Дослідження частоти і часових інтервалів інформаційного сигналу цифровим способом

 

Мета роботи

1.1 Набути професійних навичок в роботі з цифровим частотоміром. Уміти аргументовано вибирати час рахунку (Т _ліч), множник періоду (n) і частоту генератора міток (f _м).

1.2 Досліджувати основні характеристики цифрових частотомірів в різних режимах роботи. Уміти проводити вибір режимів роботи, що забезпечують мінімальні похибки результатів вимірювання частоти, часових інтервалів, відношення частот.

 

Ключові положення

2.1 Сучасні цифрові частотоміри, виконані на мікропроцесорній основі або на схемах з жорсткою логікою, - прилади багатофункціональні. Перехід від однієї функції до іншої здійснюється за встановленою програмою або за допомогою електромеханічних комутаторів - (ключів).

Функціональна схема, представлена на рис. 1, відноситься до схем ЕЛЧ з жорсткою логікою.

2.2 У режимі «ВИМІРЮВАННЯ ЧАСТОТИ» проводиться пряме порівняння частоти досліджуваного сигналу f _с із значенням зразкової частоти f _кг, відтвореної мірою (кварцовим генератором) як «одиниця вимірювання». Тут f _с > f _кг, що дає можливість знайти цифровим способом число, що показує в скільки разів f _с більше f _кг.

На рис. 2 представлені діаграми напруг ЕЛЧ, що наочно показують суть цифрового методу, який зводиться до підрахунку числа імпульсів N, що поступають на рахунковий блок (11) за час, рівний Т _ліч, званий «часом вимірювання» або «Часом ЛІЧБИ».

З діаграм виходить, що дійсне значення частоти досліджуваного сигналу рівне:

 

.

 

Виміряне значення частоти досліджуваного сигналу дорівнює:

 

f с вим = .

 

Значення абсолютної похибки дискретності:

 

∆ N = f с вим – f сд = = .

 

Максимальне значення відносної похибки дискретності визначається виразом:

 

,

 

де N – число імпульсів, що поступили в рахунковий блок ЕЛЧ за час лічби.

 

Сумарна похибка вимірювання частоти:

 

,

 

де δ_кг - складова похибки, що вноситься мірою (кварцовим генератором).

 

2.3 У режимі «ВИМІРЮВАННЯ ПЕРІОДУ» проводиться порівняння вимірюваного періоду досліджуваного сигналу Т _с із зразковим інтервалом часу. Діаграми напруг ЕЛЧ в цьому режимі представлені на рис. 3.

З них виходить, що дійсне значення періоду досліджуваного сигналу визначається виразом:

 

,

 

де Т _м – період зразкового сигналу;

N – число міток, що поступили в рахунковий блок ЕЛЧ;

n – множник періоду.

 

Час рахунку визначається виразом:

 

T ліч = n · Т с.

 

Виміряне значення періоду досліджуваного сигналу визначається:

 

Т с вим = .

 

Значення абсолютної і відносної похибок дискретності рівні, відповідно:

 

∆N = Т с вим - Т сд = ; ,

де .

Сумарна відносна похибка визначається за формулою:

 

= ,

 

де δ_пер – похибка перетворення, обумовлена відношенням напруги сигналу і завади.

 

2.4 У режимі «ВІДНОШЕННЯ ЧАСТОТ» напруга з більшою частотою ƒ ₁, (положення ключа на комутаторі «1») подається на вхід «1» (рис. 1). У каналі 1 ця напруга перетвориться в послідовність коротких імпульсів з частотою проходження, рівною ƒ ₁. Ці імпульси поступають на перший вхід часового селектора, на його другий вхід поступає імпульс, що управляє, тривалістю Т _ліч.

Формування імпульсу, що управляє, проводиться в каналі 2 з сигналу з нижчою частотою ƒ ₂, поданого на вхід 2.

З рис. 4 слідує рівність:

 

N · T 1 = n · Т 2.

 

І дійсне значення відношення частот рівне:

 

.

 

Виміряне значення відношення частот:

 

.

 

Час лічби:

 

T ліч = n · Т 2.

 

Абсолютна похибка дискретності:

 

.

 

Відносна похибка дискретності:

 

δ N = ,

 

де N = .

Сумарна похибка визначається виразом:

 

= .

 

3. Ключові питання

3.1 Чому ЕЛЧ відносять до високоточних і універсальних засобів вимірювання?

3.2 У чому полягає суть методу вимірювання, на якому заснована робота ЕЛЧ?

3.3 Пояснити принцип роботи ЕЛЧ в режимах вимірювання:

- частоти;

- інтервалів часу;

- відношення частот.

3.4 Перерахувати похибки, що виникають в ЕЛЧ при роботі в різних режимах, і вказати причини їх появи.

3.5 Вказати способи зменшення похибок, що виникають в ЕЛЧ.

3.6 Пояснити, як визначається сумарна похибка ЕЛЧ в різних режимах роботи.

3.7 Пояснити, як визначається положення децимальної крапки в різних режимах роботи ЕЛЧ.

Домашнє завдання

4.1 Вивчити структурну схему заданого частотоміра, і принцип дії в різних режимах роботи. Зарисувати структурну схему ЕЛЧ.

4.2 Користуючись технічними характеристиками заданого частотоміра, вибрати час лічби, що забезпечує найменшу похибку в режимі вимірювання частоти. Результат представити у формі табл. 4.1. Варіанти завдання представлені в табл. 1 (додаток А); тут ƒ₁= ƒ_с.

 

Таблиця 4.1. Оцінка основних характеристик в режимі «ВИМІРЮВАННЯ ЧАСТОТИ»

ƒс, кГц	Т ліч, мс	Очікуваний результат на табло, кГц	∆ N, Гц	N	δ N

 

4.3 Користуючись технічними характеристиками заданого частотоміра, вибрати параметри режиму вимірювання періоду так, щоб забезпечити найменшу похибку вимірювання періоду. Результат представити у вигляді таблиці4.2. Рекомендується проводити розрахунки на тих же частотах, що і в табл.1 (додаток А).

 

Таблиця 4.2 Оцінка основних характеристик в режимі «ВИМІРЮВАННЯ ПЕРІОДУ»

ƒс, кГц	n	Т м	Очікуваний результат на табло (мс, або мкс)	∆ N	N	δ N	Т ліч, с

4.4 Користуючись технічними характеристиками заданого частотоміра, вибрати параметри режиму вимірювання «відношення частот», що забезпечують найменшу похибку вимірювання. Результати представити у вигляді табл.4.3 (частоти задані в додатку А).

 

Таблиця 4.3 Оцінка основних характеристик в режимі «ВІДНОШЕННЯ ЧАСТОТ»

ƒ1/ƒ2	n	Очікуваний результат на табло	∆ N	N	δ N	Т ліч, с

 

Лабораторне завдання

5.1 Ознайомитися із засобами вимірювання на робочому місці. Встановити відповідність між органами управління, виведеними на передню панель приладу, що вивчається, і структурною схемою (рис. 1). Погоджувати з викладачем план роботи.

5.2 Провести зовнішній огляд ЕЛЧ і випробування в режимі самоконтролю.

5.3 Провести випробування у всіх режимах роботи.

5.4 У режимі вимірювання частоти провести перевірку правильності вибору характеристик частотоміра на частотах, вказаних в табл.1 (додаток А). Результати представити у вигляді табл. 5.1.

 

Таблиця 5.1. Оцінка основних характеристик в режимі «ВИМІРЮВАННЯ ЧАСТОТИ»

ƒс, кГц	Т ліч, мс	Результат на табло, кГц	∆ N, Гц	N	δ N

 

5.5 У режимі вимірювання періоду провести аналогічні вимірювання. Результати представити у вигляді табл. 5.2.

Таблиця 5.2 Оцінка основних характеристик в режимі «ВИМІРЮВАННЯ ПЕРІОДУ»

ƒс, кГц	n	Т м	Результат на табло	∆ N	N	δ N	Т ліч, с

 

5.6 У режимі вимірювання відношення частот провести аналогічні вимірювання. Результати представити у вигляді табл. 5.3.

 

Таблиця 5.3 Оцінка основних характеристик в режимі «ВІДНОШЕННЯ ЧАСТОТ»

ƒ1/ƒ2	n	Результат на табло	∆ N	N	δ N	Т ліч, с