Mérés és adatgyujtés ˝ 5. óra Mingesz Róbert Szegedi Tudományegyetem
2012. március 10.
MA - 5. óra
Verzió: 2.1 | Utolsó frissítés: 2012. március 12.
1/47
Tartalom I
1 Elektromos mennyiségek mérése
2 A/D konverterek alkalmazása
MA - 5. óra
2/47
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 - 5. óra
R1
V U1
Elektromos mennyiségek mérése
RM
V U1
3/47
Muszer ˝ bels˝o ellenállása
Rb U
RM
V UM
Rb : feszültségforrás bels˝o ellenállása (impedanciája) RM : muszer ˝ bels˝o/bemen˝o ellenállása (impedanciája)
MA - 5. óra
Elektromos mennyiségek mérése
4/47
Muszer ˝ bels˝o ellenállásának hatása
Rb U
RM
V UM
Pl.: Rb = 100 kΩ, RM = 1 MΩ , U = 10 V UM = I · RM =
U 10V · RM = · 1 MΩ = 9,09 V R b + RM 100 kΩ + 1 MΩ
Relatív hiba: h = 9, 09%
MA - 5. óra
Elektromos mennyiségek mérése
5/47
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 - 5. óra
Elektromos mennyiségek mérése
6/47
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 - 5. óra
Elektromos mennyiségek mérése
7/47
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 - 5. óra
ZT
|I(t)| dt 0
Elektromos mennyiségek mérése
8/47
A váltakozó jel paraméterei
UEgyenirányított UEff
U
UAbszolút közép T
MA - 5. óra
Elektromos mennyiségek mérése
UKözép
t
9/47
Korrekciós tényez˝ok
MA - 5. óra
Elektromos mennyiségek mérése
10/47
Egyenirányítás
A dióda nyitófeszültsége: ≈ 0,6V
MA - 5. óra
Elektromos mennyiségek mérése
11/47
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 - 5. óra
Elektromos mennyiségek mérése
12/47
Aktív kétutas 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 - 5. óra
Elektromos mennyiségek mérése
13/47
Csúcsérték detektor
Ube
D
2
1
Uki
C Reset
MA - 5. óra
Elektromos mennyiségek mérése
14/47
RMS (Ueff ) Termikus konverterek Analóg szorzók Digitalizált jelek feldolgozása Integrált áramkörök (pl: AD8361)
MA - 5. óra
Elektromos mennyiségek mérése
15/47
Áramer˝osség mérése Sorosan kötjük az áramkörbe (az áramkört meg kell megszakítani) Ideális áramer˝osség-mér˝o jól vezet, R = 0, UM = 0 Reális áramer˝osség-mér˝o: véges bels˝o ellenállás (RM ) ⇒ feszültség esik az áramer˝osségmér˝on
A U I MA - 5. óra
RM
A
R
Elektromos mennyiségek mérése
16/47
Áramer˝osség-feszültség konverzió
I I
R
R
V U
Uki
Áramer˝osség-feszültség konverzió I = U/R További lehet˝oségek: mágneses tér érzékelése, h˝ohatás
MA - 5. óra
Elektromos mennyiségek mérése
17/47
A váltakozó áram teljesítménye A pillanatnyi teljesítmény: P(t) = U(t) · I(t)
MA - 5. óra
Elektromos mennyiségek mérése
18/47
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 - 5. óra
Elektromos mennyiségek mérése
19/47
Teljesítmény mérése
MA - 5. óra
Elektromos mennyiségek mérése
20/47
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 - 5. óra
Elektromos mennyiségek mérése
21/47
Fázisszög mérése Fáziskülönbség → id˝okülönbség mérése Fáziskülönbség → kitöltési tényez˝o U t
MA - 5. óra
Elektromos mennyiségek mérése
22/47
Ellenállás mérése
R1
A I U
U Rx
Rx =
MA - 5. óra
U I
V U
Rx
Ux = U ·
Rx Rx + R1
Rx = R1 ·
Ux U − Ux
Elektromos mennyiségek mérése
V U
⇒
23/47
Ellenállás mérése áramgenerátorral El˝ony: a mért feszültség egyenesen arányos az ellenállással A vezetékek ellenállása hibát okoz
Uref
Rx = Rref ·
MA - 5. óra
Rx
Rref
Elektromos mennyiségek mérése
Uki
Uki Uref
24/47
Wheatstone-híd A
R1 D
R3 B
VG R2
Rx C
Egyensúlyban: VG = 0 Rx =
R3 · R 2 R1
Általában: µ VG = MA - 5. óra
Rx R2 − R3 + Rx R 1 + R2
¶
Elektromos mennyiségek mérése
25/47
Négypontos ellenállásmérés Cél: vezetékek ellenállásának kiküszöbölése További alkalmazás: fajlagos ellenállás mérése
MA - 5. óra
Elektromos mennyiségek mérése
26/47
Hatpontos ellenállásmérés Ha az ellenállás egy áramkörben van: a többi ellenállás hatásának kiküszöbölése
MA - 5. óra
Elektromos mennyiségek mérése
27/47
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 - 5. óra
Elektromos mennyiségek mérése
28/47
A/D bemenet meghajtása Bemenet impedanciájának növelése El˝oer˝osítés Mintavételi szurés ˝ Csatorna kiválasztása (multiplexelés) Feszültség átskálázása A/D bemenet meghajtása
MA - 5. óra
A/D konverterek alkalmazása
29/47
Jel átskálázása
Bemen˝o jel: ±1 V, AD mérési tartomány: 0 · · · 2, 5 V Szükséges er˝osítés: 2,5 V/2 V ⇒ R1 /R2 = 1/1,25 Pl.: R1 = 100 kΩ, R2 = 125 kΩ UX : (1 V − UX ) · R1 = (UX − 0 V) · R2 ⇒ UX = 0,444 V
MA - 5. óra
A/D konverterek alkalmazása
30/47
Jel átskálázása
MA - 5. óra
A/D konverterek alkalmazása
31/47
Muszer ˝ er˝osít˝o
Differenciális, nagy impedanciás bemenet µ ¶ 2R1 R3 Vout = 1 + · (V2 − V1 ) Rgain R2 MA - 5. óra
A/D konverterek alkalmazása
32/47
Túlfeszültség védelem
MA - 5. óra
A/D konverterek alkalmazása
33/47
D/A kimenet bufferelése
MA - 5. óra
A/D konverterek alkalmazása
34/47
Analóg Kapcsolók
Jellemz˝o paraméterek Zárt (vezet˝o) állapotban az ellenállás Nyitott állapotban az ellenállás, áthallás Muködési ˝ feszültség MA - 5. óra
A/D konverterek alkalmazása
35/47
Analóg Multiplexer
Több csatorna mérése egy A/D konverterrel Minden váltás után várakozni kell, míg a többi fokozat beáll a kívánt értékre
MA - 5. óra
A/D konverterek alkalmazása
36/47
Mintavételi szur˝ ˝ o
MA - 5. óra
A/D konverterek alkalmazása
37/47
RC szur˝ ˝ o
MA - 5. óra
A/D konverterek alkalmazása
38/47
RC szur˝ ˝ o
fc =
MA - 5. óra
1 2πRC
fc =
1 2πR2 C
A/D konverterek alkalmazása
39/47
Példák mintavételi szur˝ ˝ okre
MA - 5. óra
A/D konverterek alkalmazása
40/47
Árnyékolás Zavarjelek beszur˝ ˝ odése: Kapacitív Ohmikus Induktív
MA - 5. óra
A/D konverterek alkalmazása
41/47
Árnyékolás
Mágneses árnyékolás Földelt árnyékolás Véd˝o árnyékolás Sodrott érpár MA - 5. óra
A/D konverterek alkalmazása
42/47
Árnyékolás
MA - 5. óra
A/D konverterek alkalmazása
43/47
Digitális interfész Párhuzamos Soros (I2C, SPI, UART...) TTL CMOS (Tápfeszültségfügg˝o) LVDS (Differenciális)
MA - 5. óra
A/D konverterek alkalmazása
44/47
Logikai jelek galvanikus leválasztása
MA - 5. óra
A/D konverterek alkalmazása
45/47
Logikai jelek galvanikus leválasztása
MA - 5. óra
A/D konverterek alkalmazása
46/47
Logikai jelek galvanikus leválasztása
MA - 5. óra
A/D konverterek alkalmazása
47/47
