Tampilan, resolusi & akurasi DMM (Digital Multimeter)

[intense_panel shadow=”11″ title=”Catatan penyalinan” title_color=”#0fd19d” border=”1px solid #696161″]

Post ini adalah salinan dari post saya di blog yang lama di pikirsa.

[/intense_panel]

Sebelumnya saya post beberapa manual DMM & RCL meter. Namun manual itu bisa menjadi sangat intimidatif bagi yang baru pertama kali membacanya atau yang sering lupa, seperti saya :-). Jadi berikut ini beberapa kutipan yang dapat memudahkan untuk memahami pembacaan manual (bagian keterangan tentang resolusi & akurasi).

Display Digits

Keterangan paling sederhana & jelas saya peroleh dari situs Tektronix:

Traditionally, DMM displays have been specified as “3 1/2-digit” for example. The meaning of this is that there are three complete digits, each capable of displaying the numbers zero to nine, and one additional preceding digit which may display only a zero (may be blanked in this case) or a one for a full scale reading of 1999. Not exactly intuitive but it has been around long enough for most users to understand it.

Newer DMMs have clouded the picture somewhat by increasing the full scale range to 3999 or 39999 or more. These have been dubbed 3 3/4- and 4 3/4-digits respectively. This description is even less intuitive than it was for 3 1/2-digits. A better approach which is now displacing the fractional digits is to specify the number of “counts” that may be displayed.

For example, the 3 1/2-digit display is described as 2000 count (1999 plus the reading of 0). From that description, it becomes readily obvious what the display is capable of showing. 3 3/4-digits becomes 4000 counts and 4 3/4-digits becomes 40000 counts. Some confusion arises in cases where 3 3/4 digits has been used to denote 3000 or 5000 counts. Table 1 shows the relationship between digits and counts for the more common DMM displays.

Table 1: Digits vs Counts

Digits Counts
3 1/2 2000
3 3/4 4000
4 1/2 20000
4 3/4 40000
4 4/5 50000

 

The number of counts usually applies to the DC volts function. Fewer counts may be displayed on the same instrument for certain functions. For instance, a 40000 count DMM may be limited to 4000 counts when measuring capacitance.

 

Resolusi & Akurasi

Resolusi & akurasi sering dicampur artikan maknanya. Pada DMM hal ini juga berhubungan dengan tampilan digitnya (display digit). Keterangan cukup gampang dipahami terdapat di Wikimedia:

Resolution and accuracy in a multimeter are not equal. The resolution of a multimeter is the smallest part of the scale which can be shown. The resolution is scale dependent and in high end digital multimeters it can be configured, with higher resolution measurements taking longer to complete.


For example, a multimeter that has a 1mV resolution on a 10V scale can show changes in measurements in 1mV increments.

Absolute accuracy is the error of the measurement compared to a perfect measurement. Relative accuracy is the error of the measurement compared to the device used to calibrate the multimeter. Most multimeter datasheets provide relative accuracy. To compute the absolute accuracy from the relative accuracy of a multimeter add the absolute accuracy of the device used to calibrate the multimeter to the relative accuracy of the multimeter.

Masih dari halaman Wikipedia yang sama (bisa dibandingkan dengan keterangan dari Tektronix sebelumnya):

The resolution of a multimeter is often specified in “digits” of resolution. For example, the term 5½ digits refers to the number of digits displayed on the display of a multimeter.

By convention, a half digit can display either a zero or a one, while a three-quarters digit can display a numeral higher than a one but not nine. Commonly, a three-quarters digit refers to a maximum value of 3 or 5. The fractional digit is always the most significant digit in the displayed value. A 5½ digit multimeter would have five full digits that display values from 0 to 9 and one half digit that could only display 0 or 1.[4] Such a meter could show positive or negative values from 0 to 199,999. A 3¾ digit meter can display a quantity from 0 to 3,999 or 5,999, depending on the manufacturer.

While a digital display can easily be extended in precision, the extra digits are of no value if not accompanied by care in the design and calibration of the analog portions of the multimeter. Meaningful high-resolution measurements require a good understanding of the instrument specifications, good control of the measurement conditions, and traceability of the calibration of the instrument.

Specifying “display counts” is another way to specify the resolution. Display counts give the largest number, or the largest number plus one (so the count number looks nicer) the multimeter’s display can show, ignoring a decimal separator. For example, a 5½ digit multimeter can also be specified as a 199999 display count or 200000 display count multimeter. Often the display count is just called the count in multimeter specifications.

Dari situs designworldonline:

Some instruction manuals list basic meter accuracy as ± % of reading. For example, if the basic meter accuracy in the dc volts range is ±1 %, and the true voltage is 1.00 V, the meter is expected to display a reading of 1.00 V ±1 %, or 0.99 V to 1.01 V.

However, basic accuracy does not take into account the inner workings of the ADC (that is at the heart of every DMM) and other circuitry on the analog side. These circuits and the ADC have tolerances, nonlinearities, and offsets that vary from function to function. In addition, signal noise might require limiting the resolution.

To give meter users a more accurate value, DMM manufacturers present accuracy specifications in the following format:

Complete accuracy specifications: ±(% of reading + number of LSD)

Where:

Reading = the true value of the signal that the DMM measures

LSD = least significant digit

The LSD represents the magnitude of uncertainty due to internal offsets, noise, and rounding errors. For a given DMM the number of LSDs varies from function to function and even from range to range for the same function. Accuracy and range selection need to be considered independently, otherwise a misunderstanding can lead to gross errors. For example, consider the following:

A 3 1/2-digit display DMM measures an output of a precision 1.2-V reference. Presume that the true voltage is 1.200 V. The DMM manual shows the dc volts accuracy specification as ±(0.5% + 3). How should you measure the voltage and interpret the reading?

First, set the meter to the 200-V range. The display will indicate the measured voltage as XX.X. The percentage of reading is (1.200)(0.5)/100 = 0.006 V, which cannot even be seen on the display because only one digit after the decimal point is shown. However, when accounting for the three allowed LSD counts, realize that the last digit on the display can vary by ±3 counts. So, the meter can display a value of 1.2 ±0.3 V, or a range of 0.9 V to 1.5 V. This is a ± 25% potential error with all factors combined and is not acceptable for a precision measurement.

Set the switch to the 20-V range and it will display the value as X.XX, which improves the accuracy. The complete accuracy can be a calculated as ± (1.200)(0.5)/100 +0.03) = ± 0.036 V. So, any reading between 1.16 V and 1.23 V is within the accuracy specifications. This complete accuracy is ± 3% of reading, which is better, but still not accurate enough.

Finally, set the DMM to the 2-V range. The display format changes to X.XXX. The percentage of reading does not change, but the third LSD becomes a smaller factor. The complete accuracy can be a determined as ± (1.200)(0.5)/100 +0.003) = ± 0.009 V. The meter display is only allowed to be within the narrow 1.191 V to 1.209 V range. Now the complete accuracy is only ± 0.75% of reading, which is sufficient for the measurement. So, selecting the lowest measurement range before the DMM over-ranges reduces the negative effect of the number of LSDs and gives the most accurate results.

Dari situs pioneer.netserv.chula.ac.th:

Update:

Lihat post berikut untuk manual alat ukur di lab elda >> link

 

Referensi:

 

Dasar pengawalan penggunaan DSO GW INSTEK GDS-2104A

img_20160903_192737.jpg

img_20160903_192816.jpg

img_20160903_192822.jpg

img_20160903_151119.jpg

Gambar 1. Pasang probe dan sesuaikan warna pengenal

img_20160902_19514001.jpg.jpegGambar 2. Ubah dan sesuaikan faktor pelemahan pada probe (1x atau 10x).

img_20160903_151249.jpgGambar 4. Pasang ground pada probe untuk memulai pemeriksaan operasi dasar sistem DSO.

img_20160903_151312.jpgGambar 5. Pasang kedua tip dari probe untuk pembacaan sinyal, pada posisinya.


Gambar 6. Hidupkan sistem dengan menekan tombol pada bagian kiri bawah DSO.

img_20160903_151358.jpgGambar 7. Proses booting.

img_20160903_152811.jpgGambar 8. Perhatikan letak dan penamaan tombol-tombol untuk operasi DSO.


Gambar 9. Tombol Autoset ada di bagian kanan atas.

img_20160903_152352.jpgGambar 10. Keterangan pada layar, indikasi proses Autoset sedang berlangsung.

img_20160903_152357.jpgGambar 11. Proses Autoset selesai.

img_20160903_152616.jpgGambar 12. Hasil proses “kalibrasi”.

Masukkan USB flashdisk seperti pada Gambar 9.

img_20160903_152052.jpgGambar 13. Normalnya ada indikator bahwa flashdisk telah terdeteksi.

img_20160903_152113.jpgGambar 14. Jika USB flashdisk dicabut, indikator ini akan muncul.

DS0017Gambar 15. Setelah menekan tombol Save Recall (lihat Gambar 9), muncul tampilan berikut.

DS0018Gambar 16. Atur file format, pilihlah format PNG.

DS0019Gambar 17. Jika ink saver diaktifkan maka tampilan pada file yang disimpan akan seperti ini.

Tampilan seperti pada Gambar 17 berguna untuk menghemat tinta pada laporan yang akan dicetak di kertas. Jika menggunakan laporan format digital (file) sebaiknya fasilitas ink saver ini tidak dipakai, gunakan latar hitam.

Untuk menyimpan tampilan ke dalam USB flashdisk dalam format gambar (PNG), tekan tombol hardcopy seperti terlihat pada Gambar 9.

DS0023Gambar 18.

Tekan tombol channel (misal CH1 atau CH2) untuk mengubah skala perhitungan nilai sinyal berdasar faktor pelemahan (lihat Gambar 18).

DS0024Gambar 19. Terlihat faktor pelemahan (attenuation) sebesar 1x.

DS0025Gambar 20. Ubah faktor pelemahan menjadi 10x, jika diperlukan.

DS0020Gambar 21. Tekan tombol Menu pada kolom TRIGGER (lihat kembali Gambar 9).

DS0021Gambar 22. Jika diperlukan ubah sumber pemicuan (trigger source), misalnya sumber awal adalah CH1.

DS0022Gambar 23. Sebagai contoh jika panduan meminta praktikan menggunakan AC Line.

 

Saya telah membuatkan video yang diunggah ke YouTube. Silakan dipelajari:

 

Untuk bacaan lanjut dan acuan pengoperasian DSO GW INSTEK GDS-2104A silakan membaca dua dokumen berikut:

Bahan pengantar kuliah tentang buck converter

Sebelum melihat lebih jauh dan melatih simulasi rangkaian untuk buck converter, sebaiknya terlebih dahulu melihat kembali post tentang simulasi untuk linear step-down. Dari post tersebut dapat diperoleh gambaran kemungkinan mengapa para pendahulu memikiran alternatif lain dari regulator linier yaitu regulator non-linier seperti buck converter.

Kemudian dilanjutkan dengan melihat kembali artikel mengenai penyakelaran pada sistem DC. Hal ini berguna untuk melihat rekonstruksi rangkaian evolusi dari sakelar ideal, BJT dan MOSFET. Dalam artikel itu bisa dilihat contoh dasar low-side swithing dengan NPN maupun N-MOSFET, dan high-side switching dengan PNP maupun P-MOSFET.

Setelah itu, dapat dilanjutkan dengan meninjau kembali sejenak tentang prinsip dasar bagaimana mempergunakan MOSFET sebagai sakelar elektronik. Di sana dapat dilihat kembali bagaimana cara MOSFET dioperasikan antara dua keadaan yaitu cut-off dan triode (ohmic).

 

MENURUNKAN TEGANGAN DENGAN BJT

Sebelum masuk ke penurun tegangan yang mempergunakan rangkaian tidak linier (on-off) kita akan melihat kembali rangkaian penurun tegangan linier, kali ini dengan mempergunakan BJT NPN.

Gambar 1.

Gambar 2.

Dapat dilihat bahwa dengan mempergunakan BJT pada rentang operasi linier, kita dapat menurunkan tegangan dari level catu daya ke level yang kita perlukan pada beban. Efisiensi untuk sistem ini berada pada kisaran 55,9 %. Transistor NPN mengeluarkan daya kira-kira sebesar 1,9 Watt berupa panas.

 

SIMULASI BUCK CONVERTER DENGAN LTSPICE

Gambar 3.

wp-1459193542287.jpegGambar 4.

Perhitungan untuk mencari nilai average dan RMS dapat mengacu dan mengikuti contoh pada halaman di situs pada link ini.

Gambar 5. Topologi dasar buck converter (sumber: SLVA477B)

 

Gambar 6. Topologi dengan komponen dan pengendali MOSFET yang lebih realistis
(sumber: SLVA057)

Gambar 7. Simulasi rangkaian tanpa induktor dan diode

Gambar 8.

Gambar 9.

Gambar 10.

Gambar 11.

Gambar 12.

Gambar 13.

Gambar 14.

Gambar 15.

 

CONTOH KONFIGURASI RANGKAIAN BUCK CONVERTER

 

Gambar 16. (Sumber: microcontrollerslab.com)

Gambar 17. (Sumber: AVR Tiny Buck Converter)

 

Gambar 18. (Sumber: KD1JV on boost and buck converters implemented with an ATtiny13V)

 

Gambar 19.

 

Gambar 20. (Sumber: Arduino-based Switching Voltage Regulators)


SUMBER BELAJAR UTAMA:

  1. Buck Converter Design Example
  2. Basic Calculation of a Buck Converter’s Power Stage, SLVA477B
  3. Buck Converter Basics

SUMBER PEMBANDING:

  1. Buck Converter Design
  2. Understanding Buck Power Stages in Switchmode Power Supplies, SLVA057

KOMPONEN:

  1. Buck DC/DC Converters

Simulasi linear step-down

Apa yang perlu dilakukan jika, misalnya, kita memiliki catu daya 9 V (DC) sementara kita membutuhkan tegangan 5 V (DC)?

Cara yang paling mudah adalah dengan menggunakan pembagi tegangan dengan resistor. Misalkan beban berupa resistor 10 Ω, sehingga dengan beda potensial sebesar 5 V akan memerlukan arus sebesar 500 mA.

Gambar 1.

Gambar 2. Pembagi tegangan dengan resistor

Gambar 3. Pemeriksaan rancangan dengan perhitungan

Pada Gambar 1 dapat dilihat bahwa meskipun rancangan ini memberikan nilai yang mendekati nilai sasaran awal (5 V, 500 mA) namun efisiensinya masih sangat rendah. Tidak sampai 8,538 % daya yang dipakai oleh rangkaian benar-benar dipakai oleh resistor beban Rload. Pada Gambar 2 terlihat bahwa dari 3.302 A arus yang ditarik dari sumber, sebenarnya hanya 500 mA yang benar-benar mengalir ke beban. Demikian pula diperlihatkan bahwa dari total disipasi daya sebesar 29,72 W hanya 2,537 W saja daya yang dipergunakan oleh beban.

Selain masalah efisiensi daya, ada masalah lain yang dalam gambar-gambar di atas tidak diperlihatkan, yaitu risiko apabila nilai tegangan pada sumber berubah-ubah. Masalah lain (yang juga berlaku sama untuk semua sistem untai terbuka atau “open loop“) adalah jika arus beban berubah nilainya. Dengan kata lain penggunaan daya oleh beban meningkat.

Alternatif sederhana lainnya yang dapat dipergunakan adalah dengan mempergunakan zener.

Gambar 4. Perhitungan dasar zener dengan bantuan aplikasi Android

Gambar 5. Simulasi rangkaian dasar zener

Gambar 6. Simulasi perubahan tegangan sumber

Dari Gambar 5 kita bisa melihat perbaikan efisiensi daya, sekitar 52,88 % daya dipergunakan oleh beban, jauh lebih baik daripada yang ditunjukkan pada Gambar 1 sebesar 8,538 %. Gambar 6 memberikan informasi hasil simulasi perubahan pada tegangan sumber. Sebagai regulator yang paling sederhana, zener dapat membantu mengurangi efek dari variasi pada sumber maupun beban. Tentu saja kemampuan ini terbatas pada rentang tertentu.

Gambar 7. Regulasi tegangan menggunakan LM7805

Gambar 8. Hasil simulasi perubahan sumber dan beban pada sistem dengan regulator LM7805

Gambar 9. Detail hasil simulasi pengaruh variasi sumber dan beban

Gambar 10. Rata-rata disipasi daya

Sebagaimana terlihat dari Gambar 7 sampai Gambar 9, penggunaan regulator tegangan linear seperti LM7805 mampu membantu sistem untuk mengatasi pengaruh perubahan sumber dan beban. Pada simulasi tersebut sengaja kapasitor pada input dan output tidak dipasang, dengan demikian kerja tunggal voltage regulator dapat lebih terlihat. Pada penggunaan yang sesungguhnya, sebaiknya kapasitor masukan dan keluaran benar-benar dipergunakan.

Dari informasi pada Gambar 10, dapat diperkirakan bahwa disipasi daya oleh beban sekitar 55,12 %. Disipasi daya oleh LM7805 sendiri dalam simulasi sekitar 2,03 Watt, daya ini diwujudkan dalam bentuk panas oleh komponen.

Komponen voltage regulator semacam LM7805 maupun yang bertipe LDO sudah sangat lazim dipergunakan. Tipe regulator ini mudah untuk dirancang ke dalam sistem dan mudah untuk diwujudkan dalam bentuk rangkaian fisik. Hanya saja tipe linear ini secara umum masih kalah dari tipe non-linier (SMPS; switched mode power supply) dalam hal efisiensi penggunaan energi (daya). Bahasan tentang bagian dari SMPS akan dilanjutkan pada post di lain waktu.


 

 

Simulasi sakelar untuk sistem DC

Pada tulisan sebelumnya, telah saya coba ungkapkan simulasi sakelar untuk sistem AC (alternating current). Dari konfigurasi tersebut dapat dikembangkan dasar pemahaman untuk operasi TRIAC maupun SCR (tunggal maupun anti-parallel).

Kali ini saya akan menampilkan dasar penyakelaran dalam bentuk yang mendekati ideal sebagai dasar untuk pemahaman operasi transistor BJT maupun MOSFET. Terutama sebagai persiapan untuk penyakelaran pada catu daya (SMPS), misalnya pada aplikasi buck converter.

Dikarenakan keterbatasan waktu pada kesempatan ini saya terutama akan menampilkan beberapa screenshot. Seiring waktu post ini akan diperbaharui dan dilengkapi.

Gambar 1.

Gambar 2.

Gambar 3. Hasil simulasi Gambar 2. untuk mencari nilai Average dan RMS

Gambar 4. Sakelar elektronik berupa BJT TIP3055

Gambar 5.

Gambar 6.

Gambar 7. High side switching dengan TIP2955

Gambar 8. High side switching dengan IRF9540N

Gambar 9. Hasil simulasi high side switching dengan IRF9540N