M5 - 1

5. ELEKTRONSKI MERILNI INSTRUMENTI

Elektronski (izhaja iz besede elektronka prvotni osnovni sestavni del) merilni instrumenti so sestavljeni iz dveh delov:

pretvornika pretvorimo elektrine (napetost, tok, upornost...) in

neelektrine veliine (tlak, temperauro, ...) v enosmerno napetost.

indikatorja kazanje dobljene vrednosti.

M5 - 2

Pri pretvornikih uporabljamo elektronske sestavne dele: ojaevalniki, filtri, modulatorji, oscilatorji, integrirana vezja itd.

Indikatorji: tevilski (digitalni) prikazovalnik, rasterski prikazovalnik, instrument z vrtljivo tuljavico, Braunova elektronka.

M5 - 3

Lastnosti: Za delovanje potrebuje instrument pomoni vir

elektrine energije, vpliv prikljuitve instrumenta na merilni objekt

je manji kot pri elektrinem instrumentu. Ojaevalniki in atenuatorji poveajo obmoje merilne

veliine.

S filtri zajamemo samo del frekvennega prostora in zmanjamo vpliv motenj.

Visoka frekvenna meja ( GHz10 ).

M5 - 4

Z digitalizacijo pa dobimo tudi monost obdelave, pomnenja in prenosa izmerjenih vrednosti.

Vkljuitev mikroprocesorja omogoa programirljivost: nadzor merilnega postopka, spreminjanje obmoij, izbor vrste merilne veliine itn.

Raznovrstnost elektronskih merilnih instrumentov je velika: elektronski voltmetri, elektronski osciloskopi, univerzalni elektronski tevec, itn.

M5 - 5

5.1 Elektronski voltmetri Delitev na:

analogne, odklon kazalca je anlogon merjene veliine. kvantizacijo dobimo z oditanjem doloitvijo

poloaja kazalca na skali. digitalne.

prikazuje vrednost v tevilski obliki. Obe vrsti imata v pretvorniku podobne

sestavne dele, ki proizvajajo enosmerni signal proporcionalen merjeni veliini.

ali delitev na: enosmerne in izmenine.

M5 - 6

Analogni elektronski voltmeter

Slika 5.1 Blokovna shema voltmetra za merjenje enosmerne napetosti

Osnovna shema je setavljena iz: vhodnega atenuatorja, ojaevalnika, prikazovalnika (npr. instrument z vrtljivo tuljavico).

M5 - 7

Slika 5.2 Preprost enosmerni analogni elektronski voltmeter Lastnosti:

Vhodna upornost je odvisna od uporovne verige (tipino M10 ) in neodvisna od obmoja.

atenuator je praktino neobremenjen (FET tranzistor)

1R in 2R sluita za nastavitev nile in polnega odklona (obutljivosti).

M5 - 8

Taken voltmeter ni primeren za merjenje zelo nizkih enosmernih napetosti.

ker se spreminja nielna toka imamo lezenje ali drift. Vzroki so:

temperaturna odvisnost, spreminjanje napajalne napetosti, staranje elementov itn.

Reitev problema je lahko z ojaevalnikom, ki uporablja razsekalec (chopper amplifier).

M5 - 9

Slika 5.3 Blokovna shema voltmetra za merjenje nizkih enosmernih napetosti

Enosmerna napetost se najprej pretvori v izmenino (2) z razsekalcem - modulatorjem.

Izmenini ojaevalnik (3) ne ojauje enosmernih in nizkofrekvennih signalov.

Ojaan signal se na koncu usmeri (4) v enosmerno vrednost - demodulira.

Preklaplanje krmili krmilni len (5).

M5 - 10

tranzistorska in fotouporovna, kapacitivne diode, magnetno spremeljivi upori.

Slika 5.4 Voltmeter za nizke enosmerne napetosti s fotouporovnim razsekalcem

Za razsekanje se uporabljajo razlina stikala:

M5 - 11

Fotoupore F1 do F4 osvetljujeta tlivki T1 in T2 (plinski elektronki) z bliski.

ko prevaja tlivka T1, prevajata fotoupora F1 in F4 (sta osvetljena), ko prevaja tlivka T2 prevajata fotoupora F2 in F3 ,

frekvenca preklapljanja je reda Hz100 . oscilator je galvansko loen in ne povzroa motenj. pred ojaevalnikom imamo izmenino napetost -

modulacija, ki se ojaa.

na izhodu ojaevalnika imamo obraten proces - demodulacija. izhodni filter je nizkoprepusten ovojnica signala

M5 - 12

Obstajajo tudi ojaevalniki, kjer se z merjeno enosmerno napetostjo modulira nosilni sinusni signal ( ( )Uf ).

izhodina frekvenca mora biti vsaj 10 krat veja kot je najvija frekvenca merjenega signala.

M5 - 13

Pri merjenju izmenine napetosti razlikujemo dva tipa voltmetrov:

a. izmenino napetost najprej ojaimo in potem usmerimo odklon je ponavadi odvisen od usmerjene vrednosti

izmenine napetosti (polnovalno usmerjanje),

b. izmenino napetost najprej usmerimo in potem ojaimo odzivanje na temensko vrednost,

Izmenini elektronski voltmetri

M5 - 14

Slika 4.17 Polnovalno usmerjanje

Slika 4.19 Voltmeter, ki se odziva na temensko vrednost

Voltmetre ponavadi umerimo v efektivnih vrednostih izmenine napetosti e ni sinus

sistematski pogreek

M5 - 15

kaejo pravilno ne glede na faktor oblike in temenski faktor

uporablja se termoelektrini pret. - termopretvornik

Slika 5.6 Blokovna shema voltmetra za merjenje efektivne vrednosti napetosti

Obstaja e tretji tip elektronskih voltmetrov, ki se odzivajo na efektivno vrednost izmenine napetosti.

M5 - 16

Signal gre preko atenuatorja (1) in irokopasovnega ojaevalnika (2) na ogrevno nitko termopret. (3);

Nizko vrednost enosmerne napetosti termopretvornika je potrebno ojaiti (4).

Enosmerna napetost je propocionalna moi dovedenega toka oz. kvadratu toka kvadratina skala;

M5 - 17

Lineariziramo jo z uporabo e enega termopretvornika v povratni zanki:

Slika 5.7 Voltmeter za merjenje efektivne vrednosti napetosti z linearno skalo Napetost na vhodu ojaevalnika je praktino ni, kadar sta

efektivni vrednosti izmeninega toka na T-3a in enosmernega toka na T-3b enaki.

Termoelementa sta vezana v protistiku.

za enakost poskrbi ojaevalnik z zelo velikim ojaanjem!

M5 - 18

Najbolj pogosto se uporablja popolna elektronska realizacija definicije:

2xuU = - koren povpreja kvadratov (rms)

napetost kvadriramo, povpreimo s filtrom in korenimo (kvadratna funkcija v povratni zanki oja.)

Slika 5.8 Pretvornik za merjenje efektivne vrednosti napetosti z analognim postopkom

M5 - 19

Uporaba elektronskih analognih voltmetrov za izmenine napetosti:

Pozorni moramo biti, na kateri parameter se odzivajo; v mislih moramo imeti tudi asovni potek

napetosti.

Trenutne vrednosti so lahko precej veje kot povpreja merjene napetosti (usmerjena ali efektivna vrednost) in pride do nasienja v pretvorniku.

povpreek ni ve toen! podaja se mejna vrednost temenskega faktorja.

M5 - 20

Digitalni elektronski voltmeter Temeljni len je analogno-digitalni pretvornik (ADP ADC

analog to digital converter). Analogna vhodna veliina je u (ali i), izhodna veliina pa njen digitalni ekvivalent Z -

kodirana beseda ( ) ( )( )102 lb ZZ = . uporablja se binarno kodiranje ( zapis z 0 in 1)

beseda je binarno vemestna (6-bitna, 8-bitna, ...).

Z n-bitnim ADP imamo n2 diskretnih izhodnih nivojev. so predstavniki (reprezentanti) kvantizacijskih intervalov

- podobmoij

M5 - 21

Slika 5.9 Kvantizacijska karakteristika 3-bitnega ADP

M5 - 22

Primeri karakteristik ADP: 2=n

DU

0

11

10

01

00

DU

0

11

10

01

00

DU

0

11

10

01

00

2DU

312D

n

D UU=

= 42

Dn

D UU==

42D

n

D UU==

M5 - 23

Ker ima vhodna analogna veliina neskonno nivojev digitalna pa konno, nastane kvantizacijski pogreek (pri analognih instrumentih ustreza temu pogreek oditavanja).

mejni kvantizacijski pogreek: 2 ali

2LSB

LSB - najmanj pomebni bit Izhodni merilni parameter ADP je (ne)prisotnost impulza (0 ali

1) impulzno kodna modulacija Za predstavitev izhodne besede imamo dva bistvena naina

prikaza: zaporedni (serijski), vzporedni (paralelni), obstajajo e vmesni serijsko-paralelni.

M5 - 24

Negativne vrednosti pretvarjamo: z usmernikom:

predznak nam doda MSB bit (najbolj tehten bit: 0.. 0U ; Sign+Magnitude)

Slika 5.10 Raziritev unipolarnega ADP v bipolarnega z usmernikom

M5 - 25

z enosmerno prednapetostjo: 2000 DUZ = ;

LSB12111 D = UZ (Offset Binary)

Slika 5.11 Raziritev unipolarnega ADP v bipolarnega z enosmerno prednapetostjo

M5 - 26

Slika 5.10 Blokovna shema ADP z znailnimi prikljuki

M5 - 27

ADP ima vrsto prikljukov: referenni potencial 'analogna masa' (Agnd), skupni potencial izhoda 'digitalna masa' (Dgnd), referenna napetost rU za primerjavo z merjeno napetostjo, urni signal, ki daje takt korakov pri pretvarjanju, proilni signal za zaetek pretvorbe (START), signal zasedenosti z delom (BUSY),

ko preide v stanje 1, lahko sproimo novo pretvarjanji z 01 ,

e je ADP izkrmiljen (prevelika napetost na vhodu), nam ADP to sporoi na prikljuku OVERLOAD,

prisotnost 8-bitnih podatkov na vodilu (HI ali LO ENABLE) s pomojo 'tristate' gonilnikov.

M5 - 28

Znailni podatki ADP: dolina besede doloa relativni kvantizacijski pogreek

nUe 221D2max,q == ( nU 2D= ), primeri:

uporabljena koda, od nje je odvisna interpretacija predznaka,

as pretvorbe, odvisen od vrste pretvornika:

najdalji pri integrirajoem ADP, najkraji pri paralelnem ADP,

6-bitni ADP: %8,021 7max,q =e 18-bitni ADP: ppm221 19max,q =e

doloa asovni presledek med zaporednima podatkoma oz. najvejo hitrost merjenja.

M5 - 29

pogreek razdelimo na: kvantizacijskega - a, nielnega b, naklonskega c, pogreek nelinearnosti d.

diferencialna (DNL) in integralna (INL)

a) b) c) d) Slika 5.11 Pogreki analogno-digitalnega pretvornika

M5 - 30

Bistveno za ADP je tudi postopek vzorenja: trenutni izhod ustreza trenutni vrednosti: ( )jj tU , integrirajoi izhod ustreza tekoi povpreni vrednosti:

=

j

j

t

Ttj tUT

Ui

d1 xi

a) b) Slika 5.12 Trenutni in integrirajoi ADP

M5 - 31

Lastnost integrirajoega ADP da filtrira (odziva se na povpreno vrednost) izkoriamo za izloanje motnje.

integracijski as iT mora biti enak periodi ali vekratniku periode motnje (omrena frekvenca):

Slika 5.13 Izloitev periodine motnje pri integrirajoem ADP

( )

xomrx

omrx

d1

d1

UtuNT

U

tuUNT

U

j

j

j

j

t

NTt

t

NTtj

+=

=+=

M5 - 32

analiza za sinusno obliko: a) izloanje motnje je popolno,

sredina integracijskega intervala se ujema s prehodom motnje skozi nielni nivo.

b) izloanje motnje je najslabe. sredina intervala se ujema z vrhom motnje.

e as integracije ni mnogokratnik periode motnje, je izloanje motnje odvisno od relativnega poloaja glede na motnjo.

a) b) Slika 5.16 Vpliv poloaja integracijskega intervala na slablenje motnje

M5 - 33

Najveja povprena vrednost motnje v primeru b:

22sindcos1

i

iomr

2

2omr

iomr

i

iT

Tuttu

TU

T

T

)) ==

Pri doloanju slablenja jo primerjamo s temensko vrednostjo:

integracijski ADP se primerja s trenutnim!

M5 - 34

Slablenje: omr

omrlg20dBUuA)

= oz. ( )TTTTAi

i

sinlg20dB =

krivulja podaja najmanjo vrednost slablenja!

Slika 5.17 Slablenje integrirajoega ADP

M5 - 35

Pri sinusni obliki se tekoa povprena vrednost in trenutna vrednost razlikujeta,

nastane relativni pogreek, ki je v najslabem: ( )

( )TT

TTu

uTT

TTu

ei

ii

i

sin1sin

=

= )

))

pri integrirajoem ADP tekoa povprena vrednost je enaka trenutni, ko je ta konstantna!

M5 - 36

Vrste ADP Pretvornik s postopnim priblievanjem

(sukcesivna aproksimacija)

Slika 5.14 ADP s postopnim priblievanjem Zaradi trajanja AD pretvorbe imamo na vhodu len za

vzorenje in zadranje,

M5 - 37

Napetost jU primerjamo z znano rU z digitalno analognega pretvornika (DAP) v povratni zanki, ki jo spreminjamozaporedno z vedno manjimi (polovinimi) koraki.

Slika 5.15 asovni potek postopnega priblievanja

M5 - 38

krmilno vezje najprej postavi bit z najvejo vrednostjo na ena (1000 ustreza 2Dr UU ),

komparator primerja neznano napetost jU s trenutno vrednostjo referenne napetosti rU ,

ker je veja rUU j > , se postavljeni bit potrdi in se preizkua naslednji bit s pol manjo utejo itd.

M5 - 39

Trajanje pretvorbe je neodvisno od merjene napetosti. e potrebuje n - bitni ADP za vzpostavitev enega bita as

( s1 ), je skupni as enak: n - n korakov nk = ,

potrebno tevilo referenc: nr = (ena za vsak bit),

2nrk =

Dekoder pretvori binarno obliko v desetiko: dekad5bitov16

Pretvornik s postopnim priblievanjem je najboj razirjen v industrijskem okolju: MHzbitov/116 , MHzbitov/8012 ,

M5 - 40

Slika 5.16 len za vzorenje in zadranje V trenutku jt nastopi ukaz zadri (H - hold),

stikalo S se odpre in kondenzator C bi naj zadral vrednost trenutne napetosti jU !

Ojaevalniki omogoajo impedanno loitev.

len za vzorenje in zadranje

M5 - 41

stikalo potrebuje aperturni as apT (lat. aperire - odpreti), da se odpre (nekaj nanosekund) - imamo asovni zamik.

napetost na kondenzatorju zaradi konnih upornosti upada imamo upad napetosti (drop rate).

M5 - 42

Ko nastopi ukaz vzori (S - sample) zane V/Z len slediti signalu,

stikalo se sklene in napetost na kondenzatorju sledi signalu preko prvega ojaevalnika, V/Z len potrebuje akvizicijski as acT (lat. acquirere -

pridobiti), da dosee signal v mejah toleranc. apac 50TT mejna vzorna frekvenca: ( )apacs 1 TTf + !

M5 - 43

Najveja dopustna sprememba vhodne napetosti v asu pretvorbe cT naj bo manja od loljivosti ADP:

c

D

max

x

2dd

TU

t

Un

= DU - doseg ADP

e je na vhodu sinusna napetost: u

t

utuu )) ==

max

xx d

dsin

kadar je ADP polno izkorien 2

DUu =) , je najveja frekvenca signala (vsi biti ADP so verodostojni) :

cc

D

21

22

Tf

TU

ufnn

==)

M5 - 44

Zgled: Kolikna je najveja dopustna asovna sprememba vhodne

napetosti pri 12-bitnem ADP? V10D =U , s10c =T

sV244s102

V102d

d12

c

D

max

===

TU

t

un

Koliko je najveja dopustna frekvenca? Hz8,7

s1021

21

12c

===

Tf

n

Koliko je frekvenca, e ima V/Z-len ns5ap =T ? kHz5,15

ns521

21

12ap

===

Tf

n

M5 - 45

Paralelni trenutni pretvornik (flash converter)

Slika 5.17 Paralelni pretvornik

Uporablja se za zelo velike hitrosti pretvarjanja GHz1s >f

pretvoba se izvri v enem koraku ( 1=k ).

M5 - 46

Postopek kvantizacije je pred vzorenjem! GHzbit./108

Referenne napet. so realizirane z uporovnim delilnikom.

komparatorji pod nivojem napetosti xU imajo vrednost 1 in nad 0

- termometerska koda. Eksponentno se povea poraba

pri realizaciji: tevilo potrebnih referenc

in komparatorjev je 12 = nr 12 = nrk

M5 - 47

Pretvornik z dvakratnim integriranjem ali pretvornik z dvojnim naklonom

Slika 5.18 ADP z dvojnim naklonom Merilni ciklus se zane:

ko proilnik (1) postavi RS bistabilnega multivibratorja (2) v logino stanje ena,

in preklopnik (3) v zaetno stanje.

Integrirajoi ADP

M5 - 48

Zane se integracija neznane napetosti xU z integratorjem: operacijski ojaevalnik z RC lenom v povratni zanki

Impulzi referennega oscilatorja 0f gredo skozi odprta IN vrata (5) na tevec (6).

ko se napolni z 0Z impulzi, se kona integracija xU , as integracije napetosti xU je enak 0000 fZTZ = ,

M5 - 49

Slika 5.19 asovni diagram ADP z dvojnim naklonom Po asu 00TZ se stikalo (3) preklopi na rU ,

referenna napetost rU mora biti nasprotne polaritete, da se spremeni tendenca integracije.

M5 - 50

Ko napetost iu dosee nivo ni, komparator (7) resetira flip-flop (2), vrata se zaprejo in meritev se ustavi.

na vhodu je napetost ni, ADP aka na nov merilni ciklus.

M5 - 51

Za prvi takt velja: - napetost na C: Cuu i vsota tokov na vhodu integ.: 0

dd

Rix

=+t

uCU

integracija:

=

j

j

t

TZt

U

tURC

u

00

1

d1d 1x0

i 1x00

1 URCTZU =

Imamo dva takta integriranja:

M5 - 52

Za drugi takt velja: integrira se napetost rU

vsota tokov na vhodu integ.: 0dd

Rir

=+t

uCU

naklon izhodne napetosti: ri1

dd U

RCtu

=

integracija: +

=

1x

1

d1d r0

i

tt

tU

j

j

tURC

u r1x

1 URCtU =

M5 - 53

1xr

001x UU

TZt = ; ker je

0

1x

TtZ = , dobimo: 1x

r

0 UUZZ =

tonost pretvornika ni odvisna od R in C pa tudi 0f ne

Vmesna veliina pri ADP pretvorniku je as ( 1xt , x2t ) asovno oz. frekvenno kodiranje. monost izloanja motilnega izmeninega

signala s povpreenjem integracijo. hitrost pretvarjanja ni velika.

Zelo razirjena uporaba, e posebej v precizni instrumentaciji.

Izenaenje napetosti obeh integracij nam da:

Obstajajo pretvorniki z ve nakloni.

M5 - 54

ADP s frekvenco kot analogno vmesno veliino fU pretvornik deluje na principu izenaevanja naboja

(charge balance).

Slika 5.20 U/f pretvornik na principu izenaevanja naboja V prvem delu integracije imamo samo tok RxU (in Ci ),

napetost iu monotono upada.

M5 - 55

Ko dosee referenni nivo rU , se sproi monostabilni multivibrator, za as 0T se priklopi referenni vir 0I - drugi del

integracije 0

dd i

0x

=+tuCI

RU

=

RUI

Ctu x

0i 1

dd

M5 - 56

Napetost integratorja niha med vrednostima 1U in rU :

+

+==+

01

1

11

r

r

1

d1d10dd x00

xii

Tt

t

tU

U

U

U

tR

UIC

tURC

uu

in dobimo: ++

=+=0101

1

1

0xx

0x

00 d1d1d1TtTt

t

t

tURC

tURC

tURCC

TI

Iz xx0

x

x

x00

1d101

URftUTR

TTITt

== +

( 01x TtT += ) izrazimo frekvenco ponavljanja:

x

00x

1 UTRI

f =

M5 - 57

x

00x

1 UTRI

f = V prvem delu integracije pritee toliko elektrine na

kondenzator C, kot jo v drugem odtee izravnava naboja. frekvenca agaste napetosti je odvisna od tekoe

povprene vrednosti merjene napetosti.

M5 - 58

Digitalizacija se izvri s tetjem impulzov frekvence, ki nosi informacijo o povpreni moi.

Slika 5.21 Digitalno merjenje frekvence oziroma napetosti IN vrata se odpro za doloen as MT . Na tevec pride MTfZ x= impulzov, ki jih tevec

preteje in prikae na prikazovalniku.