Major László
MÉRÉSI ELV DIGITÁLIS MÉRÉSEK ALAPJAI, DIGITÁLIS MŰSZEREK
ANALÓG MÉRÉS
ANALÓG MÉRÉS
ANALÓG
DIGITÁLIS
ANALÓG MÉRÉS
DIGITÁLIS MÉRÉS Mérés elve: felosztjuk ∆x-re a tartományt,megszámoljuk hányszor van meg a mérendő mennyiségben.(∆x-kvantum)
=
jelek1
1
Major László
DIGITÁLIS MÉRÉS
= 6 5
DIGITÁLIS MÉRÉS
*
< ISMERETLEN < 6
*
*
DIGITÁLIS MÉRÉS
DIGITÁLIS MÉRÉS = SZÁMLÁLÁS KVANTUMEGYSÉG KÉPZÉS (kvantum=az a legkisebb egység, amely még önmagában hordozza az infomációt) SZÁMLÁLÁS = HÁNYSZOR VAN MEG
A KVANTUMEGYSÉG A MÉRT MENNYISÉGBEN
(A mérési folyamat a kvantálás)
-
<
<
DIGITÁLIS MÉRÉS = SZÁMLÁLÁS
DIGITÁLIS MÉRÉS = SZÁMLÁLÁS u u
Xm = MÉRENDŐ MENNYISÉG ∆X = KVANTUMEGYSÉG u u
Nm = Xm / ∆X
jelek1
u u
Diszkrét időpontokban mérek – mintavételezett mérés Kijelzés – BCD – binárisa kódolt decimális - Folyadékkristályos - Gázkisüléses cső - Led - NIXI cső Pontosság – a kvantum szélességétől függ (1-2 nagyságrend) Tárolható Nincs leolvasási hiba Nagy távolságra vihető
2
Major László
Mérési módszerek összehasonlítása ANALÓG
DIGITÁLIS
Mérési mód
Xðα
mintavételezett
Pontosság
±0,1%
±0,001%(kvantum)
Mérési sebesség
1 s (beállási idő) Több ezer/s (kvantum)
Kijelzés
Mutatóleovasási hiba
Számjegyes egyértelmű
Érzékenység
Sok méréshatár
Nagyobb-nagy intervallum átfogás
Szemléltethetősség
szemléletes
Kevésbé áttekinthető
Tárolás
-
Tárolható,továbbítható
Automatizálhatóság
-
Mérésautomatizálás, öntesztelés,hitelesítés
Ár
olcsóbb
Bonyolultabbak, drágábbak
DIGITÁLIS MŰSZEREK JELLEMZŐI
DIGITÁLIS MŰSZEREK JELLEMZŐI MEGJELENÍTHETŐ SZÁMJEGYEK SZÁMA
3 DIGITES 3 ÉS 1/2 DIGITES 4 DIGITES
DIGITÁLIS MŰSZEREK JELLEMZŐI
MEGJELENÍTHETŐ SZÁMJEGYEK SZÁMA MÉRÉSI TARTOMÁNYOK
AZAZ: 1/2 DIGIT: AZ ELSŐ HELYÉRTÉKEN KIJELZETT ÉRTÉK „1” VAGY (ÉRTÉKTELEN) „0” 3/4 DIGIT: NEM FÉL ÉS NEM IS EGÉSZ DIGIT AZ ELSŐ HELYÉRTÉKEN KIJELZETT LEGNAGYOBB SZÁM LEHET „2”, „3”, „4”...
DIGITÁLIS MŰSZEREK JELLEMZŐI
PL.: 3 ÉS 1/2 DIGITES FESZÜLTSÉGMÉRŐNÉL -199,9 mV -1,999 V -19,99 V -199,9 V
… +199,9 mV … +1,999 V … +19,99 V … +199,9 V
DIGITÁLIS MŰSZEREK JELLEMZŐI
FELBONTÁS (kvantum) - A LEGKISEBB MÉRHETŐ JEL pl.: pl.: 3 DIGITES KIJELZŐVEL KIJELEZHETŐ:
-IG -TÓL 1000 ÁLLAPOT FELBONTÁS: 1/1000 AZAZ 0,1%
Ha a Umh=2V
jelek1
BEMENETI IMPEDANCIA A BEMENET SOROS HELYETTESÍTŐ IMPEDANCIÁJA PÉLDÁUL: 10 MΩ MΩ , pá párhuzamosan C <100 pF
∆U=2/1000=2 mV
3
Major László
DIGITÁLIS MŰSZEREK JELLEMZŐI
PÉLDÁUL:
PONTOSSÁG PONTOSSÁG ⇔ MÉRÉSI HIBA TÖBB TÉNYEZŐBŐL ADÓDIK FÜGGHET: A MÉRT ÉRTÉKTŐL ( READ DIGIT) JELÖLÉSE ± X % RDG A MÉRÉSHATÁRTÓL ( FULL SCALE) JELÖLÉSE ± Y % FS TARTALMAZ: SZÁMLÁLÁSI ÉS KIJELZÉSI HIBÁT JELÖLÉSE ± Z DIGIT (D)
1. példa: Mekkora a feszültségmérés hibája ha 3 és fél digites műszerrel 20 V-os méréshatárban 4V-ot mérünk, és a műszerkönyvben a következő adatokat találtuk: "egyenfeszültségmérés hibája ± ( 0.1%FS+2digit )" Megoldás: A méréshatárra megadott értékekből adódó abszolút hiba: HFS=20*0.1*10-2= 20mV, a kijelzett szám: 4.00 3.98 a kijelzésből adódó hiba : 4.00 Hkij = ±20 mV 4.02 Mivel csak ez a két adat ismert, ezt kell figyelembe venni, így az összes abszolút hiba: H= HFS + Hkij= 20 + 20 = 40 mV A feszültségmérés relatív hibája: H 40mV
h=
xm
=
4V
UX = 2 V MÉRÉSÉNEK HIBÁJA: ( EDMEDM-88 4 digites ) A mérést 5 VV-os méréshatárban végezzük. Az 1% rdg20 mV rdg-ből adódó hiba a 4 digit4 mV digit-ből adódó hiba ez összesen 24 mV hUX = (24mV/2V).100% = 1,2 %
2. példa: Egy 200,0 V méréshatárú digitális feszültségmérő felbontóképességét minimálisan hány bites átalakító biztosítja? Megoldás: A megadott kijelzés szerint a teljes tartományt 2000 részre kell felosztani. Ha n jelöli az átalakító bitszámát, akkor 2n ≥ 2000 azaz n ≥ 11.
= ±0.01
h = ±1%
DIGITÁLIS MŰSZER
UNIVERZÁLIS MŰSZER KÉSZÍTHETŐ, KÖNNYEN KEZELHETŐ, BEMENETEI VÉDETTEK,
DIGITÁLIS MŰSZER
AUTOMATIKUS MÉRÉSHATÁRVÁLTÁS, KEVÉS KEZELŐSZERV, SPECIÁLIS MÉRÉSI FELADATOK ELVÉGEZRE ALKALMAS, PL.: ∆U MÉ MÉRÉSE
jelek1
4
Major László
DIGITÁLIS MŰSZER
DIGITÁLIS MŰSZER
NAGYMÉRETŰ JÓL LELOVASHATÓ SZÁMJEGYES ÉS ANALÓG KIJELZŐ
KEVÉS ELHASZNÁLÓDÓ MECHANIKAI ALKATRÉSZ,
SZÁMÍTÓGÉPE KAPCSOLAT A MÉRÉSI ADATOK TOVÁBBI FELDOLGOZÁSÁRA
KIS MÉRETŰ A MŰSZER,
MEGBÍZHATÓ MŰKÖDÉS,
ELÉRHETŐ ÁR
DIGITÁLIS MŰSZER
FREKVENCIA ÉS
IDŐMÉRŐ
EGYENFESZÜLTSÉG MÉRŐ
DIGITÁLIS FREKVENCIAMÉRÉS Feladata: A periódusok összeszámlálása
DIGITÁLIS FREKVENCIAMÉRÉS
Alkalmazása: - frekvenciaarány mérés - idő,időtartam mérés - számlálás - fázisszög mérés Mérés elve: Az ismeretlen frekvenciát egy ismert frekvenciához hasonlítjuk, amelyet egy nagypontosságú oszcillátor állít elő. (f0=10 MHz órajel)
jelek1
5
Major László
Ux
t
t
Ux fx
Ux
U
JELKAPU
BEMENETI EGYSÉG
U
SZÁMLÁLÓ
KIJELZŐ
Ux fx
JELKAPU
BEMENETI EGYSÉG
KAPU VEZÉRLŐ
SZÁMLÁLÓ
KIJELZŐ
KAPU VEZÉRLŐ
JELFORMÁL
JELFORMÁL ADOTT IDEIG ÁTENGEDI AZ INPULZUSOKAT
NÉGYSZÖGJELLÉ ALAKÍT ÓRAJEL GENERÁTOR
Ux
SZÁMOLJA A BEÉRKEZŐ IMPULZUSOKAT
t
t
ADOTT IDEIG ÁTENGEDI AZ INPULZUSOKAT
NÉGYSZÖGJELLÉ ALAKÍT ÓRAJEL GENERÁTOR
0,1s ;1s ; 10s
0,1s ;1s ; 10s
U t
t
SZÁMOLJA A BEÉRKEZŐ IMPULZUSOKAT
IDŐDIAGRAMMOK
KIJELZI AZ EREDMÉNYT
fk
fx
BEMENETI EGYSÉG
JELKAPU
SZÁMLÁLÓ
KIJELZŐ
Jk
fx
KAPU VEZÉRLŐ
Ux fx
BEMENETI EGYSÉG
JELKAPU
SZÁMLÁLÓ
f0/N
t
KIJELZŐ
ÓRAJEL GENERÁTOR
f0 / N t
A kapu idő:
KAPU VEZÉRLŐ
Jk
JELFORMÁL ADOTT IDEIG ÁTENGEDI AZ INPULZUSOKAT
NÉGYSZÖGJELLÉ ALAKÍT
fx =
t fk
ÓRAJEL GENERÁTOR
Tk =
N Nx = f0 f x
Nx f0 N
0,1s ;1s ; 10s t
JELFORMÁL NÉGYSZÖGJELLÉ ALAKÍT
DIGITÁLIS PERIÓDUSIDŐ MÉRÉS
Ux
JELKAPU
BEMENETI EGYSÉG
Ux
SZÁMLÁLÓ
KIJELZ Ő
KAPU VEZÉRL Ő
A MÉRENDŐ JELBŐL VEZÉRLŐJELET ÁLLÍT ELŐ
U t
jelek1
0,1s ;1s ; 10s
ÓRAJEL GENERÁTOR
Tx Elve: Az ismeretlen periódus idejű jelre eső órajelet megszámolja.
ADOTT IDEIG ÁTENGEDI AZ ÓRAJEL INPULZUSAIT
t
6
Major László
ADOTT IDEIG ÁTENGEDI AZ ÓRAJEL INPULZUSAIT
JELFORMÁL NÉGYSZÖGJELLÉ ALAKÍT
JELKAPU
BEMENETI EGYSÉG
fx
JELFORMÁL NÉGYSZÖGJELLÉ ALAKÍT
0,1s ;1s ; 10s
ÓRAJEL GENERÁTOR
Ux
SZÁMOLJA A BEÉRKEZŐ IMPULZUSOKAT
KIJELZ Ő
SZÁMLÁLÓ
Ux
A MÉRENDŐ JELBŐLVEZÉRLŐJELET ÁLLÍT ELŐ
U
Ux
KIJELZI AZ EREDMÉNYT
KIJELZ Ő
SZÁMLÁLÓ
KAPU VEZÉRL Ő
A MÉRENDŐ JELBŐLVEZÉRLŐJELET ÁLLÍT ELŐ
U
t
t
JELKAPU
BEMENETI EGYSÉG
fx
SZÁMOLJA A BEÉRKEZŐ IMPULZUSOKAT
0,1s ;1s ; 10s
ÓRAJEL GENERÁTOR
Ux
KAPU VEZÉRL Ő
ADOTT IDEIG ÁTENGEDI AZ ÓRAJEL INPULZUSAIT
t
t
DIGITÁLIS PERIÓDUSIDŐ MÉRÉS ÓRAJEL GENERÁTOR
Ux
Tk =
A kapu idő:
Tx =
JELFORMÁL NÉGYSZÖGJELLÉ ALAKÍT
ÓRAJEL GENERÁTOR
U1
BEMENETI EGYSÉG
JELKAPU
P fx
KIJELZ Ő
SZÁMLÁLÓ
Jk
fx P
BEMENETI EGYSÉG
fx
f0 N
DIGITÁLIS IDŐTARTAM MÉRÉS
KAPU VEZÉRL Ő
Nx =
Tk ⋅ f 0 N ⋅ Nx ⇒ Tk = = P ⋅ Tx N f0
N ⋅ Nx f0 ⋅ P
ADOTT IDEIG ÁTENGEDI AZ ÓRAJEL INPULZUSAIT
JELFORMÁL NÉGYSZÖGJELLÉ ALAKÍT
0,1s ;1s ; 10s JELKAPU
KAPU VEZÉRL Ő
KAPU VEZÉRL Ő
KIJELZ Ő
SZÁMLÁLÓ
BEMENETI EGYSÉG
STOP A BEJÖVŐ JELBŐL ENGEDÉLYEZŐJELET ÁLLÍT ELŐ
jelek1
U1
U2
START A BEJÖVŐ JELBŐL TILTÓ JELET ÁLLÍT ELŐ
ÓRAJEL GENERÁTOR
BEMENETI EGYSÉG
ADOTT IDEIG ÁTENGEDI AZ ÓRAJEL INPULZUSAIT
SZÁMOLJA A BEÉRKEZŐ IMPULZUSOKAT
0,1s ;1s ; 10s JELKAPU
KAPU VEZÉRL Ő
KAPU VEZÉRL Ő
KIJELZ Ő
SZÁMLÁLÓ
BEMENETI EGYSÉG
U2
STOP
START A BEJÖVŐ JELBŐL ENGEDÉLYEZŐJELET ÁLLÍT ELŐ
A BEJÖVŐ JELBŐL TILTÓ JELET ÁLLÍT ELŐ
7
Major László
JELFORMÁL NÉGYSZÖGJELLÉ ALAKÍT
ADOTT IDEIG ÁTENGEDI AZ ÓRAJEL INPULZUSAIT
BEMENETI EGYSÉG
KIJELZI AZ EREDMÉNYT
0,1s ;1s ; 10s JELKAPU
ÓRAJEL GENERÁTOR
U1
SZÁMOLJA A BEÉRKEZŐ IMPULZUSOKAT
KAPU VEZÉRL Ő
KIJELZ Ő
SZÁMLÁLÓ
KAPU VEZÉRL Ő
BEMENETI EGYSÉG
U1
U2
STOP
START A BEJÖVŐ JELBŐL ENGEDÉLYEZŐJELET ÁLLÍT ELŐ
ÓRAJEL GENERÁTOR
A BEJÖVŐ JELBŐL TILTÓ JELET ÁLLÍT ELŐ
BEMENETI EGYSÉG
JELKAPU
KAPU VEZÉRL Ő
KIJELZ Ő
SZÁMLÁLÓ
KAPU VEZÉRL Ő
BEMENETI EGYSÉG
U2
STOP
START A BEJÖVŐJEL (U1)
A BEJÖVŐJEL (U2)
•FELFUTÓ ÉLE
•FELFUTÓ ÉLE
•LEFUTÓ ÉLE
•LEFUTÓ ÉLE
DIGITÁLIS FESZÜLTSÉG MÉRŐK Egyenfeszültségmérő U
LEÁLLÍTÁSI SZINT STOP LEVEL
INDÍTÁSI SZINT START LEVEL
t tbefecskendezési START
(Árammérés – feszültség mérésre vezetjük Váltakozófeszültség mérés - AC/DC-vel kiegészítés – csúcs - közép - TRUE RMS - matemetikai - fizikai -hőelem
STOP
DIGITÁLIS EGYENFESZÜLTSÉG MÉRŐK
DIGITÁLIS EGYENFESZÜLTSÉG MÉRŐK
Csoportosításuk: - pillanatérték mérők
- átlagérték mérők
jelek1
- kompenzáló rendszerű - feszültség-idő átalakitásos - kettős meredekségű -feszültség-frekvencia átalakításos
UDC
BEMENETI FOKOZAT
A/D ÁTALAKÍTÓ
KIJELZŐ
VEZÉRLŐ
8
Major László
AD ÁTALAKÍTÓK
Uref
ADC
AD ÁTALAKÍTÓK
D= k⋅
D
1 ⋅A U ref
Közvetlen átalakítók – kompenzáló rendszerű (pillanatérték mérő) Elve: A referencia feszültséget addig változtatja, amíg egyenlő nem lesz a mérendő feszülséggel. Ux
A
KOMPARÁTOR
BEMENETI EGYSÉG
felosztása:
VEZÉRLŐ
ÓRAJEL GENERÁTOR
Uref
AD KIJELZŐ
KÖZVETLEN
DIGITÁL-ANALÓG ÁTALAKÍTÓ
LÉPTETŐ ÁRAMKÖR
KÖZVETETT REFERENCIA FORRÁS
VISSZACSATOLT
VISSZACSATOLÁST NEM TARTALMAZÓ
AD ÁTALAKÍTÓK
AD ÁTALAKÍTÓK
Közvetlen átalakítók – kompenzáló rendszerű
a. Lépcsőgenerátoros (számláló típusú): Vezérlő = számláló
KOMPARÁTOR
UX
Ux
K
Ux= UA
U
UA
VEZÉRLŐ és KIMENETI REGISZTER
ÓRAJEL GENERÁTOR
UA
DIGITÁL-ANALÓG ÁTALAKÍTÓ
t
Uref REFERENCIA FORRÁS
DIGITÁLIS KIMENET
a komparátor jelez, a számlás megáll, a kimeneti regiszter tartalma a számláló aktuális értéke
AD ÁTALAKÍTÓK
a regiszter nullázódik
AD ÁTALAKÍTÓK
b. követő ( előre hátra számláló) típusú:
c. Sorozaros, előírt sorrendű (fokozatos, sikeres) közelítés (successive approximation): Vezérlő = bitkijelölő logika
Vezérlő = előre hátra számláló K 1xxx Ux
Ux= UA
U 01xx K
11xx K
UA 001x K
011x K
101x K
111x K
t a regiszter nem nullázódik, változáskor a számlálás az előző értékről indul
0001 K 0011 K 0101 K 0111 K 1001 K 1011 K 1101 K 1111 K
0000 0001 0010 00110100 01010110 01111000 1001101010111100 1101 1110 1111
jelek1
9
Major László
AD ÁTALAKÍTÓK
AD ÁTALAKÍTÓK
Közvetlen átalakítók – kompenzáló rendszerű (pillanatérték mérő)
(SAR)
Vezérlő = bitkijelölő logika
Ux
K 1000
KOMPARÁTOR
BEMENETI EGYSÉG
U Ux
FS 01xx K
001x
011x
K
VEZÉRLŐ
KIJELZŐ
101x K 1010
K
111x
0011
K
0101
K
0111
K
1001
K
1011
LÉPTETŐ ÁRAMKÖR
REFERENCIA FORRÁS
Ux
U
K
DIGITÁL-ANALÓG ÁTALAKÍTÓ
UA
K
U
U
Uref
Umax
t
1011 0001
K
1101
K
1111
ÓRAJEL GENERÁTOR
Uref
11xx K 1100
K
Ux
Uref
Ux
Uref
t
KIJELZÉS
t
t
KIJELZÉS
KIJELZÉS
KIJELZÉS
0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 10111100 1101 1110 1111
AD ÁTALAKÍTÓK
AD ÁTALAKÍTÓK
2. Nyílthurkú („villámgyors”) átalakító (flash converter) : Komparátorsor „figyeli”,hogy a mérendő Ux bemeneti feszültség melyik két komparálási feszültségszint közé esik. A komparátorok válaszjeléből egy kódoló állítja elő az n bites kimeneti kódot.
Közvetett átalakítók 1.
Feszültség-idő átalakítású – pillanatértékmérő – szakaszos – időmérésre vezeti vissza a feszültségmérést Start
UX KOMPARÁTOR
Ux
Uref
Stop
R
K
Ui
R
DIGITÁLIS KIMENET
KÓD ÁTALAKÍTÓ
R
C -Uref
ÓRAJEL GEN.
R
VEZÉRLŐ/KAPU ÁRAMKÖR
SZÁMLÁLÓ, TÁROLÓ
R FŰRÉSZ GENERÁTOR
R
AD ÁTALAKÍTÓK
AD ÁTALAKÍTÓK
U
t
Ui ( t) =
1 x U ref dt RC ∫0
Ui = U x
Ux
Közvetett átalakítók 2. Kettős meredekségű (dual slope) – időarány mérésre vezeti vissza a feszültség mérést
1 ⋅ U ref ⋅ t x RC U t x = RC ⋅ x U ref
Ux = Ui
U1
INTEGRÁTOR C
KOMPARÁTOR
R Ux
t
tx
K
VEZÉRLŐ
DIGITÁLIS IDŐMÉRÉS
USZÁMLÁLÓ REFERENCIA FORRÁS (-UREF)
t
N x = t x ⋅ f 0 = RC
jelek1
Ux U f0 = k x U ref U ref
Ui
10
Major László
AD ÁTALAKÍTÓK U1
UX1
3. Példa: Határozza meg T i értékét és a mérési időt, ha Uref=10V; Tx=150ms; Ux=4,054V!
Átalakítás lépései: - Ti=áll Ux integrálása
UX2 < UX1
Megoldás:
- Uref deintegrálása nullátmenetig
UX2 t
T
1 i 1 U x dt = RC ∫0 RC
Ti + Tx
∫U
ref
Ti = Tx
dt
Ti
Tmérés = Ti + Tx = 520ms
U x ⋅ Ti = U ref ⋅ Tx -Uref
U x = U ref ⋅
Tx1 Ti = állandó
Ui
Tx2
Tx = Ti ⋅
t
Ui2
N = f 0 ⋅ Ti
Ui1
Ux
-Uref
Ui = 0
indítás
kapcsolás
nullátmenet érzékelés
Tx Ti
4. Példa: Határozza meg a mérési időt, ha Uref=10V; Ux=4V; f0=2 MHz és a Ti=40000T0 !
Ux U ref N x = f 0 ⋅ Tx
Nx N Ux = ⋅ f0 f 0 U ref
Nx = N
U ref 10 = 150 ⋅10 −3 = 370ms Ux 4,054
40000 = 2 ⋅10 −2 = 0,02s 2000000 4 Tx = 0,02 ⋅ = 0,008s 10 Tmérés = 0,02 + 0,008 = 0,028s Ti =
Megoldás:
Ux U ref
azaz a mérés pontossága független az órajel pontosságától
AD ÁTALAKÍTÓK 3. Feszültség-frekvencia átalakítású – frekvencia mérésre vezetem vissza a feszültség mérést – digitálisan átlagoló
KOMPARÁTOR NYIT
ZÁR
DIGITÁLIS MULTIMÉTEREK
K1
Ui C Ux
R
K2 DIGITÁLIS FREKVENCIAMÉRÉS
-Uref UK2
DIGITÁLIS MULTIMÉTEREK
U
V
jelek1
DC AC
EGYENIRÁNYÍTÓ
DIGITÁLIS MULTIMÉTEREK
DIGITÁLIS EGYENFESZÜLTSÉG MÉRŐ
R U
R/U ÁTALAKÍTÓ
DC AC
EGYENIRÁNYÍTÓ
DIGITÁLIS EGYENFESZÜLTSÉG MÉRŐ
V
11
Major László
DIGITÁLIS MULTIMÉTEREK
I/U ÁTALAKÍTÓ
I U
R
R/U ÁTALAKÍTÓ
DC AC
v EGYENIRÁNYÍTÓ
DIGITÁLIS EGYENFESZÜLTSÉG MÉRŐ
V Ω A
FESZÜLTSÉGESÉST JELEZ KI
VÁLTOZÁS MÉRHETŐ (∆)
jelek1
MAX, MIN MÉRÉS, NAPLÓZÁS
12
Major László
HŐMÉTSÉKLET MÉRÉS
SPECIÁLIS, PL.:AUTÓS MÉRÉSI FUNKCIÓK VÁLTOZÓ HANGMAGASSÁG A MÉRÉSHEZ
LAKATFOGÓS DIGITÁLIS MŰSZEREK
AC-DC
PEAK
jelek1
13
