Цифровое измерение частоты

Коломенский институт (филиал)

Факультет инженерно-экономический

«УТВЕРЖДАЮ»

Заведующий кафедрой АП и ИТ

_______________ А.М. Липатов

«02» сентября 2014 года

Лабораторный практикум

По дисциплине «Метрология и измерительная техника»

Цифровой частотомер

Направление подготовки: 27.03.04 (2230400.62)«Управление в технических системах»

 

Профиль подготовки: «Управление и информатика в технических системах»

 

 

Квалификация (степень) выпускника - бакалавр

^{(бакалавр, магистр, дипломированный специалист)}

Форма обучения: очная, очно – заочная, заочная.

Коломна 2014 год

 

-2-

Содержание

 

1. Хронометры (приборы для измерения интервала времени)…………….3

1. Цифровое измерение частоты …………………………………………….4
2. Периодомеры……………………………………………………………….5
3. Частотомер электронносчетный Ч3-34…………………………………...5
4. Порядок выполнения работы……………………………………………...8

5.1 Измерение частоты………………………………………………………..9

5.2 Измерение периода……………………………………………………….10

5.3 Измерение длительности импульса……………………………………..10

Контрольные вопросы………………………………………………………..15

Литература……………………………………………………………………16

 

 

-3-

 

ЦИФРОВОЙ ЧАСТОТОМЕР

Цель работы: приобретение навыков пользования цифровым частотомером, определение погрешности измерения.

 

Цифровой частотомер предназначен для измерения частоты, периода электрических колебаний, интервалов времени и отношения частот.

В цифровом частотомере непрерывная измеряемая величина преобразуется в код методом последовательного счета.

 

1. Хронометры (приборы для измерения интервала времени).

Временной интервал tх может быть измерен путем подсчета числа квантующих импульсов стабильной частоты fо, прошедших на счетчик импульсов за время tх:

Структурная схема прибора для измерения интервала времени показана на рисунке 1.

 

Рис.1 Измерение интервала времени

 

Временной интервал tх задан старт- и стоп-импульсами)

Цикл преобразования начинается с установки нуля, т.е. установки пересчетного устройства ПУ и отсчетного устройства ОУ в исходное состояние. При этом одновременно импульсом «Установка нуля» устанавливаются в исходное состояние все элементы, которые могут иметь неоднозначные состояния (например, триггер Тг). Такая операция выполняется во всех ЦИУ циклического действия.

При поступлении старт-импульса триггер Тг устанавливается в состояние «1» и своим выходным сигналом открывает ключ К (логический элемент «И»). Импульсы от генератора импульсов стабильной частоты ГИСЧ начинают поступать на вход ПУ.

 

 

-4-

 

В момент окончания интервала tх стоп-импульс возвращает триггер в исходное состояние, ключ К закрывается и на ОУ фиксируется (без учета погрешностей) число:

Составляющие погрешности: погрешность квантования, зависящая от соотношения То и tх; погрешность нестабильности частоты fо; погрешность неточности передачи временного интервала на ключ.

Рассмотрим погрешность квантования (дискретизации)(рисунок 2).

Рис.2 Погрешности при квантовании временного интервала

 

В общем случае tх не кратно То и поэтому возникает погрешность Δt= t– tх, где t= N∙ То (N– число импульсов зарегистрированных счетчиком импульсов). Эта погрешность зависит от временного сдвига старт- и стоп-импульсов и выражается в виде двух составляющих Δt₁и Δt₂. то есть Δt= Δt₁- Δt₂. Первую составляющую Δt₁называют погрешностью от случайного расположения начала шкалы (погрешность синхронизации).

Она всегда находится в пределах 0 – То и имеет равномерный дифференциальный закон распределения так как появление старт-импульса между квантующими импульсами равновероятно. Вторая составляющая Δt₂– погрешность вызванная случайным расположением Стоп-импульса относительно квантующих импульсов и соответствующая отождествлению с ближайшим меньшим или равным уровнем квантования. Дифференциальный закон распределения этой погрешности равномерный в пределах от –То до 0.

Результирующая погрешность tm= ±То; относительная результирующая предельная погрешность:

Можно снизить погрешность дискретизации, если синхронизировать стартовый и квантующий импульс со сдвигом То/2, то есть расположить стартовый импульс в середине между двумя соседними квантующими импульсами. В этом случае:

 

-5-

 

; ;

 

Цифровое измерение частоты

Частота преобразуется в код путем подсчета импульсов измеряемой частоты fх за определенный интервал времени tи. Схема частотомера и временная диаграмма показаны на рисунке 3.

 

Рис.3 Структурная схема и временные диаграммы работы цифрового частотомера

 

Генератор импульсов заданной длительности ГИЗД через триггер Т, открывает ключ К на время tи. За это время импульсы частотой fх, сформированные формирователем Ф, пройдут на вход пересчетного устройства ПУ в количестве:

Если tи = 1С, то N= fх.

 

-6-

 

Составляющие погрешности: погрешность квантования, зависящая от соотношения Тх / tи; погрешность от неточности формирования tи.

Относительная погрешность измерения частоты:

, где γ₀ – нестабильность частоты кварцевого генератора, с помощью которого формируется tи.

Вторая составляющая в формуле – погрешность дискретности, она растет при уменьшении fх. Например, при fх = 50 Гц, tи = 1С, относительная погрешность дискретности равна 2%. Для уменьшения погрешности дискретизации можно взять tи = 10С, но при этом снижается быстродействие прибора, так как время одного преобразования равно tи.

Есть другой путь – измерять не частоту fх, а период Тх и сделать вычисление fх = 1 / Тх.

 

Периодомеры

На схеме цифрового измерения периода (рисунок 4)

 

-7-

 

Рис.4 Структурная схема и временные диаграммы работы цифрового периодомера

БВВИ – блок выделения временного интервала, выдающий старт- и стоп-импульсы через интервал tх = n∙Тх, где Тх – период измеряемого напряжения Uх, а n= 1,2,3…- целое число.

Измерение нескольких периодов вместо одного делают для уменьшения погрешности, вносимой формирователем импульсов ФИ, а также погрешности дискретности, растущей с уменьшением периода. С этой целью после ФИ ставят делитель частоты.

На пересчетное устройство поступает Nимпульсов:

Составляющие погрешности: погрешность дискретности, зависящая от соотношения fxи fо; погрешность нестабильности fо; погрешность неточности формирования и передачи интервала tx.