Zaloguj
Multimetry przenośne i laboratoryjne
Trudno byłoby wyobrazić sobie jakiekolwiek miejsce pracy elektronika bez multimetru. Przyrządy przenośne to oczywiście absolutny „must have”, niezależnie od rodzaju wykonywanej pracy – zawsze zdarzy się przecież sytuacja, w której trzeba odejść od stołu (lub wręcz pojechać w teren), a wtedy nikomu raczej nie przyda się stacjonarny multimetr z zasilaniem sieciowym. Nie zawsze warto jednak wybierać sprzęt napakowany funkcjami pomiarowymi niczym koszyczek wielkanocny – zazwyczaj w takich właśnie sprzętach materializuje się słynne powiedzenie które głosi, że „jeżeli coś jest do wszystkiego, to tak naprawdę jest do niczego”. Po prostu nie da się upakować w niewielkiej obudowie przyrządu na wskroś uniwersalnego, a zarazem stabilnego i o dużej dokładności podstawowej. Inna sprawa, że często potrzebujemy zmierzyć np. dwa napięcia jednocześnie, a wtedy przydadzą się przynajmniej dwa mierniki – dobrym wyjściem jest zatem zakup różnych modeli, z których każdy obejmie nieco inny obszar zastosowań. Jak to mówią – „w kupie siła”.
O czym często zapominają użytkownicy multimetrów? Jedną z kwestii, na które zdecydowanie warto zwrócić uwagę, jest łącze do komunikacji z komputerem. Takie rozwiązanie, na różne sposoby, implementują tacy producenci, jak Brymen czy PeakTech. Część urządzeń ma wbudowany port USB (a optoizolacja znajduje się wewnątrz obudowy miernika), inni preferują bardziej efektowne, choć jednocześnie mniej wygodne rozwiązania. Wspomniany Brymen oferuje do swoich topowych mierników zewnętrzny adapter, który na jednym końcu kabla ma zamontowaną specjalną przejściówkę optyczną – ta komunikuje się z odpowiadającym modułem wbudowanym w multimetr, więc optoizolacja jest widoczna już na pierwszy rzut oka. Przykładowy zestaw kompatybilnych ze sobą urządzeń można zobaczyć na fotografiach 1 i 2.
Tak czy inaczej – warto mieć w swoim multimetrze funkcjonalność przesyłu danych do komputera, zwłaszcza jeżeli często mierzymy jakieś parametry, z których potem musimy zbudować tabelę i/lub wykres. Drugi przykład to użycie miernika w postaci loggera danych – długotrwałe monitorowanie czujnika analogowego czy też badanie charakterystyki akumulatora w warunkach rzeczywistych zdecydowanie nie należą do zadań nadających się do manualnego wykonywania przez użytkowników o napiętym grafiku lub ograniczonej cierpliwości...
A co z multimetrami stacjonarnymi? Tutaj portfolio dostępnych modeli jest nieporównanie mniejsze, a większość sprzętów pochodzi ze stajni topowych producentów. Topowe są też ceny mierników, zwłaszcza w przypadku modeli o rozdzielczości 6,5 cyfry lub większej (fotografia 3).
Nie warto jednak dać się zwieść rozmiarom obudowy, która na pierwszy rzut oka może sugerować wyższe parametry – niektóre mierniki, mimo swojej stacjonarnej formy, oferują możliwości przeciętne nawet w zestawieniu ze średniawymi multimetrami przenośnymi. Przykład? Miernik EM8045+ marki EnergyLab (fotografia 4) – 4,5 cyfry to wynik przeciętny w tym segmencie przyrządów, szału nie ma też pod względem funkcjonalności.
Modelem tym nie zmierzymy np. rezystancji w trybie 4-przewodowym, ale w zamian za to otrzymujemy gniazdo do pomiaru pojemności (sensowne jedynie w przypadku elementów przewlekanych) i funkcję pomiaru hFE, co wprost kojarzy się z tanimi miernikami dla amatorów. Wspomniane ograniczenie w zakresie pomiarów rezystancji dotyczy także innych modeli stacjonarnych, dlatego mając na panelu czołowym kilka gniazd zawsze warto sprawdzić, do czego tak naprawdę one służą w danym rodzaju miernika. Choć oczywiście nie zawsze będziemy potrzebować funkcji pomiaru rezystancji w topologii Kelvina, to jednak często taka opcja jest niezwykle ważna – warto pamiętać o ograniczeniach, gdyż nawet niektóre mierniki renomowanych producentów (GW Instek czy BK Precision – fotografia 5) także uniemożliwiają prowadzenie pomiarów z kompensacją rezystancji połączeń.
Oscyloskop cyfrowy
O oscyloskopach napisano już bardzo wiele, również na łamach czasopisma „Elektronika Praktyczna”. Na dobrą sprawę trudno się temu dziwić – bez oscyloskopu nie da się w elektronice zajść praktycznie nigdzie. Dziś prawie nikt nie używa już poczciwych urządzeń opartych na lampach oscyloskopowych, bo ceny przyrządów cyfrowych spadły niemiłosiernie. Na najtańszy, „zabawkowy” oscyloskop (na którym jednak da się już coś zmierzyć) trzeba dziś wydać około stu złotych, podczas gdy ceny sensownych przyrządów stacjonarnych znanych producentów (np. Siglenta) oscylują już wokół 1200...1400 złotych (przykład można zobaczyć na fotografii 6).
Na rynku low-endowym najwięcej namieszały – w (z punktu widzenia odbiorców) pozytywnym tego słowa znaczeniu – właśnie firmy takie jak Siglent oraz Rigol, choć w ten sam segment nieśmiało próbują się wbić także takie marki, jak znany z multimetrów chiński UNI-T czy Hantek. Ten ostatni zresztą znacznie podciągnął się pod względem jakości, co można doskonale zaobserwować mając w rękach stare modele skopometrów sprzed kilkunastu lat i nowe modele, np. DSO2D15 (fotografia 7). Ten ostatni oferuje nie tylko przemyślany design i naprawdę niezłą ergonomię, ale także pełen zestaw funkcji znanych ze znacznie droższych sprzętów (np. dekodowanie szyn komunikacji szeregowej czy też dość zaawansowane tryby wyzwalania). Z kolei kultowa już seria Rigol DS1000Z wciąż pozostaje jedną z najczęściej spotykanych rodzin oscyloskopów – i to nie tylko na stołach amatorów, ale także w niezliczonych firmach, laboratoriach uczelnianych czy serwisach przemysłowych.
Niestety – dalsze zwiększanie budżetu nie zawsze pozwala liczyć na bezbłędne, stabilne działanie i wiarygodne wyniki pomiarów. Urządzeniom o dalekowschodnim rodowodzie zdarzają się rozmaite, ukryte „bugi” programowe lub problemy wynikające z nazbyt optymistycznego podejścia do sposobu podawania parametrów katalogowych. Przykład? Chyba wszyscy producenci oscyloskopów chwalą się na pierwszych stronach not katalogowych wartościami liczby ramek na sekundę (wfms/s). Parametr ten wprost przekłada się na prawdopodobieństwo przechwycenia rzadko występujących lub wręcz jednostkowych zdarzeń w badanym sygnale. Im więcej ramek w ciągu sekundy, tym trudniej przeoczyć podejrzanie niski impuls czy niechcianą szpilkę. Problem w tym, że niektóre oscyloskopy faktycznie są zdolne do akwizycji tysięcy ramek, ale… jedynie w krótkich, powtarzalnych paczkach, pomiędzy którymi „hula wiatr”. Wypadkowe prawdopodobieństwo złapania wadliwego przebiegu na gorącym uczynku spada więc drastycznie wraz z wydłużaniem owych przerw, które sprzęt wykorzystuje prawdopodobnie do przetwarzania danych z bufora.
Taki sposób działania jest wręcz wymuszony koniecznością cięcia kosztów w tańszych modelach oscyloskopów – trudno się spodziewać, by połowa elektroniki takiego urządzenia bazowała na okrutnie drogich, superszybkich macierzach FPGA i sprzętowym przetwarzaniu sygnałów. Zamiast tego łatwiej i taniej jest zebrać próbki za pomocą odpowiedniego zestawu przetworników ADC, wstępnie przetworzyć je w relatywnie taniej macierzy programowalnej, a następnie wypchnąć dane do procesora, który będzie już sam zajmował się np. dokonywaniem pomiarów. Z tego samego względu oscyloskopy takich producentów, jak np. Keysight mogą zaoferować prawdziwą przepustowość zgodną z wartościami wfms/s zadeklarowanymi w nocie katalogowej.
Tak jest np. w serii oscyloskopów InifiniiVision (fotografia 8), która faktycznie osiąga deklarowany milion ramek na sekundę (rysunek 1). Mało tego – nawet po włączeniu wszystkich możliwych opcji (dekodera protokołów, analizatora stanów logicznych, FFT czy pomiarów automatycznych) oscyloskop nie „przysiada” i wciąż utrzymuje zadane parametry. To wszystko zaleta sprzętowego, równoległego przetwarzania, okupionego rzecz jasna odpowiednią ceną w stosunku do „średniopółkowej” konkurencji o zbliżonych wartościach szerokości pasma i częstotliwości próbkowania.
Zasilacz laboratoryjny
Spoglądając na oferty zasilaczy laboratoryjnych w pierwszej kolejności patrzymy na limity napięcia i prądu oraz liczbę i rodzaj kanałów. Nie ma w tym nic dziwnego, wszak są to główne czynniki brane pod uwagę podczas wyboru takiego urządzenia. Często można jednak zrobić sobie nieprzyjemną niespodziankę, gdy okaże się, że zakupiony sprzęt szumi jak przysłowiowe „sto nieszczęść”. Zwykle wynika to w pierwszej kolejności z zastosowanej przez producenta topologii. Zasilacze liniowe – te klasyczne, ze sporym transformatorem, a zatem duże i relatywnie ciężkie (w stosunku do oferowanej mocy wyjściowej) pracują dość „kulturalnie”, z niewielkim poziomem szumów. Mało tego – owe szumy mają ograniczone pasmo, gdyż zamiast przetwornicy na zafalowania napięcia/prądu wyjściowego wpływa przede wszystkim prostownik. Bardziej odpowiednim parametrem do oceny będą tu zatem tętnienia.
Niezależnie od tego, jak nazwiemy zakłócenia wyjściowe, producenci i tak podają je zwykle jako jeden, sumaryczny parametr „ripple and noise”. A ten ma imponujący rozrzut wielkości. Typowy zasilacz liniowy z oferty Teledyne LeCroy (fotografia 9), Rigola czy Siglenta będzie miał zazwyczaj zakłócenia na poziomie 350 μVrms i 2 lub 3 mVpp.
Gorzej jeżeli zdecydujemy się na kompaktowego malucha o budowie impulsowej. Taki zasilacz (przykład z oferty chińskiej marki UNI-T uwieczniono na fotografii 10) może już „wypluwać” na wyjście nawet 50 mVpp, ale coś za coś – trudno byłoby w urządzeniu o wymiarach porównywalnych z typowym generatorem 2-kanałowym zmieścić zasilacz liniowy o mocy rzędu 600 W (tyle bowiem oferuje model UDP6953B). Za krótka kołdra zawsze da o sobie znać – albo decydujemy się na sygnałowy hałas na liniach zasilania, ale oszczędzamy miejsce na stole (i własny kręgosłup, w razie przemeblówki pracowni), albo wybieramy sprzęt ciężki i raczej nieporęczny (zwykle też dość długi, co zabiera cenne centymetry kwadratowe powierzchni blatu), ale przynajmniej „grzecznie” zbliżający się do niskoszumnego ideału.
Wraz z ceną zwiększa się zwykle także dokładność i rozdzielczość regulacji napięcia oraz prądu. I w tym miejscu warto wyraźnie podkreślić, że te dwie wielkości wcale nie muszą iść w parze – o ile dokładność dotyczy bowiem faktycznej zdolności do utrzymywania zadanych wartości U/I, to już rozdzielczość zależy m.in. od zastosowanego systemu sterowania końcówką mocy zasilacza, rozdzielczości wyświetlacza, etc. Może się zatem zdarzyć, że zasilacz o bardzo przyzwoitym wskaźniku napięcia (z rozdzielczością na poziomie pojedynczych miliwoltów) w rzeczywistości nawet nie zbliży się do prezentowanej wartości. Zawsze trzeba więc zajrzeć do noty katalogowej i sprawdzić, czy (przynajmniej wg deklaracji producenta) wysoka rozdzielczość regulacji faktycznie koresponduje z dobrą dokładnością stabilizacji parametrów.
Źródło mierzące
Gwoli ścisłości należy wspomnieć, że w praktyce raczej rzadko będzie potrzebne źródło o bardzo wysokiej dokładności i niskich szumach, a zarazem o dużym prądzie wyjściowym (rzędu 10 A lub więcej). W przypadku gdy dokładność i precyzja nastaw, a także bardzo niskie szumy grają pierwsze skrzypce, trzeba zwrócić się ze swoimi poszukiwaniami w kierunku tzw. źródeł mierzących, czyli SMU (Source Measure Unit). Tego typu urządzenia – bajecznie drogie w porównaniu z nawet najlepszymi zasilaczami laboratoryjnymi – pozwalają z niebywałą dokładnością kontrolować parametry badanego elementu lub obwodu, a to okazuje się fundamentem m.in. w badaniach półprzewodników.
Przykład z życia wzięty? Proszę bardzo. Model B2902B marki Keysight (fotografia 11) umożliwia zasilanie i mierzenie napięć do 210 V DC i prądów do 3 A DC (10,5 A w impulsie), przy czym rozdzielczości pomiaru prądu wynoszą 100 fA/100 nV, zaś w trybie źródła jest to odpowiednio 1 pA i 1 μV. Warto dodać, że jest to przyrząd o wskazaniu 6,5 cyfry, czyli oferujący jakość pomiarów na poziomie porównywalnym z wysokiej klasy multimetrami laboratoryjnymi. Podczas pracy w trybie źródła parametr ten spada do „zaledwie” 5,5 cyfry. A ile trzeba zapłacić za takie cudeńko? Jeden z największych dystrybutorów policzył sobie za nie około 70 tysięcy złotych brutto.
Obciążenie elektroniczne
Przyrządem absolutnie niezbędnym podczas testów różnego rodzaju urządzeń zasilających bądź sterujących jest obciążenie programowalne. Tego rodzaju sprzęt jest dostępny w ofertach większości dużych producentów aparatury i oferuje zwykle szereg możliwości sterowania charakterem symulowanego obciążenia (tryb stałego napięcia, prądu, rezystancji lub mocy) oraz jego parametrami czasowymi (obciążenie stałe, pulsacyjne o regulowanej szybkości narastania/opadania, etc.). Przykładowe urządzenie marki Rigol trafiło na fotografię 12 – charakterystyczne zaciski wysokoprądowe są powszechnie stosowane także w innych obciążeniach elektronicznych, zaś dodatkowe gniazda bananowe (4 mm w wersji bezpiecznej) zostały tu użyte do realizacji zewnętrznego sensingu. Rozwiązanie to jest niezbędne, by móc wiarygodnie mierzyć parametry obciążenia (i sterować nimi) – bez uwzględnienia spadku napięcia na kablach połączeniowych dokładność w trybie stałego napięcia lub mocy byłaby bowiem żałośnie niska.
Trzeba w tym miejscu wyraźnie podkreślić bardzo istotny fakt. Znakomita większość obciążeń elektronicznych jest dostosowana do pracy z napięciami i prądami stałymi, co całkowicie dyskwalifikuje je np. w takich zastosowaniach, jak testy wyjść falowników czy chociażby transformatorów sieciowych. Na rynku można wprawdzie znaleźć także zaawansowane urządzenia zdolne do pracy zarówno z sygnałami DC, jak i AC, jednak przeważnie są to sprzęty dużej mocy, zdecydowanie nie nadające się do pracy na typowym stole laboratoryjnym – chociażby ze względu na spore rozmiary, dostosowane do montowania w szafach typu rack. Przykład można zobaczyć na fotografii 13. Warto dodać, że – w zależności od wersji – urządzenia z zaprezentowanej na zdjęciu serii mogą pracować z mocą do 15 kVA, dlatego producent zdecydował się na zastosowanie w nich interesującego rozwiązania. Polega ono na spożytkowaniu odbieranej ze źródła energii – zamiast rozpraszać ją w postaci ciepła, urządzenie korzysta z dostarczonej mocy do zasilania własnych obwodów oraz chłodzenia.
Generator funkcyjny
Kolejnym przyrządem niezbędnym w każdej pracowni jest generator funkcyjny. Dziś coraz rzadziej można już spotkać nowe modele prostszych generatorów funkcyjnych (zdolnych do generowania podstawowych przebiegów, czyli sinusa, prostokąta, piły i trójkąta).
Zdecydowanie częściej mamy do czynienia z generatorami arbitralnymi, które cyfrowo syntezują dowolny przebieg – ograniczeniem jest jedynie pasmo i pojemność pamięci oraz – oczywiście – częstotliwość próbkowania. Najtańsze generatory stacjonarne mają przeważnie częstotliwość sygnału wyjściowego ograniczoną do 10...20 MHz (wartość ta dotyczy zwykle sinusa, gdyż przebiegi o wyższej zawartości harmonicznych muszą siłą rzeczy mieć niższą częstotliwość maksymalną). Najczęściej spotykane są urządzenia dwukanałowe, jednak i tutaj pojawiają się na rynku obiecujące zmiany. Nie chodzi tylko o bardzo kosztowne, specjalistyczne generatory 4- czy 8-kanałowe (fotografia 14), przeznaczone głównie dla użytkowników pracujących w laboratoriach badawczo-rozwojowych (np. nad symulacjami radarów czy zaawansowanymi technikami obrazowania).
Jak się okazuje, po odpowiednio skrupulatnym przeszukaniu dostępnej oferty rynkowej można znaleźć np. takie „kwiatki”, jak model MFG-2260MRA marki GW Instek (fotografia 15).
Choć urządzenie to ma zaledwie dwa kanały główne (czyli pod tym względem nie różni się od większości generatorów z dolnej i średniej półki cenowej), to jego projektanci wzbogacili konstrukcję o szereg funkcji dodatkowych. Gniazdo oznaczone kolorem czerwonym udostępnia przebieg w.cz. (do 320 MHz!), zaś gniazdo fioletowe – sygnał impulsowy. Jakby tego było mało, na tylnym panelu (fotografia 16) znalazł się... jednokanałowy wzmacniacz mocy (do 100 kHz, 20 W). Obecnie jest to najprawdopodobniej jedyne tego typu urządzenie na rynku, które oprócz zwykłych kanałów arbitralnych oferuje tak szeroki zakres funkcjonalności wspierających główne wyjścia sygnałowe.
A to wciąż nie wszystko...
Niniejszy artykuł to zaledwie skromny wstęp do niewyczerpanej tematyki, jaką jest współczesna aparatura pomiarowa. W każdej z 6 subiektywnie wybranych kategorii wskazaliśmy po kilka zagadnień, które należy brać pod uwagę podczas wyboru sprzętu – a przecież parametrów, funkcji dodatkowych czy unikalnych cech ważnych z punktu ergonomii bądź użyteczności są setki, czy wręcz tysiące. Jeżeli rozszerzylibyśmy materiał o całą klasę sprzętu do badań RF (generatory sygnałowe RF, analizatory widma, analizatory wektorowe, odbiorniki pomiarowe, komory TEM i GTEM, wzmacniacze mocy, przedwzmacniacze RF, sondy pola bliskiego), modułowe i biurkowe systemy akwizycji danych (DAQ), analizatory stanów logicznych, testery bezpieczeństwa elektrycznego (do pomiaru prądów upływu, rezystancji izolacji czy parametrów uziemienia), przyrządy do pomiaru sieci energetycznej, mierniki zniekształceń harmonicznych, czy wreszcie coraz popularniejsze ostatnimi czasy testery baterii, to wypełniłby on całe wydanie EP, a i tak nie objąłby wszystkich możliwych zagadnień. Eksplorację bogatego (i kosztownego) świata aparatury pomiarowej zostawiamy więc zainteresowanym Czytelnikom.
Jakub Nowicki, EP
