Dokładne pomiary: multimetr swojej roboty?

Najbardziej dokładne multimetry mają horrendalnie wysokie ceny. Tymczasem dziś zaskakująco tanie są przetworniki analogowo–cyfrowe 24-, a nawet 32-bitowe. Czy w warunkach amatorskich można z ich pomocą zrealizować przyrząd pomiarowy konkurencyjny względem najlepszych fabrycznych?

W najdokładniejszych (i najdroższych) multimetrach nadal pracują znane od kilkudziesięciu lat przetworniki z podwójnym całkowaniem, a raczej ich bardziej skomplikowane wersje z wielokrotnym całkowaniem. Ich beznadziejnie prosta zasada przetwarzania analogowo–cyfrowego polega, z grubsza biorąc, na cyklicznym ładowaniu i rozładowywaniu kondensatora oraz pomiarze czasów trwania faz takiego cyklu. Taka prosta zasada pozwala uzyskać rozdzielczość i stabilność pomiarów lepszą niż 0,0001% czyli 1 ppm, ale najlepsze tak działające multimetry kosztują tyle co nowy samochód.

Nic dziwnego, że uwagę elektroników przyciągają scalone przetworniki analogowo–cyfrowe (ADC), które z roku na rok stają się coraz tańsze. W związku z sukcesywną obniżką cen 24-bitowych przetworników ADC, niektórzy hobbyści wpadają na pomysł, żeby za drobny ułamek ceny multimetru fabrycznego samodzielnie zbudować bardzo precyzyjny multimetr o podobnych parametrach. A jeśli nawet nie kompletny multimetr mierzący też przebiegi zmienne, to choćby tylko bardzo precyzyjny woltomierz napięć stałych, amperomierz i omomierz.

Czy to dobry i realny pomysł? I tak, i nie!

Wcześniejsze artykuły tej serii wskazały, że projektowanie precyzyjnej aparatury pomiarowej to ogromnie trudne zadanie i bardzo szeroki temat, wymagający gromadzonego latami doświadczenia.

Tak, ale powszechna dostępność nie tylko układów scalonych, ale też gotowych modułów wielobitowych przetworników ADC daje nadzieję, że projektanci układów scalonych i konstruktorzy modułów mieli potrzebne doświadczenie, że zrobili całą „czarną robotę” i że my otrzymujemy gotowe do wykorzystania bloki o znakomitych parametrach.

Jest w tym ziarno prawdy, ale na pewno nie cała prawda. Na pewno nie ma uzasadnienia ekonomicznego próba budowy kompletnego multimetru, który miałby parametry porównywalne z najlepszymi fabrycznymi. Ale woltomierza DC czy amperomierza DC – tak. W tym artykule zasygnalizuję, jakie są możliwości, ale przede wszystkim – jakie są ograniczenia i pułapki związane z gotowymi modułami ADC.

Poniższy artykuł w zarysie przedstawia kluczowe problemy, które musi rozumieć i uwzględniać profesjonalista czy hobbysta, który chciałby zaprojektować dobry przyrząd pomiarowy na bazie gotowego modułu czy układu scalonego 24-bitowego ADC.

Osobom mniej doświadczonym wydaje się, że absolutnie najważniejszy jest sam przetwornik ADC oraz jego rozdzielczość. Ogólnie wiadomo, że realna dokładność przetworników ADC jest dużo gorsza od ich nominalnej rozdzielczości, wyrażanej przez liczbę bitów wyniku. Tak, ale wydaje się, że przetworniki 24-bitowe zapewniają wystarczająco duży zapas…

Analizę warto zacząć od tego, iż dziś przetworniki ADC są śmiesznie tanie. Przykład na rysunku 1 – moduł dwukanałowego 24-bitowego przetwornika ADC z kostką CS1238 w chwili pisania tego artykułu (lato 2024) można kupić (wraz z darmową dostawą) za niecałe 10 złotych!

Rysunek 2 pokazuje jeszcze tańszą wersję, za nieco ponad 5 złotych wraz z dostawą. Jest to moduł z układem scalonym serii HX7xx, istotnie zawierającym 24-bitowy przetwornik ADC.

Jakie możliwości ma 24-bitowy konwerter ADC?

Zacznijmy od tego, że najczęściej mamy do czynienia z przetwornikami 10-bitowymi, wbudowanymi w najpopularniejsze mikrokontrolery. Przypomnę, że 10-bitowy przetwornik ADC teoretycznie rozróżnia 2¹⁰, czyli 1024 poziomów. Z tymi poziomami jest pewien kłopot, w każdym razie na cyfrowym wyjściu daje 1024 wartości, a więc ma rozdzielczość około 0,1% czyli 1000 ppm. Popularne przetworniki 16-bitowe rozróżniają 2¹⁶, czyli 65536 poziomów, więc mają rozdzielczość około 0,0015% czyli 15 ppm.

We wcześniejszych artykułach podałem, że w pierwszym przybliżeniu można jako praktyczną granicę dokładności najlepszych, bardzo kosztownych fabrycznych multimetrów uznać 1 ppm czyli 0,0001%. Czy moduły 24-bitowych ADC pozwalają amatorom zbliżyć się do tej granicy? I tak, i nie!

(…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w numerze listopadowym czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 11/2024). Czasopismo aktualnie nie ma wersji drukowanej na papierze. Wydawane jest w postaci elektronicznej (plików PDF). Pełną wersję czasopisma znajdziesz 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 11/2024 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” (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 – 10 zł,
– jeśli kilka numerów ZE – WSPIERAM ZA. I tu wpisać kwotę zależną od liczby zamawianych numerów – wydań (N x 10 zł),
Wpisać imię nazwisko.
Podać adres e-mail.
Koniecznie zaznaczyć: „Chcę dołączyć wiadomość dla Twórcy” i tu wpisać, który numer lub numery ZE mam wysłać na podany adres e-mailowy. Jeśli ma to być numer z tym artykułem trzeba zaznaczyć, że chodzi o ZE 11/2024.
UWAGA!!! E-mail z linkiem do materiałów (weTransfer) wysyłamy zazwyczaj w ciągu 24 godzin. Czasem zdarza się jednak, że trafia do spamu. Jeśli więc nie pojawi się w ciągu 48 godzin prosimy sprawdzić w folderze spam, a ewentualny problem zgłosić na adres: kontakt@piotr-gorecki.pl.