Nr ćw.	Temat ćwiczenia	Data	Ocena	Podpis
12	Badanie własności metrologicznych mierników analogowych i cyfrowych	1999-09-21

Charakterystyki badanych mierników

V-640

Jest to analogowy miernik uniwersalny, umożliwiający pomiar :

• napięć stałych i zmiennych w zakresie : 1,5 mV … 1500 V

• prądów stałych i zmiennych w zakresie : 150 nA … 1,5 A

• rezystancji w zakresie 2  … 10 G

• poziomu : (-60 dB) … 60 dB

Multimetr może również pracować jako wskaźnik zera (galwanometr)

Jego możliwości rozszerza wyposażenie dodatkowe :

• sonda w.cz. do 1 GHz

• sonda napięć stałych i zmiennych do 30 kV

• sonda wartości międzyszczytowych napięcia do 1 kV

• sonda do pomiaru temperatury w zakresie : -150 … +500⁰C

Impedancja wejściowa : 100 M

Mierzona wartość po zmianie skali w dzielnikach, bocznikach, lub układzie omomierza, jest podawana na wejście wzmacniacza operacyjnego. Jest to, można rzec najważniejsza część multimetru. Jest to układ o wzmocnieniu bezpośrednim, o dużym współczynniku wzmocnienia. Zastosowanie wzmacniacza spowodowało to, że zachowano bardzo dużą impedancję wejściową miernika (100 M, niezależną od zakresu pomiarowego (taką impedancją nie mogą się nawet pochwalić niektóre mierniki cyfrowe np. YF-3503, EDM-83, METEX 3610 - Zwe = 10 M. Wzmacniacz jest również zaopatrzony w obwód kompensacji temperaturowej prądu wejściowego. Zapobiega to początkowym wychyleniom wskazówki podczas włączania miernika do obwodu („zimny” przetwornik posiada mniejszą rezystancję i zanim się nagrzeje, następuje wyskok wskazówki). Gwarantuje poprawność wskazań w szerszym zakresie temperatur pracy przyrządu. Występuje jeszcze kilka pętli sprzężeń zwrotnych, stabilizujących pracę układu.
Z wyjścia wzmacniacza wielkość mierzona jest przesyłana do przetwornika napięcia zmiennego na stałe. Przetwornik składa się z prostownika diodowego, wzmacniacza i kilku innych obwodów, które mają za zadanie uzyskać wysoką dokładność i liniowość przetwarzania w szerokim zakresie częstotliwości. Z przetwornika wielkość mierzona wędruje do właściwego ustroju pomiarowego, gdzie jest zamieniana na odpowiednie wychylenie wskazówki.

YF-3503

Jest to cyfrowy multimetr o poniższych właściwościach :

• pomiar napięć stałych : 200 mV … 1000 V

• pomiar napięć zmiennych (40 Hz - 500 Hz) : 200 mV … 750 V

• pomiar prądów stałych i zmiennych (40 Hz - 500 Hz) : 200 A … 20 A

spadek napięcia na amperomierzu : max 0,3 V (dla zakresu 20 A - max 0,7 V)

• pomiar rezystancji : 200  … 20 M

• pomiar pojemności : 2 nF … 20 F

• test diod

• test ciągłości obwodu (< 40 

• pomiar hFE

• pomiar stanów logicznych

Impedancja wejściowa miernika : 10 M

EDM-83

Cyfrowy multimetr o poniższych właściwościach :

• pomiar napięć stałych : 400 mV … 1000 V

• pomiar napięć zmiennych : 400 mV … 750 V

• pomiar prądów stałych i zmiennych : 400 mA … 10 A

spadek napięcia na amperomierzu : 460mV - 1050mV (dla zakresu 10 A - max 160 mV)

• pomiar rezystancji : 400  … 4 G

• pomiar pojemności

• pomiar indukcyjności

• test diod

• test ciągłości obwodu

• pomiar hFE

• pomiar częstotliwości

Impedancja wejściowa miernika : 10 M (< 90pF)

Jako jedyny z badanych mierników reaguje na wartość skuteczną przebiegu zmiennego, niezależnie od jego kształtu.

Ćwiczenia

Zestawiamy poniższy układ pomiarowy.

1. Nastawiamy na generatorze funkcji wartość amplitudy na 5V oraz rodzaj generowanego przebiegu na sinusoidalny. Zmieniając częstotliwość przebiegu, odczytujemy wskazania mierników. Każdorazowo przed odczytem wartości, sprawdzamy za pomocą oscyloskopu, czy amplituda mierzonego przebiegu (5 V) nie uległa zmianie. Dla każdej częstotliwości obliczamy poziom (wartość napięcia wskazanego przez dany miernik) wg wzoru :

Wyniki pomiarów umieszczamy w tabeli nr 1, a następnie na jej podstawie kreślimy wykresy.

Wyznaczamy częstotliwości graniczne :

	V-640	YF-3503	EDM-83
-1 dB	70 kHz	8 kHz	2,3 kHz
-3 dB	107 kHz	20 kHz	8 kHz

Przy mniejszych częstotliwościach wszystkie mierniki pracują poprawnie, lecz przy coraz większych częstotliwości przebiegu, badane przyrządy coraz mniej dokładnie wskazują jego wartość. Najdłużej w miarę dokładnie wskazywał wartość napięcia miernik V-640 - jedyny reprezentant analogowej grupy przyrządów. (wg danych katalogowych powinien zachowywać klasę do 20 kHz - tak się też stało, podczas gdy wiarygodność wskazań pozostałych przyrządów stała się rzeczą wątpliwą już przy niższych częstotliwościach). Są one dużo lepsze (p. analog.), jeżeli chodzi o pomiary przy większych częstotliwościach. Analogowe przetwarzanie sygnału jest bardziej „odporne” na duże częstotliwości od przetwarzania cyfrowego. Błąd wskazań V-640 był powodowany zniekształcaniem przebiegu podczas przepływu przez prostownik - chodzi tu o szybkość przełączania się diod, ich bezwładność. Miernik ten był produkowany za czasów PRL, dzisiejsze technologie być może zwiększyły by szybkość prostownika.
Natomiast w miernikach cyfrowych przebieg przed pomiarem musi być zamieniony na postać cyfrową. Musi zostać podzielony w czasie na określone części (próbkowanie) i następnie skwantowany. Im większą częstotliwość posiada przebieg badany, tym należy przyjąć większą częstotliwość próbkowania, aby go wiernie odtworzyć. Niestety, mierniki posiadają ściśle określoną częstotliwość próbkowania i wraz ze wzrostem częstotliwości sygnału badanego powyżej określonej granicy pomiar jest obarczony coraz większym błędem - przetworniki A/C „nie nadążają” przetwarzać sygnału. Dlatego kupując multimetr z myślą o pomiarach większych cz. należy przede wszystkim zwracać uwagę na zakres częstotliwości, w których miernik zachowuje swoją klasę (dla najpopularniejszych „zwykłych” mierników cyfrowych zakres ten wynosi do ok. 400 - 500 Hz).

2. Ustawiamy częstotliwość przebiegu na 1 kHz, a jego amplitudę na 5 V. Sprawdzając każdorazowo amplitudę na oscyloskopie, mierzymy wartości napięcia przebiegów : sinusoidalnego, trójkątnego oraz prostokątnego (m = 50%). Wyniki pomiarów przedstawia tabela :

Pomiar wartości napięcia przebiegów o różnym kształcie
	V-640	YF-3503	EDM-83
sinusoidalny	1,7	1,73	1,727
trójkątny	1,38	1,39	1,444
prostokątny (m=50%)	2,72	2,75	2,39

W tym ćwiczeniu zwracamy uwagę na sposób pomiaru napięć o różnych kształtach przez badane mierniki. Dwa pierwsze z nich reagują na wartość średnią przebiegu, a wskazują wartość tą przemnożoną przez 1,11 - współczynnik kształtu dla przebiegu sinusoidalnego. Dla przebiegu sin wszystko jest w porządku, gdyż wskazywana wartość jest wartością skuteczną. Ale dla pozostałych wskazują one wartość niepoprawną. (Aby otrzymać prawidłową wartość, należałoby podzielić otrzymane wyniki przez 1,11 a następnie pomnożyć przez odpowiedni współczynnik przebiegu - trójkątnego lub prostokątnego).Wyjątkiem jest EDM-83. Jest on jedynym miernikiem wśród badanych, który reaguje bezpośrednio na wartość skuteczną przebiegu, niezależnie od jego kształtu. Stąd jego wskazania w tym przypadku można uznać za poprawne dla każdego z przebiegów.

Podsumowanie:

Do najczęstszych zastosowań przy niskich częstotliwościach wybrałbym EDM-83 (choć po długim namyśle : on, czy V-640). Przemawiają za nim : wskazanie zawsze wartości skutecznej przebiegu oraz ilość funkcji. Jednakże przy pomiarach większych częstotliwości, czy dużych wartości napięć, lub gdybym potrzebował miernika tylko do pomiarów napięcia, czy prądu, bez wahania zastosowałbym V-640. Jest on bez wahania najlepszym przyrządem analogowym z jakim się spotkałem. Swoimi parametrami przewyższa niekiedy przyrządy cyfrowe (możliwość pomiaru wielkich napięć, częstotliwości - zastosowanie sond. Ponadto istnieją przypadki, w których zastosowanie miernika analogowego jest wygodniejsze - choćby regulacja napięcia (brak denerwującego przeskoku cyfr), czy obserwacje powolnych zmian np. napięcia.)

3. W tym ćwiczeniu skupiamy się tylko na mierniku V-640. Odłączamy wszystkie inne i tak, jak poprzednio regulując częstotliwością i sprawdzając oscyloskopem amplitudę przebiegu, odczytujemy jej wartość z miernika. Pomiary powtarzamy, ale stosując sondę w.cz, raz międzyszczytową, a drugim razem szczytową. Wyniki pomiarów znajdują się w tabeli nr 2.

Zastosowanie sondy w.cz. międzyszczytowej zdecydowanie poprawiło dokładność wskazań miernika. W całym zakresie zmian f, wskazania różniły się zaledwie o setne części V. Dokładność wyników uzyskanych przy pomiarze sondą szczytową przy mniejszych częstotliwościach pozostawiała wiele do życzenia. Ma ona zastosowanie przy naprawdę większych częstotliwościach przebiegów (do 1 GHz).

Spis użytych przyrządów :

Miernik V-640 III / 1 / 459 PE

EDM-83 476 / III - I

YF-3503 III / 1 / 440

Generator TG 215

Sonda III / 1 / 1 - 370 - PE

Oscyloskop

Rozdzielacz

Schemat blokowy miernika V-640

---