background image

Kolegium Karkonoskie 

 

Laboratorium miernictwa 

Pomiary czasu i częstotliwości 

 

.   

1

                  POMIARY  CZASU I  CZĘSTOTLIWOŚCI 

 
Cel 
ćwiczenia 
 

 

 

Poznanie oscyloskopowych metod pomiaru czasu i częstotliwości, nabycie  

i kształtowanie umiejętności pomiarowych przy pomocy oscyloskopu. 
 
Zagadnienia do przygotowania  
 
1.  Pojęcie częstotliwości i okresu sygnału . 
2.  Zasady pomiaru czasu (okresu) przy pomocy oscyloskopu. Błąd pomiaru. 
3.  Pomiar częstotliwości za pomocą oscyloskopu metodami  pośrednimi. 
4.  Opis postępowania przy wykorzystaniu metody  figur Lissajous. Dokładność pomiaru.  
4.  Zasada pomiaru częstotliwości częstościomierzem cyfrowym 
 
Literatura  
 Rydzewski J.: Pomiary oscyloskopowe. WNT, Warszawa,, 1999.    
 Dusza J.,Gortat G.,Leśniewski A.: Podstawy miernictwa. Wyd. Polit. Warszawskiej,2002. 
 Koczela D.: Miernictwo elektryczne. Ćwiczenia laboratoryjne. Wyd. Polit. Wrocł., 
                     Wrocław 2001.      
 
Wiadomo
ści wstępne 
 
                                 Okresem T
 sygnału nazywamy czas jednej pełnej zmiany przebiegu. 
 Częstotliwością sygnału okresowego nazywamy liczbę jego okresów T w jednostkowym 
przedziale czasu (najczęściej w jednej sekundzie). Częstotliwość jest odwrotnością okresu 
przebiegu :  

                                                             

f

=  

T

1

                                                                 (1) 

Jednostką okresu (czasu) jest sekunda (s), częstotliwości herc (Hz). W codziennym 
stosowaniu wykorzystywane są jednostki podwielokrotne czasu, np. ms, 

µ

s, ns i wielokro- 

tne częstotliwości, np. kHz, MHz czy GHz.  

Wspomniane parametry są wielkościami, które można mierzyć z bardzo dużą 

dokładnością częstościomierzami cyfrowymi, dzięki istnieniu doskonałych wzorców 
częstotliwości, np. kwarcowych. 
Do podstawowych metod pomiaru czasu i częstotliwości można zaliczyć : 

metody cyfrowe; 

metody oscyloskopowe. 

Metoda cyfrowa polega na zliczaniu liczby n okresów przebiegu w czasie 

wzorcowego przedziału czasu T

w 

i określeniu częstotliwości bezpośrednio z zależności : 

 

 

 

 

 

 

w

T

n

x

f

=

                                                                (2) 

Badany przebieg  o nieznanej częstotliwości w wejściowych układach formujących 
kształtowany jest w ciąg impulsów prostokątnych o takiej samej częstotliwości. Generator 
wzorcowy (kwarcowy) wytwarza impuls prostokątny otwierający bramkę na czas T

w

  

pomiaru. W czasie jej otwarcia licznik zlicza n impulsów mierzonego przebiegu o  częstotli-
wości f

x

 , zatem n

T

x

 = T

, stąd  

background image

Kolegium Karkonoskie 

 

Laboratorium miernictwa 

Pomiary czasu i częstotliwości 

 

.   

2

   

 

 

 

               

w

T

x

n

x

f

=

                                                             (3) 

Liczba zliczonych impulsów  n

x

 jest bezpośrednio miarą częstotliwości. Błąd  pomiaru 

częstotliwości jest zależny od dokładności określenia czasu otwarcia bramki T

w

 (zwykle jest 

pomijalnie mały, jest to bowiem błąd generatora wzorcowego – kwarcowego) oraz od błędu 
zliczania impulsów (jego wartość bezwzględna wynosi 

±

 1 impuls), zatem względna 

niepewność pomiarowa częstotliwości 

δ

f

x

 częstościomierzem cyfrowym wynosi  

 

                                           

w

T

x

f

w

T

x

n

w

T

x

f

1

1

+

=

+

=

δ

δ

δ

                                           (4)      

Z powyższej zależności wynika : 

błąd pomiaru częstotliwości maleje ze wzrostem liczby zliczanych impulsów n

x

 , 

(co jest równoznaczne z mierzeniem dużych częstotliwości), 

wydłużenie czasu bramkowania  T

w

  powoduje zmniejszenie błędu pomiaru, 

zmniejszanie się mierzonej częstotliwości prowadzi do wzrostu błędu pomiaru; 
można temu zapobiec wydłużając czas zliczania (czas pomiaru T

w

 ogranicza się 

zwykle do wartości 0,01s; 0,1s; 1s; 10s), zbyt długie czasy są z kolei nieprakty-
czne z punktu widzenia pomiarowego.  

 
Do pomiaru małych częstotliwości stosowana jest metoda oparta na pomiarze okresu 
badanego. W układzie wejściowym częstościomierza  zostaje formowany tym razem impuls 
prostokątny o czasie trwania okresu przebiegu badanego T

x

 , otwierający bramkę na czas 

pomiaru. W czasie jej otwarcia następuje zliczanie impulsów n

W

 z generatora wzorcowego 

wytwarzanych z częstotliwością wzorcowa  f

W

 , stąd częstotliwość mierzona  

 

                                            

w

n

w

f

w

T

w

n

x

T

x

f

=

=

=

1

1

                                                      (5) 

 
Wygodnym przyrządem do pomiaru czasu (okresu) i częstotliwości jest oscyloskop.  
Pomiary oscyloskopowe umożliwiają pomiar metodą : 

pośrednią, poprzez pomiar okresu przebiegu badanego, 

porównawczą, w której oscyloskop jest używany jako wskaźnik zrównania ze 
sobą sygnałów o częstotliwości mierzonej 

x

 i wzorcowej f

doprowadzonych do 

torów X i Y oscyloskopu. 

 
W metodzie pośredniej częstotliwość określa się wg zależności (1), jako odwrotność 
pomierzonego bezpośrednio z ekranu oscyloskopu czasu okresu T

x

 badanego przebiegu, 

przy znajomości współczynnika kalibracja generatora podstawy czasy S

x

. Czas trwania 

okresu wyniesie (rys.1): 
 

       T

= d

 

·

 S

 

 

 

 

         (6) 

 

gdzie: d

x 

 - odczytana z ekranu długość odcinka (w cm) odpowiadająca jednemu okresowi ; 

          S

x

  - współczynnik nastawy kalibratora podstawy czasu, np. w ms/cm. 

 

 
 
 
 

background image

Kolegium Karkonoskie 

 

Laboratorium miernictwa 

Pomiary czasu i częstotliwości 

 

.   

3

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ź

ródłami błędów tej metody pomiaru czasu  okresu (tym samym i częstotliwości) są : 

- błąd odczytu długości odcinka  odpowiadającego okresowi przebiegu - 

l /l

- niedokładności kalibracji generatora  podstawy czasu 

δ

 S

x

 . 

Niedokładność względna wyznaczenia czasu lub częstotliwości wynosi więc : 

=

x

  f

δ

δ

 S

x 

l

l

 

 

 

 

         (7) 

Błąd ten może wynosić kilka procent. 

Metoda porównawcza, znana również jako metoda figur Lissajous zapewnia większą 

dokładność pomiaru. Pomiar częstotliwości tą metodą polega na bezpośrednim porównaniu 
sygnału o nieznanej

 częstotliwości f

x 

, z sygnałem o wzorcowej częstotliwości  f

w

 podłączo-

nymi odpowiednio do wejść X i Y oscyloskopu (oscyloskop powinien pracować w trybie z 
wyłączoną wewnętrzną podstawa czasu). Jednoczesne wysterowanie obu kanałów powoduje 
pojawienie się na ekranie figur Lissajous. Zrównanie obu częstotliwości (poprzez dostraja-
nie 

w

), lub zapewnienie stosunku częstotliwości równego liczbie całkowitej lub ilorazowi   

liczb całkowitych, daje możliwość uzyskania na ekranie nieruchomych obrazów. Niewielka 
różnica częstotliwości powoduje obrót obrazu z szybkością proporcjonalną do rozbieżności 
częstotliwości. Kształt figur jest przede wszystkim zależny od stosunku częstotliwości  
i przesunięcia fazowego między sygnałami. Należy pamiętać, że regularne kształty figur 
uzyskuje się dla sygnałów sinusoidalnych 

 

tylko nieznacznie odkształconych.  

Częstotliwość f

x

 określa się na podstawie ilości przecięć 

x

 i 

y

 figury na ekranie  

z prostymi równoległymi do osi X oraz do osi Y (rys.2). Obie proste powinny być tak 
poprowadzone, aby nie były styczne i nie przechodziły przez punkty węzłowe 
obserwowanej figury. Liczbowy stosunek ilości przecięć wskazuje ile razy częstotliwość 
badana jest większa (mniejsza) od częstotliwości wzorcowej. 

 
 
 
 

                                                                                   
 
 
 
 
 
 
 
                             

 

Sygnał 
wzorcowy  f

w 

f

wz 

Sygnał 
badany f

x 

a) 

 

n

 y

 = 2 

x

 =3 

b) 

       

Rys.2. Pomiar częstotliwości metodą figur Lissajous 

                     a) układ pomiarowy, b) przykład określenia ilości punktów przecięć. 

d

Rys.1. Pomiar okresu (czasu) na ekranie oscyloskopu 

background image

Kolegium Karkonoskie 

 

Laboratorium miernictwa 

Pomiary czasu i częstotliwości 

 

.   

4

 

Jeżeli odpowiednio f

x  

oznacza nieznaną częstotliwość sygnału podłączonego do 

wejścia np. kanału Y, a f

w 

 częstotliwość sygnału generatora wzorcowego, podłączonego do 

wejścia kanału Y oscyloskopu;  n

X  

liczbę przecięć figury z prostą w osi X ( poziomą ),  

n

Y 

 liczbę przecięć figury z prostą osi Y (pionową), to poszukiwaną częstotliwość f

x

 określa 

zależność : 

w

f

ny

x

n

x

f

=

   

 

 

 

              

(8) 

 

Pomiar tą metodą może być bardzo dokładny, jeżeli dysponuje się dokładnym generatorem 
sygnału wzorcowego f

w

. Jeżeli figura na ekranie pozostaje nieruchoma, to dokładność 

pomiaru jest określona  dokładnością generatora wzorcowego : 

δ

f

x

 = 

δ

 f

w

 . Natomiast w 

przypadku różnicy częstotliwości tych sygnałów obraz obraca się wokół własnej osi, 
powodując dodatkową niepewność 

f  wyniku pomiaru. Oszacować ją można za pomocą 

pomiaru czasu t, w którym obraz obróci się o 360 

o

. Wówczas dodatkowy błąd wynosi: 

t

 

1

=

                                                                  (9)                  

 
a całkowity błąd pomiaru częstotliwości : 

       

x

w

x

f

f

δ f

δ f

+

=

  

 

 

 

       (10) 

Metodę figur Lissajous powinno stosować się, gdy stosunek obu częstotliwości nie 
przekracza wartości 5

÷

10; przy większych stosunkach trudno jest zinterpretować otrzymany 

obraz ze względu na duże zagęszczenie linii. 
 
Pomiary : 
 
   - wykonać kilka pomiarów sygnałów o różnych częstotliwościach  sygnału metodą   
     poprzez pomiar okresu T

x

 (pamiętaj o konieczności skalibrowania generatora podstawy  

     czasu - pokrętło płynnej regulacji w skrajnej prawej pozycji); 
   - porównaj otrzymane wyniki z pomiarami wzorcowymi okresu i częstotliwości    
     wykonanymi  częstościomierzem cyfrowym; 
   - wyniki pomiarów i obliczeń błędów umieścić w tabeli 

 

 
             
 
            
gdzie :  T

x

 

= d

 S

x

 - obliczony okres mierzonego przebiegu; 

                         T

cyfr

,f

cyfr

 -  odczyt okresu i częstotliwości wykonany przy pomocy  

                                           przyrządu cyfrowego; 
                         f

x

 = 1/T

x 

 - obliczona wartość częstotliwości; 

                         

T

x

 = T

– T

cyfr 

  - błąd bezwzględny porównania pomiaru okresu; 

                         

 f

x

 =  f

 x

 - f 

cyfr

   - błąd bezwzględny porównania pomiaru częstotliwości;  

  

δ

 f

x

 - błąd względny dokładności pomiaru częstotliwości : 

pomiar okresu 

pomiar częstotliwośći 

d

S

T

T

cyfr 

T

f

x

 = 1/T

f

cyfr 

f

δ

f

cm 

s/cm 

kHz 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

Kolegium Karkonoskie 

 

Laboratorium miernictwa 

Pomiary czasu i częstotliwości 

 

.   

5

δ

 f

x

  = 

cyfr

f

x

f

100 %   

 

 

       (11) 

   - podłączyć sygnał badany, np. do wejścia X, a sygnał z generatora wzorcowego do 
wejścia   
      Y (rys.2); 
   - pomiar częstotliwości f

x

 tą metodą polega na takim dostrojeniu generatora wzorcowego, 

     przy którym na ekranie oscyloskopu otrzymuje się możliwie mało skomplikowany (przy  
     małej różnicy częstotliwości)  oraz nieruchomy (lub prawie nieruchomy) obraz ; 

- wykonać pomiary dla kilku figur (stosunków częstotliwości) każdorazowo   
  przerysowując je do protokółu; 
- każdorazowo porównać obliczoną częstotliwość f

x

 z wskazaniem częstościomierza   

              cyfrowego; określić niedokładność określenia częstotliwości pomiaru wg (11); 
    - dokonać analizy dokładności pomiarów częstotliwości obu metodami.