Elektronické meracie prístroje Doc. Ing. Peter Kukuča, CSc. MIEE KMer FEI STU
Elektronické MP! Elektronický V-meterV! Univerzálne počítadlo impulzov! Zdroje signálu
Elektronický V-meter
Elektromechanické MP! jednoduché! lacné! rôzne systémy " magnetoelektrický " elektromagnetický " elektrodynamický " indukčný,,! merajúce U, I, R
Zapojenie MP! Paralelne ako voltmeter #veľký vstupný odpor R v! Sériovo ako ampérmeter #malý vstupný odpor R A! Prispôsobenie impedancii systému #50 Ω, 75 Ω, 600 Ω
Elektronický V-meter! Výhody (dôvody): " vyšší vstupný odpor, resp. impedancia " vyššia citlivosť " širší frekvenčný rozsah " správnejšie meranie
Elektronický V-meter U Vstupný delič Zosilňovač Prevodník! Delič zmena rozsahu! Zosilňovač " zväčšenie citlivosti " zabezpečenie veľkého vstupného odporu! Prevodník striedavé napätie na jednosmerné
Vstupný delič R 4 R 3 R 2 U in R 1 U out U. = in k R i= 1 1 R i U out k = 1,.. 4 (3)! Vstupný odpor priamo úmerný zvolenému napäťovému rozsahu
Vstupný delič U in R 4 R 3 R 2 Uout U out U. k i= 1 = in n i= 1 R R i i R 1 n = 4, k = 1,.. n (3)! Vstupný odpor konštantný
Vstupný delič! Frekvenčná kompenzácia R 2 C 2 U in R 1 U out C 1 R 1 C 1 = R 2 C 2
Zosilňovač + U in
Prevodník! Nie AČP!!!! Jednosmerný voltmeter ho nemá!! Prevodník striedavého napätia na jednosmerné napätie, resp. prúd! Princíp prevodu ovplyvňuje chybu merania " MP s usmerňovačom meria strednú hodnotu, ukazuje efektívnu hodnotu " True RMS meria efektívnu hodnotu
Charakteristické hodnoty! Efektívna hodnota (RMS value)! Stredná hodnota (Average value) U ef U = str 1 T 1 = T T 0 T 0 u 2 ( t) dt u( t) dt
Charakteristické hodnoty! Koeficient tvaru (Form factor)! Koeficient výkyvu (Crest factor) ) k = t k = v U U U U ef str m ef
Parametre bežných priebehov Krivka U š-š U ef U str k t k v sínus 2.U m 0,707*.U m 0,637*.U m 1,11* 1,414* symetr.. obdĺžnik 2.U m U m U m 1 1 trojuholník 2.U m 0,577*.U m 0,5.U m 1,155* 1,732* jednocestne usmernený sínus U m 0,5.U m 0,318*.U m 1,571* 2 *: 1/ 2, 2/π, π/ 8, 2, 1/ 3, 2/ 3, 3, 1/π, π/2
Dvojcestný usmerňovač R R 2R R R u in + u out +
Prevodník efektívnej hodnoty u in Usmerňovač 2.log(u) + Rozdiel exp(u) DP filter U ef log(u)
Elektronický V-meter! Trieda presnosti vo frekvenčnom rozsahu! Väzba vstupu " jednosmerná " striedavá! Voltmeter so špičkovým detektorom " vysokofrekvenčné merania U max
Univerzálne počítadlo impulzov
Univerzálne počítadlo impulzov! Počítanie impulzov! Frekvencia! Perióda! Pomer frekvencií! Čas! Fázový posuv
Univerzálne počítadlo impulzov! Číslicový merací prístroj založený na počítaní impulzov " privedených zvonka " generovaných interne! za určitý čas " generovaný interne " privedený zvonka N = f. T
Univerzálne počítadlo impulzov f Vstupné obvody f Hradlo Počítadlo T N = f. T Hodiny Displej f x = N / TN meranie frekvencie
Meranie frekvencie f x Vstupné obvody Hradlo Počítadlo T N f x = N / T N Hodiny Displej
Meranie periódy Hradlo Hodiny f N Počítadlo T x = N / f N T x Vstupné obvody Displej
Meranie pomeru frekvencií Hradlo f 1 Vstupné obvody Počítadlo T 2 N = f 1 / f 2 f 2 Vstupné obvody Displej
Meranie času (fázového posuvu) Hradlo Hodiny f N Počítadlo t 1 t 2 -t 1 = N / f N t 2 Vstupné obvody Displej
Univerzálne počítadlo impulzov! Hodiny " najčastejšie 1 MHz (10 MHz) # => rozlišovacia schopnosť pri meraní času max. 1 µs s (100 ns) " zmena rozsahu deličom frekvencie " doba merania frekvencie max 1 s (10 s) # => rozlišovacia schopnosť pri meraní frekvencie max. 1 Hz (0,1Hz)
Chyby UPI! Presnosť a stabilita generátora hodinových impulzov " kryštálové oscilátory (~10( -5 ) " stabilizácia teploty (~10( -7-10 -9 ) " céziový etalón (~10-13 " GPS (~1 µs s / 1 s) 13 )
Chyby UPI! Vstupné obvody a hradlo " meranie frekvencie " meranie periódy " meranie času (fázového posuvu) " POZOR! Meria, aj keď sú pokazené!!!
Chyby UPI! Chyba diskrétnosti Chyba diskrétnosti "N = f x. T N ± 1 1 1 f f T T N T N f m N N N x ± = ± = ± = 1 1 1) ( T N f 1 = N f T f f f m N m 1. 1 = = = δ 2
Chyby UPI! Chyba diskrétnosti pri meraní periódy Chyba diskrétnosti pri meraní periódy "N = f N. T x ± 1 T T f f N f N T m N N N x ± = ± = ± = 1 1 1) ( N T f T T T m N m 1. 1 = = = δ f N T 1 =
Chyby UPI! Chyba diskrétnosti "δf = δt = 1/N = 100/N [%]! Výpočet frekvencie z periódy a naopak "f = 1/ = 1/T "δf = δt
Zvyšovanie presnosti merania! frekvencia " predlžovanie T N " násobič frekvencie s PLL (Phase( Locked Loop)! perióda " zvyšovanie f N " meranie viac periód
Zvyšovanie presnosti merania! všeobecne " voľba meranej veličiny! špeciálne metódy " nóniová metóda " interpolačná metóda! zvyšovanie frekvenčného rozsahu " heterodynový zmiešavač
Univerzálne počítadlo impulzov
Zdroje signálu
Zdroje signálu! RC-generátor (harmonický oscilátor)! Funkčný generátor! Signálny generátor! Impulzný generátor! Generátor ľubovoľných priebehov! Frekvenčná syntéza
RC-generátor! zdroj harmonického (sínusového) napätia! malé skreslenie časového priebehu! potreba stabilizácie amplitúdy! vyžaduje pomalú zmenu frekvencie! nastavenie frekvencie a amplitúdy! presnosť a stabilita frekvencie a amplitúdy! použitie pri meraní frekv.. charakteristík
RC-generátor Oscilátor s nastaviteľnou frekvenciou Zosilňovač Výstupný delič
RC-generátor
RC-generátor s Wienovým mostíkom R C C R + R 1 R 2 f = 1/(2πRC)
RC-generátor s dvojitým T R R R 2 C C + 2C R/2 R 1 f = 1/(2πRC)
Funkčný generátor! univerzálny a často používaný zdroj signálu! sínus, obdĺžnik a trojuholník! nastavenie tvaru, frekvencie, amplitúdy a jednosmernej zložky! modifikácie tvaru! modulácie (AM, FM)! nízka kvalita časového priebehu!!!
Funkčný generátor Generátor obdĺžnikového napätia Integrátor Výstupný zosilňovač a delič Tvarovač sínusu
Generátor trojuholníka a obdĺžnika C R 2 R + U t R 1 + U o f = U o /(4RCU t )
Funkčný generátor
Funkčný generátor
Signálny generátor! zdroj testovacieho (meracieho) signálu! harmonické napätie + modulácie! malé skreslenie časového priebehu, hoci...! definované parametre, presnosť a stabilita! použitie pri meraní frekvenčných charakteristík zariadení a prenosových ciest! široký frekvenčný rozsah! zložité a drahé zariadenia
Signálny generátor U f Modulačný oscilátor FM Napätím riadený oscilátor Výstupný zosilňovač a delič AM VEĽMI ZJEDNODUŠENÉ!!!
Signálny generátor
Signálny generátor
Impulzný generátor! zdroj obdĺžnikových impulzov! definované (nastaviteľné) parametre frekvencia (perióda), šírka, nábežná a dobežná hrana, oneskorenie, logické úrovne! zaručované parametre prekmit,, doba ustálenia! široký frekvenčný rozsah! generovanie súboru alebo postupnosti impulzov
Generátor ľubovoľných priebehov! Arbitrary Waveform Generator (AWG)! priebeh generovaný ČA prevodníkom! generovanie definovaných prechodných javov, porúch, komplexných signálov! okamžitá zmena frekvencie (frequency( hop)! rýchlosť ČA prevodníka a dĺžka pamäte! výpočet priebehov
Generátor ľubovoľných priebehov adresy údaje Počítadlo adries Pamäť priebehu ČA prevodník Napätím riadený generátor impulzy napätie Výstupný zosilňovač a delič
Generátor ľubovoľných priebehov
Frekvenčná syntéza! (AWG)! generovanie frekvenčnej stupnice z konečného počtu pevných frekvencií " priama frekvenčná syntéza " nepriama frekvenčná syntéza! vysoká presnosť a stabilita frekvencie! číslicové nastavenie frekvencie
Nepriama frekvenčná syntéza Frekvenčný a fázový detektor Dolnopriepustný filter Napätím riadený generátor f 2 Frekvenčný delič 1/n 2 f 1 f 4 Referenčný generátor f 3 Frekvenčný delič 1/n 1 n1 f 4 1 n2 f =
Priama frekvenčná syntéza Referenčný generátor 30 MHz 24 MHz 3,9 3,8 3,7... 3,3 3,2 3,1 3,0 MHz Súčet frekvencií 1 Hz 27,0 MHz 30,0 30,9 MHz 3,00 3,09 MHz Súčet frekvencií Podiel frekvencií Súčet frekvencií 27,00 27,09 MHz
Priama frekvenčná syntéza 27,000 00 27,099 99 MHz 10 khz 30,000 00 30,999 99 MHz Súčet frekvencií Podiel frekvencií Súčet frekvencií 100 khz 27,000 000 27,099 999 MHz 30,000 000 30,999 999 MHz Súčet frekvencií Rozdiel frekvencií 1 999 999 Hz 30,0 MHz