Emi - Predavanje 1.2 i 1.4 Mjerni Instrumenti

ELEKTONIKA MJERENJA I INSTRUMENTACIJA

Predavanje: Elektroniki mjerni instrumenti

MJERENJA U ELEKTROTEHNICI Elektroniki mjerni instrumentiSadraj:

1. Analogni elektroniki mjerni instrumenti1.1. Zajednika obiljeja1.2. Mjerna pojaala1.3. Elektroniki voltmetar1.4. Elektroniki vatmetar1.5. Osciloskopi1.6. Znaajke elektronike mjerne instrumentacije

2. Digitalni elektroniki mjerni instrumenti2.1. Zajednika obiljeja 2.2. Digitalna obrada analogne mjerene veliine2.3. Digitalni voltmetar 2.4. Pogreke mjerenja digitalnim voltmetrom2.5. Temeljne osobine digitalnih voltmetara

MJERENJA U ELEKTROTEHNICI

1. Analogni elektroniki mjerni instrumenti

1.1. Openito

Razvoj elektronike, na svom poetku i danas, imao je utjecaj i na razvoj mjernih ureaja. Elektronike komponente i sklopovi poinju se upotrebljavati u rjeavanju razliitih zadaa mjerenja, a poseban zaamah se dobiva razvojem visoko integriranih sklopova. Pomou elektronikih mjernih instrumenata mjere se elektrine, ali i neelektrine mjerene veliine.Ako je pokazivanje vrijednosti mjerene veliine analogno (instrument s kazaljkom), govorimo o analognim elektronikim mjernim instrumentima. Postoje nadasve raznovrsni analogni elektroniki mjerni instrumenti, no ipak s nekim zajednikim obiljejima.

MJERENJA U ELEKTROTEHNICI1. Analogni elektroniki mjerni instrumenti

1.1. Zajednika obiljejaU pogledu procesiranja mjernog signala, od ulaznih stezaljki do analognog indikatora, govori se o otvorenom i zatvorenom mjernom sistemu.U opem sluaju otvoreni mjerni sistem (slika) tvori: mjerni pretvornik (ako se mjeri elektrina veliina on izostaje), pojaalo s regulacijom, lan za linearizaciju i analogni indikator. Predstavnici otvorenih mjernih sustava su analogni elektronikih mjernih instrumenata su razliiti elektroniki voltmetri.


1.1. Zajednika obiljejaZatvoreni mjerni sistem temelji svoje naelo rada na usporeivanju poznate s nepoznatom mjerenom veliinom. To naelo se moe pokazati na primjeru samouravnoteujueg mosta za mjerenje induktiviteta

U tom se primjeru prikljuenjem mjerenog induktiviteta Lx na dijagonali mosta pojavi napon U. Pojaan, on potie motor kojim se mijenja poznati induktivitet LN dok se most ne uravnotei. U stanju ravnotee na indikatoru se dobije vrijednost nepoznatog induktiviteta Lx.


1.1. Zajednika obiljejaElektroniki mjerni instrumenti i ureaji su uobiajeno mjerila napona, no posrednim postupkom mjeri se i struja pomou pada napona na poznatom otporu. Kada su to mjerila napona, govorimo o analognim elektronikim voltmetrima.Mjerni sistem analognih elektronikih instrumentata ima svoje osobitosti u pogledu statiko-dinamikih osobina. Tako se za mjerne sisteme definiraju prijenosne funkcije: amplitudno-frekvencijska, fazno-frekvencijska, i amplitudno-amplitudna karakteristika.Kao indikatorski sistem, odnosno onaj dio koji elektrinu veliinu pretvara u analognu, vizuelnu informaciju, najee se koristi mjerni organ s pominim svitkom u polju trajnog magneta. Samo ponekad koristi se mjerni organ s pominim eljezom.Kada se eli mjeriti veliine koje imaju omjer od vie dekada (105 do 107), izmeu maksimalne i minimalne vrijednosti, u obradi ulaznog napona koristi se logaritamska amplitudno-amplitudna karakteristika. Skala se badari u jedinicama apsolutne razine, decibelima i linearna je.


1.1. Zajednika obiljejaOpa blok shema (otvorenog i zatvorenog mjernog sustava) ne mijenjaju se bitno ni kod elektronikog instrumenta za mjerenje vrijednosti osnovnih parametara elektronikih krugova. Naelnom primjenom U-I metode ili mosnih metoda ostvariti emo elektronike instrumente za mjerenje R,L,C parametara. Vee odstupanje od opih blok shema nastupa kod mjerila frekvencije, faznog pomaka i snage.


1.2. Mjerna pojaalaMjerna pojaala imaju dvije osnovne zadae:podizanje razine naponskog ili strujnog signala na vrijednost pogodnu za mjerenje,poveanje vrijednosti ulaznog otpora mjernog ureaja kod mjerenja napona ili smanjenja ulaznog otpora kod mjerenja struje.U ostvarenju postavljenih zadaa mjerna pojaala moraju zadovoljiti slijedee zahtjeve:povratno djelovanje na mjerenu veliinu mora biti zanemarivo,mogunosti razluivanja (rezolucije) moraju biti velike,izlazni signal mora biti jednoznano ovisan od ulaznog signala u okviru definiranog pojaanja.dobre dinamike osobine: izlazni signal mora to bre slijediti mjernu vrijednost,postojan izlazni signal: izlazni signal pojaala na smije se mijenjati prikljukom mjernog ureaja..


1.2. Mjerna pojaalaMjerno pojaalo moemo promatrati kao generator upravljan mjernom veliinom komu je za obavljanje funkcije uvijek potrebna pomona energija. Naponski ili strujni ulaz, odnosno izlaz, definira nadomjesnu shemu s pojaanjem A . Dajemo dva primjera:

a) u/u pojaalo naponski G

u/i pojaalo - strujni G


1.2. Mjerna pojaalaKod pojaala s naponskim generatorom postoje odreeni odnosi izmeu izlaznog napona neoptereenog pojaala, izlaznog napona optereenog pojaala, unutarnjeg otpora (Ri) i otpora optereenja (Rt).Takva pojaala trebaju imati im manji unutarnji otpor Ri kako bi se postigla to manja ovisnost od otpora optereenja.Kod pojaala sa strujnim generatorom osobiti su odnosi izmeu izlazne struje kratkog spoja, izlazne struje optereenog pojaala (i2), unutarnjeg otpora (Ri), i otpora optereenja (Rt).Kod takvog pojaala vaan je velik unutranji otpor Ri u odnosu na otpor optereenja Rt jer tada krugom tee praktino struja i2k.Mjerna pojaala imaju nekolicinu osobina koja su posebno vana za ostvarenje njegovih mjerno-tehnikih zadaa:pojaanje ili osjetljivost (A),irina frekvencijskog pojasa (F),ulazni otpor (Rul ),izlazni otpor (Ri).


1.2. Mjerna pojaalaVe dugo se u mjernoj tehnici koriste operacijaska pojaala koja, izvedena u tehnici integriranih krugova, donose prednosti pred pojaalima u izvedbi s diskretnim elektronikim elementima. OPERACIJSKA MJERNA POJAALA (OMP) Operacijska mjerna pojaala su istosmjerna pojaala velikog pojaanja, irine pojasa i ulaznog otpora, a malog izlaznog otpora. Mjerno tehnike osobine se mogu dodatno definirati prispajanjem otpora, kondenzatora i dioda. Naelnu shemu jednog operacijskog pojaala bez povratne veze prikazuje slijedea slika.


1.2. Mjerna pojaala primjena Operacijskih mjernih pojaalaOMP rabi mjerna tehnika za gradnju analognih i digitalnih mjernih ureaja te instrumenata, ali i izdvojeno kada se mjerena veliina mora prilagoditi za provedbu nekog mjernog postupka.Naponska mjerna pojaalaVrlo veliki ulazni otpor naponskog pojaala daje mu prednost za korienje kod mjerenja napona. U mjernim instrumentima rabi se esto kao precizni ispravlja tjemene vrijednosti s naponskim ili strujnim izlazom.

Strujna mjerna pojaalaStrujna mjerna pojaala pripadaju pojaalima s invertiranim ulazom, a zbog male vrijednosti unutarnjeg otpora redovito se koristi pri mjerenju struje. Nadalje, iroka im je uporaba u mjernim ureajima regulacije i simulacije kada realiziraju razliite raunarske funkcije (zbrajanje, oduzimanje, mnoenje, deriviranje, integriranje...).


1.2. Mjerna pojaala primjena Operacijskih mjernih pojaalaZbrajanje

Mnoenje


1.2. Mjerna pojaala primjena Operacijskih mjernih pojaalaDeriviranje

Integriranje


1.2. Mjerna pojaala kriteriji izbora OMPMjerna pojaala ne smijemo promatrati kao pojedinane ureaje ve kao lanove nekog kruga mjerenja ili vane dijelove mjernog instrumenta. Temeljni kriteriji za izbor mjernog pojaala su: mjerno podruje, pojaanje, ulazni otpor, izlazni otpor, irina pojasa. Pored tih vani su i posebni kriteriji:odnosi uzemljenja u krugu mjerenja,potiskivanje istofaznih signala,pogreka neutralne toke.Uzemljenje u krugu mjerenja ima zadau da pojedinim elementima osigura tono definirani referentni potencijal. Osmiljenim mjerama uzemljivanja mogue je negativne uplive postojanja razlike potencijala umanjiti (voenje mjernih vodia, oklapanje mjernih vodia...). Kod realnih operacijskih pojaala javlja se pojava postojanja napona na izlazu i kada su naponi na oba ulaza jednaki (up = un = ug1). Odnos izmeu pojaanja A0 i pojaanja u takvom primjeru Ag1 naziva se potiskivanje istofaznih signala.

Integriranje


1.2. Mjerna pojaala kriteriji izbora OMPTonost operacijskog mjernog pojaala s povratnom vezom je ograniena nemogunou potpunog iskljuenja pojaanja signala smetnje. Tako se na izlazu pojavljuje neki napon iako je ulazni napon pojaala nula. Govorimo o pogreki neutralne toke ili naponu (struji) pomaka.


1.3. Analogni elektroniki voltmetriKada idealiziramo osobine elektronikog voltmetra, kaemo da je to ureaj koga prikljuujemo paralelno mjernom objektu i da on ne unosi promjene u mjerni krug (ne optereuje ga). Mjerno podruje osobito karakterizira mogunost mjerenja vrlo malih vrijednosti napona. Donja granica je odreena odnosom signal-smetnja (um) za definiranu razinu tonosti. Frekvencijsko podruje poeljno je da bude to ire, no ipak se instrumenti grade za odreena frekvencijska podruja. Ulazna impedancija je kod elektronikih voltmetara kapacitivnog karaktera te se izraava: nadomjesnom shemom djelatnog otpora i kapaciteta u paralelnoj kombinaciji (npr.10 megaoma || 10 pF). Tonost mjerenja se moe definirati jednako kao analognim mjernim instrumentima. Osim posebnih izvedbi, uobiajeno su elektroniki voltmetri instrumenti nie razine tonosti (2%).


1.3. Analogni elektroniki voltmetriSkala elektronikog voltroetra uobiajeno je linearna. Koji puta se pored mjerne jedinice napona i struje vrijednost potonjih iskazuje pomou apsolutne razine u decibelima (dB). Nerijetko se pak sreu skale umjerene samo u decibelima koji zbog logaritamskog odnosa daju linearnu skalu jedino uz logaritamsku karakteristiku pojaala. Ukazuje se na injenicu iskazivanja fizikalne veliine pomou jedinice logaritamske mjere, kao bezdimenzionalne veliine.


1.3. Analogni izmjenini elektroniki voltmetriKako analogni indikator (mjerni organ s pominim svitkom) moe mjeriti samo istosmjernu veliinu, nuno je za mjerenje izmjeninog napona obaviti ispravljanje izmjeninog u istosmjerni napon. Openito, voltmetar to mjeri izmjenine veliine, uvijek se sastoji od: pojaala, oslabljivaa i pretvaraa izmjeninog u istosmjerni napon povezano u dvije strukture.

Ako struktura elektronikog voltmetra poinje ispravljaem esto se on naziva diodni voltmetar, a uobiajen je odziv na tjemenu vrijednost pozitivne poluperiode. Spoj za mjerenje tjemene vrijednosti ima nedostatak to je napon na kondenzatoru (uc) manji od tjemene vrijednosti (Um) za pad napona na diodi (ud). Potonja se pogreka moe izbjei spojem diode na izlaz operacijskog pojaala, a potom pad napona povratnom vezom vratiti na ulaz


1.3. Analogni izmjenini elektroniki voltmetriAko struktura elektronikog voltmetra poinje ispravljaem esto se on naziva diodni voltmetar, a uobiajen je odziv na tjemenu vrijednost pozitivne poluperiode.

Napon kondenzatora je prispojen mjernom organu, a zbog velikog otpora Ri kondenzator se vrlo sporo prazni izmeu dva pozitivna tjemena. Nakon vie perioda na kondenzatoru e praktino biti napon Um, a kroz pomini svitak e tei priblino nepromjenljiva struja (ii). Otklon kazaljke e biti jednak pozitivnoj tjemenoj vrijednosti (+Um). Kako mjeriti Um, a kako Upp?


1.3. Analogni izmjenini elektroniki voltmetriSpoj za mjerenje tjemene vrijednosti ima nedostatak to je napon na kondenzatoru (Uc) manji od tjemene vrijednosti (Um) za pad napona na diodi (ud).Prethodno istaknuta pogreka naina mjerenja tjemene vrijednosti moe se izbjei primjenom operacijskih pojaala spojem diode na izlaz operacijskog pojaala, a potom se pad napona s diode povratnom vezom vraa na njegov ulaz. Time je napon na kondenzatoru neovisan od pada napona na diodi i jednak tjemenoj vrijednosti napona.


1.3. Analogni izmjenini elektroniki voltmetriPretvori li se mjereni napon u struju, i ona ispravi, nelinearna karakteristika diode nee imati utjecaja. Ispravljena vrijednost je proporcionalna tjemenoj vrijednosti (ako se radi o sinusnom naponu):

Takav spoj omoguuje elektronikom voltmetru odziv mjernog organa na srednju vrijednost izmjenine mjerene veliine.


1.3. Analogni izmjenini elektroniki voltmetriOdziv mjernog organa i pokazivanja mjerne vrijednosti U praktinim mjerenjima napona i struje, zanima nas njihova efektivna vrijednost. Izmjenini elektroniki voltmetar s odzivom na srednju ili tjemenu vrijednost umjerava se za pokazivanje efektivnih vrijednosti. No, tada je mjerenje izmjeninih veliina valnog oblika razliitog od isto sinusnog optereeno pogrekom valnog oblika.Samo elektroniki voltmetar s odzivom na efektivnu vrijednost nee imati pokazivanje ovisno od valnog oblika signala. Kod elektronikih voltmetara primjenjuje se nekoliko postupaka: sintezom kvadratine karakteristike, mjerenjem pomou termopretvornika i primjenom operacijskih mjernih pojaala s matematikim prijenosnim karakteristikama (sklop za mnoenje, sklop za integriranje i korjenovanje).


1.3. Analogni izmjenini elektroniki voltmetriSpoj za mjerenje efektivne vrijednosti - sinteza kvadratine karakteristike

Prikazan sklop oblikuje kvadratinu ovisnost struje kroz mjerni organ u odnosu na ulazni napon. Greatzov spoj daje prvo koljeno, a diode D5 i D6 drugo odnosno tree koljeno. Sustavom dioda dobili bismo vie toaka za sintezu. Pokazivanje e biti ovisno o kvadratu trenutnih vrijednosti, dakle od efektivnih vrijednosti, pa je i skala s kvadratinim slijedom podjeljaka.


1.3. Analogni izmjenini elektroniki voltmetriMjerenje efektivne vrijednosti mjerenje s termopretvornikom Poznato je kako se pomou termopretvornika moe mjeriti efektivna vrijednost izmjenine veliine bilo kojeg valnog oblika. U prikazanom sklopu je vrijednost istosmjernog napona (U2) u funkciji efektivne vrijednosti mjerenog napona (U1). Odnosi su linearni pa tako i tijek podjeljaka skale.


1.3. Analogni izmjenini elektroniki voltmetriMjerenje efektivne vrijednosti sklop za mnoenje s operacijskim mjernim pojaalima Tehnologija integriranih sklopova omoguuju analognom mjernom sustavu (organu) odziv na efektivnu vrijednost. Potonje se ostvaruje sklopom za mnoenje (multiplikator) koji rabi razliite postupke. Jedan od njih, logaritamski postupak.


1.3. Analogni izmjenini elektroniki voltmetriUlazni sklopovi s eksponencijalnom karakteristikom napon-struja poluvodike diode, ostvaruju dobro priblienje napona U3 i U4 (manji od nule) logaritmu ulaznog napona uz odnos:

U slijedeem stupnju se logaritamski signali zbrajaju, (Us=f(lnU1U2)) a karakteristika diode D3 pomae funkcijskoj ovisnosti izlaznog napona:

Dovedu li se na oba ulaza mnoitelja isti napon, izlazni e napon U6 biti proporcionalan kvadratu ulaznog napona, a time i odziv te pokazivanje jednako efektivnoj vrijednosti.


1.3. Analogni izmjenini elektroniki voltmetriMjerenje efektivne vrijednosti sklop za integriranje s operacijskim mjernim pojaalima Postupkom integracije dobivamo srednju vrijednost mjerene veliine, a korjenovanjem efektivnu vrijednost kao vrijednost na koju imamo odziv mjernog organa, a time i pokazivanje analognog pokaznika.


1.3. Analogni izmjenini elektroniki voltmetriElektroniki voltmetri s odzivom na efektivnu vrijednost u okviru elektronike instrumentacije se rabe: pri mjerenju napona razliitih valnih oblika, kod analizatora spektra, pri mjerenju uma... Elektroniki voltmetri koji su namjenjeni mjerenju efektivne vrijednosti no samo odreenog valnog oblika nazivaju se i mjerila kvaziefektivne vrijednosti.Osobina elektronikih voltmetara tipa ispravlja-pojaalo su: iroko frekvencijsko podruje, do 500 MHz, relativno mala osjetljivost, mjerno podruje iroko i do nekoliko tisua volta, ulazni otpor obino izmeu 10 i 30 megaoma, a ulazni kapacitet ispod 1pF.Elektroniki voltmetri tipa pojaalo-ispravlja obino su izvedeni za mjerenje srednjih vrijednosti, a osobine su: velika osjetljivost, frekvencijsko podruje ogranieno eljenom osjetljivou (do 10 MHz), ulazni otpor ispod 10 megaoma, a ulazni kapacitet 10-30pF.


1.3. Analogni izmjenini elektroniki voltmetriPrimjer 13.1.Pretpostavimo kako imamo izmjenini elektroniki voltmetar sa strukturom pojaalo-ispravlja. Na ulaz u pojaalo naponskog pojaanja A = 100 dovodi se napon:

to bi pokazao elektroniki voltmetar ako bi ispravlja imao odziv na:a) srednju vrijednost ? b) efektivnu vrijednost c) tjemenu vrijednost? a pokazivanje umjereno u efektivnoj vrijednosti.


1.3. Analogni izmjenini elektroniki voltmetri Primjer 13.1. - Rjeenje:Zadani mjereni napon sadri osnovni sinusni lan, ali i drugi harmonijski lan. Linearna srednja vrijednost punovalno ispravljenog napona:

Uvaavajui pojaanje pojaala, elektroniki e voltmetar s odzivom na srednju vrijednost izmjeriti

a pokazati;U voltmetra= Usr * f0 = 12,8 V * 1,11 = 14, 21 V Efektivna vrijednost mjerenog napona iznosi:

a obzirom da kod sinusnog napona vrijedi


1.3. Analogni izmjenini elektroniki voltmetri Primjer 13.1. - Rjeenje:Uvaavajui pojaanje pojaala, elektroniki e voltmetar s odzivom na efektivnu vrijednost izmjeriti i pokazati:

Tjemena ili maksimalna vrijednost mjerene veliinePoznavajui efektivnu vrijednost (U) i vrijednost tjemenog faktora (t) ove mjerene veliine, moemo odrediti tjemenu vrijednost koju e izmjeriti elektroniki voltmetar s odzivom na tjemenu vrijednost:

Elektroniki voltmetar e pokazati:U voltmetra= Um / t0 = 25,7 V / 1,41 = 18,23 V

MJERENJA U ELEKTROTEHNICI2. Digitalni mjerni instrumenti 2.1. Zajednika obiljejaPojedine osobine digitalnih mjernih instrumenata istiu ih ispred analognih mjernih instrumenata. Potonje su: lakoa oitavanja vrijednosti mjerene veliine, iskljuujui pogreku paralakse, vea tonost, pouzdanost i brzina mjerenja, ue granice pogreaka (vrhunski DVM za DC 10-6, a za AC 10-4) vea osjetljivost, velika brzina odziva (do 100 000 oitanja u sekundi s razluivanjem od 41/2 digita velika ulazna impedancija (> 10 M), irok kut gledanja (DVM i do 50, a analogni 0) mogunost automatskog odreivanja podruja i polariteta mjerene veliine, mogua daljnja obrada mjernih podataka, koritenje mjernih vrijednosti u automatizaciji procesa...

MJERENJA U ELEKTROTEHNICI2. Digitalni mjerni instrumenti 2.1. Zajednika obiljeja

Druge osobine su izvjesni nedostatak, ponovno u odnosu na analogne mjerne instrumente:

manja preglednost prikaza trenutne vrijednosti mjerene veliine, osjetljivost na smetnje, posebno mrene frekvencije, potrebno je, najee mreno napajanje, mogua subjektivna pogreka kod oitavanja zbog slinih znamenki (3 i 5, 6 i 8), nudei dodatne mjerne opcije, apsolutna cijena je neto via, tijekom mjerenja je teko pratiti vie instrumenata (vie od tri), sloenija uporaba (bez uputa se teko mogu koristiti).

MJERENJA U ELEKTROTEHNICI2. Digitalni mjerni instrumenti 2.1. Zajednika obiljeja- Temeljne sastavnice DMIulazno djelilo ili predpojaalo,A/D pretvornik,Logiki sklopovi i komparatori,Oscilator,pokaznik

MJERENJA U ELEKTROTEHNICI2. Digitalni mjerni instrumenti 2.2. Digitalna obrada analogne mjerene veliineDigitalni sustav, od same pretvorbe analognog signala do prikazivanja ili predaje kodiranih vrijednosti, ima osobitu tehniku obrade mjerene veliine.Mjerena veliina u analognom obliku je mjerena veliina s kontinuiranom promjenom, a nosi naziv analogna zato to se lako prikazuju nekim drugim promjenjivim veliinama sa slinim analognim zakonitostima promjene. Kao takva, analogna mjerena veliina ima neogranien broj vrijednosti.Umjesto neogranienog broja vrijednosti, mjerena veliina u digitalnom obliku ili iz nje stvoreni mjereni signal, moe imati samo odreene vrijednosti u jednom odsjeku promatranog signala. Promjene takve mjerene veliine, odreuje skup diskretnih vrijednosti u promatranom odsjeku promjenljive veliine.Kljuni trenutak u postupku digitalizacije mjerenog signala je njegova pretvorba iz analognog u digitalni. Pretvorba se odvija mjernim pretvornicima, A/D pretvornicima, koji pretvaraju vremenski kontinuiranu funkcija x(t) u vremenski diskretnu s kvantiziranim vrijednostima.

MJERENJA U ELEKTROTEHNICI2.Digitalni mjerni instrumenti2.2. Digitalna obrada analogne mjerene veliineTok mjerene veliine u digitalnom mjernom sustavu

MJERENJA U ELEKTROTEHNICI2. Digitalni mjerni instrumenti2.2. Digitalna obrada analogne mjerene veliineU odreenim vremenskim intervalima ( t ) vri se uzorkovanje diskretnih vrijednosti,

Skup razliitih vrijednosti mjerene veliine u promatranom odsjeku njegove promjene zavisit e od usvojene vrijednosti kvanta (Q).Kvantizacija predstavlja nain prikazivanja diskretnih vrijednosti pomou sume nekolicine, uobiajeno jednakih djelia zvanih: kvanti,Dovoljno malene vrijednosti vremenskog intervala uzorkovanja ( t ), i kvanta signala (Q), ini odstupanje diskretnog signala od analognog zanemarivim,Nedvojbeno e analogni signal biti vjernije predstavljen s veim brojem kvanta,

MJERENJA U ELEKTROTEHNICI2. Digitalni mjerni instrumenti2.2. Digitalna obrada analogne mjerene veliineDiskretne vrijednosti predstavljene u numerikom obliku pomou znamenki, najee binarnog brojevnog sustava s brojevnom osnovicom 2., predstavljaju digitalni oblik mjerenog signala,Rezultat pretvorbe je digitalni signal odreen binarnim brojem.

MJERENJA U ELEKTROTEHNICI2. Digitalni mjerni instrumenti2.2. Digitalna obrada analogne mjerene veliine

Binarni broj je odreen zahtijevanom rezolucijom pretvornika (izraena u broju bita). Najvei broj pretvorbi analognog signala u jedinici vremena (sekunda) naziva se: brzina pretvorbe ili frekvencija uzorkovanja (jednostavno izraena u hercima).Dakle, u najjednostavnijem primjeru se kvantizirana vrijednost mjerenog signala izraava binarnim brojem. Svaki se stupanj kvantizacije tada moe predstaviti jednim binarnim brojem u npr. binarno kodiranom decimalnom sustavu (BCD). Uobiajeno se koristi upravo ovaj kod s osnovicom 2.injenica da kvant ipak nema dovoljno malu vrijednost, stvara mogunost pogreke u odmjeravanju iznosa signala: pogreku kvantizacije.

MJERENJA U ELEKTROTEHNICI2. Digitalni mjerni instrumenti2.2. Digitalna obrada analogne mjerene veliine znaajke kvantizacijeNa slici vidimo kako je uz kvantizaciju, mogue ustanoviti samo odreene vrijednosti analognog signala (0,5; 1,5; 2,5;...6,5). Meuvrijednosti se ne mogu iskazati, odnosno svakoj analognoj vrijednosti koja npr. lei izmeu 0,5 pridijeljena je ista digitalna vrijednost: 001. Pogreka kvantizacije se izraava pomou irine koraka kvantizacije (Q).

MJERENJA U ELEKTROTEHNICI2.Digitalni mjerni instrumentiPrimjer 1.etveroznamenkasti indikator digitalnog voltmetra ima najmanje mjernopodruje 2 V.Kod odreene vrijednosti mjerene veliine, indikacija posljednjebrojke koleba oko - 1. Kolika je vrijednost jednog kvanta ?Rjeenje:Pretpostavimo kako pri nekom mjerenju dobijemo slijedee pokazivanje napokazniku:

Posljednja brojka ima vrijednost promjene 1 mV. Vrijednost mjerene veliine lei na granici izmeu 1998 i 1999 V. Broj proizvedenih kvanta za ovu vrijednost mjerene veliine koleba oko jednog kvanta ija je vrijednost 1 mV.

MJERENJA U ELEKTROTEHNICI2. Digitalni mjerni instrumenti

2.2. Digitalna obrada analogne mjerene veliine-binarni brojevni sustav Danas se digitalni sustavi uglavnom temelje na binarnom brojevnom sustavu s osnovicom: 2 (razlika prema decimalnom). Takav sustav je jednostavan za tehniku realizaciju, i znatno ekonominiji od drugih, Diskretni mjereni signal: binarni signal On moe poprimiti tek dvije vrijednosti, dvije su znamenke dovoljne za njegovo potpuno odreenje. Osnova dananje digitalne tehnike je dualni (binarni) sustav koji koristi samo dva znaka: jedinicu (1) i nulu (0) (po Leibnizu, prije gotovo 300 godina ), Primjena tog sustava izvire iz injenice da veina fizikalnih pojava razlikuje samo dva stanja: binarno 0 i 1,Decimalno 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Binarno 0 1 10 11 100 101 110 111 1000 1001 1010 Najvea brojevna vrijednost koja se moe predstaviti zadanim brojem n :Nmax = 2n 1

MJERENJA U ELEKTROTEHNICI2. Digitalni mjerni instrumentiMjesto u binarnom broju koje zauzima jedna binarna znamenka, naziva se jedan bit (binary digit). Decimalni broj 7, binarno prikazan kao 1110, smatramo 4-bitnim brojem. Za razmjenu podataka koristi se skup od 8 bita a naziva se bajt (Byte).Na slici je prikazan binarni broj sastavljen od 16 bitova, ili dva bajta, a predstavlja jednu rije.

Pojedine znamenke jedne rijei mogu se istovremeno (paralelno) ili jedan za drugim (serijski), prenijeti i pokazati. Kod paralelnog reda, potrebna je komunikacija s brojem linija jednakom broju bitova. Jedna linija vodi signal 1 ili 0. Za serijsku komunikaciju podataka dovoljna je jedna linija. Pojedine se znamenke binarnog broja pojavljuju u vremenskom rasporedu kao slijed impulsa, pri emu informaciju predstavlja amplituda impulsa ili trajanje stanja "0" odnosno "1".

MJERENJA U ELEKTROTEHNICI2. Digitalni mjerni instrumenti2.2. Digitalna obrada analogne mjerene veliine - binarno kodirani decimalni sustav Za nae poimanje vrijednosti neke mjerene veliine, svakako nam je najpogodniji decimalni (dekadski) sustav. Zbog toga kod digitalnih mjernih ureaja ulazno-izlazni sklopovi obrauju binarne signale, dok s okolinom, ovjekom, komuniciraju u decimalnom sustavu, Nain prikazivanja mjerene veliine naziva se kodiranje, a binarno kodiranje decimalnih vrijednosti obavlja binarno kodirani decimalni kod. Skraeno: BCD kod,Primjer : binarna vrijednost mjerenog signala 101 101 iskazane pomou:a) razina napona b) impulsa jednog polariteta c) impulsa oba polariteta

MJERENJA U ELEKTROTEHNICI2.2. Digitalni mjerni instrumentiObrada mjerene veliine u digitalnim mjernim instrumentima Rad digitalnih mjernih instrumenata je utemeljen na pretvorbi mjerene analogne veliine u digitalni signal koji se potom pomou raznih logikih sklopova pretvara u brojani podatak s iskazom na digitalnom indikatoru.

Analogna mjerna veliina u(t) pretvara se pomou A/D pretvornika u odreeni broj impulsa, dakle u binarni signal. Potonji prolazi brojau preko elektronike logike kojom u ritmu start-stop upravlja generator vremenske baze (oscilator). Broja broji impulse koji su proli elektroniku logiku. Brza promjena binarnih signala to prihode iz brojaa zahtjeva uporabu kratkotrajne memorije. Nakon nje se, binarnim brojem izraena vrijednost mjerenog signala, pomou dekodera pretvara u dekadski broj i prikazuje na digitalnom indikatoru.

MJERENJA U ELEKTROTEHNICIDigitalni mjerni instrumenti2.2. Digitalna obrada analogne mjerene veliine procesuiranje signala

MJERENJA U ELEKTROTEHNICI2. Digitalni mjerni instrumentiOsobine A/D pretvornika imaju upeatljiv odraz na osobine samog digitalnog mjernog ureaja. Meu inima, od najvanijih je rezolucija A/D pretvornika. Rezolucija govori o maksimalno potrebnoj promjeni vrijednosti ulazne veliine (Xu) da bi se izlazna veliina (Xi) promijenila za tono jednu diskretnu vrijednost. Slika prikazuje prijenosnu karakteristiku jednog A/D pretvornika. Ta diskretna vrijednost je jednaka jednom kvantu koga odreuje binarna znamenka (bit) najnie pozicijske vrijednosti (LSB).

Dijeli li prijenosna karakteristika pretvornika podruje ulaznog napona izmeu najvee (Uu max) i najmanje (Uu min) vrijednosti na m dijelova definira se apsolutna rezolucija (A):A= (Uu max Uu min) / m (V)ar = 1/m (%)

MJERENJA U ELEKTROTEHNICI2. Digitalni mjerni instrumentiU prenesenom smislu rezolucija A/D pretvornika govori o finoi njegove prijenosne karakteristike. Za kvantitativni iskaz, bez nesporazuma, povoljnije je rabiti izraz: pogreka kvantizacije (Pq).Digitalne vrijednosti se prikazuju s "n" binarnih znamenki (2n). Broj stupnjeva je za jedan manje nego li broj vrijednosti (2n-1). Time je relativna rezolucija A/D pretvornika s n bita :ar = 1 / (2n 1) esto se rezolucija jednostavno iskazuje s n bita to ne predstavlja egzaktni nain izraavanja jer svi bitovi ne moraju uestvovati u prijenosnoj karakteristici. Bolje je rabiti kvant, koga kako rekosmo odreuje binarna znamenka (bit) najnie pozicijske vrijednosti (LSB). Zato katkad susreemo za rezoluciju izraz: 1 LSB (Least Significant Bit).Kvantiziranjem ulaznog signala nastaje pogreka kvantizacije. Tona vrijednost jednog kvanta A/D pretvornika s naponskim podrujem Uv i s n bita iznosi: Qu = Uv / (2n 1) = (Uu max Uu min) / (2n 1) ; Pq = 0,5 / 2n - 1

MJERENJA U ELEKTROTEHNICI2. Digitalni mjerni instrumentiPrimjer 2. Digitalni mjerni instrument rabi A/D pretvornik s naponskim mjernim podruje Uv i n = 10 bita. Odredite vrijednost jednog kvanta, rezoluciju i maksimalnu pogreku kvantizacije pretvornika.Rjeenje:Najmanja promjena napona koju A/D pretvornik prenosi (rezolucija) i vrijednost kvanta jest:

U = Qu = Uv / (210-1) = Uv / 1023

Najvea relativna pogreka kvantizacije:

Pq Qu * 100% / Uv = 0,1%

Pored pogreke kvantizacije, pogreku A/D pretvorbe uzrokuju i sami sklopovi u pretvorniku i one se posebno navode za svaki A/D pretvornik.

MJERENJA U ELEKTROTEHNICI2. Digitalni mjerni instrumenti2.2. Digitalna obrada analogne mjerene veliineOsobine A/D pretvornika s odrazom na mjerni ureajRezolucija pogreka kvantizacije,Brzina rada ili vrijeme pretvorbe,Tonost pretvorbe,Mjerno naponsko podruje,Ulazni izlazni otpor,Napon smetnje,

Podjela prema nainu izvoenja postupka pretvorbeDirektna usporedba (podatak po podatak) pretvornik s komparatorimaPostupak brojanja (kvant po kvant) pretvorba napona u vrijeme/frekvencijuPostupak postupnog pribliavanja (bit po bit)

MJERENJA U ELEKTROTEHNICI2. Digitalni mjerni instrumenti2.2. Digitalna obrada analogne mjerene veliine - Pokaznik

Uvaavajui u digitalnoj tehnici postojanje kodiranja brojeva, znakova i slova, razumljivo je postojanje istovjetnih indikatorskih sistema ,

Podjela prema obliku znamenki to se prikazuju:a) znamenke integralnog oblika,b) znamenke sintetiziranog oblika.

MJERENJA U ELEKTROTEHNICI2. Digitalni mjerni instrumentiPokaznikDanas je uobiajeno da digitalni multimetri pored digitalnog imaju takoer i analognopokazivanje.

Broj znamenki digitalnog pokaznika u nekom mjernom instrumentu je osobina koja omoguava bolju rezoluciju i veu tonost. Uobiajeni su s etiri, ali u upotrebi su i oni s vie znamenki. Pri tomu, ako nije neophodno koristiti sve znamenke potpuno koriste se indikatori s naznakom ove nepotpunosti. Primjerice indikator s znamenke 4 1/2 ima pet decimalnih mjesta, ali je prvo nepotpuno i na njemu se ne moe pokazati sve brojeve. Obino se "ogoli" znamenka s najviim pozicijskim mjestom u korist npr. znakova polariteta (+ ; -). Tada se nepotpuni segmentni indikator vrednuje s pola znamenke (u ovom primjeru na prvom mjestu mogu biti 0 i 1).

MJERENJA U ELEKTROTEHNICI2. Digitalni mjerni instrumentiPostupak uzorkovanja analognog signala - Postupak Sample and holdPrvi korak u pretvorbi analogne mjerene veliine u digitalnu je uzorkovanje mjerene veliine i pohranjivanje uzoraka vrijednosti. Postupak se prema izvornom terminu naziva Sample-and-Hold ili uzmi i pridri.Postupkom uzorkovanja se vremenski i vrijednosno kontinuirana mjerena velii (u1) pretvara u vrijednosno kontinuirani, a vremenski diskretan izlazni signal (u2). Uporaba ovih sklopova mora uvaavati brzinu promjene mjerene veliine u odnosu na frekvenciju uzorkovanja i vrijeme trajanja uzimanja jednog uzorka.

MJERENJA U ELEKTROTEHNICI2. Digitalni mjerni instrumentiPostupak uzorkovanja analognog signala - Postupak Sample and hold

Postupkom se provodi vremenska kvantizacija,Uzorkuje se frekvencijom uzorkovanja - fuNajnia frekvencija uzorkovanja koja omoguuje rekonstrukciju signala prema teoremu Nyquista, mora ispuniti slijedei zahtjev :

fu > 2 fm

fm = frekvencija najvieg lana frekvencijskog spektra mjerene veliine

MJERENJA U ELEKTROTEHNICI2. Digitalni mjerni instrumenti2.3. Digitalni voltmetar - openitoAnalogno digitalni pretvornik s digitalnim indikatoromA/D pretvorba uglavnom na naelu postupka brojanja ili postupnog pribliavanja,Podaci koji govore o osobinama brzina mjerenja (broj mjerenja/sek), rezolucija (broj digita ovisan o broju mjesta indikatora), pogreka (%),Tonost -0,1%; brzina 3 105

MJERENJA U ELEKTROTEHNICI2. Digitalni mjerni instrumentiDigitalni voltmetar za mjerenje izmjeninih napona

Kod klasinog digitalnog voltmetra na ulazu je AC/DC pretvornik,

Glede odziva koriste se,Ispravljai s odzivom na srednju vrijednost ulaznog napona (AR),Ispravljai s odzivom na efektivnu vrijednost (RMS i TRMS),Ispravljai s odzivom na tjemenu vrijednost

Mjerenje pomou uzorkovanja digitalni voltmetar s digitalnom obradom mjerenog napona

MJERENJA U ELEKTROTEHNICI2. Digitalni mjerni instrumenti2.3. Digitalni voltmetri za mjerenje izmjeninih naponaU naelu rabe se ispravljai kao kod analognih elektronikih izmjeninih voltmetara no s izraenom primjenom integralnih sklopova s operacijskim pojaalima.

MJERENJA U ELEKTROTEHNICI2. Digitalni mjerni instrumenti2.3. Digitalni voltmetri za mjerenje izmjeninih naponaMjerenje izmjeninog napona uvijek je okrenuto odreivanju efektivne vrijednosti. Meu digitalnim voltmetrima su oni to mjere i pokazuju stvarnu efektivnu vrijednost, ali su kod pogonskih mjerenja i dalje najee oni to mjere ispravljenu srednju ili tjemenu vrijednost (jednostavniji i jeftiniji ispravlja) a pokazuje efektivna vrijednost.ee se koristi mjerenje ispravljene srednje vrijednosti (average responding voltmetar). Nedostatak je tih voltmetara to se pojavljuje pogreka uslijed valnog oblika ako se ne mjeri isto sinusni valni oblik. Potonje je mogue jer izmeu ovih vrijednosti za odreeni valni oblik mjerenog signala postoje vrsti odnosi definirani faktorom oblika (f0 = 1,11) i tjemenim faktorom (t). Pri tome se odabire sinusni valni oblik za koga se umjerava pokazivanje i t0 = 1,41). Nasuprot prethodnih, voltmetri ija pretvorba AC/DC daje efektivnu vrijednost izmjeninog mjerenog signala (RMS) pokazuju efektivnu vrijednost neovisno od valnog oblika signala. Potonji tako mjere i pokazuju stvarnu efektivnu vrijednost.

MJERENJA U ELEKTROTEHNICI2. Digitalni mjerni instrumenti2.3. Digitalni voltmetri za mjerenje izmjeninih naponaKod nekih digitalnih voltmetara potiskuje se iz ulaznog signala istosmjerna komponenta AC (coupled), jer se ona najee smatra smetnjom (slika a.), dok drugi vri pretvorbu stvarnog mjerenog signala (slika b.).

Voltmetar to rabi AC-ulaz pokazuje stvarnu efektivnu vrijednost izmjeninog napona proizvoljnog valnog oblika. Onaj to rabi AC/DC ulaz pokazuje stvarnu efektivnu vrijednost izmjeninog napona proizvoljnog valnog oblika i u primjeru superponiranog istosmjernog napona. Prvima se pridjeljuje oznaka RMS (root mean square) voltmetri, a drugima TRMS (true root mean square) voltmetri.Kod svih voltmetara postoji ogranienje pri utvrivanju prave efektivne vrijednosti. Mjerenje je ogranieno odnosom tjemene i efektivne vrijednosti mjerene veliine. Dakle tjemenim faktorom (crest faktor). Kod boljih voltmetara dozvoljeni tjemeni faktor je:

MJERENJA U ELEKTROTEHNICI2. Digitalni mjerni instrumenti2.4. Pogreke mjerenja digitalnim voltmetrom

pogreke uslijed vanjskih uplivnih veliina,pogreke uslijed smetnji i harmoninih izoblienja mjernog signalapogreke digitalnog voltmetra

MJERENJA U ELEKTROTEHNICI2. Digitalni mjerni instrumenti2.4. Pogreke mjerenja digitalnim voltmetroma) Pogreke uslijed vanjskih utjecajnih veliinaU okoliu digitalnog voltmetra koji mjeri, esto postoji strano magnetsko polje uvjetovano, primjerice, tokom struje kroz napojni mreni kabel. Govorimo o indukativnoj smetnji. Ako su pak u mjernom krugu jedan blizu drugog dva vodia razliitog elektrinog naboja izmeu njih se javlja elektrino polje, a obzirom da meu vodiima postoji razlika u naboju i naponu javlja se efekt kapaciteta. Govorimo o kapacitivnoj smetnji.Obje potonje, mogu uzrokovati pojavu izmjeninog napona na ulazu voltmetra. Uobiajeno se signali smetnje koji se javljaju kao posljedica promjene napona i struje na vodovima 50 Hz zovu i napon brujanja.

MJERENJA U ELEKTROTEHNICI2. Digitalni mjerni instrumenti2.4. Pogreke mjerenja digitalnim voltmetroma) Pogreke uslijed vanjskih utjecajnih veliinaKada se prema slici mjerenom istosmjernom naponu (Ux) superponira napon smetnje (Us) govorimo o normalnom nainu utjecaja napona smetnje na mjerni sustav voltmetra (Normal-mode-.Signal).

Utjecaj smetnje moe se djelomino izbjei izborom digitalnog voltmetra s naelom A/D pretvorbe neosjetljivim na smetnje, i oklapanjem spojnih vodia. Potpuno potiskivanje utjecaja napona smetnji moe se jedino postii koritenjem niskopropusnog filtra u ulaznom krugu. No, on svojim titrajnim vremenom uveava vrijeme mjerenja digitalnog voltmetra te se izbjegava.

MJERENJA U ELEKTROTEHNICIDigitalni mjerni instrumentiPotiskivanje smetnje

MJERENJA U ELEKTROTEHNICI2. Digitalni mjerni instrumentib) Pogreka uslijed smetnji i harmoninih izoblienja mjerenog signala Izmjeninom mjernom signalu, to se dovodi na ulaz digitalnog voltmetra, moe biti superponirana smetnja ili um kao vremenska funkcija,Valja uvaiti kako um poveava efektivnu i tjemenu vrijednost izmjeninog signala kome se superponirao.

MJERENJA U ELEKTROTEHNICI2. Digitalni mjerni instrumentib) Pogreka uslijed smetnji i harmoninih izoblienja mjerenog signala Harmonijska izoblienja imaju veoma razliit utjecaj na tonost mjerenja voltmetra s odzivom na tjemenu i srednju vrijednost. Veliina utjecaja potjee od harmonika kojim se osnovni izobliava, od veliine izoblienja, i od faznog pomaka vieg harmonijskog u odnosu na osnovni.

Voltmetar s odzivom na srednju vrijednost pokazati e u prvom primjeru efektivnu vrijednost osnovnog harmonijskog, jer je srednja vrijednost treeg harmonijskog jednaka nuli. Kada je trei harmonijski u fazi s osnovnim voltmetar e pokazati 3% veu efektivnu vrijednost nego li je efektivna vrijednost osnovnog harmonijskog.Voltmetar s odzivom na tjemenu vrijednost u prvom prikazuje neznatno veu vrijednost od tjemene osnovnog harmonijskog, a u drugom 10% manje.Dakle, uz isti postotak izoblienja, ovisno od oblika i naina pretvorbe izmjenine veliine moemo oekivati razliitu pogreku.

MJERENJA U ELEKTROTEHNICI2. Digitalni mjerni instrumentic) Pogreka sklopovlja digitalnog voltmetra - Temeljni initelji 1. Rezolucija najmanja spoznatljiva promjena vrijednosti mjerene veliine u odnosu na najveu vrijednost mjernog podrujaR = 1/ najvea vrijednost pokazivanja digitalnog indikatora, ili R = najvea vrijednost mj.pod. Uv / najvei broj znamenki indikatora2. Pogreka kvantizacije iskazuje se brojem znamenki (digita), ili u postotcima mjernog podruja, ista je za sva podruja3. Pogreka komponenti - iskazuje se u postotcima oitane vrijednosti, imenuje se i kao proporcionalna pogreka (npr. 0,05% of reading ili Rdg)4. Pogreka radnih stanja sklopova linearne su u mjernom podruju a zadaju se u postotcima vrijednosti mjernog podruja (npr. 0,05% of range ili FS) Nain iskazivanja pogreke digitalnog mjernog instrumenta (X% od oitane vrijednosti + Y znamenki ) ili (X% od oitane vrijednosti + Y% od najvee vrijednosti mjernog podruja)

MJERENJA U ELEKTROTEHNICIDigitalni mjerni instrumentiTemeljne osobine digitalnih voltmetara

Ulazna impedancija RU | | CU ,

Pravilo: unutarnja impedancija mora biti vea od impedancije mjernog kruga za faktor 10n gdje n predstavlja broj decimalnih znamenki na digitalnom indikatoru.

MJERENJA U ELEKTROTEHNICI2. Digitalni mjerni instrumenti2.5. Temeljne osobine digitalnih voltmetara

Brzina mjerenja i vrijeme odziva vrijeme odziva (response time), brzina mjerenja (reading rate)Mjerenje izmjeninih veliina vrijede napomene prethodnog nauka

Mjerenje otpora uobiajeno etverovodini spoj

Documents

Emi - Predavanje 1.2 i 1.4 Mjerni Instrumenti