ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Магазин Gtest(R) предлагает широкую номенклатуру осциллографов на приводимой страничке сайта в самом конце настоящего Раздела, а также рекомендуемые приборы и статьи для самообразования

1.       Преамбула

Этот документ предназначен для объяснения и помощи в понимании определенных терминов и отношений между ними. Объяснения относятся только к техническим устройствам, таким как блоки питания постоянного тока, электронные нагрузки или зарядные устройства для аккумуляторов, которые можно найти в портфолио продуктов соответствующих производителей. Может случиться, что общие мысли и определения расходятся с тем, что объясняется ниже

2.       Разрешение и ширина шага

Общее

Термин «разрешение», с одной стороны, относится к различным дисплеям на технических устройствах, которые будут отображать значения, а с другой стороны, относится к числу значений или шагов, которые доступны для регулировки заданных значений, таких как напряжение, ток, мощность или сопротивление. В настоящее время очень распространено управление электронными устройствами с помощью микроконтроллеров, и поэтому такие термины, как разрешение и ширина шага, становятся релевантными для выходных/входных значений.

2.1     Разрешение входных и выходных значений (фактические значения, заданные значения)

Разрешение заданного значения в первую очередь зависит от так называемого цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), а разрешение измеренных (фактических) значений в первую очередь зависит от так называемого аналого-цифрового преобразователя (АЦП). ЦАП создает аналоговые сигналы из цифровых значений, которые настраиваются пользователем вручную на устройстве или отправляются на микроконтроллер (и, таким образом, на ЦАП) через цифровую связь с ПК. АЦП измеряет фактические аналоговые значения и преобразует их в цифровые эквиваленты, которые могут быть выведены на дисплей микроконтроллером или отправлены на ПК по запросу через цифровое управление. Оба компонента имеют идеальное разрешение и истинное разрешение. Каждый электронный компонент имеет ошибку, поэтому идеальное разрешение не может быть достигнуто в большинстве ситуаций, и производитель устройства, таким образом, не будет его гарантировать. Производитель будет, если вообще будет, указывать разрешение, которого устройство всегда может достичь как минимум. Пример: 12-битный ЦАП генерирует заданные значения для тока, напряжения и мощности источника питания. 12 бит означает 4096 значений возможного разрешения. Это только идеальное разрешение ЦАП. Из-за ошибок ЦАП и других компонентов истинное разрешение снижается. Кроме того, полный диапазон ЦАП не используется из-за конструкции. Это будет варьироваться от устройства к устройству и, таким образом, не может быть определено точно. Данные, измеренные во время конечных испытаний устройств из работающего производства, могут быть использованы для извлечения минимального среднего разрешения, которое достигается определенной серией устройств. Если в спецификации указано, что устройство имеет разрешение минимум 10 бит, то 1024 шага ЦАП распределяются по диапазону конкретных выходных значений.

2.2     Разрешение дисплеев

Устройства оснащены различными дисплеями (светодиодными или ЖК-дисплеями) для отображения установленных и фактических значений. В более старых сериях устройств от EA значения на дисплее всегда имеют 4 цифры, а количество знаков после запятой меняется от модели к модели. В более новых сериях отображаемые значения могут иметь от 3 до 5 цифр. Например, электронная нагрузка EL 9080-200 отображает фактическое напряжение как 00,0 В, а ток как 000,0 А. Это также определяет регулируемое вручную разрешение, которое должно быть целесообразным для входа 80 В, отображаемого как 80,0 В. Если бы разрешение было 10 мВ, то диапазон регулировки имел бы 8000 шагов, а при разрешении 100 мВ он составлял бы 800 шагов. Если рассматривать идеальное разрешение 12-битного ЦАП как 4096, то 8000 шагов было бы слишком высоким, а 800 шагов — слишком низким. Указанная ширина шага, таким образом, является компромиссом, в данном случае она составляет 100 мВ. Дополнительная информация в разделе 2.5.3.

2.3     Соотношение между разрешением и шириной шага

Ширина шага — это значение, которое получается из истинного разрешения ЦАП устройства. Оно определяет минимальную разницу между двумя установленными значениями, например, напряжением, которая может быть достигнута на входе/выходе постоянного тока при регулировке. Обычно истинная и измеримая ширина шага меньше указанной. Но она также не может быть точно определена и может быть указана только как среднее значение, построенное из n измеренных выборок по всему диапазону значения. Регулируемая ширина шага зависит от способа регулировки установленного значения (ручной, цифровой, аналоговый).

В качестве примера рассмотрим примерную ширину шага, которая может быть достигнута на PS 8720-15 2U. Эта модель обеспечивает макс. выходное напряжение 720 В, макс. ток 15 А и мощность 3000 Вт. При эффективном разрешении ~3700 шагов это будет 720 В / 3700 = ~ 0,19 В на шаг. Для мощности и тока это аналогично. Макс. 15 А модели-примера дает ширину шага тока 15 А / 3700 = ~4 мА. Для мощности 3000 Вт это дает ширину шага мощности 3000 Вт / 3700 = ~ 0,8 Вт. Но фактическая ширина шага для ручной настройки с этой моделью составляет 0,1 В, 10 мА и 1 Вт и, таким образом, либо мельче, либо грубее, чем измеряемая ширина шага на выходе.

Для дальнейшего понимания можно также рассмотреть трёхканальный источник питания постоянного тока MATRIX MPS-3003H-3 (см. рисунок 1), который обеспечивает напряжение до 30 В и ток до 3 А на каждом канале. Это устройство также демонстрирует, как параметры разрешения и ширины шага влияют на точность выходных значений при ручной или цифровой настройке.

Рисунок 1 - Трёхканальный источник питания постоянного тока MATRIX MPS-3003H-3.

Что это значит в конечном итоге?

Устройство сможет достичь только ширины шага настройки ЦАП, зависящей от него, независимо от того, сколько шагов пользователь может настроить вручную на устройстве или сколько различных значений может быть отправлено посредством цифровой связи.

Что с того?

Потому что вы не можете сопоставить любое установленное или фактическое значение с истинным или идеальным разрешением ЦАП или АЦП. Поскольку аналоговое дистанционное управление настроено для общих диапазонов 0...10 В, а для цифрового дистанционного управления должна быть система, которая подходит лучше всего.

Предполагается, что любое установленное значение будет передаваться как 32-битное значение в цифровом дистанционном управлении и в формате милливольт или миллиампер и т. д. Это позволило бы отправить даже такое значение, как 566,455 В для модели с высоким напряжением, например 720 В. Это будет 566455 мВ или 720000 мВ для максимума и потребует использования как минимум 24-битного преобразователя, чтобы установить такое значение. Вместо этого это значение обычно уменьшается микроконтроллером, чтобы соответствовать разрешению 12-битного ЦАП, который не допускает более 4096 различных значений.

Разрешение установленного значения, которое пользователь может отправить на устройство, намного выше истинного разрешения. Если разрешение и/или ширина шага значения не указаны в технических характеристиках электронного устройства, пользователь может предположить, что результирующее разрешение выходных значений идентично возможному разрешению заданных значений.

Но это неверно!

2.4     Разрешение различных форм ввода

2.4.1    Ввод через цифровой интерфейс

Установленные значения, отправляемые по цифровой связи, имеют макс. разрешение 25600 шагов. Истинная ширина шага на выходе устройства — это та, которую может достичь ЦАП. Она составляет приблизительно 3700 шагов. Интерфейсы, использующие командный язык SCPI, позволяют отправлять значения с несколькими десятичными знаками, просто потому, что формат SCPI позволяет это. Эти значения внутренне преобразуются и округляются для достижения ширины шага, которая соответствует минимальной ширине выходного шага.

Установленные значения, отправляемые по цифровой связи, имеют макс. разрешение 52428 шагов. Истинная ширина шага на выходе устройства — это та, которую может достичь ЦАП. Она составляет 26214 шагов. Здесь используется 16-битный преобразователь, где полный диапазон определяется как 0...125% для установленных значений и фактических значений, плюс значения могут быть подписаны. Таким образом, эффективное разрешение уменьшается до 2^15 * 0,8 = 26214 для 0...100%.

Интерфейсы, использующие командный язык SCPI, позволяют отправлять значения с несколькими десятичными знаками, просто потому, что формат SCPI позволяет это. Эти значения внутренне преобразуются и округляются для достижения ширины шага, которая соответствует минимальной ширине выходного шага.

2.4.2    Ввод через аналоговые интерфейсы

Установленные значения, заданные аналоговым интерфейсом, являются фактическими значениями с разрешением X для микроконтроллера устройства в первую очередь. Для устройств EA АЦП обычно используют 14 бит (идеально). Поскольку они измеряются АЦП и микроконтроллером, затем преобразуются и устанавливаются с помощью ЦАП, входное разрешение выборочного АЦП не имеет значения. Но более высокое входное разрешение помогает уже минимизировать ошибки, возникающие в результате процедуры выборки, и, таким образом, минимизировать общую ошибку.

2.4.3    Ввод путем ручной настройки на панели устройства

Вручную настроенные значения привязаны к определенной ширине шага настройки, которая вытекает из формата отображения. Устройства серии от EA до 2012 используют 4-значные значения для отображения и 12-битный преобразователь.

Примеры: 4,000 А, 80,00 В, 1000 Вт, 15,00 кВт

Обычно минимальная ширина шага настройки будет последней цифрой. Для устройства с номинальным напряжением 80 В это будет 10 мВ. Это составляет 8000 шагов и недостижимо с 12-битным ЦАП. Пользователь либо увидит реакцию на выходе только через каждые 2-4 шага, либо минимальная ширина шага увеличится до 20 мВ или 50 мВ.

Это уменьшит количество шагов до 4000 или 1600 для примера 80 В. Тогда количество шагов будет соответствовать возможностям ЦАП.

Для других установленных значений, например, 1500 Вт, может быть наоборот. Это определяется как 1500 шагов по 1 Вт, в то время как ЦАП может обеспечить вдвое больше шагов. Здесь ширина шага ручной регулировки больше, чем для цифровой или аналоговой регулировки, поскольку возможны шаги по 0,5 Вт. В более новых сериях, начиная с 2014 года, используются значения с 3 до 5 цифр и 16-битный преобразователь

Примеры: 20.000 А, 80.00 В, 3.50 кВт

Благодаря более высокому разрешению (см. 2.5.1), диапазон 0...20 А с форматом отображения 20.000 и, таким образом, 20000 шагов достаточно хорошо соответствует эффективному разрешению на входе/выходе постоянного тока. Здесь также каждое значение имеет определенную погрешность на входе/выходе постоянного тока.

3.       Точность

Точность является дополнением к ошибке. Каждое выходное значение имеет ошибку, и эта ошибка указана в технических характеристиках как максимальная ошибка или минимальная точность. Истинная ошибка должна быть меньше заданной, точность может быть лучше или выше заявленной.

Погрешность выходного значения всегда связана с номинальным значением. Спецификация «≤ 0,1%» для модели 80 В означает, что выходное значение может иметь ошибку (или отклонение) до 80 мВ по сравнению с заданным значением, независимо от того, какое заданное значение было установлено между 0% и 100%. При малых заданных значениях это отклонение более существенно, чем при высоких заданных значениях.

Для пользователя это выглядит так: заданные значения настраиваются на устройстве, а выходное значение измеряется мультиметром. Выходное значение (или фактическое значение) отличается от заданного значения, как в отрицательном, так и в положительном направлении. Это нормально. Важно, находится ли отклонение в допустимом диапазоне или нет.

Пример: источник питания 80 В с макс. погрешностью напряжения 0,1% настроен на 5 В. При измерении выходного напряжения мультиметром (который также имеет погрешность, которую мы пока проигнорируем), он будет отображать значения около 5 В, как правило, с тремя десятичными знаками и может показывать 5,035 В. Это отклонение на 35 мВ от установленного значения и, таким образом, приемлемо, поскольку допускается до 80 мВ.

К сожалению, отклонение фактического значения от установленного не является постоянным во всем диапазоне выходных значений 0...100%. Фактически, выходное значение с его погрешностью представляет собой нелинейную кривую (см. рисунок выше).

Если приложение требует очень точной регулировки выходного значения, пользователю предлагается использовать внешний и очень точный мультиметр для правильной регулировки, поскольку источник питания или электронная нагрузка не являются измерительным устройством.

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