Mérés és adatgyujtés ˝ 4. óra - levelez˝o Mingesz Róbert Szegedi Tudományegyetem
2011. március 18.
MA lev - 4. óra
Verzió: 1.3 | Utolsó frissítés: 2011. május 15.
1/51
Tartalom I
1 A/D konverterek alkalmazása
2 Elektromos mennyiségek mérése
MA lev - 4. óra
2/51
Feszültség mérése Párhuzamosan kötjük az áramkörbe (az áramkört nem kell megszakítani) Ideális feszültségmér˝o nem vezet, R = ∞ Reális feszültségmér˝o: véges bels˝o ellenállás (RM )
R2 U
MA lev - 4. óra
R1
V U1
A/D konverterek alkalmazása
RM
V U1
3/51
Muszer ˝ bels˝o ellenállása
Rb U
RM
V UM
Bels˝o ellenállás hatása: UM = I · RM =
MA lev - 4. óra
U · RM R b + RM
A/D konverterek alkalmazása
4/51
Muszer ˝ bels˝o ellenállása
V CC
RM = R 2 +
R3 R2 R1
R 1 · R3 R1 + R 3
Unull = VCC ·
R1 R1 + R3
V UM
Bemen˝o impedancia megadási formái: Bemen˝o ellenállás (NI USB-6008: 144 kΩ ) Szivárgó áram ∆U = RB · IIn
MA lev - 4. óra
A/D konverterek alkalmazása
5/51
Áramer˝osség mérése Sorosan kötjük az áramkörbe (az áramkört meg kell megszakítani) Ideális áramer˝osség-mér˝o jól vezet, R = 0 Reális áramer˝osség-mér˝o: véges bels˝o ellenállás (RM )
A U I
MA lev - 4. óra
RM
A
R
A/D konverterek alkalmazása
6/51
A/D bemenet meghajtása Bemenet impedanciájának növelése El˝oer˝osítés Mintavételi szurés ˝ Csatorna kiválasztása (multiplexelés) Feszültség átskálázása A/D bemenet meghajtása
MA lev - 4. óra
A/D konverterek alkalmazása
7/51
Jel átskálázása
MA lev - 4. óra
A/D konverterek alkalmazása
8/51
Jel átskálázása
MA lev - 4. óra
A/D konverterek alkalmazása
9/51
Muszer ˝ er˝osít˝o
Differenciális, nagy impedanciás bemenet µ ¶ 2R1 R3 Vout = 1 + · (V2 − V1 ) Rgain R2 MA lev - 4. óra
A/D konverterek alkalmazása
10/51
Túlfeszültség védelem
MA lev - 4. óra
A/D konverterek alkalmazása
11/51
D/A kimenet bufferelése
MA lev - 4. óra
A/D konverterek alkalmazása
12/51
Referencia feszültség
MA lev - 4. óra
A/D konverterek alkalmazása
13/51
Referencia feszültség tulajdonságai Névleges feszültség Pontosság Fizikai zaj Drift
MA lev - 4. óra
A/D konverterek alkalmazása
14/51
Referencia feszültség
MA lev - 4. óra
A/D konverterek alkalmazása
15/51
Referencia feszültség
MA lev - 4. óra
A/D konverterek alkalmazása
16/51
Analóg Kapcsolók
Jellemz˝o paraméterek Zárt (vezet˝o) állapotban az ellenállás Nyitott állapotban az ellenállás, áthallás Muködési ˝ feszültség MA lev - 4. óra
A/D konverterek alkalmazása
17/51
Analóg Multiplexer
Több csatorna mérése egy A/D konverterrel Minden váltás után várakozni kell, míg a többi fokozat beáll a kívánt értékre
MA lev - 4. óra
A/D konverterek alkalmazása
18/51
Mintavételi szur˝ ˝ o
MA lev - 4. óra
A/D konverterek alkalmazása
19/51
Példák mintavételi szur˝ ˝ okre
MA lev - 4. óra
A/D konverterek alkalmazása
20/51
Földelés
MA lev - 4. óra
A/D konverterek alkalmazása
21/51
Földelés
MA lev - 4. óra
A/D konverterek alkalmazása
22/51
Földelés
MA lev - 4. óra
A/D konverterek alkalmazása
23/51
Tápfeszültség zavarszurés ˝
MA lev - 4. óra
A/D konverterek alkalmazása
24/51
Árnyékolás Zavarjelek beszur˝ ˝ odése: Kapacitív Ohmikus Induktív
MA lev - 4. óra
A/D konverterek alkalmazása
25/51
Árnyékolás
Mágneses árnyékolás Földelt árnyékolás Véd˝o árnyékolás Sodrott érpár MA lev - 4. óra
A/D konverterek alkalmazása
26/51
Árnyékolás
MA lev - 4. óra
A/D konverterek alkalmazása
27/51
Digitális interfész Párhuzamos Soros (I2C, SPI, UART...) TTL CMOS (Tápfeszültségfügg˝o) LVDS (Differenciális)
MA lev - 4. óra
A/D konverterek alkalmazása
28/51
Logikai jelek galvanikus leválasztása
MA lev - 4. óra
A/D konverterek alkalmazása
29/51
Logikai jelek galvanikus leválasztása
MA lev - 4. óra
A/D konverterek alkalmazása
30/51
Logikai jelek galvanikus leválasztása
MA lev - 4. óra
A/D konverterek alkalmazása
31/51
A váltakozó jel paraméterei Egyszeru ˝ középérték (Ik , Mean value): átvitt töltésmennyiség 1 Ik = T
ZT
I(t) dt 0
Alkalmazás: kondenzátor töltése, elektrolízis Effektív középérték (Ieff , RMS): h˝ohatás Annak az egyenáramnak az er˝ossége, amely T periódusid˝o alatt ugyanazon az R ellenállású fogyasztón ugyanakkora munkát végez. v u T u Z u1 Ieff = t I(t)2 dt T 0
MA lev - 4. óra
Elektromos mennyiségek mérése
32/51
A váltakozó jel paraméterei Csúcsérték (IP , Peak value) Szinuszos jel esetén az amplitúdóval egyezik meg Zaj esetén tipikusan 3σ Csúcstól csúcsig amplitúdó (IP−P , Peak to peak value) Abszolút középérték (Average value) 1 Ia = T
MA lev - 4. óra
ZT
|I(t)| dt 0
Elektromos mennyiségek mérése
33/51
A váltakozó jel paraméterei
UEgenirányított UEff
U
UAbszolút közép T
MA lev - 4. óra
Elektromos mennyiségek mérése
UKözép
t
34/51
Korrekciós tényez˝ok
MA lev - 4. óra
Elektromos mennyiségek mérése
35/51
Aktív egyenirányítás
Ha vin < 0 ⇒ vout = −vin , va = vout + 0,6 V, D2 vezet Ha vin > 0 ⇒ vout = 0, va = −0,6 V, D1 vezet Megjegyzés: a kimenet csak korlátozottan terhelhet˝o
MA lev - 4. óra
Elektromos mennyiségek mérése
36/51
Aktív egyenirányítás
Ha Vin > 0 ⇒ V 0 < 0, D1 vezet, D2 nem, V1 = 0 ⇒ VO = (R/R1 )Vin Ha Vin < 0 ⇒ V 0 > 0, D2 vezet, D1 nem, V2 = V1 = V V 2 R Vin V + + =0 ⇒ V =− Vin R1 R 2R 3 R1 V 2 R VO = IR + V = R + v = V = − Vin 2R 2 R1 MA lev - 4. óra
Elektromos mennyiségek mérése
37/51
Csúcsérték detektor
Ube
D
2
1
Uki
C Reset
MA lev - 4. óra
Elektromos mennyiségek mérése
38/51
RMS (Ueff ) Termikus konverterek Analóg szorzók Digitalizált jelek feldolgozása Integrált áramkörök (pl: AD8361)
MA lev - 4. óra
Elektromos mennyiségek mérése
39/51
Áramer˝osség mérése
I I
R
R
V U
Uki
Áramer˝osség-feszültség konverzió I = U/R További lehet˝oségek: mágneses tér érzékelése, h˝ohatás
MA lev - 4. óra
Elektromos mennyiségek mérése
40/51
A váltakozó áram teljesítménye A pillanatnyi teljesítmény: P(t) = U(t) · I(t)
MA lev - 4. óra
Elektromos mennyiségek mérése
41/51
A váltakozó áram teljesítménye A fogyasztó által felvett teljesítmény folyamatosan változik Hatásos teljesítmény (átlagos teljesítmény): P = Ueff Ieff cos ϕ cos ϕ: teljesítménytényez˝o (ideális esetben = 1) Medd˝ o teljesítmény: a fogyasztó és az er˝omu ˝ között ingázik. (Szállítása veszteséget termel) Pm = Ueff Ieff sin ϕ
MA lev - 4. óra
Elektromos mennyiségek mérése
42/51
Teljesítmény mérése
MA lev - 4. óra
Elektromos mennyiségek mérése
43/51
Frekvencia mérése Analóg frekvenciamér˝o (frekvencia-feszültség konverzió) bemenet → jelkondicionálás → rögzített ideju ˝ impulzusok → átlagolás Számláláson alapuló frekvenciamér˝o bemenet → jelkondicionálás → impulzusok → id˝oegység alatt érkez˝o impulzusok megszámlálása
MA lev - 4. óra
Elektromos mennyiségek mérése
44/51
Fázisszög mérése Fáziskülönbség → id˝okülönbség mérése Fáziskülönbség → kitöltési tényez˝o U t
MA lev - 4. óra
Elektromos mennyiségek mérése
45/51
Ellenállás mérése
R1
A I U
U Rx
Rx =
U I
MA lev - 4. óra
V U
Rx
Ux = U ·
Rx Rx + R1
Rx = R1 ·
Ux U − Ux
Elektromos mennyiségek mérése
V U
⇒
46/51
Ellenállás mérése áramgenerátorral El˝ony: a mért feszültség egyenesen arányos az ellenállással A vezetékek ellenállása hibát okoz
Uref
Rx = Rref ·
MA lev - 4. óra
Rx
Rref
Elektromos mennyiségek mérése
Uki
Uki Uref
47/51
Wheatstone-híd A
R1 D
R3 B
VG R2
Rx C
Egyensúlyban: VG = 0 Rx =
R3 · R 2 R1
Általában: µ VG = MA lev - 4. óra
Rx R2 − R3 + Rx R 1 + R2
¶
Elektromos mennyiségek mérése
48/51
Négypontos ellenállásmérés Cél: vezetékek ellenállásának kiküszöbölése További alkalmazás: fajlagos ellenállás mérése
MA lev - 4. óra
Elektromos mennyiségek mérése
49/51
Hatpontos ellenállásmérés Ha az ellenállás egy áramkörben van: a többi ellenállás hatásának kiküszöbölése
MA lev - 4. óra
Elektromos mennyiségek mérése
50/51
Impedanciamérés Lineáris passzív hálózat: ellenállások, kondenzátorok, induktivitások Gerjesztés: váltakozó feszültség (általában szinuszos) Az impedancia általában frekvenciafügg˝o
Im ~ Z
X ~ |Z| θ
Re R
MA lev - 4. óra
Elektromos mennyiségek mérése
51/51