Лабораторная работа № 6 исследование электронно-счетного частотомера

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью работы является изучение принципа действия средств измерения частоты и временных интервалов.

ЗАДАНИЕ К РАБОТЕ

1. Изучить принцип работы цифрового электронно-счетного частотомера.

2. Произвести измерение частоты и периода электрических колебаний в различных режимах и оценить погрешности измерений.

3. Определить нестабильность частоты таймера.

4. Сделать выводы по результатам работы.

ПОЯСНЕНИЕ К РАБОТЕ

Объектом исследования в данной работе является частотомер электронно-счетный Ф5041.

Современный цифровой частотомер позволяет измерять с очень высокой точностью (погрешность менее 0,001%) практически все временные и частотные параметры сигнала: частоту, период, длительность импульсов, количество импульсов и т. д.

Электронно-счетные частотомеры широко применяют для измерения электрических и неэлектрических параметров, преобразованных в частоту или интервал времени. Они отличаются высокой точностью, простотой обслуживания и удобством отсчета. Обычно цифровые частотомеры выполняются как универсальные приборы. К таким приборам относится частотомер электронно-счетный Ф5041.

С помощью данного частотомера можно измерить:

– частоту электрических колебаний в диапазоне частот от 0,1 Гц до 10 МГц;

– длительность импульсов в диапазоне от 1 мкс до 10 с;

– период электрических колебаний в диапазоне от 0,1 до 1000000 Гц;

– интервал времени в диапазоне от 10 мкс до 10000 с.

– отношение частот от 1:1 до 1000000:1 при подаче на ВХОД 1 частот от 10 до 10000000 Гц, на ВХОД 2 от 10 Гц до 1 МГц;

– счет или суммирование электрических импульсов.

Наибольшее допустимое значение отклонения частоты внутреннего кварцевого генератора не превышает 0,00001%. Частотомер может работать во всех режимах, как с внешним, так и с внутренним генератором опорной частоты. В частотомере имеется устройство для вывода результатов измерения в двоично-десятичном параллельно-последовательном коде 1-2-4-8 во внешние устройства.

Обобщенная функциональная схема современного цифрового частотомера приведена на рис. 18. В режиме измерения частоты измеряемый сигнал усиливается и преобразуется входным устройством в сигнал прямоугольной формы и поступает через селектор на счетчик. Селектор открывается строб-импульсом, вырабатываемым блоком автоматики, который, в свою очередь, управляется импульсами декадных делителей частоты кварцевого генератора.

Рис. 18

При автоматической работе частотомер после измерения обеспечивает индикацию результата измерения на табло в течение промежутка времени, выбранного оператором.

В режиме измерения периода частотомер обеспечивает установку различной частоты следования счетных импульсов (частоты заполнения). Необходимая частота заполнения выбирается переключателем «МЕТКИ ВРЕМЕНИ». С блока меток времени через блок управления счетные импульсы поступают в селектор. Преобразованный входной сигнал с выхода входного устройства также приходит на селектор, где происходит его заполнение счетными импульсами. Счетные импульсы далее передаются на счетчик, записывающий свои коды в регистр памяти. После записи результата измерения в регистр памяти счетчик подготавливается к следующему циклу измерения.

При усреднении числа измеряемых периодов для вычислений используются декадные делители (блок делителей), выдающие команды блоку автоматики.

При использовании частотомера для счета импульсов на входы «СТАРТ» и «СТОП» подаются одиночные импульсы, обеспечивающие формирование времени счета. Импульсы, которые необходимо сосчитать, поступают на «ВХОД 1».

Кварцевый генератор является одним из основных блоков частотомера, обеспечивающих высокую точность измерения. Он является источником сигнала высокостабильной частоты. Уменьшение влияния температуры окружающего воздуха на стабильность частоты достигается термостатированием кварцевого резонатора и элементов схемы задающего каскада при температуре 65-75°С. Температура внутри термостата поддерживается с высокой точностью схемой регулятора температуры. Блок автоматики предназначен для осуществления процесса измерения и синхронизации работы всех блоков прибора. Преобразователь кодов используется для поразрядного опроса памяти с выводом информации на индикатор. Входные устройства содержат в себе усилители, предназначенные для повышения уровня сигнала, подлежащего измерению. Усилитель постоянного тока обеспечивает согласование источника входного сигнала с входами последующих каскадов прибора. Блок делителей предназначен для формирования интервалов времени счета. Блок управления осуществляет электронную коммутацию сигналов входной частоты, сигналов «СТАРТ» и «СТОП», а также режимов работы прибора.

Блок вывода информации состоит из цепей управления запятыми, схемы совпадения запятых, схемы вывода цифровой информации, формирователей импульса «КОНЕЦ ИЗМЕРЕНИЯ» и каналов формирования внешних импульсов «СТАРТ» и «СТОП». Схемы совпадения запятых служат для привязки сигнала запятой к сигналу коммутатора разрядов.

Для отображения цифровой информации могут использоваться жидкокристаллические индикаторы или газоразрядные лампы.

ХОД РАБОТЫ

1. Проверить работоспособность частотомера. Для этого включить частотомер нажатием кнопки «СЕТЬ». Через 5 минут после включения частотомера произвести проверку правильности работы его основных узлов в следующем порядке:

– соединить «ВХОД 1» частотомера с гнездом «1 МГц»;

– установить тумблер на передней панели в положение «АВТОМАТ», тумблер «ОПОРНЫЙ ГЕНЕРАТОР», находящийся на задней стенке, – в положение «ВНУТР»;

– установить ручку потенциометра «ВРЕМЯ ИНДИКАЦИИ» в крайнее левое

положение, что соответствует минимальному времени индикации;

– установить переключатель аттенюатора в положение «1/10», переключатель «РОД РАБОТЫ» установить в положение «f»;

2. Установить переключатель «ВРЕМЯ СЧЕТА» последовательно в положения «0,01», «0,1», «1», при этом зафиксировать показания частотомера. Данные занести в табл. 6.1

Таблица 6.1

Время счета, с	Показания частотомера f, Гц
0,01 0,1 1

3. Соединить «ВХОД 1» частотомера с выходом генератора Г5-75. Изменяя значение частоты генератора в диапазоне 20-2000000 Гц, выполнить измерения частоты колебаний. Переключатель «ВРЕМЯ СЧЕТА» установить в положение «1», количество измерений должно быть не менее 10. Данные занести в табл. 6.2.

Таблица 6.2

№	Частота сигналов (по генератору) fx, Гц	Показания частотомера		Относительная погрешность, %
		частота f, Гц	время счета, c

Для каждого измерения табл. 6.2 рассчитать относительную погрешность по следующей формуле:

q=((f_x–f)/f)·100%, (6.1)

где f_x – частота сигнала по индикатору генератора Г5-75; f – действительное значение частоты по частотомеру.

4. Соединить «ВХОД 1» частотомера с выходом генератора Г5-75. Изменяя положение переключателя «ВРЕМЯ СЧЕТА» при одной и той же частоте генератора (она должна быть достаточно высокой, например, 200 кГц) выполнить измерения. Данные занести в табл. 6.3.

Таблица 6.3

Частота сигналов (по генератору) fx, Гц	Показания частотомера		Относительная погрешность, %
	частота f, Гц	время счета, c
		0,01 0,1 1 10

5. Для четырех измерений табл. 6.3 рассчитать относительную погрешность по формуле (6.1). Пронаблюдать, при каком значении времени счета погрешность будет минимальной и максимальной.

6. Изменяя значение частоты генератора в диапазоне 20-2000000 Гц, выполнить измерения периодов колебаний. Множитель периода установить постоянным («1»), количество измерений должно быть не менее 10. Данные занести в табл. 6.4.

Таблица 6.4

№	Период сигналов (по генератору) Tx, с	Показания частотомера		Относительная погрешность, %
		множитель	период T, с

7. Для каждого измерения табл. 6.4 рассчитать относительную погрешность по формуле:

q=((T_x–T)/T) ·100%, (6.2)

где Т_х – период сигнала по индикатору генератора Г5-75; Т – период, измеренный частотомером.

8. Установить значение Т_x постоянным (~0,05 мс). Переключателем «МНОЖИТЕЛЬ» установить поочередно значения 1, 10, 100. Данные занести в табл. 6.5. Для трех измерений табл. 6.5. рассчитать относительную погрешность по формуле (6.2). Пронаблюдать в процессе эксперимента, как с изменением периода и множителя изменяется погрешность.

Таблица 6.5

Период сигналов (по генератору) Tx, с	Показания частотомера		Относительная погрешность, %
	множитель	период T, с
	1 10 100

9. Определить нестабильность частоты таймера на высоких и низких частотах. Частотомером в режиме измерения частоты произвести не менее 10 последовательных измерений одной и той же частоты f_x=200 кГц, регистрируя показания частотомера. При использовании автоматического режима работы на передней панели частотомера установить удобное время индикации. Данные занести в табл. 6.6.

Таблица 6.6

№	Частота сигналов (по генератору) fx, Гц	Показания частотомера f, Гц

На основе данных табл. 6.6 рассчитать среднее арифметическое, оценку дисперсии и оценку среднеквадратического отклонения для значений f. Определить относительную погрешность частотомера в режиме измерения частоты по соотношению:

,

где Т₀=10 с – максимальное время измерения; =0,0000001 % – наибольшая погрешность установки и нестабильность частоты внутреннего кварцевого генератора частотомера.

10. Частотомером в режиме измерения периода произвести не менее 10 последовательных измерений периода одной и той же частоты, выбранной из диапазона 20 Гц – 200 кГц. Данные занести в табл. 6.7.

На основе данных табл. 6.6 рассчитать среднее арифметическое, оценку дисперсии и оценку среднеквадратического отклонения значений Т. Определить погрешность измерения временных интервалов по соотношению:

,

где Т – измеряемый период колебаний; n – множитель периода; f₀ – частота заполнения. Значение частоты заполнения определяется как f₀ = 1/Δt, где Δt – используемое при измерениях значение метки времени.

Таблица 6.7

№	Период сигналов (по генератору) Tx, с	Показания частотомера T, c

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. В чем заключается принцип действия электронно-счетного частотомера при измерении частоты, периода, отношения частот, времени, длительности импульсов, числа импульсов?

2. Чем определяется погрешность частотомера в режиме измерения частоты?

3. Почему при измерении частотомером в области низких частот переходят к режиму измерения периода?

4. Какое назначение имеют кнопки и переключатели частотомера?

5. Как и почему изменяется погрешность измерения при изменении положения кнопок «МНОЖИТЕЛЬ ПЕРИОДА» и «МЕТКИ ВРЕМЕНИ» в режимах измерения частоты и периода?

ЛИТЕРАТУРА

1. Частотомер электронно-счетный Ф5041. Техническое описание и руководство по эксплуатации.

2. . Метрология и радиоизмерения / Под ред. В. И. Нефедова. – М.: Высш. шк., 2003. – 526 с

3. Ататалян Э. Г. Приборы и методы измерения электрических величин. – М.: Высш. школа, 1989. – 220с.

4. Основы измерений в технике связи и стандартизации / Д. А. Титов, Е. Д. Бычков. – Омск: изд-во ОмГТУ, 2008. – 124 c.

5. ГОСТ Р 8.567-99. Государственная система обеспечения единства измерений. Измерения времени и частоты. Термины и определения. – М.: Изд-во стандартов, 2000.