9. MULTIMETRY CYFROWE

Ćwiczenie nr 4

9.1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z trzema multimetrami cyfrowymi: V-543, M4650CR i G-1001.500 oraz z różnymi metodami pomiaru napięcia, prądu, rezystancji, częstotliwości i określania stanów logicznych.

9.2. Wprowadzenie

Multimetry cyfrowe skupiają w sobie wiele różnorodnych funkcji pomiarowych. Są najbardziej popularnymi przyrządami elektronicznymi. Produkowanych jest wiele typów multimetrów od prostych (3 1/2 lub 4 1/2 cyfrowych), serwisowych do bardzo dokładnych (8 1/2 cyfrowych) multimetrów laboratoryjnych.

9.2.1. Multimetry serwisowe

Większość współczesnych multimetrów serwisowych oprócz pięciu podstawowych pomiarów - napięcia i natężenia prądu stałego i zmiennego oraz rezystancji - realizuje dodatkowo pomiary częstotliwości, pojemności, rzeczywistej wartości skutecznej, temperatury oraz testy ciągłości obwodu z sygnalizacją akustyczną (możliwość wygodnego przeprowadzania testów bez konieczności patrzenia na wyświetlacz), testy tranzystorów i diod. Bardziej uniwersalne mierzą dodatkowo: czas, okres, fazę, szerokość impulsów, współczynnik wypełnienia. Multimetry wyposażone są we wskaźniki cyfrowe, a także wskaźniki analogowe typu bargraf. Zakresy pomiarowe są przełączane ręcznie lub automatycznie.

Do realizacji pomiarów służą trzy zaciski oznaczone symbolami COM, V/, A. Zacisk COM jest używany w każdym rodzaju pomiarów. Mierząc napięcie lub rezystancję wykorzystujemy zaciski V/ i COM, mierząc natężenie prądu wykorzystujemy zaciski A i COM. Bardzo ważne jest użycie właściwych zacisków pomiarowych i prawidłowe ustawienie funkcji przyrządu. Błąd może spowodować uszkodzenie badanego układu lub samego miernika.

Droższe typy multimetrów serwisowych zaopatrzone są w ciekłokrystaliczne ekrany graficzne, służące do wyświetlania wyniku pomiaru i zobrazowania przebiegów czasowych (funkcja oscyloskopu) lub wykreślania trendu na podstawie pomiarów w dłuższym odcinku czasu bez udziału użytkownika. Produkowane są także multimetry do bezkontaktowego pomiaru prądu w obwodach elektrycznych, zarówno zmiennego jak i stałego, nazywane "multimetrami cęgowymi". W obwodach prądu stałego pomiar opiera się na wykorzystaniu zjawiska Halla. W laboratorium Podstaw Miernictwa używane są multimetry serwisowe koreańskiej firmy Metex.

9.2.2. Multimetry laboratoryjne

Precyzyjne multimetry laboratoryjne są oferowane w wersjach od 4 1/2 do 8 1/2 cyfrowych. Posiadają wyższą rozdzielczość i lepszą dokładność od multimetrów serwisowych. Wiele z nich ma rozdzielczość odpowiadającą kilkudziesięciu nanowoltom i dokładność pomiarów rzędu 20ppm. Multimetry laboratoryjne mają co najmniej pięć zacisków pomiarowych. Dwie pary zacisków są potrzebne do dokładnych pomiarów małych rezystancji metodą Kelvina (czteroprzewodowo). Jedna para oznaczona symbolami HI i LO dostarcza prąd do mierzonego rezystora, druga para oznaczona symbolami HI SENSING i LO SENSING służy do pomiaru spadku napięcia na rezystorze. W ten sposób unika się wpływu rezystancji doprowadzeń na wynik pomiaru.

Multimetry laboratoryjne są z reguły programowane. Funkcje pomiarowe są zadawane z klawiatury znajdującej się na płycie czołowej przyrządu. Klawiatura ta pozwala programować pracę multimetru w języku zaznaczonych na niej symboli. Użytkownik może korzystać z menu o strukturze wielopoziomowego drzewa. Poruszając się w górę i w dół drzewa, wybiera poszczególne komendy i parametry pracy multimetru. Zestaw komend zawiera operacje odnoszące się do procedury pomiarowej, a także operacje matematyczne.

Multimetry laboratoryjne są zazwyczaj przewidziane do pracy w systemach pomiarowych o złożonej strukturze. Odbywa się to za pośrednictwem wybranego interfejsu wg standardu IEC-625 lub RS-232.

9.2.3. Budowa multimetrów cyfrowych

Uproszczony schemat blokowy multimetru cyfrowego pokazano na rys. 9.1.

Rys. 9.1. Schemat blokowy multimetru

W wielu współczesnych rozwiązaniach konstrukcyjnych, w celu zredukowania wymiarów, podniesienia niezawodności i obniżenia ceny, poszczególne bloki są wykonane w postaci specjalizowanych układów scalonych wielkiej skali integracji.

W typowym multimetrze cyfrowym sygnał wejściowy: napięcie AC lub DC, prąd, rezystancja oraz każdy inny mierzony parametr (np. temperatura), jest zamieniany na napięcie DC przeskalowane w celu dopasowania do zakresu przetwarzania przetwornika A/C. Przetwornik A/C dokonuje zamiany tego napięcia na równoważną postać cyfrową, która jest eksponowana na wyświetlaczu. Blok sterowania cyfrowego, wykonywany przeważnie na mikroprocesorze lub mikrokontrolerze, zarządza przepływem informacji wewnątrz przyrządu, koordynuje wewnętrzne funkcje oraz, poprzez standardowe interfejsy, dokonuje transferu danych pomiarowych do zewnętrznych przyrządów, takich jak drukarki lub komputery.

Rys. 9.2. Bloki funkcjonalne kondycjonera sygnału wejściowego

Kondycjoner sygnału wejściowego może być dalej podzielony na bloki funkcjonalne, jak pokazuje rys. 9.2. Na schemacie tym przełączniki wyboru funkcji, przetworniki skali, przetwornik R/U, rezystor wzorcowy do pomiaru prądu i przetwornik AC/DC są odrębnymi blokami. Jest to typowe, ale nie jedyne, rozwiązanie.

Pomiar prądu realizowany jest w multimetrach metodą pomiaru spadku napięcia na wewnętrznym wzorcowym rezystorze. Rezystor wzorcowy jest dobierany do zakresu pomiarowego, na przykład: 0,1Ω dla zakresów 3A i 1A; 1Ω dla zakresu 100mA; 10Ω dla zakresu 10mA.

Dla pomiaru napięcia lub prądu zmiennego sygnał mierzony po przeskalowaniu w dzielniku wejściowym jest podawany na przetwornik AC/DC. Blok ten może być prostym układem prostownikowym wykonanym na diodach lub bardziej złożonym detektorem rzeczywistej wartości skutecznej (true RMS).

Przetwarzanie rezystancji na napięcie może polegać na bezpośrednim wykorzystaniu prawa Ohma. Oznacza to, że jest mierzony spadek napięcia na nieznanej rezystancji, wymuszony przepływem prądu ze źródła prądowego o dokładnie znanej wydajności. Stosowana jest też metoda logometryczna (multimetr Keithley 199).

9.2.4. Przetworniki A/C stosowane w multimetrach cyfrowych

W większości multimetrów cyfrowych stosowane są integracyjne przetworniki A/C, bazujące na pośredniej metodzie przetwarzania. Napięcie wejściowe jest najpierw przetwarzane na odcinek czasu lub częstotliwość, a następnie, za pomocą licznika, na postać cyfrową. Na rys. 9.3 pokazano schemat blokowy przetwornika integracyjnego realizującego prostą metodę podwójnego całkowania. Zbudowany jest z integratora, komparatora, źródła napięcia referencyjnego oraz części cyfrowej (licznika, zegara i układu sterującego pracą przetwornika).

Rys. 9.3. Schemat blokowy przetwornika A/C realizującego metodę podwójnego całkowania

Rys. 9.4 przedstawia charakterystyczny przebieg napięcia na wyjściu integratora. Konwersja zaczyna się podaniem mierzonego napięcia na integrator. Skutkiem tego jest liniowe narastanie napięcia na wyjściu integratora, które trwa przez ściśle określony czas, wyznaczany przez licznik. Układ sterowania przełącza w tym momencie wejście integratora na źródło napięcia wzorcowego (o przeciwnej polaryzacji) i kondensator integratora rozładowuje się aż do czasu, gdy komparator wykryje, że osiągnięty został punkt startowy. Licznik mierzy odcinek czasu, jaki jest potrzebny do rozładowania kondensatora. Ponieważ wartości rezystancji i pojemności w integratorze oraz częstotliwość zegara pozostają stałe w obu cyklach przetwarzania, stosunek czasu ładowania do czasu rozładowania kondensatora odpowiada stosunkowi napięcia referencyjnego do napięcia mierzonego. Bezwzględne wartości rezystancji, pojemności kondensatora oraz częstotliwości zegara nie mają wpływu na dokładność przetwarzania. Co więcej, każdy nałożony na mierzone napięcie sygnał zakłócający jest uśredniany w czasie pierwszego całkowania, co umożliwia tłumienie zakłóceń periodycznych, na przykład o częstotliwości sieci energetycznej. W tym celu konieczne jest dopasowanie czasu pierwszego całkowania do okresu zakłóceń lub jego wielokrotności. Od dokładności tego dopasowania zależy skuteczność tłumienia zakłóceń.

Rys.9.4. Przebieg napięcia na wyjściu integratora w przetworniku A/C z podwójnym całkowaniem

Rys. 9.5 Przebieg napięcia na wyjściu integratora w przetworniku typu U/f

Do grupy metod integracyjnych pośredniego przetwarzania należy również metoda częstotliwościowa. W tej metodzie, wielkością pośrednią pomiędzy napięciem a cyfrą jest częstotliwość. Mamy tu do czynienia z dwoma rodzajami integracji: całkowaniem napięcia U_x w integratorze w zmiennym czasie, zależnym od aktualnej wartości U_x, oraz uśrednianiem częstotliwości w liczniku przez ściśle określony czas T_i. W istocie rzeczy, przetwarzanie metodą częstotliwościową składa się z wielu kroków, mających cechy przetwarzania metodą czasową (rys. 9.5). Tłumienie zakłóceń uzyskuje się w tego typu przetworniku dobierając do okresu zakłóceń czas T_i.

9.2.5. Tłumienie zakłóceń okresowych nałożonych na mierzone napięcie

Multimetry zbudowane przy wykorzystaniu przetworników całkujących mają naturalne właściwości tłumienia zakłóceń periodycznych, pod warunkiem odpowiedniego dobrania czasu całkowania. Rozważmy pomiar napięcia o wartości 0V za pomocą woltomierza integracyjnego w obecności zakłóceń typu , gdzie ω - pulsacja zakłóceń. Niech całkowanie napięcia mierzonego zaczyna się w chwili t = t₀ i kończy w chwili t = t₀ + T₁. Średnia wartość napięcia za okres całkowania wynosi

Po rozwinięciu tego wyrażenia według wzoru na różnicę cosinusów otrzymujemy

Przyjmijmy najbardziej niekorzystny przypadek, gdy całkowanie rozpoczyna się w momencie czasu t₀ takim, że napięcie średnie osiąga wartość maksymalną. Ma to miejsce, gdy

.

Otrzymamy wówczas

Opierając się na właściwości funkcji wnioskujemy, że gdy częstotliwość zakłóceń maleje do zera, to U_sr(max) zdąża do U. W celu oceny tłumienia zakłóceń przez przetwornik integracyjny w funkcji częstotliwości obliczymy stosunek napięcia średniego przy częstotliwości zakłóceń równej 0Hz do jego wartości przy innych częstotliwościach; dzięki temu otrzymamy wskaźnik niezależny od poziomu zakłóceń.

gdzie jest stosunkiem czasu integracji do okresu zakłóceń .

W celu ilościowego określenia tłumienia zakłóceń przez przetworniki integracyjne stosuje się miarę decybelową powyższego wskaźnika, nazywaną Współczynnikiem Tłumienia Sygnału Nałożonego (Normal Mode Rejection Ratio)

Rys. 9.6. Wykres tłumienia zakłóceń w funkcji stosunku czasu integracji do okresu zakłóceń

Rys. 9.6 przedstawia przebieg współczynnika NMRR w funkcji stosunku czasu integracji do okresu napięcia zakłócającego. Wynika z niego, że wybór właściwego czasu całkowania umożliwia całkowitą eliminację zakłóceń. Czas ten (w Europie) powinien być równy 20ms, lub wielokrotności tej liczby, z uwagi na to, że zakłócenia mają przeważnie częstotliwość sieci elektroenergetycznej.

9.2.6. Podstawowe parametry metrologiczne multimetrów cyfrowych

Liczba cyfr, jest podstawowym parametrem technicznym multimetru. Pełna liczba cyfr odpowiada liczbie pozycji dziesiętnych, na których multimetr wyświetla pełen zestaw cyfr od "0" do "9". Większość multimetrów dopuszcza przekroczenie zakresu i dodanie do wyniku "1/2" cyfry. Na przykład multimetr V-543 (produkcji Meratronik) może mierzyć 9.999V na zakresie 10V. Wynik ten składa się z czterech pełnych cyfr. Multimetr dopuszcza przekroczenie zakresu 10 V i pomiar napięcia do wartości 11.999V. Odpowiada to liczbie cyfr 4 1/2 i 20% zdolności do przekraczania zakresu pomiarowego.

Błąd pomiaru jest specyfikowany dla multimetrów cyfrowych jako (% odczytu + % zakresu). Dodatkowy błąd wskazań może być wywołany zmianą temperatury otoczenia, bardzo niską częstotliwością lub dużym współczynnikiem szczytu mierzonego sygnału.

Przykład obliczania błędu pomiaru napięcia.

Zakładając, że specyfikacja multimetru podaje błąd jako (0.002% odczytu + 0.0005% zakresu), błąd pomiaru napięcia 5Vdc na zakresie 10Vdc obliczamy w następujący sposób.

Błąd odczytu = 0.0020% 5Vdc = 100μV

Błąd zakresu = 0.0005% 10Vdc = 50μV

Bezwzględny błąd pomiaru = 100μV + 50μV = ±150μV

Względny błąd pomiaru = ±0.003% (lub 30ppm) napięcia 5V.

Czułość - określa zdolność multimetru do reakcji na małe zmiany mierzonej wielkości. Maksymalna czułość odnosi się do najniższego zakresu dla danej funkcji przyrządu i jest wyrażona w jednostkach mierzonej wielkości. Na przykład do monitorowania sygnału o poziomie 1mVdc z dokładnością do ±1μV potrzebny jest multimetr o czułości co najmniej 1μV. Można więc zastosować 6 1/2 cyfrowy multimetr na zakresie 1Vdc lub użyć 4 1/2 cyfrowego multimetru z zakresem 10mVdc. Dla pomiarów zmiennoprądowych najmniejsza wartość mierzona jest różna od czułości i wynosi przeważnie 1% wartości zakresowej. W tym przypadku multimetrem można mierzyć napięcie zmienne nie mniejsze od 1mV na zakresie 100mVac.

Rozdzielczość, stosunek maksymalnej wyświetlanej wartości do minimalnej wyświetlanej wartości na wybranym zakresie. Rozdzielczość może być wyrażana w procentach, częściach na milion (ppm), liczbą zliczeń albo liczbą bitów. Wszystkie cztery sposoby są równoważne. Na przykład 6 1/2 cyfrowy multimetr z 20% możliwością przekroczenia zakresu pomiarowego może dokonywać pomiarów z rozdzielczością 1200000 zliczeń. Odpowiada to około 0.0001% (1ppm) pełnego zakresu lub 21 bitom z uwzględnieniem bitu znaku.

Czas pomiaru multimetrem jest zazwyczaj dłuższy od czasu przetwarzania A/C. Na przykład, niektóre multimetry mają w cykl pomiarowy włączoną fazę autozerowania, inne jako wynik pomiaru podają uśrednioną wartość wielu przetworzeń zrealizowanych w dłuższym odcinku czasu. W multimetrach laboratoryjnych użytkownik może zazwyczaj programować czas całkowania wybierając pomiędzy szybkością a dokładnością pomiarów.

9.2.7. Przegląd multimetrów cyfrowych czołowych firm światowych

Wymienione zalety oraz prostota metody podwójnego całkowania są przyczyną stosowania jej przez producentów multimetrów. Niektórzy jednak (np. Fluke, Hewlett-Packard), dążąc do zwiększenia rozdzielczości i szybkości przetwarzania, stosują pewne odmiany tej techniki i mają własne układy scalone wielkiej skali integracji do realizacji procesu przetwarzania. Zaawansowane wersje tych układów, oprócz przetwornika A/C, mogą zawierać dodatkowo blok sterowania multimetrem, blok częstościomierza oraz blok do testowania ciągłości obwodów elektrycznych.

Przykładem może być technika wielokrotnego całkowania (multiple slope) zastosowana w multimetrze Fluke 27, firmy Fluke Corporation (USA). Polega ona na wykonaniu serii dziesięciu małych konwersji, po 40ms każda. Te małe konwersje dające 25 wyników na sekundę służą do wysterowania szybkiego wskaźnika typu bargraf i do realizacji szybkiego autozerowania. Duża konwersja, obejmująca dziesięć małych, daje wynik cyfrowy o pełnej rozdzielczości. Po każdej dużej konwersji następuje faza autozerowania trwająca 100ms.

Firma Hewlett Packard w swoich multimetrach (na przykład HP-34401A) stosuje opatentowaną metodę przetwarzania A/C nazywaną "multislope III". Jest to odmiana integracyjnej metody przetwarzania z równoważeniem ładunku (charge balance). Idea działania tych przetworników sprowadza się do tego, by uzyskać równowagę w układzie, polegającą na doprowadzaniu i odprowadzaniu stałych kwantów ładunku do
i z kondensatora. Przetworniki z równoważeniem ładunku stosują "wolno biegnący" integrator ze źródłem impulsów rozładowujących w pętli sprzężenia zwrotnego. Firma Keithley dla osiągnięcia jednocześnie dużej rozdzielczości i szybkości przetwarzania również stosuje odmianę metody z równoważeniem ładunku - metodę ze zmienną szerokością impulsu rozładowującego i stałą częstotliwością. Firma Prema Precision Electronic Inc. (USA) produkuje ASIC o rozdzielczości 25 bitowej oparty na technice "multiple ramp", która jest również odmianą metody z równoważeniem ładunku. Podstawową zaletą tej techniki jest wyeliminowanie wpływu na dokładność przetwarzania strat w dielektryku kondensatora całkującego oraz dryftów.

9.2.8. Słownik podstawowych terminów anglojęzycznych

Autoranging - zdolność przyrządu do przełączania zakresów w sposób automatyczny Automatic Power-off - automatyczne odłączenie zasilania po określonym czasie bezczynności multimetru (10 - 30 min), realizowane w celu oszczędności baterii.

Bar graph - bargraf - część wyświetlacza dająca analogowe wskazanie mierzonej wielkości (słupek o długości proporcjonalnej do wyniku pomiaru). Przydatny do monitorowania wolno-zmiennych lub niestabilnych napięć.

Beeper, Buzzer - źródła sygnału dźwiękowego, używane w multimetrach na przykład do sygnalizacji przekroczenia zakresu pomiarowego.

CMV Common Mode Voltage - napięcie pomiędzy zaciskiem LO i masą multimetru.

CMRR - Common Mode Rejection Ratio - współczynnik tłumienia sygnału wspólnego dla obu wejść multimetru HI oraz LO.

Com - (od ang. common - wspólny) zacisk multimetru używany przy wszystkich pomiarach napięć, prądów i rezystancji.

Bench multimeter - multimetr stacjonarny do użytku na stanowisku laboratoryjnym.

Clamp multimeter - multimetr cęgowy.

Handheld multimeter - przenośny multimetr serwisowy mieszczący się w dłoni.

HI - zacisk wejściowy multimetru dla dołączenia wyższego potencjału.

LO - zacisk wejściowy multimetru dla dołączenia niższego potencjału.

LCD - wyświetlacz ciekłokrystaliczny.

NMV - normal mode voltage - napięcie podane pomiędzy zaciski HI i LO multimetru.

NMRR - Normal Mode Rejection Ratio - współczynnik tłumienia sygnału nałożonego. Określa zdolność multimetru do tłumienia zakłóceń nałożonych na napięcie mierzone. Podawany w dB dla określonej częstotliwości zakłóceń.

Overrange - przekroczenie zakresu pomiarowego.

ppm - parts per million.

Relative mode - tryb pracy multimetru, w którym wyświetlane są tylko różnice pomiędzy bieżącymi wynikami a jednym zapamiętanym wynikiem.

Sleep mode - inna nazwa funkcji automatycznego odłączania zasilania.

Smoothing - funkcja multimetru, która pozwala na bieżącą ekspozycję średniej z kilku (np. ośmiu) ostatnich wyników pomiarów.

9.2.9. Sposób wykonywania ćwiczenia laboratoryjnego

Ćwiczenie wykonywane jest z pomocą i pod nadzorem komputera, do którego dołączone są wybrane przyrządy pomiarowe. Szczegółowe instrukcje do zadań, schematy ideowe i montażowe oraz żądane wartości wyświetlane są na bieżąco na ekranie monitora w trakcie wykonywania ćwiczenia.

Po uruchomieniu komputera, w oknie danych osobowych (rys. 9.7), należy podać swoje prawdziwe imię i nazwisko oraz kierunek studiów.

Ćwiczenie obejmuje 9 zadań laboratoryjnych. Wykonanie sześciu pierwszych jest obowiązkowe, a trzech pozostałych nadobowiązkowe. Zadania obowiązkowe trzeba wykonywać kolejno, natomiast zadania dodatkowe można wybierać dowolnie (przyciski z numerami zadań już wykonanych zmieniają kolor z szarego na zielony i można te zadania wykonywać wielokrotnie). Wykonanie zadań dodatkowych możliwe jest wyłącznie po poprawnym zakończeniu części obowiązkowej.

W czasie wykonywania zadań laboratoryjnych przyznawane są punkty za poprawne i precyzyjne zrealizowanie poleceń. Szybkość wykonywania zadań nie jest punktowana, liczy się tylko poprawność. Otrzymane wyniki i uzyskane punkty zapisywane są na bieżąco na dysku twardym komputera, a po zakończeniu ćwiczenia wydrukowane zostanie sprawozdanie, które należy przedłożyć prowadzącemu do podpisu. Nic nie stoi na przeszkodzie, aby wykonywać ćwiczenie "na raty", aktualny stan ćwiczenia jest zapamiętany na dysku i można do niego powrócić w dowolnym momencie.

Rys. 9.7 Okno wprowadzania danych osobowych

Rys. 9.8 Menu główne programu z wyróżnionym "przyciskiem" zadania 1

Widok ekranu z "menu" podstawowym przedstawiono na rysunku 9.8.

W celu rozpoczęcia wykonywania zadania należy wybrać "przycisk" z odpowiednim numerem zadania. Wybranie przycisku <KONIEC> spowoduje przejście do funkcji drukowania sprawozdania i zakończenie programu.

Rys. 9.9 Widok ekranu w czasie testu z zaznaczoną poprawną odpowiedzią

Przed wykonaniem pierwszego zadania należy rozwiązać test składający się z 3 pytań wybranych przez komputer. Punktowane są prawidłowe odpowiedzi i czas odpowiadania. Zaznaczenie odpowiedzi błędnych spowoduje przyznanie punktów karnych! Zaznaczanie poprawnych odpowiedzi polega na wybraniu myszką (lub klawiszami TAB, strzałki ­ Ż i ENTER) "przycisku" oznaczonego "A>", "B>",..."D>".

Przycisk przy zaznaczonej odpowiedzi zmienia kolor na zielony. Po zaznaczeniu wszystkich poprawnych odpowiedzi należy wybrać przycisk <GOTOWE>. Widok ekranu w czasie testu z zaznaczoną poprawną odpowiedzią przedstawiono na rys. 9.9.

Uwaga: W zadaniach 2 i 6 czarno-biały ekran monitora oznacza zapisywanie obrazu z ekranu na dysk i jest to zachowanie prawidłowe.

9.3. Wykaz sprzętu pomiarowego

Multimetr cyfrowy V-543

Multimetr cyfrowy M-4650CR

Multimetr cyfrowy G-1001.500

Zasilacz stabilizowany BS-525

Generator sinusoidalny PW-12

Oscyloskop dwukanałowy OS-352

Rezystor dekadowy (R_max = 100kW)

9.4. Zadania pomiarowe

Część obowiązkowa

9.4.1. Pomiar napięcia woltomierzem integracyjnym z przetwarzaniem U/t, dobieranie właściwego zakresu pomiarowego i określanie rozdzielczości pomiaru

Zadanie polega na wybraniu właściwego zakresu pomiarowego podczas pomiaru napięcia stałego lub zmiennego multimetrem V-543, a następnie określeniu, z jaką rozdzielczością pomiar był wykonany. Pomiary zostaną wykonane w układzie pomiarowym przedstawionym na rys. 9.10.

Podczas pomiaru jakiejkolwiek wielkości przyrząd pomiarowy należy ustawić na właściwy zakres, to znaczy tak, aby błędy pomiaru były jak najmniejsze. W miernikach cyfrowych podstawowym źródłem błędu jest błąd dyskretyzacji. Aby go zminimalizować, należy wybrać najniższy możliwy zakres, który nie powoduje jeszcze przekroczenia wartości zakresowej. Przykładowo, jeżeli mierzymy napięcie 2V, to najlepszym zakresem (w multimetrze V-543) będzie zakres 10V, na zakresie 100V błąd pomiaru będzie dziesięciokrotnie większy, a na zakresie 1V nastąpi przekroczenie wartości zakresowej.

Rys. 9.10. Układ pomiarowy do zadania 9.4.1

Uwaga: Wartość napięcia i szczegółowy schemat montażowy będzie wyświetlony na ekranie monitora w trakcie wykonywania ćwiczenia.

Zapamiętaj !

WYBIERAJ ZAWSZE NAJNIŻSZY MOŻLIWY

ZAKRES POMIAROWY1

9.4.2. Pomiar napięcia stałego w obecności zakłóceń

Zadanie polega na sprawdzeniu, czy woltomierz integracyjny V-543 prawidłowo eliminuje zakłócenia o częstotliwości sieci energetycznej (50Hz) i jej wielokrotności.

Pomiary zostaną dokonane przy trzech częstotliwościach sygnału zakłócającego: 50, 75 i 100Hz w układzie pomiarowym z rys. 9.11.

Multimetry są tak konstruowane, aby były odporne na zakłócenia o częstotliwości sieci energetycznej (50Hz) i jej wielokrotności. W woltomierzach integracyjnych realizowane to jest poprzez odpowiedni dobór czasu całkowania integratora. Czas ten powinien równać się okresowi sygnału zakłócającego lub jego wielokrotności. Przykładowo, w Polsce częstotliwość sieci energetycznej wynosi 50Hz, zatem czas całkowania winien wynosić t_c = 1/50Hz = 20ms lub jego wielokrotność.

Rys. 9.11. Układ pomiarowy do zadania 9.4.2

Zapamiętaj !

MULTIMETRY SĄ TAK KONSTRUOWANE, ABY ELIMINOWAĆ

ZAKŁÓCENIA O CZĘSTOTLIWOŚCI SIECI ENERGETYCZNEJ

I JEJ WIELOKROTNOŚCI2

9.4.3. Pomiar rezystancji

Celem tego zadania jest przedstawienie metody stosowanej powszechnie w multimetrach cyfrowych do pomiaru rezystancji. Zadanie polega na zmierzeniu wartości rezystora i rozwiązaniu prostego zadania rachunkowego. Pomiary zostaną wykonane w układzie pomiarowym pokazanym na rys. 9.12.

Rys. 9.12. Układ pomiarowy do zadania 9.4.3 Rys. 9.13. Metoda pomiaru rezystancji w

multimetrze V-543

Metoda pomiaru rezystancji (rys. 9.13) polega na tym, że mierzony jest spadek napięcia U_x na wewnętrznym wzorcowym źródle prądowym I_wz, obciążonym badanym rezystorem R_x, czyli

Zapamiętaj !

MULTIMETR W FUNKCJI OMOMIERZA ZASILA PRĄDOWO

BADANY ELEMENT. NIE MOŻNA WIĘC MIERZYĆ MULTIMETREM

REZYSTORÓW W UKŁADACH POD NAPIĘCIEM

9.4.4. Określanie stanów logicznych sygnałów cyfrowych

Zadanie polega na sprawdzeniu, jakie poziomy napięć odpowiadają stanom logicznym w układach CMOS, oraz na odczytaniu wskazań multimetru V-543 (podczas pomiaru rezystancji), korzystając z jego wyjścia cyfrowego (tego samego, do którego dołączony jest komputer).

Multimetr M-4650CR może być wykorzystany do określania stanów logicznych (wysoki/niski, 0/1) w układach cyfrowych zasilanych różnymi napięciami. Typowo jest to 5V i właśnie takie napięcie jest wykorzystywane w ćwiczeniu.

Programowanie wartości napięcia zasilającego badanych układów cyfrowych odbywać się będzie w układzie pomiarowym z rys. 9.14.

Wyniki pomiarów multimetru V-543 można odczytać korzystając z wyjścia cyfrowego tego przyrządu. Wynik zapisany jest w kodzie BCD (ang. Binary Coded Decimal), czyli dziesiętny kodowany dwójkowo. Kod BCD polega na tym, że każdą cyfrę liczby zapisanej w systemie dziesiętnym zapisuje się oddzielnie w systemie dwójkowym za pomocą czterech bitów, np.: dziesiętnie 7159 = 0111 0001 0101 1001 w kodzie BCD, gdzie symbolowi "1" odpowiada wysoki poziom logiczny, a "0" - niski poziom logiczny.

Rys. 9.14. Układ pomiarowy do zadania 9.4.4

Zapamiętaj !

STANY LOGICZNE OKREŚLONE SĄ W UKŁADACH CYFROWYCH

PRZEZ PRZYNALEŻNOŚĆ NAPIĘCIA DO ODPOWIEDNIEGO

PRZEDZIAŁU NAPIĘĆ, A MIĘDZY TYMI PRZEDZIAŁAMI

ISTNIEJE STAN NIEOKREŚLONY

9.4.5. Pomiar prądu

Celem tego zadania jest przedstawienie metody stosowanej powszechnie w multimetrach cyfrowych do pomiaru prądu. Zadanie polega na zmierzeniu wartości prądu wzorcowego omomierza i określeniu rezystancji wewnętrznej amperomierza. Pomiary zostaną wykonane w układzie pomiarowym pokazanym na rys. 9.15.

Rys. 9.15 Układ pomiarowy do zadania 9.4.5 Rys. 9.16 Metoda pomiaru prądu w multimetrze M-4650CR

Metoda pomiaru prądu (rys. 9.16) polega na tym, że mierzony jest spadek napięcia U_x na wewnętrznym wzorcowym rezystorze R_wz, przez który przepływa mierzony prąd, czyli

Zapamiętaj !

AMPEROMIERZ WPROWADZA DODATKOWY OPÓR

DO OBWODU, W KTÓRYM MIERZY PRĄD

9.4.6. Badanie woltomierza z przetwarzaniem U/f

Zadanie polega na zaobserwowaniu i zmierzeniu sygnałów występujących w układzie woltomierza integracyjnego z przetwarzaniem napięcia na częstotliwość oraz na określeniu zależności między napięciem wejściowym a częstotliwością na wyjściu przetwornika U/f. Pomiary zostaną wykonane w układzie pomiarowym przedstawionym na rys. 9.17.

Rys. 9.17. Układ pomiarowy do zadania 9.4.6

Zapamiętaj !

PRZETWARZANIE NAPIĘCIA NA CZĘSTOTLIWOŚĆ JEST

FUNKCJĄ LINIOWĄ

3

Część dodatkowa

9.4.7. Dodatkowe funkcje nowoczesnych multimetrów cyfrowych: pomiary spadku napięcia na złączach p-n i relatywne pomiary napięcia

Multimetr M-4650CR umożliwia przeprowadzenie następujących pomiarów:

napięcia stałego i zmiennego, 2) prądu stałego i zmiennego, 3) rezystancji,

4) spadku napięcia, 5) przejścia (zwarcia), 6) współczynnika wzmocnienia prądowego tranzystorów, 7) pojemności, 8) częstotliwości i 9) stanów logicznych.

Posiada on ponadto szereg bardzo użytecznych cech dodatkowych: 1) automatyczny test po włączeniu zasilania, 2) automatyczne wyłączenie po 15 min., 3) optyczny i dźwiękowy sygnalizator przekroczenia zakresu, 4) wskaźnik analogowy (bargraf),

5) wskaźnik zużycia baterii, 6) funkcje zachowania wyniku i określenia wartości maksymalnej lub minimalnej w serii pomiarów, 7) pomiary relatywne, 8) zapis serii pomiarów do pamięci i 9) możliwość podłączenia do komputera osobistego.

Zadanie prezentuje dwie, bardzo przydatne, funkcje tego multimetru: pomiary spadku napięcia na złączach p-n i relatywne pomiary napięcia. Pomiary zostaną wykonane w układach pomiarowych pokazanych na rys. 9.18 i 9.19.

Rys. 9.18 Układ pomiarowy do zadania 9.4.7 Rys. 9.19 Układ pomiarowy do zadania 9.4.7

- pomiary spadku napięcia na złączach p-n - relatywne pomiary napięcia

Zapamiętaj !

POMIAR SPADKU NAPIĘCIA NA ZŁĄCZU P-N ELEMENTU

PÓŁPRZEWODNIKOWEGO POZWALA NA SZYBKĄ OCENĘ,

CZY ELEMENT JEST DOBRY, CZY ZŁY ORAZ POZWALA NA

PRZEPROWADZENIE KLASYFIKACJI (OKREŚLENIA TYPU)

TEGO ELEMENTU.

POMIARY RELATYWNE UMOŻLIWIAJĄ SZYBKIE OKREŚLENIE

RÓŻNICY (ODCHYŁKI) MIĘDZY WARTOŚCIĄ ZMIERZONĄ,

A WARTOŚCIĄ UZNANĄ ZA PODSTAWOWĄ.

4

9.4.8. Identyfikacja elementów na podstawie pomiarów za pomocą współczesnego multimetru cyfrowego

Zadanie polega na sprawdzeniu (zmierzeniu), za pomocą DOWOLNYCH funkcji multimetru M-4650CR, jakie elementy wchodzą w skład "czarnej skrzynki" i w jakich gałęziach są rozmieszczone. Przykładowe rozmieszczenie elementów przedstawia rysunek 9.20.

Jedynymi elementami, które mogą wchodzić w skład "czarnej skrzynki" są: zwarcia (połączenia), rozwarcia (brak połączenia), rezystory, kondensatory i diody.

Rys. 9.20. Przykładowe rozmieszczenie elementów w "czarnej skrzynce"

Uwaga: Proszę nie otwierać "czarnych skrzynek" przed zakończeniem zadania.

Zapamiętaj !

NOWOCZESNY MULTIMETR CYFROWY JEST PODSTAWOWYM

NARZĘDZIEM W PRACOWNI KAŻDEGO ELEKTRONIKA5

9.4.9. Współpraca multimetru M-4650CR z komputerem osobistym

Celem zadania jest przedstawienie sposobu podłączenia multimetru M-4650CR do komputera osobistego i zaprezentowanie krótkiego programu, w języku Pascal, odczytującego wynik pomiaru z multimetru.

Multimetr M-4650CR może być podłączony do komputera za pośrednictwem interfejsu szeregowego w standardzie RS-232, w który wyposażony jest komputer. Interfejsy (porty) szeregowe noszą w systemie operacyjnym MS-DOS standardowe nazwy: COM1, COM2, COM3 i COM4.

Przedstawiony niżej program realizuje jednokrotne odczytanie wyniku pomiaru z multimetru i wyświetla go na ekranie.

Program Metex4650CR;

uses Crt;

const AdresBazowy = $3F8;

var M4650CR: Text;

Wynik: string;

Begin

port[AdresBazowy+4] := $01;

Assign(M4650CR, 'COM1' );

Rewrite(M4650CR);

Write(M4650CR, 'D' );

Close(M4650CR);

Reset(M4650CR);

Read(M4650CR, Wynik );

Close(M4650CR);

WriteLn( Wynik );

End.

Zapamiętaj !

DANE Z MULTIMETRU DO KOMPUTERA PRZESYŁANE SĄ ZA

POMOCĄ ZNAKÓW STANDARDOWEGO KODU ASCII

6

9.5. Opracowanie

Obliczyć i narysować wartości względnego błędu dyskretyzacji podczas pomiaru napięcia stałego multimetrem V-543 w zakresie od 0 do 100V. Założyć, że w trakcie pomiaru wybrano właściwy zakres pomiarowy i nie przekraczano wartości zakresowej.

Porównać wyniki pomiarów z zadania 9.2 z wartościami teoretycznie możliwymi do uzyskania.

Obliczyć i w tabeli wyników do zadania 9.6 dopisać liczbę impulsów prądowych n w jednym cyklu pomiarowym, wiedząc, że czas trwania cyklu wynosi T_p = 200ms.

126

125

(9.1)

(9.2)

(9.3)

(9.5)

(9.4)

(9.6)

(9.7)

---