47688

Методичні вказівки. Контрольно-вимірювальна техніка

Книга

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Дослідження мостових схем постійного струму і вимірювання опору. Лабораторна робота № 3 Дослідження мостових схем постійного струму і вимірювання опору Мета роботи: ознайомитись з методами виміру опорів задопомогою мостів постійного струму. Загальні положення Мостами називають прилади зрівняючого перетворення призначені для вимірювання параметрів електричних кіл омічного та активних опорів індуктивності взаємної індуктивності ємкості и т. Мостами постійного струму називаються прилади...

Украинкский

2013-12-01

3.06 MB

22 чел.

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

Методичні вказівки

до виконання лабораторних робіт

з курсу

«Контрольно- вимірювальна техніка»

для студентів Приладобудівного факультету

спеціальності 7.090903

«Прилади та системи неруйнівного контролю»

       Розглянуто та затверджено на засіданні кафедри ПСНК

                   «   «____________20__ р. Протокол №

           Завідувач кафедри                                      А.Г.Протасов

Київ 2009

ЗМІСТ

1.Лабораторна робота №1,2 «Дослідження електронних осцилографів  та           вимірювальних    генераторів  « …………………………………………….3

2.Лабораторна робота №3 Дослідження мостових схем постійного струму і вимірювання опору………………………………………………………….23

3. Лабораторна робота №4  Дослідження аналогових амперметрів

і вольтметрів………………………………………………….…………32

4.Лабораторна робота №5 Дослідження цифрового частотоміра середніх значень………………………………………………………………………   39

5.Лабораторна робота №6  Дослідження цифрового періодоміра…44

6. Лабораторна робота №7  Дослідження цифрових вольтметрів постійного струму подвійного інтегрування……………………………………..48

7.Лабораторна робота № 8  Вивчення цифрових вимірювачів інтервалів часу та  частоти (періоду) коливань ………………………………………59

8. Лабораторна робота №9,10 Дослідження перетворювачів Код – Аналог (ЦАП) та Аналог – Код (АЦП)………………………………………………71

      9. Лабораторна робота №11  Дослідження цифрового періодоміра в середо     вищі Electronics Workbench……………………………………………………..85

    10.Лабораторна робота №12 Дослідження цифрового частотоміра в середовищі Electronics Workbench………………………………………………………96

11.Лабораторна робота №13 Дослідження цифрового фазометра середніх значень фазового зсуву в середовищі Electronics Workbench………………105

Лабораторна робота №1

Тема:Дослідження електронних осцилографів  та вимірювальних    генераторів

Мета роботи: вивчити призначення, принципи дії й правила експлуатації електронних осцилографів, вимірювальних генераторів

  1.  Електронний осцилограф
  2.  

Електронний осцилограф є основним і широко розповсюдженим приладом для спостереження електричних сигналів і виміру їх параметрів. Осцилограф дозволяє «бачити» досліджуваний сигнал у вигляді функції часу. Спрощена структурна схема осцилографа наведено  (на рис 1). Вона містить  електронно-променеву трубку (ЭЛТ), канал вертикального відхилення, канал горизонтального відхилення, калибратор.

Принцип одержання зображення досліджуваного напруги на екрані осцилографа загалом полягає в наступному. Досліджувана напруга, яка є функцією часу, відображається в прямокутних координатах Х, У графіком . Дві пари пластин ЭЛТ, розташовані по відношенню одна до одної під кутом 90 о, відхиляють електронний промінь у два взаємно перпендикулярних напрямках. Для спостереження на екрані досліджуваного напруги необхідно відхиляти промінь по горизонтальній осі пропорційно часу, а по вертикальній осі – пропорційно величині досліджуваного напруги. Із цією метою до горизонтально відхиляючих пластин подається лінійно мінливе напруга, під дією якого електронний промінь переміщається по горизонталі з постійною швидкістю ліворуч праворуч.  У вихідне положення промінь вертається з набагато більшою швидкістю.

                Рис.1 Спрощена структурна схема осцилографа

Напруга горизонтальної розгорнення, що має пилкоподібну форму створюється внутрішнім генератором напруги, що розгортає. Величина переміщення променя по горизонтальній осі є лінійною функцією часу

Досліджувана напруга надходить на вхід каналу вертикального відхилення й далі на вертикально відхиляючі пластини.

Отже, у кожний момент часу положення електронного променя відповідає величині досліджуваного напруги. За час прямого ходу, промінь прочерчивает криву досліджуваного сигналу. Зображення кривої на екрані називають осциллограммой. Якщо напруга, що розгортає напруга й, досліджуваного сигналу синхронно й періодично повторюється, то на екрані осцилографа спостерігається нерухливе зображення сигналу.

Розглянемо функціонування основних вузлів осцилографа.

Канал вертикального відхилення променя (канал В) призначений для передачі напруги досліджуваного сигналу на вертикально відхиляючі пластини електронно-променевої трубки (ЭПТ). Вхідний блок каналу має калібрований перемикач посилення за допомогою якого встановлюється масштаб ВОЛЬТІВ/РОЗПОДІЛ на екрані осцилографа Концентрично з перемикачем коефіцієнта підсилення розташована ручка ЗМІННОГО посилення, за допомогою якої масштаб зображення міняється плавно, у певних межах. Слід пам'ятати, що при вимірі напруг ручка змінного посилення повинна бути повернена за годинниковою стрілкою до кінця.

       Досліджуваний сигнал може подаватися на вхідний блок або безпосередньо (вхід У відкритий), або через розділовий конденсатор (вхід У закритий). У першому випадку вхід має зв'язок по постійному струму, що забезпечує можливість виміру сигналу постійного струму. Однак у випадках, коли інтерес представляє змінний сигнал невеликої величини, що має напруга зсуву у вигляді напруги постійного струму, використовується закритий вхід. При цьому послідовно із входом підключається конденсатор, що пропускає змінний сигнал і блокувальний напруга зсуву постійного струму. Перемикання входів осцилографа здійснюється за допомогою перемикача, положення якого визначає вид входу ( на передній панелі є відповідне позначення).

Як правило, входи осцилографа мають високий імпеданс, який являє собою паралельне з'єднання опору  1 МОм  і ємності порядку 20 пФ.   

У підсилювачі вертикального відхилення є лінія затримки, завдяки якій забезпечується подача досліджуваного імпульсного сигналу із затримкою щодо пилкоподібної напруги, що надходить на горизонтально відхиляючі пластини, що дозволяє спостерігати передній фронт імпульсного сигналу. Підсилювач вертикаль-

ного відхилення підсилює досліджуваний сигнал до величини, необхідної для одержання достатнього для спостереження розміру досліджуваного сигналу на екрані ЭПТ.

Канал горизонтального відхилення променя або канал Х виробляє напруга, що переміщає промінь у горизонтальному напрямку пропорційно часу.

Він містить: генератор напруги, що розгортає, який переміщає промінь по горизонталі з певною швидкістю; підсилювач, що забезпечує необхідну величину напруги розгорнення; схему синхронізації, призначену для посилення, перетворення й зміни полярності синхронізуючого сигналу з метою одержання стійкої неспотвореної осцилограми.

На передній панелі осцилографа є калібрований перемикач ЧАС/РОЗПОДІЛ і концентричний з ним ручка змінного посилення, яка при вимірі тривалості сигналу повинна бути обов'язково повернена за годинниковою стрілкою до відмови.

Для одержання на екрані стійкої осцилограми служить схема синхронізації й запуску розгорнення, яке управляє генератором розгорнення й забезпечує кратність періодів досліджуваного сигналу напруги, що й розгортає.  Для спостереження зображення нерухливим початок розгорнення повинне бути пов'язане з однієї й тою же крапкою сигналу. Цю прив'язку до певних крапок сигналу здійснює схема синхронізації, за допомогою якої встановлюється певний рівень і нахил («+» або « - » ) момент, що визначає, початку розгорнення.

Схемі синхронізації виробляє короткий імпульс, що надходить на генератор розгорнення, що й запускає його за допомогою перемикача, розташованого на передній панелі, можливо вибрати один із трьох режимів синхронізації – внутрішній, зовнішній і від мережі. При внутрішній синхронізації імпульси, що запускають схему, виробляються із вхідного сигналу, який надходить із каналу вертика

льного відхилення до лінії затримки. У режимі зовнішньої синхронізації сигнал, що запускає, подається на схему синхронізації від зовнішнього джерела через спеціальний вхід на передній панелі. При цьому здійснюється режим, що чекає, роботи  генератора розгорнення, який забезпечує дослідження імпульсних сигналів, у тому числі з великою шпаруватістю й навіть не неперіодичних.  У режимі, що чекає, напруга розгорнення надходить на горизонтально відхиляючі пластина трубки синхронно з моментом їх появи сигналу, що запускає. При вступі імпульсу, що запускає, електронний промінь робить один прямій і один зворотний хід. Після цього генератор розгорнення буде перебуває в загальмованому стані й «чекати» приходу наступного, що запускає імпульсу.

У стандартних імпульсних генераторах є спеціальний вихід для синхронізуючих імпульсів. Щодо цих імпульсів вихідний сигнал затримується. Як правило, час затримки регулюється. Це дозволяє переміщати досліджуваний імпульс на екрані осцилографа.

У положенні перемикача роду роботи «мережа» синхронізація генератора розгорнення здійснюється від напруги живильної мережі. При перемиканні цього перемикача в положення «вхід Х» вхід підсилювача горизонтального відхилення підключається до гнізд «вхід Х». При цьому генератор пилкоподібної напруги відключений, і розгорнення здійснюється зовнішньою напругою.

Генератором розгорнення так само виробляються спеціальний прямокутний імпульс підсвітлювання, тривалість якого дорівнює тривалості прямого входу напруги, що розгортає. Сформований у підсилювачі Z імпульс надходить на модулятор ЭПТ і підсвітлює прямій хід розгорнення. Як правило, в осцилографах передбачається можливість модуляції зображення досліджуваного сигналу по яскравості зовнішнього сигналу.  Для цієї мети служить вхід Z, а також схема, що дозволяє змінювати полярність напруги, що модулює.

Для точної установки коефіцієнта підсилення сигналу по входу В и коефіцієнта розгорнення в осцилографі передбачається вбудований генератор сигналів з точно відомими амплітудою й частотою.

На передній панелі передбачені спеціальні ручки, що дозволяють управляти яскравістю, фокусуванням променя, а так само положенням променя на екрані ЭЛТ.

  1.  Вимірювальні генератори сигналів.

Визначення електричних характеристик майже будь-якого радіоелектронного пристрою проводиться по його реакції на вхідний сигнал із заданими параметрами. Одержання сигналів із заданими параметрами забезпечує вимірювальний генератор – джерело електричних сигналів, частота, напруга (потужність), спектральний состав або ступінь модуляції сигналів якого може регулюватися в деяких межах і встановлюватися (або відлічуватися) з гарантованої для даного приладу точністю.

За допомогою вимірювальних генераторів можна знімати амплітудні, амплітудно-частотні й перехідні характеристики чотириполюсників (наприклад, підсилювачів), визначати їхні коефіцієнти передачі, набудовувати радіоприймачі, телевізори, радіопередавачі й т.п.

Незалежно від генерованих коливань, призначення й діапазону робочих частот усі вимірювальні генератори складаються з невеликого числа загальних функціональних елементів.              

Генератор, що задає, является основним вузлом вимірювального генератора. Роботою цього пристрою визначається ряд важливих параметрів вихідного сигналу: похибка установки частоти, стабільність частоти, діапазон робочих частот, плавна растройка частоти. генератор, що звичайно задає, являє собою автогенера-

тор синусоїдальних коливань. Причому навіть в імпульсних генераторах, особливо наносекундного діапазону, у якості генераторів, що задають, використовуються генератори синусоїдальних коливань.Для забезпечення точності установки частоти й високої стабільності елементи схеми генератора, що задає, екрануються, застосовуються температурна параметрична стабілізація й термостатирование. У ланцюгах живлення встановлюються загороджувальний фільтри й використовуються полегшені режими роботи активних елементів.

Проміжний пристрій служить для додання сигналу необхідної форми, а так само для підвищення його енергетичного рівня. У генераторах синусоїдальних коливань у проміжному пристрої послабляються вищі гармонійні складові, що дозволяє знизити коефіцієнт нелінійних викривлень вихідного сигналу. Крім того, у цих генераторах у проміжному пристрої проводиться модуляція коливань генератора, що задає, за встановленим законом. В імпульсних генераторах ланцюга проміжного пристрою забезпечують формування імпульсу заданої форми із установленими тимчасовими параметрами. Проміжний пристрій обов'язковий має підсилювач, який дозволяє не тільки збільшити енергетичний потенціал сигналу, але й  значно послабити вплив навантаження вихідних пристроїв на роботу генератора, що задає.

Вихідний пристрій призначений для установки необхідного рівня вихідного, сигналу й узгодження виходу генератора з навантаженням. Як правило, вихідний пристрій являє собою аттенюатор, конструкція якого визначається видом генерируемых коливань, діапазоном робочих частот і необхідним ослабленням. Для узгодження залежно від діапазону частот і виду генерируємих сигналів використовується, що погодять трансформатори із сердечником, без сердечників або трансформатори повних опорів, виготовлені з відрізків коаксіальних і волноводных ліній. Іноді узгодження здійснюється за допомогою дільників напруги, що полягають із резисторів.

Модулятор застосовується для здійснення одного або декількох видів модуляції.  Використовуються модулятори переважно в генераторах високої або надвисокої частоти. Модулятор являє собою автогенератор, що працює звичайно на фіксуючих частотах. У деяких випадках коливання автогенераторів підсилюються для забезпечення заданих модуляційних режимів.

Вимірювальні пристрої забезпечують вимір параметрів вихідних коливань. Звичайно виміряються рівень вихідного сигналу (напруга або потужність) і параметри модуляції.

Основною експлуатаційною характеристикою генератора є діапазон частот, що перекриваються їм, fmin – fmax.

Частота вимірювальних генераторів, як правило, регулюється двома щаблями – перемикання й плавне. Частина частотного діапазону, у якім частота сигналу встановлюється плавно, називається поддиапазоном.

Перекриття піддіапазонів забезпечує безперервність регулювання частоти у всім діапазоні.

Регулювання амплітуди вихідного сигналу звичайно проводиться в широких межах і, як правило, здійснюється двома щаблями – зміною опорного рівня сигналу Uon і зміною величини ослаблення, що вводиться в тракт вихідного сигналу після установки опорного рівня. Під опорним рівнем розуміють величину вихідного сигналу при нульовім ослабленні в тракті.

До основних експлуатаційним характеристикам генератора ставиться також значення його вихідного опору (імпеданс).

 Класифікація вимірювальних генераторів

По виду вихідного сигналу розрізняють наступні вимірювальні

генератори:

  1.  синусоїдальних коливань;
  2.  синусоїдальних модульованих коливань;
  3.  імпульсні;
  4.  сигналів спеціальної фірми;
  5.  хитної частоти;
  6.  шумів.

По діапазону частот генератори синусоїдальних коливань підрозділяють на низькочастотні (20Гц-200кГц), високочастотні (30кГц-30Мгц), надвисокочастотні з коаксіальним виходом (30Мгц-10Ггц) і надвисокочастотні із хвильовим виходом (вище 10Ггц). До низькочастотним генератором відносять і генератори інфразвукових частот (0,01-100 Гц).

По виду модуляції розрізняють генератори з амплітудою синусоїдальною модуляцією, із частотною синусоїдальною модуляцією, з імпульсною модуляцією ( амплітудною маніпуляцією), із частотною маніпуляцією, з фазовою маніпуляцією, з декількома видами маніпуляції й з комбінованою модуляцією (з одночасним накладенням двох або більш видів модуляції).

Імпульсні вимірювальні генератори прийнято класифікувати по числу каналів, характеру послідовності імпульсів і основної погрішності установки значень параметрів імпульсів.

Основними параметрами імпульсних генераторів є амплітуда, тривалість, частота проходження (період проходження) імпульсів і їх часове зрушення.

Низькочастотні вимірювальні генератори

Низькочастотні генератори являють собою джерела синусоїдальних немодульованих коливань.

Діапазон частот різних типів низькочастотних генераторів можуть змінюватися в широких межах - від сотих часток герца до сотень кілогерців.

Звичайно для окремого генератора коефіцієнт перекриття по частоті становить у середньому 104. Частота коливань може встановлюватися плавно або дискретно. Точність установки частоти визначається класом приладу.

Низькочастотні генератори сигналів будуються відповідно до загальної структурної схеми вимірювальних генераторів. Деякі відмінності визначаються особливостями цього виду приладів, а також конкретним призначенням генераторів окремих типів. У ряді генераторів низької частоти передбачається зовнішня синхронізація для підвищення точності установки й стабільності вихідних коливань.

До вихідних пристроїв низькочастотних генераторів ставляться аттенюаторы й вихідні трансформатори. Перші служать для ослаблення вихідного сигналу до необхідного рівня й, як правило, виконуються на резисторах. Звичайно вихідний аттенюатор являє собою послідовне з'єднання однотипних ланок, складених з резистора, опір яких не перевищує декількох сотень або тисяч Ом. Застосування низкоомных резисторів дозволяє одержати необхідні частотні характеристики аттенюатора. Однотипність ланок дає можливість зберегти сталість вхідного й вихідного опорів аттенюатора в цілому незалежно від загального значення загасання.

Найчастіше вхідний і вихідний опір аттенюатора однакові й становлять 600 Ом. Загальне загасання всіх ланок аттенюатора вибирається приблизно 100-120 дб, причому загасання одного ланки може бути 10 або 20 дб.

Вихідні трансформатори забезпечують узгодження генератора з навантаженням. Вторинна обмотка вихідного трансформатора секционируется. Комутація витків вторинної обмотки, підключеної до вихідних клем генератора, забезпечує східчаста зміна вихідного опору (рис 1.3).

Вихід

 

  Рис.1.3.Вихідний трансформатор генератора низької частоти з резистором внутрішнього навантаження                      

Вихідний опір з урахуванням призначення вимірювальних генераторів низької частоти звичайно становлять 5, 200, 600 Ом і 5 кому. Якщо генератор працює на навантаження, опір якої перевищує можливі вихідні опори приладу, включається внутрішній навантажувальний опір. Це передбачене тому, що при холостому ході напруга на вторинній обмотці трансформатора перевищує розрахункову величину, що, у свою чергу, не дозволяє правильно визначити напруга на навантаженні по вимірювальних приладах і відліковим пристроям вихідних ланцюгів генератора. Значення внутрішнього навантажувального опору ухвалюється рівним вихідному опору аттенюатора й становить 600 Ом.

У якості вимірювальних пристроїв у генераторах застосовуються вольтметри. Для спрощення схеми вольтметра він включається на виході прожетучного пристрою перед аттенюаторами (рис.1.4). Вольтметр градуюється в діючих значеннях  синусоїдальної напруги.

Вихід пристрою

Атенюатор

Вихідний трансф-р

Електронний

  вольтметр

Рис 1.4. Схема включення електронного вольтметра в тракт генератора низької частоти.

      Кінцеві значення робочої частини шкали у вольтметрів вимірювальних генераторів установлюються 1·10n і 3,16·10n ( nобудь-яке ціле позитивне число, негативне число або нуль). Такий вибір кінцевих значень визначається тим, що, як правило, вольтметри вимірювальних генераторів мають ще шкалу, градуйовану в децибелах. Градуировка в децибелах виконується щодо початкового рівня 0,775. Цей рівень у техніку провідного зв'язку вибирається за абсолютний нульовий рівень по напрузі.

Слід пам'ятати, що напруга на виході генератора фактично визначається за показниками вольтметра й установленому ослабленню вихідних аттенюаторов тільки при погодженім навантаженні. При відсутності узгодження обмірювана напруга на виході генератора буде відрізнятися від значення, певного за показниками вбудованого вольтметра з урахуванням установленого ослаблення аттенюатора.

Імпульсні генератори

Імпульсні генератори, що представляють собою джерела імпульсних сигналів різних форм, використовуються в якості генераторів, що задають, в імпульсних схемах, служать для модуляції малопотужних генераторів, знаходять застосування при роботі з оптичними квантовими генераторами.

Найбільше поширення одержали вимірювальні генератори прямокутних імпульсів. Ідеальна послідовність прямокутних імпульсів (рис.1.5) характеризується періодом проходження Т, тривалість імпульсу τ і амплітудою імпульсу Uм. Однак на практиці одержання ідеальних прямокутних імпульсів сполучене з непереборними технічними труднощами. Тому форма реальних імпульсів відрізняється від прямокутних.

U

Т

τ

Uм

t

       Рис. 1.5. Ідеальна послідовність прямокутних імпульсів

Імпульсні вимірювальні генератори дозволяють створювати як одиночні імпульси, так і їх послідовності із частотами повторення до десятків мегагерц, длительностями імпульсів від 0,1 нс до 1 з і амплітудами від одиниць мілівольтів до десятків вольтів.

Як правило, одержання імпульсних сигналів з більшим діапазоном зміни основних параметрів імпульсів забезпечується комплектом генераторів. Незважаючи на відмінність характеристик, принципи побудови всіх імпульсних генераторів залишаються загальними. Однак структурна схема імпульсного вимірювального генератора має певні особливості в порівнянні з аналогічною схемою генератора синусоїдальних немодульованих або модульованих коливань.

Загальна структурна схема імпульсного вимірювального генератора зображена на мал.1.7. На відміну від раніше розглянутих вимірювальних генераторів імпульсний генератор містить специфічні функціональні пристрої- схему запуску й схему затримки.

Схема запуску формує імпульси заданої амплітуди й тривалості для керування роботою генератора, що задає, у загальмованому режимі, коли частота послідовності імпульсів або час появи одиночного імпульсу визначається зовнішньою керуючою напругою. Схема затримки необхідна в тих випадках, коли імпульси вихідної послідовності повинні бути затримані щодо імпульсів генератора, що задає, або зовнішніх імпульсів, що запускають, на відомий час. Функціональне призначення інших вузлів не відрізняється від призначення однойменних пристроїв інших вимірювальних генераторів.

Основні рекомендації із застосування вимірювальних генераторів

Робота з вимірювальним генератором включає чотири основні етапи: підготовка до роботи, з'єднання з об'єктом, узгодження з об'єктом і установки заданих значень параметрів вихідних сигналів.

Підготовка до роботи. Перш ніж включити генератор у мережу, треба перевірити роботу всіх органів керування й відкоригувати механічно положення стрілок вбудованих вимірювальних приладів, перевірити справність елементів приєднання, наявність штатних кабелів і допоміжних приналежностей. Перед включенням треба переконатися, що умови застосування приладу (кліматичні й інші) відповідають вимогам інструкції для експлуатації, генератор не зазнає трясці й вібраціям, впливу сильних магнітних і електричних полів, а так само в тому, що він зручно розташований на робочім місці.

Після цього всі органі керування приводяться у вихідне положення, і генератор може бути включений у мережу. Треба звернути особливу увагу на те, щоб установлений рівень вихідного сигналу був мінімальним, а невикористовувані виходи генератора були  закриті заглушками й відключені. Генератор повинен бути прогрітий протягом часу, зазначеного в інструкції для експлуатації

Рис.1.6 Загальна структурна схема імпульсного вимірювального  генератора

З'єднання з об'єктом. Для приєднання генератора до об'єкта треба користуватися штатними кабелями зі стандартними елементами приєднання. З'єднати генератор з об'єктом можна тільки тоді, коли у вхідних ланцюгах об'єкта немає джерел постійної напруги з малим внутрішнім опором. Сполучні кабелі попередньо доцільно перевірити для виявлення відкритих обривів.    

  Узгодження з об'єктом. Для забезпечення кращих умов узгодження виходу вимірювального генератора із входом об'єкта по потужності необхідно добитися рівності вихідного опорів. У вихідних пристроях вимірювальних генераторів звичайно передбачається можливість східчастої зміни вихідного опору, що дозволяє здійснити узгодження з навантаженням.

Якщо вихідні пристрої генератора не дозволяють виконати узгодження, необхідно застосувати зовнішні пристрої, що погодять. У тих випадках, коли генератор працює на мале навантаження (великий вхідний опір об'єкта), рекомендується включити внутрішнє навантаження, тому що таке включення забезпечує нормальний режим роботи вихідних пристроїв генератора.

При підключенні   вимірювального генератора до резонансних ланцюгів слід пам'ятати, що невелике, як правило, вихідний опір генератора може шунтировать контур і значно знизити його добротність. У таких випадках з'єднання з об'єктом повинне здійснюватися через конденсатор невеликої ємності. Значення ємності вибирається залежно від установленої частоти й добротності резонансної системи.

При з'єднанні з об'єктом генератора надвисоких частот рекомендується між об'єктом і генератором включати, що розв'язує аттенюатор з ослабленням в 15-20 дб. Він дозволяє послабити вплив навантаження на вимірювальний генератор і поліпшити стабільність частоти й вихідного рівня при випадкових змінах параметрів навантаження.

Установка заданих значень параметрів вихідних сигналів

Установка значень параметрів вихідних сигналів починається з установки частоти генератора. При цьому треба обов'язково користуватися нониусными пристроями, шкалами «Расстройка» і т.п.

Після установки частоти проводитися контроль або установка рівня вихідного сигналу. У цьому випадку всі органі керування повинні бути поставлені в положення, зазначені в інструкції для експлуатації. Потім за допомогою аттенюаторов і выносных штатних дільників установлюється задана напруга або потужність на виході.

У генераторах модульованих коливань при необхідності можуть бути встановлені відповідні параметри модуляції.

У процесі роботи рекомендується періодично контролювати рівень коливань.

1.2 Прилади, використані при виконанні роботи:

  1.  Аналогові вольтметри
  2.  Цифрові вольтметри
  3.  Комбіновані цифрові прилади
  4.  Генератор звукової частоти
  5.  Генератор імпульсів
  6.  Осцилограф

1.3 Порядок виконання роботи:

1. При виконанні роботи використовуйте технічні описи й інструкції на досліджувані прилади.

2. Вивчите вимірювальні генератори, перемалюйте їхні структурні схеми й запишіть основні технічні дані. Засніть призначення всіх керуючих ручок на передніх панелях. Усвідомите порядок установки заданих частоти й амплітуди сигналів, використовуючи для цих цілей шкали й показання вбудованих вимірників.

3. Вивчите електронний осцилограф. Засніть призначення всіх ручок керування, гнізд і перемикачів. Замалюйте схематично передню панель осцилографа, зобразивши всі ручки керування ( крім блоку БВС). Запишіть основні технічні  дані приладу - вхідні опори і ємність, смугу пропущення підсилювача, діапазон частот і амплітуд досліджуваних сигналів, погрішності вимірів.

4. Керуючись інструкціями й технічними описами, приведіть усі прилади, що перебувають на робочім місці, у робочий стан. Після прогріву приладів приступайте до виконання наступних пунктів завдання.

6. Установіть  на генераторі звукових сигналів частоту 100 Гц.

7. Використовуючи внутрішній вольтметр і аттенюатор генератора, послідовно встановлюйте напругу вихідного сигналу рівним 100 мВ, 500 мВ, 1 В,  2В, 5 У и вимірюйте його за допомогою наявних на робочім місці вольтметрів і комбінованих приладів.

Результати виміру зведіть у таблицю.

Одночасно вимірюйте величину сигналу і його частоту за допомогою осцилографа, результати вимірів також занесіть у таблицю.

8. Установлюючи частоти 1000 Гц, 5000 Гц, 10 кГц, 100 кГц, 200 кГц, повторите виміру по п.7.

     Примітка. Ураховуйте, що наявні у вашому розташуванні вольтметри й комбіновані прилади мають обмежений частотний діапазон.

9. Установіть генератор високої частоти в режим внутрішньої модуляції й за допомогою вбудованих приладів і шкал, одержите на виході модульований сигнал з параметрами: несуча частота - 465 кГц, частота модуляції - 1000 Гц, глибина модуляції m=80%, напруга на виході -  300 мВ.

Подайте цей сигнал на вхід осцилографа, одержите на екрані його, що обгинають і замалюйте осциллограмму.

10. Використовуючи генератор звукової частоти, здійсните режим зовнішньої модуляції генератора високої частоти й одержите сигнал з наступними параметрами: несуча частота -1 Мгц, частота модуляції - 10кГц, напруга на виході - 200 мВ, глибина модуляції - 50%.

Подайте цей сигнал на вхід осцилографа, одержите його, що обгинає й замалюйте осциллограмму.

11. Установіть на виході імпульсного генератора амплітуду імпульсів 3 В, тривалість 10 мкс, частоту проходження 10 кГц. Подайте імпульси на вхід осцилографа й спробуйте одержати їхнє стійке зображення при установці ручки синхронізації в положення «внутр.».

Якщо це не вдається, використовуйте режим розгорнення, що чекає. Для цього перемкнете ручку синхронізації в положення «внеш.», подайте з генератора імпульси синхронізації на вхід схеми синхронізації осцилографа й за допомогою ручки «стабільність» добийтеся одержання нерухливого зображення на екрані осцилографа. Замалюйте отриману осциллограмму й визначите за допомогою масштабної сітки на екрані осцилографа тривалість, амплітуду, період і частоту проходження імпульсів.

12. Установите на виході імпульсного генератора амплітуду імпульсів 1,5 В, тривалість 5 мкс, частоту проходження 5 кГц і повторите вимір по п.11.

1.4. Зміст звіту:

  1.  Найменування роботи
  2.  Ціль роботи
  3.  Короткі характеристики використовуваних у роботі приладів (їх призначення й основні параметри)
  4.  Таблиці з результатами експериментальних досліджень
  5.  Отримані осциллограммы
  6.  Аналіз результатів

1.5. Контрольні питання

  1.  Поясните принцип роботи осцилографа.
  2.  Поясните призначення функціональних блоків структурної схеми осцилографа.
  3.  Поясните призначення ручок управління осцилографа.
  4.  Розповідайте про види розгорнення електронного променя.

5. Коли застосовується розгорнення, що чекає?

6. Які види вимірювальних генераторів ви знаєте?

7. Поясните призначення ручок управління генератора звукової частоти.

8. Поясните, як установити амплітуду вихідного сигналу генератора за допомогою вбудованого приладу.

9. Поясните призначення ручок управління генератора високої частоти.

10. Якими параметрами характеризується імпульсні генератори.

11. Як одержати стійке зображення імпульсних сигналів з більшою шпаруватістю на екрані осцилографа?

Література

  1.  Винокурів В.І., Каплин С.І., Петелин І.Г. Электроизмерения.-М.: Вища школа, 1986.
  2.  Кушнир Ф.В. Электрорадиоизмерения.-Л.: Энергоатомиздат, 1983.
  3.  Атамалян Є.Г. Прилади й методи виміру електричних величин.-М.: Вища школа, 1982.
  4.  Мирский Г.Я. Електронні виміри.-М.: Радіо й зв'язок, 1986.
  5.  Технічні описи й інструкції на досліджувані прилади.

Лабораторна робота № 3

Дослідження мостових схем постійного струму і вимірювання опору

Мета роботи: ознайомитись з методами виміру опорів задопомогою мостів постійного струму.

2.1. Загальні положення

   Мостами називають прилади зрівняючого перетворення призначені для вимірювання параметрів електричних кіл (омічного та активних опорів, індуктивності, взаємної індуктивності, ємкості и т.п.) чи величин, функціонально з ними звязаних. У всіх мостах використовується так зване мостове вимірювальне коло, яке являє собою чотирьохполюсник, до двох вхідних затискачів котрого півдводиться напруга живлення, а до двох вихідних підключається показник рівноваги. Суть роботи цього вимірювального кола полягає в тому, щоб зміна одного чи декількох параметрів вімкнених в неї элементів вона приводилась в стан рівноваги, при котрому напруга на зажимах показника рівноваги становится рівною нулю.

    Всі мости розділяються на мости постійного та змінного струмів.

Мостами постійного струму називаються прилади зрівнюючого перетворення, призначені для вимірювання опорів постійного струму (омічних опорів) чи величин, функціонально з ними зв’язаних. Вони розділяються на одинарні та подвійні мости.

    В одинарних мостах постійного струму найбільше застосування знайшло мостове вимірювальне коло, схема котрого показана на рис. 2.1.

  

 Точки А, В, C і D називаються вершинами мостової схеми, гілки A B і C D називаються діагоналями моста, причому перша з них являєтся діагоналю джерела постійної напруги, а друга - діагоналю показника рівноваги. Чотири гілки, котрі мають опіри  і  називаються плечами моста. В одне з плеч мостової схеми вмикається вимірювальний опір . Частіше всього таким плечем є перше .

    Процес вимірювання за допомогою одинарного моста постійного струму полягає в тому, що зміною одного чи декількох опорів плеч, добиваються відсутності струму  в діагоналі показника, приводячи тим самим міст в стан рівноваги. Тоді один з чотирьох опорів, котрий є досліджуваним, може бути визначений по значенням трьох інших. Дійсно, оскільки при рівновазі моста потенціали точок C і  D рівні, то ;. 

Оскільки, крім того, в стані рівноваги мосту при ,  и , то   чи .                                      (2.1)

    Звідси досліджуваний опір визначається як

.                                        (2.2)

    Таким чином в стані рівноваги добутки опорів  протилежних плеч моста рівні один одному.                                                                                                                                               

Важливою властивістю моста, котра характеризує його експлуатаційні якості є чутливість , під чутливістю зазвичай розуміють зміну сили струму , напруги  чи потужності  в діагоналі показника рівноваги, котре приходить на одиницю відносної зміни будь-якого опору   плеча мосту. В залежності від цього розрізняють чутливість моста по силі струму ; чутливість моста по напрузі   і чутливість моста по потужності   .

Питання аналізу отримання максимальної чутливості одинарних мостів постійного струму, точності вимірювання і їх проектування  іт.п. розглядаються в [II].                                                                                                       

    Найбільш кращі умови з точки зору отримання максимальної чутливості мають місце  в тому випадку, коли всі чотири опори плеч моста рівні між собою.

    Рівняння  (2.2) показує,що міст може бути зрівноважений двома способами:

а) зміною відношення опорів    при постійному  ;

б) зміною опору    при постійному відношенні  .

    В залежності від цього розрізняють два різновиди одинарних мостів постійного струму: мости зі змінним і з постійним відношенням плеч.

   Недоліком одинарних мостів постійного струму є значна похибка вимірювання малих опорів (меньших 0,1 Ом). Вона обумовлена присутністю з’єднальних провідників, котрі мають власний опір та перехідних опорів в містях під’єднання досліжуваного резистора до схеми моста. Щоб уникнути вказаної похибки при вимірюванні малих опорів, використовують подвійні мости, в котрих дана похибка може бути зведена до мінімально малого значення.

    В подвійному мості, схема котрого зображена на рис.2.2, вимірювальний  і зразковий  опори забеспечені струмовими (X і N) і потенціальними (x і n ) затискачамии,і з’єднані послідовно так, що через них проходить один і той же достатньо великий по силі струм . 

За допомогою потенціальних затискачів x і n до них приєднані дві пари опорів , між котрими вімкнений показник рівноваги.

    Для виведення умови рівноваги подвійного мосту необхідно перетворити його в одинарний ,а потім використати умову (2.1). З цією метою перетворимо трикутне з’єднання опорів і R в зірку. Отримаємо схему одинарного мосту, в котрому опори плеч будуть становити , , ,  і  (рис. 2.3), де , ; .

Умова рівноваги цього мосту, а отже і шуканого подвійного мосту згідно (2.1)  . Підставляючи в ці умови рівноваги значення опорів  и  (опір  не входить в умову рівноваги, оскільки післе перетворення він виявиться вімкненим в діагональ показника рівноваги), отримаємо:

,

звідки

Використання отриманої умови рівноваги для визначення  по значенням опорів всіх плеч подвійного мосту викликає певні труднощі, обумовлені громіздкістю отриманого виразу та наявністю в ньому опору з’єднального проводу і контактів R, значення котрого нестабільне і звичайно невідоме. Ця умова

спрощується, якщо опори  і  підібрати так, щоб виконувалось відношення . Тоді умова рівноваги буде мати вид

.                                                                                   (2.3)

В цю умову не входить опір R, тому він не впливає на результат виміру .Опори в містях під’єднання зовнішніх провідників також не впливають на результат вимірювання, оскільки в умову (2.3) не входить опір діагоналі джерела живлення, що включає його внутрішній, регльований опір, опір з’єднальних провідників і внутрішній опрі амперметра.

Звичайно в подвійних мостах, використовуючих для вимірювання малих опорів, плечі підбирають так, щоб  и . При цьому в більшості мостів опори  и  являются регульованими. Однак мають місце також  подвійні мости, в котрих опори  і  постійні, а регульованим є опір зразкового резистора .

Опори плеч  мосту   і  вибирають  не нижеч 10 Ом з метою можливості  нехтування опорами з’єднальних провідників і контактів. Крім того, для з’єднання цих опорів з  і  обирають провід з можливо меньшими опорами за рахунок збільшення його діаметра.

Так як напруга діюча в гілках подвійного мосту при вимірюванні малих опорів малі, то паразитне ЕДС, що з’являється в схемі і в першу чергу термо ЕДС, що з’являється в місцях контактів, можуть викликати значні похибки. Для виключення їх при вимірюванні малих опорів з великим ступенем точності вимірювання повинні проводитися при двух напрямках струмів. Значення шуканого опору знаходять як середнє значення результатів двух вимірювань.

2.2. Експерементальна частинa

2.2.1. Для проведення експериментальних дослідів необхідно поперше ознайомитись з пристроєм і принципом роботи мосту постійного струму Р329.

Виміряти опір по схемі одинарного (див. рис. 2.1) и подвійного (див. рис.  2.2) мостів. Визначити відносні похибки. Записати результат вимірювань.

2.2.2. Порядок виконання роботи.

2.2.2.1. Зібрати схему зображену на рис. 2.4.

2.2.2.2. Вибрати значння опорів плеч відношення і  в залежності від порядку опору досліджуваного резистора (табл. 2.1).

                                                                                                   Таблиця 2.1

Порядок досліджуваного опору, Ом

, Ом

, Ом

Від 50 до 100

100

10000

Від 100 до 1000

100

100

Від 1000 до 10000

1000

100

Від  до

10000

100

Від  до

10000

10

2.2.2.3. Вставити штепсельні контакти у гнізда відповідні вибраним значенням опорів плеч відношення  і .

2.2.2.4. Включити гальванометр на мінімальну чутливість, для чого натиснути і зафіксувати кнопку "Грубо" мосту.

2.2.2.5. Регулюючи опори декад старших розрядів , зрівноважити міст при його мінімальній чутливості..

2.2.2.6. Включити гальванометр на максимальну чутливість,  для чого натиснути і зафіксувати кнопку "Точно" мосту.

2.2.2.7. Регулюючи опори декад молодших раорядів , остаточно зрівноважити міст при його максимальній чутливості.

2.2.2.8. Визначити числове значення досліджуваного опору по формулі

,

де  - опір, відлічуваний по лімбам декад мосту;

 і  - підрахунки по положеням штепсельного перемикакча.

2.2.2.9. Розрахувати відносну похибку вимірювання опору δ згідно паспортним даним мосту.

Приведена похибка мосту, чисельно рівна його класу точності, визначається по формулі:

,

де  - абсолютна похибка в одиницях опору;  - нормуюче значння опору, чисельно рівне верхній границі діапазона вимірювальних опорів (див. таб. 2.2)

Звідси абсолютна похибка мосту , тоді похибка вимірювання визначається, як: ,

де   - виміряне значення опору.

2.2.2.10. Результати вимірювання опорів резисторів занести в табл. 2.2.

Таблиця 2.2

4.2.2.11.Зібрати схему, зображену на рис. 2.5.

4.2.2.12.Вибрати значення опорів зразкового резистора і плеч відношення і в залежности від порядку опору досліджуваного резистора (таб. 2.3).

Таблиця 2.3

2.2.2.13. Вставити штепсельні контакти у гнізда, відповідні вибраним значенням опорів ,   і

2.2.2.14. Регулюючи опір резистора , встановити по амперметру А струм, значення котрого не перевищувало б номінального струму досліджуваного резистора .

2.2.2.15. Включити гальванометр на мінімальну чутливість, для чого натиснути і зафіксувати кнопку "Грубо"(1) мосту.

2.2.2.16. Регулюючи опори декад старших розрядів, зрівноважити міст.

2.2.2.17. Включити гальванометр на максимальну чутливість, для чого натиснути і зафіксувати кнопку "Точно" мосту.

2.2.2.18. Регулюючи опір декад молодших розрядів, остаточно зрівноважити міст при максимальній його чутливості.

Лабораторна робота №4

Тема:Дослідження аналогових амперметрів і вольтметрів.

Мета роботи: Ознайомлення зі способами розширення верхніх меж вимірювань амперметрів і вольтметрів постійного струму, з методами розрахунку шунтів і додаткових опорів.

Завдання до роботи:

1. Розрахувати опору шунтів для трьох значень струму.

2. Розширити межа вимірювання міліамперметра за допомогою розрахованих шунтів. Визначити похибка міліамперметра з шунтами.

3. Розрахувати додаткові опору для трьох значень напруг.

4. Розширити межа вимірювання мілівольтметри із застосуванням розрахованих додаткових опорів. Визначити похибка міліамперметра з додатковими опорами.

5. Визначити похибки, викликані включенням до вимірювальну ланцюг амперметра і вольтметра.

6. Зробити висновки за результатами роботи.

Опис роботи

1. Апаратура

Шунт є найпростішим вимірювальним перетворювачем струму в напругу. Він являє собою четирехзажімний резистор. Затискачі, до яких підводиться струм I, називаються струмовими, а затиски, з яких знімається напруга U потенційними (рис.1). До потенційних затискачів зазвичай приєднується вихідний прилад.

Шунт характеризується номінальним значенням вхідного струму Iном і номінальним значенням вихідної напруги Uном. Їхнє ставлення визначає номінальний опір шунта

Апаратура застосовуються для розширення меж вимірювання амперметрів, при цьому більшу частину величині струму пропускають через шунт, а меншу - через вимірювальний механізм (ІМ) приладу.

Рис.3.1. Схема з'єднання вимірювального механізму з шунтом

На рис.3.1 показана схема включення магнітоелектричного механізму з шунтом Rш. Ток Iі, що протікає через вимірювальний механізм, пов'язаний і вимірюваним струмом I залежністю

                                                 (1)

де Ru - опір вимірювального механізму.

Якщо необхідно, щоб струм Iu був у n разів менше струму I, то опір шунта повинно бути

,  (2)

де - коефіцієнт шунтування.

Номінальний струм шунтів може мати значення від декількох міліампер до кількох тисяч ампер. Апаратура на малі струми виконуються у вигляді котушок або спіралей з манганінового дроти, шунти на великі струми - у вигляді манганінових пластин.

 

                                          2. Додаткові опори.

Додаткові опору є вимірювальними перетворювачами напруги в струм. Додаткові опору можуть складатися з одного або декількох резисторів і служать для розширення меж вимірювання за напругою вольтметрів та інших приладів, які мають паралельні ланцюги, як, наприклад, Ваттметри, фазометри. Додаткові опору включають послідовно з ІМ (рис.3).

Рис.3.2. Схема зєднання вимірювального механізму з додатковим опором

Ток Iu в ланцюзі, що складається з ІМ з опором Ru і додаткового резистора з опором Rд, складе:

,  (3)

де U - вимірюється напруга.

Якщо вольтметр має верхню межу вимірювань Uном, опором Rі і за допомогою додаткового опору Rд треба розширити межа вимірювання в n разів, то, з огляду на сталість струму, що протікає через вольтметр, можна записати:

 (4)

        звідки .

Додаткові опору виготовляються з ізольованою манганіновой дроту, намотаною на пластини або каркаси з ізоляційного матеріалу, і застосовуються для розширення меж вимірювань вольтметрів до 30 кВ.

Вказівки щодо проведення роботи в лабораторії.

1. Ознайомитися з приладами, що використовуються в роботі. Виписати їх технічні характеристики, а саме: тип приладу, клас точності, межі вимірювання або регулювань, заводські номери і т.д.

2. Визначити внутрішній опір і наведену похибка міліамперметра, досліджуваного в роботі. В якості досліджуваного міліамперметра використовувати міліамперметр магнітоелектричних системи зі струмом повного відхилення не більше 10 мА. Схема включення приладів наведена на рис.4, де G - блок живлення постійного струму з напругою до 30 В, P1 - міллівольт-амперметр постійного струму класу точності 0,2 або 0,5; R2 - реостат опором 500 Ом; R1 постійне опір 2 кОм; P2 - цифровий вольтметр типу Ф283; P3 - міліамперметр, що досліджується в роботі.

Примітка: перед включенням джерела G движок реостата R2 повинен знаходитися в положенні максимального опору.

 1) При переміщенні движка реостата R2 встановити на приладі P3 струм повного відхилення (I3). Записати в табл.1 показання приладів P1 (I1) і P2 (U2) і значення струму I3

2) Розрахувати значення внутрішнього опору приладу P3 за даними таб.3.1.

 (5)

Розраховане значення Rі занести в таб.3.1.

3) Визначити приведену похибку приладу P3 за формулою:

 (6)

Значення похибки занести в табл.2.

3. Розширення межі вимірювання по струму за допомогою шунта.

 1) За формулою (2) розрахувати опору шунта R'ш, Rш ", Rш" 'для трьох струмів, які обирають з табл.3.2 в залежності від варіанту

 2) Для розширення межі вимірювання приладу P3 зібрати схему, представлену на рис.5. При цьому використовувати ті ж прилади, що і в схемі рис.3.4, а в якості шунтів Rш - магазин опорів МРС-58.

 3) На магазині опорів МРС-58 по черзі встановити значення R'ш, Rш ", Rш" '. Для кожного з цих значень домогтися відхилення вказівника приладу P3 на кінцеву відмітку шкали, що повинна відповідати струмам I'3, I3 ", I3" ', і визначити показання приладу P1 - I'1, I1 ", I1"'.

 4) Значення Rш, I1, I3 занести в табл.3.1 і розрахувати по (6) похибки γш приладу P3 з шунтами.

4. Розширення межі вимірювання за напругою за допомогою додаткових опорів.

 1) Визначити за даними табл.3.2 напруга Uном, відповідне струму повного відхилення I3 приладу P3.

2) Розрахувати значення додаткового опору P2 за формулою (3) або (4), вибравши три значення вимірюваної напруги по табл.3.3 в залежності від варіанту.

3) Зібрати схему рис.3.6. Як вольтметра P2 використовувати цифровий вольтметр постійного струму типу Ф283, а в якості додаткового опору Rд - магазин опорів МРС-58. Встановити по черзі на магазині опорів значення R'д, Rд ", Rд" ', що відповідають заданим напруженням U'3, U3 ", U3"'. Для кожного значення Rд зміною реостата R1 домогтися повного відхилення стрілки приладу P3. Зняти показання вольтметра P2 (U2), приладу P3 (I3) і занести їх у таб.3.4.

Рис.3.6

4) Розрахувати похибка приладу P3 з додатковим опорами за формулою

Значення розрахованих похибок для трьох значень Rд записати в табл.3.4.

5) Зробити висновки по роботі з обгрунтуванням кожного отриманого результату.

Лабораторна робота №6

Тема: Дослідження цифрового частотоміра середніх значень

Мета роботи: ознайомитись з принципами вимірювання частоти електричних сигналів; навчитися розробляти і виконувати розрахунок функціональних схем цифрових частотомірів; набути навичок роботи з приладами зазначеного типу.

Основні положення.

Частота – один з найважливіших параметрів періодичних сигналів, який визначається кількістю повних циклів (періодів) зміни сигналів у одиницю часу. Одиницею вимірювання частоти є герц (Гц), .

Слід зазначити, що крім циклічної частоти  широко використовується  поняття колової частоти , яке дорівнює  і вимірюється в одиницях рад/с.

Діапазон частот сигналів, які використовуються в неруйнівному контролі починається від одиниць герц і сягає сотень мегагерц,тобто від інфранизьких до надвисоких частот. У цьому діапазоні з успіхом використовуються цифрові частотоміри[1,321], які реалізують метод безпосередньої оцінки. Принцип дії таких приладів базується на підрахунку числа імпульсів , які відповідають кількості періодів невідомої частоти  за відомий інтервал часу Т, який називається часом вимірювання. Рівняння вимірювання таких приладів:

                                                                          (5.1)

Якщо Т=1с, то  відповідає значенню  у герцах. Таким чином, у найпростішому варіанті для вимірювання  необхідно виділити інтервал Т та обчислити кількість періодів сигналу в межах цього інтервалу. Приклад побудови структурної схеми такого цифрового частотоміра показано на рис.5.1.

Вхідний пристрій забезпечує узгодження частотоміра та джерела вимірювального сигналу, підсилення та обмеження вхідної напруги до значення, що необхідне для запуску формувача. Тому в своєму складі вхідний пристрій може мати від

повідно послідовно включені повторювач, підсилювач та подільник напруги. Формувач перетворює періодичні сигнали в послідовності імпульсів тієї самої частоти . Як правило, формувач містить у своєму складі послідовно включені підсилювач – обмежувач, тригер Шмідта та формувач коротких імпульсів. Електронний ключ у межах часового інтервалу  пропускає на вхід лічильника імпульсів пакет з  зберігається в регістрі пам’яті, дешифрується за допомогою дешифратора та відображається на цифровому індикаторі в десятковому коді. Пристрій управління керує всім процесом вимірювання – виробляє сигнали керування ключем, установки в нуль /R/ лічильника імпульсів перед кожним новим вимірюванням,та запису коду  в регістр пам’яті.

Максимальне значення відносної похибки вимірювання частоти:

                                                                                 (5.2)

Де - відносна нестабільність частоти кварцового генератора.

                                              (5.3)

Рис.5.1 Схема цифрового частотоміра

Особливість цієї схеми – підвищення похибки вимірювання під час зменшення частоти , що впливає на (5.1). Наприклад, якщо , Т=1с,

то для маємо , а для , .

Таким чином, на високих частотах похибка таких приладів обумовлена в основному нестабільністю кварцового генератора, а на низьких частотах – похибкою дискретизації. Слід зазначити, що для зменшення похибки вимірювання на низьких частотах, необхідно використати намножувач частоти на вході частотоміра, або перейти від вимірювання частоти до вимірювання періоду  з наступним виконанням зворотнього перетворення від  до . Та найпростішим способом зменшення  з підвищенням часу вимірювання Т, що випливає з (5.3). Але надмірне збільшення Т може призвести до переповнення лічильника імпульсів та виникнення  грубої похибки вимірювання.

Щоб виключити можливість цього явища необхідно, щоб виконувалась умова

                                     (5.4)

Де  - ємність лічильника імпульсів. Наприклад, якщо використовується, то  і для , приймаємо, що

                                        (5.5)

Вимоги збільшення Т з метою зменшення  та Т  для виключення переповнення лічильника є взаємовиключним. Компромісним рішенням, яке дає змогу усунути це протиріччя, є поділ усього частотного діапазону на ряд частотних смуг.

Експериментальна частина.

  1.  Скласти електричну функціональну схему цифрового частотоміра. Діапазон зміни частот та напруг вхідних сигналів задає викладач.
  2.  Скласти короткий опис дії частотоміра.
  3.  Виконати функціональний розрахунок частотоміра /визначити ,

К- коефіцієнт підсилення підсилювача.

Порядок виконання роботи.

1. Зібрати схему частотоміра.

  2.  Увімкнути макет, подати на вхід частотоміра сигнал від генератора синусоїдальних коливань, контролюючи за допомогою осцилографа рівень та частоту досліджуваних сигналів.

3.За допомогою осцилографа дослідити функціонування всіх вузлів частотоміра, зняти епюри напруг.

4.Дослідити похибку міри часу /генератора тактових імпульсів. З цією метою підключити до виходу пристрою управління, на якому формується часовий інтервал Т, цифровий частотомір Ф5137.

У режимі вимірювання часового інтервалу виконати т=10…15 вимірювань Т, та оцінити значення:

,

де - різниця максимального та мінімального врізцевого приладу Ф5137.

                                           (5.6)

5. Виміряти частоту та обчислити показники точності згідно з п.1.5 для 2…3 значень частоти за вказівками викладача. Розрахункове значення похибки визначити за формулою (5.2) з урахуванням обчислень за (5.1). Отримані дані звести у таблицю згідно з п.1.5.

6. Зробити висновки по роботі.

Контрольні питання.

  1.  Що таке частота періодичних коливань?
  2.  Принцип дії цифрових частотомірів?
  3.  Від чого залежить похибка вимірювання частоти цифровим частотоміром?
  4.  Як зменшити похибку вимірювання частоти в області низьких частот?
  5.  Чим визначається вибір часового інтервалу?
  6.  Що таке похибка дискретизації часового інтервалу?

Лабораторна робота №6

Тема: «Дослідження цифрового періодоміра»

Мета роботи: ознайомитись з принципами цифрового вимірювання періоду електричних сигналів; навчитися розробляти та виконувати розрахунок функціональних схем цифрових періодомірів; набути навичок з приладами зазначеного типу.

Основні положення.

Цифрові періодоміри – це прилади, які виконують перетворення періоду  сигналу в цифровий код  з подальшим його відображенням на цифровому табло. Такі прилади можуть виконуватись як самостійні, але частіше вони входять до складу комбінованих приладів – частотомірів-періодомірів[1,324]. Це обумовлено тим, що структури цифрових частотомірів і періодомірів подібні, тому перехід від одного приладу до іншого потребує мінімальних структурних перебудов.

Принцип дії цифрових частотомірів базується на підрахунку кількості квантуючих імпульсів частотою  за один або декілька періодів . Структурну схему цифрового періодоміру показано на рис.6.1.

Генератор

Ключ

Лічильник  імпульсів

Регістр пам’яті

Цифровий індикатор

Вхідний пристрій

Формувач

Пристрій управління

Uвх(T)

Рис.6.1 Структурна схема цифрового періодомера

Вхідний пристрій може мати в своєму складі, як і в схемі частотоміра, послідовно включені повторювач, подільник напруги та підсилювач. Формувач, на вхід якого подається вхідна напруга частотою , виділяє старт- та стоп-імпульси, інтервал часу між якими дорівнює . До його складу можуть входити вузли: підсилювач – обмежувач, тригер Шмідта та формувач коротких імпульсів. Пристрій управління забезпечує службовими сигналами всі вузли приладу – виробляє сигнал керування ключем тривалістю , де кількість періодів , які заповнюються квантуючими імпульсами, а також сигнали установки в нуль /R/ лічильника імпульсів перед початком кожного циклу вимірювання довжиною , і сигнали запису /С/ кода  до регістра пам’яті.

Рівняння перетворення прикладу має вигляд:

                      (6.1)

Якщо прийняти  , де то покази лічильника будуть дорівнювати періоду  в частках секунди. Наприклад, якщо  , то код  дорівнюватиме значенню  в мікросекундах.

Максимальне значення відносної похибки вимірювання одного періоду   / =1/

           (6.2)

Де  - відносна нестабільність частоти кварцового генератора.

Порівнюючи (6.2) і (6.3), можна помітити основну відмінність періодоміра від частотоміра: відносна похибка вимірювання частотоміра із збільшенням  - падає, а у періодоміра зростає. Загальний вигляд зміни  та  від частоти показано на рис.6.2. Із наведених графіків видно, що з точки зору отримання мінімальної похибки вимірювання в діапазоні частоти від 0 до  краще вимірювати , а в смузі частот вище - вимірювати  /уразі потреби за допомогою зворотного перетворення завжди можна перейти від   або навпаки/. Значення граничної частоти можна дістати, якщо прирівняти вирази (6.2) та (6.2) і розв’язати отримане рівняння відносно частоти.

                    (6.3)

 

                γ   

 

     γт

          [γ]

    

             γ

           γ0

               

Рис.6.2 Загальний вигляд зміни  та від частоти

У сучасних цифрових частотомірах – періодомірах [1,324] перехід від режиму вимірювання частоти до режиму вимірювання періоду з наступним обчисленням

виконується автоматично.

Верхня межа вимірювання періоду  визначається ємністю лічильників   та частотою квантуючих імпульсів   :

                   (6.4)

А нижня межа вимірювання  - допустимим значенням похибки вимірювання періоду [γ]

                             (6.5)

Експериментальна частина.

  1.  Скласти електричну функціональну схему цифрового періодоміра для заданих викладачем вихідних даних – діапазону частот та амплітуд вхідних сигналів;
  2.  Навести короткий опис роботи періодоміра
  3.  Виконати функціональний розрахунок періодоміра/ визначати значення , , коефіцієнта підсилення підсилювача/

Порядок виконання роботи.

  1.  Зібрати розроблену схему періодоміра.
  2.  Ввімкнути макет, подати на вхід періодоміра досліджуваний сигнал від генератора синусоїдальних сигналів, контролюючи за допомогою осцилографа його рівень та період.
  3.  За допомогою осцилографа дослідити функціонування всіх вузлів періодоміра, замалювати епюри напруг.
  4.  Дослідити похибку міри часу згідно з методикою, наведеною у підрозд. 2.3, п.4.
  5.  Дослідити за допомогою зразкового приладу Ф5137 похибку вимірювання періоду та порівняти її з розрахунковим значенням, визначеним за (6.2) з урахуванням (6.3). Виконати вимірювання періоду та обчислення покажчиків точності згідно з п.1.5. для 2-3 значень періоду за вказівками викладача. Отримані дані звести в таблицю.
  6.    Зробити висновок по роботі.

Контрольні питання.

  1.  Принцип дії цифрових періодомірів.
  2.  Чим відрізняється похибка вимірювання періодів за допомогою цифрових періодомірів?

  1.  Чим визначається вибір значень  та  при розрахунках періодомірів?
  2.  Як зменшити похибку вимірювання періоду?Дайте порівняльну характеристику похибок вимірювання частоти та періоду.

Лабораторна робота №7

Тема:  Дослідження цифрових вольтметрів постійного струму подвійного інтегрування.

Мета роботи: теоретично і експериментально ознайомитися з методом подвійного інтегрування  при побудові цифрових вольтметрів постійного струму.

Основні положення.

Багато цифрових приладів, наприклад цифрові прилади парозрядного урівноваження, вимірюють миттєві значення величин , де x - дійсне значення вимірюваної величини;

– миттєве значення перешкоди, тобто разом з корисним сигналом «x» вимірюється і , що приводить до великих похибок виміру.

З впливом перешкод на точність виміру доводиться вважатися при створенні високочутливих цифрових вимірювальних приладів, оскільки підвищення чутливості цифрових вимірювальних приладів (ЦВП) приводить до збільшення відношення  .  Це є значною перешкодою при створенні вольтметрів, що володіють одночасно і великою чутливістю, і високою точністю. Для захисту від перешкод на вході ЦВП включають фільтри,  проте при цьому значно знижується швидкодія і збільшуються габаритні розміри приладів.

В більшості випадків, при зміні напруги найбільш істотною перешкодою є зосереджені перешкоди певної частоти, наведення, що є в основному, з частотою мережі, тобто

, де  – частота похибки.

У таких випадках дуже ефективним засобом боротьби з перешкодами є створення інтегруючих вольтметрів, в яких вимірюється середнє значення постійної напруги  за постійний проміжок часу .

Таким чином, результат виміру цифрового вольтметра інтегруючого типу:

                                  (7.1)

де  – час інтегрування;

– вимірювана напруга.

При цьому погрішність результату виміру, обумовлена напругою перешкоди, складає

                                                                          (7.2)

     

Звідки

    (7.3)                       

Коефіцієнт придушення перешкоди інтегруючим цифровим вольтметром, дб:

                                                         (7.4)

Підставляючи значення , маємо

 (7.5)    

Другий член цього виразу змінюється залежно від часу інтеграції, періоду сигналу перешкоди і початкового зрушення фаз в межах від 0 при  і   при .

З виразу (7.5) видно, що існують такі значення незалежного аргументу , фази, перешкоди, коли коефіцієнт . При цьому

                                     (7.6)

При виборі часу інтеграції  ,

де n=1,2,3,… - ціле число: коефіцієнт подавлення дорівнює нескінченності.

У інтегруючих цифрових вольтметрах  вибирається кратним періоду промислової частоти, рівному 20мс (50гц). Крива, що ілюструє зміну  залежно від  n, показана на рис.7.1.

Перший член вираження (7.6) в логарифмічному масштабі по аргументу πn є прямою лінією з нахилом 20 дБ на октаву.          

Рис.7.1 Крива, що ілюструє зміну  залежно від  n

Більшість інтегруючих вольтметрів будуються з використанням вимірювальних частотних перетворювачів, в яких вимірювана аналогічна величина Х перетвориться в зміну частоти дотримання імпульсів (рис.7.2. – залежність вихідної частоти  перетворювача (ІЧП) від вхідної напруги).

Як випливає з показаної на рис.7.2. залежності, вихідна частота ІЧП напруги зазвичай змінюється по лінійному закону:

,

де - початкова частота діапазону при  - вхідна напруга.

У цифровому приладі з ІЧП має бути пряма пропорційність між вимірюваною велічиной X або і цифровим відліком N.

Якщо  то для виконання цієї вимоги необхідно виділити частоту  . В цьому випадку цифровий відлік

Рис.7.2 Залежність вихідної частоти  перетворювача (ІЧП) від вхідної напруги

Є декілька способів виділення частоти  з використанням перетворювачів частоти, лічильників з передустановкою і так далі.

Найбільш простим є спосіб, що реалізовується за допомогою структурної схеми (рис.7.3)

Рис.7.3 Структурна схема

Коефіцієнт ділення дільника частоти ДЧ вибирається рівним . Ємкість лічильника ЛІ також вибирається рівною N1.

Таким чином, при підрахунку імпульсів

                                                       (7.7)

за інтервал часу  в момент набору числа N1 в лічильнику імпульсів ЛІ відбувається скидання його на нуль і подальше продовження рахунку імпульсів. Отже, значення коду в лічильнику ЛІ визначаэться з виразу:

                                                      (7.8)

Недоліком таких інтегруючих вольтметрів є те, що використані в них ІЧП досить складні і володіють істотною погрішністю.

Простішою для апаратурної реалізації є структурна схема цифрового інтегруючого вольтметра[1,359], що використовує перетворення напруги в частоту  імпульсів  (рис.7.4.)

Рис.7.4 Схема перетворення напруги в частоту  імпульсів

При підключенні вимірюваної напруги  в перебігу часу t, вихідна напруга інтегратора   лінійно зростає. В мить, коли  стає рівним , спрацьовує компаратор і видає імпульс. Цей імпульс відкриває ключ К1 на строго фіксований час . У перебігу цього часу  конденсатор «С» розряджається ім.

пульсом з дозованою кількістю електрики від джерела зразкової напруги . Після закінчення розряду, напруга знову починає зростати, і цикл повторюється.

У роботі  показано, що частота імпульсів

(7.9)

Ключ К, через який імпульси частоти  поступають на лічильник, відкритий протягом . Ключ К  управляється від дільника частоти імпульсів ДЧ (див. рис.7.3.)

Тоді

                               (7.10)

Недоліком таких приладів є те, що їх точність в основному визначається точністю джерела коротких імпульсів,  які складно виконати з високою стабільністю; виникає необхідність в частих калібруваннях.

Такий метод реалізований у вітчизняному цифровому інтегруючому вольтметрі В7-25 з наступними даними: погрішність виміру 0,01%, час виміру 0,1с.

2.Найбільш високою точністю і чутливістю і в той же час меншою складністю, володіють цифрові вольтметри подвійної інтеграції.

Основна схема цифрового вольтметра з подвійною інтеграцією змальована на рис 7.5., де а – функціональна схема, б – тимчасова діаграма.

У першому такті з моменту  до  по команді блоку автоматики БА замикається ключ К1 і на вхід інтегратора  І поступає напруга . Вихідне напруга інтегратора  змінюється згідно із законом :

                                                             (7.11)

У момент t відкривається також ключ К4 і на ЛІ від генератора квантуючих імпульсів ГКІ поступають імпульси з частотою . При досягненні в ЛІ числа  (зазвичай повного об'єму ЛІ) у момент  , , тобто ЛІ зазвичай використовується і для формування інтервалу часу .

У момент  скидається в нульовий достаток і подає команду на розмикання ключа К4 і на замикання ключа К2 або К3.

Залежно від полярності вимірюваної напруги на вхід інтегратора подається відома за значенням постійна напруга , полярність якої протилежна полярності ,. Вхідна напруга інтегратора лінійно зменшується по абсолютній величині і у момент  стає рівною нулю. Цей момент фіксується компаратором Комп. У момент   закінчується другий такт перетворення.

Баланс зарядів на конденсаторі С задовольняє умовам:

або  , звідки

                                                           (7.12)

За час  на ЛІ прийде  імпульсів. Тоді:  

                                                               (7.13)

Це число, що є результатом виміру у момент , по команді БА реєструється цифровим відліковим пристроєм ЦОУ.

У момент   СІ скидається в нуль, БА повертається в початковий достаток.

При  в перебігу інтервалу

.                                               (7.14)

Рис.7.5 Схема цифрового вольтметра з подвійною інтеграцією

Отже відлік лічильника прямо пропорційний вимірюваній напрузі і залежить лише від напруги джерела . Результат виміру не залежить від опору R, ємності С, періоду і напруги . Необхідно, щоб їх значення були постійні лише в перебігу кожного короткочасного циклу виміру, що і обусловлює високу точність і чутливість таких вольтметрів.

Експериментальна частина.

При проведенні експериментальних досліджень необхідно перш за все ознайомитися з описом макету лабораторної роботи.

Макет лабораторної роботи виконаний на базі серійного цифрового вольтметра  Ф210, основні характеристики якого наступні:

1. Межі виміру напруги 0 – 999 мв.

2. Основна погрішність вимірів не перевищує

                                                                              (7.15)

де  – кінцеве значення вимірюваної величини.

3. Вхідний опір вольтметра 100(кОм).

4. Виміри відбуваються з частотою 10 Гц.

5. Вхідний фільтр забезпечує придушення перешкод з частотою мережі не менше 40 дб.

Функціональна схема приладу конструктивно складається з чотирьох основних блоків.

1) Вхідний пристрій, що містить підсилювач і фільтр, призначений:

а) для масштабування вимірюваної напруги до основної межі 1В;

б) для захисту від перешкод;

в) для збільшення вхідного опору вольтметра;

г) для захисту від перевантажень.

2) Блок перетворювача, що включає в себе інтегратор, порівнювальний пристрій, пристрій управління і пристрій, що перетворює вхідну напругу в інтервал часу.

3) Блок індикації, лічильник імпульсів, що включає, дешифратор і індикаторні лампочки, і призначений для підрахунку і індикації на цифровому табло числа імпульсів, що заповнюють отриманий інтервал часу, і формування інтервалу часу, що калібрується, в перебігу якого інтегрується вхідна напруга.

4) Блок живлення, що включає власне блок живлення і схему запуску.

Прилад працює таким чином: схема запуску виробляє імпульси запуску з частотою 10 Гц, управління, що поступають на пристрій. З приходом цих запускаючих імпульсів по команді з пристрою управління лічильник відкривається на якийсь час  і на його вхід поступають імпульси частотою , причому ємкість лічильника вибрана рівною:

.

Крім того, у момент приходу запускаючого імпульсу по команді пристрою управління замикається ключ К1 і інтегратор починає інтегрувати вхідну напругу. У цей момент часу на ключ К1 і К2 сигнали не подаються і вони не є розімкненими.

У момент переповнювання лічильника на його виході f_2 з'являється імпульс, що поступає в пристрій управління. З прибутком імпульсу  переповнювання лічильника по команді пристрою управління размикаєтсяключк1 і замикається ключ К2 або К3в залежності від полярності вхідної напруги. Сигнали полярності вхідної напруги у вигляді імпульсів  і  поступають в пристрій управління.

В мить, коли напруга на виході інтегратора стане рівною нулю по сигналах порівнюючого пристрою  і  , пристрій управління закриває вхід лічильника. Після цього, отриманий код лічильника до приходу наступного запускаючого імпульсу,  за допомогою дешифратора, відображається індикаторними лампами на табло.

Макет лабораторної роботи включає, окрім серійного вольтметра Ф210, аналоговий суматор сигналів, а також джерело вимірюваної напруги.

Порядок виконання роботи.

1. Включити макет в мережу і ознайомитися з роботою вольтметра подвійної інтеграції. Для цього по контрольних крапках, введених на передню панель макету, за допомогою двулучевого осцилографа СІ-79 зняти тимчасові діаграми сигналів.

При цьому слід розгортку осцилографа запускати за допомогою зовнішньої синхронізації. Для цього вхід зовнішньої синхронізації каналу «Синх.А» необхідно підключити до контрольної точки макету ТІ.

Скласти повну тимчасову діаграму роботи вольтметра подвійної інтеграції для випадків:

а) коли на вхід вольтметра подається позитивна напруга;

б) коли на вхід вольтметра подається негативна напруга;

в) коли вольтметр переобтяжений, що визначається по цифровому табло вольтметра.

Відключити фільтр у вхідному пристрої за допомогою перемикача, виведеного на передню панель макету.

Встановити на вході вольтметра постійну напругу біля 400мВ.

Потім на вхід суматора подати сигнал від низькочастотного генератора Г3-102 амплітудою 0,5В.

Оцінити перешкодостійкість вольтметра, якщо вважати, що сигнал генератора є синхронною перешкодою з певною частотою. При цьому частоту генератора слід змінювати в межах від 30 до 150 Гц. Знімати свідчення через 5 Гц. Фіксувати лише максимальні відхилення цифрового індикатора від нормального значення.

Скласти таблицю відхилень показів вольтметра залежно від частоти.

2. Включити фільтр у вхідному пристрої за допомогою вимикача на передній панелі макету.

Якісно оцінити дію фільтру на покази вольтметра, якщо на його вхід разом з постійною напругою подається сигнал генератора Г3-102. При цьому частоту генератора змінювати від 20 до 60 Гц.

3. Зробити виводи по роботі .

Контрольні питання:

1.Принцип дії інтегруючих вольтметрів.

2.Принцип дії вольтметра подвійної інтеграції.

3.Порівняльна характеристика інтегруючих вольтметрів і вольтметрів подвійної інтеграції.

4.Чому синхронні перешкоди з періодом, кратним періоду інтеграції вольтметра пригнічуються?

Лабораторна робота № 8

Тема: Вивчення цифрових вимірювачів інтервалів часу

Та  частоти (періоду) коливань

Мета роботи: ознайомитися з принципами цифрового вимірювання частоти (періоду) коливань та інтервалів часу, їх похибками, здобути вміння і навички в роботі з приладами вказаного профілю.

Основні положення

Для виконання даної роботи необхідно зрозуміти, що з усіх методів вимірювання частоти найбільш досконалим є метод, що ґрунтується на підрахунку кількості періодів сигналу, що вимірюється, за еталонний інтервал часу (метод підрахунку імпульсів). Найбільш суттєві переваги даного методу вимірювання частоти перед іншими (резонансним, гетеродинним) – висока точність вимірювання частоти, велика швидкодія і простота отримання результатів вимірювання в цифровій формі.

Вимірювання частоти з малою похибкою можливе лише на відносно високих частотах. Тому на низьких частотах застосовують вимірювання не частоти, а періоду коливань.

Обмеження зверху частотного діапазону електронно-лічильних частотомірів визначається швидкодією перерахункової схеми лічильника імпульсів.

Цифрові методи вимірювання інтервалів часу (ІЧ) можна поділити на дві групи: прямі і непрямі. Прямий метод полягає в тому, що вимірюваний інтервал порівнюється з еталонним в натуральному масштабі часу. Непрямі методи вимірювання полягають в перетворенні вимірюваного інтервалу у пропорційне значення будь-якої іншої фізичної величини.

Найбільш розповсюджений метод послідовного підрахунку (прямого підрахунку, лічильно-імпульсного, часоімпульсного, електронно-рахункового) заснований на вимірюванні ІЧ квантуванням їх послідовністю імпульсів, період прямування яких τ0 відомий з відносною похибкою δ (рис.8.1). Переваги методу: простота автоматичного вимірювання ІЧ в широкому діапазоні як при однократних, так і при повторних вхідних сигналах, висока швидкість отримання результату вимірювання, малий «мертвий» час. Метод послідовного підрахунку забезпечує гарні результати в діапазоні, який лежить вище десятків наносекунд.

Рис. 8.1 Метод послідовного підрахунку

Цифрові частотоміри

           Серед цифрових приладів частотно-часової групи електронно-рахункові частотоміри (в подальшому цифрові частотоміри - ЦЧ) є найбільш розповсюдженими, що пояснюється їхньою універсальністю, високими метрологічними та експлуатаційними характеристиками.

В основу побудови ЦЧ покладені загальні принципи, що дозволяють реалізувати ряд режимів роботи приладу для вимірювання кількох величин.

Функціонально повні ЦЧ дозволяють вимірювати наступні величини: частоту[1,324], період[1,324], відношення двох частот (іноді виражене у відсотках[1,329]), тривалість імпульсу чи інтервалу часу, заданого користувачем; передбачаються також режим підрахунку подій (імпульсів) і використання ЦЧ як джерела сигналів з відомими (каліброваними) частотами. Режими роботи задаються і вибираються положенням ряду перемикачів (механічних або електронних) та інших органів управління.

У більш простих варіантах виконання ЦЧ використовуються для вимірювання меншої кількості величин (наприклад, однієї чи двох).

В будь-якому режимі частина структури ЦЧ залишається незмінною і в ній відбувається підрахунок кількості імпульсів , пропорційній вимірюваній величині. Ці імпульси проходять через електронний ключ ЕК, що знаходиться в замкнутому стані, на лічильник імпульсів ЛІ. Код числа, що створюється в ЛІ, поступає на цифровий відліковий пристрій ЦВП. До складу ЦВП входить багатодекадний цифровий індикатор з переміщуваною комою і, як правило, індикатор з позначенням одиниць вимірювання.

Час замкнутого стану ЕК, що називається часом рахунку р, визначається родом вимірюваної величини, а його конкретне значення  -  рядом міркувань, які будуть описані нижче.

Вимірювання частоти

Структурна схема ЦЧ в цьому режимі роботи наведена на (рис.8.1а). Напруга вимірюваної частоти fx (рис.8.1б) подається на вхід формуючого пристрою (ФП), призначення якого - формування сигналу стандартної форми при достатньо довільній формі вхідного сигналу. Зазвичай до складу ФП входять підсилювач-обмежувач, що забезпечує задану амплітуду свого вихідного сигналу, і формувач для забезпечення малої тривалості фронту і зрізу імпульсів на виході ФП. Частота цих імпульсів дорівнює частоті вхідного сигналу (рис.8.1в). Ці імпульси проходять через ЕК на ЛІ за час рахунку Тр, який задається генератором опорної частоти ГОЧ і подільником частоти ПЧ. Частота ГОЧ стабілізована кварцовим резонатором. Необхідне Тр вибирається перемикачем «ВРЕМЯ СЧЕТА». При кожному запуску пристрою на виході ПЧ з’являється один імпульс (рис.8.1в), під дією якого замикається ЕК.

Число імпульсів Nx, що пройшло на ЛІ, визначається наближеною формулою:

                                                       (8.1)

а значення вимірюваної частоти:

                                                        (8.2)

    

Рис.8.2 Вимірювання частоти

      

Вимірювання періоду

Структура ЦЧ в цьому режимі наведена на рис.8.2а. В цьому режимі час замкнутого стану ЕК задається періодом (або n періодами). Вхідний сигнал, період якого Tx вимірюється (рис.8.2б) таким же чином, як і при вимірюванні частоти, подається на вхід ФП. Вихідний сигнал ФП (рис.8.2в) надходить на подільник

частоти ПЧ (множник періодів Tx). Число n (зазвичай n - це 1, 10, 102 або 104) вибирається перемикачем «ВРЕМЯ СЧЕТА», тобто пТx. При запуску на виході ПЧ з’являється імпульс за тривалістю рівний пТx (рис.8.2г), протягом якого ЛІ підраховує пройдені за цей час імпульси з відомим періодом прямування Tтакт (рис.8.2д), що часто  називають «мітками часу».

Рис.8.3 Вимірювання періоду

Кількість імпульсів Nx і період Tx, наближено визначаються формулами (8.3) і (8.4):

,        (8.3)

           (8.4)

    

Відомо, що частота f і період T зв’язані формулою: 1=f T. Тому через пряме вимірювання однієї з цих величин можна знайти результат непрямого вимірювання іншої.

Похибки вимірювання частоти

В режимі вимірювання частоти на протязі Tc підраховуються імпульси, що прямують з вимірюваною частотою fx (рис 8.3а). Для цього випадку маємо:

            (8.5)

        

Якщо не приймати спеціальних засобів із синхронізації імпульсу Tc і імпульсів вимірюваної частоти (тобто, якщо не задається примусово певне положення цих імпульсів по відношенню один до одного), то інтервали t1 і t2 є незалежними величинами, значення кожної з яких лежить в інтервалі [0 – Tх ] і тому:


             
           (8.6)

Поділивши обидві частини рівняння (8.5) на добуток Tc·Tх, отримаємо:

                          (8.7)

враховуючи, що:  та  ,  

В режимі вимірювання частоти величина 1/Tc є ціною одиниці молодшого розряду лічильника (Cf = 1/ Tc), що має розмірність Герц (с-1). В залежності від вибраного значення Tc будемо мати:  (),  (),  (), Тому (8.7) можна представити у вигляді:

                            (8.8)                                       

Випадкову складову похибки 1qCf називають похибкою підрахунку.

Відносне значення цієї похибки дорівнює:

, причому  .

Іншим джерелом похибок ЦЧ є відхилення Tc від номінального значення і його нестабільність. В ЦЧ Tc формується з цілого числа періодів коливань кварцевого генератора, для якого характерна надзвичайно висока стабільність частоти генерованих ним коливань. Для зменшення впливу температури середовища в ЦЧ застосовується термостатування генератора.

Таким чином, друга складова похибки вимірювання частоти визначається нестабільністю частоти кварцового генератора:

  ,  і тому .

Отже,   и  .

Сумарні похибки вимірювання частоти дорівнюють:

,  (8.9)

                             (8.10)

Похибки вимірювання періоду

При вимірюванні періоду (рис.8.4) на протязі Tx (або nTx) на ЛІ проходять імпульси з відомим періодом прямування Tтакт і тому (рис.8.5):

Так, як і в попередньому випадку, -t1+t2 є випадковою величиною, причому: , тобто .

При вимірюванні n періодів маємо:

  або , що еквівалентно зменшенню ціни одиниці молодшого розряду в n раз.

Період слідування імпульсів Tтакт задається тим же кварцовим генератором, як і всі попередні зауваження щодо нестабільності Tc ,повністю справедливі і для цього режиму роботи. Тому:

   і    

Сумарні похибки (абсолютна та відносна) вимірювання періоду визначаються виразами:

    (8.11)

(8.12)

Рис.8.4 Оцінка похибок підрахунку при вимірюванні частоти

Рис.8.5 Оцінка похибок підрахунку при вимірюванні періоду

Завдання і методичні вказівки.

1.Ознайомитись з додатковими інструкціями по використанню ЦЧ, а також з інструкцією по використанню в лабораторній роботі електронно-променевого ос

цилографа. Згідно з отриманим індивідуальним завданням скласти план проведення лабораторної роботи.

2. При виконанні пунктів завдання з допомогою осцилографа визначити форму і амплітуду сигналу.

3. В кожному пункті завдання потрібно вибрати необхідний режим ЦЧ, що буде забезпечувати виконання потрібного завдання.

4. При виконанні п.5 необхідно знати, що частота f і період Т пов’язані формулою 1 = f T  и  f  = - T. Тому необхідно завчасно визначити, які вимірювання забезпечують більшу точність: пряме або непряме.

5. При виконанні п. 6 передбачається, що вимірювальна величина являється випадковою величиною. Проведення багаторазових спостережень дозволяє розрахувати:

а) середнє арифметичне значення вимірювальної величини:

б) середнє квадратичне  відхилення кожного окремого спостереження:  

в) середнє квадратичне відхилення Тср

Рис.8.6 Структурна схема вимірювального макету

Рис.8.7 Схема генератора синусоїдального сигналу Г3-109

    Де, Г3-109 — генератор синусоїдального сигналу,
          ТШ — тригер Шмідта,
          ДЧ —  дільник частоти,
          Г5-54 — генератор прямокутних імпульсів,
          
ПП —  пристрій порівняння.

Порядок виконання роботи:

  1.   Ввімкнути в мережу генератор синусоїдального сигналу Г3-109. Перед тим як підключити схему (схема зображена на рис.8.7), треба спочатку підключити до осцилографа, виставивши необхідний рівень сигналу (не повинен перевищувати 5В) і необхідне значення частоти. На вхід 1 повинен надходити сигнал синусоїдальної форми.
  2.  Ввімкнути в мережу джерело постійної напруги (Б1-7). Перевірити за допомогою тестера щоб значення напруги в джерелі напруги не перевищувало 5В. Після цього підключити джерело постійної напруги в схему.

  1.  Після виконання попередніх дій на виході 2 повинні спостерігатись імпульси прямокутної форми з частотою синусоїдального сигналу. А на виході 3 – також  прямокутні імпульси з частотою в 20 раз меншою і довжиною періоду в 20 раз більшою прямокутних імпульсів,  що спостерігаються на виході 2 (так як вони пройшли через дільник частоти, побудований на тригерах).
  2.  Ввімкнути в мережу генератор прямокутних імпульсів Г5-54. З виходу 3 підключити кабель на вхід генератора прямокутних імпульсів Г5-54 і натиснути кнопку «ЗАПУСК». На виході генератора отримати імпульси з налагодженими характеристиками (амплітуда, частота повторювання, часовий здвиг, тривалість) і синхронізацію з  імпульсами, що спостерігаються  на вході 2. Їх можна спостерігати на виході Г5-54 і також в кабелі, який на малюнку підключається до каналу Б осцилографа.  
  3.  Ввімкнути осцилограф і підключити кабелі до каналів А і Б. Знаючи частоту сигналу, який подається на канал А (це частота синусоїдального сигналу) можна виміряти частоту сигналу, що отримали з Г5-54, спостерігаючи на екрані осцилографа вимірювання відношень двох сигналів, змінюючи,  наприклад, тривалість сигналу  (плавно або дискретно) з допомогою регуляторів Г5-54.  

Рис.8.8. Часова діаграма і форми сигналів, що спостерігаються в точках 1,2,3,4

 Для наочності сигнал в точці 3 зображений не в 20, а в 4 рази більше. Сигнал в точці 4 не обов’язково повинен мати таку амплітуду і тривалість – він настроюється.

Контрольні питання:

  1.  Як називається лабораторна робота?
  2.  Як реалізують цифрові вимірювачі частоти /періоду коливань?
  3.  Принцип побудови цифрових вимірювачів інтервалів часу.
  4.  Що таке похибка дискретизації та її теоретичні оцінки?
  5.  Як вимірюють тривалість імпульсів та інтервали часу за допомогою приладів?
  6.  Як вимірюють частоту /період коливань за допомогою приладів?
  7.  Оцінка реальної похибки дискретизації при синхронному і несинхронному вимірюванні інтервалів часу.

Лабораторна робота №9,10

Тема: « Дослідження перетворювачів Код – Аналог (ЦАП) та Аналог – Код (АЦП)»

Мета роботи:теоретично і експериментально ознайомитись з основними типами АЦП та ЦАП, з принципами їх роботи. Прищеплення основних навичок в знятті їх характеристик.

Основні положення

Пристрої перетворення АЦП і ЦАП[1,241] застосовуються для введення в цифрову ЕОМ аналогових даних, для виведення інформації з цифрової ЕОМ і передачі її на виконавчі пристрої, для виміру аналогових сигналів.

Вимірювальні перетворювачі АЦП відрізняються від цифрових вимірювальних приладів тим, що не мають відлікових або реєструючих пристроїв, інформація з них виводиться у вигляді коду. Найбільше поширення у вимірювальній техніці знайшли АЦП напруги. При цьому значна частина АЦП напруги будується за замкнутою схемою , що реалізовує принцип урівноваження, оскільки цей принцип дозволяє отримати найбільш високу точність перетворення. Принцип урівноваження полягає в наступному: в процесі  виміру порівнюються відома компенсуюча величина   і невідома за значеннями Х (рис.2.1.).

Рис.2.1 Принцип урівноваження

На рис.2.1. СУ – схема управління; ПП – пристрій порівняння; ОРМ – одноканальна регульована міра або величина, пропорційна миттєвому значенню або інтегралу Х. При цьому в процесі урівноваження одна з величин Х (рис 2.2.) або величина, пропорційна Х (рис.2.2.), змінюється в часі. Процес урівноваження триває до моменту зрівняння  величини Х і .

Рис.2.2 Принцип урівноваження

На рис.2.2 ОРМП -  одноканальний регульований масштабний перетворювач; ОНМ – одноканальна нерегульована міра.

АЦП урівноваження так само, як і цифрові прилади урівноваження, діляться на перетворювачі того, стежачого і розгортаючого урівноваження.

У АЦП стежачого урівноваження[1,403] компенсуюча величина Х змінюється по сигналу підсилювача не компенсуючи двосторонньої дії, реверсивно слідкуючи за змінами Х ,як в сторону зменшення, так і в сторону збільшення.

Залежно від характеру зміни Х, АЦП стежачого урівноваження діляться на прилади з рівномірно – ступінчастою і нерівномірно – ступінчастою зміною Х[1,403].

У АЦП розгортаючого урівноваження компенсуюча величина змінюється циклами, що повторюються, примусово за заданою програмою у бік збільшення або зменшення (рис 2.3.,2.4.).

АЦП розгортаючого урівноваження (до якого відносяться більшість приладів) залежно від закону зміни  діляться на прилади з рівномірно – ступінчастим  (рис.2.3) і нерівномірно – ступінчастим, або парозрядним[1,424], змінами  (див.рис.2.4.)

При рівномірно – ступінчастому відробітку компенсуючої величини  в багаторозрядному АЦП час перетворення може бути дуже великим , де  - дільник однієї поділки (див. рис.2.3), оскільки тривалість кожної поділки не нескінченно мала.

Рис.2.3 АЦП розгортаючого урівноваження з рівномірно – ступінчастим  змінами

  

Рис.2.4 АЦП розгортаючого урівноваження з нерівномірно – ступінчастим змінами

Істотного зменшення тривалості перетворення АЦП можна досягти при парозрядному способі відробітку.

Парозрядний спосіб відробітку (рис.2.4.) відрізняється значно меншим числом тактів (ступенів) в порівнянні з рівномірно-ступінчатим.

При парозрядному способі відробітку можна використовувати десяткову, двійкову, двійково-десяткову або інші системи числення. При цьому максимальної швидкодії відробітку можна досягти, використовуючи двійкову систему числення.

При використанні двійкової системи, компенсуюча величина відпрацьовується почерговим включенням кожного двійкового розряду, починаючи із старшого.

Якщо при першому порівнянні , тобто буде перекомпенсація, на виході пристрою порівняння буде відповідний сигнал. Це означає, що в Х старший двійковий розряд, не містився, і схема управління урівноваженням вимикає цей розряд з ланцюга виходу ЦАП.

Потім в ланцюг компенсуючої величини ЦАП включається наступний молодший розряд . При  більшому, ніж Х, пристрій порівняння знову видає сигнал виключення , з ланцюга виходу ЦАП.

Якщо при включенні наступного розряду , буде недокомпенсація, тобто , то пристрій порівняння дає сигнал для схеми управління складової  включеним у вихідний ланцюг ЦАП. В процесі обробки схема управління автоматично встановлює, з яких розрядів двійкової системи складається . Наступний цикл виміру починається лише після скидання всіх розрядів в 0.

Час відробітку при двійковій системі числення мінімальне і визначається вираженням , де  - номінальне значення коду АЦП;  n - число двійкових розрядів bN.

Основні параметри АЦП, які необхідно враховувати:

Похибка виміру.

При аналізі джерел погрішності в АЦП доцільно групувати адитивні і мультиплікативні складові.

Ця обставина і послужила основою для двочленної формули вираження погрішності    де  - значення приведеною адитивною і відносною мультиплікативною складових погрішності; - адитивна приведена погрішність (коефіцієнти с і d є відвернутими числами).

Позначення класу точності в цьому випадку складається з двох чисел, що виражають c і  d у відсотках і розділені косою межею (c/d).

Адитивна складова, виражена в абсолютному значенні, не залежить від величини досліджуваного сигналу і зміщує шкалу приладу паралельно самій собі на постійну величину.

Адитивна погрішність – це, наприклад, погрішність квантування, дрейф вхідного підсилювача і деяких інших вузлів АЦП. Мультиплікативна погрішність, виражена в абсолютному значенні, є виразом,яка вирахована на виході АЦП величини на постійний співмножник, що нормує погрішність, тобто,  змінює крутість лінійної шкали. До найбільш характерних джерел мультиплікативних погрішностей відносяться нестабільність коефіцієнта перетворення АЦП і погрішність зразкових заходів.

Поріг чутливості і динамічний діапазон.

Під порогом чутливості АЦП напруги розуміється та максимальна можлива зміна вхідної напруги, яка не викличе зміни вихідного коду АЦП. В гарних АЦП поріг чутливості зазвичай дорівнює ступеню квантування.

Відношення номінального значення перетворюваної напруги до величини порогу чутливості – визначальний параметр. Великий динамічний діапазон в цифрових приладах вважається, як правило, важливим і необхідним.

Тривалість циклу виміру, швидкодія.

У АЦП розгортаючого урівноваження тривалість циклу (див.рис.2.3.) задається спеціальним вузлом синхронізації. Мінімальна тривалість циклу перетворення залежить від вибраного принципу дії АЦП, наприклад, від способу урівноваження, швидкодії використовуваної елементної бази, досконалості конструкції. Швидкодію АЦП оцінюють максимально можливим числом перетворень в секунду.

У АЦП стежачої дії доцільно оцінювати швидкодію по тривалості обробки одиниці молодшого розряду і за швидкістю відстежування сигналу, що змінюється, у вхідних ланцюгах АЦП.

Вхідний опір, вхідний струм.

Ці параметри АЦП визначаються схемою і параметрами вхідного пристрою, а також принципом побудови АЦП. Цілком обґрунтовано прагнення до збільшення вхідного опору в АЦП, особливо, коли вони призначені для виміру напруги джерел з великим внутрішнім опором.

Основним вузлом АЦП,  значному ступеню що визначає його характеристики, є перетворювач ЦАП, який часто встановлюється в зворотному ланцюзі АЦП урівноваження і виконує функцію зворотнього перетворювача, перетворюючи вихідний код АЦП в аналогову ступінчасту компенсуючу величину  див. рис.2.3. (в даному випадку напруга), однорідну з вимірюваною. Таким чином, перетворювач ЦАП напруга є пристрій, на вхід якого подається код, а на виході - напруга заданої величини, що ступінчасто змінюється. Отже, ЦАП напруги є автоматично програмно керованою мірою напруги.

Перетворювачі ЦАП[1,241] напруга, крім того, використовуються для градуювання вольтметрів і інших вимірювальних пристроїв, для автоматизації експериментів і випробувань в системах цифрового управління, в установках електронно-променевої технології з програмним управлінням, положенням променя і так далі.

Управління ЦАП можна записати у вигляді , де β - коефіцієнт перетворення ЦАП.

При  , тоді , отже, коефіцієнт перетворення ЦАП дорівнює ступеню квантування.

Найбільш широкого поширення набули перетворювачі коду в напругу (ПКН)[1,254] з комутацією зразкової напруги при зразкових струмів.

За технологією виготовлення, ПКН діляться на: дискретні, виконаних їх дискретними елементами, і інтегральні, виконані у вигляді інтегральних мікросхем.

До ПКН пред'являються наступні вимоги[1,254]:

  1.  Висока точність, швидкодія.
  2.  Високий коефіцієнт використання зразкової напруги  .
  3.  Використання однакових або близьких за розміром опорів.
  4.  Мінімальні погрішності від недосконалості ключів.
  5.  Постійний і малий вихідний опір.

При  можна змінювати коефіцієнт перетворення ПКН шунтуванням виходу.

  1.  Постійний і високий вхідний опір .. При  зручніше компенсувати температурну погрішність джерела напруги . При підвищенні , тобто при використанні в ПКН високоомних опорів, струм, споживаний від джерела стабільної напруги, зменшується, і стабільність джерела підвищується. Проте високоомні опори менш точні, чим низькоомні. Тому необхідно враховувати і нестабільності джерела напруги, що збільшується при зменшенні опорів, і точність виготовлення опору.
  2.  Мінімальний вплив наведень. Найбільш повно перерахованим вимогам задовольняють ПКН  інтегрального виконання.

  1.  Спрощена принципова схема десятирозрядного ПКН, виконаного на основі мікросхеми 572ПА1, показана на рис.2.5.

Рис.2.5 Спрощена принципова схема десятиразрядного ПКН

Важливою перевагою показаного на рис. 2.5. ПКН є те, що в ньому використовуються резистори лише двох номіналів R і 2R, що істотно полегшує виготовлення таких ПКН з великим числом розрядів, оскільки значно простіше виготовляти і здійснювати підгонку лише двох номіналів резисторів. Крім того, для таких ПКН немає необхідності у виготовленні резисторів великих номіналів, що також викликає значні труднощі при побудові ПКН з великим числом розрядів за схемою з «ваговими» резисторами, тобто опір яких пропорційний вибраному розряду.

Для зменшення впливу внутрішніх опорів ключів, які для спрощення на схемі рис.2.5. показані з причини контактів, а насправді вони виконані на МОП  транзисторах, опір яких у відкритому достатку не нескінченно мало і від транзистора до транзистора має розкид, опір резисторів R необхідно збільшувати.

Із-за великого внутрішнього опору ключів аналоговий сигнал виду струму   подається на сумарну точку зовнішнього інвертуючої СУ. У такому режимі струм    з великою точністю переводиться у вихідну напругу перетворювача

Щоб забезпечити найменше розузгодження аналога потоку з аналогом по напрузі , резистор зворотного зв'язку  виконується разом з матрицею на кристалі ІС.

У ПКН (рис.2.5.) з живленням від  вихідна напруга

Де  – коефіцієнт передачі ПКН, визначається з виразу:

         (2.1)

n – число двійкових розрядів ПКН;  – значення цифрового коду в кожному розряді (може набувати значень 0 або 1)

1-й розряд прийнято називати молодшим. Цей розряд має найбільшу «вагу» (слід мати на увазі, що в деякій літературі зустрічається зворотна нумерація).

Основні характеристики ПКН:

  1.  Число розрядів.
  2.  Швидкодія, яка обмежується швидкодією ключів, а також паразитними ємкостями між елементами ЦАП, визначається в основному, як мінімальний час   для обробки всіх розрядів  (рис.2.3, 2.4).

Експериментальна частина.

                Необхідно перш за все, ознайомитися з описом експериментальної установки. Функціональна і принципова схеми установки показані на рис.2.6.

Експериментальна установка лабораторного макету за допомогою відповідних перемикань дозволяє зібрати прості схеми АЦП стежачого урівноваження з рівномірно-ступінчатою відробітком компенсуючої величини (рис.2.7), розгортаючого урівноваження з рівномірно - ступінчастим відробітком компенсуючої величини  (рис.2.8.) і з парозрядним відробітком компенсуючої величини  (рис.2.9.), а також досліджувати перетворювач ЦАП.

При цьому для дослідження перетворювача ЦАП, виконаного на базі мікросхеми 572 ПАИ необхідно на лабораторному макеті перемикачі виставити згідно табл.2.1.

Номер перемикача

Положення перемикача

П1

2прав.

П2

СИ (2)прав.

П3

1лев.

П4

ПКА(2) вгору

П5

2 вниз

П6

(2) прав.

П7

2 2

Таблиця 2.1

Рис.2.6 Функціональна і принципова схеми

Принцип дії ЦАП детально описаний в теоретичній частині.

Для дослідження АЦП стежачого урівноваження необхідно на лабораторному макеті виставити в наступне положення (табл.2.2.)

Номер перемикача

Положення перемикача

П1

1 влів.

П2

СИ (2) вправ.

П3

1 вправ.

П4

АЦП (1) вниз

П5

1 вгору

П6

1 влів.

П7

3 3

Таблиця 2.2

При цьому буде зібрана схема АЦП стежачого урівноваження, яка змальована на мал. 2.7.

У схемі є два компаратори: великого рівня К1 і меншого К2. Якщо вхідний сигнал  буде більше компенсуючої напруги  ,то на виході компаратора К2 з'явиться сигнал, що відмикає ключ Кл1,через який на вхід реверсивного лічильника, що підсумовує, почнуть поступати імпульси генератора тактових імпульсів ГТІ. Це приведе до збільшення значення коду на виході лічильника, а отже, і до тих пір, поки напруга Х і  не порівняються і сигнал, що відкриває ключ Кл1 на виході К2 не зникне.

Рис.2.7 Схема АЦП стежачого урівноваження з рівномірно-ступінчатою відробітком компенсуючої величини

Аналогічно буде працювати схема, якщо . В цьому випадку на виході компаратора К1 з’явиться сигнал, відкриваючий КЛ2, і на віднімаючий вхід РС будуть поступати імпульси ГТІ до тих пір, поки напруга  не зрівняються.

Для досліду АЦП розгортаючої рівноваги з рівномірно ступінчастим відробітком компенсуючої величини необхідно перемикачі на лабораторному макеті виставити в наступному порядку (табл.. 2.3.)

Номер перемикача

Положення перемикача

П1

1 влів.

П2

СИ (2) вправ.

П3

1 вправ.

П4

АЦП (1) вниз

П5

1 вгору

П6

1 влів.

П7

2   2

Таблиця 2.3

При цьому буде зібрана найпростіша схема АЦП, зображена на рис.2.8.

Рис.2.8 Схема АЦП розгортаючого урівноваження з рівномірно - ступінчастим відробітком компенсуючої величини

Принцип дії схеми на рис.2.8. заключається в наступному.

На сумуючий вхід лічильника імпульсів (ЛІ) з генератору ГТІ непреривно надходять імпульси, що призводить до лінійного збільшення коду на його виході, а значить, до рівномірно-ступінчатого збільшення напруги  на виході ЦАП. В момент  (див.рис. 2.3.), коли  більше за значення Х, на виході компаратора з’явиться додатній перепад напруги, який перепише в цей момент код лічильника ЛІ в регістр RG. При цьому,  як видно на рис.2.3., значення коду на виході лічильника і далі буде збільшуватись до тих пір, поки не переповниться і не скинеться в нуль. Так процес буде циклічно повторюватись.

На дослідному АЦП розгортаючого урівноваження з парозрядним урівноваженням компенсуючої величини необхідно перемикачі на лабораторному стенді виставити в наступні положення (табл..2.4.)

Номер перемикача

Положення перемикача

П1

1 влів.

П2

(1) влів.

П3

1 вправ.

П4

АЦП вниз

П5

1 вгору

П6

1 влів.

П7

1   2

Таблиця 2.4

Отримана в результаті схема АЦП парозрядного урівноваження зображена на рис.2.9.

Відмінною особливістю розглянутої схеми АЦП являється те, що замість звичайного лічильника імпульсів тут використовується більш складний прилад – регістр послідовних наближень РПН, виконаний на базі мікросхеми 155 ИР17

Рис.2.9 Схема АЦП з парозрядним відробітком компенсуючої величини

З кожним тактом, з приходом імпульсів від генератора тактових імпульсів на перетворювач ПКА, поступають одиниці, починаючи від старшого розряду (див. рис.2.4.) Як видно із рис.2.4., якщо буде перевищувати Х при появі одиниці в розряді  на виході РПН, то по сигналу компаратора з приходом одиниці наступного розряду  розряд  скинеться в нуль. І навпаки, якщо  не буде перевищувати Х при появі одиниці в розряді  на виході РПН, то з приходом одиниці наступного розряду  одиниця в розряді  залишиться. Перетворення відбувається за n тактів, рівне числу розрядів. При завершенні перетворення на виході РПН 144ИР15 з’являється сигнал про завершення перетворення, перед фронтом  якого відбувається перепис інформації з РПН в регстр.

Порядок виконання роботи.

Для дослідження АЦП необхідно:

1. Зняти амплітудо – частотну характеристику ЦАП, визначити полосу пропускання ЦАП (на рівні 3 дБ в бік збільшення або зменшення ) і коефіцієнт передачі ЦАП в полосі пропускання при трьох різних значеннях коду (мінімальне, середнє та максимальне) на його входах.

Для цього за допомогою перемикача на передній панелі макету зібрати схему, згідно табл..2.1. (див. рис.2.6.). По контрольним точкам КТ3 підключити генератор синусоїдальних сигналів Г3-117, виставивши на його вході дійсне значення сигналу приблизно 3В за допомогою вольтметру Ф584. Потім вхід вольтметру Ф584 разом з одним із виходів двохпроменевого осцилографа підключити до виходу ЦАП (точка КТ2, див.рис.2.6.)

Код на виході ЦАП виставити вручну багаторазовим натисканням кнопки «ГОИ», контролюючи його значення на ЦОУ, для чого необхідно перемикач П3 переносити вправо.

Отримані значення   (на виході ЦАП) занести до табл..2.5

ƒ

2 кГц

20 кГц

200 кГц

300 кГц

400 кГц

500 кГц

600 кГц

800 кГц

Таблиця 2.5

По отриманим даним побудувати криві. По осі Y відкладати відносні значення К.

2. Для трьох отриманих значень коду (при яких знімалась АЧХ) вирахувати теоретично коефіцієнт передачі ЦАП в полосі пропускання по формулі (2.1) і порівняти з коефіцієнтом передачі, отриманим експериментально.

Результати порівняння представити в виді табл. 2.6.

Nцоц

N1

N2

N3

Кексп

Ктеор.

Таблиця 2.6

 

3. Відшукати максимальну швидкодію ЦАП. Замалювати отримані осцилограми зміни напруг на виході ЦАП, виміряти за допомогою осцилографу параметри отриманих поділок напруги.

Для цього необхідно підключити до контрольних точок КТ4 генератор імпульсів Г5-54, а до контрольних точок КТ2 – осцилограф СІ-79.

Відключити від точок КТ3 генератор Г3-117 і перемикач П5 встановити в положення 1 (див. рис.2.6.)

Максимальна швидкодія ЦАП визначається збільшенням частоти послідовності імпульсів генератор І5-54 до тих пір, поки тривалість поділок не буде такою ж, як тривалість імпульсів.

  1.  Зробити висновки про досліди ЦАП.

Для дослідження АЦП постійної напруги необхідно:

1. Розрахувати і встановити напругу опорного джерела на вході ЦАП таким чином, щоб значення коду на вході ЦАП співпадало з значенням напруги на вході АЦП (в вольтах, або мілівольтах), враховуючи, що використовується десятирозрядний ЦАП на основі мікросхеми ПАІ, опис якого приведено в теоретичній

частині. Напругу  вимірювати за допомогою вольтметру В7-І6, який підключається до точок КТ3.

2. Визначити похибку перетворення АЦП, зрівнюючи покази вольтметру В7-І6 з показами ЦОУ (для 5-6 значень напруги ). Для цього необхідно: вольтметр В7-І6 підключити до точок КТ1: напругу  змінювати, повертаючи ручку «» на передній панелі макету, виставляючи послідовно перемикачі ПІ-П7 (див. рис.2.6) згідно табл..2.2-2.4., для кожного значення напруги збирати відповідно АЦП стежучої рівноваги, АЦП розгортаючої рівноваги з рівномірно- ступінчатою обробкою і АЦП парозрядного урівноваження.

Результати вимірів занести до табл.2.7.

Вольтметр В7-І6

U

АЦП №1

U1

U1

АЦП №2

U2

U2

АЦП №3

U3

U3

Таблиця 2.7

3. Визначити пороги чутливості для кожного із АЦП.

4. Дослідити мультиплікативну складову похибки в залежності від зміни напруги джерела U0 .

Зняти і побудувати криві похибок перетворення АЦП для 6-8 значень Uвх (для  одної із схеми АЦП) в випадках, коли напруга U буде трохи збыльшена у порівнянні з першопочатковими розрахунками, а потім, коли зменшено.

5. За допомогою двухпроменевого осцилографу СІ-64 або СІ-79 зняти діаграми зміни напруги на виході ЦАП (контрольна точка КТ2, див. рис.2.6) і появи імпульсу перезапису на вході регыстру (контрольна точка КТ5для АЦП розгортаючої рівноваги парозрядного і рівномірно ступінчатого).

Для цього один канал осцилографу підключити до точки КТ2, а інший до КТ5. На осцилографі встановити двухканальний режим роботи.

6. Виконати ручне зрівноваження в АЦП парозрядної рівноваги.

Замалювати часову діаграму зміни ніпруги на виході ЦАП в залежності від номеру розряду. Підрахувати число поділок урівноваження.

Для цього збирають схему АЦП парозрядного урівноваження, встановивши перемикач згідно табл..2.4. крім перемикачів П3 (який необхідно встановити в ліве положення і П6, яке необхідно встановити також в ліве положення. Встановити і розрахункове значення , проконтролювавши його за допомогою вольтметру В7-16, підключеного до контрольних точок КТ3.

За допомогою ручки  встановити будь – яку напругу, заміряти цю напругу ( і зафіксувати в протоколі) за допомогою вольтметру В7-16, підключивши

його до контрольних точок КТ1. Після цього переключити вольтметр В7-16 до контрольних точок КТ2 (рис.2.6.) Багаторазово натискаючи  кнопку «ГОИ», встановити нулі на «ЦОУ». Потім після кожного натискання кнопки виміряти напругу на виході ЦАП (контрольна точка КТ2) і зафіксувати покази на ЦОУ. Отримані дані занести до табл.2.8.

Номер поділки  (КТ2)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Код ЦОУ

Таблиця 2.8

Враховуючи, що кожне натискання кнопки відповідає переходу до нової поділки урівноваження, по отриманим даним побудувати ступінчату криву зміни в залежності від номеру поділки.

При визначені числа поділок також слід мати на увазі, що регыстр послідовних наближень (РПН), виконаний на мікросхему 155ИР17, розрахований на підключення до нього дванадцяти розрядного ЦАП.

7. Зробити висновки по дослідженню ЦАП.

Контрольні питання:

1) Чим відрізняється АЦП від цифрового вимірювального приладу?

2) Які бувають АЦП урівноваження?

3) Принцип дії і спрощена структурна схема АЦП стежачого урівноваження.

4) Те ж, що і п.3 для АЦП розгортаючого урівноваження з рівномірно ступінчастим перетворенням компенсуючої величини.

5) Те ж, що і в п.3 для АЦП розгортаючого порозрядного урівноваження.

6) Графічно проілюструвати метод парозрядного урівноваження для будь-якого заданого значення напруги.

7) Порівняльна характеристика АЦП урівноваження.

8) Основні характеристики АЦП урівноваження.

9) Основні вимоги, пред’явлені до ПКН.

10) Основні характеристики ЦАП.

11) Принцип дії ЦАП до 572ПАІ.

Лабораторна робота №11  

Дослідження цифрового періодоміра в середовищі Electronics Workbench

Мета: вивчення принципу дії, дослідження принципової схеми та похибок цифрового періодоміра.

Теоретичні відомості:

  Періодомір призначено для вимірювання тривалості періоду коливань гармонічних сигналів та тривалості імпульсів різної форми. Періодомір складається з таких функціональних блоків: формувача прямокутних імпульсів ФПІ, генератора квантуючих імпульсів ГКІ, ключа К, лічильника ЛІЧ, регістра РГ, цифрового відлікового пристрою ЦВП, пристрою керуванняПК.

  Стрктурну схему періодоміра наведено на рис. 1.

Рис. 1

  Принцип дії періодоміра полягає в підрахунку кількості квантуючих імпульсів, що пройшли на лічильник за час вимірюваного періоду. Досліджуваний періодичний сигнал подається ФПІ, на виході якого отримуємо прямокутні імпульси, тривалість яких дорівнює . (рис. 2).

Рис. 2

  Ці імпульси надходять на ключ К і відкривають його на проміжок часу . Через відкритий ключ на лічильник надходять імпульси з ГКІ, період яких дорівнює (). Отже, кількість квантуючих імпульсів, які пройшли на лічильник за час , дорівнює:

  Згідно з цією формулою значення   вибирається так, щоб числовий результат вимірювання, який відображається на цифровому відліковому пристрої, було подано в одиницях часу.

  Підрахована лічильником кількість імпульсів записується в регістр РГ, де зберігається до наступного запису й одночасно відображається на цифровому відліковому пристрої ЦВП. Після закінчення одного циклу запису лічильник встановлюється в нульовий стан і підраховує наступну кількість імпульсів. Імпульси запису в регістр та імпульси встановлення лічильника в нульовий стан генеруються пристроєм керування ПК, який засинхронізовано з ФПІ.

Похибки періодоміра:

  Сумарна похибка періодоміра визначається нестабільністю частоти ГКІ, похибкою квантування часового інтервалу , похибкою ФПІ та похибкою від випадкового шуму.

  Максимальне значення відносної похибки квантування (у відсотках) цифрового періодоміра: . Похибка від квантування збільшується зі зменшенням періоду досліджуваного сигналу. Верхня межа вимірювання: . Нижня межа вимірювання: .

  Похибка від нестабільності частоти ГКІ у відсотках: , де -максимальне відхилення періоду ГКІ від номінального значення.

  Зменшення похибки від квантування можна досягти як зменшенням періоду квантуючих імпульсів, так і збільшенням кількості вимірюваних періодів: , де - кількість вимірюваних періодів .

  Похибка ФПІ (похибка перетворення періоду в інтервал часу ) залежить від дрейфу нуля ФПІ та від наявності у вимірюваному сигналі шуму.

  Абсолютна та відносна похибки ФПІ, зумовлені дрейфом нуля, дорівнюють відповідно: , , де - швидкість дрейфу нуля ФПІ, - амплітуда вхідного сигналу, - абсолютне значення дрейфу нуля за вимірюваний інтервал часу .

  Похибку від наявності на вході приладу шуму із середньоквадратичним відхиленням можна охарактеризувати середньоквадратичним відхиленням інтервалу часу від тривалості періоду досліджуваного сигналу, яке з’являється внаслідок дії шуму. Абсолютне і відносне значення цієї похибки відповідно дорівнюють: , .

Складова похибки не залежить від частоти, але збільшується зі зменшенням відношення сигнал/шум і тому є основною при високому рівні шумів.

  Сумарне середньоквадратичне значення відносної похибки вимірювання періоду з урахуванням усіх розглянутих складових дорівнює:

.

Принцип роботи схеми:

  Принципову схему періодоміра з діапазоном вимірювання від 1 мс до 999 мс зображено на рис. 3.      

Рис. 3

  У цій схемі ФПІ реалізовано на компараторі DA1, тригері Шмідта DD1.1 та інверторі DD3.2. За ГКІ використовується генератор прямокутних імпульсів Е3. Ключ реалізовано на елементі «І» DD4.1. Лічильник виконано на трьох паралельних десяткових лічильниках за модулем 10 DD6-DD8, з’єднаних разом з метою побудови лічильника за модулем 1000. Регістр реалізовано на трьох чотирьохрозрядних регістрах DD9-DD11. Цифровий відліковий пристрій ЦВП побудовано на семисегментних індикаторах HG4-HG6. Пристрій керування ПК реалізовано на лічильнику DD5, RS-тригері DD2, інверторі DD3.1, DD3.3 та елементі «І» DD4.2.

  Кількість лічильників та регістрів визначається кількістю розрядів вимірюваної величини, яка, у свою чергу, залежить від точності вимірювання.

  Досліджуваний сигнал (джерелом сигналу є генератор синусоїдальної напруги Е1) надходить на компаратор DА1, що перетворює сигнал на прямокутні імпульси. Тривалість імпульсів дорівнює половині періоду вхідного сигналу. З виходу компаратора імпульси через тригер Шмідта DD1.1 та інвертор DD3.2, які застосовуються як погоджувальна ланка між виходом компаратора та цифровими елементами схеми, надходять на перший вхід ключа DD4.1, на вхід «R» RS-тригера DD2.1, а також через інвертор DD3.1 на другий вхід елемента «І» DD4.2 та на вхід установлення в нульовий стан «CLR’» лічильника DD5.

 

 Одночасно імпульси з ГКІ надходять на другий вхід ключа та на перший вхід DD4.2.

  Отже, коли на виході ФПІ встановлюється лог. «1», ключ пропускає імпульси з ГКІ на тактові входи «CLК» лічильника DD6- DD8, що підраховує їх (стан лічильника в даний момент часу відображається на проміжних індикаторах HG4-HG6, які в реальних схемах періодомірів відсутні). Лічильник DD5 та RS-тригер DD2.1 встановлюється в нульовий стан. Отже, на виході QRS-тригера встановлюється лог. «1», яка надходить на вхід дозволу підрахунку «ENP» мікросхеми DD5, що дозволяє лічильнику підрахунок. У той самий час на виході інвертора DD3.1 є лог. «0», отже, елемент «І» DD4.2 не пропускає імпульси з ГКІ на тактовий вхід лічильника DD5. Коли ж на виході ФПІ встановлюється лог. «0», то ключ не пропускає імпульси з ФПІ і лічильник DD6- DD8 перестає рахувати імпульси, на виході інвертора DD3.1 встановлюється лог. «1», отже, елемент «І» DD4.2 пропускає імпульси з ГКІ на тактовий вхід лічильника DD5 і він починає підрахунок. Коли лічильник підрахує один імпульс, на його виході QA з’являється лог. «1» (про її наявність сигналізує індикатор U2), яка надходить на тактові входи «CLК» мікросхем регістра DD9-DD11 і дозволяє перепис інформації з виходів лічильника DD6-DD8 у регістр. Після запису інформація зберігається в регістрі до наступного перепису й одночасно відображається індикаторами HG4-HG6. Коли лічильник DD5 підрахує другий імпульс, на його виході QВ з’являється лог. «1» (про її наявність сигналізує індикатор U1), яка надходить на вхід «S» RS-тригера DD2.1 і встановлює на його виході Q’ лог. «0», забороняючи лічильнику DD5 подальший підрахунок. Також ця лог. «1» надходить на вхід інвертора DD3.3, на виході якого встановлюється лог. «0», який надходить на входи «CLR’» мікросхем лічильника DD6-DD8 і встановлює їх в нульовий стан. Після цього схема не змінює свій стан до появи на виході ФПІ лог. «1», після чого процес вимірювання повторюється.

Хід дослідження:

1. Розраховуємо для заданого викладачем діапазону вимірювання та сумарної граничної похибки частоту для ГКІ. Для цього використовуємо формулу: , де - похибка від квантування, - кількість вимірюваних періодів ; звідки: .

2. Відкриваємо файл принципової схеми періодоміра (діапазон вимірювання від 1 мс до 999 мс), виконану в середовищі програми Electronics Workbench. Віртуальну схему вміщено: EWBlab.rab\Theme_7.ewb. (зображена на рис. 3)

3. Встановлюємо розраховане значення на ГКІ – Е3 (на схемі).

4. На генераторі вхідного сигналу Е1 чи Е2 (в залежності від положення ключа) почергово встановлюємо період, що відповідає початку, середині та кінцю заданого інтервалу періодів, початкова фаза має дорівнювати . Але так як в генераторі можна змінювати лише частоту, то всі значення періодів, а далі і тривалості імпульсів необхідно перераховувати у значення частоти. Покази періодоміра для кожного значення виставлених періодів записуємо в таблицю 1.

Таблиця 1.

Номер досліду

Задане значення періоду , мс

Покази періодоміра, мс

Результати вимірювань осцилографом

періоду сигналу, мс

тривалості імпульсів з виходу ФПІ, мс

1

2

3

5. За допомогою осцилографа вимірюємо період коливань вхідного сигналу, тривалість імпульсів на виході ФПІ для кожного із заданих періодів. Для того, щоб точно вимірювати значення цих величин, необхідно натиснути кнопку Expand у вікні Oscilloscope, і рухаючи канал Т1 (червоний) i канал Т2 (синій), точно визначати відстань між ними, поточне значення якої зазначено у вікні Т2-Т1. Для кращої часової розгортки користуємось кнопками Time base (для розгортки по осі часу), Channel A (для зміни амплітуди сигналу ) та Channel В (для зміни амплітуди сигналу ). Покази осцилографа заносимо до таблиці 1.

6. Для одного зі значень періоду замальовуємо одночасно осцилограми:

   а) вхідного сигналу та сигналу з виходу ФПІ;

   б) сигналу з виходу ФПІ та сигналу з виходу ГКІ;

   в) сигналу з виходу ГКІ та сигналу з виходу ключа.

7. Проведемо дослідження похибки квантування. Установлюємо на генераторі вхідного сигналу Е1 чи Е2 значення періоду, яке відповідає середині діапазону вимірювань (початкова фаза ), та записуємо покази приладу. Збільшуючи період на 0,2 мс (5 Гц), записуємо результати чотирьох вимірювань до таблиці 2.

Таблиця 2.

Період сигналу , мс

Покази періодоміра, мс

Початкова фаза

8. Дослідимо складові похибки квантування. Установимо на генераторі вхідного сигналу у вікні Phase почергово такі значення початкової фази: , , , . Для кожного значення повторюємо п. 7. При одному значенні частоти для кожного значення фазового зсуву замальовуємо осцилограми сигналу з виходу ФПІ та сигналу з виходу ГКІ.

9. Підімкнемо на вхід компаратора DА1 за допомогою перемикача S1 генератор імпульсів Е2. Установлюємо на генераторі значення періоду, яке відповідає середині діапазону вимірювань. Змінюючи тривалість імпульсів генератора Е2 за допомогою перемикача “Duty cycle”, робимо три-чотири вимірювання періоду, а результати заносимо до таблиці 3.

Номер вимірювання

Задана тривалість імпульсів, мс

Покази періодоміра, мс

1

2

3

4

Таблиця 3.

10. Зробіть висновки по роботі.

Контрольні запитання:

  1.  Поясніть механізм виникнення похибки квантування часового інтервалу.
  2.  Наведіть структурну схему та викладіть принцип дії періодоміра.
  3.  Перлічіть основні похибки періодомірів.
  4.  Якими чинниками обмежується діапазон вимірювання періодоміра?
  5.  Поясніть методику оцінювання періоду та тривалості часових інтервалів за допомогою осцилографа.
  6.  Як можна зменшити похибку квантування цифрових періодомірів?
  7.  Обгрунтуйте вибір кількості двійково-десяткових розрядів періодоміра для вимірювання в діапазоні 1…10 мс з відносною похибкою, не більшою за 0,01%.

Лабораторна робота №12

Дослідження цифрового частотоміра в середовищі Electronics Workbench

Мета роботи: Вивчення принципу дії, дослідження принципової схеми та похибок частотоміра середніх значень.

Загальні положення

Частотомір середніх значень призначено для вимірювання частоти періодичних сигналів. Принцип його дії полягає в зіставленні сумарного часу проходження імпульсів, які генерують щоперіоду з невідомою частотою ,  із точно встановленим проміжком часу .

Частотомір складається з таких функціональних блоків: формувача прямокутних імпульсів ФПІ, генератора каліброваних часових інтервалів ГКЧІ, ключа К, лічильника імпульсів частоти ЛІЧ, регістра РГ, цифрового відлікового пристрою ЦВП, пристрою керування ПК.

Структурна схема частотоміра наведено на рис. 6.1

Рис. 6.1

Досліджуваний періодичний сигнал X(t), частоту якого потрібно виміряти, перетворюється на  ФПІ на послідовність прямокутних імпульсів з періодом (рис. 6.2). Зразковий часовий інтервал встановлюється генератором каліброваних часових інтервалів ГКЧІ. Імпульси з його виходу керують ключем К, який відкривається на проміжок часу . Через відкритий ключ імпульси з періодом з виходу ФПІ надходять на лічильник імпульсів ЛІЧ та підраховуються ним (рис. 6.3).

Рис. 6.2

Рис. 6.3

Кількість імпульсів дорівнює

,

Тоді

                                                 ,                                              (6.1)

Отже, код на виході дорівнює середньому за час значенню вимірюваної частоти . Вихідний код лічильника записується в регістр РГ, де зберігається до наступного запису і одночасно відображається на відліковому пристрої ЦВП. Після запису лічильник обділяється і підраховує кількість імпульсів у наступній пачці. Імпульси запису в регістр та встановлення лічильника в нульовий стан генеруються пристроєм керування, за синхронізованим з ГКЧІ.

Згідно з (6.1) вибирається таким, щоб результат вимірювання, відображуваний на відліковому пристрої, був у одиницях частоти.

Похибки цифрового частотоміра середніх значень

1. Похибка, зумовлена нестабільністю проміжку часу , який визначається нестабільністю генератора квантуючих імпульсів.

2. Похибка квантування (у відсотках) зумовлена тим, що перший чи останній квантуючий імпульс залежно від моменту початку чи кінця циклу вимірювання можуть не потрапити на вхід лічильника. Максимальне відносне значення цієї похибки дрівнює:

,

де   - тривалість циклу вимірювання.

Цю похибку можна зменшити вдвічі, якщо підрахувати кількість не періодів, а число півперіодів, тобто зменшити   вдвічі. Крім того, для зменшення похибки можна збільшити , але при цьому збільшиться час вимірювання, що не завжди припустимо.

Верхня межа вимірювання частот обмежується максимальною швидкістю підрахунку та ємністю лічильника ().

Нижняя межа вимірювання обмежується припустимою похибкою квантування:

.

Нижню межу вимірювання частоти можна знизити, застосовуючи помножувач частоти або збільшуючи час .

Принцип дії схеми

Один із варіантів принципової схеми частотоміра, призначеного для вимірювання частоти від 1 до 999 Гц, наведено на рис. 6.4.

У цій схемі ФПЧІ побудовано на тригері Шмідта DD1.1 та інверторі DD2.2. За ГКЧІ використовується функціональний генератор. Ключ побудовано на елементі «І» DD3.2. Лічильник побудовано на трьох паралельних десяткових лічильниках за модулем 10 DD6 – DD8, з’єднаних разом з метою отримання лічильника за модулем 1000. Регістр побудовано на трьох чотирирозрядних регістра DD9 - DD11. Кількість десяткових лічильників та відповідно регістрів визначається кількістю десяткових розрядів вимірюваної величини, що забезпечує необхідну точність вимірювань. Цифровий відліковий пристрій побудовано на семи сегментних індикаторах HG4 – HG6. Пристрій керування виконано на лічильнику DD5, RS-тригері DD4, інверторах DD2.1, DD2.3 та елементі «І» DD3.1.

Віртуальну схему вміщено: EWBlab.rab/Theme_6.ewb

Досліджуваний сигнал (джерелом сигналу є генератор синусоїдної напруги Е1) надходить на тригер Шмідта DD1.1, що перетворює гармонічний сигнал на прямокутні імпульси, які мають ту саму частоту , що й сигнал. З виходу тригера імпульси надходять на інвертор DD2.2, який застосовується тому, що тригер Шмідта має інверсний вихід.

З виходу інвертора імпульси надходять на перший вхід ключа DD3.2 та на перший вхід елемента «І» DD3.1. Одночасно імпульси з функціонального генератора надходять на другий вхід ключа, на вхід «R» RS-тригера DD4.1, а через інвертор DD2.1 – на другий вхід DD3.1 та на вхід установки в нульовий стан «CLR’» лічильника DD5.

Отже, коли на виході функціонального генератора присутня лог. «1», ключ пропускає імпульси з ФПІ на тактові входи «CLR» лічильників DD6- DD8, що підраховують їх (стан лічильників у даний момент часу відображається на допоміжних індикаторах HG1 – HG3, які в реальних схемах відсутні). Лічильник DD5 та RS-тригер DD4.1 встановлюються в нульовий стан. Отже, на виході Q RS-тригера встановлюється лог. «1», яка надходить на вхід дозволу підрахунку «ENP» мікросхеми DD5, що дозволяє лічильнику підрахунок , але на виході інвертора DD2.1 є лог. «0», отже, елемент «І» DD3.1 не пропускає імпульси з ФПІ  і лічильники DD6- DD8 перестають рахувати імпульси, на виході інвертора DD2.1 встановлюється лог. «1», отже, елемент «І» DD3.1 пропускає імпульси з ФПІ на тактовий вхід лічильника DD5 і він починає підрахунок. Коли він підрахує один імпульс, на його виході QA зявиться  лог. «1» (про її наявність сигналізує індикатор U2), яка надходить на тактові входи «CLK» мікросхем регістра DD9- DD11. Цей сигнал дозволяє перепис інформації з виходів лічильників DD6- DD8 у регістр. Після запису інформація зберігається у регістрі до наступного перепису й одночасно відображається індикаторами HG4 – HG6. Коли лічильник DD5 підрахує другий імпульс, на його виході QB зявиться  лог. «1» (про її наявність сигналізує індикатор U1), яка надходить на вхід «S» RS-тригера DD4.1 і установлює на його виході Q’ лог. «0», що забороняє лічильнику DD5 подальший підрахунок. Крім того, лог. «1» надходить на вхід інвертора DD2.3, на виході якого встановлюється лог. «0», який надходить на входи «CLR’» мікросхем лічильника DD6- DD8 і встановлює їх у нульовий стан. Після цього схема не змінює свій стан до появи на виході функціонального генератора лог. «1», після цього процес вимірювання повторюється.

Рис. 6.3

Хід дослідження

1. Для заданого діапазону частот та сумарної похибки розрахуйте тривалість часового інтервалу для ГКЧІ.

Але так як в генераторі можна змінювати лише частоту, то значення тривалості часового інтервалу необхідно перераховувати у значення частоти та шпаруватості.

2. Відкриваємо файл принципової схеми частотоміра середніх значень (діапазон вимірювання від 1 Гц до 999 Гц), виконану в середовищі програми Electronics Workbench. Віртуальну схему вміщено: EWBlab.rab\Theme_6.ewb. (зображена на рис. 6.4).

3. Встановлюємо розраховане значення на ГКІ – Е1 (на схемі).

4. На генераторі вхідного сигналу Е1 почергово встановлюємо частоту, що відповідає початку, середині та кінцю заданого інтервалу частот, початкова фаза має дорівнювати . Покази частотоміра для кожного значення виставлених частот записуємо в таблицю 1.

Таблиця 1

Номер вимірювання

Задане значення частоти, Гц

Покази частотоміра

, Гц

Результати вимірювань осцилографом

періоду сигналу , мс

тривалості імпульсів з виходу ФПІ, мс

тривалості імпульсів з виходу ГКЧІ, мс

1

2

3

5. За допомогою осцилографа вимірюємо період коливань вхідного сигналу , період імпульсів на виході ФПІ та тривалість імпульсів на виході ГКЧІ. Для того, щоб точно вимірювати значення цих величин, необхідно натиснути кнопку Expand у вікні Oscilloscope, і рухаючи канал Т1 (червоний) i канал Т2 (синій), точно визначати відстань між ними, поточне значення якої зазначено у вікні Т2-Т1. Для кращої часової розгортки користуємось кнопками Time base (для розгортки по осі часу), Channel A (для зміни амплітуди сигналу ) та Channel В (для зміни амплітуди сигналу). Покази осцилографа заносимо до таблиці 1.

6. Для одного значення частоти змініть одночасно осцилограми:

   а) вхідного сигналу та сигналу з виходу ФПІ;

   б) сигналу з виходу ФПІ та сигналу з виходу ГКЧІ;

   в) сигналу з виходу ГКЧІ та сигналу з виходу ключа.

7. Проведемо дослідження похибки квантування. Установлюємо на генераторі вхідного сигналу Е1 значення частоти, яке відповідає середині заданого інтервалу частот (початкова фаза ), та записуємо покази частотоміра. Збільшуючи частоту кроком по 0,2 Гц, записуємо результати чотирьох вимірювань до таблиці 2.

Таблиця 2

Частота сигналу, Гц

Покази частотоміра, Гц

45º

90º

135º

180º

Початкова фаза

8. Дослідимо складові похибки квантування. Установимо на генераторі вхідного сигналу у вікні Phase почергово такі значення початкової фази: , , , . Для кожного значення повторюємо п. 7. При одному значенні частоти для кожного значення фазового зсуву замальовуємо осцилограми сигналу з виходу ФПІ та сигналу з виходу ГКЧІ.

9. Зробіть висновки по роботі.

Контрольні запитання

1. Наведіть структурну схему та поясніть принцип дії цифрового частотоміра середніх значень.

2. Наведіть приклад похибки цифрового частотоміра середніх значень.

3. Перелічить методи зменшення похибки квантування в цифрових частотомірах.

4. Вкажіть особливості побудови цифрових частотомірів.

5. Які чинники обмежують діапазон вимірюваних частот знизу; згори?

6. Як організувати режими роботи лічильника:

- установлення в нуль;

- запис початкового коду;

- лічбу імпульсів?

Лабораторна робота №13

Тема:Дослідження цифрового фазометра середніх значень фазового зсуву в середовищі Electronics Workbench

Мета роботи: Вивчення принципу дії, дослідження принципової схеми та похибок цифрового фазометра середніх значень фазового зсуву.

Загальні положення

У цифрових фазометрах середнього значення вимірювання фазового зсуву проводиться протягом постійного часу Tц, який містить кілька періодів вхідного сигналу. Тому такі фазометри мають ще одну назву: фазометри з постійним часом вимірювання. Фазометр складається з таких функціональних блоків: формувачів прямокутних імпульсів Ф1 та Ф2, генератора квантуючих імпульсів ГКІ, подільника частоти ПЧ, формувача часового інтервалу ФЗ, ключів К1 та К2, лічильника імпульсів ЛІЧ, регістра РГ, цифрового відлікового пристрою ЦВП, пристрою керування ПК.

Структурну схему фазометра зображено на рис. 4.1.

Рис. 4.1

Досліджувані гармонічні сигнали U1(t) та U2(t), фазовий зсув φ(x) між якими треба виміряти, подаються на формувачі Ф1 та Ф2, які генерують прямокутні імпульси в момент проходження напруг вхідних сигналів через нульові значення. Ці імпульси відкривають ключ К1 на час tx, пропорційний до фазового зсуву φ(x):

де Тх — період вхідних сигналів U1(t), U2(t).

Інтервал часу tx заповнюється квантуючими імпульсами з генератора ГКІ, період яких становить Т0. Кількість імпульсів на виході ключа К1 за один період вхідних сигналів становить

Подільник частоти ПЧ з коефіцієнтом ділення К та формувач ФЗ формують часовий інтервал Tц = КТ0 » Тх, на який відкрито ключ

Тоді кількість імпульсів, що надійдуть на лічильник:

К2. Лічильник буде підсумовувати квантуючі імпульси п періодів вхідних сигналів:

Покази фазометра N2 не залежать від частоти квантуючих імпульсів, а при усередненні за достатньо велику кількість періодів я — і від частоти досліджуваних напруг.

Осцилограми вхідних сигналів 1, 2, сигналів на виході ключів К1 З, К2 5 та формувача кодів 4 наведено на рис. 4.2.

Похибки цифрового фазометра середніх значень

1. Похибки від квантування в цьому приладі виникає двічі: при квантуванні інтервалів часу tx квантуючими імпульсами Т0 та при квантуванні часу вимірювання Тц періодами вхідної напруги Тх.

Середнє квадратичне відхилення похибки вимірювання інтервалу часу tr дорівнює

Ця похибка залежить від частоти вхідних сигналів і збільшується при зниженні частоти. 

  1.  Похибка від неточності передання моментів проходження вхід
    них напруг через нульове значення внаслідок впливу вищих гармонік та шуму.
  2.  Похибки від неідентичності каналів фазометра, які виникають
    під різниці часових затримок у формувачах.
  3.  Похибка від часової нестабільності генератора квантуючих імпульсів.

Принцип дії схеми

Принципову схему фазометра з діапазоном вимірювання від 1° до 360° наведено на рис. 4.3.

У досліджуваній схемі формувачі Ф1 та Ф2 реалізовані відповідно па DA1, DD1.1, DD1.3, DD2.1, DD2.3, СІ, R1 та DA2, DD1.2, DD1.4, DD2.2, DD2.4, С2, R2. За ключ К1 використовуються RS-тригер DD3.1 та елемент «І» DD5.1, за ключ К2 — елемент «І» DD5.2. За ГКІ використовується генератор прямокутних імпульсів ЕЗ, генератор Е4 використовується як ПЧ та ФЗ. Лічильник виконано на трьох паралельних десяткових лічильниках за модулем 10 DD7-DD9, з'єднаних послідовно з метою побудови лічильника за модулем 1000. Регістр реалізовано на трьох чотирирозрядних регістрах DD10-DD12. Цифровий відліковий пристрій побудовано на семисегментних цифрових індикаторах HG4-IIG6. Пристрій керування реалізовано на лічильнику DD6, RS-тригері DD3.2, інверторах DD4.1, DD4.2 та елементі «І» DD5.3.

Віртуальну схему розміщено: EWBlab.rab\Theme_8.ewb Досліджувані гармонічні сигнали (джерелами сигналів є генератори Е1 та Е2) надходять на неінвертуючі входи компараторів DA1 та DA2 відповідно. На виходах компараторів формуються прямокутні імпульси, тривалість яких дорівнює тривалості додатної півхвилі відповідних гармонічних коливань. Ці імпульси через погоджуючі ланки DD1.1, DD2.1 та DD1.2, DD2.2 надходять на диференціюючі ланцюги СІ, R1 та С2, R2, на виході яких за переднім фронтом імпульсів на їх вході формуються короткі імпульси, які надходять на формуючі ланки DD1.3, DD2.3 та DD1.4, DD2.4, на виході яких отримуємо короткі прямокутні імпульси. Момент появи імпульсів на виході формуючих ланок відповідає моменту переходу досліджуваних гармонічних коливань через нульове значення. Імпульси з виходу формуючої ланки DD1.4, DD2.4 надходять на S-вхід RS-триге-ра, установлюючи його в стан лог. «1», а імпульси з виходу формуючі ланки DD1.3, DD2.3 надходять на R-вхід RS-тригера, встановлюючи його в стан лог. «0». Таким чином, на виході RS-тригера отримуємо прямокутні імпульси, тривалість яких tx пропорційна до фазового зсуву між досліджуваними сигналами. Ці імпульси надходять на один із входів елемента «І» DD5.1, на другий вхід якого надходять імпульси з генератора ЕЗ. На виході DD5.1 отримуємо пачки імпульсів, які надходять на один із входів елемента «І» DD5.2, на другий вхід якого надходять імпульси тривалістю Tц з генератора Е4. Отже, на виході DD5.2 отримуємо послідовності пачок імпульсів. Кількість імпульсів у кожній послідовності підраховується лічильником DD7-DD9, а після закінчення інтервалу Тц записується і зберігається в регістрі DD10-DD12 до закінчення наступного циклу вимірювання. Результат відображається цифровими індикаторами HG4-HG6.

Хід дослідження

  1.  Дослідіть принцип роботи принципової схеми фазометра середніх значень. Замалюйте осцилограми вхідних напруг, напруг на виходах формувачів, на генераторі квантуючих імпульсів, на формувачі часового інтервалу mц, на виходах ключів DD5.1 та DD5.2 для трьох значень фазових зсувів: 30°, 90°, 270°. Виміряйте за допомогою осцилографа період вхідних напруг, період квантуючих імпульсів, тривалість імпульсів на виході фазового детектора для трьох значень фазових зсувів: 30°, 90°, 270°. Знайдені значення занесіть у табл. 4.1.

Таблиця 4.1

Задане значення фазового зсуву,

Період вхідних напруг, Тх, мкс

Період квантуючих імпульсів, То, мкс

Тривалість імпульсів на виході формувача Tц, мс 

Тривалість імпульсів на вн-ході фазового детектора, мкс

30

90 

270 

2. Встановіть фазовий зсув між вхідними сигналами — 90°. Змінюючи частоту вхідних сигналів в діапазоні від 0,1 до 1 кГц із кроком 200 Гц та від 1 до 5 кГц із кроком 1 кГц, отримайте покази фазометра. Розрахуйте абсолютну та відносну похибки. Знайдені дані занесіть у табл. 4.2. Побудуйте залежність похибок від частоти вхідних сигналів.

Таблиця 4.2

Частота вхідного сигналу, Гц

Виміряне значення фазового зсуву,

Абсолютна похибка вимірювання,

○(градус)

Відносна похибка вимірювання,

%


Повторіть дослід для значення фазового зсуву 270°.

3. Установіть частоту вхідних сигналів 1 кГц. Змінюючи фазовий зсув між вхідними сигналами від 90° до 360° із кроком 30°, зафіксуйте покази фазометра. Розрахуйте абсолютну та відносну похибки вимірювання. Результати занесіть у табл. 4.3. Побудуйте залежності похибок від значення фазового зсуву. Повторіть дослід для частоти вхідних сигналів 2 кГц.

Таблиця 4.3

Задане значення фазового зсуву, 

Виміряне значення фазового зсуву, 

Абсолютна похибка вимірювання,

°(градус)

Відносна похибка вимірювання,

%

90 

360 

  1.  Накреслить структурну схему та виведіть рівняння перетворення фазометра середніх значень.
  2.  Поясніть, чому покази фазометра середніх значень не залежать від
    частоти вхідних напруг.
  3.  Проаналізуйте основні похибки фазометра середніх значень.
  4.  Якими чинниками обмежується діапазон вимірювання фазометра середніх значень?
  5.  Поясніть методику вимірювання фазового зсуву за допомогою осцилографа.
  6.  Обґрунтуйте вибір кількості десяткових розрядів фазометра для ви
    мірювання фази з відносною похибкою не більше як 1 %.

Склали                                                                                                             доц..Петрик В.Ф.

                                                                                                                   Ст.викл.Лігоміна С.М.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

14847. Махаббат пен ғадауат 71 KB
  Махаббат пен ғадауат Рисала Біздің ұлық Абайымыз айтпаған сөз қалған ба Жасың ұлғайып дүние сырына бұрынғыдан тереңірек үңілген сайын Абайға барып жүгінуің жиілей береді. Жаныңды қинаған сұрақтарға жауап іздейсің. Өлсем орным қара жер сыз болмай ма Өткір...
14848. «Мұтылған» философиясы 38.5 KB
  Мұтылған философиясы Ғарифолла ЕСІМ академик. Шәкәрім өзінеөзі €œМұтылған€ ұмытылған – Ғ.Е. деп ат қойған. Біздіңше бұл псевдоним. Мәселенің байыбына барсақ ақынның өзіне осылайша ат қоюында мән бар. Оның дәлелін €œМұтылғанның өмірі€ деген толғауөлеңнен ...
14849. Арифметикалық және геометриялық прогрессия 29 KB
  Арифметикалық және геометриялық прогрессия Ежелгі замандардан бастап адамзат арифметикалық және геометриялық прогрессиялардың заңдылықтарын қолдана білген.Мәселен Біздің заманымызға дейінгі ежелгі вавилондықтардың сына жазу клинопись кестелерінде ежелгі мысы...
14850. КВАДРАТ ТЕҢДЕУЛЕРДІ ШЕШУ ЖОЛДАРЫНЫҢ ӘР ТҮРЛІ ӘДІСТЕРІ 150.5 KB
  КВАДРАТ ТЕҢДЕУЛЕРДІ ШЕШУ ЖОЛДАРЫНЫҢ ӘР ТҮРЛІ ӘДІСТЕРІ З.Е.Темірғали Б.А.Қадырбаева І.Жансүгіров атындағы Жетісу мемлекеттік университеті Талдықорған қ. Білім өркениеттіліктің әрі өлшемі әрі тетігі болып табылатындықтан кез келген мемлекеттің рухани және ә...
14851. Өлшеулер теориясының негізгі түсініктері 326 KB
  1 тақырып Өлшеулер теориясының негізгі түсініктері Дәрістер жоспары 1. Физикалық қасиеттері мен шамалар 2. Өлшеу және негізгі операциялар Қоршаған ортаның барлық объектілері өз қасиеттерімен сипатталады. Қасиет – бұл объектінің құбылыстың процестің бір жағы о...
14852. Сызықтық функция 199 KB
  Сызықтық функция y = kx l мұндағы x тәуелсіз айнымалы k мен l – нақты сандар түріндегі формуламен берілетін фуннкцияны сызықтық функция деп атайды. у = kx l функциясының анықталу аймағы барлық нақты сандар жиыны. Егер у = kx l сызықтық функциясындағы l = 0 бол
14853. Үшбұрыштың ішкі бұрыштарының қосындысы 46.5 KB
  Үшбұрыштың ішкі бұрыштарының қосындысы. Сабақтың мақсаты: Білімділігі: Үшбұрыштың ішкі бұрыштарының қосындысы туралы теореманы қарастыру Үшбұрыштың сыртқы бұрыштары жөнінде түсінік енгізу. Дамытушылық: Творчестволық және логикалық ойлауқабі
14854. Ортағасырлық мәдениет және мемлекет қайраткерлері: Асан қайғы, Қазтуған, Шалкиіз және Жиембет жыраулар 94.5 KB
  Тақырыбы: Ортағасырлық мәдениет және мемлекет қайраткерлері: Асан қайғы Қазтуған Шалкиіз және Жиембет жыраулар Жоспар: Кіріспе Негізгі бөлім. а Жерұйық іздеген желмаяды ә Қызыл тілдің шешені б Тебінгіден ала балта суырысып... Қорытынды. ...
14855. АДАМЗАТ ҚОҒАМЫНЫҢ ЭВОЛЮЦИЯСЫ 160 KB
  АДАМЗАТ ҚОҒАМЫНЫҢ ЭВОЛЮЦИЯСЫ 5.1. Қоғамның қалыптасу кезеңдері Адам эволюциясына байланысты палеолит жоғарғы және төменгі болып екіге бөлінеді. Төменгі палеолит – архантроптар мен палеонтроптардың тіршілік ету кезеңі болып табылады. Бұл кезеңнің өзінде бірнеше а...