Вимірювання частоти та періоду інтервалів часу

І КУТІВ ФАЗОВОГО ЗСУВУ

МЕТА РОБОТИ - виміряти електромеханічними і електронними приладами частоту ТА

період заданих електричних сигналів в режимах, що забезпечують

необхідну похибку вимірювань.

Внаслідок виконання лабораторної роботи студент повинен

– знати: будову і принцип дії аналогових і цифрових частотомірів, що використовуються

в експериментах;

– вміти: вибрати оптимальні умови і режим роботи вивчених приладів при вимірюванні

заданих параметрів; оцінити похибку вимірювань.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ

А. При підготовці до роботи необхідно вивчити будову, принцип дії і характеристики частотомірів: електромеханічних /1, с. 135-136, 140/, електронних конденсаторних /1, с. 164-165/ і цифрових /1, с. 244-245/.

Похибка вимірювання частоти аналоговими частотомірами визначається співвідношенням

δ_f=γ∙f_H/f_X ,

де γ – клас точності приладу;

f_H - нормоване значення частоти.

При цьому нормоване значення частоти f_H визначається як різниця значень найбільшої f_max і найменшої f_min частот діапазону вимірювань приладу, тобто f_H=f_max–f_min.

Найбільш удосконалені і точні електронно-лічильні цифрові частотоміри (ЕЛЧ). У залежності від вибору режиму роботи ЕЛЧ можуть виміряти також період коливань, інтервал часу, відношення частот.

Структурна схема приладу при вимірюванні частоти подасться на рис. 7.1 і відповідає положенню перемикача “Род работы” – F_A на лицьовій панелі частотоміра Ч3-33.

Рисунок 7.1 - Структурна схема ЕЛЧ і діаграми напруг при вимірюванні частоти

Напруга невідомої частоти U_fX через роз’єм “Вхід А” поступає на формувач F, де перетворюється в нормалізовані імпульси з частотою f_X. Ці імпульси поступають на вхід 1 електронного часового ключа селектора SW, де порівнюються за часом з імпульсом заданої тривалості Т_рах, що поступав на вхід 2 ключа. У відкритому стані ключа SW серія імпульсів N_X поступає в цифровий лічильний пристрій ЦЛП, де підсумовується лічильником і відображається на табло в десятичному коді

N_X=T_PAX/T_X=T_PAX∙f_X .

Як джерело імпульсів заданої тривалості використовується кварцовий генератор G спільно з подільником частоти. Час рахунку T_PAX встановлюється зміною коефіцієнта розподілу n частоти f₀ кварцового генератора. При T_PAX= 1 s число підрахованих в ЦЛП імпульсів безпосередньо визначає частоту, що вимірюється. При іншому часі рахунку 0,01; 0,1; 10 s автоматично переноситься децимальна точка на цифровому табло.

Похибка вимірювання частоти визначається нестабільністю δ₀ частоти кварцового генератора (інструментальна похибка) і методичною похибкою квантування

δ_f=(δ₀+1/f_X∙T_рах) ∙100 , % .

На низьких частотах, навіть при максимально можливому для частотоміра Ч3-33 часу рахунку Т_рах=10 s, методична похибка може виявитися недопустимо великою. Наприклад, при f_X=10 Hz, δ_f≥±1%. Тому на низьких частотах доцільно вимірювати період T_X коливань, а не частоту.

Вимірювання періоду T_X забезпечується структурною схемою приладу (рис. 7.2), що відповідає положенню перемикача “Род работы” в режимі “Т_Б” або “Т_Б∙10” на лицьовій панелі частотоміра Ч3-33.

У цьому випадку сигнал, що вимірюється, з входу "Б" приладу поступає на формувач-множник періоду ФМП. На вході блоку ФМП формується імпульс, тривалість якого визначає час відкритого стану ключа SW, тобто час рахунку Т_рах=T_Xm, m=1; 10. На другий вхід ключа при цьому подаються короткі імпульси – “метки времени” з періодом Т_МІТ. Такі імпульси виробляються високостабільним кварцовим генератором G спільно зі схемою подільника частоти.

Рисунок 7.2 - Структурна схема ЕЛЧ і діаграми напруг при вимірюванні періоду

Імпульси міток часу через селектор SW, відкритий на час Т_рах, поступають в цифровий відліковий пристрій і там підсумовуються. Результат рахунку імпульсів N_X відображається на цифровому табло ЦЛП.

Похибка вимірювання періоду δ_Т оцінюється формулою

δ_Т=±(δ₀+Т_міт/m∙T_X) ∙100 , % .

ОБЛАДНАННЯ СТЕНДУ

Лабораторний стенд укомплектований генератором сигналів спеціальної форми Г6-29, а також вимірювальними приладами:

електромеханічним щитовим частотоміром;

цифровий частотоміром Ч3-33;

електронним частотоміром Ф5043;

електронно-променевим осцилографом.

Зовнішній вигляд стенда показаний на рис. 7.3.

ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ

1. Вивчити теоретичний матеріал згідно з основними положеннями лабораторного дослідження.

2. Виконати попередні розрахунки:

Для варіанта завдання, вказаного в табл. 7.1, визначити результат вимірювання, а при необхідності і параметри режиму роботи частотоміра Ч3-33, що має наступні основні характеристики:

– час рахунку – 10; 1,0; 0,1; 0,01; 0,001 s;

– мітки часу – 100; 10; 1,0; 0,1 μs;

– множник періоду – 1;10;

– відліковий пристрій – восьмирозрядний;

– нестабільність δ₀=10^-6%.

Варіант завдання збігається зі значенням останньої цифри в заліковій книжці студента.

Таблиця 7.1 - Початкові дані до частини А домашнього завдання

Варіант		Параметри режиму роботи ЕЛЧ	Похибки
Частота kHz	Період Ms	Час відліку ТСЧ, s	Множник періоду m	Мітка часу μs	Показ на ЦЛП	±δ %	±Δ
	0.10	-		-	-	?	?	?
	-	-	?	-	-	000001.00 kHz	?	?
	-		-			?	?	?
	-	-	-		?	00050.000 ms	?	?
		-		-	-	?	?	?
	-		-			?	?	?
		-	?	-	-	?	?	0.01 Hz
	-		-		?	?	?	10 μs
	-	-	-		?	00400.000 ms	?	?
	1.0	-		-	-	?	?	?

Наприклад. При вимірюванні частоти результат на ЦЛП представлений у вигляді 05000,000 kHz. Абсолютну похибку вимірювання частоти Δ можна оцінити по значенню одиниці молодшого розряду ЦЛП.

Δf_X=±0.001kHz=1Hz .

Тоді час рахунку складе

T_PAX=1/Δf=1s .

Рисунок 7.3 - Лицьова панель стенда лабораторної роботи № 7

Похибка вимірювання частоти у відносній формі визначиться як

.

Тепер результат вимірюваннія в стандартній формі запишеться як

f_X = (5000000±1) Hz .

ЛАБОРАТОРНЕ ЗАВДАННЯ

1. Ознайомитися з обладнанням лабораторного стенду. Підготувати до роботи і включити на самопрогрів електронні прилади і генератор.

Скласти таблицю основних метрологічних характеристик приладів.

2*. – (тільки для студентів ІЕЕ)

Виміряти частоту напруги мережі 220V електромеханічним частотоміром, а потім електронним, вибравши значення f_H, що забезпечує мінімальну похибку вимірювання.

Звернути увагу на узгодження номінального значення вхідної напруги частотоміра Ф5043 з напругою мережі 220V. Приймаючи показ електронного частотоміра за дійсне значення частоти мережевої напруги, визначити похибку відповідного вимірювання електромеханічного частотоміра. Записати результати вимірювань в стандартній формі.

2. Визначити похибку градуювання шкали генератора звукових частот Г6-29. За дійсні значення частоти генератора прийняти результати прямих вимірювань частоти частотоміром Ф5043. При цьому параметри частотоміра вибрати таким чином, щоб похибка вимірювання δ_f задовольняла умові повірки генератора

δ_f≤0,3δ_Г ,

де δ_Г основна похибка генератора (для генератора типу Г6-29 δ_Г=±1,0 %).

Результати вимірювань представити в вигляді таблиці та графіка.

3. Визначити нестабільність частоти в декількох точках шкали генератора Г6-29. За дійсні значення частоти генератора прийняти результати прямих вимірювань частоти електроннолічильним частотоміром Ч3-33.

4. Експериментально перевірити результати попереднього розрахунку домашнього завдання.

5. Сформулюйте висновки за результатами лабораторного дослідження.

№ пп	ЕЛЧ Ч3-33	Г6-29
Род роботи „FA”	Род роботи „ТБ”
fX	TPAX	Δf	TX	TMIT	m	δT	fX	fГ	ΔГ	δГ
kHz	s	%	ms	μs		%	kHz	Hz	%

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

1. Поясніть принцип дії електромеханічного частотоміра, побудованого на базі електродинамічного логометра.

2. Чому середнє значення струму у вимірювальному механізмі електронного конденсаторного частотоміра пропорційно частоті, що вимірюється?

3. Чому похибка вимірювання цифровим частотоміром частоти і періоду залежить від їх значення?

4. Чому на високих частотах точність вище при вимірюванні частоти, а на низьких – при вимірюванні періоду? Як можна підвищити точність вимірювання періоду?

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 7-б