Replacing analog null detectors with precision multimeters

Fluke 8588A

Historically, analog null detectors or null meters have been used in electrical metrology to measure small voltage differences between two points or to detect a zero current condition where the voltages at two points are the same. These might include comparing and  measuring the voltage difference between a standard and a device under test such as in the comparison of of two primary level standards or between a primary standard and a secondary calibration standard by interfacing with the instruments directly or with the aid of a voltage divider. The small differences in voltage that are measured by a null detector  allow voltages to be adjusted on standards so that there is effectively no voltage difference between two points or two instruments. The ability to zero voltage, or a null condition, is essential for electrical metrology.

When precision digital multimeters (DMMs) became available with resolution and sensitivities comparable to null detectors, they were quickly adopted, and null detectors were set aside. However, depending on the measurement circuitry characteristics and the unique characteristics of the DMM, significant measurement errors can be created. This application note discusses what to consider when using a DMM as a null detector.

This is especially important as improvements in new DMMs lessen some of the effects of these issues. However, in all cases they need to be understood and appropriately considered.

Since the 1960’s, commercial voltage and ratio calibration systems have been available to calibrate dc voltage from very low  levels–on  the order of millivolts–to relatively high values up to    1 kilovolt. A critical component of these systems was the analog high impedance voltmeter/null meter. These instruments were designed with extremely high input impedance (10 to 100 MΩ), excellent sensitivity (0.1 µv per division) and high isolation (on the order of 1012 Ω).

One series instrument, the Fluke 845 Series of High Impedance Voltmeter Null Detectors, was designed so that source loading through leak- age was virtually eliminated regardless of power line, chassis ground, or guard connections. Input voltages were applied through an input divider and filter circuit to a photo-chopper-stabilized amplifier. The input filter minimized the effects of source noise, and the photo-chopper-stabilized amplifier reduced the input current to a few picoamps. The 845AB could be battery operated, so that it was isolated from line power, had an analog input for nulling operations, provided a good measurement response time (5 seconds on the 1 µv range) and in general was easy to use.

Fluke 8588A

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Melhore a coleta de sinal no seu osciloscópio: Amortecimento da ressonância

Realizar a análise dos seus sinais no osciloscópio vai te trazer inúmeras e importantes informações. Dessa forma, o processo precisa ser realizado da forma correta e principalmente respeitando as capacidades e metodologias que o seu aparelho impõe. Contudo, nem sempre conseguimos fazer tudo e por vezes acabamos deixando alguns detalhes passarem que no final farão uma diferença significativa na nossa análise. Por isso, nessa sequência de matérias intitulada Melhore a coleta de sinal no seu osciloscópio, iremos dar dicas dos principais pontos que você precisa se ater durante a sua análise. Nessa matéria falaremos sobre amortecimento da ressonância. Você sabe como realizar esse processo? Ficou interessado? Então continua ai e boa leitura!

A performance de uma ponta de prova é bastante afetada pela forma como ela é conectada. À medida que aumentam as velocidades em seu projeto, você poderá perceber mais overshoot, ringing e outras perturbações ao conectar uma ponta de prova no osciloscópio. As pontas de prova formam um circuito ressonante no ponto em que são conectadas ao dispositivo. Se essa ressonância estiver dentro da largura de banda da ponta de prova do osciloscópio que você estiver usando, será difícil determinar se as perturbações medidas são devido ao seu circuito ou à ponta de prova.

À medida que aumentam as velocidades em seu projeto, você poderá observar mais overshoot, ringing e outras perturbações. Evite a ressonância formada pela conexão da ponta de prova incluindo um resistor de amortecimento na ponta de sua ponta de prova.

Em uma ponta de prova de terminação simples, coloque a resistência apenas no condutor do sinal e tente manter o condutor do terra o mais curto possível. Em uma ponta de prova diferencial, coloque resistores nas pontas dos dois condutores e mantenha esses condutores aproximadamente com o mesmo comprimento. Para determinar o valor desse resistor, primeiro use uma placa de acessório, como a E2655C da Keysight, para introduzir um sinal degrau conhecido no canal do osciloscópio.

Coloque um resistor na ponta da ponta de prova para amortecer a ressonância do fio incluído no circuito.

Em seguida, capture o sinal com o fio que você quer usar, com um resistor na ponta de sua ponta de prova. Quando o valor da resistência estiver correto, você verá um degrau de uma forma muito parecida com o degrau de teste, exceto que este poderá ter uma filtragem passa-baixa. Se houver ringing em excesso, aumente o valor do resistor.

Tendo a entrada da ponta amortecida corretamente, o carregamento/a impedância de entrada nunca cairá abaixo do valor do resistor de amortecimento.

Os acessórios com amortecimento dessa ponta de prova oferecem um modelo de uso flexível, que mantém baixos valores de capacitância e indutância e uma resposta em frequência plana por toda a sua largura de banda especificada. As pontas de prova da série N2750A da InfiniiMode, da série 1156A-58A e da série InfiniiMax usam essa tecnologia de acessórios com amortecimento para oferecer uma performance ótima, porém flexível.

Todas as pontas de prova da série N2750A da InfiniiMode, da série 1156A-58A e da série InfiniiMax usam essa tecnologia de acessórios com amortecimento para oferecer uma performance ótima, porém flexível.

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Como determinar a integridade do sinal do osciloscópio: Toda a largura de banda NÃO é criada da mesma forma

A integridade do sinal continua sendo um tópico importante no mundo da eletrônica. Os projetos de hoje têm margens cada vez menores e taxas de dados crescentes; o que significa que as medições devem ser mais precisas do que nunca. Todo fornecedor de osciloscópio tem algum tipo de tom em torno da integridade do sinal: maior número de bits ADC, menor nível de ruído, taxa de amostragem mais rápida e a lista continua. Embora todas essas especificações sejam importantes, é essencial entender todo o sistema de medição e não basear sua decisão em apenas uma dessas especificações. Educar-se sobre o que cada uma dessas especificações realmente significa para o seu projeto economiza tempo e angústia durante o teste. Por isso, nessa sequência de matérias intitulada Como determinar a integridade do sinal do seu osciloscópio, você saberá exatamente o que precisa procurar para determinar a verdadeira integridade do sinal. Nesta matéria explicaremos que toda a largura de banda não é criada da mesma forma. Ficou interessado? Então continua nesse artigo e boa leitura!

A resposta de frequência de um osciloscópio mostra a verdade: nem toda a largura de banda é criada igualmente. A Figura 1 facilita a compreensão deste conceito. Observe que, à medida que você aumenta a largura de banda em um osciloscópio Keysight, a resposta de frequência permanece plana. Isso ocorre porque ele usa filtros de correção de hardware, o que significa que seu sinal mal é atenuado. O que está na tela é fiel ao que está saindo do seu dispositivo. Isso garante que você obtenha medições precisas em todo o espectro de largura de banda do osciloscópio.

Figura 1. A resposta de frequência plana dos osciloscópios da série S da Keysight garante precisão em toda a largura de banda do osciloscópio

Por outro lado, alguns fornecedores não usam filtros de correção. Isso significa que o instrumento pode dar um pequeno impulso aos componentes de alta frequência. O aumento ocorre porque seu sinal de frequência mais alta está sendo atenuado para ficar dentro da faixa de largura de banda mensurável. No final, isso afeta o sinal que você vê na tela e distorce todas as medições de pico.

Isso desperta todos os seus resultados e pode causar confusão, pois você não consegue descobrir o que há de errado com o projeto, quando, na realidade, era apenas a baixa integridade do sinal do osciloscópio o tempo todo.

Quer aprender um pouco mais então confere o vídeo do Daniel Bogdanoff da Keysight que nos dá uma maneira diferente de pensar sobre largura de banda, a mais fundamental de todas as especificações de equipamentos de teste O que realmente é largura de banda e o que isso significa para seus sistemas.

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Obtenha o melhor do seu osciloscópio: Utilize a escala de sinais corretamente

Mais do que apenas se preocupar com os componentes, além de escolher a largura de banda correta, possuir um processamento adequado de memória, entre outras questões, considerar a escala adequada na verificação dos resultados é mais um fator importante no sucesso da sua análise. Imagine se você realiza uma análise com o seu osciloscópio, mas escolhe a escala errada, você pensará que o seu resultado estará correto, porém, não será bem por ai. A escala é a proporção matemática de dimensões que relaciona a fonte ao objeto real. Especificar a escala correta vai te dar uma leitura correta dos dados obtidos. Mas, você tem escolhido a escala corretamente em suas análises? Sabe da importância desse fator? Então continua nesse artigo e vem descobrir tudo sobre esse mecanismo. Boa leitura!

Escala horizontal

É importante considerar o dimensionamento horizontal ao fazer medições dependentes do tempo. Quando você altera a escala horizontal (tempo por divisão) do seu sinal, também está alterando o tempo total de aquisição do sinal. O tempo de aquisição do sinal, por sua vez, afeta a taxa de amostragem do osciloscópio. A equação que descreve esse relacionamento é:

Taxa de Amostra = Profundidade da Memória / Tempo de Aquisição

A profundidade da memória é um valor fixo e o tempo de aquisição é fixado pela configuração de ajuste de tempo por divisão no seu osciloscópio. À medida que o tempo de aquisição aumenta, a taxa de amostragem terá que diminuir para ajustar toda a aquisição na memória do osciloscópio. É importante ter uma taxa de amostragem apropriada para medições dependentes do tempo (frequência, largura de pulso, tempo de subida etc.)

Sinal de relógio de 100 KHz Aumentando a escala de tensão por divisão

Ambas as telas mostram o mesmo sinal, mas com escala diferente – as medidas resultantes fornecem resultados significativamente diferentes.

Escala vertical

Assim como a escala horizontal é importante para medições específicas de tempo, a escala vertical é importante para medições verticalmente dependentes (pico a pico, RMS, máx, min, etc.). Simplesmente aumentando a escala vertical do sinal, você pode obter uma medição muito mais precisa com um desvio padrão muito menor. Por que o dimensionamento vertical afeta as medições? Assim como as medições horizontais (dependentes do tempo) são afetadas pela taxa de amostragem, as medições verticais (amplitude dependente) são afetadas por bits de resolução.

Já deu pra perceber que utilizar a escala correta durante as suas análises no osciloscópio pode fazer muita diferença no resultado final. É um ponto muito importante que deve ser levado em conta no momento de configuração do aparelho. Não esqueça. Aprendeu tudo o precisava sobre esse parâmetro? Então, confere todo o conteúdo e produtos disponíveis no portal Datasonic, pioneiro em equipamentos tecnológicos de ponta que se destaca pela sua diversidade de marcas, modelos e principalmente preços está a sua disposição para que você possa tirar todas as suas dúvidas, comparar preços e por fim, escolher o melhor produto para você. No site é possível encontrar inúmeros modelos de osciloscópios com os mais diversos recursos e configurações. O portal Datasonic possui um amplo portfólio e um leque de variados produtos, todos à sua disposição. Aproveite e conheça outros equipamentos de medição que irão complementar o seu projeto.

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Como determinar a integridade do sinal do osciloscópio: Entenda sobre os bits ADC e o sistema ENOB

A integridade do sinal continua sendo um tópico importante no mundo da eletrônica. Os projetos de hoje têm margens cada vez menores e taxas de dados crescentes; o que significa que as medições devem ser mais precisas do que nunca. Todo fornecedor de osciloscópio tem algum tipo de tom em torno da integridade do sinal: maior número de bits ADC, menor nível de ruído, taxa de amostragem mais rápida e a lista continua. Embora todas essas especificações sejam importantes, é essencial entender todo o sistema de medição e não basear sua decisão em apenas uma dessas especificações. Educar-se sobre o que cada uma dessas especificações realmente significa para o seu projeto economiza tempo e angústia durante o teste. Por isso, nessa sequência de matérias intitulada Como determinar a integridade do sinal do seu osciloscópio, você saberá exatamente o que precisa procurar para determinar a verdadeira integridade do sinal. Nesta matéria falaremos sobre Bits ADC e ENOB. Sabe o que é isso? Ficou interessado? Então continua nesse artigo e boa leitura!

O número de bits ADC em um osciloscópio é uma das especificações mais comentadas. Por esse motivo, muitos engenheiros tendem a confiar nisso como a única especificação que determina a qualidade de um osciloscópio. Embora essa seja uma especificação muito importante, o número de bits ADC pode ser irrelevante se o restante do osciloscópio não for projetado corretamente.

Tão importante quanto o número de bits ADC é o número efetivo de bits do sistema (sistema ENOB). O ENOB do sistema é o número de bits que são verdadeiramente efetivos durante a medição. Em qualquer osciloscópio, algum número de bits ADC será inútil – eles apenas operam no ruído. Portanto, o ENOB, e não os bits ADC, impede a qualidade das medições que você é capaz de fazer nesse osciloscópio. Se a qualidade da medição for muito baixa, os resultados serão imprecisos e não repetíveis, levando a suposições incorretas no seu projeto.

É seguro argumentar que o ENOB é uma indicação melhor da integridade do sinal, pois leva em consideração o erro do sistema.

O ENOB do osciloscópio em tempo real da série S DSOS104A de 1 GHz, de 100 MHz a 1 GHz, fica em torno de uma média de 8 bits, garantindo sempre a mais alta integridade de sinal

O ENOB do sistema geralmente não é mencionado pelos fornecedores do osciloscópio, porque projetar para um ENOB alto não é tão fácil quanto colocar um ADC de alto nível. O front end e os circuitos de suporte ao redor do ADC também devem ser projetados com um alto grau de qualidade, o que não é uma tarefa simples. Os fornecedores naturalmente tendem a comercializar as especificações que os tornam melhores. Portanto, quando você vê um número alto de bits ADC, é um bom sinal, mas precisa verificar os outros componentes importantes que também entram na integridade do sinal. O número de bits ADC é apenas uma pequena parte da equação.

Entender a diferença entre o número de bits ADC e o número efetivo desses bits é fundamental se você estiver tentando fazer as medições mais precisas possíveis. Um osciloscópio pode ser especificado para um certo número de bits ADC, mas você sabe se todos esses bits são eficazes para fazer suas medições?

Dessa forma, nesse episódio da série Expondo Mitos sobre a Integridade do Sinal da Keysight Labs você aprenderá primeiro por que você deve se preocupar com os bits ADC e o que eles significam para o seu sinal, mas também perceber que a especificação do número efetivo de bits (ENOB) é tão importante quanto o número de bits ADC. Você sempre deve considerar o ENOB ao avaliar a qualidade da medição de um osciloscópio. Confira!

Aprendeu tudo o precisava sobre esse tema? Então aproveita e confere todo o conteúdo e produtos disponíveis no portal Datasonic, pioneiro em equipamentos tecnológicos de ponta que se destaca pela sua diversidade de marcas, modelos e principalmente preços está a sua disposição para que você possa tirar todas as suas dúvidas, comparar preços e por fim, escolher o melhor produto para você. No site é possível encontrar inúmeros modelos de osciloscópios com os mais diversos recursos e configurações e equipamentos relacionados. O portal Datasonic possui um amplo portfólio e um leque de variados produtos, todos à sua disposição. Aproveite e conheça outros equipamentos de medição que irão complementar o seu projeto. O Portal Datasonic está disponível para você 24 horas por dia, 7 dias na semana. Apenas esperando você vir e conferir toda a tecnologia em equipamentos que disponibilizamos para você e sua empresa. Está esperando o que? Visite-nos agora mesmo.

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