Vplyv meracích prístrojov a ich príslušenstva na meranie

 Pri meraní elektronických obvodov majú na výsledky merania vplyv aj vlastnosti použitých meracích prístrojov a príslušenstva k nim. Ide hlavne o meracie šnúry, ktoré sú zhotovené z koaxiálnych káblov s rôznymi vlastnosťami, dĺžkami a usporiadaniami šnúry. Koaxiálny kábel je úsek vedenia, ktoré má odpor, indukčnosť, kapacitu a zvod. V praxi sa používajú šnúry s dĺžkou od 0,5 m do 2 m. Meracia šnúra zhotovená z koaxiálneho kábla, ktorého dĺžka je 1 m, priemer vnútorného medeného vodiča 0,6 mm a vonkajšieho medeného obalu 6 mm izolovaného materiálom s εr = 4 má podľa vzťahov [1], [2] a [3] odpor 49 mΩ, indukčnosť 450,5 nH a kapacitu 96,7 pF.

Z vypočítaných hodnôt Rkk, Lkk a Ckk je zrejmé, že meranie neovplyvní odpor Rkk a indukčnosť Lkk, ale predovšetkým kapacita Ckk. Zvod je zanedbateľný, preto s ním nemusíme počítať. Nesmieme zabudnúť na frekvenčný rozsah merania. Obmedzíme sa na rozsah frekvencií od 10 Hz do 10 MHz. Pri vyšších frekvenciách sa začne uplatňovať vplyv skin efektu a môže dochádzať k rezonančným javom vplyvom parazitných L a C.

 Obr. 1 Bloková schéma merania

Bloková schéma merania je na obr. 1, v ktorom Rkk je odpor kábla, Lkk je indukčnosť kábla a Ckk je kapacita kábla, Cmp je vstupná kapacita meracieho prístroja a Rmp je vstupný odpor meracieho prístroja. Z blokovej schémy vyplýva, že kapacita kábla Ckk a vstupná kapacita meracieho prístroja Cmp sú zapojené paralelne a tvoria celkovú kapacitu Cc = Ckk + Cmp. Väčšina meracích prístrojov má vstupnú kapacitu približne 20 pF až 30 pF. Vstupný odpor meracieho prístroja tvorí celkový odpor Rc = Rmp. Väčšina meracích prístrojov má vstupný odpor približne 1 MΩ.

Obr. 2 Schéma zapojenia dvojbrány

Obr. 3 Amplitúdová frekvenčná charakteristika zaťaženej a nezaťaženej dvojbrány

Na obr. 2 je schéma zapojenia dvojbrány zloženej z kondenzátora C a rezistorov R1 a R2, ktorá je zaťažená kapacitou CC a odporom RC. Na obr. 3 je amplitúdová frekvenčná charakteristika dvojbrány z obr. 2 v stave naprázdno a pri zaťažení. Z AFCH je zrejmé, že vplyv CC sa začína uplatňovať už pri frekvencii 50 kHz. Hodnoty sú zhrnuté v tabuľke 1:

Z výsledkov je zrejmé, že hodnoty napäťového prenosu sa veľmi líšia od skutočných hodnôt a celý priebeh amplitúdovej frekvenčnej charakteristiky je skreslený a vplyvom parazitných kapacít nezodpovedá skutočnosti. Vplyv parazitných kapacít sa dá potlačiť na minimum použitím napäťovej sondy, ktorú tvorí kompenzovaný operačný zosilňovač, napr. UA748CD v zapojení ako sledovač, ktorého vstupný odpor je približne 100 MΩ. Tento typ operačného zosilňovača vyhovuje frekvenčnému pásmu do 10 MHz.

 Obr. 4 Dvojbrána so zaradenou napäťovou sondou

Na obr. 5 je schéma zapojenia paralelného rezonančného obvodu v konfigurácii (R–L)//C. Pomocou rezistora Rg, ktorého odpor je 100 kΩ, sme z napäťového generátora urobili prúdový generátor. Porovnajme, aký vplyv má záťaž na rezonančnú krivku. Z obr. 5 zistíme, že v stave naprázdno alebo so sondou má rezonančná frekvencia veľkosť 159,21 kHz a prenos pri nej je 0,086 dB, ale po pripojení záťaže sa rezonančná frekvencia zmení na 104,95 kHz a prenos na − 1,0076 dB. Rozdiel frekvencií je 54,26 kHz, čo predstavuje chybu 51,7 %, a rozdiel prenosu je 0,921 dB, čo predstavuje pomerne malú chybu. Pripojením meracieho prístroja pomocou kábla k rezonančnému obvodu spôsobíme jeho rozladenie a odmeriame úplne nesprávnu rezonančnú krivku a rezonančnú frekvenciu.

 Obr. 5 Schéma zapojenia paralelného rezonančného obvodu a amplitúdová frekvenčná charakteristika

K napísaniu tohto článku ma viedla príhoda s mladým kolegom, ktorý tesne po skončení školy nastúpil na miesto učiteľa merania a po meraní dvojbrány na obr. 2 konštatoval, že vracia diplom, pretože neplatí nič z toho, čo sa na vysokej škole naučil, a teória je nanič. Z tohto konštatovania vyplýva, že teória je potrebná, ale prax má nezastupiteľné miesto pri získavaní skúsenosti a poznatkov v reálnom živote elektronika. Všetky obrázky a charakteristiky v tomto článku boli urobené pomocou simulačného programu MultiSIM 13.0.1.