Схема измерения напряжения. Схемы измерения напряжения и тока: принципы, методы и инструменты — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Как правильно измерять напряжение и ток в электрических цепях. Какие существуют схемы и методы измерения. Какие инструменты используются для точных измерений напряжения и силы тока.

Содержание

Основные принципы измерения напряжения и тока

Измерение напряжения и тока — фундаментальные операции в электротехнике. Для корректных измерений важно понимать базовые принципы:

Напряжение измеряется параллельно участку цепи
Ток измеряется последовательно с нагрузкой
Измерительные приборы не должны существенно влиять на работу схемы
Точность измерений зависит от правильного выбора метода и инструментов

При измерениях напряжения и тока следует учитывать влияние паразитных параметров схемы, особенно на высоких частотах. Важно правильно выбирать точки подключения измерительных приборов.

Схемы измерения напряжения: особенности и применение

Существует два основных типа схем измерения напряжения:

1. Схема измерения напряжения Кирхгофа

Эта схема используется для измерения напряжения источников, не связанных с магнитным полем. Основные особенности:

Измеряемое напряжение не зависит от формы измерительной петли
Применяется для измерения выходного напряжения логических элементов, источников питания и т.п.
Требует высокого входного сопротивления измерительного прибора

2. Схема измерения напряжения Фарадея

Используется для измерения напряжений, связанных с изменяющимся магнитным полем. Особенности:

Форма и размер измерительной петли влияют на результат
Применяется для измерения высокочастотных сигналов, ЭДС самоиндукции
Требует учета взаимного расположения проводников

Правильный выбор схемы измерения напряжения позволяет повысить точность и достоверность результатов.

Методы измерения тока: преимущества и ограничения

Основные методы измерения тока включают:

1. Измерение с помощью шунта

Метод основан на измерении падения напряжения на калиброванном резисторе (шунте), включенном последовательно с нагрузкой. Особенности:

Простота реализации
Высокая точность при правильном выборе шунта
Вносит дополнительное сопротивление в цепь
Требует учета нагрева шунта при больших токах

2. Измерение с помощью трансформатора тока

Бесконтактный метод, основанный на измерении магнитного поля вокруг проводника с током. Преимущества:

Не вносит дополнительного сопротивления
Обеспечивает гальваническую развязку
Подходит для измерения больших токов
Имеет ограниченный частотный диапазон

3. Измерение с помощью эффекта Холла

Основан на измерении магнитного поля с помощью датчика Холла. Особенности:

Позволяет измерять постоянные и переменные токи
Не вносит искажений в измеряемую цепь
Имеет широкий динамический диапазон
Требует калибровки и компенсации температурных эффектов

Выбор метода измерения тока зависит от конкретной задачи, требуемой точности и условий эксплуатации.

Инструменты для измерения напряжения и тока: от простых к сложным

Для измерения электрических величин используются различные приборы:

1. Мультиметр

Базовый инструмент для измерения напряжения, тока и сопротивления. Особенности:

Универсальность и простота использования
Широкий диапазон измерений
Ограниченная полоса пропускания
Подходит для измерения постоянных и низкочастотных сигналов

2. Осциллограф

Позволяет наблюдать форму сигнала и измерять его параметры. Преимущества:

Визуализация сигнала во временной области
Измерение амплитудных и временных параметров
Широкая полоса пропускания
Возможность анализа сложных сигналов

3. Анализатор спектра

Используется для анализа сигналов в частотной области. Особенности:

Измерение спектрального состава сигнала
Анализ модуляции и искажений
Высокая чувствительность
Сложность интерпретации результатов

Выбор измерительного инструмента зависит от характера измеряемого сигнала, требуемой точности и специфики задачи.

Особенности измерений на высоких частотах

При измерении высокочастотных сигналов возникают дополнительные сложности:

Влияние паразитных параметров соединительных проводов
Необходимость согласования импедансов
Учет эффектов распространения волн
Снижение чувствительности измерительных приборов

Для корректных измерений на высоких частотах требуется специализированное оборудование и соблюдение правил высокочастотного монтажа.

Практические рекомендации по проведению измерений

Для повышения точности и достоверности измерений напряжения и тока следует:

Выбирать измерительные приборы с подходящими характеристиками
Учитывать влияние измерительных приборов на исследуемую цепь
Правильно выбирать точки подключения
Использовать экранирование и заземление для снижения помех
Проводить калибровку и проверку измерительных приборов
Учитывать погрешности измерений и проводить статистическую обработку результатов

Соблюдение этих рекомендаций позволит получить надежные результаты измерений напряжения и тока в различных электрических схемах.

Заключение: важность правильных измерений

Корректное измерение напряжения и тока — ключевой элемент разработки, отладки и диагностики электронных устройств. Понимание принципов измерений, правильный выбор схем и инструментов, а также учет особенностей конкретной задачи позволяют получить достоверные результаты и принимать обоснованные технические решения.

Простая схема измерения среднеквадратичного значения напряжения в линии электропередач переменного тока

Среднеквадратичное (СКВ) значение сигнала переменного тока сопоставимо с нагревом одинаковой нагрузки, вызванным неизвестным сигнала переменного тока по отношению известному сигналу постоянного тока, и эквивалентно такому количеству постоянного тока, которое необходимо для такого же нагрева нагрузки. Когда рассеиваемые в нагрузках мощности эквивалентны, тогда известное значение постоянного напряжения равно СКВ значению напряжения неизвестного сигнала постоянного тока. Например, если бы мы приложили к резистивному нагревательному элементу переменное напряжение с СКВ значением в 1 В, то мы получили бы точно такое же количество тепла, если бы приложили 1 В постоянного напряжения.

Математически СКВ значение напряжения определяется как:

√1/T ∫^t₀[f(t)]²dt (пределы интегрирования: от 0 до t)

Эта формула выражает среднеквадратичное отклонение от сигнала с нулевым средним.

Ниже представлены простейшие соотношения:

СКВ = Vpeak/√2 (для неискаженного синусоидального сигнала)

СКВ = Vpeak/√3 (для неискаженного сигнала треугольной формы)

СКВ = Vpeak/1 (для симметричного сигнала прямоугольной формы)

В целом, для измерения СКВ значения требуется преобразователь СКВ в постоянное напряжение, постоянное напряжение на выходе которого прямо пропорционально СКВ значению сигнала на входе. К сожалению, диапазон измеряемых сигналов переменного тока очень велик, в то время как входной диапазон обычных преобразователей СКВ в постоянное напряжение составляет всего лишь несколько вольт. Для использования преобразователей СКВ в постоянное напряжение большие входные напряжения должны быть уменьшены. Например, для измерения СКВ значения напряжения в домашней сети питания требуется дополнительная схема, которая ослабляет сигнал переменного тока до уровня, согласованного с входным диапазоном преобразователя СКВ в постоянное напряжение. Представленная схема решает проблему измерений СКВ для больших сигналов переменного тока, таких как сигналы в линии электропередач.

Рисунок 1: Простая схема измерения СКВ напряжения в линии электропередач.

На рисунке 1 показаны усилитель разности AD628 с программируемым коэффициентом усиления, настроенный на усиление 1/25, который масштабирует сигнал линии электропередач перед подачей его на преобразователь СКВ в постоянное напряжение AD8436, входное напряжение которого не должно превышать напряжение более чем на 0,7 В по модулю. На вход разностного усилителя можно подавать синфазное и разностное напряжение величиной ±120 В, что позволяет его с легкостью применять для масштабирования напряжений высоковольтных линий электропередач. Точный эквивалент СКВ значения сигнала переменного напряжения поступает на выход RMS OUT в виде постоянного напряжения. На рисунке 2 изображены переменное напряжение домашней сети размахом 330 В от пика до пика, 60 Гц, отмасштабированное напряжение с выхода разностного усилителя и сигнал с выхода преобразователя СКВ в постоянное напряжение.

Рисунок 2: Входной, промежуточный и выходной сигналы.

Законченная схема потребляет всего 2 мА, позволяя использовать ее в приложениях с низким энергопотреблением. Сопротивление внешнего резистора (150 кОм, как в примере) может быть увеличено для работы с сигналами размахом более чем 400 В от пика до пика. Напряжение входного сигнала может превышать напряжение источника питания без повреждения устройства, позволяя подавать сигнал на вход без подключения схемы к источнику питания. В дополнении, система может работать от биполярного источника питания до ±18 В и оснащена схемой защиты от короткого замыкания.

Схема вычисляет истинное среднеквадратичное значение входного комплексного сигнала переменного тока (переменное плюс постоянное напряжение) и выдает на выход его эквивалент в виде постоянного напряжения. Истинное СКВ значение сигнала более полезная величина, чем среднее выпрямленное, так как измеряется мощность сигнала. СКВ значение сигнала, связанного по переменному току, также называется стандартным отклонением.

Чоу Трэн, Analog Devices Inc., Уилмингтон, Массачусетс ([email protected])
Дэвид Карпэти, Analog Devices Inc., Уилмингтон, Массачусетс ([email protected]

Современные методы измерения силы тока

Сила тока — одна из основных электрических величин, необходимых для описания состояния цепи и обнаружения различных явлений и событий в электросхеме. Схемы, используемые для измерения этого значения, можно найти почти в каждом современном электрическом устройстве. Хотя измерение тока может показаться простым, при выполнении этого процесса необходимо учитывать множество нюансов. Давайте обсудим наиболее популярные современные методы проведения этого измерения.

Знание величины тока в цепи необходимо для правильной диагностики состояния устройства, контроля его работы и обнаружения многих важных изменений. Наиболее часто используемым измерительным элементом в процессе измерения выступает резистор с небольшим и точно измеряемым значением сопротивления, называемый шунтом. Шунт подключается последовательно к пути, для которого требуется измерить ток, протекающий через него. Сопротивление шунта вызывает падение напряжения в цепи за счет протекания по нему тока — на его выводах образуется разность потенциалов, которую можно измерить параллельно включенным вольтметром. Зная величину напряжения на контактах шунта и его сопротивление, можно рассчитать ток, протекающий в цепи, с помощью закона Ома.

Значение сопротивления шунта должно быть достаточно малым, чтобы не нарушать работу схемы, но в то же время должно привести к достаточно высокому остаточному напряжению, чтобы его можно было точно измерить. По этой причине во многих измерительных схемах напряжение на шунте перед обработкой усиливается. Типичное сопротивление шунта находится в диапазоне от микро- до миллиом. Вот упрощенная технология его расчёта и изготовления.

Типовая схема измерения тока состоит из аналоговой и цифровой частей

Вот типовая схема измерителя силы тока — она часто состоит из аналоговой части (шунт с усилительной цепью) и цифровой (АЦП-преобразователь и схема управления). Аналоговая часть (AFE, Analog Front-End) содержит операционный или измерительный усилитель, что позволяет лучше подстроить величину сигнала под рабочий диапазон АЦП. Преобразователь АЦП, который может быть реализован как в виде отдельной интегральной микросхемы, так и в виде блока входящего в состав более крупной схемы, преобразует сигнал напряжения в цифровую форму, что позволяет выполнять его дальнейшую обработку.

Ключевым элементом схемы на тут выступает шунт — его физические свойства, такие как сопротивление, максимальная мощность или температурный коэффициент, сильно влияют на точность всего измерения. Поэтому выбор подходящей модели шунтирующего резистора важен для правильного выполнения измерения. Например, слишком высокое сопротивление шунта может привести к падению значения выходного напряжения ниже допустимого уровня, что приведет к снижению эффективности устройства. Кроме того, большая мощность, рассеиваемая на шунте, повысит его температуру, что дестабилизирует его рабочие параметры и ухудшит точность измерений. Именно по этой причине выгодно использовать шунтирующие резисторы с наименьшим возможным сопротивлением.

Выбор шунтирующего резистора

С учетом принципа действия он должен иметь очень низкое значение сопротивления, чтобы не нарушать работу проверяемой схемы. Кроме того, для стабильности и точности измерений, желательно иметь как можно более низкий коэффициент термостойкости. Этот параметр описывает значения сопротивления элемента в зависимости от его температуры – чем больше изменчивость, тем ниже точность измерения.

Другой важной характеристикой шунтирующего резистора является тепловой коэффициент ЭДС. На стыке соединений двух разных металлов создается электродвижущая сила порядка микровольт. Величина этой силы (и создаваемое ею напряжение) изменяется в зависимости от температуры. Эти изменения описываются тепловым коэффициентом (чаще всего выражают в мкВ/°С). Шунтирующие резисторы могут работать в широком диапазоне измерений — при измерении очень малых токов дополнительное напряжение, вызванное фактором ЭДС, может значительно исказить результаты.

На рынке можно найти шунтирующие резисторы с двумя или четырьмя контактами. Элементы с двумя выводами в принципе ничем не отличаются от обычных резисторов. В случае с четырьмя выводами два внешних используются для последовательного подключения к измеряемой цепи, а внутренняя пара предназначена для измерения напряжения (так называемое подключение по Кельвину).

Сопротивление шунтирующего резистора

Для того чтобы значение тока измерялось с удовлетворительной точностью следует отказаться от упрощенной модели состоящей из одного значения сопротивления, заменив ее более сложной, хотя и более реалистичной моделью, состоящей из трех последовательно соединенных сопротивлений. Это номинальное и двухкомпонентное сопротивление. В случае обычных резисторов сопротивления выводов имеют пренебрежимо малые значения, в случае шунтирующих, характеризующихся очень малыми значениями номинального сопротивления, эти дополнительные паразитные параметры вносят существенный вклад в работу, а игнорирование их влияния приводит к увеличению погрешности измерения.

Шунтирующий резистор с двумя выводами фактически состоит из трех последовательно соединенных сопротивлений – сопротивления обоих выводов и самого шунтирующего сопротивления

Одним из способов минимизации этого вида погрешностей измерения является использование четырехточечного соединения с подведением к измерительному элементу отдельных пар цепей токовых и напряжения. Ток в цепи протекает по токоведущим путям. Пути напряжения, как можно более короткие и расположенные как можно ближе к выводам шунтирующего резистора, используются для считывания напряжения на этом элементе.

Четырехконтактный шунтирующий резистор

По цепям напряжения протекает очень низкий ток по сравнению с цепями тока — это связано с тем что цепи напряжения подключены к схеме измерения напряжения с высоким значением входного сопротивления. В результате общая погрешность измерения уменьшается.

Четырехточечное подключение к шунтирующему резистору с двумя выводами

Далее эквивалентная схема четырехточечного соединения. Такое решение позволяет не учитывать влияние сопротивления пути тока на результат измерения.

Эквивалентная схема четырехточечного соединения шунта

В случае шунтирующего резистора с двумя выводами полностью исключить влияние сопротивления выводов на результат измерения не удается. При этом температурный коэффициент сопротивления медных дорожек (около 3900 ppm/°C) значительно выше чем у резистивного элемента (обычно не более 50 ppm/°C).

То есть во многих случаях шунтирующий резистор с двумя выводами не способен обеспечить достаточную точность измерения, особенно в случае сильноточных цепей. В таких ситуациях хорошим выбором является шунтирующий резистор с 4 выводами.

Такой элемент имеет встроенное четырехточечное соединение – он оснащен парой клемм для измерения напряжения и парой для последовательного подключения к измеряемой цепи (токовые клеммы). Компоненты этого типа характеризуются также гораздо более высокой температурной стабильностью.

Шунтирующий резистор с четырьмя выводами имеет встроенное четырехточечное соединение, позволяющее проводить более точное измерение

Обработка измерительного сигнала

Напряжение на шунтирующем резисторе необходимо обработать, чтобы можно было выполнить измерение. Типичный блок обработки измерительного сигнала состоит из схемы усилителя, преобразователя АЦП и логики. Из-за малой величины сопротивления на шунтирующем резисторе накладывается напряжение не превышающее сотен милливольт. Перед подачей этого сигнала на вход АЦП-преобразователя его необходимо соответствующим образом усилить до уровня, соответствующего рабочему диапазону преобразователя. Для этой цели чаще всего используют схемы на основе операционного или токоизмерительного усилителя. Последний тип элементов обеспечивает выходное напряжение пропорциональное величине тока, протекающего через его нагрузку.

Существует 2 основных способа подключения шунтирующего резистора к измеряемой цепи — со стороны низкого или высокого уровня. Каждое из этих решений имеет свои преимущества и недостатки.

Измерение в конфигурации с низкой стороной. Измерение тока в конфигурации нижнего плеча заключается в размещении измерительного элемента между нагрузкой и землей. Этот тип решения довольно легко реализовать, поскольку напряжение на измерительном элементе измеряется по отношению к массе цепи. Усилитель работает с низкими значениями напряжения (порядка милливольт по отношению к массе схемы), что значительно упрощает подбор компонентов и снижает его стоимость.

Подключение измерительной цепи по схеме нижнего плеча

Основным недостатком этого метода является то, что нагрузка больше не связана напрямую с массой. Минусовой вывод нагрузки имеет потенциал на несколько сотен милливольт выше земли — эта разница примерно равна напряжению на шунтирующем резисторе. Отсутствие прямого соединения с землей может стать проблемой если в другом месте цепи произойдет короткое замыкание, например, если проводящий компонент в устройстве коснется металлического корпуса. Измерительная схема может быть не в состоянии обнаружить это событие.

Глядя на схему стоит обратить внимание на способ подключения как усилителя, так и преобразователя АЦП к опорной точке. В случае измерения токов большой силы легко привести к ситуации, когда отдельные точки тракта или плоскости заземления могут отличаться по электрическому потенциалу. Поэтому убедитесь что и АЦП, и усилитель, используют одну и ту же (или как можно более близкую) опорную точку.

В случае работы с малыми сигналами довольно большую роль играет входное напряжение смещения усилителя. Чем меньше значение этого параметра, тем выше точность измерения.

Несмотря на эти недостатки, измерение тока на стороне низкого напряжения является хорошим выбором когда нагрузку не нужно подключать напрямую к земле и где нет необходимости обнаруживать короткие замыкания на массу. Но в случае устройств, которые должны соответствовать более строгим требованиям безопасности, измерение тока на стороне высокого напряжения является лучшим выбором.

Измерение верхней стороны. В конфигурации на стороне высокого напряжения измерительный элемент подключается между положительной клеммой питания и нагрузкой. Это решение имеет 2 основных преимущества по сравнению с конфигурацией на стороне низкого напряжения: простое обнаружение короткого замыкания на любую точку цепи с землей и отсутствие прямой связи измерения элемента с землей, что облегчает дальнейшую обработку сигнала, например, при цифровом преобразовании.

Подключение измерительной цепи по схеме верхнего плеча

Основным недостатком тут будет необходимость работы с входным напряжением, близким к напряжению питания усилителя. По этой причине компоненты, используемые в конструкции такого типа, должны характеризоваться высоким значением коэффициента CMRR (коэффициент подавления синфазного сигнала).

Подведем итоги материала

Таким образом первым шагом в процессе измерения силы тока будет преобразование значения тока в электрическое напряжение, которое впоследствии гораздо легче измерить. Шунтирующие резисторы являются достаточно дешевыми и надежными элементами, выполняющими данную функцию. Величина сопротивления такого резистора должна быть как можно меньше, чтобы не мешать работе схемы и ограничивать потери энергии.

Другими важными параметрами являются температурный коэффициент сопротивления и тепловой коэффициент ЭДС, которые влияют на точность измерения. Важна для точности измерения также защита измерительных трактов от протекания по ним слишком большого тока — для этого часто применяют четырехточечное соединение или компоненты с 4 выводами.

Схема усилителя преобразует небольшое напряжение, подаваемое на шунтирующий резистор, в пропорционально большее значение, что гораздо удобнее для дальнейшей обработки. Существует два способа подключения измерительной цепи к тестируемой схеме – со стороны питания (конфигурация высокого уровня) или со стороны земли (конфигурация низкого уровня). Каждое из этих решений имеет определенные преимущества и недостатки, поэтому окончательный выбор зависит от потребностей самого устройства.

Техническая информация — сентябрь 2002 г.

Высокочастотные измерения Веб-страница
Дуглас С. Смит

Адрес: почтовый ящик 1457, Лос-Гатос, СА 95031
ТЕЛ.: 800-323-3956/408-356-4186
ФАКС: 408-358-3799
Мобильный: 408-858-4528
URL: www.dsmith.org
Электронная почта: [email protected]

Техническая информация — сентябрь 2002 г.
Напряжение Кирхгофа и Фарадея Измерения — не путайте их

Рис. 1. Пример измерения сигнала на выходе микросхемы Кирхгофа Измерение

Подключение многих измерительных приборов к цепи требует формирования петля. Примером может служить использование щупа осциллографа для измерения напряжения. Наконечник пробника и соединение с землей или соединение цепи с два входа дифференциального датчика должны образовывать петлю. Эта петля может быть либо более, либо менее важными для результатов измерения в зависимости от о том, какое измерение необходимо произвести. Я делю измерения напряжения, которые используйте пробник на две категории, которые я называю напряжением Кирхгофа или Фарадея. измерения. Измерения, описанные на этом сайте, включали оба типа и настало время подробно изучить последствия этих измерений.

При измерении напряжения Кирхгофа, названном так по закону Кирхгофа, говорит, что сумма падений напряжения вокруг контура равна нулю, измерение состоит из источника напряжения или сигнала, не связанного с магнитным полем последствия. Измерение выхода ворот, аналогично показанному на рис. Рисунок 1 относится к этой категории. Закон Кирхгофа гласит, что источник напряжение равно минус напряжению на пробнике, так как сумма около петля должна быть нулевой. В результате положение или форма петля не имеет значения для результата измерения, если индуктивное сопротивление контура измерения намного меньше, чем входное сопротивление пробника.

С другой стороны, измерение напряжения Фарадея, названное в честь Закон, согласно которому напряжение, индуцированное в контуре, пропорционально времени изменяющийся магнитный поток, проходящий через контур, включает в себя напряжение, которое генерируется изменяющимся во времени магнитным полем, а не источником напряжения, как логические ворота. Примером такого измерения может быть измерение падения Ldi/dt на проводнике, по которому течет ток высокой частоты. Один из таких случаев показан на рис. 2, где для измерения используется дифференциальный датчик. измерить падение напряжения на коротком отрезке провода, по которому идет сигнал ток, который создает падение Ldi/dt на проводе. Измерение показанный на рис. 2, был описан в июньском 2002 г. сайт под названием «Использование взаимной индуктивности для измерения Падение напряжения в цепях».

Рис. 2. Пример измерения напряжения Ldi/dt, измерение Фарадея

В случае измерения напряжения Фарадея положение и форма контура измерения очень важен для результата. Зонд читает напряжение, создаваемое изменяющимся во времени магнитным полем, проходящим через петля, образованная зондом, его соединения с цепью и измеряемое сама схема. На рис. 2 это включает токонесущий провод и зажимы зонда и корпус. Мы связываем результат с падением напряжения на провода, но он действительно генерируется в петле изменяющимся во времени магнитным полем. поток, проходящий через петлю. Таким образом, важна геометрия петли. к результату измерения. Если соединения датчиков были значительно короче, что делает контур измерения меньше на рисунке 2, более низкий считывание напряжения, скорее всего, произойдет, поскольку меньший измерительный контур будет заключают меньшую часть магнитного потока от тока в проводе.

Напряжение, измеренное зондом при измерении Фарадея, обычно составляет на самом деле не виден ни одному конкретному элементу схемы, и нужно быть осторожным об интерпретации результата такого измерения. Например, если дифференциальный пробник используется для измерения падения на плоскости заземления печатной платы измеренное напряжение фактически не появляется на любом конкретном входе ворот. Это можно увидеть, обратившись к рис. 3, где ИС источника передает сигнал на ИС нагрузки. Предположим высокочастотный шумовой ток течет по плоскости заземления. Шум ток создает магнитное поле, которое влияет на сигнал, видимый интегральная схема нагрузки, а также измерительный прибор Vmeas (возможно, осциллограф).

На рис. 3 показана петля измерения сквозного напряжения заземления. а также сигнальная петля. Небольшая петля между сигнальным трактом и плоскость заземления приведет к тому, что на входе ИС нагрузки будет гораздо меньшее напряжение из-за шумового тока заземления измерительный прибор см.

с его большей петлей, используемой для измерения. Это так, потому что большая часть поля магнитного поля шумового тока заземления будет расширяться за пределами небольшой петли, состоящей из пути прохождения сигнала и заземляющего слоя. Больший измерительный контур будет перехватывать больше магнитных помех, вызванных шумом. поле тока заземляющего слоя и, таким образом, приведет к большему показанию при Vmeas то, что видит ИС нагрузки. Я предполагаю, что напряжение генерируется в обеих петлях появляется через нагрузку с высоким импедансом, либо IC нагрузки или прибор Vmeas.

Рис. 3. Сравнение контуров измерения напряжения и передачи сигнала Между двумя ИС

Таким образом, корреляция между показаниями Vmeas и что на самом деле видит вход ИС нагрузки в этом случае.

В случаях, связанных с высокоскоростными электронными схемами, измерения напряжения обычно представляют собой комбинацию измерений напряжения Кирхгофа и Фарадея. В той мере, в какой присутствуют магнитные поля, которые вносят значительный вклад к результату, необходимо соблюдать осторожность в технике измерения и интерпретация результатов измерений. Один из важных источников магнитные поля, которые находят применение в измерениях, это электростатические разряды, электростатические увольнять. Во многих статьях на этом веб-сайте описываются эффекты электростатического разряда.

Связанные статьи об измерениях на этом веб-сайте:

Июль 1999 г.: проблема с короткозамкнутым зондом
Август 1999 года: магнитный зонд со скрепкой
Сентябрь 1999 г.: измерение напряжения по току Зонды
Ноябрь 2000 г., Измерение воздействия высоких Частотные шумовые токи в оборудовании
Январь 2001, Это просто провод, не так ли? Это?
Июнь 2002 г., Использование взаимной индуктивности для измерения напряжения. Вставьте схемы

Дополнительная информация по этой теме, а также вопросы проектирования и устранения неполадок в области проектирования и производства электронных схем рассматривается на моих семинарах. Нажмите здесь для информации о семинаре.

К началу страницы
Главная

Вопросы или предложения? Свяжитесь со мной по адресу doug@dsmith.

org

Инструменты и основные схемы — Измерение Рика для заметок по мехатронике

Мы будем использовать закон Ома, чтобы понять некоторые очень простые резистивные цепи при проведении измерений. Нашими основными инструментами при сборке и тестировании этих схем будут мультиметр для измерения установившегося состояния и осциллограф для наблюдения за переходными процессами. Мы будем полагаться на небольшое знание переходных процессов RC-цепи и знакомство с напряжением (В), током (I), сопротивлением (R) и тем, как они связаны законом Ома:

(1)

Чтобы скрепить наши схемы и выполнить электрические соединения, мы будем использовать макетные платы без пайки. В этом видео (5:32) от Adafruit показано, как они работают и немного о переходе на более надежные паяные схемы.

Ваш мультиметр является самым важным диагностическим инструментом, и он должен быть у каждого инженера. Дешевый, но полезный счетчик можно найти на eBay менее чем за 10 канадских долларов!

Вы увидите множество различных мультиметров с разными функциями и точностью, но все они имеют сходство. Мы сосредоточимся на трех функциях: постоянном напряжении, сопротивлении и непрерывности. Для наиболее точных результатов используйте лучший из доступных измерительных приборов и всегда используйте самую низкую шкалу, которая по-прежнему будет давать показания. (видео 4:38) 4-1/2-разрядные мультиметры с желтым или зеленым корпусом являются наиболее точными измерителями, имеющимися в лабораториях MECH 217, и могут рассматриваться как эталонные инструменты для вашей работы.

Вставьте черный вывод в общую клемму , обычно помеченную COM. Вставьте красный щуп в терминал для измерения , которое вы хотите выполнить. Обычно шкалы сопротивления, напряжения и непрерывности используют одно и то же соединение. Хотя нет никакой электрической разницы между двумя проводами отведений, для этих цветов существует строгое соглашение, и вы можете запутать нас, если не будете следовать ему.

Измерения сопротивления

Для измерения сопротивления выберите наименьший диапазон в Омах, который все еще позволит вам измерять. Символ Омега обычно используется для обозначения измерения сопротивления, и на этой фотографии показан выбор диапазона 2 кОм или 2000 Ом. Мы будем использовать этот диапазон для измерения сопротивлений от 200 до 2000 Ом.

Прикоснитесь проводами к противоположным сторонам сопротивления, которое вы хотите измерить. Для измерения отдельных компонентов, таких как резисторы, их необходимо отсоединить от остальной цепи. В противном случае измеритель будет измерять суммарное сопротивление всех подключенных компонентов.

Измерение постоянного напряжения

Для измерений напряжения постоянного тока выберите наименьший диапазон напряжения постоянного тока, который все еще позволит вам измерять. V с линией и пунктирной линией обычно используется для обозначения напряжения постоянного тока (небольшая синусоида используется для переменного тока). На этой фотографии показан выбранный диапазон 20 вольт постоянного тока. Мы будем использовать этот диапазон для измерения напряжения постоянного тока от 2 до 20 вольт, включая напряжения в рабочем диапазоне цепей от 0 до 5 вольт с Arduino UNO.

Прикоснитесь к двум разным точкам цепи, чтобы измерить разницу напряжений между ними. Красный — положительный, и если вы поменяете местами отведения, вы увидите на дисплее знак «минус». Часто полезно подключить черный провод к земле (ноль вольт) и просто перемещать красный провод. Исключение составляют случаи, когда вам действительно нужна мера различий, например, на входе усилителя.

Проверка непрерывности

Для проверки непрерывности мы выбираем диапазон непрерывности, обычно отмеченный символом диода (стрелка с полосой на точке) или музыкальной нотой, чтобы указать, что он создает тон. Когда сопротивление между выводами очень мало, прибор издает звуковой сигнал и отображает на экране значение низкого сопротивления. Эта функция наиболее полезна для тестирования, когда две точки в цепи фактически соединены вместе, чтобы создать электрическое соединение. Это может помочь вам определить внутренние соединения в переключателях, таких как кнопки, и обнаружить плохие или отсутствующие соединения в ваших цепях.

Прикоснитесь к проводам к двум точкам, как при измерении сопротивления, и помните, что измеритель покажет непрерывность, если между двумя точками есть какое-либо соединение с низким сопротивлением.

практических примеров, с которыми вы можете столкнуться

А.В. Мультиметр Sperry DM-8700, обеспечивающий эталонное качество измерения напряжения постоянного тока.

Обязательно используйте наименьшую возможную шкалу, чтобы получить наилучшую точность в процентах от показаний полной шкалы. Для считывания напряжения обязательно подключите черный провод к COM, а красный провод к V, как показано ниже.

GW Instek GDM-356 Мультиметр, обеспечивающий довольно хорошую точность при постоянном напряжении и имеющий вход термопары для измерения температуры.

Multimeters 101 — еще одна пресс-книга eCampus Ontario Pressbook, в которой более подробно рассказывается о том, как пользоваться мультиметром.

С помощью осциллографа можно в режиме реального времени видеть на экране временные ряды сигналов. Это действительно хорошо для наблюдения за тем, как все меняется, для диагностики проблем или для наблюдения за шумом того, что вы считали сигналом постоянного тока. (видео 7:41)

Мы используем осциллографы всякий раз, когда хотим увидеть изменения, которые слишком быстры, чтобы их можно было отследить на мультиметре, включая сигналы ШИМ, возникающие в результате функции AnalogWrite() Arduino, а также быстро меняющиеся электрические помехи в наших источниках питания и аналоговых датчиках. выходы. Обычно мы хотим выполнить следующие шаги:

Используйте меню канала, чтобы установить связь по переменному току, чтобы вы видели только изменяющуюся во времени часть сигнала.
Установите переключатель щупа в положение x1 на конце кабеля и настройте меню на использование щупа на x1.
Используйте кнопку измерения, чтобы выбрать среднее значение, среднеквадратичное значение и отображение размаха на экране.
Подсоедините зажим типа «крокодил» к земле, а наконечник пробника к сигналу, который вы хотите измерить.
Отрегулируйте напряжение по оси Y с помощью ручки вертикальной шкалы для канала и ручки положения.
Отрегулируйте время по оси X с помощью ручки горизонтальной шкалы.
При необходимости отрегулируйте триггер, чтобы изолировать интересующие объекты. Убедитесь, что кнопка Run/Stop зеленого цвета.

Другие осциллографы могут иметь другие элементы управления, но все они имеют схожие функции, смоделированные по образцу интерфейса традиционных аналоговых осциллографов.

Светодиодные индикаторы

Светоизлучающие диоды (LEDS)

можно использовать последовательно с токоограничивающим резистором для обеспечения цифровой индикации напряжения. В 5-вольтовых цепях резистор номиналом 1 кОм ограничивает ток до максимального уровня менее 5 мВ, что обычно предотвращает повреждение светодиода. Выбирайте более тщательно, если вы хотите получить как можно больше света от своего светодиода, не поджаривая его. (видео 3:53)

Кнопки с подтягивающими или подтягивающими резисторами

Использование подтягивающего резистора гарантирует, что на контакте 7 будет 5 вольт, если только не будет нажата кнопка, притягивая напряжение к земле. Вы также можете сделать то же самое в обратном порядке, поменяв местами кнопку и резистор, чтобы подтянуть контакт 7 к земле. На некоторых микроконтроллерах вы можете использовать их внутренние подтягивающие резисторы и упростить схему. Чем выше сопротивление подтяжки, тем меньший ток будет течь, поэтому резистор 10 кОм в этом примере приведет к протеканию тока в полмиллиампера. (видео 4:58)

Многие датчики реагируют изменением сопротивления в ответ на изменение измеряемой величины. RTD и термисторы меняют сопротивление в зависимости от температуры, а тензодатчики изменяют сопротивление при деформации.

Делители напряжения

Два последовательно соединенных сопротивления разделить или разделить напряжение питания между собой пропорционально величине сопротивления. Закон Ома упрощает расчет промежуточного напряжения. Эти схемы позволяют измерять изменения сопротивления с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП) микроконтроллера, чувствительных к аналоговому напряжению.