Опыт 2. Измерение частоты синусоидальных или импульсных напряжений

Опыт заключается в измерении частоты напряжения, снимаемого с выхода внешнего генератора или с выхода ГИ макета (по указанию преподавателя) и оценке погрешности измерения частоты.

Измерение частоты с помощью ЦЧ основано на подсчете с помощью счетчика импульсов числа периодов (колебаний) входного сигнала в течение строго фиксированного интервала времени T_и, т.е. в этом режиме измерение состоит в сравнении образцового интервала времени T_и с количеством периодов измеряемой частоты T_x, которые уложатся в интервал T_и.

Структурная схема частотомера изображена на рис. 4.4.

Сигналы измеряемой частоты f_x=1/T_x – поступают на формирователь Ф, преобразующий различные по форме и амплитуде сигналы в импульсы прямоугольной формы с определенной амплитудой, длительностью и частотой, равной f_x. Эти импульсы через электронный ключ К поступают на СИ, который подсчитывает их. Ключ К открывается на строго определенное время T_и – время измерения. Интервал T_и в виде прямоугольного импульса формируется источником (датчиком) эталонных интервалов времени, состоящим из кварцевого генератора стабильной частоты ГСЧ, ДЧ и формирователя прямоугольного импульса (ФПИ), формирующего импульс длительностью T_и, равной периоду выходных сигналов ДЧ. Длительность T_и может быть выражена как

.

где T₀ – период следования импульсов с ГСЧ; K_д – коэффициент деления ДЧ. Поэтому время измерения T_и может изменять оператор путем изменения коэффициента деления ДЧ переключателем "Время измерения".

Число импульсов N_х , поступивших в СИ за время T_и,

.

Оно индицируется на ЦОУ.

Время измерения T_и в ЦЧ может быть выбрано равным 1 с или десяти кратным секунде. Тогда число N_х будет представлять собой частоту f_х, выраженную в Гц (при T_и = I с).

Погрешность измерения частоты будет определяться двумя

составляющими: 1) погрешностью от нестабильности образцового интервала T_и; 2) погрешностью квантования или дискретности, обусловленной тем, что в интервал Т_и в общем случае уложится нецелое число периодов T_x измеряемой частоты. Первая составляющая погрешности определяется нестабильностью частоты кварцевого ГСЧ. Её относительное значение 10^–7 – 10^–9, поэтому ею можно пренебречь, так как вторая составляющая значительно больше и в основном определяет погрешность измерения частоты. Причиной погрешности квантования является некратность интервала T_и и периода T_x, которым квантуется интервал T_и. Так как в худшем случае интервал времени N_x·T_x может отличаться от сравниваемого с ним интервала T_и на величину ±T_x, то максимальное значение относительной погрешности квантования может быть найдено:

(4.1)

Из выражения (4.1) следует, что для обеспечения малой погрешности этот режим работы ЦЧ целесообразно использовать для измерения сравнительно высоких частот.

 

 

Порядок выполнения опыта

1 На рабочем месте ознакомиться с назначением органов управления ЦЧ (указания по эксплуатации приведены на стенде). Установить их в положения, обеспечивающие режим измерения частоты.

2 Включить частотомер и дать ему прогреться в течение 5–10 мин. Вход частотомера подключить ко входу СИ макета. Включить макет и переключателями макета подключить по указанию преподавателя внешний генератор или внутренний ГИ макета.

3 Снять зависимость погрешности измерения частоты от времени измерения T_и. Для этого по указанию преподавателя произвести измерение частоты при различной длительности T_и, указанной в табл. 4.3. Результаты измерений занести в табл. 4.3.

Таблица 4.3

Результаты измерений и вычислений	Время измерения TИ, с
10^–2	10^–1
Частота fx
Число импульсов Nx
Погрешность измерения δf, %

 

Значения частоты f_x снимаются с ЦОУ частотомера с указанием индицируемой размерности и положения запятой. То число, которое представляет частоту f_x на ЦОУ, но без учета запятой и размерности, является числом импульсов N_x, поступивших в СИ частотомера.

4 По данным измерений вычислить погрешность измерения частоты δ_f, по соотношению (4.1), считая, что она состоит лишь из погрешности квантования. Построить график зависимости δ_f=f(T_и). Для T_и использовать логарифмический масштаб.

5 Снять зависимость погрешности измерения частоты от значения частоты при постоянном времени измерения T_и, заданном преподавателем. Частота внешнего генератора или ГИ макета остается прежней. Измерение различных значений частоты производится путем поочередного измерения частоты на входе СИ макета () и на выходах триггеров СИ макета (). Результаты измерений и вычислений занести в табл. 4.4.

6 По данным табл. 4.4 построить график зависимости .

Таблица 4.4