CC BY
91Использование цифровых мультиметров серии DMM4000 фирмы Tektronix
для выполнения простых и точных измерений сопротивления
Андрей ПАвлов
Поскольку схемы, применяемые при разработке встраиваемых систем, становятся все более сложными и имеют более жесткие допуски, возникает необходимость измерения множества различных параметров с высокой степенью точности. Цифровые мультиметры Tektronix серии DMM4000 объединяют в себе множество различных функций и возможностей для анализа, обеспечивая исключительную точность и производительность.
Основные величины — напряжение, ток и сопротивление — измеряются с точностью до 0,0024% по постоянному току, а разрешения 100 пА и 10 мкОм позволяют этому мультиметру соответствовать современным требованиям. Кроме того, приборы DMM4050/4040 (рис. 1) можно использовать для измерения частоты и периода, а также для проверки диодов и целостности цепи. Дополнительными функциями мультимера DMM4050 являются измерение температуры и емкости. Это позволяет заменить измеритель температуры, измеритель емкости, детектор, тестер для проверки цепей и традиционный цифровой мультиметр одним универсальным прибором, при этом экономится пространство на рабочем месте и сокращаются издержки.
Основные характеристики цифровых мультиметров серии DMM4000:
• Количество разрядов: 6,5.
• Погрешность измерений по постоянному току: до 0,0024%.
• Разрешение в диапазоне измерения напряжения от 100 мВ до 1 000 В: до 100 нВ.
• Разрешение в диапазоне измерения тока от 100 мкА до 10 А: до 100 пА.
• Разрешение в диапазоне измерения сопротивления от 10 Ом до 1 ГОм: до 10 мкОм.
• Категории: I — 1000 В и II — 600 В.
• Измерение напряжения, тока, сопротивления, частоты и периода.
• Проверка диодов и целостности цепи, измерение температуры и емкости ^ММ4050).
• 4-проводной метод измерения сопротивления (2x4).
• Режим записи данных без использования бумаги TrendPlot.
• Статистика измерений, режим гистограмм.
• Хостпорт USB на передней панели для упрощения сохранения данных измерений и настроек прибора.
• Порты RS-232, LAN и GPIB на задней панели для быстрого подключения к ПК.
• Программный продукт LabVIEW SignalExpress TE Limited Edition от National Instrument для подключения к ПК или измерительной системе.
Мультиметры серии DMM4000 просты
и удобны, так как имеют следующие возможности:
• Интуитивно понятное управление, реализованное благодаря применению специализированных кнопок на передней панели, обеспечивающих быстрый доступ к часто используемым функциям и параметрам, что сокращает время настройки. Чтобы найти нужную функцию, теперь не требу-
Рис. 1. Внешний вид мультиметра DMM4050
ется осуществлять долгий поиск в меню программного обеспечения.
• Простота сохранения данных и возможность быстрого подключения к ПК. Порт ШВ на передней панели облегчает сохранение данных и настроек прибора на карте памяти. Можно также подключиться к ПК с помощью портов LAN, RS-232 или GPIB, расположенных на задней панели. В комплект приборов DMM4050/4040 входит кабель-переходник с ШВ на интерфейс RS-232, который позволяет подключиться к ШВ-порту компьютера.
• Обеспечение удобных и точных измерений по 4-проводной методике. С помощью запатентованных разделенных разъемов можно выполнять измерения сопротивления по 4-проводной методике, используя только два измерительных провода вместо четырех. Доступны специальные аксессуары для измерительных проводов, которые позволяют выполнить это подключение. Кроме превосходной точности измерений, за счет использования одной пары измерительных проводов обеспечиваются также простота и удобство.
Использование цифровых мультиметров серии DMM4000 для точных измерений сопротивлений
При использовании двух измерительных проводов для измерения сопротивления возникают ошибки, обусловленные применением одной пары электрических проводов для пода-
Рис. 2. Измерение сопротивления по 2-проводной схеме
чи напряжения и проведения измерений. Для устранения погрешностей измерения сопротивления используется измерительная схема, состоящая из 4 измерительных проводов. Однако при увеличении количества измерительных проводов усложняется работа с мультиметром и увеличивается трудоемкость коммутации коннекторов. Была предложена новая концепция, которая объединяет достоинства 2- и 4-проводной схем подключения, — это проведение измерений по 4-проводной схеме, используя только два комбинированных провода.
Чем же объясняется использование в настоящее время 2-проводной схемы включения мультиметра в режиме измерения сопротивления? Как правило, такую схему подключения мультиметра (рис. 2) применяют в случае, когда необходимо измерить сопротивление компонента малого размера в ограниченном пространстве или же нужно подключиться к паяльному соединению, гибкому кабелю или чип-элементу. При выполнении измерений сопротивления по 2-проводной схеме источник тока создает разность потенциалов на концах измеряемого сопротивления, а вольтметр, включенный параллельно источнику тока, измеряет величину падения напряжения на резисторе.
Использование вольтметра, имеющего входное сопротивление порядка 10 ГОм и включенного параллельно с источником тока и исследуемым сопротивлением, приводит к тому, что на этом участке цепи протекает электрический ток малой величины. Таким образом, большая часть опорного тока проходит через определяемое сопротивление и подводящие провода, и лишь малая — через вольтметр, измеряющий падение напряжения. Принимая во внимание, что подводящие провода имеют хоть и небольшое, но ненулевое значение собственного сопротивления, а вольтметр имеет хоть большое, но конечное значение сопротивления, можно сделать вывод о том, что на точность определения величины сопротивления резистора влияют погрешности, обусловленные ненулевым сопротивлением подводящих проводников и конечным сопротивлением вольтметра.
Однако величина погрешности измерения сопротивления резистора остается высокой из-за того, что учитывается сопротивление проводов, по которым к исследуемому резистору подводится электрический ток.
Для повышения точности измерения сопротивления была предложена 4-проводная схема измерения. Основное преимущество использования такой схемы для измерения сопротивления заключается в разделении силовой и измерительной частей цепи (рис. 3).
Как видно на рис. 3, источник тока мультиметра создает разность потенциалов на концах исследуемого сопротивления посредством соединения с «силовым» выходом мультиметра, а измерение падения напряжения осуществляется с помощью подключения проводов «измерительного» входа к исследуемому резистору. Использование различных проводов для подачи разности потенциалов на исследуемый резистор и измерения напряжения позволяет исключить погрешность измерения, обусловленную падением напряжения при прохождении тока по «силовым» проводам. Это позволяет повысить точность измерения сопротивления резистора.
Рис. 3. Измерение сопротивления по 4-проводной схеме
К недостаткам же 4-проводного метода следует отнести возросшую трудоемкость измерений, обусловленную увеличившимся количеством операций подключения и отключения измерительных проводов. К тому же при использовании 4 проводов труднее проводить измерения при необходимости подключения к контактной площадке, гибкому проводнику, чип-элементу или же в ограниченном пространстве. Вдобавок при коммутации четырех проводов возрастает вероятность ошибочного подключения измерительных проводов. В то же время использование двух измерительных проводов не позволяет обеспечить требуемую точность измерений.
Логическим продолжением развития технологии измерения сопротивления явилось использование метода подключения посредством использования двух комбинированных проводов измерения.
Предлагаемый фирмой Tektronix комбинированный кабель 2x4 для мультиметров серии DMM совмещает в себе удобство измерения с помощью 2-проводного метода с точностью, обеспечиваемой 4-проводным (рис. 4).
Фактически использование комбинированного кабеля 2x4 позволяет проводить измерения по 4-проводной схеме, используя всего лишь 2 провода. Каждый комбинированный кабель состоит из двух изолированных проводов: силового и измерительного. Силовые и измерительные провода надежно изолированы друг от друга внутри комбинированного кабеля на всем его протяжении. Используемые в комбинированном кабеле разъемы полностью совместимы со стандартными 4-мм разъемами типа «банан». Подключение к измеряемому элементу осуществляется посредством набора коннекторов, имеющем в своем составе щуп, зажим типа «крокодил» и зажим типа «пинцет».
Стоит особо отметить, что применение комбинированного кабеля 2x4, используемого во всех моделях мультиметров серии DMM4000 фирмы Tektronix, позволяет удачно сочетать точность измерения по 4-проводной методике с удобством 2-проводной.
Рис. 4. Схема подключения комбинированного кабеля по методу 2x4
ANALYZE ИШД
МІҐІ 1 .SBSS7£ Avg 1.610671 і 162
Мэх 1.615093 SD 30.4в91іп і 5CQQQ
* згар 1 f ЛйАМРІ.Ев'ї
міг йрмаа
dvg і.оооозг * es /ice
Рис. 5. Пример статистического отсчета
(минимальное/максимальное/среднее/стандартное отклонение)
Рис. 6. Экран гистограммы
Расширенные возможности цифровых мультиметров серии DMM4000
Анализ схем в режиме графического дисплея
Уникальный двойной дисплей приборов DMM4050/4040 позволяет измерять два различных параметра сигнала при одном подключении к тестируемой схеме. Чтобы обнаружить проблемы качества сигнала, такие как дрейф, переходные процессы и нестабильность, можно просматривать график трендов в режиме реального времени или как гистограмму, используя режим графического дисплея приборов DMM4050/4040. Можно также использовать статистику измерений, чтобы отследить, как параметры сигналов изменяются в течение длительного промежутка времени. Интегрированная обработка статистики позволяет нажатием одной кнопки вычислять среднее и стандартное отклонения измеряемых величин, а также отслеживать минимальные и максимальные взвешенные значения. Функцию статистики можно использовать при измерениях постоянного и переменного напряжения, переменного напряжения в децибелах, постоянного и переменного тока, частоты, периода, сопротивления, емкости и температуры (рис. 5). Чтобы графически отобразить среднее и стандартное отклонение в серии измерений, применяют функцию гистограммы, которая позволяет наглядно представить распределение результатов измерений (рис. 6).
Режим записи данных без использования бумаги — TrendPlot В зависимости от программы измерений параметры сигнала могут периодически изменяться. Проводя многократные измерения в течение минут, часов или дней, можно сделать количественный анализ этих изме-
АЛ2 и-Ы ДЛЙ1 VftiX E.CLOOV-КЬиМЙ -VMn IQXGJQ.- ■
STOP
ж
Рис. 7. Экран режима TrendPlot
нений. С помощью TrendPlot можно графически отобразить тенденции измеряемой величины с течением времени, как для коротких периодов, так и для длительных. Режим TrendPlot можно использовать при измерениях постоянного напряжения, постоянного тока, частоты, сопротивления и температуры. Переменное напряжение и переменный ток отображаются на графике как среднеквадратичные величины (рис. 7).
Сравнительные характеристики моделей цифровых осциллографов серии DMM4000 представлены в таблице.
Создание измерительных систем для отладки
Специальная версия программного обеспечения LabVIEW SignalExpress Tektronix Edition от National Instrument обеспечивает простоту регистрации сигналов, а также сохранение и анализ результатов измерений, полученных с помощью мультиметра. Каждый мультиметр DMM4050 и DMM4040 поставляется с бесплатной копией ограниченной версии SignalExpress для обеспечения основных средств анализа, протоколирования данных и управления прибором. Дополнительно предоставляется полная версия, имеющая более 200 встроенных функций, обеспечивающих дополнительную обработку сигналов, расширенный анализ, развертку и возможность пошаговой настройки прибора пользователем (рис. 8, 9).
SignalExpress поддерживает широкий ряд измерительных приборов Tektronix, позво-
Таблица. Сравнительные характеристики моделей цифровых осциллографов серии DMM4000
Характеристика Модель
DMM4020 DMM4040 DMM4050
Разрядность 5,5 6,5 6,5
Основная погрешность измерения напряжения постоянного тока, % 0,015 0,0035 0,0024
Режим измерения Постоянное напряжение, переменное напряжение, постоянный ток, переменный ток, сопротивление, частота, отсутствие обрывов цепи Постоянное напряжение, переменное напряжение, постоянный ток, переменный ток, сопротивление, проводимость, частота, период, отсутствие обрывов цепи Постоянное напряжение, переменное напряжение, постоянный ток, переменный ток, сопротивление, проводимость, частота, период, отсутствие обрывов цепи, температура, емкость
Режима анализа Нет TrendPlot, статистика, гистограммы TrendPlot, статистика, гистограммы
USB-порт на передней панели Нет Есть Есть
ляя объединять их в одну измерительную систему. В этом случае при помощи единого, интуитивно понятного программного интерфейса вы получаете доступ к любому прибору в системе. Это позволит автоматизировать сложные измерения (которые требуют использования многочисленных приборов, записи данных в течение длительного времени и временной корреляции данных от различных приборов), обеспечит простую регистрацию и анализ результатов — и все это с помощью ПК. Компания Tektronix предлагает решение для объединения различных устройств в измерительную систему, что даст возможность ускорить тестирование сложных проектов. ■
