A MÉRŐESZKÖZÖK CSOPORTOSÍTÁSA

Az előadások a következő témára: "A MÉRŐESZKÖZÖK CSOPORTOSÍTÁSA"— Előadás másolata:

1 A MÉRŐESZKÖZÖK CSOPORTOSÍTÁSA
 Farkas György : Méréstechnika A MÉRŐESZKÖZÖK CSOPORTOSÍTÁSA Mérőműszerek (passzív eszköz) Jelforrások (aktív eszköz) Mérőrendszerek (aktív és passzív eszköz)  Elektromos és elektronikus Analóg és digitális MÉRENDŐ Device Under Test

2  Farkas György : Méréstechnika
Az elektronikus mérőeszközök szerkezetének blokkrajzának elemei az „funkcionális egységek” FUNKCIONÁLIS EGYSÉG A funkcionális leírás megadja a gerjesztésre adott választ. Az input és az output kapukat csak jelöljük, a referencia vezetéket és a tápvezetékeket nem tüntetjük fel.

3 A „funkcionális egység”
 Farkas György : Méréstechnika A „funkcionális egység” ENERGIA ELLÁTÁS KIMENETEK BEMENETEK FUNKCIONÁLIS EGYSÉG GERJESZTÉS VÁLASZ Mod. jelek Kapu jelek stb.

4  Farkas György : Méréstechnika
MÉRŐMŰSZER Aktív DUT Mérőműszer Például: feszültségmérés, frekvenciamérés, jelalak-vizsgálat, spektrumanalízis

5  Farkas György : Méréstechnika A mérő jelet adó generátor
JELFORRÁS A mérő jelet adó generátor Passzív DUT Mérőműszer Például: érzékenységmérés, funkcionális vizsgálatok

6 A mérőeszközök csatlakoztatásának modellezése
 Farkas György : Méréstechnika A mérőeszközök csatlakoztatásának modellezése Mindegy, hogy a DUT, vagy a mérőeszköz az aktív, illetve a passzív AKTÍV EGYSÉG VEZETÉK PASSZÍV EGYSÉG ha a vezeték nem befolyásol Adott esetben felcserélődhet az aktív-passzív reláció (például digitális adatátvitel sínen) de az nem mérés.

7  Farkas György : Méréstechnika
MÉRŐRENDSZER Rendszer-jellemzők meghatározása. Például: erősítés, torzítás, késleltetés, fázistolás, frekvencia-függés mérése. OUT-PUT EGY-SÉG IN-PUT EGY-SÉG Mérő jel generátor DUT Mérő műszer Mérő műszer Mérőműszer

8 Az elektronikus műszerek input és output egységei
 Farkas György : Méréstechnika Az elektronikus műszerek input és output egységei

9 Az elektronikus műszerek input és output egységeinek feladata:
 Farkas György : Méréstechnika Az elektronikus műszerek input és output egységeinek feladata: A bemenet védelme túlfeszültségre, túlvezérlésre A kimenet védelme túlterhelésre Szelektivitás csak DC csak AC csak adott frekvencia tartomány Illesztés szintre Illesztés impedanciára

10 Példa műszer input egységére
 Farkas György : Méréstechnika Példa műszer input egységére az OSZCILLOSZKÓP bemeneti kapcsolója AC DC GND

11 Ha a vezeték ideális, nem befolyásolja a kapcsolatot
 Farkas György : Méréstechnika Ha a vezeték ideális, nem befolyásolja a kapcsolatot Ha elhanyagolható a vezeték hatása, a passzív egységen megjelenő (U) feszültség a két impedancia viszonya alapján számítható. U = UG ZL ZL+ZG ZL ZL ZG UG U

12 Ha a vezeték hatása nem befolyásolja a kapcsolatot és ha a
 Farkas György : Méréstechnika Ha a vezeték hatása nem befolyásolja a kapcsolatot és ha a és ha a két impedancia tisztán ohmos, egyszerűsödik az osztásviszony és nincs frekvenciafüggés. RG UG RL U U = UG RL RL+ RG A teljesítményre illesztés feltétele: RL=RG

13 A lezárás gyakorlati változatai ideális vezetéknél
 Farkas György : Méréstechnika A lezárás gyakorlati változatai ideális vezetéknél Maximális kivett teljesítmény: RL= RG Mérésekben ez ritkán követelmény, de hosszabb vezetéknél az illesztés fontos lehet a reflexiók elkerülésére Feszültség generátoros táplálás: RL >> RG Optimális terhelő ellenállás: RL = Ropt >> ZG Nem teljesítményre illesztett eset! Korlátozott terhelhetőség: minimális RL  Ropt

14 Példa: DC feszültségmérő csatlakoztatásának terhelő hatása
 Farkas György : Méréstechnika Példa: DC feszültségmérő csatlakoztatásának terhelő hatása Um = UG Rm / (RG+Rm) Um = UG +  RG UG Rm Um A relatív hibát a mért értékre vonatkozatva kell értelmezni !!!  / Um = – RG / Rm A mérési hiba = || A mérés hibája kicsi, ha RG << Rm

15 Frekvenciafüggő lesz a kapocsfeszültség
 Farkas György : Méréstechnika Frekvenciafüggő lesz a kapocsfeszültség például, ha a mérő műszer vagy az oszcilloszkóp és a mérővezeték kapacitása is terhel! RG UG U Rm Cm U(1 )  U(2), ha UG(1 ) = UG(2)

16  Farkas György : Méréstechnika
SZINT ILLESZTÉS Bemeneti feszültségosztó Frekvencia független hiteles leosztás Nagy bemeneti impedancia Kimeneti feszültségosztó Állandó kimeneti ellenállás

17 Példák elektronikus műszer TERHELHETŐSÉGRE
 Farkas György : Méréstechnika Példák elektronikus műszer TERHELHETŐSÉGRE Pki  PM Iki  IM Uki  UM

18 Példa elektronikus műszer TERHELHETŐSÉGRE
 Farkas György : Méréstechnika Példa elektronikus műszer TERHELHETŐSÉGRE Pki  PM Iki  IM Uki  UM RL  Ropt Pl.: 5W, 5,  5V

19  Farkas György : Méréstechnika
A mérőeszközök csatlakoztatásának modellezése, ha a vezeték hatása nem hanyagolható el NÉGYPÓLUS AKTÍV EGYSÉG VEZETÉK PASSZÍV EGYSÉG Az összekötő vezetékezést általános esetben négypólusként kell kezelni

20  Farkas György : Méréstechnika
Vezeték modellek Hosszabb, veszteségmentes vezetékeket a hullámellenállásukkal kell modellezni: R0 A rövid vezetékek modellezhetők koncentrált soros és párhuzamos elemekkel: ZS  RS + jLS ZP  RP x (1/ jCP) Ha veszteség mentes a koncentrált soros és párhuzamos elemekkel modellezhető rövid vezeték: ZS  jLS ZP  1/ jCP Ideális a vezeték, ha: ZS = 0, ZP = , Tkésl = 0 (illetve elhanyagolható értékű)

21 Ha a vezeték rövid, koncentrált elemekkel modellezhető
 Farkas György : Méréstechnika Ha a vezeték rövid, koncentrált elemekkel modellezhető és ha veszteségmentes is ZG UG ZL ZS YP ZS = jL YP = jC ZG UG ZL L C soros rezgőkörként viselkedik

22  Farkas György : Méréstechnika
A koaxiális kábel f0 rezonancia frekvenciája az l hosszától és a szigetelése  permittivitásától függ f0 l = 47,8 /  rel [MHz m]  ZG UG ZL L C

23  Farkas György : Méréstechnika
Levezetés L / l = k1 N C / l = k2 rel / N N = lg(D/d) k1 = 0,46 H/m k2 = 24,1 pF/m 0 = 1/(LC)1/2 f0 l = 1/[2(k1k2rel)1/2] d D Koaxiális kábel keresztmetszete 10-6H/m · 10-12F/m = s2/m2 f0 l = 47,8 /  rel [MHz m] 

24  Farkas György : Méréstechnika
Ha a működési frekvencia sokkal kisebb a soros rezgőkör f0 rezonancia frekvenciájánál, a kábel kapacitásként hat, aminek értéke a frekvenciától függ. A kábel Clátsz látszólagos kapacitása: Clátsz = C 1 – ( f / f0)2 Clátsz C f f0 UG Clátsz

25  Farkas György : Méréstechnika
LEVEZETÉS Z = jL + 1/ jC Z = (1- 2LC) / jC = 1 / jClátsz Clátsz = C / [1- ( / 0)2] 02 = 1 / LC Clátsz = C / [1- (f/ f0)2]

26 Nagyfrekvencián általában nem „eléggé rövid” a vezeték

27  Farkas György : Méréstechnika
Nem rövid a vezeték ZG UG ZL PROBLÉMÁK: Késleltetés: idő eltolódás, fázis eltérés Illesztetlenség: reflexiók, tranziensek

28 A nem rövid vezeték modellje
 Farkas György : Méréstechnika A nem rövid vezeték modellje ZG „Elosztott” paraméterezés UG ZL elemi szakaszokkal

29 A nem rövid vezeték modellje
 Farkas György : Méréstechnika A nem rövid vezeték modellje ZG „Elosztott” paraméterezés UG ZL L R C G Egy elemi szakasz

30  Farkas György : Méréstechnika
HULLÁMELLENÁLLÁS  R/l + j L/l G/l + j C/l Zo = R/l, L/l, G/l, C/l az l hosszúságú elemi szakaszokra vonatkozó értékek. Ha végtelen hosszú lenne a vezeték, a Z0 impedancia értéket mérnénk a bemenetén, ezért véges hosszú a vezeték végére tett Z0 lezáró impedancia „pótolja a többit”. Az így lezárt vezeték végéről ugyanúgy nem jön reflexió, mint egy végtelen hosszúságúról…

31 Ha a vezeték veszteségmentes
 Farkas György : Méréstechnika Ha a vezeték veszteségmentes akkor R=0, G=0 ez közelítőleg igaz! R + jL  G + jC Z0 =  R0=  L C tisztán ohmos R0 hullámellenállás adódik

32  Farkas György : Méréstechnika
Végtelen hosszú kábel Feszültség generátoros meghajtással t1 időpontban a hely (x) függvényében UG R0 x x1 U(x,t1) x1= t1v UG x x1 U(x,t1) = UG, ha x x de U(x,t1) = 0, ha x> x1

33  Farkas György : Méréstechnika
Végtelen hosszú kábel Feszültség generátoros meghajtással t2>t1 időben a hely (x) függvényében UG R0 x U(x,t2) x1 UG x x2= t2v

34  Farkas György : Méréstechnika
Végtelen hosszú kábel Feszültség generátoros meghajtással t3>t2 időben a hely (x) függvényében UG R0 x U(x, t3) t3 = x3/v UG x x3 U(x’, t) = 0, ha x’ > x3, t < t3.

35  Farkas György : Méréstechnika
Végtelen hosszú kábel A generátor oldali ellenállás: RA UG RA R0 U1 U1 = UG R0 RA+ R0 Ekkor U= U1 azaz U(x,t)  U1 a teljes hosszon, minden t > x/v időben.

36  Farkas György : Méréstechnika
A vezetékek lezárása Teljesen illesztett lezárás: RG = RL = R0 Illesztetlen lezárás: RG  R0 és/vagy RL  R0 Csak a passzív oldal illesztett RG  R0 de RL = R0 UG RG R0 RL AKTÍV: PASSZÍV: MÉRENDŐ MÉRŐESZKÖZ MÉRŐESZKÖZ MÉRENDŐ

37 A kábelt csak a hullámellenállásával lehet illesztetten lezárni,
 Farkas György : Méréstechnika A kábelt csak a hullámellenállásával lehet illesztetten lezárni, ZG UG ZL = R0 R0 = R0 ha a reflexiókat el akarjuk kerülni. De a kábel késleltetése nem szüntethető meg TERJEDÉSI SEBESSÉG KÉSLELTETÉSI IDŐ

38  Farkas György : Méréstechnika
Véges hosszú kábel UG RA RB R0 l Nincs reflexió, ha RB = R0. Ekkor ha t> U(x,t)  U1 a teljes hosszon. U(x,t) t >  = l /v U1 x l

39  Farkas György : Méréstechnika de t> időkben U(l,t) = U1
Véges ( l ) hosszú kábel Nincs reflexió, ha RB = R0. Ug RA l RB =R0 Ekkor U(l,t) = 0, ha t<. de t> időkben U(l,t) = U1 U(l, t) U1 t 

40 Ha a lezárás nem illesztett, azaz
 Farkas György : Méréstechnika Ha a lezárás nem illesztett, azaz RL R0 a vezetéken reflexiók keletkeznek! RG UG RL R0 Uout és ha ráadásul RG  R0 akkor többszörös reflexiók!

41 Mivel véges a terjedési idő,
 Farkas György : Méréstechnika Mivel véges a terjedési idő, az induláskor még nem tudja, mi vár rá majd a végén ( idő múlva)  

42  Farkas György : Méréstechnika
ILLESZTETLEN LEZÁRÁS A lezáráson illesztetlenség: RB  R0 RA UG R0 RB REFLEXIÓ

43  Farkas György : Méréstechnika
REFLEXIÓ RB  R0 R0  

44  Farkas György : Méréstechnika
REFLEXIÓ 

45 ….és ha egyik oldal sem illesztett…
 Farkas György : Méréstechnika ….és ha egyik oldal sem illesztett… R0 RA  R0 RB  R0      

46  Farkas György : Méréstechnika
IDŐFÜGGVÉNY PÉLDÁK A kék vonal a generátor oldali kapcsok feszültségének időfüggvénye A piros vonal a fogyasztó oldali kapcsokon fellépő feszültség időfüggvénye.

47  Farkas György : Méréstechnika
IDŐFÜGGVÉNY PÉLDÁUL UG U8  U9  U 2  3 4 U3 U2 U1 U4 U5 U6 U7 5 6 7 UA UB

48  Farkas György : Méréstechnika
PÉLDA U(t) U 2 U2 U1 t

49 PÉLDA: RA< R0<< RB ( )
 Farkas György : Méréstechnika PÉLDA: RA< R0<< RB ( ) U UG 2  3 4 U1 5 6 t U2 U4 U3 U6 U5

50  Farkas György : Méréstechnika
A reflexiók meghamisíthatják méréskor a számlás eredményét UG t Uout Ukomparáló t stb

51  Farkas György : Méréstechnika
Ha rövidzár a lezárás, RB= 0, a bemeneti kapcsokon nem azonnal esik nullára a feszültség. Ug 2  3 4 U2 5 6 t U1 U3 U5 U7 =U = U =U8 …= 0

52 Az eszközök közös referencia potenciálja

53 A csatlakoztatás referencia potenciálja
 Farkas György : Méréstechnika A csatlakoztatás referencia potenciálja Földelő vezeték Nulla vezetékek: jel-nulla, táp-nulla, vezérlés visszatérő Védőföld a védőföldelés miatt a műszereink jelentős része össze van kötve egymással.

54 A mérőeszközök csatlakoztatása BEMENETEK
 Farkas György : Méréstechnika A mérőeszközök csatlakoztatása BEMENETEK Független Aszimmetrikus Szimmetrikus

55 A mérőeszközök csatlakoztatása KIMENETEK
 Farkas György : Méréstechnika A mérőeszközök csatlakoztatása KIMENETEK az egyszerűség kedvéért transzformátoros változatban bemutatva Független Aszimmetrikus Szimmetrikus

56 A föld-függetlenség csak elvileg létezik
 Farkas György : Méréstechnika A föld-függetlenség csak elvileg létezik Szórt kapacitások vannak a bemeneti pontok és a ház (a készülék közös pontja) között Nem föld-független! De még nem is szimmetrikus!

57