Повертаючись до теми про переваги цифрового мультиметра

Посилання на сторінку сайту Магазину Gtest(R) з номенклатурою мультиметрів, а також рекомендовані прилади та статті для подальшої самоосвіти - наприкінці цієї Розділу

Основи вимірювання логіко-опору з використанням аналого-цифрового перетворювача

Вивчення основ логометричного вимірювання опору в аналого-цифрових (АЦП) перетворювачах, способи його вимірювання та приклади використання у цифровому мультиметрі (DMM), мікропроцесорі та різних резистивних датчиках.

Аналого-цифрові перетворювачі є ратіометричними, тобто їх результат пропорційний відношенню вхідної напруги до опорної напруги. Це можна використовувати для спрощення виміру опору.

Стандартний спосіб вимірювання опору – пропустити струм через резистор та виміряти його падіння напруги (див. рисунок 1). Потім закон Ома (V = I x R) можна використовувати для розрахунку опору за напругою та струмом. Кінцевий результат може бути аналоговим чи цифровим.

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

Напруга передається або на аналоговий вихідний ланцюг або на аналого-цифровий перетворювач. Схема джерела струму повинна бути точною, без дрейфу і не схильна до впливу виміряного опору та змін напруги живлення. Розробка такої схеми не становить особливої складності, але потребує точних та стабільних компонентів. АЦП, якщо він використовується таким чином, потребує такої ж точної і стабільної опорної напруги.

Радіометричний вимір опору

Якщо через два резистора пропустити однаковий струм, то співвідношення їх напруг залишиться незмінним при зміні струму. Математично це можна виразити в рівнянні 1 як:

Рівняння 1.

Ми можемо використовувати цю інформацію для розробки системи аналого-цифрового перетворювача, як показано на малюнку 2, яка виконує логометричний вимір опору та не вимагає джерела постійного струму або точної опорної напруги.

Малюнок 2. Блок-схема, що показує використання аналого-цифрового перетворювача для логометричного виміру опору.

Де:

• R(set) встановлює приблизний струм (I), але точний струм змінюється зі зміною виміряного опору.

• Виміряна напруга, (дюйм), дорівнює I, помноженому на виміряний опір, R (вимір.).

• Опорна напруга V (ref) у I разів перевищує опорний опір R (ref).

У цілому нині цифровий результат буде пропорційний R(meas)/R(ref) незалежно від точного значення струму. Порівняно зі стандартним підходом не потрібно ні схеми джерела струму, ні прецизійної опорної напруги. Тільки один компонент R(ref) повинен бути стабільним і точним.

Важливо, що це буде працювати тільки в тому випадку, якщо аналого-цифровий перетворювач має диференціальний вхід, що не повинно бути проблемою, як це робить більшість перетворювачів. Більшість перетворювачів немає входів диференціального завдання, тому R(ref) має бути підключений до загальної ланцюга. Обидва резистори повинні мати однаковий струм, тому R(meas) послідовно підключається з R(ref). Конфігурація, показана на рис. 2, підходить для простого лічильника; однак, він може не підходити для систем вимірювання датчиків, виходи яких підключені до загального проводу. Щоб вирішити цю проблему, вам знадобиться аналого-цифровий перетворювач із диференціальним опорним входом. Ми розглянемо це в розділі про мікропроцесори нижче.

Маючи це на увазі, погляньмо на блок-схему на малюнку 3, в якій додано дві нові деталі.

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

Першим доповненням є регулювання еталонного тримування. Без нього перетворення буде таким самим точним, як і еталонний резистор. Наприклад, для точності 0,05% потрібно резистор 0,05% або вище. За допомогою підстроювання точність можна відкалібрувати шляхом вимірювання високоточного значення R(meas) та налаштування підстроювального резистора для правильного цифрового виходу або показання. Підстроювальний резистор з фіксованим опорним значенням повинен бути вищим, ніж R(ref). Підстроювальний резистор повинен становити лише невеликий відсоток від постійного резистора.

Друга деталь додає додатковий чотирипровідний (Кельвін) вхідний вимір, який іноді необхідний для точних вимірювань низького опору. Без нього опору сполук висновків додаються R(meas), додаючи частки Ома. Щоб переконатися в цьому, просто візьміть стандартний мультиметр, з'єднайте кінці вимірювальних проводів разом та виміряйте опір. Він показуватиме частки Ома, а не нуль.

Крім того, чотирипровідне з'єднання подає струм через один набір проводів та використовує другу пару для вимірювання вхідного сигналу. Через вимірювальні дроти струм не протікає, тому напруга на них не падає. Виміряна напруга дійсно дорівнює I x R(ізм.), Без помилок через опори проводів. Високоточні вимірювачі зазвичай мають можливість виміру опору за чотирипровідною схемою.

Приклад виміру опору з використанням недорогого цифрового мультиметра

Маючи в своєму розпорядженні всю цю інформацію, давайте заглибимося в приклад використання недорогого цифрового мультиметра. Уявімо, що у мене є недорогий цифровий мультиметр 3-1/2, куплений всього за кілька доларів у господарському магазині. Я не можу повністю вивчити його схему, оскільки мікросхема залита епоксидною смолою; однак я провів тест, і, схоже, він працює таким чином із використанням джерела непостійного струму. У таблиці 1 наведено нижче результати, в яких виміряні резистори мали допуск +1 %:

Таблиця 1. Результати даних із цифровим мультиметром, встановленим у діапазоні 200 Ом.

З іншого боку, у таблиці 2 показані результати даних при налаштуванні діапазону 20 кОм.

Таблиця 2. Результати даних цифрового мультиметра, встановленого на діапазон 20 кОм.

Результати? Всі показання знаходяться в межах одного відсотка, хоча струм варіюється.

Зверніть увагу: мій високоточний лабораторний омметр у такий спосіб не працює. Його струм залишається постійним незалежно від вимірюваного опору.

Радіометричні виміри з використанням мікропроцесора

Багато мікропроцесори та мікроконтролери містять аналого-цифровий перетворювач. Як і малюнку 3, малюнку 4 показаний приклад блок-схеми того, як можна підключити мікропроцесор.

Рисунок 4. Використовуючи аналого-цифровий перетворювач з диференціальним опорним входом, можна підключити виміряний опір до загального ланцюга.

Використовуючи аналого-цифровий перетворювач з диференціальним опорним входом, можна підключити виміряний опір до загального ланцюга. Однак, АЦП вашого мікропроцесора може мати диференціальний опорний вхід. Якщо так, то ви можете скористатися цим для підключення резистора до загального ланцюга. Як показано на малюнку 4, вимірюваний та еталонний резистори змінені місцями.

Більшість мікропроцесорів дозволяють перемикати аналогово-цифрові входи за допомогою коду. Плюсове завдання можна переключити на внутрішнє чи зовнішнє завдання, а мінусове – на зовнішнє чи загальне. Якщо обидва перемикаються на зовнішній, опорний вхід стає диференціальним і не потрібно підключати до спільного дроту.

Понад те, малюнку 4 показано, що R(meas) тепер можна підключити до загального дроту, а опорний резистор «плаває». Тепер система може підключати як вхід, так і вихід спільного джерела. Хоча на малюнку показано чотирипровідний вхід, для двопровідного входу просто підключіть +IN до джерела струму, а -IN до спільного дроту.

Основи логометричних вимірів для резистивних датчиків

До резистивних датчиків відносяться термістори, RTD (резистивні датчики температури) та потенціометри вимірювання положення. Ратіометричні виміри можуть використовуватися для всіх, що ми пояснимо в наступних розділах.

Термістори

На рис. 5 показано приклади типів корпусів термісторів.

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

Частина виміру проста: термістор стає R(вимір.), і двопровідний вхід повинен працювати нормально. Складна частина - перетворення виміру опору на температуру. Термістори як NTC (негативний температурний коефіцієнт), і PTC (позитивний температурний коефіцієнт) є нелінійними і змінюють опір за зміни температури.

Для перетворення потрібні довідкові таблиці, або складні рівняння. Деякі аналогові методи можуть лінеаризувати приблизно показання; проте лише у вузьких температурних діапазонах.

Резистивні датчики температури (RTD)

RTD не мають низького опору, хоча багато хто з них мають опір 100 Ом при 0 ° C, також поширені версії на 200, 500 та 1000 Ом. Однак частки Ома можуть призвести до неприйнятної похибки вимірювання температури.

Чутливість платинового RTDS (найпоширенішого типу) становить близько 0,4% на градус Цельсія. У пристрої з опором 100 Ом опір 0,4 Ом призводить до помилки в 1 °C (1,8 °F), тому рекомендується використовувати чотирипровідний вхід. Це може не знадобитися при опорі 500 або 1000 Ом.

РДТ не зовсім лінійні з температурою, але їх рівняння досить прості (що виходить за межі цієї статті).

Потенціометри

Потенціометри досить прості. По суті, підключіть вхід (+) A/D до двірника, а вхід (-) до нижнього кінця або кінця проти годинникової стрілки (-). Вихідний сигнал буде пропорційний положенню потенціометра.

Висновок щодо вимірювання ратіометричного опору

Концепція логометричного виміру опору проста: пропускайте однаковий струм через вимірюваний та еталонний резистори, і аналогово-цифровий вихідний сигнал буде пропорційний їх співвідношенню. Ми розширили його подробиці, які допоможуть вам у ваших наступних проектах.

Магазин Gtest® - авторизований постачальник мультиметрів до України: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/multimetry