50. Цифровой частотомер. Принцип действия. Погрешности измерения.

Принцип действия цифрового частотомера основан на подсчете числа периодов неизвестной частоты f_x за известный интервал времени измерения T_и (время счета). Если за время T_и подсчитано N импульсов, то среднее значение измеряемой частоты f_x=N/T_и.

Исследуемый периодический сигнал (импульсный или гармонический) с частотой f_x подается на вх. устр-во (ВУ), усиливающее или ослабляющее его до необходимого значения. Снимаемый с выхода ВУ гармонический сигнал u₁ поступает на формирователь импульсов (ФИ), преобразующий его в последовательность коротких однополярных импульсов u₂, следующих с периодом T_x=1/f_x. и называемых счетными. Передние фронты счетных импульсов должны практически совпадать с моментами перехода сигнала через нулевое значение при его возрастании. Схемотехнически формирователь импульса состоит из усилителя-ограничителя и компаратора. Счетные импульсы u₂ поступают на один из входов временного селектора (ВС), на второй вход которого от устройства формирования и управления (УФУ) подается строб-импульс u₃ прямоугольной формы и калиброванной длительности T_и>T_x. Временной селектор открывается строб-импульсом u₃ и в течение длительности строб-импульса пропускает группу из N_x импульсов u₂ на вход счетчика (СЧ). Счетчик подсчитывает число импульсов N_x и выдает соответствующий код в цифровое отсчетное устройство (ЦОУ) частотомера. Для формирования строб-импульса используется кварцевый генератор (КГ), вырабатывающий тактовые сигналы стабильной частоты и декадный делитель частоты (ДЧ).

Временная диаграмма работы цифрового частотомера показана на рис.

Диапазон измеряемых частот – от нескольких Гц до сотен МГц. Относительная погрешность измерения цифровых частотомеров составляет 10^-6…10^-9.

Данный частотомер может производить счет или суммирование электрических импульсов, а также использоваться в качестве делителя частоты и генератора образцовых частот.

Относительная погрешность частотомера Ф5041 не превышает следующих значений, определяемых по формулам:

а) при измерении частотыгде – нестабильность частоты кварцевого генератора, =±10^-7 за 10 дней, f_x – измеряемая частота (Гц), T_и – время измерения (с).

б) при измерении периодагде Δt – период заполняющей частоты (метки времени от 0,1 до 10³ мкс), Т_x- период измеряемого сигнала (мкс), n – число усредняемых периодов за время счета, – относительная погрешность уровня запуска. Значение =3·10^-3 при измерении периодов гармонических сигналов и =0 при измерении периодов импульсных сигналов.

На высоких частотах погрешность определяется нестабильностью кварцевого генератора. При измерении низких частот погрешность определяется погрешностью дискретизации.

51, 52. Цифровые вольтметры.

Принцип работы основан на дискретном и цифровом представлении непрерывных измеряемых величин. Состоит из входного устройства, АЦП, цифрового отсчетного устройства и управляющего устройства.

Классификация цифровых вольтметров

В зависимости от количества и вида измеряемых величин можно выделить 4 основные группы серийных приборов:

1) цифровые вольтметры для измерения только напряжения постоянного тока;2) универсальные приборы (мультиметры), которые могут измерять:а) среднее значение по модулю синусоидального напряжения;б) среднеквадратическое значение любого периодического напряжения;в) сопротивление, емкость, температуру, индуктивность, отношение двух напряжений или токов.

3) приборы для измерения только средних и среднеквадратических значений. Они содержат соответствующий преобразователь измеряемой величины в напряжение постоянного тока;4) импульсные цифровые вольтметры. Они содержат входной преобразователь амплитуды импульсного сигнала в амплитуду постоянного тока.По методам преобразования напряжение постоянного тока в код можно выделить 4 основных варианта ЦВ: 1) времяимпульсные цифровые вольтметры: с линейной разверткой и с двухтактным интегрированием;

2) частотно-импульсные цифровые вольтметры; 3) кодоимпульсные цифровые вольтметры.

Во времяимпульсном цифровом вольтметре напряжение постоянного тока преобразуется в пропорциональный интервал времени. Различие между двумя вариантами заключается в способе преобразования напряжения в интервал времени. В первом варианте оно осуществляется путем сравнения измеряемого напряжения с линейно-изменяющимся напряжением. Во втором варианте преобразование напряжения в интервал времени осуществляется путем двухтактного интегрирования.Помеха общего вида возникает в Эл.схеме из-за несовершенства источников питания на частотах 50 и 100Гц.Различают динамические погрешности первого и второго рода. Динамические погрешности первого рода, также как и в аналоговых приборах, обусловлены инерционностью элементов измерительной части прибора и так же влияют на динамические свойства ЦИП. Динамические погрешности второго рода возникают из-за того, что измерение производится в один момент времени, предположим t₂, а результат измерения приписывается обычно либо началу цикла преобразования t₁ , либо концу цикла преобразования t₃. Это приводит к возникновению погрешности ΔХ₁ и &DeltaХ_2, динамическая погрешность второго рода, так же как и динамическая погрешность первого рода, ограничи-вает допустимую скорость изменения (частоту) измеряемой величины при заданном цикле Т_Ц.

Статические погрешности складываются обычно из следующих составляющих: погрешность дискретности ΔX_A; - погрешность реализации уровней квантования ΔX_Р, возникающей от несоответствия принятых значений уровней квантования и их реальных значений;

- погрешность ΔX₄ от наличия порога чувствительности или от нестабильности порога чувствительности сравнивающего устройства;

- погрешность ΔX_П от действия помех на ЦИП и его элементы.Составляющие ΔX_Р, ΔX₄ и ΔX_П обусловлены несовершенством прибора и поэтому они называются составляющими инструментальной погрешности. Погрешность дискретности – методическая погрешность.Дополнительные погрешности ЦИП, также как и в аналоговых приборах, возни-кают при изменении внешних факторов (температуры, напряжения и частоты источника питания, действия помех и т. д.).Применение циклического режима работы прибора. Это значит, что в определенные моменты времени должна поступать команда на совершение преобразование любым из 5 методов.Рассмотрим циклический режим преобразования, основанный на кодоимпульсном методе: Принцип работы: нелинейная → дискретная → код. В момент времени t_i и t_i+1 и т.д. начинается цикл преобразования. Каждое преобразование занимает промежуток времени t_пр. В конце каждого периода преобразования образуется значение измеряемой величины (код). Как видно из рисунка кодовые слова представляют исходную информацию, неизмеренную в интервале t_i + t_пр <= t <= t_i+1 + t_пр.При периодическом режиме используют одновременно квантование и дискретизацию. При этом кроме погрешности квантования и дискретизации возникает погрешность апроксимациии от замены непрерывной функции ее отдельными значениями через интервал дискретности Δt=1/2f_m, где f_m – наивысшая частота в спектре сигнала.При следящем режиме каждое очередное преобразование происходит только тогда, когда изменение измеряемой величины превосходит ступень квантования. Допустимая скорость изменения измеряемой величины x определяется временем одного преобразования при заданном значении ступени квантования следующим выражением: (dx/dt)_max<=g/t_n, где t_n – время преобразования.Если скорость изменения сигнала не превышает максимально допустимую, то погрешность не будет превышать одной ступени кванта. Это основное достоинство следящего режима.