37. Структурная схема и принцип действия цифрового частотомера. Погрешности измерения.

Работа частотомера в режиме измерения частоты.

Структурная схема.Работа схемы.

Входной сигнал через входное устройство (ВхУ) осуществляющее необходимое усиление и фильтрацию, запускает формирующее устройство (ФУ). Формирующее устройство из исходного сигнала формирует последовательность коротких счетных импульсов с частотой следования равной измеряемой частоте. Эта последовательность импульсов подается на один из входов временного селектора (ВС). На его второй вход подаются стробирующие импульсы. Их длительность определяет время открытия временного селектора. Стробирующий импульс вырабатывается устройством управления (УУ) с помощью делителя частоты (ДЧ) из сигнала опорного генератора (Г). Число импульсов, прошедших на счетчик (Сч) через временной селектор, будет пропорционально измеряемой частоте.Это число считается счетчиком и фиксируется цифровым отсчетным устройством (ЦОУ).

Погрешность измерения частоты имеет две составляющих:1) погрешность формирования образцового интервала времени ( ); 2) погрешность дискретного счета: .

Максимальная погрешность определяется их суммой ,

а среднеквадратическая - геометрическим сложением .

Работа частотомера в режиме измерения временного интервала.

Структурная схема. Работа схемы.

Исследуемый сигнал, длительность которого необходимо измерить, поступает на формирующее устройство (ФУ). Формирующее устройство формирует из него прямоугольный импульс. Этот импульс через устройство управления (УУ) поступает на временной селектор (ВС), определяя время открытого состояния временного селектора. На другой вход временного селектора поступают счетные импульсы, которые формируются в блоке умножения частоты (УмЧ) из импульсов, поступающих с опорного генератора (Г). Число импульсов, прошедших на счетчик, будет прямо пропорционально длительности измеряемого сигнала. Это число считается счетчиком и фиксируется цифровым отсчетным устройством (ЦОУ).

Погрешность результата измерения в данном случае имеет три составляющие:

1) погрешность формирования интервала времени ( );

2) погрешность дискретного счета: ;

3) погрешность запуска при формировании счетного интервала времени .

Отсюда имеем: ,

Погрешность можно существенно уменьшить при измерении временного интервала методом усреднения. В этом случае будем иметь: , ,гдеn-число периодов регистрации числа счетных импульсов.

38. Осциллографические методы измерения фазового сдвига. Нулевой метод.

1.Способ линейной развертки.

Данный способ реализуется двухлучевым или двухканальным осциллографом. В каналы вертикального отклонения подают напряжения U₁ и U₂. Генератор развертки включен. После выравнивания обоих напряжений по амплитуде, осциллограмма будет иметь вид:

Фазовый сдвиг вычисляется по формуле: .

2.Способ синусоидальной развертки.

Данный способ реализуется однолучевым осциллографом. Один сигнал подается в канал вертикального отклонения, другой - в канал горизонтального отклонения. Генератор развертки выключен. На экране осциллографа появляется осциллограмма в виде эллипса. Фазовый сдвиг вычисляется по параметрам данного эллипса.

Фазовый сдвиг вычисляется по формуле: .

Погрешности осциллографического метода.

Погрешность имеет две составляющие: случайную и систематическую.

Случайные составляющие погрешности: 1) Погрешность измерения длин отрезков;

2) Погрешность совмещения следа луча.

Систематические составляющие погрешности:

1) Инструментальная погрешность, определяемая наличием собственных фазовых сдвигов в каналах осциллографа;

2) Методическая погрешность, определяемая наличием гармоник в исследуемых сигналах.

Компенсационный метод измерения фазы.

Структурная схема. Работа схемы.

Измерение производят в два этапа:

1) Устранение собственного фазового сдвига. Исходное состояние: ключ переключают в положение 1 и входное напряжение U₁ подают сразу на оба входа осциллографа X и Y. Указатель шкалы образцового фазовращателя (Обр. φ) устанавливают на 0. На экране осциллографа имеем изображение эллипса. Регулируя вспомогательный фазовращатель (Вс. φ), добиваются слияние эллипса в одну прямую линию. Этим компенсируется собственный фазовый сдвиг нашей измерительной установки.

2) Измерение фазового сдвига. Исходное состояние: ключ переключают в положение 2 и подают напряжение U₁ в канал Y, а напряжение U₂ - в канал Х. На экране осциллографа появляется изображение эллипса. Регулируя образцовый фазовращатель, добиваются слияние эллипса в одну прямую линию. Значение фазового сдвига определяют по шкале образцового фазовращателя.

Погрешность измерения определяется погрешностью градуировки шкалы образцового фазовращателя.

Способы расширения частотного диапазона при измерении разности фаз.

1 способ.Он используется при малых фазовых сдвигах. Исходную частоту умножают в n-раз. Это приводит к увеличению фазового сдвига также в n-раз. При измерении фазометром мы измеряем фазовый сдвиг больше исходного в n-раз при неизменной погрешности его измерения. Исходный фазовый сдвиг получим делением полученного результата в n-раз. Погрешность определения фазового сдвига при этом также уменьшится в n-раз.

2 способ.Он используется на высоких и сверхвысоких частотах. Частоты измеряемых сигналов понижают на основе гетеродинного преобразования. Гетеродинное преобразование частоты позволяет понижать частоту исследуемого напряжения с сохранением прежнего фазового сдвига. Это позволяет использовать более точные низкочастотные фазометры, чем и повышается точность измерения. При таком преобразование точность измерения равна 1[знак точка_деленная_на_точку]2 [знак процента].

Нулевой метод:

Сущность метода заключается в компенсации измеряемого фазового сдвига с помощью градуированного фазовращателя.

При измерениях фазовых сдвигов, вносимых четырехполюсниками, в области низких и высоких частот удобна схема с осциллографическим индикатором, упрощенный вариант которой приведен на рисунке.

После включения генератора и осциллографа на экране появляется изображение эллипса. Фазовращатели изменяют фазу напряжения, подаваемого на одну пару пластин, до тех пор, пока эллипс не преобразуется в прямую. Если прямая наклонена вправо, то общий фазовый сдвиг напряжений, поданных на обе пары пластин, равен 0. По шкале фазовращателя отсчитывают внесенный им сдвиг а. Измеряемый сдвиг . В случае наклона прямой влево общий фазовый сдвиг равен 180 градусов и . Точность будет наибольшей тогда, когда прямая наклонена к оси под углом 45 градусов (135). Для этого необходимо так отрегулировать коэффициенты передачи каналов Х и У, чтобы на обе пары пластин поступали напряжения, вызывающие одинаковой отклонение луча в горизонтальном и вертикальном направлениях: либо используют аттенюатор, не дающий фазовых сдвигов.

Пользуясь осциллографическим индикатором, нужно помнить, что возможен начальный фазовый сдвиг между каналами вертикального и горизонтального отклонений. Его наличие проверяют, подавая одно и то же напряжение на оба входа сразу. В случае необходимости начальный сдвиг компенсируют или вносят поправку в результаты измерений.

Нулевой метод применяют и в диапазоне СВЧ. Известно много схем, реализующих этот метод. Одна из простейших схем для измерения фазового сдвига, который вносится СВЧ элементом, включаемым в тракт, представлена на рисунке.

Приняв за опорную плоскость сечение конечного фланца 5 фазовращателя 4, к нему подключают короткозамыкающую заглушку 7. После включения измерительного генератора 1, сигнал которого поступает на вход фазовращателя 4 через развязывающий аттенюатор 2, перестройкой фазовращателя 4 добиваются того , чтобы узел напряжения стоячей волны получался в сечении зонда 3, и отсчитывают по шкале фазовращателя. Затем к правому фланцу фазовращателя 4 вместо заглушки 7 подсоединяют исследуемый четырехполюсник 6, короткозамкнутый на конце. Узел стоячей волны при этом смещается. С помощью фазовращателя 4 изменяют фазу стоячей волны настолько, чтобы узел снова оказался в сечении зонда. Снимают отсчет и определяют фазовый сдвиг, вносимый 4хполюсником: .