Основы измерений в электронике. Источники погрешностей. Часть 3

Время чтения: 25 минут

Определение и оценка параметров лежат в основе любой инженерной или научной деятельности. Однако абсолютная точность недостижима по природе физических процессов. Подобно тому как человеческое поведение неизбежно сопровождается «грехами» (отклонениями от идеала), измеритель — от простейшего механического до высокоточного цифрового — подвержен разнообразным погрешностям. Они бывают мизерными или значительными, но полностью исключить их невозможно. Прибор всегда взаимодействует с окружающей средой, материалами, электрическими и тепловыми эффектами, которые меняются во времени, создавая ненулевую ошибку.

Электронные измерительные приборы в теории высокоточны. Но чтобы достичь максимальной точности, нужны определённые шаги, устраняющие негативно влияющие факторы. В разделе описываются частые проблемы и предлагаются рекомендации, которые помогут минимизировать или не допустить влияние источников погрешностей на результат.

Термоэлектричество — наиболее распространённая причина неточностей при измерениях постоянного напряжения (DC) низкого уровня. Термо-ЭДС возникает при выполнении соединений цепи разнородными металлами. Каждый контакт образует термопару, которая имеет электрогенерацию, возрастающую при увеличении температуры.

Следует принимать меры предосторожности, чтобы минимизировать влияние термо-ЭДС и колебание температуры при измерениях низкоуровневого напряжения. Наилучшие соединения получаются с использованием обжимных контактов медных проводников.

Проблемы возникают, когда импеданс измеряемой цепи сопоставим с входным сопротивлением измерительного прибора (Ri) на выбранном диапазоне. В этом случае Ri вместе с выходным сопротивлением источника (Rs) образует делитель напряжения, что может приводить к значительным и трудно выявляемым погрешностям. Они часто остаются незамеченными, так как эталонные источники для калибровки обычно имеют Rs, близкий к нулю.

Входное сопротивление Ri зависит от режима и диапазона измерений. Для DC-измерений оно обычно составляет от 10МОм до десятков ГОм; портативные мультиметры, как правило, имеют фиксированное Ri ≈ 10МОм.

При большом Ri входная ёмкость (Ci вместе с ёмкостью кабеля Ccable) заряжается до напряжения источника и может удерживать его после отключения сигнала. Разряд происходит через Ri или за счёт входного тока смещения ib. Это вызывает ошибки в многоканальных системах: вход «помнит» напряжение предыдущего канала.

Высокоточные приборы (лабораторные мультиметры, микро- и пикоамперметры) имеют Ri > 10ГОм. В режиме AC входной импеданс обычно ниже, порядка 1МОм, при ёмкости около 100пФ. При измерениях переменных сигналов именно входная ёмкость, включая ёмкость кабелей, становится доминирующим фактором и приводит к частотной зависимости входного импеданса.

Чаще всего возникают на сопротивлениях свыше 100кОм. Входная ёмкость прибора, кабеля и другие паразитные ёмкостные параметры в совокупности формируют неожиданно высокие значения. Время урегулирования из-за эффекта постоянной времени RC бывает довольно длительным. Некоторые прецизионные омметры/мегаомметры и многофункциональные калибраторы используют «большие» конденсаторы (от 1000пФ до 0,1мкФ) с более высокими значениями ёмкостного сопротивления для фильтрации шумовых токов, вносимых их внутренними цепями.

Влияние ёмкости кабелей иногда демонстрируют более длительное время урегулирования, чем ожидалось, из-за эффектов диэлектрической абсорбции. Оно часто формирует погрешность с линейно уменьшающимся временем, вместо ожидаемым экспоненциальным. Для лучшей точности используйте большее время после первоначального подключения, изменения диапазона или режима замеров.

Небольшие смещения возникают после изменений в соединениях или в конфигурации измерителя. Поэтому всегда давайте столько времени, сколько это практически возможно в вашем случае, чтобы стабилизировались переходные процессы в измеряемой схеме и самом приборе, прежде чем начать.

Нелинейности в цепях сигналоформирования приводят к плавно меняющимся погрешностям, и встречается это нередко. Они возникают в ВВ-делителях или делителях обратной связи усилителей, когда существуют большие различия в рассеиваемой мощности между двумя или более резисторами. Один изменяет своё значение из-за небольшого увеличения рабочей температуры ввиду самонагрева, в то время как второй остаётся постоянным, изменяя отношение делителя пропорционально квадрату входящего напряжения.

Нелинейности коэффициента мощности, как правило — главные «виновники» погрешностей, когда замеры проходят на уровнях нескольких сотен вольт. Это часто вызывает «коварные», зависящие от времени ошибки, усиления или смещения в других измерениях, выполняемых после. Это особенно актуально для измерителей, которые демонстрируют большие погрешности такого типа по крайней мере в одном диапазоне или типе исследований.

Все измерители демонстрируют некоторую конечную входную утечку или ib (смотри рисунок выше). Она вызвана цепями формирования сигнала, коммутации и защиты входа внутри устройства.

Величина ВТС будет варьироваться от пикоампер до наноампер. Он демонстрирует сильную температурную зависимость, когда прибор работает при температуре выше 30°C, зачастую удваиваясь при каждом изменении рабочей среды на 8÷10°C.

ВТС будет генерировать небольшое смещение напряжения, которое зависит от внутреннего сопротивления тестируемого устройства. Это становится особенно очевидным при R~s~>100кОм или когда рабочие условия за 30°C.

Входная ёмкость ИП «заряжается» из-за ВТС, когда вход разомкнут. Если сопротивление прибора на входе довольно велико (R~i~>10 ГОм), напряжение разомкнутой цепи будет медленно нарастать или падать по мере накопления заряда (ib * время) на C~i~. Оно продолжит меняться до тех пор, пока не будет достигнуто состояние равновесия. У неопытных электронщиков возникнет мысль, что измеритель неисправен или подвержен шумам, хотя на деле это признак высокопроизводительного прибора с высокоимпедансным входом.

Это серьёзная проблема (смотри статью «Электромагнитные помехи. Выявляем и устраняем»). Шум особенно влияет на приборы с высоким разрешением и чувствительностью. Его определяют по происхождению относительно входных соединений сигнала:

Шум возникает из-за наводок линии электропередачи, магнитной связи или помех от объекта измерений. Он бывает синусоидальным, импульсным, «цветным» или в виде любых других нежелательных сигналов.

Для снижения дифференциального шума применяется фильтрация. Она достигается разными способами: пассивными RC-фильтрами, усреднением выборки данных или использованием внутренних интегрирующих возможностей аналого-цифрового преобразователя (смотри статью «ТОП-10 узлов в схемотехнике цифровых устройств»).

Интеграция обеспечивает непрерывное измерение в течение фиксированного интервала времени, когда амплитудные изменения «усредняются». Если время интеграции включает целое число периодических шумовых циклов, шум будет полностью усреднён. Счётчик с периодом интегрирования 1/50 (1/60) сек. усреднит один полный цикл шума 50 (60) Гц, потом два 100 (120) Гц, четыре 200 (240) Гц и т. д.

Наглядно видна большая эффективность помехоподавления сетевой частоты с помощью интегрирующего аналого-цифрового фильтра по сравнению с пассивным.

Для сигналов, где шумы с частотой переменного тока питающей сети, ИАЦП обеспечивает самую высокую скорость и короткое время установления измерения, а ещё большое шумоподавление частоты сети среди всех методов.

Подавление дифф-шума указывается в децибелах как отношение напряжений. И входной шум, и погрешность должны характеризоваться одинаково — пиковое значение или среднеквадратичное. Например, пиковый показатель шума AC-тока равно 10В подаётся на ИАЦП-вход: если наблюдается изменение показаний на 100мкВ в пике, то шумоподавление рассчитывается как 20 log 10В/100мкВ=100дБ.

Синфазный шум бывает как переменного, так и постоянного тока. Но, как правило, его источник — питающая сеть. Часто возникает из-за различий потенциала общего проводника между проверяемым объектом и ИП. Синфазные помехи бывают от нескольких милливольт до сотен вольт. В идеале мультиметр должен быть полностью изолирован от цепь с заземлением. Однако, как правило, существует конечное сопротивление между «холодным» входом измерителя и «землёй».

Синфазные напряжения V~cm1~ и V~cm2~ вызовут протекание небольших токов, которые создадут погрешность из-за падения на R~b~, иногда трудно обнаруживаемую. При возникновении оно станет напряжением дифференциального шума, то есть появится на клеммах HI и LO, как и любой другой сигнал. Если дифф-шум выступает переменным током, его можно устранить путём фильтрации во входных аналоговых цепях или фильтрующей характеристикой интегрирующего АЦП, как описано ранее.

Для сравнения, большинство производителей принимают R~b~ равным 1кОм. Значения R~l~ и C~l~ первоочерёдно определяются физической конструкцией прибора, используемыми компонентами электрической защиты и схемотехникой источника питания. Степень подавление синфазных помех отображается в децибелах как 20 log VR~b~/VC~m~. Дисбаланс сопротивления 1000Ом R~b~ критичен. Если его величину уменьшить до 100Ом, подавление улучшится на 20дБ.

Погрешности из-за синфазного шума усугубляются при работе с переменным током. Частая ситуация, когда создаются паразитные синфазные напряжения, — выход системы подключён «наоборот». Он подключается напрямую к клемме LO (а не к HI!) и к земле через относительно большую ёмкость C~l~ измерителя. В идеале мультиметр показывает одинаковое значение независимо от того, как подключён источник. Однако особенности как ИП, так и источника ухудшают эту «идеальную» ситуацию. Ёмкость C~l~ будет нагружать измеритель по-разному. Величина неточности зависит от того, как он отреагирует на эту ёмкостную нагрузку.

Хорошо спроектированный мультиметр обеспечит внутреннее экранирование своих цепей, чтобы минимизировать чувствительность при неверной «полярности» подключения. Но погрешность будет увеличиваться с ростом токового напряжения и частоты.

Нередко плавающий вход ИП не даёт достаточного подавления. Это особенно актуально для мостовых измерительных схем, где выходной уровень составляет милливольты, а системное сопротивление, «видимое» обоими входными клеммами измерителя, высокое. Под экранированием подразумевается пассивный метод, используемый некоторым оборудованием для достижения дополнительного подавления синфазного шума: ставится внутренний экран, охватывающий измерительные цепи.

Предусмотрен дополнительный входной защитный терминал (GUARD), подключаемый непосредственно к внутреннему экрану в месте соединения R~g~C~g~ и R~l~C~l~. GUARD используется для обеспечения альтернативного подключения к клемме LO. Поскольку он и LO находятся практически под одним и тем же потенциалом, ток фактически протекает через R~l~C~l~.

Защитное соединение по существу шунтирует синфазный ток, существенно повышая точность. Неправильно подключённый терминал способен фактически увеличить погрешность от синфазного шума. Поэтому подключается таким образом, чтобы он и LO находились под одним потенциалом или как можно ближе к нему, уменьшая синфазный ток, который протекает через любое сопротивление, находящееся на измерительных клеммах.

При измерении в цепях, где мультиметр или осциллограф и измеряемая система привязаны к общему заземлению, образуется заземляющий контур (a). Разница потенциалов между двумя опорными точками V~cm2~ вызывает протекание тока через сигнальные проводники. Шумы и погрешности напряжения смещения, часто связанные с линией питания, будут добавляться к сигнальному входному потенциалу.

Лучший способ устранить контуры заземления — изолировать прибор от земли: по возможности не подключать к ней клеммник LO. Так получится поместить импедансы изоляции R~l~ и C~l~ последовательно с V~cm2~, ограничив паразитный ток, который будет протекать в R~b~.

Если клемма LO привязана к земле, она и измеряемая система должны быть подключены к одной и той же общей точке заземления. Это уменьшит или устранит любую разницу напряжений V~cm2~ между устройствами. А ещё их желательно подключать к одной электророзетке, если это возможно, чтобы минимизировать влияние заземляющего контура.

Если вы проводите замеры вблизи источников сильных ЭМП, примите меры предосторожности, чтобы избежать индуцирования паразитных напряжений. Движение (к примеру, вибрация) проводов или изменяющиеся во времени магнитные поля будут их генерировать и влиять на сигнал. Многие десятки нановольт генерируются плохо заделанными, неэкранированными сигнальными проводами, движущимися даже в слабом магнитном поле Земли. Уравнение ниже описывает связь между величиной индуцированного паразитного напряжения, площадью контура цепи и напряжённостью магнитного поля:

где E — величина индуцированного напряжения, а A — площадь, ограниченная входными проводами, через которые проходит магнитный поток B.

Требуется убедиться, что провода и кабели сигнальной линии надёжно закреплены при работе вблизи сильных магнитных полей. Необходимы витые пары для подключения к мультиметру, чтобы уменьшить площадь паразитной «антенны» для приёма шума из эфира и располагать провода-пробники максимально близко.

Необходима особая осмотрительность при работе вблизи проводников, по которым протекают большие токи. Необходимо использовать магнитные экраны из материалов в таблице, или же физически разделять для уменьшения проблемных источников магнитного поля.

Частое заблуждение, что «поскольку измеритель переменного тока показывает истинное среднеквадратичное значение, то конкретная форма AC-сигнала не имеет значения». В действительности она порой существенно влияет на точность.

Существует понятие пик-фактор — отношение максимальной амплитуды сигнала к его среднеквадратичному показателю. Все переменно-точные измерители имеют ограничения по своей способности измерять сигналы AC-тока, которые демонстрируют высокие коэффициенты пик-фактора (то есть их форма далека от синусоидальной).

Это обусловлено в первую очередь двумя факторами. Во-первых, схемы сигналоформирования насыщаются, искажая его до того, как он достигнет измерителя. Во-вторых, сигналы с высоким пик-фактором содержат значительную энергию в гармониках, превышающих основную частоту. Они порой находятся на частотах за пределами полосы пропускания схемы-формирователя сигнала или измерителя. Энергия в них не будет измерена точно, если вообще измерится: и это приведёт к серьёзным расхождениям в показаниях.

При работе с показателями менее 100мВ требуется знать, что замеры здесь особенно подвержены погрешностям, вносимыми посторонними источниками шума. Неэкранированный сигнальный провод будет действовать как антенна, а исправный измеритель будет учитывать полученные из эфира сигналы. Весь тракт, включая линию электропитания, ведёт себя как рамочная антенна. Циркулирующие токи в петле будут создавать паразитные наводки напряжения. По этой причине следует подавать низкоуровневое AC через экранированные кабели. Экран должен быть подключён к LO измерителя, чтобы минимизировать шумовые наводки.

Требуется также убедиться, что измеритель и AC-источник подключены к одной электророзетке, когда есть такая возможность. Следует минимизировать площадь любых контуров заземления, которых нельзя избежать. Источник с высоким импедансом более восприимчив к наводкам помех, чем с низким. Можно уменьшить его ВЧ-сопротивление, поместив конденсатор параллельно приборным клеммам.

При взаимодействии с резисторами, предназначенными для измерения температуры, или другими с большим температурным коэффициентом (ТКС, смотри статью «Как измерить резистор мультиметром»), помните, что мультиметр в режиме замеров сопротивления будет рассеивать некоторую мощность на резисторе, вызывая самонагрев и изменение его сопротивления.

Если самонагрев — критичная проблема, выбирайте следующий более высокий диапазон измерителя, чтобы уменьшить ток измерения и, следовательно, погрешности из-за рассеивания мощности до приемлемого уровня.

Они возникают при работе с большими сопротивлениями из-за влияния проводимости изоляции проводов и чистоты поверхности. Поэтому всегда нужно поддерживать чистоту предназначенной для этого измерительной системы. Провода и оснастка подвержены утечкам из-за поглощения влаги изоляционными материалами и «грязными» (оксиды, металлическая пыль, влага, токопроводные плёнки кислот, щелочей и так далее) поверхностными плёнками.

Прикосновения тоже важно минимизировать, поскольку масла и соли с кожи ухудшают характеристики изолятора. Загрязнения в воздухе часто осаждаются на поверхности изолятора, снижая его сопротивление. Нейлон и поливинлхлорид (ПВХ) выступают относительно плохими изоляторами по сравнению с изоляторами из политетрафторэтилена (ПТФЭ, он же тефлон). Утечка из нейлоновых и ПВХ-изоляторов легко вносит погрешность от 0,1% при измерении сопротивления от 1МОм во влажных условиях.

Обычные омметры бывают очень чувствительны к внешнему электромагнитному шуму при замере малых токов. Электростатическая связь через мельчайшие паразитные ёмкости тоже вносит шумовые токи, когда изменяется либо источник напряжения, либо паразитная ёмкость.

Чтобы минимизировать эффект, специальные высокоимпедансные мультиметры и омметры используют иную методологию. Мощный высоковольтный источник переменного испытательного напряжения создаёт ток в измеряемом резисторе. Он измеряется, и на основе данных о потенциале и силе вычисляется сопротивление. Поскольку все внешние соединения имеют относительно низкое сопротивление, влияние внешних шумов сведено к минимуму.

Всякий раз, когда вы подключаете мультиметр последовательно с проверяемым объектом для замеров ампеража, вносится погрешность. Она вызвана падением напряжения на мультиметре (U=I*R~i~). Оно создаётся на сопротивлении проводов и цепи токоизмерения и на шунтирующем резисторе.

Однако падение напряжения при AC больше из-за последовательной индуктивности сигнальных проводов и входных соединений. Оно растёт при увеличении частоты. Некоторые измеряемые системы осциллируют из-за этого при замерах: необходимо контролировать измерение осциллографом, чтобы убедиться, что паразитной генерации нет.

Показания ампеража при небольших значениях способны сильно искажаться, в том числе по всем рассмотренным выше причинам. Электростатическое экранирование серьёзно подавляет многие распространённые источники шума. Крепление соединительных проводов к фиксированным поверхностям уменьшает электростатический шум из-за их движения и вибрации.

Дополнительные неточности вызываются пьезоэлектрическими, трибоэлектрическими и электрохимическими эффектами в сигнальных проводах и испытательном оборудовании. Многие материалы генерируют пьезоэлектроток при приложении механического воздействия. Аналогично трибоэлектрические токи генерируются, когда трутся проводники об изоляторы, вырывая свободные электроны. Кабели, подвергающиеся вибрации, изгибу или даже термическим нагрузкам, производят небольшие трибоэлектротоки.

Ионное загрязнение материала проводников и контактов создаёт слабые электрохимические источники ЭДС, способные вырабатывать десятки или даже сотни пикоампер при неблагополучном стечении обстоятельств. Высокая влажность и температура ускоряют движение и распространение свободных ионов на громадные расстояния. Аналогично свободные ионы будут притягиваться большими положительными напряжениями смещения в испытательной установке. Ионное загрязнение чревато постоянным «ростом» относительно низкоомного проводящего пути между проводниками в схеме, когда существуют неблагоприятные условия.

На практике полностью невозможно удалить электрохимию ЭДС или паразитные проводящие пути, если есть предпосылки к их образованию. Тщательная и многократная очистка чистым спиртом и промывка деионизированной водой полезны в подобных ситуациях.