การทดลองที่ 2
การเปรียบเทียบคุณลักษณะเครื่องวัด
อุปกรณ์การทดลอง
1. Digital Multimeter (UNI-T รุ่น UT 30C) 1 เครื่อง
2. Analog Multimeter ยี่ห้อ Kyortsu รุ่น 1109 1 เครื่อง
3. True RMS Multimeter ยี่ห้อ Metrix รุ่น MX26 1 เครื่อง
4. True RMS Multimeter ยี่ห้อ Flukr รุ่น 115 1 เครื่อง
5. Digital Oscilloscope แบบ 4 channel 150MHz ยี่ห้อ Metrix รุ่น mtx3354 1 เครื่อง
6. Junction box 1 กล่อง
7. Function generator ยี่ห้อ Instek รุ่น GFG-8020H 1 เครื่อง
8. สาย Probe x1 2 เส้น
แรงดัน DC: 0.5V,2.5V,10V,50V,250V,1000V
วัตถุประสงค์
1. เพื่อให้นักศึกษารู้จักคุณลักษณะของเครื่องวัดแต่ละประเภท
2. เพื่อให้นักศึกษาได้สังเกตความแตกต่างในการวัดสัญญาณ sine และ non-sine
3. เพื่อให้นักศึกษาได้ทดสอบความรู้เรื่อง True RMS โดยการวัดแรงดันสัญญาณหลายชนิด และเปรียบเทียบผลการวัดกับทฤษฎี
4. เพื่อให้นักศึกษาได้สัมผัสการใช้งาน Function Generator
5. เพื่อให้นักศึกษาได้สัมผัสการใช้งาน Digital Oscilloscope
หมายเหตุ : ควรสังเกตว่า ความถี่มีผลต่อค่าที่วัดได้หรือไม่
มัลติมิเตอร์แบบอนาลอกจะกินกำลังเล็กน้อยจากวงจรที่ทดสอบ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีความไวอย่างน้อย 20kΩ/V ไม่เช่นนั้นแล้วอาจจะมีผลทำให้วงจรที่ทดสอบผิดปกติและ ค่าที่อ่านได้ไม่ถูกต้องสำหรับรายละเอียด เรื่องความไว ด้านล่างแบตเตอรี่ภายในมิเตอร์มีไว้สำหรับพิสัยการวัดความต้านทาน ใช้ได้นานเป็นปี แต่ต้องไม่ให้สายมิเตอร์แตะกัน หากตั้งพิสัยการวัดความต้านทานไว้เพราะจะทำให้แบตเตอรี่หมดและเพื่อป้องกันแบตเตอรี่หมดเร็วเมื่อเลิกใช้งาน ควรปรับตั้งไว้ที่ตำแหน่งอื่นๆหรือตำแหน่งปิดพิสัยการวัดธรรมดาทั่วไปสำหรับมัลติมิเตอร์แบบอนาลอก(เหมือนตัวในรูป) (ค่าแรงดันและกระแสที่ให้นี้เป็นค่าที่อ่านได้สูงสุดในแต่ละพิสัย)ทฤษฎี
มัลติมิเตอร์แบบอนาล็อก
มัลติมิเตอร์แบบอนาล็อก
แรงดัน DC: 0.5V,2.5V,10V,50V,250V,1000V
กระแส DC: 50µA, 2.5mA, 25mA, 250mA ปกติมิเตอร์แบบนี้จะไม่มีพิสัยวัดกระแสสูง
ความต้านทาน: 20Ω, 200Ω, 2kΩ, 20kΩ, 200kΩ ค่านี้เป็นค่าความต้านทานที่กลางสเกลของแต่ละพิสัย ในกรณีที่ไม่มีตำแหน่งปิด (Off) เป็นความคิดที่ดีหากจะตั้งมัลติมิเตอร์แบบอนาลอกไว้ที่พิสัยการวัดแรงดันกระแสตรงเช่น 10V เมื่อเลิกใช้งานเพราะโอกาสที่จะเสียหายอันเกิดจาการวัดผิดพิสัยนี้มีน้อยกว่าและใช้ได้เลยในการวัดครั้งต่อไป เนื่องจากพิสัยนี้จะถูกใช้มากที่สุด
มัลติมิเตอร์แบบดิจิตอล
ดิจิตอลมิเตอร์แทบทุกชนิดใช้กำลังงานจากแบตเตอรี่จึงไม่มีการกินกำลังจากวงจรที่ทดสอบนั่นหมายถึงว่าในพิสัยแรงดันกระแสตรงมีความต้านทาน สูงมาก (ปกติเรียกว่า อิมพิแดนซ์ ด้านเข้า) ประมาณ 1MΩหรือสูงกว่า เช่น 10MΩ และจะไม่เกิดผลต่อวงจรที่ทำการทดสอบพิสัยการวัดธรรมดาทั่วไป สำหรับมัลติมิเตอร์แบบดิจิตอล(เหมือนตัวในรูป)(ค่าที่ให้นี้เป็นค่าที่อ่านได้สูงสุดในแต่ละพิสัย) 
กระแส DC: 200µA, 2000µA, 20mA, 290mA ,10A (พิสัย 10A ปกติไม่ผ่านฟิวส์ และต้องต่อวัดกับช่องเสียบแยกต่างหาก)
กระแส AC: ไม่มี (ไม่จำเป็นที่จะวัด)
ความต้านทาน: 200Ω, 2kΩ, 20kΩ, 200kΩ ,2000kΩ ค่านี้เป็นค่าความต้านทานที่กลางสเกลของแต่ละพิสัย
หมายเหตุ มัลติมิเตอร์แบบดิจิตอลจะมีพิสัยเฉพาะสำหรับทดสอบไดโอดทั้งนี้เพราะว่าพิสัยความต้านทานของมิเตอร์แบบนี้ไม่สามารถใช้ทดสอบไดโอดและอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำอื่นๆได้
ความต้านทาน: 200Ω, 2kΩ, 20kΩ, 200kΩ ,2000kΩ ค่านี้เป็นค่าความต้านทานที่กลางสเกลของแต่ละพิสัย
หมายเหตุ มัลติมิเตอร์แบบดิจิตอลจะมีพิสัยเฉพาะสำหรับทดสอบไดโอดทั้งนี้เพราะว่าพิสัยความต้านทานของมิเตอร์แบบนี้ไม่สามารถใช้ทดสอบไดโอดและอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำอื่นๆได้
การวัดแรงดันและกระแสด้วยมัลติมิเตอร์
ขั้นตอนในการทำงาน
ขั้นตอนในการทำงาน
1. เลือกพิสัยการวัดที่คาดว่าสูงกว่าค่าแรงดันที่เราจะวัด
2. ต่อมิเตอร์ โดยต้องแน่ใจว่าถูกขั้ว
3. มิเตอร์แบบดิจิตอลต่อผิดขั้วไม่เป็นไร แต่มิเตอร์แบบอนาลอกหากกลับขั้วจะทำให้เสียหายได้
2. ต่อมิเตอร์ โดยต้องแน่ใจว่าถูกขั้ว
3. มิเตอร์แบบดิจิตอลต่อผิดขั้วไม่เป็นไร แต่มิเตอร์แบบอนาลอกหากกลับขั้วจะทำให้เสียหายได้
True RMS Multimeter : เป็นมัลติมิเตอร์ที่วัดค่า RMSที่สัญญาณไฟรูปคลื่นใดๆก็ตามได้ถูกต้องTrue 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
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 Anolog 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
รูปคลื่นชนิดต่างๆ (Tupe of wave)
ที่ควรรู้ เพื่อใช้ประกอบในการใช้ออสซิลโลสโคป ในการวัดสัญญาณด้วยออสซิลโลสโคปนั้นเรามัก สามารถจำแนกชนิดต่างๆของรูปคลื่นได้เป็นดังนี้ การประยุกต์ใช้งาน
ไม่ว่าจะเป็น Anolog 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
รูปคลื่นชนิดต่างๆ (Tupe of wave)
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
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
จากการทดลองพบว่ามิเตอร์แบบเข็มชี้นั้น มีความคลาดเคลื่อนมากกว่าแบบดิจิตอล เนื่องจากมิเตอร์แบบดิจิตอลมีความละเอียดมากกว่า และมิเตอรืที่มีความคลาดเคลื่อนน้อยที่สุดคือมิเอตร์แบบ true RMS (AC+DC) แบตเตอรี่ของเครื่องวัดแบบดิจิตอลมีผลต่อการวัดค่าทางไฟฟ้าได้เช่นกันถ้าถ้าแบตเตอรี่อ่อน ค่าที่วัดได้จะเที่ยงตรงเมื่อเป็น Pure DC เท่านั้น
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
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
สรุปผลการทดลอง
หาค่า Vrms ของเครื่องวัดทั้ง 4 ชนิดกับสัญญาณชนิดต่างๆ โดยคำนวณจากสมการ
จากการทดลองพบว่ามิเตอร์แบบเข็มชี้นั้น มีความคลาดเคลื่อนมากกว่าแบบดิจิตอล เนื่องจากมิเตอร์แบบดิจิตอลมีความละเอียดมากกว่า และมิเตอรืที่มีความคลาดเคลื่อนน้อยที่สุดคือมิเอตร์แบบ true RMS (AC+DC) แบตเตอรี่ของเครื่องวัดแบบดิจิตอลมีผลต่อการวัดค่าทางไฟฟ้าได้เช่นกันถ้าถ้าแบตเตอรี่อ่อน ค่าที่วัดได้จะเที่ยงตรงเมื่อเป็น Pure DC เท่านั้น