การทดลองที่ 2
การเปรียบเทียบคุณลักษณะเครื่องวัด
และการวัดค่าทางไฟฟ้าของ Non-Sinusoidal Signal
อุปกรณ์ประกอบการทดลอง
1.) Digital Multimeter (UNI-T รุ่น UT 30C) 1 เครื่อง
4.) True RMS Multimeter ยี่ห้อ Fluke รุ่น 115 1 เครื่อง
5.) Digital Oscilloscope แบบ 4channel 150MHz 200MS/s-100GS/s ยี่ห้อ Metrix รุ่น mtx 3354 1 เครื่อง
6.) Junction box 1 กล่อง
7.) Function generator ยี่ห้อ Instek รุ่น GFG-8020H 1 เครื่อง
8.) สาย Probe x1 2 เส้น
ทฤษฎี
มัลติมิเตอร์แบบอนาลอกจะกินกำลังเล็กน้อยจากวงจรที่ทดสอบ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีความไวอย่างน้อย 20kΩ/V ไม่เช่นนั้นแล้วอาจจะมีผลทำให้วงจรที่ทดสอบผิดปกติและ ค่าที่อ่านได้ไม่ถูกต้องสำหรับรายละเอียด เรื่องความไว ด้านล่างแบตเตอรี่ภายในมิเตอร์มีไว้สำหรับพิสัยการวัดความต้านทาน ใช้ได้นานเป็นปี แต่ต้องไม่ให้สายมิเตอร์แตะกัน หากตั้งพิสัยการวัดความต้านทานไว้เพราะจะทำให้แบตเตอรี่หมดและเพื่อป้องกันแบตเตอรี่หมดเร็วเมื่อเลิกใช้งาน ควรปรับตั้งไว้ที่ตำแหน่งอื่นๆหรือตำแหน่งปิดพิสัยการวัดธรรมดาทั่วไปสำหรับมัลติมิเตอร์แบบอนาลอก(เหมือนตัวในรูป) (ค่าแรงดันและกระแสที่ให้นี้เป็นค่าที่อ่านได้สูงสุดในแต่ละพิสัย)
· แรงดัน DC: 0.5V, 2.5V, 10V, 50V, 250V, 1000V
· แรงดัน AC: 10V, 50V, 250V, 1000V
· กระแส DC: 50µA, 2.5mA, 25mA, 250mA ปกติมิเตอร์แบบนี้จะไม่มีพิสัยวัดกระแสสูง
· กระแส AC: ไม่มี (ไม่จำเป็นที่จะวัด)
· ความต้านทาน: 20Ω, 200Ω, 2kΩ, 20kΩ, 200kΩ ค่านี้เป็นค่าความต้านทานที่กลางสเกลของแต่ละพิสัย
ในกรณีที่ไม่มีตำแหน่งปิด (Off) เป็นความคิดที่ดีหากจะตั้งมัลติมิเตอร์แบบอนาลอกไว้ที่พิสัยการวัดแรงดันกระแสตรงเช่น 10V เมื่อเลิกใช้งานเพราะโอกาสที่จะเสียหายอันเกิดจาการวัดผิดพิสัยนี้มีน้อยกว่าและใช้ได้เลยในการวัดครั้งต่อไป เนื่องจากพิสัยนี้จะถูกใช้มากที่สุด
ความไวของมัลติมิเตอร์แบบอนาลอก
มัลติมิเตอร์ต้องมีความไวอย่างน้อย 20kΩ/V ไม่เช่นนั้นแล้วความต้านทานในพิสัยการวัดแรงดันกระแสตรงจะต่ำเกินไป อาจทำให้มีผลต่อวงจรที่ทดสอบและค่าที่อ่านได้ผิดพลาด ดังนั้นเพื่อให้อ่านค่าได้ถูกต้องค่าความต้านทานมิเตอร์ต้องสูงกว่าความต้านทานของวงจรอย่างน้อย 10 เท่า (ค่าความต้านทานสูงสุดของวงจรตรงจุดที่ต่อมิเตอร์ทดสอบ) เราสามารถเพิ่มความต้านทานของมิเตอร์ได้โดย การเลือกพิสัยแรงดันที่สูงกว่า แต่อาจจะทำให้การอ่านค่าน้อยๆได้ไม่เที่ยงนัก ที่พิสัยการวัดแรงดันกระแสตรงใดๆ ความต้านทานของมิเตอร์แบบอนาลอก = ความไว × ค่าอ่านสูงสุดของพิสัยเช่นมิเตอร์ที่มีความไว20kΩ/V ที่พิสัย10V จะมีความต้านทาน 20kΩ/V×10V=200k สำหรับมัลติมิเตอร์แบบดิจิตอลแล้วจะต่างออกไปคือค่าความต้านทานทุกพิสัยการวัดแรงดันกระแสตรงจะคงที่อย่างน้อยก็ 1MΩ(ส่วนมาก10MΩ) ซึ่งมากพอสำหรับการวัดทดสอบได้กับ วงจรทุกรูปแบบ
มัลติมิเตอร์แบบดิจิตอล
ดิจิตอลมิเตอร์แทบทุกชนิดใช้กำลังงานจากแบตเตอรี่จึงไม่มีการกินกำลังจากวงจรที่ทดสอบนั่นหมายถึงว่าในพิสัยแรงดันกระแสตรงมีความต้านทาน สูงมาก (ปกติเรียกว่าอิมพิแดนซ์ด้านเข้า) ประมาณ 1MΩหรือสูงกว่า เช่น 10MΩและจะไม่เกิดผลต่อวงจรที่ทำการทดสอบพิสัยการวัดธรรมดาทั่วไปสำหรับมัลติมิเตอร์แบบดิจิตอล(เหมือนตัวในรูป)(ค่าที่ให้นี้เป็นค่าที่อ่านได้สูงสุดในแต่ละพิสัย)
มัลติมิเตอร์ต้องมีความไวอย่างน้อย 20kΩ/V ไม่เช่นนั้นแล้วความต้านทานในพิสัยการวัดแรงดันกระแสตรงจะต่ำเกินไป อาจทำให้มีผลต่อวงจรที่ทดสอบและค่าที่อ่านได้ผิดพลาด ดังนั้นเพื่อให้อ่านค่าได้ถูกต้องค่าความต้านทานมิเตอร์ต้องสูงกว่าความต้านทานของวงจรอย่างน้อย 10 เท่า (ค่าความต้านทานสูงสุดของวงจรตรงจุดที่ต่อมิเตอร์ทดสอบ) เราสามารถเพิ่มความต้านทานของมิเตอร์ได้โดย การเลือกพิสัยแรงดันที่สูงกว่า แต่อาจจะทำให้การอ่านค่าน้อยๆได้ไม่เที่ยงนัก ที่พิสัยการวัดแรงดันกระแสตรงใดๆ ความต้านทานของมิเตอร์แบบอนาลอก = ความไว × ค่าอ่านสูงสุดของพิสัยเช่นมิเตอร์ที่มีความไว20kΩ/V ที่พิสัย10V จะมีความต้านทาน 20kΩ/V×10V=200k สำหรับมัลติมิเตอร์แบบดิจิตอลแล้วจะต่างออกไปคือค่าความต้านทานทุกพิสัยการวัดแรงดันกระแสตรงจะคงที่อย่างน้อยก็ 1MΩ(ส่วนมาก10MΩ) ซึ่งมากพอสำหรับการวัดทดสอบได้กับ วงจรทุกรูปแบบ
มัลติมิเตอร์แบบดิจิตอล
ดิจิตอลมิเตอร์แทบทุกชนิดใช้กำลังงานจากแบตเตอรี่จึงไม่มีการกินกำลังจากวงจรที่ทดสอบนั่นหมายถึงว่าในพิสัยแรงดันกระแสตรงมีความต้านทาน สูงมาก (ปกติเรียกว่าอิมพิแดนซ์ด้านเข้า) ประมาณ 1MΩหรือสูงกว่า เช่น 10MΩและจะไม่เกิดผลต่อวงจรที่ทำการทดสอบพิสัยการวัดธรรมดาทั่วไปสำหรับมัลติมิเตอร์แบบดิจิตอล(เหมือนตัวในรูป)(ค่าที่ให้นี้เป็นค่าที่อ่านได้สูงสุดในแต่ละพิสัย)
· แรงดัน DC: 200mV, 2000mV, 20V, 200V, 600V
· แรงดัน AC: 200V, 600V
· กระแส DC: 200µA, 2000µA, 20mA, 200mA, 10A (พิสัย 10A ปกติไม่ผ่านฟิวส์ และต้องต่อวัดกับช่องเสียบแยกต่างหาก)
· กระแส AC: ไม่มี (ไม่จำเป็นที่จะวัด)
· ความต้านทาน: 200Ω, 2000Ω, 20kΩ, 200kΩ, 2000kΩ, ทดสอบไดโอด
หมายเหตุ มัลติมิเตอร์แบบดิจิตอลจะมีพิสัยเฉพาะสำหรับทดสอบไดโอดทั้งนี้เพราะว่าพิสัยความต้านทานของมิเตอร์แบบนี้ไม่สามารถใช้ทดสอบไดโอดและอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำอื่นๆได้
การวัดแรงดันและกระแสด้วยมัลติมิเตอร์
ขั้นตอนในการทำงาน
ขั้นตอนในการทำงาน
1. เลือกพิสัยการวัดที่คาดว่าสูงกว่าค่าแรงดันที่เราจะวัด
2. ต่อมิเตอร์ โดยต้องแน่ใจว่าถูกขั้ว
3. มิเตอร์แบบดิจิตอลต่อผิดขั้วไม่เป็นไร แต่มิเตอร์แบบอนาลอกหากกลับขั้วจะทำให้เสียหายได้
2. ต่อมิเตอร์ โดยต้องแน่ใจว่าถูกขั้ว
3. มิเตอร์แบบดิจิตอลต่อผิดขั้วไม่เป็นไร แต่มิเตอร์แบบอนาลอกหากกลับขั้วจะทำให้เสียหายได้
True RMS Multimeter : เป็นมัลติมิเตอร์ที่วัดค่า RMSที่สัญญาณไฟรูปคลื่นใดๆก็ตามได้ถูกต้อง
True RMS AC+DC Multimeter :เป็นมัลติมิเตอร์ที่วัดค่าให้ได้ค่าออกมาถูกต้องที่สุดในกรณีที่สัญญาณไฟสลับไม่ได้เป็นรูป sine wave ที่สมบูรณ์ โดยจะนำค่าที่วัดส่วนของไฟฟ้า D.C. มารวมกับค่าที่วัดได้ของส่วน A.C. จึงได้เป็นค่าที่ถูกต้องที่สุด
Function Generator :เป็นเครื่องกำเนิดสัญญาณที่มีการใช้งานอย่างกว้างขวาง เนื่องจากฟังก์ชันเจนเนอร์เรเตอร์สามารถ ผลิตสัญญาณออกมาหลายรูปแบบให้เลือกตามงานที่ใช้ เช่น สัญญาณรูปคลื่นซายน์ (Sine Wave) สัญญาณรูปคลื่นสี่เหลี่ยม (Square wave) สัญญาณรูปคลื่นสามเหลี่ยม (Triangle ware) สัญญาณรูปคลื่นสัญญาณฟันเลื่อย (Sawtooth wave) สัญญาณรูปคลื่นพัลส์ (Pulse wave) ซึ่งฟังก์ชันเจนเนอร์เรเตอร์สามารถผลิตรูปสัญญาณคลื่นออกมากว้าง ตั้งแต่ความถี่ต่ำไปจนถึงหลายเมกกะเฮิรตซ์ (MHz)
Function Generator :เป็นเครื่องกำเนิดสัญญาณที่มีการใช้งานอย่างกว้างขวาง เนื่องจากฟังก์ชันเจนเนอร์เรเตอร์สามารถ ผลิตสัญญาณออกมาหลายรูปแบบให้เลือกตามงานที่ใช้ เช่น สัญญาณรูปคลื่นซายน์ (Sine Wave) สัญญาณรูปคลื่นสี่เหลี่ยม (Square wave) สัญญาณรูปคลื่นสามเหลี่ยม (Triangle ware) สัญญาณรูปคลื่นสัญญาณฟันเลื่อย (Sawtooth wave) สัญญาณรูปคลื่นพัลส์ (Pulse wave) ซึ่งฟังก์ชันเจนเนอร์เรเตอร์สามารถผลิตรูปสัญญาณคลื่นออกมากว้าง ตั้งแต่ความถี่ต่ำไปจนถึงหลายเมกกะเฮิรตซ์ (MHz)
Digital Oscilloscope
หลักการทำงาน
1. แทนแรงดันของสัญญาณที่ทำการวัดนั้นๆด้วยค่าดิจิตอล ซึ่งดิจิตอลออสซิลโลสโคปจะจับสัญญาณโดยเรียกตามลำดับการจับ
2. ทำการบันทึกจุดที่จับซึ่งจำนวนจุดจับสัญญาณที่มากก็จะทำให้รายละเอียดที่ดีของสัญญาณที่ทำการวัด
3. นำจุดเหล่านั้น ไปวางบนหน้าจอแสดงผลรูปสัญญาณหรือการแซมปลิ้งค่า (Sampling) ระบบ Digital Storage Oscilloscope (DSO) คือ พื้นฐานของดิจิตอลออสซิลโลสโคปในปัจจุบัน อย่างไรก็ตามหน้าจอที่ใช้ในการแสดงผลที่นิยมใช้นั้น มักจะไม่ใช่จอแสดงผลแบบสารเรืองแสงแบบเดิมแล้ว แต่จะใช้แบบ Rater- type screen ดิจิตอลออสซิลโลสโคปในปัจจุบันนั้นมีความสามารถที่สูงขึ้นแสดงผลในหน้าจอแบบ LCD ที่มีทั้งมีสี และแบบขาวดำ
การประยุกต์ใช้งาน
ไม่ว่าจะเป็น Analog หรือ Digital ออสซิลโลสโคปจะมีรูปแบบที่แตกต่างกันแล้วแต่การนำไปใช้บ่อยครั้งที่ใช้ Analog ออสซิลโลสโคปจะถูกใช้การแสดงผลสัญญาณที่มีการเปลี่ยนแปลงที่รวดเร็ว (Real-time) ซึ่งมันจะใช้หน้าจอแสดงผลแบบมีสารเรืองแสงที่สามารถกำหนดความเข้มอ่อนของสัญญาณที่วัด (Intensity grading) ซึ่งช่วยแสดงความแตกต่างของเข้มหรือความบ่อยในการเกิดของสัญญาณที่จับทำ ให้เห็นรายละเอียดของระดับความเข้มที่แตกต่าง ส่วนในดิจิตอลออสซิลโลสโคปนั้นก็มีความสามารถใช้ในการจับและแสดงเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นครั้งเดียวหรือชั่วขณะ (Transient) เพราะสัญญาณที่ทำการวัดนั้นจะอยู่ในข้อมูลเลขฐานสองของส่วนประมวลผลของมัน จึงสามารถนำมาวิเคราะห์ (Analyzed),เก็บบันทึก (Archives),พิมพ์ (Print) และส่งผ่านไปคอมพิวเตอร์ สำหรับสัญญาณที่ไม่มีความต่อเนื่องนั้นมาเป็นช่วงหรือครั้งคราวซึ่งดิจิตอลออสซิลโลสโคปก็สามารถแสดงสัญญาณเหล่านี้ได้อย่างไรก็ตาม ไม่สามารถแสดงความเข้มของสัญญาณได้ เหมือนกันกับ Analog ออสซิลโลสโคป แต่ดิจิตอลออสซิลโลสโคปในรุ่นปัจจุบันก็มีสามารถแสดงความถี่ทั้งความถี่สูงหรือต่ำได้,แสดงสัญญาณซ้ำๆกัน (Repetitive signal),จับสัญญาณที่เกิดขึ้นชั่วขณะ (Transient),และแสดงสัญญาได้เร็ว (Real-time) ที่สูงขึ้นกว่าในอดีต นอกจากนี้ยังมีระบบแกน Z แสดงความเข้มของสัญญาณซึ่งเป็นจุดเด่นที่เหนือกว่ารุ่นก่อนหน้านี้
รูปคลื่นชนิดต่าง ๆ (Type of Wave) ที่ควรรู้ เพื่อใช้ประกอบในการใช้ออสซิลโลสโคป
ในการวัดสัญญาณด้วยออสซิลโลสโคปนั้นเรามัก สามารถจำแนกชนิดต่างๆของรูปคลื่นได้เป็นดังนี้
1. Sine Wave: Sine Wave เป็นคลื่นหลักของรูปคลื่นอื่นๆ คลื่นของแรงดันไฟฟ้าโดยส่วนใหญ่จะมีลักษณะเป็น Sine Wave รวมถึงระบบไฟฟ้าที่ใช้งานในปัจจุบัน ซึ่งสัญญาณนี้มีจำนวนของความสัมพันธ์ harmonic ซึ่งเป็นคุณสมบัติทางคณิตศาสตร์ของการคิดสัญญาณชนิดนี้ ส่วน Damped Sine Wave เป็นกรณีพิเศษ สามารถพบได้ในวงจร Oscillate ซึ่งจะเป็นลักษณะของสัญญาณที่กระเพื่อมขึ้นไป และก็ลดลงมาอย่างรวดเร็ว
2. Square and Rectangular Waves: Square Wave เป็นรูปคลื่นพื้นฐานอีกประเภทหนึ่ง ซึ่งรูปแบบคลื่นจะเป็นการสลับแรงดันระหว่างการ On-Off (สูงหรือต่ำ)ในจังหวะที่ สม่ำเสมอ Square wave นั้นยังใช้เป็นมาตรฐานสำหรับการทดสอบวงจรต่างๆเช่น ว่าสัญญาณภาคขยายสัญญาณ (Amplifier) ซึ่งภาคขยายที่ดีมักจะเพิ่มขนาด Amplitude ของ Square Waves ด้วยการรบกวนของสัญญาณที่ต่ำใน วงจรของโทรทัศน์วิทยุและคอมพิวเตอร์ใช้ Square Wave สำหรับเป็นฐานของเวลา (Timing ) ของวงจรอ้างอิงการทำงาน ส่วน Rectangular Wave ก็มีลักษณะคล้ายๆกับ Square Wave แต่ความกว้างของสัญญาณด้าน High และด้าน Low นั้นอาจจะไม่เท่ากันซึ่งมีความเปลี่ยนแปลงได้ด้วยก็มี ซึ่งมีความสำคัญสำหรับวิเคราะห์วงจรทางด้าน digital หรือวงจรขับสัญญาณต่างๆรูปแสดงตัวอย่างของ Square wave และ Rectangular wave
3. Sawtooth and Triangle Waves: Saw tooth และ Triangle Wave มักใช้ในสัญญาณกวาดตามแนวนอน (Horizontal Sweep) ของ Analog ออสซิลโลสโคป หรือ เป็น Raster Scan ของสัญญาณโทรทัศน์ ระดับของแรงดันที่มีการเปลี่ยนแปลงในอัตราที่คงที่เรียกสัญญาณนี้ว่าสัญญาณ Ramps รูปด้านล่าง แสดงตัวอย่างของสัญญาณ Saw tooth และ Triangle Waves
4. Step and Pulse Shapes: สัญญาณเช่น Steps และ Pulses เป็นการเกิดเพียงสัญญาณครั้งเดียวเรียกว่า สัญญาณเดียว (Single-short) หรือสัญญาณชั่วขณะ (Transient) คือมีการเปลี่ยนแปลงแรงดัน อย่างทันทีทันใดในลักษณะคล้ายกับการสับสวิตซ์ ซึ่ง Pulse ที่พบมักจะเกิดขึ้น 2 ครั้งเป็นส่วนใหญ่คือเวลาเปิด และปิดสวิตซ์ ซึ่งอาจเกิดจากแสดงค่า 1 Bit ของคอมพิวเตอร์ หรือเกิดจากสัญญาณชั่วขณะในวงจร Glitch (Pulse ที่มีความแคบมากๆ) การรวมสัญญาณ Pulse แล้วไปพร้อมๆกันเรียกว่า Pulse Train เช่นในระบบส่งข้อมูลคอมพิวเตอร์ใช้การสั่ง Pulse ออกมาเป็นขบวน นอกจากนี้ Pulse เป็นสัญญาณพื้นฐานของ X-Ray และการสื่อสารต่างๆ รูปด้านล่าง แสดงตัวอย่าง Step ,Pulse shapes และ Pulse Train
5. Complex Waves : สัญญาณเกิดจากรการรวมทั้ง Sine, Square, Step และ Pulse สามารถวัดได้จากออสซิลโลสโคป สัญญาณ อาจประกอบด้วยการเปลี่ยนแปลงทั้ง แอมพลิจูด ความถี่ และ เฟส ไปพร้อมกัน รูปด้านล่างแสดงตัวอย่างComplex เป็นพื้นฐานของสัญญาณ Video ซึ่งมี cycle ของความถี่สูงในชุดความถี่ต่ำ (Envelope) จากรูปเห็นว่าจะต้องเข้าใจในระดับของสัญญาณและเวลา (Timing) ที่เป็นอิสระจากกัน ใช้ออสซิลโลสโคปจับคือส่วนของสัญญาณความถี่ต่ำ (Envelope) และความเข้มของสัญญาณที่ผสมกับความถี่สูงเพื่อดูระดับของสัญญาณ Analog ออสซิลโลสโคปและ ดิจิตอลออสซิลโลสโคปนั้นสามารถจับสัญญาณ Complex ได้เช่นสัญญาณ Video ซึ่งมีการแสดงความเข้มของสัญญาณ บ่อยครั้งที่การจับความถี่เป็นจุดสำคัญที่เราต้องการพิจารณาสัญญาณทาง Complex เหล่านี้อีกด้วยรูปแสดงตัวอย่างของรูปคลื่น Complex
การทดลอง
เริ่มทำการทดลองโดยใช้เครื่องวัดเข็มชี้ เครื่องวัด Digital และเครื่องวัด TRUE RMS ทำการวัดค่าแรงดันจากสัญญาณ Sine wave, Half wave และ Full wave โดยวัดในย่าน D.C. และ A.C เพื่อเปรียบเทียบกับผลจากเครื่องวัด TRUE RMS AC+DC ได้ผลดังตาราง
สรุปผลการทดลอง
หาค่า Vrms ของเครื่องวัดทั้ง 4 ชนิดกับสัญญาณชนิดต่างๆ โดยคำนวณจากสมการ
โดยมีค่าผิดพลาด (ยึดค่าจากเครื่องวัด TRUE RMS AC+DC เป็นหลัก) คิดเป็น
จะพบว่านอกจากเครื่องวัดแบบ TRUE RMS แล้วจะได้ค่า RMS ออกมาคลาดเคลื่อนจากค่าจริง เนื่องจากหลักการทำงานในการวัดย่าน AC ของเครื่องวัดเข็มชี้และเครื่องวัด Digital นั้น เป็นแบบ Average Responding ซึ่งจะทำการวัดโดยอาศัยการกรองสัญญาณขาลบออกแล้วนำมาเฉลี่ย จากนั้นก็แสดงผลด้วยสเกลที่คูณอยู่ด้วยค่าแก้เฉพาะสำหรับรูปแบบสัญญาณใดสัญญาณหนึ่ง ซึ่งโดยทั่วไปเครื่องวัดประเภทนี้จะใช้ค่าแก้ของสัญญาณ Sine Wave ซึ่งมีค่าเป็น 2.221 ดังนั้นเมื่อนำมาใช้วัดสัญญาณอื่นๆ ที่มีค่าแก้ไม่เหมือนกันกับสัญญาณ Sine Wave จึงเกิดความคาดเคลื่อนขึ้น เช่น สัญญาณ Square Wave มีค่าแก้เป็น 2 และสัญญาณ Triangle Wave ที่มีค่าแก้เป็น 2.309
เมื่อนำแรงดันในย่าน AC ของเครื่องวัดเข็มชี้ และเคริ่องวัด Digital มาแก้ให้เป็นค่าจริง (สำหรับสัญญาณ Square Wave คูณด้วย 0.9 และสัญญาณ Triangle Wave คูณด้วย 1.04) ได้ค่าแรงดัน RMS ดังนี้
โดยมีค่าผิดพลาด (ยึดค่าจากเครื่องวัด TRUE RMS AC+DC เป็นหลัก) คิดเป็น
ซึ่งจะพบว่าค่าที่คำนวณได้นี้ใกล้เคียงค่าจริง ความผิดพลาดเล็กน้อยในเครื่องวัดเข็มชี้ อาจจะเกิดจากการอ่านค่าบนสเกลและเนื่องจากสเกลไม่ละเอียดเท่ากับแบบดิจิตอล
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น