1.4. Измерение частоты методом дискретного счета.

Этим методом производится измерение средней частоты периодического сигнала – метод заключается в прямом сравнении значения измеряемой частоты с дискретным значением образцовой частоты, воспроизводимой мерой. Для измерения частоты необходимо: 1. сформировать временные ворота, длительность которых равна периоду сигнала образцовой частоты. 2) заполнить временные ворота импульсами, следующими с искомой частотой. 3) сосчитать число импульсов, попадающих в ворота.

Для измерения частоты непрерывного периодического сигнала достаточно преобразовать исследуемый сигнал в периодическую последовательность коротких импульсов, моменты появления которых соответствуют моментам перехода sin-го сигнала через нулевой уровень с производной одного и того же знака. Структурная схема цифрового частомера на рис.1.7.

Рис.1.7. Цифровой метод измерения частоты

Периодический сигнал, частоту которого надо измерить после усиления или ослабления во Входном Блоке (ВБ). Далее следуют: Формирователь (Ф), Ключ (К), Счетчик (сч), Отсчетное Устройство (ОУ), Кварцевый Генератор (КГ), Делитель Частоты (ДЧ), Блок Управления (БУ).

При измерении частоты сигнала методом дискретного счета имеет место погрешность меры и погрешность сравнения. Погрешность меры определяется нестабильностью частоты КГ. Погрешность сравнения главным образом определяется погрешностью дискретности. Максимальное значение абсолютной погрешности дискретности составляет ±1 дискретизации, что соответствует единице младшего разряда счета.

2. Задания на экспериментальные исследования и методика их выполнения на лабораторном стенде

Все схемы собираются на наборном поле стенде моноблока «Электрические цепи и основы электроники».

Задание 1. Снять статическую характеристику цифрового амперметра постоянного тока РА1 - In=F(I).

1. Для экспериментального определения статической характеристики ЦИП в режиме измерения постоянного тока необходимо собрать схему, приведенную на рис.2.1. PA1 – цифровой вольтметра стенда (предел измерения Imax=400мА, число уровней квантования N_max=400). РАо – цифровой мультиметр (выставить предел измерения 200мА, число уровней квантования N_max=2000).

Рис.2.1.

Нарисовать в отчет схему измерения.

Рассчитать предел значение единицы младшего разряда q. цифрового амперметра РА1 (q = Х_max / N_max) и записать в отчет q=___.

Рассчитать единицу младшего разряда мультиметра q_м=___ и записать в отчет.

Проверить выполнение условия q >> q_м, при этом условии можно пренебречь дискретным характером измерения тока мультиметром.

2. Определения начальный участок статической характеристики (смотри рис. 1.2.).

Потенциометрами R2 и R3 установить нулевое значение тока в цепи измеряя его амперметром РА0, затем плавно увеличения ток следить за изменением показаний РА0, фиксируя значение тока, при котором показание РА1 меняется на единицу младшего разряда. Результаты измерений записать в табл.2.1.

Например, на пределе 400 мА (РА1) при появлении показаний I_П = 1; 2; 3…10 мА (всего 8-10 значений) фиксировать соответствующие значения тока I (РА0) и все записывать в табл.2.1.

Таблица 2.1.

№	IП, мА	I, мА	ΔIn= In+1 – In
1	1
2	2
…
10	10
			q=ΔIср=

Построить начальный участок графика статической характеристики амперметра РА1 - I_П = F(I).

3. Построить график абсолютной основной погрешности ΔI(I) = F(I) – F_И(I), где F_И(I) – характеристика идеального (без квантования) амперметра в виде прямой линии I_П = I.

4. Определить единицу младшего разряда.

Для этого для каждой ступеньки рассчитать шаг квантования q_n= ΔI_n= I_n+1 – I_n, а затем рассчитать среднее значение шага квантования q=ΔIср и записать в отчет.

Задание 2. Исследовать абсолютную инструментальную погрешность цифрового амперметра РА1.

1. Измерить абсолютную инструментальную погрешность ЦИП.

Собрать схему, приведенную на рис.2.1. PA1 – цифровой амперметр стенда (предел измерения Imax=400мА, число уровней квантования N_max=400). РА2 – цифровой мультиметр (выставить предел измерения 200мА, тогда числом уровней квантования N_max=2000).

2. Потенциометрами R2 и R3 последовательно установит 5-6 токов равномерно распределенных по выбранному диапазону измерений, например, установить входные токи входных токов I_N =1, 10, 50, 100, 200, 300мА – их величину измерять цифровым мультиметром РА0. Измерить эти токи I_П цифровым амперметром РА1. Результаты измерений записать втабл.2.2.

3. Рассчитать инструментальная погрешность по формуле:

I_иN = I_П – 0,5q – I_N ,

где I_N – показание РА0, Iп – показание РА1

Результаты расчетов занести в табл. 2.2.

Построить график зависимости I_иN = F(I_N) для выбранного диапазона ЦИП.

4. По графику определить аддитивную и мультипликативную составляющие погрешности ЦИП.

Таблица 2.2.

№	IП, мА	IN, мА	IиN, мА
1
2
…

В зависимости от характера изменения по диапазону измерения погрешности делятся на аддитивные и мультипликативные. Аддитивные погрешности не зависят от значения измеряемой величины X, мультипликативные растут с увеличением X.

Обычно для ЦИП погрешность задается в виде модели I = a +bI, где a и bX – соответственно аддитивная и мультипликативная составляющие погрешности, где а=I_иN(при I=0), b=( I - a )/I (при I=Imaх).

Задание 3. Определить амплитудно-частотной характеристики АЧХ амперметра переменного тока РА1.

Собрать схему, приведенную на рис.2.2.

В качестве источника питания используется генератор переменного тока GFG-8215A, в режиме синусоидальных колебаний с частотой 50Гц, с действующим значением напряжения 5В. Величину напряжения контролировать мультиметром V0 в режиме измерения переменного напряжения. РА1- цифровой амперметр стенда в режиме измерения переменного тока.

Рис.2.2.

Установить переменными резисторами R2 и R3 ток в цепи равным, например, 10 мА.

Затем, не меняя выходного напряжения генератора, уменьшить его частоту до нескольких герц (10 Гц). Измерить величину тока в цепи.

Далее увеличивая частоту входного напряжения до 10 – 20 кГц, снять зависимость показания поверяемого амперметра от частоты. Результаты эксперимента и расчётов заносят в таблицу, где f – устанавливаемые частоты, I(f)– показания поверяемого прибора на соответствующих частотах, K(f) = I(f) / I(f =50 Гц) – относительные значения АЧХ.

Таблица 2.3.

f, Гц	10	20……..	50	100	200	500……	103	2.103	5.103	104
I,A		……..				……..
K(f)		……..	1			……..

По полученным данным построить АЧХ цифрового амперметра и определить нижнюю f_н.гр= f_min и верхнюю f_в.гр=, f_max границы частотного диапазона в соответствии требованиями допустимого спада АЧХ для поверяемого прибор (обычно на 10%). При указанном диапазоне частот, ограниченном минимальным f_min и максимальным f_max значениями за номинальное значение частоты испытательного сигнала принимают f_Н=50 Гц.

Дополнительную погрешность вольтметра от изменения частоты определяют на частотах f_min, f_max.

Задание 4. Измерение сопротивлений цифровым мультиметром на разных пределах измерения.

Измерьте по заданию преподавателя сопротивления резистора, например 1000 Ом, при различных диапазонах измерения ЦИП.

За истинное значение сопротивления Rо принять результат измерения на пределе 2 кОм.

Оцените основную погрешность измерения по формулам. Результаты представьте в табл.2.4.

Таблица 2.4.

N	Диапазон измерения, Rmax	Значение кванта для диапазона измерения, Ом.	Показания ЦИП R, кОм:	Абсолютная погрешность измерения R=R-Ro, кОм:	Относительная погрешность измерения, % δR=R/Ro	Результат измерения Ro ± R, кОм
1	2 кОм		Ro=
2	20 кОм
3	200 кОм

Сделайте выводы о характере изменения погрешности в зависимости от соотношения значений измеряемой величины и диапазона измерения, дайте рекомендации по выбору предела измерения.