Mikä tekee hyvästä pysyvästä magneetista tehokkaan PMMC-mittarissa?

Pysyvä magneetti on yksi tärkeimmistä osista PMMC-mittarissa, sillä se määrittää mittarin tarkkuuden ja toiminnan. Tärkein tekijä tässä on magneetin jäljellä oleva magneettivuo-tiheys $B_R$ ja koervatiivinen kenttävoimakkuus $H_C$, jotka esitetään B-H-käyrässä, kuten kuvassa 2.9. Jotta PMMC-mittari toimisi optimaalisesti, magneetin $B_R$-arvon tulee olla mahdollisimman korkea, sillä tämä arvo määrää saatavan magneettivahvuuden $B$ ilmatilassa. Pieni $H_C$-arvo puolestaan tarkoittaa, että magneetti on alttiimpi demagnetoitumiselle, mikä voi heikentää mittarin luotettavuutta. Hyvä pysyvä magneetti vaatii siis korkeita arvoja sekä $B_R$:lle että $H_C$:lle.

Alnico-materiaalit, jotka ovat alumiini-, nikkeli-, koboltti-, kupari- ja rautaseoksia, olivat pitkään suosituimpia PMMC-mittareiden magneettimateriaaleja. Erityisesti alnico-magneetteja on kehitetty eri koostumuksilla ja tiivisteillä, joilla saadaan aikaan parempia ominaisuuksia. Taulukossa 2.1 on lueteltu erilaisten alnico-magneettien ominaisuuksia. Nykypäivänä kuitenkin keramisten pysyvien magneettien, kuten Ferroxdure (BaFe12O19), käyttöönotto on vähentänyt alnico-magneettien käyttöä.

Ilmastilan ja kelan käämien valinta on myös tärkeä osa mittarin suunnittelua. Koko metrin rakenteen mukaan valittava kela-alue $A$ ja käämien kierrosten määrä $N$ vaikuttavat suoraan mittarin toimintaan. Käämien alue ei voi olla liian suuri, sillä se on rajoitettu magneetin fyysisellä koon mukaan. Käämien kierrosten määrän kasvaessa kelan paksuus kasvaa ja ilmatilan leveys suurenee, mikä heikentää magneettivuo $B$ ilmatilassa. Tämän vuoksi on löydettävä optimaalinen yhdistelmä ilmavälin ja käämien kierrosten määrän välillä. Käämit valmistetaan tavallisesti alumiinilangasta, koska se on kevyempi kuin kupari, mikä vähentää liikkuvan kelan järjestelmän painoa.

PMMC-mittarissa käytettävän varren ja karan (laakerin) valinta on myös ratkaisevaa. Varren ja karan tulee pystyä kantamaan mittarin paino ja samalla mahdollistaa vähäinen kitka kelan liikkeelle. Aikaisemmin varsi- ja sokkeli-tyyppiset laakerit olivat käytössä, mutta myöhemmin ne vaihdettiin jalokivilaakereihin. Jalokivilaakereiden etu on, että ne vähentävät kitkaa metallin ja kiven välillä. Esimerkiksi teräs-teräs -kitkakerroin on 0,58, kun taas safiiri-teräs -kitkakerroin on vain 0,15. Tämän vuoksi jalokivilaakerit tekevät liikkuvasta kelasta tarkemman ja vähemmän kuluttavan.

PMMC-mittareiden suunnittelussa on tärkeää tasapainottaa kaikki nämä tekijät: magneetin voimakkuus, kelan ja jousen mitat, laakerien tyyppi ja jousien kimmokerroin. Näiden kaikkien osien tulee olla optimaalisesti yhteensopivia, jotta mittari toimii luotettavasti ja tarkasti.

Mitä eroa on sekventiaalisella ja yhdensuuntaisella logiikalla, ja miksi se on tärkeää ymmärtää?

Sekventiaalisten logiikkapiirien toiminta voidaan ymmärtää selkeimmin esimerkin avulla, kuten laskuri. Laskuri on yksinkertainen sekventiaalinen piiri, joka pystyy laskemaan kelloaallon syötteitä ja antamaan tilan, joka vastaa laskurin nykyistä arvoa. Esimerkiksi neljän bitin binäärilaskuri, joka käyttää J-K flip-floppeja, voi laskea arvot 0000:sta 1111:een (binääriluku 0:sta 15:een) ja sitten nollautua takaisin 0000:ksi, jolloin laskenta alkaa alusta.

Tärkeä ero, joka tulee huomioida, on laskurien ero "asynkronisten" ja "synkronisten" piiriin välillä. Asynkronisessa laskurissa, kuten ripple-laskurissa, bitit päivittyvät peräkkäin, ei samanaikaisesti. Tämä luo pieniä viivästyksiä, koska bitti b0 voi päivittyä ennen kuin b1, ja niin edelleen, luoden viivettä jokaista seuraavaa bittiä kohti. Sitä vastoin synkronisessa laskurissa kaikki bitit päivittyvät samanaikaisesti kelloaallon nousuvaiheessa, jolloin viiveet minimoituvat.

Sekventiaalisen logiikan sovelluksia on lukemattomia, ja niitä käytetään kaikkialla nykyaikaisissa digitaalisissa laitteissa, kuten tietokoneissa, matkapuhelimissa ja digitaalisissa mittareissa. Näissä laitteissa sekventiaalinen logiikka mahdollistaa monimutkaisempien toimintojen, kuten muistitoimintojen, ajastimien ja laskureiden, toteutuksen. Yksi tärkeä sovellus on binaarinen laskuri, joka voi olla joko "BCD-laskuri" (binäärikoodattu desimaalilaskuri) tai tavallinen binaarilaskuri.

BCD-laskuri on erityisen hyödyllinen, koska se vastaa päivittäisessä elämässä käyttämäämme desimaalilukujärjestelmää. BCD-laskuri käyttää neljää bittiä, mutta sen tilat määräytyvät niin, että se palautuu nollaksi aina, kun se saavuttaa binääriluvun 1001 (desimaaliluku 9). Tämän jälkeen laskuri alkaa laskea uudelleen alusta. Tämä eroaa tavallisesta binaarilaskurista, joka ei nollautuisi ennen kuin se saavuttaa 1111 (desimaaliluku 15).

Sekventiaalisten logiikkapiirien käyttö ei ole rajoittunut vain laskureihin. Ne voivat myös toteuttaa muistitoimintoja, kuten tietokoneen RAM-muisti, jossa sekventiaalinen logiikka mahdollistaa datan tallentamisen ja hakemisen. Näiden piirejen suunnittelu ja ymmärtäminen on olennainen osa digitaalisten järjestelmien rakentamista ja optimointia.

Endtext

Miten ajastinlaskuri mittaa aikaa ja miksi siihen liittyy väistämätön virhe?

Tätä toimintatilaa kutsutaan myös nimillä start–stop-moodi, sekuntikellotila tai Totalize-moodi, koska laskuri toimii kuin digitaalinen sekuntikello. Toiminta perustuu yksinkertaiseen periaatteeseen: kuinka monta vakiosignaalin sykliä mahtuu mitattavien tapahtumien väliin. Tämä menetelmä on kuitenkin altis tietylle laskennalliselle epätarkkuudelle.

Tämä virhe ei kuitenkaan jää ainoaksi. Itse laskurin logiikka tuo mukanaan ±1 laskentayksikön virheen, joka liittyy siihen, milloin tarkalleen ensimmäinen ja viimeinen nousureuna osuvat suhteessa porttisignaalin aktivointiin ja deaktivointiin. Esimerkiksi, jos ensimmäinen nousureuna osuu juuri portin aktivoitumisen jälkeen, laskuri voi laskea ylimääräisen pulssin. Toisessa tapauksessa, jos viimeinen pulssi jää juuri portin deaktivoinnin jälkeen, sitä ei lasketa ollenkaan. Näin ollen kahdessa identtisessä mittaustilanteessa voidaan saada tulokseksi joko 5, 6 tai 4 sykliä – riippuen täysin ajastuksesta.

Tätä ±1 yksikön virhettä esiintyy kaikissa laskurin toimintatiloissa – oli kyseessä taajuuden mittaus, jaksonajan mittaus, suhdelaskenta tai ajan mittaus. Tämä virhe on siis sisäänrakennettu ominaisuus, eikä sitä voida täysin eliminoida. On tärkeää huomata, että tämä virhe ei ole identtinen pyöristysvirheen kanssa – se voi esiintyä sen rinnalla ja aiheuttaa vielä suuremman kokonaispoikkeaman.

Moderni yleisajastinlaskuri on suunniteltu mittaamaan kaikki edellä kuvatut suureet yhdessä laitteessa. Laitteen sisäinen rakenne koostuu monivaiheisista logiikkapiireistä, kuten useamman tulon AND-portista, monituloisista multiplekseriyksiköistä, yhdestä jaksoa erottavasta piiristä sekä analogisignaalia digitaaliseksi muuttavista komparaattoreista. Toimintatilan valinta multiplekserin kautta määrittää, mitä suuretta kulloinkin mitataan ja millä signaaleilla.

Signaalin yhden jakson erottaminen on kriittinen vaihe mittauksessa. Tätä varten signaalin ensimmäinen nousureuna asettaa tietyn tilan ja seuraava nousureuna palauttaa sen, jolloin syntyy pulssi, jonka leveys vastaa yhden jakson pituutta. Tämä toimii laskurin kello- tai porttisignaalina riippuen mittaustavasta. Mittauksen tarkkuus riippuu suoraan tämän pulssin puhtaudesta ja stabiiliudesta.

Yleismittarissa esiintyvät virhelähteet muodostuvat sekä laskennan luonteesta että käytettävien signaalien laadusta. Vaikka pyöristysvirhe ja ±1 yksikön virhe ovat rakenteellisia, niiden vaikutusta voidaan vähentää käyttämällä suurempia vakiosignaalin taajuuksia, jolloin mitattava aikaväli sisältää enemmän jaksoja ja suhteellinen virhe pienenee. Analogisten signaalien esikäsittely – vaimennus, vahvistus ja offsetin poisto – on myös keskeinen osa luotettavaa mittausta. Näillä toimenpiteillä voidaan varmistaa, että signaalin nollakohdan ylitykset ovat teräviä ja ennustettavia, mikä parantaa mittaustulosten johdonmukaisuutta.

Miksi progressiivinen kellotus ja peräkkäisen vähennyksen menetelmät määrittävät SAR- ja SSADC-muuntimien tarkkuuden ja nopeuden?

Tällainen vaiheittain pienenevä kellonjakso tekee mahdolliseksi niin kutsutun progressiivisen kellon SAR-muuntimen. Sen kokonaismuunnosaika voidaan esittää muodossa
Tcon = (2τDAC + NτK + 2τSAR),
missä jokainen termi kuvaa DAC:n, logiikan ja SAR-lohkon asettumisaikoja. Tämän mallin etu on sen tehokkuus: muunnos on optimoitu siten, että kellon jaksoa ei hukata liian pitkänä aikana myöhemmissä bittipäätöksissä, jolloin nopeus kasvaa säilyttäen tarkkuuden.

Progressiivisen kellon toteutus ei kuitenkaan ole yksinkertaista. Aikajakson hienovarainen muuttaminen jokaisessa bittivaiheessa vaatii tarkkaa kellon synkronointia ja laitteistototeutuksen monimutkaisuus kasvaa merkittävästi. Tästä syystä monissa kaupallisissa toteutuksissa käytetään yksinkertaistettua mallia, jossa kellon jakso ei pienene jokaisessa vaiheessa, vaan esimerkiksi vain kahdessa tai kolmessa portaassa. Esimerkiksi 12-bittisessä SAR-ADC:ssä neljä ensimmäistä bittiä päätetään kellolla TC, seuraavat neljä bittiä kellolla TC/2 ja viimeiset neljä kellolla TC/4. Tällöin muunnosaika voidaan puolittaa, esimerkiksi 14TC:stä 7TC:hen, ilman että tarkkuus heikkenee olennaisesti.

SAR-muuntimissa jännite tuotetaan paikallisesti ja sitä lähestytään vaiheittain kohti syötejännitettä. Tavoitteena ei ole matemaattisesti täydellinen yhtäsuuruus, vaan että DAC-jännite asettuu välille (Vin ± 0,5 VLSB), mikä takaa muunnoksen oikean kvantisointiarvon. Tämä näkyy esimerkiksi 3-bittisessä SAR-ADC:ssä, jossa syötejännitteet 6,6 V ja 0,6 V johtavat DAC-ulostulon vaiheittaiseen asettumiseen 4 V:iin, sitten 6 V:iin ja lopulta 7 V:iin tai pienempiin arvoihin riippuen signaalista.

NR SSADC -toteutus (N-reference) käyttää jokaista bittiä varten erillistä vertailujännitettä. Esimerkiksi 4-bittisessä muuntimessa, jonka täysi skaala on 15 V, tarvitaan neljä vertailujännitettä: 7,5 V, 3,5 V, 1,5 V ja 0,5 V. Näiden tuottaminen onnistuu resistiivisellä jännitejaolla tai R-2R-verkolla. Prosessi etenee vaiheittain: jos syöte ylittää 7,5 V, MSB asetetaan 1 ja signaalista vähennetään 8 V; seuraavaksi verrataan 3,5 V:iin ja niin

Miksi digitaalisten näytteiden käsittely vaatii tarkkaa näytteenottotaajuutta?

Digitaalisen näytteistysprosessin yksinkertaistaminen ja virheiden vähentäminen vaativat, että näytteenottotaajuus asetetaan perustavanlaatuisten taajuuksien (f1) kokonaiskerroinmääräksi, eli: fsa = Nf1. Tämä sääntö on keskeinen, sillä se varmistaa, että digitaalinen näytteenotto prosessoi signaalit tarkasti ilman virheellistä tulkintaa signaalin taajuuskomponenteista. Taajuuskomponenttien virheellinen esitys voi johtaa aliaksen syntymiseen, mikä puolestaan vääristää signaalin analysointia. Tässä yhteydessä on tärkeää huomata, että aliaksen välttämiseksi signaali tulee esittää oikealla taajuusalueella.

Kun digitaalinen oskilloskooppi (DSO) otettiin käyttöön katodisädeoskilloskoopin (CRO) tilalle, sen rakenne ja toimintaperiaatteet poikkesivat merkittävästi vanhoista analogisista malleista. DSO:n perusperiaate perustuu digitaalisten näytteiden keräämiseen ja niiden käsittelyyn muistissa. Tässä prosessissa analoginen signaali kulkee ensin vahvistimen ja suodattimen läpi ennen kuin se muunnetaan digitaaliseksi näytteeksi. Tämä digitaalinen signaali tallennetaan suoraan prosessointiyksikköön (DPU), joka muuntaa sen visuaaliseksi esitykseksi, yleensä käyränä näytölle.

Y-vahvistin, joka on olennainen osa DSO:n toimintaa, toimii analogisten signaalien vahvistajana ennen niiden muuntamista digitaaliseen muotoon. DSO:ssa voi olla useita kanavia, kuten nelikanavainen malli, jolloin kullekin kanavalle on oma Y-vahvistin. Y-vahvistin voi tarjota suoran kytkennän (DC-kytkentä) tai vaihtovirta-kytkennän (AC-kytkentä) signaalin syöttämiseksi oskilloskooppiin. DSO:n syötteet ovat yleensä standardoituja BNC-liittimillä ja niiden impedanssi on 1 MΩ, samoin kuin CRO:ssa.

Antialiasointisuodatin on välttämätön osa digitaalisen oskilloskoopin toimintaa. Tämän suodattimen tehtävänä on estää aliaksen syntyminen ennen kuin signaali muunnetaan digitaaliseksi. Aliaksen ilmiö syntyy, kun signaalin korkeat taajuuskomponentit vääristyvät ja näkyvät matalampina taajuuksina digitaalisessa näytteessä, mikä johtaa virheellisiin tulkintoihin signaalin rakenteesta. Nyquistin periaate, joka määrittelee, että signaali on näytteistettävä vähintään kaksinkertaisella taajuudella sen korkean taajuuden komponentin suhteen, on keskeinen tekijä aliaksen estämisessä.

Jos digitaalinen signaali näytteistetään liian alhaisella taajuudella, korkeammat taajuuskomponentit voivat esiintyä virheellisesti matalampina taajuuksina. Tämä johtaa siihen, että signaalin alkuperäiset piirteet menevät täysin hukkaan. Nyquistin mukaan näytteistystaajuuden on oltava vähintään kaksinkertainen korkeimman signaalin taajuuden suhteessa. Tällöin signaali voidaan rekonstruktioida oikein. Tätä sääntöä laajennettiin myöhemmin Shannonin teoreemalla, joka huomioi tietyt poikkeukset.

Digitaalinen muunnos tapahtuu ADC:llä (analoginen-digitaalimuunnin), ja sen teho perustuu siihen, että ADC pystyy käsittelemään mahdollisimman laajan taajuusalueen. Tämän vuoksi ADC:n näytteenottotaajuuden on oltava mahdollisimman korkea. Nykyisin yleisimmät DSO-mallit käyttävät FLASH-tyyppisiä ADC:itä, joiden näytteenottotaajuus voi vaihdella 50 miljoonasta näytteestä sekunnissa (Msa/s) jopa 4 miljardiin näytteeseen sekunnissa (Gsa/s), riippuen laitteen tarkkuudesta ja hintaluokasta. Huipputason DSO-laitteet voivat käyttää jopa 12-bittisiä ADC:itä, mikä mahdollistaa tarkemman signaalin rekonstruktion, vaikka näiden laitteiden taajuuskaista on yleensä kapeampi.

On myös tärkeää ottaa huomioon DMA (Direct Memory Access) -tekniikan merkitys, joka mahdollistaa ADC:n tuottamien datan tallentamisen suoraan muistiin ilman prosessorin väliintuloa. Tämä on erityisen tärkeää, kun näytteenottotaajuudet ovat erittäin korkeita, sillä prosessori ei ehtisi käsitellä suuria tietomääriä tarpeeksi nopeasti. DMA mahdollistaa jatkuvan datan tallentamisen ilman keskeytyksiä, mikä on välttämätöntä, kun käsitellään nopeita signaaleja.

Samalla on muistettava, että vaikka nykyaikaiset DSO-laitteet ovat erittäin tarkkoja, niiden käyttö edellyttää käyttäjältä tarkkuutta signaalin analysoinnissa. Aliaksen estäminen ja oikean näytteenottotaajuuden valinta eivät ole ainoita tärkeitä tekijöitä. On myös tärkeää ymmärtää, miten