ТЕРМІНИ ТА ВИЗНАЧЕННЯ ВИМІРЮВАЛЬНИХ ПРИЛАДІВ

Магазин Gtest(R) пропонує широку номенклатуру осцилографів на сторінці сайту в самому кінці цього Розділу, а також рекомендовані прилади та статті для самоосвіти

1.       Преамбула

Цей документ призначений для пояснення та допомоги у розумінні певних термінів та відносин між ними. Пояснення стосуються лише технічних пристроїв, таких як блоки живлення постійного струму, електронні навантаження або зарядні пристрої акумуляторів, які можна знайти в портфоліо продуктів відповідних виробників. Може статися, що загальні думки та визначення розходяться з тим, що пояснюється нижче.

2.       Роздільна здатність та ширина кроку

Загальне

Термін «роздільна здатність», з одного боку, відноситься до різних дисплеїв на технічних пристроях, які будуть відображати значення, а з іншого боку, відноситься до значень або кроків, які доступні для регулювання заданих значень, таких як напруга, струм, потужність або опір. В даний час дуже поширене управління електронними пристроями за допомогою мікроконтролерів, і тому такі терміни, як роздільна здатність та ширина кроку, стають релевантними для вихідних/вхідних значень.

2.1     Роздільна здатність вхідних та вихідних значень (фактичні значення, задані значення)

Роздільна здатність заданого значення в першу чергу залежить від так званого цифро-аналогового перетворювача (ЦАП), а роздільна здатність виміряних (фактичних) значень в першу чергу залежить від так званого аналого-цифрового перетворювача (АЦП). ЦАП створює аналогові сигнали із цифрових значень, які налаштовуються користувачем вручну на пристрої або відправляються на мікроконтролер (і, таким чином, ЦАП) через цифровий зв'язок з ПК. АЦП вимірює фактичні аналогові значення і перетворює їх на цифрові еквіваленти, які можуть бути виведені на дисплей мікроконтролером або відправлені на ПК за запитом через цифрове керування. Обидва компоненти мають ідеальну роздільну здатність і справжню роздільну здатність. Кожен електронний компонент має помилку, тому ідеальна роздільна здатність не може бути досягнута в більшості ситуацій, і виробник пристрою, таким чином, не гарантуватиме його. Виробник, якщо взагалі буде, вказуватиме дозвіл, якого пристрій завжди може досягти як мінімум. Приклад: 12-бітовий ЦАП генерує задані значення струму, напруги і потужності джерела живлення. 12 біт означає 4096 значень можливого дозволу. Це лише ідеальний дозвіл ЦАП. Через помилки ЦАП та інших компонентів справжня роздільна здатність знижується. Крім того, повний діапазон ЦАП не використовується через конструкцію. Це варіюватиметься від пристрою до пристрою і, таким чином, не може бути визначено точно. Дані, виміряні під час кінцевих випробувань пристроїв з працюючого виробництва, можуть бути використані для отримання мінімальної середньої роздільної здатності, яка досягається певною серією пристроїв. Якщо специфікації зазначено, що пристрій має роздільну здатність мінімум 10 біт, то 1024 кроку ЦАП розподіляються по діапазону конкретних вихідних значень.

  2.2     Роздільна здатність дисплеїв

Пристрої оснащені різними дисплеями (світлодіодними або РК-дисплеями) для відображення встановлених та фактичних значень. У старіших серіях пристроїв від EA значення на дисплеї завжди мають 4 цифри, а кількість знаків після коми змінюється від моделі до моделі. У нових серіях відображувані значення можуть мати від 3 до 5 цифр. Наприклад, електронне навантаження EL 9080-200 відображає фактичну напругу як 00,0 В, а струм як 000,0 А. Це також визначає регульовану вручну роздільну здатність, яка повинна бути доцільною для входу 80 В, що відображається як 80,0 В. Якби роздільна здатність була 10 мВ, то діапазон регулювання мав би 8000 кроків, а при роздільній здатності 100 мВ він становив би 800 кроків. Якщо розглядати ідеальну роздільну здатність 12-бітового ЦАП як 4096, то 8000 кроків було б надто високим, а 800 кроків — надто низьким. Вказана ширина кроку, таким чином, є компромісом, у разі вона становить 100 мВ. Додаткова інформація у розділі 2.5.3.

  2.3     Співвідношення між роздільною здатністю та шириною кроку

Ширина кроку – це значення, яке виходить із справжнього дозволу ЦАП пристрою. Воно визначає мінімальну різницю між двома встановленими значеннями, наприклад напругою, яка може бути досягнута на вході/виході постійного струму при регулюванні. Зазвичай істинна та вимірна ширина кроку менша за вказану. Але вона також не може бути точно визначена і може бути вказана лише як середнє значення, побудоване з виміряних n вибірок по всьому діапазону значення. Ширина кроку, що регулюється, залежить від способу регулювання встановленого значення (ручний, цифровий, аналоговий).

Як приклад розглянемо зразкову ширину кроку, яка може бути досягнута на PS 8720-15 2U. Ця модель забезпечує макс. вихідна напруга 720, макс. струм 15 А та потужність 3000 Вт. При ефективному дозволі ~3700 кроків це буде 720 В / 3700 = ~ 0,19 на крок. Для потужності та струму це аналогічно. Макс. 15 А моделі-приклада дає ширину кроку струму 15 А/3700 ​​= ~4 мА. Для потужності 3000 Вт це дає ширину кроку потужності 3000 Вт/3700 ​​= ~ 0,8 Вт. Але фактична ширина кроку для ручного налаштування з цією моделлю становить 0,1, 10 мА і 1 Вт і, таким чином, або дрібніше, або грубіше, ніж вимірювана ширина кроку на виході.

Для подальшого розуміння можна розглянути триканальне джерело живлення постійного струму MATRIX MPS-3003H-3 (див. рисунок 1), який забезпечує напругу до 30 В і струм до 3 А на кожному каналі. Цей пристрій також демонструє, як параметри роздільної здатності та ширини кроку впливають на точність вихідних значень при ручному або цифровому налаштуванні.

Рисунок 1 - Триканальне джерело живлення постійного струму MATRIX MPS-3003H-3.

Що це означає зрештою?

Пристрій зможе досягти лише ширини кроку налаштування ЦАП, що залежить від нього, незалежно від того, скільки кроків користувач може налаштувати вручну на пристрої або скільки різних значень може бути надіслано за допомогою цифрового зв'язку.

Що з того?

Потому что вы не можете сопоставить любое установленное или фактическое

Тому що ви не можете порівняти будь-яке встановлене чи фактичне значення з істинним чи ідеальним дозволом ЦАП чи АЦП. Оскільки аналогове дистанційне керування налаштоване для загальних діапазонів 0...10 В, а для цифрового дистанційного керування має бути система, яка найкраще підходить.

Передбачається, що будь-яке встановлене значення передаватиметься як 32-бітове значення в цифровому дистанційному управлінні і у форматі мілівольт або міліампер і т. д. Це дозволило б відправити навіть таке значення, як 566,455 для моделі з високою напругою, наприклад 720 В. Це буде 566455 мВ або 720000 мВ для максимуму і вимагатиме використання як мінімум 24-бітного перетворювача, щоб встановити таке значення. Натомість це значення зазвичай зменшується мікроконтролером, щоб відповідати дозволу 12-бітного ЦАП, який не допускає більше 4096 різних значень.

Дозвіл встановленого значення, яке користувач може відправити на пристрій, набагато вище за справжню роздільну здатність. Якщо роздільна здатність та/або ширина кроку значення не вказані в технічних характеристиках електронного пристрою, користувач може припустити, що результуюча роздільна здатність вихідних значень ідентично можлива роздільна здатність заданих значень.

Але це не так!

  2.4     Роздільна здатність різних форм введення

2.4.1    Введення через цифровий інтерфейс

Встановлені значення цифрового зв'язку мають макс. роздільна здатність 25600 кроків. Справжня ширина кроку на виході пристрою це та, яку може досягти ЦАП. Вона складає приблизно 3700 кроків. Інтерфейси, що використовують командну мову SCPI, дозволяють відправляти значення з кількома десятковими знаками просто тому, що формат SCPI дозволяє це. Ці значення внутрішньо перетворюються і округляються для досягнення ширини кроку, що відповідає мінімальній ширині вихідного кроку.

Встановлені значення цифрового зв'язку мають макс. роздільна здатність 52428 кроків. Справжня ширина кроку на виході пристрою це та, яку може досягти ЦАП. Вона складає 26 214 кроків. Тут використовується 16-бітний перетворювач, де повний діапазон визначається як 0...125% для встановлених значень та фактичних значень плюс значення можуть бути підписані. Отже, ефективне дозвіл зменшується до 2^15 * 0,8 = 26214 для 0...100%.

Інтерфейси, що використовують командну мову SCPI, дозволяють відправляти значення з кількома десятковими знаками просто тому, що формат SCPI дозволяє це. Ці значення внутрішньо перетворюються та округляються для досягнення ширини кроку, яка відповідає мінімальній ширині вихідного кроку.

2.4.2    Введення через аналогові інтерфейси

Встановлені значення, задані аналоговим інтерфейсом, є фактичними значеннями з роздільною здатністю X мікроконтролера пристрою в першу чергу. Для пристроїв EA АЦП зазвичай використовують 14 біт (ідеально). Оскільки вони вимірюються АЦП і мікроконтролером, потім перетворюються і встановлюються за допомогою ЦАП, вхідна роздільна здатність вибіркового АЦП не має значення. Але більш висока вхідна роздільна здатність допомагає вже мінімізувати помилки, що виникають в результаті процедури вибірки, і, таким чином, мінімізувати загальну помилку.

2.4.3    Введення шляхом ручного налаштування на панелі пристрою

Вручну налаштовані значення прив'язані до певної ширини кроку налаштування, яка випливає із формату відображення. Пристрої серії від EA до 2012 використовують 4-значні значення для відображення та 12-бітний перетворювач.

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

Зазвичай мінімальна ширина кроку налаштування буде останньою цифрою. Для пристрою з номінальною напругою 80 це буде 10 мВ. Це становить 8000 кроків і недосяжно з 12-бітовим ЦАП. Користувач або побачить реакцію на виході через кожні 2-4 кроки, або мінімальна ширина кроку збільшиться до 20 мВ або 50 мВ.

Це зменшить кількість кроків до 4000 або 1600 для прикладу 80 В. Тоді кількість кроків буде відповідати можливостям ЦАП.

Для інших встановлених значень, наприклад, 1500 Вт може бути навпаки. Це визначається як 1500 кроків по 1 Вт, тоді як ЦАП може забезпечити вдвічі більше кроків. Тут ширина кроку ручного регулювання більша, ніж для цифрового або аналогового регулювання, оскільки можливі кроки по 0,5 Вт. У нових серіях, починаючи з 2014 року, використовуються значення з 3 до 5 цифр і 16-бітний перетворювач

Приклади: 20.000 А, 80.00 В, 3.50 кВт

Завдяки вищій роздільній здатності (див. 2.5.1), діапазон 0...20 А з форматом відображення 20.000 і, таким чином, 20000 кроків досить добре відповідає ефективному дозволу на вході/виході постійного струму. Тут також кожне значення має певну похибку на вході/виході постійного струму.

3.       Точність

Точність є доповненням до помилки. Кожне вихідне значення має помилку, і цю помилку вказано в технічних характеристиках як максимальна помилка або мінімальна точність. Справжня помилка має бути меншою за задану, точність може бути кращою або вищою за заявлену.

Похибка вихідного значення завжди пов'язані з номінальним значенням. Специфікація «≤ 0,1%» для моделі 80 означає, що вихідне значення може мати помилку (або відхилення) до 80 мВ в порівнянні з заданим значенням, незалежно від того, яке задане значення було встановлено між 0% і 100%. При малих заданих значеннях це відхилення суттєвіше, ніж при високих заданих значеннях.

Для користувача це виглядає так: задані значення налаштовуються на пристрої, а вихідне значення вимірюється мультиметром. Вихідне значення (чи фактичне значення) відрізняється від заданого значення, як і негативному, і у позитивному напрямі. Це нормально. Важливо, чи відхилення в допустимому діапазоні чи ні.

Приклад: джерело живлення 80 В макс. похибкою напруги 0,1% налаштований на 5 В. При вимірі вихідної напруги мультиметром (який також має похибку, яку ми поки що проігноруємо), він відображатиме значення близько 5 В, як правило, з трьома десятковими знаками і може показувати 5,035 В. Це відхилення на 35 мВ від встановленого значення і таким чином прийнятно, оскільки допускається до 80 мВ.

На жаль, відхилення фактичного значення від встановленого перестав бути постійним у всьому діапазоні вихідних значень 0...100%. Фактично, вихідне значення з його похибкою є нелінійною кривою (див. малюнок вище).

Якщо програма потребує дуже точного регулювання вихідного значення, користувачеві пропонується використовувати зовнішній та дуже точний мультиметр для правильного регулювання, оскільки джерело живлення або електронне навантаження не є вимірювальним пристроєм.

Магазин Gtest® - авторизований постачальник осцилографів в Україну: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/ostcillografy