Dokładne pomiary: podstawowe ograniczenia

Ten i dwa następne artykuły zawierają informacje ogromnie ważne dla każdego, kto choć trochę interesuje się dokładnymi pomiarami. To nie są wskazówki dla konstruktorów. To popularyzatorskie, możliwie najbardziej przystępne przedstawienie głównych czynników ograniczających dokładność.

Ten artykuł jest piątym z serii dotyczącej miernictwa i dokładności pomiarów. Seria ta zaczęła się od materiału wprowadzającego zawartego w artykule Dokładność i zakres pomiarów w elektronice. W kolejnych omówiliśmy różne zagadnienia związane z dokładnością. Między innymi pojawiła się informacja, że częstotliwość i czas można mierzyć z dokładnością czy raczej niepewnością nawet dużo lepszą niż 10^–12, czyli 0,000001 ppm = 0,0000000001%. Natomiast napięcie oraz rezystancję można laboratoryjnie mierzyć z dokładnością (niepewnością) nieco lepszą niż 10^-9, inaczej mówiąc 0,001 ppm, czyli 0,0000001%.

Bardzo ważne pytania brzmią tak: Czy można mierzyć jeszcze dokładniej? Czy granice wyznaczają aktualnie dostępne możliwości techniczne? Czy postęp techniczny pozwoli stopniowo i bez ograniczeń przesuwać te granice i mierzyć coraz dokładniej? Czy może doszliśmy już do nieprzekraczalnych granic, wyznaczonych przez fundamentalne prawa fizyki i dalszy postęp jest niemożliwy lub bardzo ograniczony? To dotyczy jednak tylko najlepszych laboratoriów i najlepszego, najdroższego profesjonalnego sprzętu.

A hobbyści? Z jaką największą dokładnością może mierzyć współczesny, niezbyt zamożny hobbysta?

W artykule Dokładność i precyzja w praktyce hobbysty wskazałem, że w ogromnej większości przypadków elektronik nie musi mierzyć z dokładnością większą niż 1%. Zwykle nie musi, ale po pierwsze, w pewnych przypadkach dokładniejsze pomiary są konieczne. Po drugie, wielu z nas po prostu chciałoby wszystko mierzyć jak najbardziej dokładnie. Po trzecie, przy obecnej bardzo szerokiej ofercie rynkowej coraz więcej osób interesuje się realną dokładnością posiadanych mierników, w szczególności multimetrów. Coraz więcej osób zwraca uwagę nie na atrakcyjny wygląd multimetru, tylko na jego parametry, w tym dokładność. Chcemy kupować mierniki o naprawdę dobrych parametrach technicznych i co najważniejsze: chcemy sprawdzać dokładność posiadanych mierników.

W ramach inicjatywy Zrozumieć Elektronikę będziemy do tych kwestii podchodzić w sposób jak najbardziej praktyczny. Stąd artykuły pokazujące możliwości i ograniczenia poszczególnych mierników, np. wady budżetowego AN870. Natomiast w niniejszym artykule i pokrewnych omówimy główne ograniczenia dokładności występujące w warunkach warsztatowych, w szczególności amatorskich.

Otóż wielu elektroników chciałoby przeprowadzać jak najbardziej dokładne pomiary. I jest to możliwe! Możliwe, ale pod pewnymi warunkami: trzeba rozumieć przyczyny oraz źródła błędów i niepewności, aby je eliminować. Oto najważniejsze szczegóły.

Ekonomiczne ograniczenia dokładności

Już wstępnie sygnalizowałem, że w praktyce podstawowym ograniczeniem jest cena. Najprościej biorąc, dobry, dokładny miernik musi zawierać wysokiej jakości podzespoły. Nie można tego powiedzieć o kosztującym kilkanaście złotych multimetrze M830, którego wnętrze pokazuje fotografia tytułowa.

Współczesny multimetr tak naprawdę jest (mili)woltomierzem napięcia stałego, który z udziałem różnych obwodów pomocniczych: dzielników, wzmacniaczy, przetworników, mierzy w szerokim zakresie nie tylko napięcie i prąd stały, ale też dzięki dodatkowym obwodom także napięcie i prąd zmienny, rezystancję oraz pojemność. Dokładność multimetru zależy więc w pierwszej kolejności od zastosowanego w nim (mili)woltomierza. A tym miliwoltomierzem jest jakiś przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC), współpracujący ze źródłem napięcia odniesienia.

W najtańszych miernikach nadal często jest stosowany układ scalony ICL7106 lub pokrewny, gdzie źródło napięcia odniesienia jest wbudowane w układ. W lepszych miernikach stosowane są rozmaite inne scalone (mili)woltomierze. Niektóre mają źródło napięcia odniesienia wbudowane w układ scalony przetwornika ADC, w innych mamy oddzielny przetwornik ADC i oddzielne źródło napięcia odniesienia. Fotografia 1 pokazuje prawie wszystkie elementy elektroniczne kosztującego nieco ponad 100 złotych multimetru AN870, który oprócz specjalizowanego procesora (pod czarną zalewą) i pamięci 24C02A zawiera źródło napięcia odniesienia ICL8069.

Najprościej biorąc, czym większa ma być dokładność, tym lepszy i droższy musi być zarówno przetwornik ADC, jak i źródło napięcia odniesienia.
(…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w numerze grudniowym czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 12/2023). Czasopismo aktualnie nie ma wersji drukowanej na papierze. Wydawane jest w postaci elektronicznej (plików PDF). Pełna wersja czasopisma umieszczona jest na moim profilu Patronite i dostępna jest dla Patronów, którzy wspierają mnie kwotą co najmniej 10 zł miesięcznie. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 12/2023 znajduje się tutaj.

 

Piotr Górecki

 

Uwaga! Osoby, które nie są (jeszcze) moimi stałymi Patronami, mogą nabyć PDF-y z pełną wersję tego numeru oraz wszystkich innych numerów czasopisma wydanych od stycznia 2023, „stawiając mi kawę” (Cappuccino = 10 złotych za jeden numer czasopisma w postaci pliku PDF).
W tym celu należy kliknąć link (https://buycoffee.to/piotr-gorecki), lub poniższy obrazek

Następnie wybrać:
– jeśli jeden numer ZE – CAPPUCINO (10 zł),
– jeśli kilka numerów ZE – WSPIERAM ZA. I tu wpisać kwotę zależną od liczby zamawianych numerów – wydań (N x 10zł),
Wpisać imię nazwisko.
Podać adres e-mail.
Koniecznie zaznaczyć: „Chcę dołączyć wiadomość dla Twórcy” i tu wpisać, który numer lub numery mam wysłać na podany adres e-mailowy.