Возвращаясь к теме о преимуществах цифрового мультиметра

Ссылка на страничку сайта Магазина Gtest(R) с номенклатурой мультиметров, а также рекомендуемые приборы и статьи для дальнейшего самообразования - в самом конце этого Раздела

Основы измерения логико-сопротивления с использованием аналого-цифрового преобразователя

Изучение основ логометрического измерения сопротивления в аналого-цифровых (АЦП) преобразователях, способы его измерения и примеры использования в цифровом мультиметре (DMM), микропроцессоре и различных резистивных датчиках.

Аналого-цифровые преобразователи являются ратиометрическими, то есть их результат пропорционален отношению входного напряжения к опорному напряжению. Это можно использовать для упрощения измерения сопротивления.

Стандартный способ измерения сопротивления — пропустить ток через резистор и измерить его падение напряжения (см. рисунок 1). Затем закон Ома (V = I x R) можно использовать для расчета сопротивления по напряжению и току. Конечный результат может быть аналоговым или цифровым.

Рисунок 1. Пример блок-схемы, показывающей измерение сопротивления.

Напряжение передается либо на аналоговую выходную цепь , либо на аналого-цифровой преобразователь. Схема источника тока должна быть точной, без дрейфа и не подвержена влиянию измеренного сопротивления и изменений напряжения питания. Разработка такой схемы не представляет особой сложности, но требует точных и стабильных компонентов. АЦП, если он используется таким образом, нуждается в столь же точном и стабильном опорном напряжении.

Радиометрическое измерение сопротивления

Если через два резистора пропустить одинаковый ток, то соотношение их напряжений останется прежним при изменении тока. Математически это можно выразить в уравнении 1 как:

Уравнение 1.

Мы можем использовать эту информацию для разработки системы аналого-цифрового преобразователя, как показано на рисунке 2, которая выполняет логометрическое измерение сопротивления и не требует источника постоянного тока или точного опорного напряжения.

Рисунок 2. Блок-схема, показывающая использование аналого-цифрового преобразователя для логометрического измерения сопротивления.

Где:

• R(set) устанавливает приблизительный ток (I), но точный ток меняется по мере изменения измеренного сопротивления.

• Измеренное напряжение, В (дюйм), равно I, умноженному на измеренное сопротивление, R (измер.).

• Опорное напряжение V (ref) в I раз превышает опорное сопротивление R (ref).

В целом цифровой результат будет пропорционален R(meas)/R(ref) независимо от точного значения тока. По сравнению со стандартным подходом не требуется ни схемы источника тока, ни прецизионного опорного напряжения. Только один компонент, R(ref), должен быть стабильным и точным.

Важно отметить, что это будет работать только в том случае, если аналого-цифровой преобразователь имеет дифференциальный вход, что не должно быть проблемой, как это делает большинство преобразователей. Большинство преобразователей не имеют входов дифференциального задания, поэтому R(ref) должен быть подключен к общей цепи. Оба резистора должны иметь одинаковый ток, поэтому R(meas) подключается последовательно с R(ref). Конфигурация, показанная на рис. 2, подходит для простого счетчика; однако он может не подходить для систем измерения датчиков, выходы которых подключены к общему проводу. Чтобы решить эту проблему, вам понадобится аналого-цифровой преобразователь с дифференциальным опорным входом. Мы рассмотрим это в разделе о микропроцессорах ниже.

Имея это в виду, давайте взглянем на блок-схему на рисунке 3, в которой добавлены две новые детали.

Рис. 3. Логометрическое измерение с добавленными деталями: регулировка эталонной подстройки и дополнительное четырехпроводное измерение сопротивления.

Первым дополнением является регулировка эталонного триммирования. Без него преобразование будет таким же точным, как и эталонный резистор. Например, для точности 0,05 % потребуется резистор 0,05 % или выше. С помощью подстройки точность можно откалибровать путем измерения высокоточного значения R(meas) и настройки подстроечного резистора для правильного цифрового выхода или показания. Подстроечный резистор с фиксированным опорным значением должен быть выше, чем R(ref). Подстроечный резистор должен составлять лишь небольшой процент от постоянного резистора.

Вторая деталь добавляет дополнительное четырехпроводное (Кельвин) входное измерение, которое иногда необходимо для точных измерений низкого сопротивления. Без него сопротивления соединений выводов добавляются к R(meas), добавляя доли Ома. Чтобы убедиться в этом, просто возьмите стандартный мультиметр, соедините концы измерительных проводов вместе и измерьте сопротивление. Он будет показывать доли Ома, а не ноль.

Кроме того, четырехпроводное соединение подает ток через один набор проводов и использует вторую пару для измерения входного сигнала. Через измерительные провода ток не протекает, поэтому напряжение на них не падает. Измеренное напряжение действительно равно I x R(изм.), без ошибок из-за сопротивлений проводов. Высокоточные измерители обычно имеют возможность измерения сопротивления по четырехпроводной схеме.

Пример измерения сопротивления с использованием недорогого цифрового мультиметра

Располагая всей этой информацией, давайте углубимся в пример использования недорогого цифрового мультиметра . Давайте представим, что у меня есть недорогой цифровой мультиметр 3-1/2, купленный всего за несколько долларов в хозяйственном магазине. Я не могу полностью изучить его схему, поскольку микросхема залита эпоксидной смолой; однако я провел тест, и, похоже, он работает таким образом с использованием источника непостоянного тока. В таблице 1 ниже приведены результаты, в которых измеренные резисторы имели допуск +1 %:

Таблица 1. Результаты данных с цифровым мультиметром, установленным в диапазоне 200 Ом.

С другой стороны, в таблице 2 показаны результаты данных при настройке диапазона 20 кОм.

Таблица 2. Результаты данных для цифрового мультиметра, установленного на диапазон 20 кОм.

Результаты? Все показания находятся в пределах одного процента, хотя ток варьируется.

Обратите внимание: мой высокоточный лабораторный омметр таким образом не работает. Его ток остается точно постоянным независимо от измеряемого сопротивления.

Ратиометрические измерения с использованием микропроцессора

Многие микропроцессоры и микроконтроллеры содержат аналого-цифровой преобразователь. Как и на рисунке 3, на рисунке 4 показан пример блок-схемы того, как можно подключить микропроцессор.

Рисунок 4. Используя аналого-цифровой преобразователь с дифференциальным опорным входом, вы можете подключить измеренное сопротивление к общей цепи.

Используя аналого-цифровой преобразователь с дифференциальным опорным входом, вы можете подключить измеренное сопротивление к общей цепи. Однако АЦП вашего микропроцессора может иметь дифференциальный опорный вход. Если да, то вы можете воспользоваться этим для подключения измеряемого резистора к общей цепи. Как показано на рисунке 4, измеряемый и эталонный резисторы поменяны местами.

Большинство микропроцессоров позволяют переключать аналогово-цифровые входы с помощью кода. Плюсовое задание можно переключить на внутреннее или внешнее задание, а минусовое — на внешнее или общее. Если оба переключаются на внешний, опорный вход становится дифференциальным и его не нужно подключать к общему проводу.

Более того, на рисунке 4 показано, что R(meas) теперь можно подключить к общему проводу, а опорный резистор «плавает». Теперь система может подключать как вход, так и выход к общему источнику. Хотя на рисунке показан четырехпроводный вход, для двухпроводного входа просто подключите +IN к источнику тока, а -IN к общему проводу.

Основы логометрических измерений для резистивных датчиков

К резистивным датчикам относятся термисторы, RTD (резистивные датчики температуры) и потенциометры измерения положения . Ратиометрические измерения могут использоваться для всех, что мы объясним в следующих разделах.

Термисторы

На рис. 5 показаны примеры типов корпусов термисторов.

Рисунок 5. Примеры типов корпусов термисторов. Изображение использовано с разрешения EE Power.

Часть измерения проста: термистор становится R(измер.), и двухпроводной вход должен работать нормально. Сложная часть — преобразование измерения сопротивления в температуру. Термисторы как NTC (отрицательный температурный коэффициент), так и PTC (положительный температурный коэффициент) являются нелинейными и меняют сопротивление при изменении температуры.

Для преобразования требуются либо справочные таблицы, либо сложные уравнения. Некоторые аналоговые методы могут приблизительно линеаризировать показания; однако только в узких температурных диапазонах.

Резистивные датчики температуры (RTD)

RTD не имеют низкого сопротивления, хотя многие из них имеют сопротивление 100 Ом при 0 ° C, также распространены версии на 200, 500 и 1000 Ом. Однако доли Ома могут привести к неприемлемой погрешности измерения температуры.

Чувствительность платинового RTDS (наиболее распространенного типа) составляет около 0,4% на градус Цельсия. В устройстве с сопротивлением 100 Ом сопротивление провода 0,4 Ом приводит к ошибке в 1 °C (1,8 °F), поэтому рекомендуется использовать четырехпроводный вход. Это может не потребоваться при сопротивлении 500 или 1000 Ом.

РДТ не совсем линейны с температурой , но их уравнения довольно просты (что выходит за рамки этой статьи).

Потенциометры

Потенциометры довольно просты. По сути, подключите вход (+) A/D к дворнику, а вход (-) к нижнему концу или концу против часовой стрелки (-). Выходной сигнал будет пропорционален положению потенциометра.

Заключение по измерению ратиометрического сопротивления

Концепция логометрического измерения сопротивления проста: пропускайте одинаковый ток через измеряемый и эталонный резисторы, и аналогово-цифровой выходной сигнал будет пропорционален их соотношению. Мы расширили его подробностями, которые помогут вам в ваших следующих проектах.

Магазин Gtest® - авторизованный поставщик мультиметров в Украину: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/multimetry

Сопутствующие Товары