Вінницький національний технічний університет

Кафедра теоретичної електротехніки та електричних вимірювань

 

ОСНОВИ МЕТРОЛОГІЇ ТА ЕЛЕКТРИЧНИХ ВИМІРЮВАНЬ

 

 

М е т о д и ч н і в к а з і в к и

Лабораторна робота № 12

 

 

Дослідження принципу дії та основних метрологічних характеристик вимірювального каналу різниці фаз миттєвих значень в середовищі програмного забезпечення Micro-Cap

 

 

 

 

Вінниця, 2012

 

ХІД РОБОТИ

 

Дослідження принципу роботи каналу різниці фаз миттєвих значень.

1.1. Запустіть програму Micro-Cap (Micro-Cap.exe).

1.2. Розмістіть на робочому полі RS – тригер (елемент SRFF з вкладок Digital Primitives – Gated Flip-Fiops/Latches).

1.3. Приєднайте до входів CLRS, PREB та GATE вихід елементу логічної одиниці (елемент Pullup з вкладок Digital Primitives – Pullups/Pulldowns).

1.4. Приєднайте до R входу тригера генератор тактових імпульсів (елемент GClock з вкладок Digital Primitives – Stimulus Generators).

1.5. Задайте тривалість паузи сигналу тактуючого генератора, що під’єднаний до першого R входу тригера у відповідності до Вашого варіанту (табл.1). (стрічка Param:ONEWIDTH= у меню генератора).

Таблиця 1 – Тривалість паузи

Варіант
Частота	500N	1000N	1500N	2000N	2500N	3000N	3500N	4000N	4500N	5000N

 

1.6. Задайте тривалість імпульсу сигналу тактуючого генератора, що під’єднаний до першого R входу тригера у двічі більшу за тривалість паузи. (стрічка Param:ONEWIDTH= у меню генератора).

1.7. Приєднайте до S тригера елемент логічного «НЕ» (елемент Inverter з вкладок Digital Primitives – Standard Gates – Inverters).

1.8. Приєднайте до входу елемент логічного «НЕ» генератор тактових імпульсів (елемент GClock з вкладок Digital Primitives – Stimulus Generators).

1.9. Задайте тривалість паузи сигналу тактуючого генератора, що під’єднаний до входу елемент логічного «НЕ» рівною тривалості імпульсу генератора тактових імпульсів, що під’єднаний до R входу тригера.

1.10. Задайте тривалість імпульсу сигналу тактуючого генератора, що під’єднаний до входу елемент логічного «НЕ» рівною тривалості паузи генератора тактових імпульсів, що під’єднаний до R входу тригера.

1.11. Розмістіть на робочому полі двійковий лічильник (елемент 74HC93 з вкладок Digital Library – 74xx42 – 93-).

1.12. З’єднайте Q вихід тригера з MR1 та MR2 входами двійкового лічильника.

1.13. Приєднайте до Q виходу тригера елемент логічного «НЕ» (елемент Inverter з вкладок Digital Primitives – Standard Gates – Inverters).

1.14. Приєднайте вихід елемент логічного «НЕ» до першого входу елемент логічного «І» з 2 входами (елемент And2 з вкладок Digital Primitives – Standard Gates – And Gates).

1.15. До другого входу елементу логічного «І» з 2 входами приєднайте вихід генератора тактових імпульсів (елемент GClock з вкладок Digital Primitives – Stimulus Generators).

1.16. Задайте період імпульсу сигналу тактуючого генератора, що під’єднаний другого входу елементу логічного «І» з 2 входами у 10 разів менший за тривалість паузи сигналу тактуючого генератора, що під’єднаний до першого R входу тригера.

1.17. Приєднайте до P0BAR входу двійкового лічильника вихід елементу логічного «І» з 2 входами.

1.18. З’єднати вихід лічильника Q0 з входом P1BAR.

1.19. Пронумеруйте виходи елементів схеми (меню Опции – Отображать на схеме – Номера узлов), та зніміть зображення робочого вікна.

1.20. Відобразіть та зніміть зображення часових діаграм роботи схеми (меню Анализ – Анализ переходных процессов).

1.21. Розрахуйте відносну похибку квантування.

1.22. Зробіть висновки за результатами пункту 1.

Дослідження впливу частоти вхідного сигналу на точність каналу різниці фаз миттєвих значень.

2.1. Збільшіть періоди сигналу тактуючих генераторів, що під’єднаний до входів тригера на 15 % в порівнянні з заданим для Вашого варіанту значенням (таб. 1), зберігаючи при цьому пропорційність між тривалістю їх імпульсів та пауз.

2.2. Пронумеруйте виходи елементів схеми (меню Опции – Отображать на схеме – Номера узлов), та зніміть зображення робочого вікна.

2.3. Відобразіть та зніміть зображення часових діаграм роботи схеми (меню Анализ – Анализ переходных процессов).

2.4. Розрахуйте відносну похибку квантування.

2.5. Зменшіть періоди сигналу тактуючих генераторів, що під’єднаний до входів тригера на 15 % в порівнянні з заданим для Вашого варіанту значенням (таб. 1), зберігаючи при цьому пропорційність між тривалістю їх імпульсів та пауз.

2.6. Пронумеруйте виходи елементів схеми (меню Опции – Отображать на схеме – Номера узлов), та зніміть зображення робочого вікна.

2.7. Відобразіть та зніміть зображення часових діаграм роботи схеми (меню Анализ – Анализ переходных процессов).

2.8. Розрахуйте відносну похибку квантування.

2.9. Зробіть висновки за результатами пункту 2.

Дослідження впливу частоти сигналу квантування на точність каналу різниці фаз миттєвих значень.

3.1. Збільшіть період сигналу тактуючого генератора, що під’єднаний до другого входу елемента логічного «І» з двома входами на 15 % в порівнянні з пунктом 1.

3.2. Пронумеруйте виходи елементів схеми (меню Опции – Отображать на схеме – Номера узлов), та зніміть зображення робочого вікна.

3.3. Відобразіть та зніміть зображення часових діаграм роботи схеми (меню Анализ – Анализ переходных процессов).

3.4. Розрахуйте відносну похибку квантування.

3.5. Зменшіть період сигналу тактуючого генератора, що під’єднаний до другого входу елемента логічного «І» з двома входами на 15 % в порівнянні з пунктом 1.

3.6. Пронумеруйте виходи елементів схеми (меню Опции – Отображать на схеме – Номера узлов), та зніміть зображення робочого вікна.

3.7. Відобразіть та зніміть зображення часових діаграм роботи схеми (меню Анализ – Анализ переходных процессов).

3.8. Розрахуйте відносну похибку квантування.

3.9. Зробіть висновки за результатами пункту 3.

Зробіть загальні висновки за результатами виконання лабораторної роботи.

ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Принцип дії цифрових фазометрів заснований на перетворенні різниці фаз двох періодичних сигналів однакової частоти у часовий інтервал t_x із наступним його квантуванням імпульсами зразкової частоти f₀.

Структурну схему цифрового фазометра миттєвих значень наведено на рис.12.1, часові діаграми його роботи – на рис.12.2.

 

Рисунок 12.1

Основними елементами фазометра є два формувача F₁ і F₂, RS - тригер, схема збігуSW, генератор G, двійковий лічильник СТ2 і цифровий відліковий пристрій.

Перетворення різниці фаз двох електричних сигналівu₁(t)іu₂(t) із частотою f_x у часовий інтервалt_x здійснюють відповідні формувачі F₁, F₂і RS-тригер Т. Квантування часового інтервалу t_x імпульсами зразкової частотиf₀ відбувається за допомогою схеми збігуSW.

Вихідне положення. Тригер Т і тригери двійкового лічильника СТ2 знаходяться у стані логічного “0”. Рівнем логічного нуля закрита схема збігу SW. Тому імпульси зразкової частоти f₀ не поступають на вхід двійкового лічильника. Не відбувається процес квантування часового інтервалу t_x імпульсами зразкової частоти f₀.

Вимірювання. У момент переходу напруги u₁(t) через рівень нуля на виході формувача F₁ формується короткий імпульс, що встановлює тригер Т в стан логічної одиниці. Цим рівнем відкривається схема SW, і імпульси зразкової частоти f₀ із виходу генератора G через відкриту схему SW надходять на СТ2. У лічильнику СТ2 відбувається підрахунок імпульсів f₀.

 

Рисунок 12.2

Цей процес відбувається доти, поки напруга u₂(t) не перейде рівень нуля. В момент переходу u₂(t) через нульовий рівень на виході формувача F₂ формується короткий імпульс, що встановлює тригер Т в стан логічного нуля. Цим рівнем закривається схема SW, і припиняється надходження імпульсів із частотою f₀ на вхід лічильника СТ2.

Кількість імпульсів із частотою f₀, що надійшли до лічильника СТ2 за часовий інтервал t_x, визначається як

. (12.1)

Оскільки різниця фаз , що вимірюється, є різницею початкових фаз напруг u₁(t) і u₂(t)

, (12.2)

то рівняння перетворення цифрового фазометра миттєвих значень матиме вигляд (статична характеристика наведена на рис.4.12)

. (12.3)

Рівняння похибки квантування цифрового фазометра миттєвих значень подається таким співвідношенням

. (12.4)

Рисунок 12.3

Аналіз рівняння похибки квантування (рис.12.4) показує, що результати вимірювань залежать від частоти вхідних сигналів f_x при постійних та .

Рисунок 12.4

Для усунення цього недоліку застосовують усереднення вимірюваних інтервалів t_x протягом часу вимірювання t_в.

Контрольні питання і завдання: