51141

ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТЫ, ПЕРИОДА И ФАЗЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Задание Измерить частоту периодического сигнала с помощью цифрового частотометра при различных положениях переключателя время измерения. Оценить погрешность результатов измерения. Оценить погрешность результатов измерения. Оценить погрешность результатов измерения.

Русский

2014-02-06

1.76 MB

40 чел.

Лабораторная работа №4

ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТЫ, ПЕРИОДА И ФАЗЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ.

Цель работы -  ознакомление с методами и средствами измерений частоты, фазового сдвига, временных интервалов и с методикой оценки погрешности результатов измерений.

Задание

  1.  Измерить частоту периодического сигнала с помощью цифрового частотометра при различных положениях переключателя «время измерения». Оценить погрешность результатов измерения.
  2.  Измерить период того же сигнала с помощью цифрового частотометра при различных положениях переключателя» метки времени». Оценить погрешность результатов измерения.
  3.  Измерить частоту и период того же сигнала с помощью электронного осциллографа. Оценить погрешность результатов измерения.
  4.  Измерить фазовый сдвиг между напряжениями на входе и выходе фазосдвигающего устройства с помощью электронно-лучевого осциллографа. Оценить погрешность результатов измерения.
  5.  Измерить фазо-частотную характеристику полосового фильтра.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Цифровой частотомер позволяет измерять период и частоту периодических сигналов, временные параметры импульсных сигналов.

Принцип дискретного (последовательного) счета заключается в подсчете количества N импульсов, заполняющих некий интервал времени. Так, при использовании частотомера в режиме измерения частоты подсчет количества Nf счетных импульсов (сформированных из исследуемого сигнала) осуществляется за калиброванный отрезок времени счета τсч. При этом показание прибора:

.                                                        (4.1)

Число, высвечиваемое на цифровом табло, определяется по формуле:

 .                                                                              (4.2)

Относительная погрешность (в процентах) измерения частоты fx определяется по формуле:

                                                                   (4.3)

где tИ – время усреднения (время измерения), с; fXизмеряемая частота сигнала, Гц.

Максимально допустимое абсолютное отклонение показания цифрового частотомера от измеряемой частоты определяется по формуле:

.                                                  (4.4)

При использовании цифрового частотомера в режиме измерения периода подсчет количества NT счетных импульсов, следующих с периодом Тм (период следования меток времени) и сформированных в дополнительном канале, осуществляется за отрезок времени, соответствующий измеряемому периоду. При этом показание прибора:

,                                          (4.5)

где fобр - номинальное значение встроенной меры частоты.

Число, высвечиваемое на цифровом табло, определяется по формуле:

.                                                     (4.6)

В режиме измерения периода предусмотрена возможность повышения точности измерений при использовании умножения частоты fобр в п раз (деление периода следования меток Тм ).

Относительная погрешность (в процентах) измерения периода TX

                                                  (4.7)

где TX – период сигнала, с; fобр – частота квантующих импульсов, Гц;  T0 – период квантующих импульсов («метки времени»).

Максимально   допустимое   абсолютное   отклонение   показания   прибора   от измеряемого периода определяется по формуле:

.                                                    (4.8)

Измеряемые частотно-временные параметры определяются по формулам:

,                                                (4.9)

.                                             (4.10)

При измерении частоты и периода синусоидального сигнала с помощью электронного осциллографа используют известные значения коэффициента развертки kр. Наблюдая на экране осциллографа устойчивое изображение сигнала, измеряют линейный размер l изображения по оси X, соответствующий измеряемому периоду TX, а затем определяют его по формуле:

.                                                      (4.11)

Частота fX определяется выражением . Погрешность измерения частоты и периода (длительности) при этом определяется по формуле

                                           (4.12)

где - погрешность коэффициента развертки; - погрешность нелинейной развертки; - визуальная погрешность измерения длительности. Для осциллографа С1-83 можно принять  (в процентах) определяется выражением

                                           (4.13)

где b – толщина линии изображения на экране осциллографа, дел.

Частота синусоидального сигнала с помощью электронного осциллографа может быть изменена путем наблюдения неподвижных фигур Лиссажу, по форме которых можно определить неизвестную частоту fX , сравнивая ее с известной частотой f0. При этом напряжение неизвестной (измеряемой) частоты подается на вход Υ осциллографа, а напряжение известной частоты – на вход X. При неподвижной фигуре Лиссажу проводят две касательные (горизонтальную и вертикальную) и подсчитывают значение измеряемой частоты по формуле

                                                  (4.14)

где m и n – число точек касания фигуры с горизонтальной и вертикальной касательной соответственно.

Погрешность измерения частоты при этом способе определяется стабильностью генератора известной частоты f0.

Измерение фазового сдвига между входным и выходным напряжениями какого-либо устройства с помощью двулучевого осциллографа можно произвести двумя способами.

При первом способе на экране получают изображение двух напряжений (см. рис. 4.1), что дает возможность измерить фазовый сдвиг (в градусах) по формуле

                                             (4.15)

где - временной сдвиг между напряжениями  и ; - период и .

Относительная погрешность измерения

,                                                  (4.16)

где и - относительные погрешности измерения и определяемые по формуле (4.4).

При втором способе используется фигура Лиссажу. На рис. 4.2 показана фигура Лиссажу, полученная путем подачи на вход X осциллографа напряжения , а на вход Y – напряжения . Фазовый сдвиг равен

,                                            (4.17)

где  и - ординаты точек, определяемых по изображению.

Абсолютная погрешность измерения Δ (в градусах), обусловленная погрешностью измерения ординат Δ и Δ определяется по формуле

,           (4.18)

где Δ и Δ абсолютные погрешности измерения и , равные 0,4b, где b – толщина линии луча осциллографа.

Для случаев когда =, что соответствует =90о, а также при =0, что соответствует =0о, Δφ=0о.

Так как знаки Δ и Δ могут быть как одинаковыми, так и различными, то при оценке погрешности следует исходить их худшего случая, при котором  и имеют различные значения.

Фазовый сдвиг можно измерить на примере прохождения синусоидального сигнала через RL или RC-цепочки.

                                             Рис. 4.1                                           Рис.4.2

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯРАБОТЫ

Перед началом выполнения работы ознакомится со стендами, представленными на рис. 4.3 и 4.4.

4.1. Измерить частоту периодического сигнала с помощью цифрового частотометра при различных положениях переключателя «время измерения». Оценить погрешность результатов измерения.

4.1.1. Установить на выходе  генератора сигнал  с параметрами:  частота fr порядка 1000 кГц, среднеквадратическое значение напряжения порядка 0,5 В.
Подготовить частотомер  к режиму измерения частоты.

Рис.4.3

Рис. 4.4

4.1. Измерить частоту периодического сигнала с помощью цифрового частотометра при различных положениях переключателя «время измерения». Оценить погрешность результатов измерения.

4.1.1. Установить на выходе  генератора сигнал  с параметрами:  частота fr порядка 1000 кГц, среднеквадратическое значение напряжения порядка 0,5 В.
Подготовить частотомер  к режиму измерения частоты.

4.1.2. Измерить   частоту   сигнала   на   выходе   генератора   при   различных положениях переключателя "Время счета", указанных в таблице по форме 1.Записать показания   fпок   частотомера.

4.1.3. Рассчитать число Nf по формуле (4.2).

4.1.4. Рассчитать δf  по формуле (4.3).

4.1.5. Рассчитать εf   по формуле (4.4).

4.1.6. Вычислить частоту f по формуле (4.9).

4.1.7. Повторить действия по п.п. 4.1.1 ... 4.1.6, последовательно устанавливая на выходе генератора частоты 100 и 0,02 кГц.

 4.2. Измерить период того же сигнала с помощью цифрового частотометра при различных положениях переключателя «метки времени». Оценить погрешность результатов измерения.

4.2.1. Установить на выходе генератора сигнал  с параметрами:  частота fr  порядка 0,02 кГц, среднеквадратическое значение напряжения порядка 0,5 В. Подготовить частотомер  к режиму измерения периода.  Подать  сигнал с выхода генератора на соответствующий вход частотомера.

4.2.2. Установить переключать "Множитель периода n " в положение 1, "Метки времени" Ттакт в положение 0,01 мкс. Снять показания Тпок частотомера.

4.2.3. Рассчитать число NT по формуле (4.6).

4.2.4. Рассчитать δт по формуле (4.7).

4.2.5. Рассчитать ± εт по формуле (4.8).

4.2.6. Вычислить период Т по формуле (4.10).

4.2.7. Повторить действия по п.п. 4.2.2  ...  4.2.6 для частоты fr генератора порядка 100 кГц.

4.3. Измерить частоту и период того же сигнала с помощью электронного осциллографа. Оценить погрешность результатов измерения.

Рис. 4.5

4.3.1. Подать сигнал неизвестной частоты с выхода генератора лабораторного стенда на вход Y осциллографа; установить переключатель развертки Время/дел в такое положение, при котором на экране видны 5 - 8 периодов сигнала.

Рис. 4.6

4.3.2. Измерить отрезок l, дел, в котором укладывается целое число  N периодов сигнала, и вычислить его частоту  . Оценить погрешность таких измерений и записать полученный результат измерения частоты с учетом этой погрешности.

Рис. 4.7

4.4. Измерить фазовый сдвиг между напряжениями на входе и выходе фазосдвигающего устройства с помощью электронно-лучевого осциллографа. Фазовый сдвиг измерить на примере прохождения синусоидального сигнала через RL  и  RC-цепочки. Оценить погрешность результатов измерения.

Рис. 4.8

4.4.1. Собрать схему согласно рис.4.9. Установить частоту сигнала генератора в диапазоне 1 - 2 кГц.

Осциллограф

Фазовращатель

Генератор

синусоидального

сигнала

Y

X

        

                                                          

Рис.4.9

4.4.2. Регулируя напряжение на выходе генератора, коэффициенты усиления каналов Х и Y получить на экране осциллограмму в виде эллипса, размеры которого находятся в пределах 2/3 размеров экрана, а оси ориентированы по диагоналям экрана (рис.4.10).

Рис. 4.10

Рис. 4.11

4.4.3. Измерить длину отрезков 2А, 2Х0, и 2Б, 2Y0 в делениях шкалы осциллографа. Вычислить значение фазового сдвига, вносимого четырехполюсником:

                                ; .                                       (4.19)

4.4.4. Сравнить полученные значения. Они могут различаться вследствие погрешности измерения указанных отрезков. Оценить эту погрешность и погрешность измерения фазового сдвига. Записать результат измерения вместе с оценкой погрешности, используя правила представления результатов измерений.

Контрольные вопросы.

1. Перечислите основные измерительные приборы и средства для частотно-временных измерений.

2. Перечислите методы, основанные на использовании осциллографа,  для частотно-временных измерений.

3. Перечислите основные методы измерения частоты.

4. Изменится ли вид фигуры Лиссажу на экране осциллографа, если частота сигналов на входе осциллографа увеличится в целое число раз?

5. Изменится ли вид фигуры Лиссажу на экране осциллографа, если поменять местами сигналы, подключенные к входам осциллографа?

6. Как изменится величина погрешности квантования при изменении частоты цифровым частотомером, если время увеличится в 10 раз?

7. Как изменится величина погрешности квантования при изменении длительности импульса, если частота квантующих импульсов уменьшится в 10 раз?

8. Какой порядок имеет погрешность измерения фазового сдвига при помощи электронно-лучевого осциллографа?

Литература

Метрология и радиоизмерения /В.И. Нефедов, В.И. Хахин, В.К. Битюков и др./Под ред. профессора В.И. Нефедова. - М.: Высш. шк., 2006. с. 273-311.

Измерение параметров сигналов в электронных схемах

Лабораторная работа


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

54800. Заработная плата как цена труда. Монопсония на рынке труда 18.75 KB
  Монопсония — ситуация на рынке, когда фирма (или другая организация), называемая “монопсонистом”, полностью контролирует спрос на определенное благо (товар или услугу), являясь единственным возможным его покупателем. При монопсонии наниматель обладает монополистической возможностью нанимать работников.
54802. Paparazzi and Celebrities 37 KB
  The sun is shining outside! The weather is awesome. I’d like you to be in good mood. If you aren’t, we’ll rise it. So, your first task is to tell your classmates couple nice words. For instance: Julia, you look amazing! This new skirt really suits you!
54803. Рынок земли и его особенности 18.58 KB
  Особенность рынка земли. Особенностью этого рынка является ограниченность (иногда и невозможность) воспроизводства. В силу ограниченности данного ресурса собственность на землю является самым доходным видом собственности.
54804. «Узнайте нас – мы будем рады» 38 KB
  И только умная и образованная Шахразада которая смогла тысячу ночей рассказывать царю Шахрияру свои чудесные сказки не была казнена и осталась единственной любимой супругой царя. Мистер Кредо появляются Шахразада царь Шахрияр Шахразада. Шахразада хлопает в ладоши под музыку выходят герои: Золушка горбун из Нотрдама и Эсмиральда Оксана Руслан и Черномор Слон и Моська д’Артаньян. Шахразада.
54805. Парад точных наук 178 KB
  Ход мероприятия проводится в актовом зале Звучит музыка Ведущий 1: Добро пожаловать в страну точных наук В страну логаритмов простых вычислений корней возведений и уравнений Группа учащихся исполняют гимн математики и физики Пусть говорять – мы годы губим Что умереть что умереть нам суджено Но математику и физику мы любим Давнымдавно давнымдавно давнымдавно....
54806. Урок позакласного читання. Остап Вишня. «Паралелепіпед». Прямокутний паралелепіпед та його об’єм 160 KB
  Мета: Закріплювати інтерес учнів до творчості Остапа Вишні ознайомити зі змістом твору Паралелепіпед закріплювати знання про життєвий і творчий шлях Остапа Вишні;удосконалювати навички виразного читання;розвивати читацький інтерес; Закріплювати знання учнів про елементи прямокутного паралелепіпеда поняття об’єма і формули об’єма прямокутного паралелепіпеда й куба; відпрацювати уміння розв’язувати задачі на обчислення вимірів прямокутного паралелепіпеда площі його поверхні та...
54807. Площі паралелограмів 13.66 MB
  Підготовча робота: За тиждень до проведення уроку учні класу об’єднуються в три групи і отримують завдання застосовуючи знання теми Площі прямокутників і паралелограмів: 1. Обладнання: Мультимедійна дошка презентації вчителя і учнів набори паралелограмів картки консультанти картки інструкції картки з домашнім завданням креслярські інструменти банки з фарбою тестові завдання для роботи за комп’ютером. № Вид діяльності Час 1 Організаційний момент 4хв 2 Актуалізація опорних знань 6хв 3 Перегляд учнівських робіт 12хв 4...
54808. Паралелограми 736 KB
  2хв 3 Корекція зорового образу: робота з зашумленим рисунком; упізнання методом виключення 6хв 4 Встановлення взаємозв’язків різних видів паралелограмів за допомогою кіл Ейлера та опорної схеми 6хв 5 Фізкультхвилинка для зняття зорового напруження 15 хв 6 Корекція образно логічного сприйняття матеріалу шляхом встановлення відповідності між властивостями поданими в усній формі різних видів...