6. 5. 6 Meranie napäia a prúdu uliere Ján Šaliga KEM FE Košice 5 Meranie jednoserného () napäia napäia v elekronických obvodoch rozsah od jednoiek V do soviek volov bez probléov eranie veľi alých napäí v rozsahu V a nv v prai problé s napäťovýc ofseo a jeho drifo v jednoserných predzosilňovačoch vo voleroch eranie kv problé s bezpečnosťou a izolačnýi ožnosťai aeriálov špeciálne VN sondy a nepriae eódy Meranie napäia je základná funkcia každého uliera. Na napäie sa prevádzajú eracíi prevodníki všeky osané erané veličiny Meranie jednoserného napäia. V Pripojenie volera k eranéu obvodu Voleer sa pripája vždy paralelne Ak neá ovplyvniť podienky v erano obvode, usí byť jeho vsupný odpor (ipedancia) oveľa väčšia ako ivalenný vnúorný odpor v erano bode (syseaická chyba erania) zvyčajne splnené pre oderné digiálne uliere (R voleer ~ MW) R R V. RV R R V R R R V POZOR u volerov napájaných z V Súhlasné napäie Merajú rozdiel napäia edzi eracíi svorkai( i, o/co) Elekronika je napájaná z siee V cez napájací ransforáor s konečnou izolačnou schopnosťou Prekročenie liiu edzi eracíi svorkai a zeou siee ôže poškodiť prísroj! Pôsobí rovnako na obe eracie svorky (voči zei) nealo by eda ovplyvňovať výsledkok Realia: presluch MR z anglického oon Mode Rejecion, býva udávaný v db Prísrojový zosilňovač vo voleri o 5 6
V V 6. 5. 6 Napäťové zosilňovače v ulieroch OZ: v neinverujúco zapojení problé zosilňovanie napäia sníaného voči zei v diferenčno zapojení problé: alá vsupná ipedancia Prísrojové zosilňovače veľká vs. ip. V ou G V V ), Nasavenie zisku R G Malé f a 7 Meranie alých napäí Problé: napäťový ofse a jeho drif (eploa, sarnuie, napájanie,...) v zosilňovačoch Riešenie špeciálne volere (nie ulieer!): Moduláor A A zosilňovač A V_RE V_RE Deoduláor odulačný zosilňovač periodicky nulovaný zosilňovač 6 O 8 AD prevod v ulieroch Požiadavky, vysoká presnosť (nad biov, nad 5 ies) s relaívne poalý opakovaní (niekoľko eraní za sekundu) Realizácia: inegračné prevodníky s dvoj a viacnásobnou inegráciou Najnovšie rýchla digializácia aproiačný alebo sigadela AČP a výpoče zo vzoriek N V V ), N i i 9 Prevodník s dvojiou inegráciou Princíp: neznáe Rese odiny napäie sa prevedie na v čas, eraný počo (),V R v N O ipulzov znáej V ref frencie negráor Výhoda okre Koparáor presnosi a ceny je aj polačenie vn O ) i ) d periodických rušivých signálov (napr. sieť v N O 5z) V < vn O ) kv ) d k V Vi sin i i )) d ) k V Vi sin i i d Viacnásobná inegrácia: korekcia ofseu zosilňovačov, spínačov, zee aď. V >V V < Riadiac a logika Rese a šar prevodu Zápis výsledku konverzie Číač Záchyný regiser Preečenie číača = prepínanie vsupu Dáa v ) d kv ) d R vn O ) kv V ref> v ) kv N =konšana v N O O ) kv kv ) kv kvref V ref Vref Analógový vsup Aproiačný prevodník Vzorkovací obvod (S&) odiny Koparáor Aproiačný regiser Výsup N biov N biový DA Najčasejší algorius posupného upresňovania kódu zodpovedajúceu vsupnéu analógovéu napäiu je nasledovný: a. Najvyšší bi sa nasaví na log., všeky nižšie na log.. b. Vyvorené ivalenné napäie na výsupe ČAP sa porovná so vsupný. Ak je enšie ako vsupné, log. sa v dano bie zachová, ak väčšie, hodnoa biu sa vynuluje. c. Ak eše neboli vyskúšané všeky biy, nasledujúci bi v poradí sero k najnižšieu biu sa nasaví na log., vyššie sa zachovajú z predchádzajúceho nasavenia a nižšie biy sa nasavia na log.. Následne sa zopakuje posup od bodu b. Sigadela AČ prevodníky Analógový vsup Σ ΣΔ oduláor negráor N biový DA biový Deciačný číslicový filer Výsup N biov Jednoduchý a lacný ale vyžaduje veľké prevorkovanie Rozlíšenie 6 až biov, ale iba pre poalé signály Základ ΣΔ oduláor vyvárajúcich posupnosť biov a deciačný dolnopriepusný číslicový FR filer vyárajúci z posupnosi biov kódy digializované vzorky signálov Prevzorkovanie (ak oduláora) býva niekoľko desaťnásobne a viac vyššie ako požadovaná vzorkovacia frencia pre vzorky na výsupe AČP. A
6. 5. 6 Meranie sriedavého (A) napäia Sriedavý voleer princíp Požadovaný eraný paraeer: zvyčajne efekívna hodnoa Šírka frenčného pása: úzkopásové selekívne (najä v oblasi VF) napäťové rozsahy: nie je problé ani s napäiai v rozsahu V lii daný šuo obvodov a šírkou pása ieso volerov spekrálne analyzáory prúdy sa erajú iba výniočne najčasejšie nepriao širokopásové najčasejší prípad v prai najä v oblasi NF (jednoky z až sovky kz) v súčasnosi najä rôzne uliere: napäťové rozsahy: nie je problé s napäiai v rozsahu V až sovky V lii daný šuo obvodov, resp. bezpečnosťou obdoba eranie veľkých napäí K AČP úerné efekívnej hodnoe Konveror A na 77.6 VA AV A zosilňovač/ delič Sriedavý voleer erá iba sriedavú zložku vsupného signálu Signal Vdc offse Väzovný kondenzáor blokujúci vsup zložky vsupného signálu Vdc Vpp=.77Vrs Konverzia sriedavého napäia na jednoserné Diódové userňovače Pasívne veľká chyba spôsobená vlasnosťai reálnych diód Výsledok prevodu: ~ absolúnej hodnoe priebehu Konverzia sriedavého napäia na jednoserné Diódové userňovače Akívne Presné Výsledok prevodu: ~ absolúnej hodnoe priebehu ak ui ) u ) R o ui ) ak ui ) R u i ) ui ) ui ) ak ui ) uo ) ui ) ui ) ui ) ak ui ) u i() R OZ D D R u o() u i() OZ D D () OZ o() 5 6 Sriedavý voleer s diódový userňovačo Je ožné previesť srednú absolúnu hodnou na efekívnu pre ľubovoľný priebeh? NE!!! Zosilnenie K R o k ui ), R o Pri eraní sriedavého signálu ale á byť výsledko erania jeho efekívna hodnoa!!! k u ), i aronický rojuholník Pravouhlý K. A KA avr K. Asin f ). sin ) cos K A d A rs rs K K. A. K. A. K. A avr d A rs rs K K. A avr K. A K. Ad rs A K rs / / KA KA 7 8
V V W W V V V V W W V V W W 6. 5. 6 Signál V peak V rs.v Sínus. Efekívna hodnoa?.7v rojuholník.7 V Pravouhlý Poer edzi efekívnou hodnoou a srednou po usernení, resp. špičkovou závisí na vare signálu = varový koeficien A volere s klasický userňovačo sú kalibrované ak, aby pre haronický signál ukazovali efekívnu hodnou. Pre iný var signálu o ale nie je korekný údaj V 9 Prevodníky na skuočnú efekívnu hodnou Dnes najčasejší princíp: realizácia definičného vzťahu nelineárnyi elekronickýi obvodi RMS u ) d avr u ) ) A A Nelineárne obvody Kvadráory (analógové násobičky) logariické a eponenciálne obvody najčasejšie v prai: kvadráor s riadený zisko spänou väzbou z výsupu (viď napr. www.analog.co) Problé: vyvoriť a udržať presnú požadovanú nelineárnu charakerisiku Prevodníky na skuočnú efekívnu hodnou epliciný princíp Prevodníky na skuočnú efekívnu hodnou ipliciný princíp u i() Analógová násobička Dolný priepus (R) o k ui ) Analógová násobička k o avr ), k avr u ) ) k i o Analógováná sobička, zisk G=/y y Dolný priepus (R) y y avr y G y y ) avr avr ) y y k avr ui ) ) K avr ui ) ) Ki rs k Veľi presné ale použieľné iba v alo dynaicko rozsahu (cca. db) o y ) rs Menej presná ako epliciná ale s väčší dynaický rozsaho a širší frenčný páso. V prai časejšia avr Prevodníky na skuočnú efekívnu prosrednícvo eploy V_RE Nepriao cez výkon, napr. epelný eročlánky, V_RE V_RE V_RE erisory (senzory eploy) sriedavý signál V_RE po zosilnení V_RE V_RE V_RE prevedie na výkon (eplo) a erá sa zena eploy. O herocouple O Nevýhoda: cilivosť na okoliú eplou > kopenzačný princíp, nelinearia najä u erisorov, alý signál z eročlánkov použiie najä v oblasi vf (Gz) eranie výkonu O herocouple herocouple O Prevodníky na skuočnú efekívnu hodnou výpoče zo vzoriek Výpoče zo vzoriek digializovaného priebehu N rs u s N i i. ) probléy: priebeh signálu usí byť digializovaný s dosaočnou presnosťou uliere in. biov, desiaky vzoriek z periódy doplnok číslicových osciloskopov alá presnosť (8 biové digializáory) auoaický výber vhodného úseku signálu (periódy) pre výpoče, presný odhad periódy signálu,...
6. 5. 6 Dôležié paraere volerov Vrcholový fakor (cres facor) presnosť syseaická neisoa (udávaná výrobco) vsupná ipedancia A volere: edzné frencie (dolná, horná) výrobcovia obyčajne udávajú niekoľko frenčných pásie s rôznou presnosťou prísroja Merajú aj zložku? Poer aiálnej (špičkovej) hodnoy eraného priebehu k rozsahu, pričo akýo priebeh bude eše prísrojo oderaný korekne. nýi slovai, vrcholový fakor vyjadruje prebudieľnosť prísroja na dano rozsahu. dáva sa najčasejšie v decibeloch rsacdc uacdc ) d dcd uac ) d dc rsac 5 6 Meranie prúdu rozsah od jednoiek A do jednoiek A bez probléov eranie alých prúdov v rozsahu na a pa problé s vsupnýi prúdi a ich drifo v jednoserných predzosilňovačoch eranie sovky A a vyššie problé so sníaní prúdu špeciálne prúdové sondy a nepriae eódy Meranie prúdu uiero sa realizuje prevodo eraného prúdu na erané napäie pri znáej prevodovej konšane. Meranie prúdu uliero K vnúornéu voleru Na ulieri je porebné zvoliť vhodný reži eranie jednoserného alebo sriedavého prúdu. Pri eraní prúdu v elekricko obvode je nuné eno rozpojiť a zapojiť apéreer do série so záťažou v eranej veve obvodu. Prúdový bočník (shun) prevádzajúci eraný prúd na napäie ac() dc Pre eranie prúdu sa obyčajne na ulieri používajú iné svorky ako pri eraní napäia. ac() dc 7 8 Pripojenie apérera k eranéu obvodu Prevod na Apéreer sa pripája vždy do série ak, aby jeho svorkai preekal eraný prúd. Meraný obvod je eda porebné rozpojiť a rozpojenie preosiť apérero Ak neá ovplyvniť podienky v erano obvode, usí byť jeho vsupný odpor (ipedancia) oveľa enšia (ideálne nulová) ako ivalenný vnúorný odpor v erano bode (syseaická chyba erania) zvyčajne splnené pre oderné digiálne uliere (R aperera ~, W) R R R A ; R R R A RA R R R ) A 9 Požiadavka: čo najenšia vsupná ipedancia Pasívne prevodníky = presný sníací rezisor bočník (Shun) Prepoče eraného prúdu podľa poerov vsupného odporu apérera a bočníka Akívne prevodníky s OZ =R. R OZ 5
6. 5. 6 Meranie veľkých prúdov Používajú sa kliešťové apérere Dva princípy sníania prúdu: Prúdový ransforáor: ba sriedavý prúd, úzky frenčný rozsah acné, jednoduché allova sonda polovodičový sníač agneického poľa: Sriedavý aj jednoserný prúd, vyššia cena Meranie jednoserného odporu v ulieroch Meranie sa robí jednoserný signálo Využíva sa obyčajne princíp vychádzajúci z Ohovho zákona Saré analógové uliere: Nelineárna supnica (nula vpravo, nekonečno vľavo) alá presnosť Poreba opakovaného nasavovania nuly erané V oderných ulieroch Rvar R nepoužívané Moderné prísroje: prevodník odpor na napäie R B N B allova sonda o=kb nap=k nap o REF R REF REF OZ o nap Meranie jednoserného odporu Merá sa úbyok napäia na súčiaske pri znáo prúde z prúdového zdroja Nedosaok: pri alých odporoch veľká chyba spôsobená odporo prívodných vodičov (v sérii so súčiaskou) ožná korekcia odčíaní ich odporu eraného saosane z výsledku Zlepšenie presnosi erania Švorvodičové pripojenie pre kopenzáciu vplyvu odporu prívodných vodičov na výsledok erania Princíp: saosaná dvojica pre prívod prúdu a saosaná pre sníanie úbyku napäia Prepäťová ochrana K jednosernéu voleru Prepäťová ochrana K jednoserné u voleru Príklady Príručné uliere (baérie) Solné uliere (sieť) Bloková schéa a princíp uliera Analógová časť: analógový prepínač s výbero funkcie, rozsahu zenou úlu a Kounikačné rozhranie: Vsup: zosilnenia a prevodníka pre zvolenú veličinu SB, AN GPB, aď. dc, ac, na napäie: ac, dc, R,,, aď. Napäťový delič a zosilňovač AČP Mikrokonrolér, číslicové A/ spracovanie konveror* (userňovač, signálu (DSP) Prevodník / rs) Prevodník R/ Prevodník / Predný panel s ovládacíi lačidlai a displejo Prevodník / 5 Ďalšie konverory, napr. eploa na napäie a pod. *A/ konveror ôže byť realizovaný aj sofvérovo (DSP) naieso hardvérovej realizácie, ak sa v ulieri využíva rýchly AČ prevodník 6 6
6. 5. 6 Doplnkové funkcie DMM Ako erať presne? Dva displeje zobrazujúce doplnkové údaje (viď nižšie) Auoaická voľba rozsahov Zachyenie a, in hodnoy Zasavenie erania (OD), riadenie spúšťania (RGGER) Šaisické spracovanie prieer, serodajná odchýlka Porovnanie s liii = funkcia logickej sondy (O, ) es koninuiy (skrau) = signál ak odpor edzi eranýi bodi je pod lii (zvyčajne cca 5 až ohov) Zvuková signalizácia savu Meranie rôznych doplnkových paraerov ako,, f,... Prenos dá o P, riadenie z P... Používaje vhodný prísroj pozor najä na na RMS a edzné frencie uliera Používaje vhodný erací rozsah = blízko plného rozsahu pokiaľ je o ožné (syseaické neisoy) Meraje radšej poer ako absolúnu hodnou veličiny 7 8 Princíp Meranie a na ulieri Previesť a na jednoserné napäie zvyčajne s edzikroko na ipulzy ( a konšany, f~z) i kr Zdroj pravouhlých ipulzov, cca. 5z MKO doba kyvu určená eraný prvko Dolný priepus Jednoserný voleer i i i kr ) ) a b K, kr ak = kr Meranie paraerov Meranie ranzisorov a diód Muliere: eranie AK a h E v dano pracovno (viď anuál uliera) Merá sa napäie na dióde napájanej prúdový zdrojo Z napäia je ožné určiť vývody (anódu a kaódu) a prípadne aj odhadnúť yp diódy (planárna kreíková, Schoky,...) 7
6. 5. 6 Princíp erania h E h E K B E B PNP E B nap NPN B E R B NPN R B PNP R E Jednoserný voleer 8