Исследование частоты и временных интервалов информационного сигнала цифровым способом

Цель работы

1.1 Приобрести профессиональные навыки в работе с цифровым частотомером. Уметь аргументировано выбирать время счета (Т _сч), множитель периода (n) и частоту генератора меток (f _м).

1.2 Исследовать основные характеристики цифровых частотомеров в различных режимах работы. Уметь производить выбор режимов работы, обеспечивающих минимальные погрешности результатов измерения частоты, временных интервалов, отношений частот.

 

Ключевые положения

2.1 Современные цифровые частотомеры, выполненные на микропроцессорной основе или на схемах с жесткой логикой, - приборы многофункциональные. Переход от одной функции к другой осуществляется по установленной программе или посредством электромеханических коммутаторов – (ключей).

Функциональная схема, представленная на рис. 1, относится к схемам ЭСЧ с жесткой логикой.

2.2 В режиме «ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТЫ» производится прямое сравнение частоты исследуемого сигнала f _с со значением образцовой частоты f _кг, воспроизводимой мерой (кварцевым генератором) в качестве «единицы измерения». Здесь f _с > f _кг, что дает возможность найти цифровым способом число, показывающее во сколько раз f _с больше f _кг.

На рис. 2 представлены диаграммы напряжений ЭСЧ, наглядно показывающие суть цифрового метода, который сводится к подсчету числа импульсов N, поступающих на счетный блок (11) за время, равное Т _сч, называемое «временем измерения» или «Временем счета».

Из диаграмм следует, что действительное значение частоты исследуемого сигнала равно:

 

.

 

Измеренное значение частоты исследуемого сигнала равно:

 

f с изм = .

 

Значение абсолютной погрешности дискретности:

 

∆ N = f с. изм – f с.д = = .

Максимальное значение относительной погрешности дискретности определяется выражением:

 

,

 

где N – число импульсов, поступивших в счетный блок ЭСЧ за время счета.

Суммарная погрешность измерения частоты:

 

,

 

где δ_кг - составляющая погрешности, вносимая мерой (кварцевым генератором).

2.3 В режиме «ИЗМЕРЕНИЕ ПЕРИОДА» производится сравнение измеряемого периода исследуемого сигнала Т _с с образцовым интервалом времени. Диаграммы напряжения ЭСЧ в этом режиме представлены на рис. 3.

Из них следует, что действительное значение периода исследуемого сигнала определяется выражением:

 

,

 

где Т _м – период образцового сигнала;

N – число меток, поступивших в счетный блок ЭСЧ;

n – множитель периода.

Время счета определяется выражением:

 

T сч = n · Т с.

 

Измеренное значение периода исследуемого сигнала определяется:

 

Т с изм = .

 

Значение абсолютной и относительной погрешностей дискретности равны, соответственно:

 

∆N = Т с изм - Т сд = ; ,

где .

 

Суммарная относительная погрешность определяется по формуле:

 

= ,

 

где δ_пр – погрешность преобразования, обусловлена отношением напряжения сигнала и помехи.

2.4 В режиме «ОТНОШЕНИЕ ЧАСТОТ» напряжение с большей частотой ƒ ₁, (положение ключа на коммутаторе «1») подается на вход «1» (рис. 1). В канале 1 это напряжение преобразуется в последовательность коротких импульсов с частотой следования, равной ƒ ₁. Эти импульсы поступают на первый вход временного селектора, на его второй вход поступает управляющий импульс длительностью Т _сч.

Формирование управляющего импульса производится в канале 2 из сигнала с более низкой частотой ƒ ₂, поданного на вход 2.

Из рис. 4 следует равенство

 

N · T 1 = n · Т 2.

 

И действительное значение отношения частот равно

 

.

 

Измеренное значение отношения частот

 

.

 

Время счета:

 

T сч = n · Т 2.

 

Абсолютная погрешность дискретности:

 

.

 

Относительная погрешность дискретности:

 

δ N = ,

 

где N = .

Суммарная погрешность определяется выражением:

 

= .

 

3. Ключевые вопросы

3.1 Почему ЭСЧ относят к числу высокоточных и универсальных средств измерения?

3.2 В чем состоит суть метода измерения, на котором основана работа ЭСЧ?

3.3 Объяснить принцип работы ЭСЧ в режимах измерения:

- частоты;

-интервалов времени;

-отношения частот.

3.4 Перечислить погрешности, возникающие в ЭСЧ при работе в различных режимах, и указать причины их появления.

3.5 Указать способы уменьшения погрешностей, возникающих в ЭСЧ.

3.6 Пояснить, как определяется суммарная погрешность ЭСЧ в различных режимах работы.

3.7 Пояснить, как определяется положение децимальной точки в различных режимах работы ЭСЧ.

4. Домашнее задание

4.1 Изучить структурную схему заданного частотомера, и принцип действия в различных режимах работы. Зарисовать структурную схему ЭСЧ.

4.2 Пользуясь техническими характеристиками заданного частотомера, выбрать время счета, обеспечивающее наименьшую погрешность в режиме измерения частоты. Результат представить в форме табл. 4.1. Варианты задания представлены в табл. 1 (приложение А); здесь ƒ₁= ƒ_с.

 

Таблица 4.1. Оценка основных характеристик в режиме «ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ»

ƒс, кГц	Т сч, мс	Ожидаемый результат на табло, кГц	∆ N, Гц	N	δ N

 

4.3 Пользуясь техническими характеристиками заданного частотомера, выбрать параметры режима измерения периода таким образом, чтобы обеспечить наименьшую погрешность измерения периода. Результат представить в виде таблицы 4.2. Рекомендуется производить расчеты на тех же частотах, что и в табл.1 (приложение А).

Таблица 4.2 Оценка основных характеристик в режиме «ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРИОДА»

ƒс, кГц	n	Т м	Ожидаемый результат на табло (мс, мкс)	∆ N	N	δ N	Т сч, с

4.4 Пользуясь техническими характеристиками заданного частотомера, выбрать параметры режима измерения «отношение частот», обеспечивающие наименьшую погрешность измерения. Результаты представить в виде табл.4.3 (частоты заданы в приложение А).

 

Таблица 4.3 Оценка основных характеристик в режиме «ОТНОШЕНИЕ ЧАСТОТ»

ƒ1/ƒ2	n	Ожидаемый результат на табло	∆ N	N	δ N	Т сч, с

 

5. Лабораторное задание

5.1 Ознакомиться со средствами измерения на рабочем месте. Установить соответствие между органами управления, выведенными на переднюю панель изучаемого прибора, и структурной схемой (рис. 1). Согласовать с преподавателем план работы.

5.2 Произвести внешний осмотр ЭСЧ и опробование в режиме самоконтроля.

5.3 Произвести опробование во всех режимах работы.

5.4 В режиме измерения частоты произвести проверку правильности выбора характеристик частотомера на частотах, указанных в табл.1 (приложение А). Результаты представить в виде табл. 5.1.

 

Таблица 5.1. Оценка основных характеристик в режиме «ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ»

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

 

5.5 В режиме измерения периода произвести аналогичные измерения. Результаты представить в виде табл. 5.2.

 

Таблица 5.2 Оценка основных характеристик в режиме «ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРИОДА»

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

 

5.6 В режиме измерения отношения частот произвести аналогичные измерения. Результаты представить в виде табл. 5.3.

 

Таблица 5.3 Оценка основных характеристик в режиме «ОТНОШЕНИЕ ЧАСТОТ»

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

6. Протокол лабораторной работы (№ … название …)

6.1 Цель эксперимента.

6.2 Перечень используемой аппаратуры в табл. 6.1.

 

Таблица 6.1 Перечень используемой аппаратуры

Наименование прибора	Тип	Заводской номер	Метрологические характеристики
Класс точности	Диапазон измерения	Частотный диапазон

 

6.3 Схема измерения.

6.4 Построить в одной системе координат графики зависимости относительной погрешности δ _N от частоты в режиме измерения частоты и периода. Сделать заключение о выборе режима работы ЭСЧ.

Лабораторная работа №7а