Министерство образования и наук Украины
Национальный технический университет Украины
«Киевский политехнический институт»
Кафедра автоматики и управления в технических системах
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7
«Цифровые измерительные приборы»
По дисциплине «Метрология и измерения»
Выполнили студенты группы ИА-01
Кравченко Т.В.
Коваленко К.И.
Исходные данные:
| № варианта ………………………… |
Киев 2010
Цель работы:
Ознакомиться с работой цифровых измерительных приборов (ЦИП). Типа цифровых осцелографов.
Оборудование:
· цифровой измеритель временных интервалов
· цифровой частотометр
· цифровой фазометр
Выполнение работы:
Цифровые измерители временных интервалов
Ознакомление с принципом работы
1. 
Предназначены для измерения периода гармонических или импульсных сигналов и длительности импульсов. В основе измерения временных интервалов положен принцип подсчета числа периодов To импульсного сигнала Un(t) с образцовой частотой fo, заполняющих измеряемый интервал (период) -Tх.На рисунке представлена структурная схема ЦИП для измерения периода.
2. Исследуемый периодический сигнал Ux(t) поступает на вход усилителя-формирователя УФ, выходной сигнал Ut(t) которого представляет собой прямоугольные импульсы длительностью Тх, равной периоду измеряемого сигнала.
Проведение эксперимента
1. Подключим генератор сигнала к входным контактам осциллографа.
2. Сгенерируем входной сигнал с периодом Тх=3 секунды. Измерительный период возьмём равным То=0,1 секунда.
3. В идеале полученное значение количества должно было бы равняться 30, но полученное соотношение равно 29 (N = 2.9), так как несовпадение стартовых значений сигналов даёт ошибку в последнем периоде (то есть ровно на один период).
4. Согласно теоретическим расчётом максимальное значение подобной погрешности равно
Dкв =(ToN-(Dt1+Dt2),
а значит оно не превышает значения То.
5. Повторим этот эксперимент ещё 4 раза с разными значениями измеряемого периода частоты и занесём эти данные в таблицу 1. То оставим неизменным.
Таблица №1
| № замера | |||||
| То (сек) | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 |
| Тх (сек) | 3.35 | 4.3 | |||
| N | 2.9 | 3.2 | 4.4 | 11.9 | 17.8 |
| ∆ | 0.1 | 0.15 | 0.1 | 1.9 | 2.8 |
| Ε/100(%) | 0.033 | 0.047 | 0.023 | 0.081 | 0.186 |
6. Действительно во всех первых четырёх замерах относительная погрешность не превышает значения 1/N, что объясняется следующим:
dкв=To/Tx=1/N
7. Значение образцовой частоты fo определяется допустимой погрешностью измерения самого короткого временного интервала Тх. 5-ый замер выпадает из ряда, значит дальнейшее с определённого значения (меньшего15) увеличение частоты невозможно.
Если дальнейшее увеличение частоты fo невозможно из-за ограниченного быстродействия счетчика, то для повышения точности применяют синхронизацию начала временного интервала Тх с импульсами опорной частоты (DtàO) и одновременно дополнительную оценку значения интервала Dt2.
8. Значение образцовой частоты fo определяется допустимой погрешностью измерения самого короткого временного интервала Тх. Определеним fo: минимаьный измеримый Тх =0.05 сек., а так как при минимальное значение To=0.05 сек, то соотвественно максимальная допустимая погрешность в этом случае равна 0.05 сек. – а значит fo = 1/0.05 = 20 Гц.
Для уменьшения погрешности квантования применяют усреднение результатов за n периодов, что осуществляется путем подсчета импульсов образцовой частоты f0 за временной интервал, равный n измеряемым периодам Тх, с последующим делением показаний счетчика на n (n обычно равно 10M где m - целое положительное число, тогда операция деления сводится к перенесению запятой в отсчете). Для этой цели в схему добавляют счетчик числа периодов, сигнал с выхода которого останавливает измерение. Погрешность квантования
dкв=1/nTxfo,
уменьшается в n раз, однако при этом необходимо увеличивать в n раз время измерения и емкость счетчика.
Другим распространенным методом уменьшения погрешности квантования временного интервала является метод совпадений или электронного нониуса.
Измерение длительности импульса происходит аналогично измерению периода.
Цифровые измерители частоты
Ознакомление с принципом работы
1. Цифровые частотомеры (ЦЧ) предназначены для измерения среднего или мгновенного значения частоты периодического сигнала, а также абсолютного или относительного отклонения частоты от номинального значения. Принцип действия ЦЧ среднего значения заключается в подсчете числа периодов Тх неизвестной частоты fx за образцовый интервал времени То, формируемый прибором. Результат измерения:
N=Тx/То=1/Tofx.
2. Структурная схема ЦЧ среднего значения изображена на рисунке. Генератор образцового интервала времени ГОИВ, состоящий из генератора импульсов ГИ и формирователя временного интервала ФВИ, вырабатывает прямоугольный импульс Uто длительностью То, в течение которого открыт ключ К, и импульсы Un(t) измеряемой частоты fx, сформированные из входного напряжения Ux(t) усилителем-формирователем УФ, поступают в счетчик Сч. Количество импульсов N, подсчитанное Сч, пропорционально измеряемой частоте. Результат измерения индицируется ЦСОИ.
Проведение эксперимента
1. Запустим осциллограф по ранее собранной схеме в режиме измерения частоты:
2. Судя по тому, что измеряемая частота имеет значение 5 Гц – а период – 30 секунд, то выходное значение N должно иметь вид числа порядка 1/150 - а значит в работе осцилографа есть ошибка!
3. Причины появления погрешности в цифровом измерители частоты сходны с причинами таковых при измерении периода – несовпадение начала исследуемой волны с образцовой.
4. Следовательно природа и формулы значений погрешностей будут сходными:
dКВ = ± 1/N = ± 1/T0fx
5. Подтвердим это рядом замеров. Результаты замеров и соответствующих расчётов внесём в таблицу 2.
Таблица №2
| № замера | |||||
| То (сек) | |||||
| Fх (Гц) | |||||
| N | 0.571 | 2.857 | 6.286 | 2.778 | |
| dКВ | ±1.75 | ±0.35 | ±0.16 | ±0.25 | ±0.36 |
6. Абсолютная погрешность квантования включает в себя два слагаемых: Dt1 и Dt2. Погрешность Dt1 можно устранить, осуществляя запуск ГОИВ от фронта входного сигнала. Тогда Dt1=0, а максимальная относительная погрешность квантования
dКВ’ = - 1/T0fx
Погрешность квантования можно также уменьшить, если запуск ГОИВ осуществить в момент, соответствующий середине периода измеряемой частоты. В этом случае погрешность квантования уменьшится вдвое. При заданной погрешности измерения максимальное значение образцового интервала времени То обратно пропорционально нижней частоте fXmin диапазона измерения. Поэтому ЦЧ среднего значения нецелесообразно применять при измерении низких частот, так как время измерения при этом значительно возрастает.
7. Частотомеры мгновенного значения предназначены для измерения в диапазоне низких и инфранизких частот.
8. Принцип работы ЦЧ мгновенного значения основан на измерении периода Tx=NT/fo, который определяет частоту
fx = f0 / NT.
Все существующие схемы ЦЧ мгновенного значения отличаются только способом преобразования результата измерения периода в обратно пропорциональную величину. В последних моделях ЦЧ для этого используются встроенные вычислительные устройства на базе микропроцессоров.
Частотомеры номинальных значений (ЧН) и процентные частотомеры (ПЧ) предназначены для точного измерения отклонения частоты от номинального значения в узком диапазоне частот.
Цифровые фазометры