Ćwiczenie nr 10

Pomiar częstotliwości i okresu metodą cyfrową

1. Cel ćwiczenia i obiekt pomiaru

Celem ćwiczenia jest poznanie cyfrowej metody pomiaru częstotliwości i okresu.. Wielkością mierzoną jest częstotliwość sygnałów prostokątnych o standardzie TTL, dla wybranych nastaw generatora funkcyjnego. Pomiary należy wykonać dwiema metodami - pomiar częstotliwości (metoda bezpośrednia) i pomiar okresu (metoda pośrednia).

2. Pomiar częstotliwości metodą bezpośrednią

2.1.Schemat blokowy i zasada działania układu.

Na rys.1. pokazano schemat blokowy do pomiaru częstotliwości metodą bezpośrednia.

Pomiar częstotliwości metodą bezpośrednią polega na zliczania impulsów uformowanych z mierzonego przebiegu częstotliwości f_x we wzorcowym przedziale czasowym T_wz. Przebieg o częstotliwości mierzonej
_wz jest przekształcony na ciąg impulsów prostokątnych o tym samym okresie
, za pomocą układu formującego. Impulsy z układu formującego przekazywane są przez bramkę elektroniczną AND do licznika, który wskazuje ilość impulsów N. Czas otwarcia bramki jest określony bardzo precyzyjnie - jest to wzorcowy odcinek czasu
. Teoretycznie
mógłby mieć dowolną wartość, ale w praktyce przyjęło się stosować:
=10s; 1s; 0,1s.

Czas wzorca uzyskujemy dzięki obecności generatora wzorcowego, wykonanego na kwarcu i współpracującego z cyfrowym dzielnikiem częstotliwości. Najczęściej współczynnik podziału
, gdzie n: 0, 1, 2, 3, ...

Sygnał prostokątny na wyjściu dzielnika częstotliwości ma okres równy
. Zadaniem przerzutnika bramkującego jest wytwarzanie pojedynczego impulsu ( jedynki logicznej ), której czas jest wyznaczony przez dwa sąsiednie zbocza narastające sygnału wyjściowego dzielnika częstotliwości. W tym czasie zliczane są impulsy N.

Częstotliwość f_x oblicza się z zależności:

(1)

Jeżeli dzielnik częstotliwości wyskalowany jest w jednostkach bezwymiarowych, jako tzw. współczynnik podziału k dzielnika, to częstotliwość f_x oblicza się z zależności:

(2)

Gdzie:

f_gwz - częstotliwość kwarcowego generatora wzorcowego (np. 100MHz)

Rys. 1. Schemat układu do pomiaru częstotliwości metodą bezpośrednią

2.2. Zadania pomiarowe

Należy dokonać pomiaru częstotliwości nastaw generatora funkcyjnego metodą bezpośrednią. Zalecany jest taki dobór parametrów układu (częstotliwość wzorcowa i czas bramkowania) aby błąd pomiaru
miał wartość mniejszą od 0,2 %. Wyniki pomiarów umieścić w tabeli 1.

Tab.1

Lp	fx	N	Twz	fxp
		[Hz]	[-]	[s]	[Hz]	[%]	[%]

gdzie:

f_x - częstotliwość generatora funkcyjnego (badanego)

N - liczba impulsów

T_wz - czas otwarcia bramki

f_xp - wynik pomiaru częstotliwości (wartość poprawna)

- błąd pomiaru częstościomierza:
(3)

­ błąd pomiaru nastawionej wartości:
(4)

3. Pomiar częstotliwości metodą pośrednią (pomiar okresu)

3.1. Schemat blokowy i zasada działania układu

Do pomiaru mniejszych częstotliwości, dla których dokładność metody bezpośredniej pomiaru częstotliwości maleje, stosuje się pośredni pomiar częstotliwości metodą pomiaru czasu trwania okresu
. Schemat blokowy układu do cyfrowego pomiaru okresu pokazano na rys.2. W porównaniu do poprzednio omawianej metody bezpośredniej, w obecnie prezentowanej metodzie pośredniej odwrócona zostaje rola sygnałów sterujących bramką. Bramka otwierana jest na czas równy okresowi T_x, a zliczane są impulsy o częstotliwości wzorcowej f_wz.

Rys.2. Schemat blokowy układu do cyfrowego pomiaru okresu

W celu zmierzenia czasu trwania okresu
(a w rezultacie określenia częstotliwości
) należy wytworzyć dwa szpilkowate impulsy, z których jeden określa początek zliczania, a drugi - jego koniec. Impulsy te są generowane w układzie formującym i wytwarzają w układzie sterowania bramką impuls bramkujący o czasie trwania równym okresowi
. Impuls ten steruje bramką, do której doprowadzone są impulsy z generatora wzorcowego, np. o częstotliwości wzorcowej
. Przez bramkę przechodzą impulsy o częstotliwości wzorcowej tylko w czasie trwania impulsu bramkującego, tj. w czasie
. Liczba „N” zliczanych w tym czasie przez licznik impulsów pozwala na określenie czasu
:

(5)

A zatem przekształcając zależność (5) otrzymujemy wzór:

(6)

3.2. Zadania pomiarowe

Należy dokonać pomiaru częstotliwości metodą pośrednią dla identycznych nastaw (jak w p.2.2) generatora funkcyjnego. Zalecany jest taki dobór parametrów układu (częstotliwość wzorcowa i czas bramkowania) aby błąd pomiaru
miał wartość mniejszą od 0,2 %. Wyniki pomiarów umieścić w tabeli 2.

Tab.2

Lp	fx	N	fwz	fxp
		[Hz]	[-]	[Hz]	[Hz]	[%]	[%]

gdzie:

f_x ­ częstotliwość generatora funkcyjnego (badanego

f_{wz ­} częstotliwość generatora wzorcowego

f_{xp ­} wynik pomiaru częstotliwości (wartość poprawna) obliczony z zależności (6)

- błąd pomiaru częstościomierza:

­ błąd pomiaru nastawionej wartości:

4. Zastosowania metody przetwarzania czasowo - impulsowej do pomiaru czasu przelotu styku przełącznego przekaźnika

Schemat układu pomiarowego:

1

Tgwz

_

1

fgwz=

1

2

3

5

4

x

f

x

T

Generator

wzorcowy

1kHz

10 kHz

100 kHz

1 MHz

Bramka

Licznik

---