اصول كالیبراسیون كمیت های الكتریكی

اصول كالیبراسیون كمیت های الكتریكی- کالیبراسیون مولد سیگنال Function Generators با توجه به وظایف و هر بخش انجام می شود تا درصد خطا در اجرای یک عمل را به حد اقل برسد. این شرایط و عومال را در ادامه بررسی می کنیم.

وظایف عملکردی مولدهای سیگنال

تولید کننده سیگنال های الکتریکی با دامنه و فرکانس متغیر (تا  20MHz) و شکل موج های مختلف  هستند. معمولا سیگنال های سینوسی، مثلثی، دندانه اره ای ویا مستطیلی و همچنین سیگنال های مدوله شده  AM و FM تولید می کنند.
 مولدهای سیگنال، همچنین می توانند پالس های مثبت و منفی تولید کنند که مشخصه های آن به صورت زیر است:

• پایداری فرکانسی آن ها بطور نوعی 0.05 %‌است.
• امپدانس خروجی آن ها معمولا 50 Wاست.
• درستی آنها معمولا در فرکانس های پایین 0.01% تا  1%  است.
• اعوجاج در خروجی سینوسی آنها بطور نوعی کمتر از 1%  است.
• توانایی ایجاد Offset معمولا از -5 V تا 5 V را دارند.

مشخصه درستی مولدهای سیگنال

مولدهای سیگنال معمولا براساس درستی در دامنه به دو کلاس درستی تقسیم می شوند:

1. درستی پایین (Low Accuracy)
2. درستی دامنه سیگنال تولیدی آنها حداقل Setting 1 % است
3. درستی بالا (High Accuracy)
4. درستی دامنه سیگنال تولیدی آن ها کمتر از 1% Setting است
5. دامنه روش  Scope

روش کالیبراسیون مولدهای سیگنال  که در این مطلب ارائه می شود، منطبق با  راهنمای منتشره توسط VDI ,VDE ,DGQ و DKD آلمان با شماره DKD 2622-Part 5 است و این روش، پوشش دهنده کالیبراسیون مولدهای سیگنال تا فرکانس 20MHz است.
دامنه (Scope) این روش در برگیرنده پارامترهای زیر است:

• کالیبراسیون فرکانس
• کالیبراسیون دامنه
• تعیین پاسخ فرکانسی
• تعیین DC Offset
• تعیین اعوجاج هارمونیک (Harmonic Distortion)
• تعیین زمان خیز (Rise Time) و زمان سقوط (Fall Time) سیگنال های مستطیلی

آماده سازی برای کالیبراسیون مولد سیگنال

معمولا فعالیت های قبل از انجام کالیبراسیون بقرار زیر است:

• بازرسی چشمی و بررسی وضعیت عمومی مولد سیگنال
• بررسی تمامی وظایف مرتبط با کالیبراسیون
• بررسی سطحی تمامی سیگنال های خروجی در کل گستره فرکانسی با استفاده از اسیلوسکوپ  و در صورت آشکار شدن هرگونه خرابی در وظایف یا امکان بروز مشکل ایمنی برای کاربر در حین کار، ابتدا بایستی مشکلات برطرف شود .
• برقراری شرایط محیطی (مثل دما و رطوبت) متناسب با رده کالیبراسیون
• تمامی دستگاه های اندازه گیری مرجع و مولد سیگنال تحت کالیبراسیون روشن و تا پایداری حرارتی آن ها بایستی صبر کرد (بطور مثال ازروی مشخصات سازنده)

کالیبراسیون فرکانس مولد سیگنال

مداری متشکل از شمارنده فرکانس (Frequency Counter) بعنوان دستگاه استاندارد مرجع و مولد فرکانس تحت کالیبره را   با لحاظ کردن تمامی الزامات مربوط به تجهیزات الکتریکی ببندید.
کالیبراسیون را در 3 فرکانس، معادل با 10% ، 50 % و 100% حدبالای فرکانس همان گستره انجام داده و مقادیر را ثبت کنید.
در صورتیکه مولد سیگنال دارای چندین گستره فرکانسی باشد، کالیبراسیون را برای تمامی گستره ها انجام دهید
برای کالیبراسیون، از سیگنال با شکل موج مستطیلی استفاده کنید تا ازتاثیر خطای ناشی از تریگر شمارنده فرکانس استاندارد مرجع جلوگیری شود.

کالیبراسیون  دامنه مولد سیگنال

مداری متشکل از  مولتی متر دیجیتالی با درستي کافی بعنوان دستگاه استاندارد مرجع و مولد فرکانس تحت کالیبره رابا لحاظ کردن تمامی الزامات مربوط به تجهیزات الکتریکی ببندید.
کالیبراسیون را با سیگنالی سینوسی خروجی با فرکانس 1KHz  انجام دهید.
امپدانس ورودی ولتمتر دیجیتالی استاندارد بایستی با امپدانس خروجی مولد سیگنال یکسان باشد (معمولا ۵۰ اهم)
مقدار موثر ولتاژ (RMS) را باستفاده از ولتمتر دیجیتال استاندارد قرائت و ثبت کنید.
نقاط کالیبراسیون، بیشترین و کمترین مقادیر ولتاژ در هر گستره دامنه مولد سیگنال هستند.
معمولا اگر امپدانس ورودی ولتمتر استاندارد بزرگ باشد (بزرگتر از ۱ گیگا اهم)، از یک مقاومت ۵۰ اهمی که به خروجی مولد سیگنال وصل شده و ولتاژ دو سر آن توسط ولتمتر اندازه گیری می شود استفاده می کنند. اثر مقاومت ۵۰ اهمی در این مدار قابل صرف نظر است.

کالیبراسیون پاسخ فرکانسی مولد سیگنال

مداری متشکل از اسيلوسکوپ  بعنوان دستگاه استاندارد مرجع و مولد فرکانس تحت کالیبره رابا لحاظ کردن تمامی الزامات مربوط به تجهیزات الکتریکی ببندید.
از سیگنال سینوسی برای بررسی پاسخ فرکانسی مولد سیگنال استفاده کنید.
مشابه با آنچه  در کالیبراسیون اسیلوسکوپ ها برای تعیین پاسخ فرکانسی انجام می شود، ابتدا در فرکانس پایین دامنه را روی 100% درجه بندی صفحه اسیلوسکوپ استاندارد مرجع تنظیم و سپس فرکانس را آنقدر بالا ببرید تا دامنه سیگنال برروی صفحه اسیلوسکوپ به 70.7%(3dB) کاهش پیدا کند. فرکانس مزبور را با مقدار مشخص شده در مشخصات فنی سازنده یا با رواداری کاربرد مورد نظر مقایسه کنید.
برای رسم پاسخ فرکانسی در حداقل 5 نقطه در گستره فرکانسی مقادیر دامنه را ثبت و برحسب فرکانس رسم کنید.

تعیین مقدار  DC Offset مولد سیگنال

مداری متشکل از مولتی متر دیجيتالی با درستي کافی بعنوان دستگاه استاندارد مرجع و مولد فرکانس تحت کاليبره و یک فيلتر پایين گذر (LPF) که بین دو دستگاه مزبور قرار می گیرد رابا لحاظ کردن تمامی الزامات مربوط به تجهیزات الکتریکی ببندید.
(در صورت امکان) از سیگنال سینوسی با فرکانس 100 KHz در خروجی مولد سیگنال استفاده کنید.
برای کاهش اثرات ولتاژهای متناوب  فرکانس بالا از فیلتر پایین گذر (LPF) می توانید استفاده کنید.
ابتدا بازای سیگنال متناوب با دامنه های مختلف، بیشترین مقدار ولتاژ مستقیم را که توسط ولتمتر دیجیتالی قرائت می شود، ثبت کنید.
در حالت ایده آل مقدار آن بایستی صفر یا کمتر از مقدار DC Offset مولد تحت کالیبره که سازنده گفته، باشد

تعیین اعوجاج هارمونیک مولد سیگنال

اعوجاج هارمونیک  کل یا THD يک سیگنال، نسبت مجموع توان تمامي مولفه های هارمونيک به توان فرکانس پایه (معمولا 50 هرتز) است. برای سیگنال های ولتاژ این نسبت می تواند بجای توان سيگنال براساس توان دوم ولتاژ یا RMS آن محاسبه شود.
اعوجاج هارمونیک، بایستی برای فرکانس های بالای  10Hz با دامنه 1V تعیین شود و توصیه میشود از آشکارساز هارمونیک (Harmonic Detector) برای فرکانس های بین 10Hz تا 100KHz و از  تحلیل گر طیف (Spectrum Analyzer) برای فرکانس های بالاتر از 100KHz مطابق شکل زیر استفاده کنید. تحليل گر طیف برای اندازه گیري توان سیگنال ها در فرکانس های مختلف است.
در هریک از محدوده های فرکانسی گفته شده در بالا ،دو اندازه گیری انجام دهید. معمولا میزان اعوجاج مولدهای سیگنال حدود  50dB - می باشد.
تعیین زمان خیز (Rise Time) و زمان سقوط (Fall Time) سيگنال های مستطيلی  
 مشخصه های زمان خيز و زمان سقوط سیگنال مستطیلی مولد سیگنال را بااستفاده از یک اسیلوسکوپ در فرکانس های مختلف  با تعیین فاصله زمانی بین دامنه 10% تا 90% برای زمان برقراری و بین 90% تا 10% برای زمان سقوط سیگنال خروجی مستطیلی مطابق شکل زیر تعیین کنید.

عوامل موثر در عدم قطعیت اندازه گیری دامنه سیگنال خروجی

فرض کنيد برای کالیبراسیون دامنه مولد های سیگنال، مقدار RMS سیگنال خروجی سینوسی آن ها در فرکانس 1KHz با یک ولتمتر استاندارد مرجع در دو سر یک مقاومت ۵۰ اهمی اندازه گیری می شود. برای این روش کاليبراسیون عوامل موثر (کميت های ورودی) بر عدم قطعیت نتيجه کالیبراسيون

1. نتیجه آخرین کالیبراسیون ولتمتر استاندارد مرجع ( درج شده در گواهی کالیبراسیون)
2. رانش بلندمدت ولتمتر استاندارد از زمان آخرین کالیبراسیون (طبق مشخصات سازنده)

قدرت تفکیک ولتمتر استاندارد

• عدم قطعیت  تکرار اندازه گیری (معمولا ۱۰ بار تکرار)
• انطباق امپدانس های خروجی مولد سیگنال و ورودی ولتمتر استاندارد
• در صورتیکه مقاومت ورودی ولتمتر استاندارد بیشتر از ۱ گیگا اهم باشد، از اثر مقاومت ۵۰ اهمی که ولتاژ در دو سر آن اندازه گیری می شود می توان صرف نظر کرد.
• شرکت تجهیزات اندازه گیری بهروز مفتخر به ارائه بهترین و با کیفیت ترین محصولات در زمینه کالیبراسیون، مولتی متر، اسیلوسکوپ، سیگنال ژنراتور و دیگر تجهیزات آزمایشگاهی می باشد.