3_6

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ОДЕССКАЯ НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ СВЯЗИ ИМ. А.С. ПОПОВА

Кафедра теории электрической связи им. А.Г. Зюко

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

По дисциплине: «Современные методы измерений в АСУ ТП»

На тему: «Измерение частоты и периода электрических сигналов»

ВЫПОЛНИЛИ:

студенты 6-го курса

группы КТ-6.11

Будник Н.А.

Борисович И.К.

ПРОВЕРИЛ:

д. т. н. профессор

Троцишин И.В.

Одеса 2014

Тема: измерение частоты и периода электрических сигналов.

Цель работы: Получение навыков измерения частоты и периода электрических сигналов. Зна­комство с устройством и характеристиками резонансного и электронно-счетного частотомеров.

Ключевые вопросы

1. В каком диапазоне частот можно выполнять измерения частоты периоди­ческих электрических сигналов?

Измерение частоты электрических сигналов производится в диапазоне от 0 Гц до 1011 Гц.

2. Каковы достоинства резонансного метода измерения частоты?

При измерениях резонансным методом применяются резонансные частотомеры (волномеры) имеющие простое устройство и достаточно удобные в эксплуатации. Наиболее точные из таких приборов обеспечивают измерение частоты с относительной погрешностью 10-3 …10-4

3. Какие частотомеры обладают наибольшей точностью?

Цифровые частотомеры высокой точности с погрешностью менее 0,01%.

4. Какова основная причина возникновения погрешностей при измерении частоты с помощью осциллографа?

Погрешность измерения частоты заключается в неточности определения отрезков, неточном совмещении горизонталей, и толщине светового луча на экране.

5. В каком диапазоне значений частот удобно использовать для измерений цифровой частотомер? Как в этом случае погрешность измерений зависит от значения измеряемой частоты?

Цифровые частотомеры предназначаются для точных измерений частоты гармонических и импульсных сигналов в диапазоне 10 Гц – 50 ГГц.

Относительная погрешность измерения частоты ничтожна при измерении высоких частот и велика при измерении низких частот.

6. В каком диапазоне значений длительности периодов удобно использовать для измерений цифровой частотомер? Как в этом случае погрешность из­мерений зависит от длительности измеряемого периода?

Более точное измерение периода производится с использованием декадных делителей частоты. В этом случае входной сигнал после формирования поступает на декадные делители, где его период умножается в 10, 102, 103 или 104 раз. Погрешность измерения периода резко увеличивается при его уменьшении.

7. Как нормируется класс точности цифровых частотомеров?

Классы точности частотомеров задаются предельным значением основной абсолютной погрешности Δп. Частотомеры бывают следующих классов точности: 0,02; 0,05; 0,1; 0,15; 0,2; 0,3; 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5; 4; 5.

8. Какой частотомер дает возможность производить измерения в гигагерцовом диапазоне частот?

Современные цифровые частотомеры являются автоматическими приборами, отличающимися высокой точностью измерений, быстродействием, удобством отсчета и простотой работы с ними. Замена резонансных и гетеродинных частотомеров убыстряет измерение в 30 – 50 раз и снижает погрешность на 4-5 порядков. Наличие на выходе результата измерения в виде электрического кода позволяет использовать их в измерительно-информационных системах и автоматических системах управления.

Максимальное значение измеряемой частоты определяется в основном быстродействием электронного счетчика, то есть образующих его декадных делителей. Для расширения частотного диапазона во входном тракте применяют двоичные делители, быстродействие которых выше, чем декадных. Верхний предел измеряемых частот равен 400 МГц, а с преобразованием (переносом) частоты достигает сотен ГГц. Погрешность измерения частоты 5 · 10-9. Диапазон измеряемых интервалов времени и периодов 1 мкс – 104с. Погрешность измерения 0,05 мкс. Максимальное число десятичных разрядов определяется емкостью счетчика.

Дальнейшее продвижение верхнего предела в область сверхвысоких частот достигается путем преобразования частоты с помощью приставок, получивших название гетеродинов-переносчиков.

9. Какова инструментальная погрешность резонансного частотомера? Чем она определяется?

Инструментальная погрешность таких частотомеров лежит в пределах 2-3% и возникает за счет остаточной нестабильности напряжения заряда конденсатора. Недостатком таких частотомеров является наличие погрешностей при измерении и отклонении от линейности, что связано с влиянием обратного коллекторного тока и значительным падением напряжения между эмиттером и коллектором транзисторов переключателя в открытом состоянии.

10. Каким образом при использовании цифровых частотомеров удается достичь высокой точности измерений как в области высоких, так и в области низких частот? В каком диапазоне частот погрешность таких измерений максимальна (минимальна)?

Относительная погрешность измерения частотомера при прочих равных условиях зависит от частоты исследуемого сигнала. Относительная погрешность измерения частоты мала при измерении высоких частот и велика при измерении низких частот.

При измерении высоких частот погрешность обусловлена в основном нестабильностью кварцевого генератора, а при измерении низких частот – погрешностью дискретности. Для уменьшения погрешности измерения низких частот необходимо увеличить время измерения, но это не всегда возможно. Поэтому в цифровых частотомерах либо применяют умножители, позволяющие повышать измеряемые частоты в 10 раз, либо переходят от измерения частоты исследуемого сигнала к измерению его периода Тх с последующим вычислением значения измеряемой частоты по формуле fx = 1/Tx.

Выполнение задания

Таблица 3.6.1
Результаты измерения частоты электрического гармонического сигнала резонансным и цифровым частотомерами
Частота на выходе генератора	Показания резонансного частотомера	Показания цифрового частотомера	Время усреднения (с)	Погрешность резонансного частотомера			Погрешность цифрового частотомера
				Абс., (кГц)	Отн.%	Абс., (кГц)		Отн.,%
10 Гц	9	10,1	0,1	0,001	0,1	0,0001		0,001
50 Гц	49	50,1	0,02	0,001	0,002	0,0001		0,0002
500 Гц	490	500,1	0,003	0,01	0,002	0,0001		0,00002
1 кГц	0,9	1,0001	0,001	0,1	0,01	0,0001		0,00001
5 кГц	4,9	5,0001	0,0002	0,1	0,002	0,0001		0,000002

Таблица 3.6.2
Результаты измерения периода электрического гармонического сигнала цифровым частотомером
Частота на выходе генератора	Показания цифрового частотомера	Период меток времени, мс	Множитель периодов	Погрешность цифрового частотомера
				Абс., (кГц)	Отн.,%
10 Гц	10,1	100	104	0,0001	0,001
50 Гц	50,1	20	104	0,0001	0,0002
500 Гц	500,1	2	104	0,0001	0,00002
5 кГц	5,0001	0,2	104	0,0001	0,000002
50 кГц	50,0001	0,02	104	0,0001	0,0000002

Рисунок 3.6.1 - Зависимость погрешностей измерения частоты сигнала от показаний резонансного частотомера

Рисунок 3.6.2 - Зависимость погрешностей измерения частоты сигнала от показаний цифрового частотомера

Рисунок 3.6.3 - Зависимость погрешностей измерения периода от показаний цифрового частотомера

Вывод: В ходе выполнения лабораторной работы мы ознакомились с устройством и характеристиками резонансного и электронно-счетного частотомеров и получили навыки измерения частоты и периода электрических сигналов.