometr je v podstatě velice precizní multimetr. Základem je kvalitní napěťový zesilovač s vysokým vstupním odporem (typicky větším než 100 TW) a malým klidovým vstupním proudem (typicky pod 3 fa) Přepínáním zpětnovazební sítě lze elektrometru využít jako voltmetru, ampérmetru, coulombmetru i ohmmetru s typickými rozsahy: I od 100 aa (10-16 A) do 100 ma U od 10 mv do 200 V (pro R S až 20 TW) R od 1 W do 10 PW (10 17 W) 41

Source-Measure Unit (SMU) SMU představuje kombinaci voltmetru a ampérmetru doplněné o zdroje napětí a proudu Nejčastěji je používán jako ohmmetr pro metodu měření FCMV i FVMC SMU je použitelný pro měření: I od 30 fa do 1 A U od 1 mv do 1000 V (pro R S až 1 GW) R od 50 mw do 1 PW A I U V 1 Guard Hi Sense Hi Sense Lo Lo 42

Typické parametry modelu voltmetru pro základní měřicí přístroje R S U S U I I bias C in R in U U ofs V U M Voltmetr Přístroj R in U ofs I bias DMM 100 MW 10 GW 0,5 5 mv 10 100 pa nv-metr 1 10 GW 1 10 nv 5 50 pa Elektrometr 10 200 TW 2 20 mv 1 10 fa 43

Vliv zatěžovací kapacity Vstupní kapacita měřidla spolu s kapacitou kabeláže vytváří integrační článek R S C P Před měřením je třeba počkat na ustálení měřeného napětí Doba ustálení (settling time): udává dobu, kdy se měřená hodnota ustálí v toleranci 1 % (nebo 0,1 %) konečné hodnoty U S U R S Zdroj S C P U M V Voltmetr U t 1 e RC S P M US 44

Tabulka převodních faktorů 45

Výběr přístrojů pro nízkoúrovňová měření R S U U ofs U M U S U I I bias C in R in V Voltmetr Pro malé hodnoty R S ( < 1 MΩ) Není třeba vysokého vstupního odporu R in, lze použít DMM. Pro měření malých napětí je limitujícím faktorem U ofs, pak je třeba použít nv-metr. Pro velké hodnoty R S ( > 1 MΩ) Významným zdrojem chyby měření se stává vstupní odpor, zatěžující měřený zdroj. Je třeba použít voltmetr s velkou hodnotou R in elektrometr. 46

Výběr přístrojů pro nízkoúrovňová měření T = 300 K, B = 10 Hz 47

Měření napětí zdroje s velkým R S ilustrační příklad U R S S 1mV 10 MΩ R S U S U I I bias R in U U ofs V U M Přístroj R in U ofs I bias DMM 1 GW 1 mv 100 pa -1% ±0,1% ±100% ±0,001% 100pA 10MW nv-metr 1 GW 10 nv 50 pa -1% R in RR S in U U I U RS Rin RS Rin m S bias ofs 50pA 10MW Elektrometr 10 TW 10 mv 10 fa -0,0001% ±1% Voltmetr 10fA 10MW ±50% ±0,01% 48

Zdroje chyb při měření s velkým R S - chyba způsobená svodem kabelů aktivní stínění U S U R S I G R L Hi V U S U R S R L 0V Hi Guard V + - Buffer R G I G Zdroj Lo Voltmetr Zdroj Lo Voltmetr Svod kabelu má stejný vliv jako R in Lze jej eliminovat uvedením pláště koaxiálního kabelu na stejný potenciál s jádrem kabelu. K tomu se používá oddělovací jednotkový zesilovač (buffer), jehož výstup se označuje Guard Zároveň se eliminuje vliv kapacity kabelu a C in a zkracuje se tak doba ustálení 49

Zdroje chyb při měření s velkým R S - problém generovaných chybových proudů Vzhledem k velké hodnotě R S a R in i malé hodnoty nahodile vzniklých proudů vytváří nezanedbatelné chyby měření Je třeba vzít v úvahu exotické jevy generující proudy v měřeném obvodu Triboelektrický jev Piezoelektrický jev Nahodilé chemické články Je třeba brát v úvahu Johnsonův šum 50

Porovnání významnosti jevů generujících chybové proudy 51

Měření odporů velkých hodnot Preferovaná metoda je FVMC s použitím: Pikoampérmetru nebo elektrometru se zdrojem napětí Alternativně SMU Vliv svodu kabeláže je nutno eliminovat aktivním stíněním Rušení z vnějších zdrojů (EMI) je třeba eliminovat uzemněným stíněním I M U n pa U + - Buffer Ohmmetr Hi Lo R L Guard I G 0V R G Triaxiální kabel R M Měřený odpor 52

Zdroje chyb při měření malých napětí - termoelektrická napětí Na spoji dvou vodičů z různých materiálů vzniká vlivem Seebeckova jevu termoelektrické napětí U T UT Q T Tento jev lze minimalizovat Použitím vodičů ze stejného materiálu Potlačením teplotních gradientů v měřeném obvodu (termostatování, tepelné vazby) Materiálová dvojice Cu-Cu Cu-Ag Cu-Au Cu-CdSn (70/30%) Cu-Kovar Cu-SnPb Cu-Si Cu-CuO Seebeckův koeficient Q 0,2 mv/k 0,3 mv/k 0,3 mv/k 0,3 mv/k 40 mv/k 1-3 mv/k 400 mv/k ~1 mv/k 53

Zdroje chyb při měření malých napětí - elektromagnetická indukce U B d B S db ds S B dt dt dt Ve smyčkách měřeného obvodu s plochou S se vlivem časově proměnných vnějších magnetických polí indukuje napětí U B Tento jev lze minimalizovat Zmenšením plochy smyček - paralelně vedené vodiče Použitím kroucených párů vodičů nebo koaxiálních kabelů 54

Zdroje chyb při měření malých napětí - zemní smyčky U M U U S V U U R I M S L G R L Zdroj Voltmetr R G I G U GND Vícenásobné zemnění měřeného obvodu vytváří cestu proudu I G Ten je způsoben nestejným zemním potenciálem v jednotlivých místech připojení obvodu, případně i indukcí z vnějších magnetických polí Tento jev lze potlačit uzemněním do jednoho bodu, případně zemněním přes dostatečně velký rezistor R G 55

Zdroje chyb při měření malých napětí - šumová napětí U š U M U U S U NM V Zdroj U š U CM Voltmetr Šumová napětí mají původ v různých jevech tepelný šum, indukce, elektromagnetická interference, časová nestabilita obvodu, Tyto vlivy lze modelovat zdroji šumových napětí působícími v sérii s měřeným signálem - U NM (normal mode) na obě svorky měřicího přístroje současně - U CM (common mode) Činitele potlačení těchto šumových napětí (NMRR, CMRR) se udávají v db NMRR je obecně menší než CMRR 56

Porovnání významnosti jevů generujících chybová napětí 57

OSCILOSKOPY 58

Analogový osciloskop 59

Analogový osciloskop 60

Analogový osciloskop a DSO 61

Blokové schéma DSO 62

Základní ovládací prvky DSO Horizontální měřítko (s/div) Horizontální pozice Úroveň spouštění Trigger Level Vertikální měřítko (V/div) Vertikální pozice Vstupy BNC Agilent DSO1000 Series Oscilloscope 63

1 Div Volts Displej DSO Displej je rozdělen čarami na dílky (div divisions). Vertikální vzdálenost čar mřížky odpovídá nastavení V/div. Horizontální rozteč čar mřížky odpovídá nastavení s/div. Horizontal = 1 µs/div 1 Div Vertical = 1 V/div Time 64

V p-p V max Měření odhadem podle dílků Perioda (T) = 5 div x 1 µs/div = 5 µs Kmitočet f = 1/T = 200 khz. U p-p = 6 div x 1 V/div = 6 V U max = +4 div x 1 V/div = +4 V U min =? Horizontal = 1 µs/div Úroveň 0 V Vertical = 1 V/div Period 65

X2 Cursor X1 Cursor Měření pomocí kurzorů Kurzory A a B se manuálně nastaví na žádané měřicí body průběhu DSO automaticky ukáže pozici kurzorů (absolutní i relativní) přepočtenou vertikálním i horizontálním měřítkem Y2 Cursor Y1 Cursor 66

Typické průběhy a jejich zdroje 67

Charakteristické veličiny impulzu 68

Sondy k osciloskopům Sondy se používají pro přenos signálu ze DUT (testovaného zařízení) na BNC vstupy osciloskopu. Existuje mnoho různých druhů sond používaných pro různé a zvláštní účely (vysokofrekvenční aplikace, aplikace s vysokým napětí, proudové sondy, atd.) Nejběžnějším typem sondy je pasivní 10: 1 69

Sondy - nf/dc model Pasivní sonda 10:1 Pasivní neobsahuje aktivní prvky, jako zesilovač atp. 10:1 snižuje úroveň měřeného signálu 10x a zároveň zvyšuje vstupní odpor osciloskopu. U moderních osciloskopů je druh sondy automaticky detekován a je jí přizpůsobeno měřítko zobrazení průběhů. nf/dc Model: Dělič napětí z rezitorů 9 MΩ a 1 MΩ (vstupní odpor DSO) 70

Sondy pasivní 10:1 Pasivní sonda 10:1 vf Model: Kompenzovaný dělič 71

Kompenzace sondy Správná kompenzace CH1 (žlutá) = překompenzováno CH2 (zelená) = nedokompenzováno Pro kompenzaci slouží svorka Probe Comp, kde je 1 khz obdélníkový signál Pomocí šroubováku se sonda kompenzuje na obdélníkový tvar zobrazeného průběhu 72

Praktická aplikace vedení u 1 e u 2 Pro využití vedení pro přenos signálu: - Vedení musí být nezkreslující (musí splňovat Heavisideovu podmínku) - Vedení musí být přizpůsobené, tedy zátěž z obou stran musí být rovna vlnové impedanci (nedochází k odrazům) Za těchto podmínek nedochází ke zkreslení časového průběhu signálu, pouze k jeho útlumu a zpoždění. Vedení zkreslující 0 t 0 t t d m u 2 Vedení nezkreslující 73

Důležité parametry DSO Kmitočtový přenos osciloskopu Osciloskopy vykazují vlastnosti dolní propusti omezení maximálním kmitočtem bandwidth (BW) BW je definována pro pokles přenosu sinusového signálu o 3 db (to je asi -30%) 74

Vliv šířky pásma Zobrazení 100-MHz obdélníkového průběhu DSO 100-MHz BW DSO 500-MHz BW Pro analogové aplikace BW 3x vyšší než spektrum. Pro digitální aplikace BW 5x vyšší než hodinový kmitočet 75

Další důležité specifikace DSO Sample Rate (samples/sec) alespoň 4x BW Memory Depth určuje délku záznamu naměřených vzorků Number of Channels Typicky 2 nebo 4 channels. MSO mají navíc 8 až 32 digitálních 1bitových kanálů. Display Quality velikost, rozlišení. Advanced Triggering Modes speciální způsoby spouštění, jako: Time-qualified pulse widths, Pattern, Video, Serial, 76

Spektrum periodického signálu Periodický signál: f t f t k T k 0, 1, 2,... SPEKTRUM periodického signálu ; f1 1/ T 2 f 1 1 sin f t c k t k 0 k 1 k 77

Fourierova harmonická analýza (informativně) a0 f t a1 cos1t a2 cos21t a3 cos3 1t... 2 b sin t b sin 2 t b sin 3 t... a 1 1 2 1 3 1 0 k cos 1 k 1 2 k 1 k 0 c sin kt k 1 sin a k t b k t k matematická definice tvar používaný v elektrotechnice Výpočet koeficientů: t T 0 2 ak f tcos k1t dt T t t 0 T 0 2 bk f tsin k1t dt T t 0 Přepočet koeficientů: c a b 2 2 k k k a k k arctan bk a c sin, b c cos k k k k k k Amplitudové spektrum Fázové spektrum, 0 = 0 78

Souvislost časového průběhu a spektra f (t) 1 1 1 0.8 0.6 0.4 0.8 0.6 0.4 0.8 0.6 0.4 0.2 0.2 0.2 0-0.2 0-0.2 0-0.2-0.4-0.6-0.4-0.6-0.4-0.6-0.8-1 c (k) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-0.8-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-0.8-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 t 1 0.8 1 1. harmonická 1. a 3. harmonická 1. až 25. harmonická 0.8 0.8 1 0.6 0.6 0.6 0.4 0.4 0.4 0.2 0 0 5 10 15 20 25 0.2 0 0 5 10 15 20 25 0.2 0 0 5 10 15 20 25 k Strmější hrany časového průběhu odpovídají vyšším kmitočtovým složkám spektra. 79

Souvislost časové a kmitočtové domény Na obecný periodický signál lze nazírat dvěma pohledy V časové doméně x(t) proměnnou je čas t [s] V kmitočtové doméně X(f) proměnnou je kmitočet f [Hz] Časový průběh signálu Spektrum signálu 80

Souvislost časové a kmitočtové domény Měření V časové doméně x(t) pomocí osciloskopu V kmitočtové doméně X(f) pomocí spektrálního analyzátoru U moderních osciloskopů bývá spektrální analyzátor (FFT) zabudován Osciloskop (číslicový, dvoukanálový) Spektrální analyzátor 81

Konec Technická 12 616 00 Brno Tel.: 541 146 283 e-mail: steinbau@feec.vutbr.cz 82