background image

9. POMIARY CZASU, CZĘSTOTLIWOŚCI  
 I PRZESUNIĘCIA  FAZOWEGO

  

  

Ć

wiczenie nr 

3

 

9.1. Cel ćwiczenia 

Podstawowym celem ćwiczenia jest poznanie analogowych i cyfrowych metod 

pomiaru przedziałów czasu, częstotliwości i kąta przesunięcia fazowego. Celem 
uzupełniającym jest utrwalenie umiejętności posługiwania się oscyloskopem oraz zbadanie 
właściwości metrologicznych cyfrowego miernika czasu i częstotliwości.  

9.2. Wprowadzenie 

9.2.1. Analogowe metody pomiarowe 

Najczęściej stosowane są w praktyce oscyloskopowe metody pomiaru, częstotliwości i 

kąta przesunięcia fazowego.  

9.2.1.1. Metody graficzne 

Najprostsza metoda pomiaru częstotliwości polega na graficznym zobrazowaniu na 

ekranie oscyloskopu fragmentu przebiegu badanego, zmierzeniu jego okresu i obliczeniu 
częstotliwości jako odwrotności okresu ze wzoru: 

 

,

1

tx

T

x

D

x

f

=

 (9.1) 

gdzie: 

x

− odstęp między odpowiednimi przejściami przez zero, 

 

D

tx

 

− współczynnik podstawy czasu.  

Jest to metoda mało dokładna. Zakładając błąd pomiaru długości na ekranie 

oscyloskopu 

±1 mm, przy długości obrazu 10 cm, dokładność pomiaru częstotliwości 

można oszacować na 

±1%. 

 

 

  

 

 

 

x

τ

 

x

T

 

t 

U

y

 

a) 

 

           

 

b) 

2x

m

 

2x

0

 

 

 

Rys. 9.1. Obrazy na ekranie oscyloskopu wykorzystywane do graficznego pomiaru kąta 

przesunięcia fazowego: a) metodą bezpośrednią, b) metodą figur Lissajous 

 

background image

W podobny sposób, ze zbliżoną dokładnością, można pomierzyć  kąt przesunięcia 

fazowego pomiędzy dwoma przebiegami okresowymi o tej samej częstotliwości. W tym 
przypadku potrzebny jest oscyloskop dwukanałowy. Podając przebiegi badane na wejścia 
obu kanałów oscyloskopu, na jego ekranie otrzymuje się obraz pokazany na rys. 9.1a. 

Mierząc długość okresu x

T

 oraz długość odcinka między przejściami przez zero w tych 

samych fazach obu przebiegów x

τ

 

, wartość przesunięcia fazowego oblicza się ze wzoru 

 

°

=

360

T

x

x

τ

ϕ

 (9.2) 

Alternatywną metodą pomiaru przesunięcia fazowego oscyloskopem jednokanałowym 

jest metoda figur Lissajous. Podając przebiegi badane odpowiednio na kanał X i kanał Y 
oscyloskopu, otrzymuje się na ekranie obraz elipsy, pokazany na rys. 9.1b. 

Z kształtu elipsy można obliczyć kąt przesunięcia fazowego, posługując się wzorem: 

 





±

=

m

x

x

2

2

arcsin

0

ϕ

 (9.3) 

Błąd bezwzględny pomiaru kąta przesunięcia fazowego wynosi 

 

(

)

[

rad

2

2

1

2

2

2

2

1

2

1

2

0

2

0

0

2

0

max









+





±

=

xm

m

m

x

m

m

x

x

x

x

x

x

x

ε

ε

ε

ϕ

]

 (9.4) 

gdzie:

 

ε

x0

, 

ε

xm 

− błąd odczytu odcinków x

0

 i x

m 

 (przyjąć 

ε

x0

, 

ε

xm

  = 1 mm). 

Dokładność graficznych metod pomiaru częstotliwości i fazy nie jest duża i często są 

one wykorzystywane do wstępnych pomiarów o charakterze szacunkowym. Bardzo dużą 
dokładność pomiaru częstotliwości zapewniają metody porównania z wzorcem, których 
błąd zależy głównie od dokładności generatora wzorcowego. Oscyloskop w takich 
metodach pełni rolę wskaźnika porównania. 

9.2.1.2. Metody porównawcze 

Najłatwiejszą w realizacji, a tym samym najczęściej stosowaną, jest metoda figur 

Lissajous. 

Do wejść Y i X oscyloskopu pracującego w trybie XY (z wyłączoną podstawą czasu) 

dołącza się odpowiednio przebieg badany i przebieg z generatora wzorcowego. Jeżeli 
stosunek obu częstotliwości jest równy liczbie całkowitej lub stosunkowi dwu liczb 
całkowitych, to na ekranie otrzymuje się nieruchomy obraz figury Lissajous. Drobna 
różnica częstotliwości powoduje obrót obrazu z szybkością proporcjonalną do odchyłki 
aktualnych częstotliwości od częstotliwości, dla których spełniony jest powyższy warunek.  

Na rysunku 9.2 pokazane są przykłady figur Lissajous. Stosunek obu częstotliwości 

oblicza się metodą siecznych lub stycznych. W metodzie siecznych stosunek ten wyznacza 
się dzieląc liczbę przecięć prostej poziomej (siecznej poziomej) z obrazem figury do liczby 

background image

takich przecięć prostej (siecznej) pionowej. Obie proste powinny być tak poprowadzone, 
aby nie przechodziły przez punkty węzłowe figury (rys. 9.2a). 

W metodzie stycznych stosunek częstotliwości oblicza się dzieląc liczbę punktów 

styczności z figurą Lissajous odpowiednio prostej poziomej i prostej pionowej, 
poprowadzonych stycznie do figury. 

 

 

a) 

N

X

=8 

N

Y

=2 

f
f

4

1

y

x

=

 

      

 

 

b) 

 

     

 

 

c) 

 

 

Rys. 9.2. Przykłady figur Lissajous: a) sposób obliczania stosunku częstotliwości metodą siecznych, 

b) f

y

/f

x

 = 2 : 5, c) jak na rysunku b, lecz inna wartość faz początkowych obu sygnałów 

 

Do obliczania stosunku częstotliwości służy wzór : 

 

,

y

x

y

x

x

y

m

m

n

n

f

f

=

=

 

(9.5) 

gdzie: 

n

− liczba przecięć figury Lissajous z prostą poziomą, 

 

n

− liczba przecięć z prostą pionową, 

 

m

−  liczba punktów styczności z prostą poziomą,  

 

m

−  liczba punktów styczności z prostą pionową. 

Obraz figury Lissajous zależy nie tylko od stosunku częstotliwości przebiegów 

mierzonego i wzorcowego, lecz również od różnicy faz początkowych między obu 
przebiegami. Ilustruje to przykładowo rys. 9.2b i c, na którym pokazano figury Lissajous 
dla stosunków częstotliwości 

f

y

/f

x

 

 = 2 : 5 dla dwóch różnych wartości faz początkowych. 

Przy dużych stosunkach porównywanych częstotliwości trudno jest uzyskać na 

ekranie obraz nieruchomy. Niewielka zmiana częstotliwości jednego ze źródeł powoduje, 
że obraz na ekranie zmienia kształt i jednocześnie się obraca, co jest wadą tej metody.  

 

C

1

C

2

R

1

R

2

u

f1

u

f2

 

Rys. 9.3. Uproszczony układ pomiarowy, w którym uzyskuje się krzywe cykloidalne 

Metoda krzywych cykloidalnych nie ma tej wady, obrót figury nie jest w niej 

połączony ze zmianą kształtu. W metodzie tej przebiegi badany i wzorcowy podłącza się 
do oscyloskopu pracującego w trybie XY za pomocą układu pokazanego w formie 
uproszczonej na rys. 9.3. 

 
 

background image

Można wykazać, iż odchylenia plamki w kierunku osi X i Y opisane są wzorami 

 

(

)

(

)

,

2

1

t

sin

U

t

sin

U

D

U

U

D

U

D

X

2

R

1

R

x

R

R

x

xx

x

2

1

ω

ω

+

=

+

=

=

 (9.6) 

 

(

)

.

2

sin

2

sin

2

2

1

1

2

1





+

=

+

=

=

π

ω

π

ω

t

U

t

U

D

U

U

D

U

D

Y

C

C

y

C

C

y

yy

y

 (9.7) 

Ruch  plamki opisywany tymi wzorami łatwo jest przedstawić graficznie jako ruch 

wierzchołka jednego z dwóch wektorów, z których jeden opisany zależnościami 
X = D

x

U

R1

 sin 

ω

1

tY = D

y

U

C1

 sin (

ω

1

− 

π/2), zawieszony w początku układu, obraca się z 

prędkością kątową 

ω

= 2

πf

1

, a drugi wektor X = D

x

U

R2

 sin 

ω

2

tY = D

y

U

C2

 sin (

ω

2

− 

π/2), 

zawieszony na wierzchołku pierwszego, obraca się wokół tego wierzchołka z prędkością 

ω

= 2

πf

2

. Jeżeli kierunki ruchu obu wektorów są ze sobą zgodne, otrzymuje się na ekranie 

figurę nazywaną epicykloidą (rys. 9.4). Jeżeli zaś kierunki ruchu wektorów są przeciwne, 
otrzymuje się figurę zwaną  hipocykloidą. Niewielka zmiana częstotliwości jednego ze 
źródeł powoduje obrót obrazu cykloidy bez zmiany jej kształtu, co jest zaletą metody. 
Zaletą jest też łatwość policzenia liczby pętli, co jest potrzebne do wyznaczenia stosunku 
obu częstotliwości. 

Dla epicykloidy stosunek częstotliwości oblicza się ze wzoru: 

 

,

1

1

2

1

+

=

n

f

f

 (9.8) 

a dla hipocykloidy

 

,

1

1

2

1

=

n

f

f

 (9.9) 

gdzie:

 n 

− liczba pętli 

 

 

 

1

 

2

 

1

 

2

 

3

 

1

 

1

 

4

 

3

 

2

 

Epicykloidy

 

Hipocykloidy

 

2

1

2

1

=

f

f

 

,

3

1

2

1

=

f

f

 

 

Rys. 9.4. Widok epicykloidy oraz hipocykloidy dla f

1

/f

2

 = 1/2 i f

1

/f

2

 = 1/3 

Zależnie od stosunku amplitud obu przebiegów otrzymuje się różne kształty obrazu na 

ekranie, mimo nie zmienionego stosunku częstotliwości. Widać to na rys. 9.5a.  
Aby uzyskać regularne kształty krzywych, zbliżone do koła, częstotliwość  f

1

 wybiera się 

jako częstotliwość wzorcową  (f

1

 = f

w

) oraz dobiera się elementy R,  C tak, aby spełniona 

była zależność 

background image

 

.

1

1

1

C

R

w

ω

=

  

(9.10) 

Dla spełnienia warunku 

 

2

2

1

C

R

x

ω

=

 (9.11) 

rezystor R

2

 jest regulowany. 

 a

b) 

 

 

Rys. 9.5. Obrazy krzywych cykloidalnych dla stosunku częstotliwości 6

:

1 w zależności od amplitud 

przebiegów składowych: a) epicykloidy, b) hipocykloidy 

 

 

 

 

Y         X

 

f

1

 

f

2

 

f

>

 

f

1

 

epicykloida 

hipocykloida 

100k

 

100k

 

100k

 

100k

 

5k

 

100n

 

100k

 

100k

 

R

2

 

C

2

 

3k9

 

68n

 

R

1

 

C

1

 

 

 

Rys. 9.6. Aplikacyjny układ pomiarowy realizacji metody cykloidalnej z użyciem oscyloskopu 

z niesymetrycznymi wejściami kanałów X i Y 

 
Zmianę kierunku ruchu jednego z wektorów uzyskuje się przez przestawienie pozycji 

elementów R i C w odpowiedniej gałęzi.  

background image

Uproszczony układ pomiarowy pokazany na rys. 9.3 wymaga zastosowania 

oscyloskopu z symetrycznymi wejściami X i Y, który w praktyce spotyka się rzadko. Aby 
zrealizować metodę z użyciem oscyloskopów z niesymetrycznymi wejściami X i Y (jeden 
przewód połączony z masą), należy zastosować układ aplikacyjny pokazany na rys. 9.6. 

Separacja  źródeł przebiegu mierzonego i wzorcowego została osiągnięta w tym 

układzie przez zastosowanie transformatorów separujących. Dodatkowe rezystory 100 k

Ω 

tworzą dzielniki symetryzujące układ. 

Ze względu na potrzebę dodatkowego układu metoda nie jest często stosowana w 

praktyce. Włączono ją do ćwiczenia z tego względu, iż stanowi dobry przykład użycia 
oscyloskopu do modelowania i obserwacji złożonych zjawisk elektrycznych. 

9.2.2. Cyfrowe metody pomiarowe 

Istotę cyfrowych metod pomiarowych najłatwiej jest interpretować i analizować na 

przykładzie cyfrowego pomiaru odstępów czasu. 

9.2.2.1. Pomiary odstępów czasu 

Jeżeli początkowi mierzonego przedziału czasu przyporządkuje się impuls start, a 

końcowi przedziału impuls stop, to zasadę pomiaru można zilustrować rys. 9.7. 

 

start

stop

t

1

t

2

T

x

τ

  0    1    2

n

t

 

Rys. 9.7. Zasada cyfrowego pomiaru przedziałów czasu 

Impuls  start, zaznaczający początek przedziału czasu T

x

, otwiera bramkę 

elektroniczną, przez którą impulsy z generatora wzorcowego (nazywane często impulsami 
zegarowymi) są podawane na licznik. Impuls stop, zaznaczający koniec przedziału, zamyka 
bramkę i przerywa proces zliczania impulsów zegarowych przez licznik. Jeżeli liczbę 
zliczonych impulsów oznaczymy n, a okres impulsów zegarowych 

τ, to wynik pomiaru 

można zapisać 

 

.

 (9.12) 

τ

n

T

x

=

Zależność (9.12) jest przybliżona, obarczona między innymi błędem dyskretyzacji. 
Względny błąd pomiaru jest sumą trzech składowych: błędu dyskretyzacji 

δ

d

, błędu wzorca 

δ

w

 i błędu bramkowania 

δ

b

 

{

}

b

w

d

T

x

δ

δ

δ

δ

+

+

±

=

. (9.13) 

Najbardziej charakterystyczną i istotną dla metod cyfrowych składową jest błąd 
dyskretyzacji. Wartość bezwzględna błędu dyskretyzacji jest sumą dwóch składowych 

t

1

 

i  

t

2

, zaznaczonych na rys. 9.7. 

 

. (9.14) 

2

1

t

t

T

xd

+

=

background image

Składowe 

t

1

 i 

t

2

 są zmiennymi losowymi i z pomiaru na pomiar zmieniają się zgodnie 

z rozkładem równomiernym, jedna w przedziale [0, 

τ], a druga w przedziale [−τ, 0]. 

Suma 2 zmiennych losowych o rozkładach 

równomiernych, usytuowanych względem siebie 
tak jak pokazuje rys. 9.8, daje rozkład trójkątny, 
nazywany rozkładem Simpsona. Zatem błąd 
dyskretyzacji, który wyczerpująco jest 
opisywany rozkładem Simpsona, można 
oszacować za pomocą jednej liczby: 
 odchylenia standardowego 

 

,

6

τ

σ

=

d

 (9.15) 

 lub błędu maksymalnego 

 

 (9.16) 

.

max

τ

ε

±

=

d

W praktyce pomiarowej najczęściej 

operuje się maksymalnym względnym błędem 
dyskretyzacji, którego wartość jest równa 

 

n

n

d

1

±

=

±

=

τ

τ

δ

. (9.17) 

Błąd dyskretyzacji można zmniejszać 
zachowując warunek 

→  N, gdzie N jest 

pojemnością licznika, zależną od liczby jego 
dekad. Wówczas 

 

N

N

n

d

1

δ

. (9.18) 

(

t

1

)

t

τ

τ

(

t

2

)

t

τ

τ

(

t

d

)

t

τ

τ

0

0

0

Rys. 9.8. Rozkłady zmiennych 

losowych: 

t

1

t

2

 i 

t

d

 

Wynika stąd wniosek, iż w pomiarach cyfrowych należy tak dobierać warunki pomiaru, 
aby wypełnienie licznika było możliwie największe. Przy małym wypełnieniu licznika 
błędy dyskretyzacji mogą być bardzo duże, sięgając 100

% przy n = 1. Stąd też mierniki 

cyfrowe są zaopatrzone w dzielniki impulsów zegarowych pozwalające zwiększać lub 
zmniejszać ich okres 

τ w zależności od długości mierzonego przedziału czasu. Jest to 

główna przyczyna tego, iż mierniki cyfrowe są z reguły przyrządami wielozakresowymi, 
przy czym zmiana zakresu może być dokonywana automatycznie. Schemat typowego 
cyfrowego miernika czasu jest pokazany na rys. 9.9. 

Wielozakresowość miernika jest realizowana za pomocą przełączanego dzielnika 

częstotliwości. Wejściowe układy formujące pozwalają przypisywać impulsy startowe i 
stopowe narastającemu lub opadającemu zboczu impulsu wejściowego. Pozwala to mierzyć 
zarówno odstęp impulsów, jak też szerokość impulsu (P

4

.zwarty). Wszystkie możliwe 

sytuacje pomiarowe, w zależności od ustawienia P

1

 i P

2

 , są pokazane na rys. 9.10. 

Drugim składnikiem błędu cyfrowej metody pomiaru czasu jest błąd wzorca. 

 

=

=

w

fw

w

f

ε

τ

ε

δ

τ

 (9.19) 

background image

Jest on zdeterminowany stabilnością częstotliwości generatora wzorcowego. 

Współczesne generatory są stabilizowane za pomocą rezonatorów kwarcowych, w których 
łatwo jest osiągnąć 

 

,

10

10

9

7

÷

=

w

fw

f

ε

 (9.20) 

w zależności od rodzaju stabilizacji temperaturowej rezonatora. 

Układ

formujący

Układ

formujący

Układ

sterowania

bramką

Dzielnik

częstotliwości

Generator
wzorcowy

Układ

kasujący

Licznik

Układ

ekspozycji

+

+

P1

P2

we
 t

xp

we
 t

xk

P4

otw.

zam.

P3

 

Rys. 9.9. Schemat blokowy cyfrowego miernika czasu 

 

 

P

−           P

P

−                  P

− 

P

+                             P

P

+                          P

− 

t 

P

+                   P

−  (P

4

 zwarty) 

 

 

Rys. 9.10. Sytuacje pomiarowe w zależności od ustawienia P

1

 i P

2

 

 
Błąd bramkowania zależy od dokładności ustalenia momentu czasu przejścia 

przebiegów wejściowych przez zero lub przez wybrany poziom napięcia, który można 
ustalić w układach formujących. Dla odstępów czasu nie mniejszych od 1ms błąd ten jest 
pomijalny wobec pozostałych. 

9.2.2.2. Cyfrowe pomiary częstotliwości 

Są stosowane dwie metody cyfrowego pomiaru częstotliwości: 

I.  Metoda zliczania liczby okresów we wzorcowym odstępie czasu, stosowana do 

pomiaru częstotliwości dużych. 

II.  Metoda pomiaru okresu (jednego lub wielu) odpowiednia dla częstotliwości małych. 

background image

Schemat blokowy układu pomiarowego do pomiaru częstotliwości dużych jest 

pokazany na rys. 9.11.  

 

Układ 

formujący

 

Układ 

sterowania 

bramką 

Dzielnik 

częstotliwości 

Generator 

wzorcowy 

Układ 

kasujący

 

Licznik

 

Układ 

ekspozycji 

we 

f

x

 

10

P

 

1

 

10

 

f

wz

 

T

w

 

 

 

Rys. 9.11. Schemat blokowy cyfrowego miernika częstotliwości 

 
Pomiar częstotliwości odbywa się przez zliczanie okresów sygnału mierzonego T

x 

we 

wzorcowym czasie T

w

, zgodnie z zależnością 

 

 (9.21) 

,

w

x

T

nT

=

z której otrzymuje się 

 

.

w

x

T

n

f

=

 (9.22)

 

Błąd pomiaru jest sumą błędu dyskretyzacji i błędu wzorca: 

 

{

}

.

1





+

±

=

+

±

=

w

fw

w

d

f

f

n

x

ε

δ

δ

δ

 (9.23) 

Aby zminimalizować  błąd dyskretyzacji, jak już wykazaliśmy, należy dążyć do 

spełnienia warunku 
 

 (9.24) 

N

T

f

n

w

x

=

Spełnienie tego warunku, np. w przypadku licznika 7 dekadowego (N = 10

7

 

− 1), wymaga 

następujących czasów pomiaru: 

przy  

 

 

 

h.

8

.

2

s

10000

     

,

kHz

1

s,

1000

   

,

kHz

10

s,

10

    

,

MHz

1

=

=

=

=

=

=

w

x

w

x

w

x

T

f

T

f

T

f

Jak widać, już przy f

x

 = 10 kHz czas pomiaru jest niedopuszczalnie duży. Zatem, dla 

małych częstotliwości, w zakresie pasma akustycznego, należy stosować metodę pomiaru 
okresu przedstawioną na rys. 9.12, dla której obowiązuje zależność: 

 

 (9.25) 

,

w

x

nT

kT

=

gdzie 

k jest liczbą mierzonych okresów. 

background image

10 

Z zależności (9.25) otrzymuje się następujący wzór opisujący zależność wskazań 

licznika i mierzonego okresu: 

 

k

nT

T

w

x

=

. (9.26) 

a stąd 

 

=

n

kf

f

w

x

 (9.27) 

Wadą metody, utrudniającą natychmiastowe przeliczanie wyniku, jest odwrotna 

proporcjonalność częstotliwości mierzonej i wskazań licznika n. Wada ta w przeszłości 
ograniczała popularność metody, a obecnie przestała być przeszkodą w jej stosowaniu, ze 
względu na wyposażenie mierników w mikroprocesory, przeliczające wyniki pomiarów. 

 

 

Układ 

formujący

 

Układ 

sterowania 

bramką 

Dzielnik 

częstotliwości 

Generator 

wzorcowy 

Układ 

kasujący

 

Licznik

 

Układ 

ekspozycji 

we 
T

x

 

Dzielnik 

częstotliwości 

10

P

 

1

 

10

 

10

P

 

1

 

10

 

f

wz

 

kT

x

 

τ

w

 

 

 

Rys. 9.12. Schemat blokowy cyfrowego miernika okresu 

 
Błąd metody zawiera 3 składowe: 

 

.

1





+

+

±

=

b

w

fw

f

f

n

x

δ

ε

δ

 (9.28) 

Dwie pierwsze składowe to błąd dyskretyzacji i błąd wzorca (analogicznie jak w 

poprzedniej metodzie), natomiast 

δ

b

 jest błędem bramkowania, wynikającym z 

niedokładności określania momentów początku i końca mierzonego okresu lub kilku 
okresów. 

Dla ułatwienia racjonalnego doboru metody w cyfrowych pomiarach częstotliwości na 

rys. 9.13 przedstawiono wykresy błędów w funkcji częstotliwości obu metod dla 
przypadku typowego miernika częstotliwości o parametrach: f

w

 = 10

Hz, liczba dekad 8 

(N

≈10

8

) błąd wzorca 

ε

fw

/f

w

 = 10

−7

, przy T

w

 = 1 s i 0.1 s oraz k = 1 i 10, 

δ

b

 = 10

−6

.  

Jak widać z wykresu, dla f

x

 

≥ 10 kHz zdecydowanie korzystniejsza jest metoda I, dla 

x

≤ 1 kHz korzystniejsza jest metoda II. W zakresie 1÷10 kHz występują największe błędy 

porównywalne dla obu metod.  

Warto podkreślić, iż układ cyfrowego miernika częstotliwości składa się z tych 

samych bloków funkcjonalnych co cyfrowy miernik czasu. W konfiguracji do pomiaru 
małych częstotliwości (przez pomiar okresu), jest on niemal identyczny z miernikiem 
czasu. 

background image

11 

Dlatego też większość współczesnych mierników cyfrowych umożliwia pomiar 

częstotliwości, czasu i przesunięcia fazowego. Typowym przykładem mierników tego typu 
jest badany w ćwiczeniu częstościomierz/czasomierz cyfrowy typ HP-53131A firmy 
Hewlett- Packard. 

 

 

10

-1

 

10

-2

 

10

-3 

10

-4 

10

-5 

10

-6 

10

-7 

10

-8

 

1  

 

 10  10

2  

10

3  

10

4  

10

  

10

6

  

 

10

7  

10

8

     f

x

  

II metoda

 

I metoda

 

k=1

 

k=10

 

T

w

=0.1s

 

T

w

=1s

 

δ

w

=10

-7

 

δ

b

=10

-6

 

δ

=f

/kf

w

 

δ

δ

 

 

 

Rys. 9.13. Krzywe ilustrujące dokładność obu cyfrowych metod pomiaru częstotliwości dla różnych 

zakresów częstotliwości mierzonych 

9.2.3. Obsługa przyrządu HP 53131A 

 

1. Klawisze wyboru funkcji pomiaru 

  9. Klawisze odtworzenia, zapisu 

2. Klawisze wyboru funkcji kontroli 

      konfiguracji, drukowania 

3. Klawisze wyboru funkcji matematycznych  10. Konfiguracja sterowania bramką 
4. Klawisz zmiany znaku (+/-) 

11. Klawisze sterowania pomiarami 

5. Klawisze wprowadzania danych 

12. Klawisze ustawiania parametrów 

6. Klawisz zatwierdzenia danych 

      układu wejściowego kanału 1 

7. Kanał 3 (3 GHz) 

− opcja, nie występuje 

13. Klawisze ustawiania parametrów 

8. Wybór dodatkowych narzędzi 

      układu wejściowego kanału 3 

 

Rys. 9.14.  Płyta czołowa przyrządu HP-53131A 

background image

12 

 

Przyrząd HP-53131A firmy Hewlett-Packard służy do pomiaru czasu, okresu  oraz 

częstotliwości sygnałów w dwóch kanałach pomiarowych. Dzięki wbudowanemu 
mikroprocesorowi mierzone i obliczane są również dodatkowe parametry związane z 
doprowadzonymi do przyrządu sygnałami. Sterowanie wyborem mierzonej wielkości 
zostało ułatwione przez zastosowanie wyświetlacza alfanumerycznego oraz systemu menu 
związanego z klawiszami funkcyjnymi. Rozwiązanie to charakteryzuje się stosunkowo 
niewielką liczbą klawiszy na płycie czołowej (rys. 9.14), pogrupowanych funkcjonalnie. 

9.2.3.1. Grupa wyboru wartości mierzonej 

Pierwsza grupa wyboru mierzonej funkcji (pole MEASURE) liczy cztery klawisze: 

•  menu pomiarów częstotliwości i ich stosunku  − klawisz Freq&Ratio 
•  menu pomiarów czasu i okresu 

− klawisz Time&Period 

•  menu pozostałych  pomiarów 

− klawisz Other Meas 

•  menu sterowania czasem otwarcia bramki 

− klawisz Gate&ExtArm 

Wyboru jednej z funkcji pomiaru częstotliwości dokonuje się naciskając klawisz 

Freq&Ratio. Na wyświetlaczu pojawiać się będą kolejno napisy określające funkcje: 
•  pomiar częstotliwości w kanale 1  

 

FREQUENCY 1 

•  pomiar częstotliwości w kanale 2  

 

FREQUENCY 2 

•  stosunek częstotliwości 1 do 2   

 

RATIO 1 TO 2 

•  stosunek częstotliwości 2 do 1   

 

RATIO 2 TO 1 

Po wybraniu żądanej funkcji przyrząd automatycznie przystąpi do pomiarów. Następne 
dwie grupy menu są obsługiwane na takich samych zasadach. 

Druga grupa funkcji związanych z klawiszem Time&Period obejmuje: 

•  pomiar odcinka czasu 1 → 2 

 

 

TI   1  TO  2 

•  pomiar okresu w kanale 1 

 

 

PERIOD 1 

•  pomiar czasu narastania impulsu 

 

 

RISETIME 1 

•  pomiar czasu opadania impulsu   

 

FALLTIME 1 

•  pomiar czasu trwania impulsu   

 

POS WIDTH 1 

•  pomiar czasu pomiędzy impulsami 

 

NEG WIDTH 1 

Pomiary te (oprócz pierwszej pozycji) są wykonywane dla sygnału doprowadzonego do 
kanału pierwszego przyrządu. 

Trzecia grupa funkcji 

− wybór klawiszem Other Meas

•  pomiar ilości impulsów  

 

 

TOTALIZE 1 

•  pomiar przesunięcia fazowego   

 

PHASE 1 TO 2 

•  pomiar wypełnienia przebiegu w kanale 1 

DUTYCYCLE 1 

•  pomiar napięcia szczytowego w kanale 1  

VOLT PEAKS 1 

•  pomiar napięcia szczytowego w kanale 2  

VOLT PEAKS 2 

Czwarty klawisz grupy funkcji pomiarowych służy do wyboru trybu sterowania 

czasem otwarcia bramki. Sposób postępowania różni się jednak od opisanego poprzednio. 
Po naciśnięciu klawisza pojawi się jeden z napisów: 
•  ręcznie dobierany czas otwarcia bramki   

GATE: TIME 

•  automatyczny dobór czasu otwarcia bramki  

GATE: AUTO 

•  sterowanie bramki sygnałem zewnętrznym 

GATE: EXTERNAL 

•  czas otwarcia proporcjonalny do ilości cyfr 

GATE: DIGITS 

background image

13 

Zmiany pomiędzy pozycjami menu dokonuje się przez naciskanie klawiszy kursorów 

umieszczonych z prawej strony wyświetlacza. Po wybraniu automatycznie dobieranego 
czasu otwarcia bramki wystarczy nacisnąć klawisz Run i przyrząd będzie wykonywał 
pomiary według tej nastawy. Natomiast dla pozostałych pozycji menu należy nacisnąć 
ponownie klawisz Gate&ExtArm, by pojawiła się możliwość ustawienia parametrów 
wybranego trybu pracy.  

W  ćwiczeniu wykorzystywany jest tryb ręcznego doboru czasu otwarcia bramki i 

tylko on będzie omówiony. Po ponownym naciśnięciu klawisza Gate&ExtArm 
wyświetlany jest czas otwarcia bramki w postaci napisu TIME i jego aktualnej wartości. 
Prezentowaną liczbę można edytować za pomocą klawiszy kursorów. Klawisze 

← i → 

służą do zmiany pozycji kursora, a klawisze 

↑ i ↓ do zmiany wartości edytowanej cyfry. Po 

ustaleniu nowej wartości czasu otwarcia bramki należy ją zatwierdzić naciskając klawisz 
Enter. Następnie pomiary uruchamia się przez naciśnięcie klawisza Run

9.2.3.2. Grupa funkcji kontroli wartości mierzonej 

Przyrząd ma wbudowany mechanizm kontroli wartości mierzonej, polegający na 

wykrywaniu sytuacji przekroczenia wartości mierzonej poza wyznaczone granice. 
W grupie tej znalazły się tylko dwa klawisze umieszczone w polu LIMITS. Pierwszy z 
nich 

−  Uppr & Lower  służy do wprowadzania wartości granic: górnej i dolnej.  Po 

naciśnięciu tego klawisza pojawia się napis UPPR: 0.000000. Korzystając z klawiszy 

←, 

→,  i ↓, można ustawić górną granicę. Wprowadzoną wartość zatwierdza się klawiszem 
Enter. Po ponownym naciśnięciu klawisza Upper&Lower pojawia się napis: LOWR: 
0.000000
 i można ustawić granicę dolną. Po wprowadzeniu wartości granic należy 
nacisnąć klawisz Run

Drugi klawisz umieszczony w polu Limits  służy do ustawienia trybu pracy funkcji 

kontroli wartości. Po naciśnięciu tego klawisza pojawia się jeden z napisów związanych 
z trybem pracy i aktualnym ustawieniem. Z każdym trybem pracy są związane dwa stany 
ustawienia: 
•  włączenie / wyłączenie funkcji kontroli   

LIM: TEST: OFF 

 

 

 

 

 

 

LIM: TEST: ON 

•  zatrzymanie pomiarów po przekroczeniu wartości mierzonej jednej z granic 

 

 

 

 

 

 

ON FAIL: GO ON 

 

 

 

 

 

 

ON FAIL: STOP 

•  prezentacja wyników kontroli   

 

SHOW: NUMBER 

 

 

 

 

 

 

SHOW: GRAPH 

Przełączanie pomiędzy stanami trybu pracy uzyskiwane jest przez naciskanie klawiszy 

oznaczonych strzałkami. Po wybraniu trybu należy nacisnąć klawisz Run, by wznowić 
wykonywanie pomiarów. W trybie zatrzymania pomiarów po przekroczeniu granicy przez 
wartość zmierzoną, by wznowić pomiary, również należy nacisnąć klawisz Run

9.2.3.3. Grupa funkcji matematycznych 

Grupa funkcji matematycznych obejmuje operacje wykonywania czynności 

przeskalowania każdego wyniku pomiaru oraz obliczenia statystyczne. Klawisze 
obsługujące funkcje matematyczne znajdują się na polu MATH.  

background image

14 

Klawisz  Scale&Offset obejmuje ustawienia wartości związanych ze skalowaniem 

wyniku. Automatyczne obliczenia są wykonywane wg zależności:  wynik = (pomiar 
mnożnik) + przesunięcie. Nominalnie po włączeniu zasilania mnożnik jest równy 
jedności, a przesunięcie wynosi zero. Naciskając klawisz Scale&Offset uzyskuje się 
pozycje menu: 
•  ustawianie wartości mnożnika  

 

SCAL: 1.000000 

•  ustawianie wartości przesunięcia   OFFS: 0.000000 
•  pobranie ostatnio pomierzonej wartości  

SET OFFSET?   

i jej wyświetlenie oraz użycie jako nowej 
wartości przesunięcia 

•  włączenie / wyłączenie obliczeń  

 

MATH: OFF 

 

 

 

 

 

 

MATH: ON 

•  wzór na obliczanie wyniku 

 

 

MATH HELP? 

Pierwsze dwie pozycje obejmują ustawianie wartości w podobny sposób jak przy 

ustawianiu granic kontroli. Ustawienie wartości przesunięcia bieżącym pomiarem 
następuje po naciśnięciu klawisza Enter. Włączanie i wyłączanie funkcji obliczeń 
wykonuje się klawiszami kursorów.  Wybranie funkcji pomocy i naciśnięcie klawisza 
Enter spowoduje wyświetlenie napisu: (MEAS x SCALE)+OFFS = RESULT 
opisującego przeprowadzane obliczenia. 

Klawisz Stats dotyczy menu funkcji obliczeń statystycznych. Menu to obejmuje: 

•  rodzaj wyświetlanej wartości na wyświetlaczu: 
 

− wartość odchyłki standardowej 

 

SHOW: STD DEV 

 

− wartość średnią 

  

 

 

SHOW: MEAN 

 

− wartość maksymalną  

 

 

SHOW: MAX 

 

− wartość minimalną   

 

 

SHOW: MIN 

 

− wartość aktualną  

 

 

 

SHOW MEAS 

•  ilość pomiarów wchodząca do obliczeń   

N: 

•  włączanie, wyłączanie obliczeń   

 

STATS: ON 

 

 

 

 

 

 

STATS: OFF 

•  obliczenia z wartości mieszczących się w zadanych granicach  

USE: IN LIMIT 

  lub z wszystkich pomiarów  

 

 

 

 

USE: ALL MEAS 

•  konfigurację klawisza „Stop/Single”  
  do wykonania pojedynczego pomiaru    

ON SINGLE: 1 

 lub 

całej serii N pomiarów 

 

 

ON SINGLE: N 

Zasady ustawiania są podobne jak dla poprzednich menu. W trakcie wykonywania 
pomiarów i prezentacji obliczeń statystycznych klawisze  

↑ i ↓ służą do szybkiej zmiany 

wyświetlanej wielkości. 

9.2.3.4. Konfiguracja wejścia 

W polach oznaczonych CHANNEL 1 i CHANNEL 2 znajdują się klawisze służące 

do ustawiania parametrów układów wejściowych. Cztery z nich są prostymi 
przełącznikami, natomiast z klawiszem Trigger/Sensitivity związane jest menu ustalające 
szereg parametrów układu formującego sygnał wejściowy: 
•  wybór 

automatycznie 

   AUTO TRG: ON 

 lub 

ręcznie ustalanego progu wyzwalania 

 

AUTO TRG: OF 

background image

15 

•  dla ustalanego ręcznie progu wyzwalania  

LEVEL: 0.0000V 

 

− ustalenie wartości napięcia progowego  

•  dla automatycznie ustalanego progu 

 

LEVEL: 50 PCT 

 wyzwalania 

− ustalenie procentowej  

 wartości progu wyzwalania 
•  rodzaj zbocza wyzwalającego: narastające 

SLOPE: POS 

  

opadające 

SLOPE: NEG 

•  czułość wejścia: wysoka 

SENSITIVITY: HI 

  

niska 

SENSITIVITY: LO 

   

średnia 

SENSITIVITY: MED 

•  dla pomiaru czasu TI 1 TO 2 przełącznik 

COMMON 1: OFF 

 wejścia kanału pierwszego jako wspólnego 

COMMON 1: ON 

  dla generacji sygnału startu i stopu 

Zasady wyboru i przełączania są podobne jak w poprzednich punktach. Wyjaśnienia 

wymaga jedynie określenie czułości wejścia. Jest to parametr określający najmniejszą 
wartość amplitudy sygnału wejściowego, dla której w obwodzie wejściowym jest 
kształtowany przebieg cyfrowy pozwalający na prawidłową pracę przyrządu, 
sygnalizowaną migającą diodą LED umieszczoną obok klawisza Trigger/Sensitivity. 
Zmniejszenie czułości pozwala na eliminację zakłóceń występujących w sygnale 
wejściowym, np. dodatkowego zafalowania o mniejszej amplitudzie w stosunku do 
amplitudy sygnału wejściowego. 

Pozostałe cztery przełączniki to: 

1) przełącznik wejście wysokoomowe (1 M

Ω) / niskoomowe (50 Ω), 

2) przełącznik  DC/AC
3) włącznik tłumika wejściowego 10x
4) włącznik filtru dolnoprzepustowego 100 kHz

9.2.4. Słownik terminologii angielskiej 

attenuation 

−  tłumienie 

duty cycle 

− wypełnienie 

falltime 

− czas opadania 

frequency 

− częstotliwość 

limit 

− granica 

period 

− okres 

phase 

− faza 

ratio 

− stosunek 

risetime 

− czas narastania 

sensitivity 

− czułość 

slope 

− zbocze 

9.3. Wykaz sprzętu pomiarowego 

1.  Oscyloskop HM 303-6 
2.  Licznik uniwersalny HP 53131A 
3.  Generator HM 8131-2 

background image

16 

4.  Generator HM 8032 
5.  Generator impulsowy HM 8035 
6. Laboratoryjny układ przesuwnika fazowego 
7. Laboratoryjny układ do obserwacji krzywych cykloidalnych 
8. Laboratoryjny układ przerzutników monostabilnych 
9. Przewody połączeniowe: 4xBNC-BNC, 2x BNC-bananki 

10.  Trójnik BNC, 2 zaciski laboratoryjne 

9.4. Zadania pomiarowe 

9.4.1. Oscyloskopowe pomiary częstotliwości i fazy 

Oscyloskop może służyć do pomiaru częstotliwości i fazy. Należy jednak zdawać 

sobie sprawę z dużych błędów popełnianych podczas tych pomiarów. W zadaniach 
pomiarowych przedstawione zostaną dwie najczęściej wykorzystywane metody pomiaru 
częstotliwości oraz dwie metody pomiaru kąta przesunięcia fazowego. Dodatkowo zostanie 
przedstawiona metoda pomiaru częstotliwości z zastosowaniem krzywych cykloidalnych. 

9.4.1.1. Pomiar częstotliwości metodą pomiaru okresu 

 

  Generator HM 8131-2 
 
  f = 2 kHz 
  U=7 Vpp 

  Oscyloskop  HM 303-6 
                      
      CH1

 

      1V/cm

 

przewód 

BNC-BNC 

 

 

Rys. 9.15. Pomiar częstotliwości oscyloskopem 

 
Połączyć układ pomiarowy przedstawiony na rys. 9.15. Przed rozpoczęciem pomiarów 

należy przygotować oscyloskop do pracy (bardziej szczegółowy opis oscyloskopu HM 
303-6 znajduje się w dodatku D1): 
1

° wybrać kanał CH1 − przełączniki CHI/II, DUAL i ADD wyciśnięte, 

2

° wybrać automatyczną podstawę czasu − przełącznik AT/NM wyciśnięty, 

3

° sprawdzić czy płynna regulacja podstawy czasu znajduje się w pozycji 

kalibrowana – skrajna prawa pozycja, 

4

° sprawdzić, czy jest wyłączone dodatkowe wzmocnienie w kanale X i Y – przełączniki 

X-MAG. x 10 i Y-MAG. x 5 wyciśnięte, 

5

° sprawdzić, czy jest wyłączony tryb testowania elementów – przycisk COMP. TESTER 

ON/OFF wyciśnięty. 

Ustawić częstotliwość generatora HM 8131-2 równą 2 kHz, napięcie wyjściowe 

7 Vpp, rodzaj przebiegu – sinusoidalny. 

W celu ustawienia częstotliwości nacisnąć klawisz 

FREQ. wprowadzić z klawiatury liczbę 2000 a następnie 
nacisnąć klawisz Hz/mV

Tablica 9.1 

X

T

 

cm 

 

D

tx

 

ms/cm 

 

f

x

 

Hz 

 

δ

fx

 

 

 

Aby ustawić napięcie wyjściowe nacisnąć klawisz 

AMPL. wprowadzić z klawiatury liczbę 7 i nacisnąć 
klawisz  kHz/V (dokładny opis generatora Hameg 
HM 8131-2 zawarty jest w dodatku D2).  

background image

17 

Ustawić optymalną wartość współczynnika podstawy czasu oscyloskopu tak, by na 

ekranie zmieścił się jeden okres sinusoidy uzyskanej z generatora. 

Zmierzyć okres obserwowanego przebiegu, zapisując w tablicy 9.1 wynik pomiaru X

T

  

w centymetrach oraz wartość wybranego współczynnika podstawy czasu D

tx

9.4.1.2. Pomiar częstotliwości metodą figur Lissajous 

Zmontować układ pomiarowy pokazany na rys. 9.16. Ustawić tryb pracy XY 

oscyloskopu (wciśnięty klawisz XY). 

Ustawić na generatorze HM 8032 częstotliwość 200 Hz wybierając odpowiedni zakres 

pokrętłem  FREQUENCY i korzystając z pokrętła płynnej regulacji częstotliwości  
VARIABLE. Pokrętłem  AMPL. ustawić maksymalne napięcie wyjściowe. Ustawić na 
generatorze HM 8131-2 częstotliwość 400 Hz i napięcie wyjściowe 7 Vpp.  

 

  Generator HM 8131-2 
 
  

f = 400 Hz 

  U = 7 Vpp 

 

  Oscyloskop HM 303-6 

 CH1 (X)  CH2 (Y)

 

 1 V/cm    1 V/cm

 

Generator HM 8032 
 

f = 200 Hz 

 

50 

 

OUTPUT

 

 

 

Rys. 9.16. Pomiar częstotliwości metodą krzywych Lissajous 

 

Zaobserwować krzywe Lissajous dla częstotliwości generatora HM 8032: 200 Hz, 

300 Hz, 400 Hz, 600 Hz, 800 Hz. W celu uzyskania nieruchomego obrazu zmieniać w 
małych granicach częstotliwość generatora HM 8131-2. 

Niewielkie zmiany częstotliwości generatora uzyskujemy po naciśnięciu klawisza 

FREQ.  a następnie ustawieniu kursora na wyświetlaczu generatora za pomocą klawiszy 
3cur4 na pozycji  0.01  lub 0.001 Hz i regulację częstotliwości pokrętłem. 

Odrysować 2 wybrane figury dla częstotliwości różnych od 400 Hz. 

9.4.1.3. Obserwacja przebiegów cykloidalnych (zadanie dodatkowe) 

Połączyć układ jak na rysunku 9.17.  

 

  Generator HM 8032 
 

 
f = 600 Hz 

  Oscyloskop HM 303-6 

 CH1 (X)    CH2 (Y)

 

 0.5 V/cm   0.5 V/cm

 

Generator HM 8131-2 
 

f = 1200 Hz 
U = 7 Vpp

 

50 

 

OUTPUT

 

F

1

                       X 

 

F

2

                      Y 

50 

 

OUTPUT

 

 

Rys. 9.17. Schemat podłączenia układu do wizualizacji krzywych cykloidalnych 

background image

18 

Ustawić na generatorze HM 8032 częstotliwość 600 Hz i maksymalne napięcie 

wyjściowe, a na HM 8131-2 - 1200 Hz. Przełącznik w układzie laboratoryjnym ustawić na 
obserwację epicykloid.  

Zaobserwować oscylogramy epicykloid dla częstotliwości generatora HM 8131-2 od 

600 Hz do 3000 Hz. Zwrócić uwagę na figury o małej ilości pętli (częstotliwości 1200, 
1800, 2400, 3000 Hz). Sprawdzić wpływ napięcia wyjściowego na kształt figur.  

Odrysować jedną dowolnie wybraną figurę, zanotować wartości częstotliwości 

wskazywane przez oba generatory. Następnie przełączyć układ na obserwację hipocykloid. 
Powtórzyć obserwacje dla tego samego zakresu częstotliwości. Również odrysować jedną 
figurę i zanotować częstotliwości obu generatorów. 

9.4.1.4. Pomiar przesunięcia fazowego oscyloskopem dwukanałowym 

 

  Generator HM 8131-2 
 
  

 

  

f = 1000 Hz

 

  Oscyloskop HM 303-6 

      

CH2  1 V/cm 

      

CH1  1 V/cm

 

50 

 

OUTPUT

 

 

 

Rys. 9.18. Pomiar kąta przesunięcia fazowego oscyloskopem dwukanałowym 

 
Pomiaru dokonać w układzie pomiarowym pokazanym na rys. 9.18. Przed 

rozpoczęciem pomiarów należy: 
1

° ustawić częstotliwość generatora HM 8131-2 na 1 kHz, 

2

° wyłączyć pracę  XY i ustawić pracę dwukanałową oscyloskopu w trybie siekanym 

CHOP. Tryb ten włącza się wciskając jednocześnie klawisze DUAL i ADD

3

° ustawić linie zerowe w kanałach CH1 i CH2 w pozycji y = 0 cm, 

4

° ustawić optymalną wartość współczynnika podstawy 

czasu oscyloskopu tak, by na ekranie zmieścił się jeden 
okres sinusoidy uzyskanej z generatora, 

5

° regulując współczynnik wzmocnienia kanału  CH1 

regulacją  płynną i skokową doprowadzić do jednakowej 
amplitudy przebiegów z obu kanałów, 

6

° zwiększyć napięcie z generatora tak, by uzyskać wysokość 

obrazu na ekranie ok. 8 cm. 

Tablica 9.2 

x

T

 

cm 

 

x

τ

 

cm 

 

ϕ

 

° 

 

δϕ

 

 

 

W tablicy 9.2 zanotować:  x

T

 

− okres sinusoidy kreślonej na ekranie i x

τ

 

− odcinek 

proporcjonalny do kąta przesunięcia fazowego. 

9.4.1.5. Pomiar przesunięcia fazowego  
 metodą figur Lissajous 

W układzie jak na rys. 9.18 ustawić tryb pracy XY 

oscyloskopu. Regulując napięcie wyjściowe generatora 
HM 8131-2 ustalić wysokość figury na około 8 cm. Zmieniając 
w sposób płynny wzmocnienie kanału  CH1, który w trybie 
pracy XY połączony jest w z torem X, ustalić szerokość figury 
na około 8 cm. 

Tablica 9.3 

2x

m

 cm 

 

2x

0

 cm 

 

ϕ

 

° 

 

δ

ϕ

 

 

Zmierzyć  kąt przesunięcia fazowego notując wartości 2x

m

 i 2x

0

 w tablicy 9.3. Po 

zakończeniu pomiaru ustawić pokrętło płynnej regulacji wzmocnienia w pozycji CAL

background image

19 

9.4.1.6. Obliczenie teoretycznego przesunięcia fazowego 

Zanotować wartości  R  = ........... i C  = ........... zastosowanego układu całkującego 

w poprzednich punktach pomiarowych. Dla częstotliwości generatora f = 1 kHz obliczyć 
wartość teoretyczną kąta przesunięcia fazowego 

ϕ, wiedząc że: 

RC

ω

ϕ

=

)

(

tg

,   

f

π

ω

2

=

.........

=

teor

ϕ

 

9.4.2. Cyfrowe metody pomiaru czasu, częstotliwości i fazy 

Zadania pomiarowe mają na celu poznanie właściwości nowoczesnego uniwersalnego 

przyrządu HP-53131A oraz zaprezentowanie wybranych metod cyfrowego pomiaru czasu, 
częstotliwości i fazy. Przyrząd ten ma wewnątrz mikroprocesor, stąd szereg wyników 
pomiarów jest uzyskiwanych na podstawie obliczeń z prostych pomiarów sygnału 
wejściowego. 

9.4.2.1. Pomiary czasu trwania i okresu powtarzania impulsów 

Przyrząd HP-53131A ma kilka funkcji służących do pomiaru typowych parametrów 

przebiegu złożonego z prostokątnych impulsów. Połączyć układ jak na rysunku 9.19. 

 

 

  Oscyloskop HM 303-6 
 
 

CH1 

 

  Generator HM 8035 

 

 

FREQUENCY 200 Hz 

WIDTH 20 ms 

  HP 53131A 
 

                            

CH1 

- AMPL + 

OUTPUTS 

50 

 

 

 

Rys. 9.19. Układ pomiaru parametrów czasowych impulsów prostokątnych  

 
W generatorze impulsów HM 8035 należy ustawić parametry: 

•  zakres napięcia  2 V - klawisz 2V/5V  w pozycji wyciśniętej , 
•  przełącznik odwracania impulsu          w pozycji wyciśniętej,  

 

•  pokrętło skokowej regulacji częstotliwości  FREQUENCY w pozycji 200, pokrętło 

płynnej regulacji częstotliwości w prawej skrajnej pozycji,  

•  pokrętło szerokości impulsu WIDTH w pozycji 20 ms, pokrętło płynnej regulacji 

szerokości impulsu w prawej skrajnej pozycji, 

•  pokrętło płynnej regulacji amplitudy w prawej skrajnej pozycji. 

Oscyloskop w układzie pełni rolę kontrolną do obserwacji generowanego przebiegu. 

Należy dobrać parametry wzmocnienia w kanale Y oraz szybkość podstawy czasu, tak by 
na ekranie mieścił się jeden okres przebiegu. Naciskając klawisz Time&Period wybrać 
pomiar okresu PERIOD 1. Zanotować zmierzoną wartość okresu powtarzania impulsów 
w tablicy 9.4. 

Ustawić pomiar czasu trwania impulsu POS WIDTH 1 i zanotować zmierzoną wartość. 

Przy pomocy funkcji NEG WIDTH 1 zmierzyć i zanotować czas pomiędzy impulsami.  

background image

20 

Przyrząd HP-53131A posiada funkcję pomiaru współczynnika wypełnienia wybieraną 

z menu  Other Meas. Wybrać należy  DUTYCYCLE 1. Pomierzoną wartość 
współczynnika wypełnienia wpisać do tablicy 9.4. 

Tablica 9.4 

Okres powtarzania impulsów 

µ

 

Czas trwania impulsu 

µ

 

Czas trwania odstępu między impulsami 

µ

 

Współczynnik wypełnienia zmierzony 

 

 

Współczynnik wypełnienia obliczony  

 

 

9.4.2.2. Pomiar czasu  

Przyrząd HP 53131A posiada funkcję pomiaru czasu pomiędzy wystąpieniem sygnału 

START w kanale 1 a sygnałem STOP w kanale 2. W ćwiczeniu będą mierzone w układzie 
laboratoryjnym pokazane na rys. 9.20 czasy trwania impulsów. 

 

T

1

 

t       CH1 

T

2

 

generator 

t        CH2 

T

1+2

 

przerzutnik 1 

przerzutnik 2 

 

Rys. 9.20. Przebiegi czasowe w układzie laboratoryjnym 

Układ laboratoryjny zbudowany jest na bazie układu scalonego 74123, zawierającego 

dwa monostabilne przerzutniki o ustalonych czasach trwania impulsów T

1

 i T

2

Pierwszy przerzutnik jest wyzwalany narastającym zboczem przebiegu prostokątnego 

z generatora, podanego na wejście układu laboratoryjnego, a drugi opadającym zboczem 
impulsu generowanego przez pierwszy przerzutnik. Drugi przerzutnik generuje krótki 
impuls na wyjściu układu. 

Połączyć układ pomiarowy jak na rys. 9.21. Przed dołączeniem do układu 

laboratoryjnego ustawić napięcie wyjściowe zasilacza na 5 V. Nastawy generatora 
impulsów HM 8035 pozostawić analogiczne jak w p. 9.4.2.1, zwracając szczególną uwagę 
na wyciśnięcie klawisza 2V/5V

UWAGA!!!  W pozycji wciśniętej klawisza 2V/5V generator wytwarza przebiegi o 

amplitudzie do 10V, natomiast dopuszczalne napięcie wejściowe układu scalonego 74123 
wynosi 5 V. 

 

background image

21 

 
 

  Generator HM 8035 

 

 

 FREQUENCY 200Hz 
 WIDTH  20 ms

 

  HP 53131A 
 

                     

CH1 CH2 

WE                          WY 

- AMPL + 

OUTPUTS 

50 

 

+5 V 

Zasilacz 
 BS 525

 


 

 

Rys. 9.21. Układ pomiaru czasu 

 
Klawiszem Time&Period wybrać funkcję pomiaru czasu "TI 1 TO 2". Zapisać czas 

trwania impulsu pierwszego przerzutnika 74123: 

T

1

 = .......... . 

Zmienić w układzie rodzaj zbocza zatrzymującego pomiar czasu. W tym celu należy 

nacisnąć klawisz Trigger/Sensitivity w polu ustawień dla kanału CH2, aż pojawi się napis 
SLOPE: POS. Klawiszem kursora zmienić napis na SLOPE: NEG, co oznacza aktywne 
opadające zbocze sygnału wejściowego. Nacisnąć klawisze Enter i Run. Przy takim 
ustawieniu pomierzony zostaje łączny czas trwania impulsów obu przerzutników: 

T

1+2

 = .......... .  

Obliczyć i zapisać czas trwania impulsu drugiego przerzutnika monostabilnego: 

T

2

 = 

........... .  

Ponownie ustawić wyzwalanie narastającym zboczem sygnału w kanale CH2

9.4.2.3. Badanie metody cyfrowego pomiaru częstotliwości 

Do wejścia przyrządu HP-53131A doprowadzić sygnał z generatora HM 8131-2 jak 

na rys. 9.22. Na generatorze ustawić częstotliwość 5000 Hz oraz napięcie wyjściowe 3 
V pp.  

W przyrządzie HP 53131A naciskając klawisz Other Meas przełączyć rodzaj pracy 

na TOTALIZE 1.  
 

 

  Generator HM 8131-2 

 

 

50 

 

 f=5000 Hz                OUTPUT 
 U=3 Vpp 

  HP 53131A 
 

     

CH1 

 

Rys. 9.22. Układ pomiaru częstotliwości 

 

W tym trybie pracy przyrząd HP-53131A pokazuje ilość impulsów zliczonych przez 

licznik częstościomierza  n przy zadanym czasie otwarcia bramki T

p

. Ponieważ czas 

background image

22 

otwarcia bramki w tym przyrządzie można zmieniać, zatem daje się doświadczalnie 
sprawdzić zależność (9.22).  

Czas otwarcia bramki ustawia się w następujący sposób: Nacisnąć klawisz 

Gate&ExtArm. Klawiszami kursorów zmienić menu aż do pojawienia się napisu GATE: 
TIME
. Nacisnąć ponownie klawisz Gate&ExtArm. Pojawi się napis: TIME: 0.100 s

Za pomocą klawiszy kursorowych zmienić wartość prezentowanej wartości czasu 

otwarcia bramki. Po ustaleniu nowej wartości nacisnąć klawisze Enter i Run. Pomiary 
należy wykonać dla czasów otwarcia bramki podanych w tablicy 9.5. Dla ostatniej rubryki 
wykonać pomiar i wpisać wyniki z ustaloną dowolną wartością czasu otwarcia bramki z 
zakresu 1 

÷ 10 s. 

Tablica 9.5 

T

p

 

s 0,001 

0,01 0,1  1  10 100   

 

 

 

 

 

 

 

 

f

x

 

Hz 

 

 

 

 

 

 

 

δ

dyskr

.

 

 

 

 

 

 

 

 

Po zakończeniu pomiarów ustawić czas otwarcia bramki na 0,1 s. 

9.4.2.4. Pomiary stosunku dwóch częstotliwości 

Uzupełnić układ pomiarowy z rys. 9.22 przez dołączenie generatora HM 8032 do 

drugiego wejścia HP-53131A (CHANNEL 2).  

Ustawić częstotliwość generatora HM 8032 na 200 Hz a napięcie na wartość 

maksymalną. 

Wykonać pomiar częstotliwości z wejścia 1 (napis FREQUENCY 1) i zapisać wynik 

pomiaru w tablicy 9.6. Następnie przejść do pomiaru 
częstotliwości na wejściu 2: przycisk Freq&Ratio i 
napis FREQUENCY 2. Zanotować wynik w tablicy.  

Tablica 9.6 

f

1

 Hz 

 

f

2

 

Hz 

 

f

1

/f

2

 pomierzone 

   

 

f

2

/f

1

 pomierzone 

 

 

f

1

/f

2

 obliczone

 

 

 

 

Obliczyć stosunek częstotliwości f

1

/f

2

 i zapisać 

w tablicy 9.6. Przyrząd wykonuje również 
obliczenia tego typu.  

Wybrać z menu Freq&Ratio – 

RATIO 1 TO 2, wykonać pomiar a następnie 
wybrać pomiar RATIO 2 TO 1. Wyniki pomiarów 
zanotować w tablicy 9.6. 

9.4.2.5. Kontrola częstotliwości 

Przyrząd HP-53131A ma możliwość kontroli częstotliwości, podczas której wartość 

mierzoną porównuje z zadanymi granicami i sygnalizuje ich przekroczenie.  

Pozostawić układ pomiarowy z poprzedniego punktu. Przełączyć przyrząd HP-

53131A na pomiar częstotliwości w kanale 1.  

Ustawić górną granicę częstotliwości na 5500 Hz. Aby to wykonać, należy nacisnąć 

klawisz  Uppr&Lower, aż pojawi się napis UPPR: 0.00000. Wartość górnej granicy 
ustawia się za pomocą kursorów, zatwierdza klawiszem Enter. Następnie ustawić dolną 
granicę na 4500Hz 

− pozycja LOWR: 0.00000.  

background image

23 

Po wprowadzeniu obu wartości należy zaprogramować tryb pracy. Nacisnąć klawisz 

Run. Wybrać tryb graficzny prezentacji wyników kontroli. Klawiszem Limit Modes 
ustawić  SHOW: NUMBER, klawiszami kursorów zmienić na SHOW: GRAPH i 
zatwierdzić klawiszem Run.  

Ustawić częstotliwości na generatorze HM 8131-2 z tablicy 9.7. W trzeciej kolumnie 

narysować sposób sygnalizowania na wyświetlaczu przyrządu określonej sytuacji. 

Po zakończeniu  ćwiczenia wyłączyć tryb kontroli częstotliwości: naciskając klawisz 

Limits Mode wybrać napis LIM: TEST: ON i klawiszami kursorów zmienić na LIM:  
TEST: OFF
, nacisnąć klawisz Run

Tablica 9.7 

Częstotliwość Sytuacja 

Sygnalizacja 

3000 Hz 

f << f

low

 

 

4300 Hz 

f

low

 

 

5000 Hz 

f

low

 < f < f

high

  

 

5700 Hz 

f > f

high

 

 

7000 Hz 

f >> f

high

 

 

9.4.2.6. Cyfrowy pomiar stabilności częstotliwości drgań generatorów 

Przyrząd HP-53131A posiada umiejętność wykonywania serii pomiarów 

i dokonywania  obliczeń statystycznych. Ta właściwość zostanie wykorzystana do 
porównania stabilności generatora RC HM 8032 i generatora z cyfrową syntezą 
częstotliwości HM 8031-2.  

Do kanału CH1 przyrządu HP-53131A dołączyć generator HM 8032, a do kanału 

CH2 generator HM 8031-2. Ustawić częstotliwości pracy 5000Hz na obu generatorach. 

Obsługa obliczeń matematycznych realizowana jest przez klawisze Stats w polu 

MATH na płycie czołowej przyrządu. Nacisnąć przycisk Stats. Pojawi się napis SHOW: 
MEAS
. Klawiszami kursorów zmienić na napis SHOW: STD DEV, wybór pomiaru 
odchyłki standardowej. Ponownie nacisnąć przycisk Stats. Pojawi się liczba próbek N 
N:100. Używając kursorów zmienić wartość  N na 30. Liczbę zatwierdzić naciskając 
klawisz Enter i wystartować pomiar klawiszem Run.  

 

Tablica 9.8 

 

 

HM 8032 

HM 8031-2 

std dev 

Hz 

 

 

f

śr

 Hz   

 

f

max

 Hz   

 

f

min

 Hz   

 

 
Po pojawieniu się liczbowego wyniku pomiaru nacisnąć klawisz Stop/Single

Wyświetlany wynik pomiaru odchyłki standardowej wpisać do tablicy 9.8. Dla tej samej 
serii pomiarowej
 (nie naciskając ponownie klawisza Run) odczytać pozostałe wyniki 
pomiaru: f

śr

 (ang. MEAN),  f

max

,  f

min

.  

background image

24 

W tym celu korzystając z klawiszy kursorów:  i  wybrać kolejno wyświetlaną 

wartość (na chwilę wyświetli się odpowiednio napis MEANMAXMIN). Wyniki zapisać 
do tablicy 9.8 pamiętając o wpisaniu wszystkich cyfr z wyświetlacza. 

Po zmierzeniu parametrów sygnału generatora HM 8032 za pomocą klawisza 

Freq&Ratio zmienić wykonywanie pomiarów na tryb FREQUENCY 2 i wykonać 
analogiczne pomiary sygnału z generatora HM 8031-2.  

Na koniec należy wyłączyć tryb pomiaru parametrów statystycznych. Naciskając 

klawisz  Stats wyświetlić napis STATS: ON, kursorami zmienić na STATS: OFF 
i nacisnąć klawisz Run

9.4.2.7. Cyfrowy pomiar kąta przesunięcia fazowego 

Połączyć układ pomiarowy jak na rys. 9.23. Na generatorze HM 8131-2 ustawić 

częstotliwość 1000 Hz, napięcie wyjściowe 2 Vpp. W celu eliminacji zakłóceń 
spowodowanych składowymi przebiegu o wysokich częstotliwościach w obu kanałach 
przyrządu HP 53131A włączyć filtr dolnoprzepustowy 100 kHz. W obu kanałach powinno 
być ustawione jako aktywne narastające zbocze. 

 

  Generator HM 8131-2 
 

   f=1000 Hz 
   U=2 Vpp 

  HP 53131A 

 

100 kHz 

 Filter

          

CH1       CH2 

 

       

 

 

Rys. 9.23. Cyfrowy pomiar przesunięcia fazowego 

 
Zmierzyć częstotliwość generowanego przebiegu oraz jego okres. Wartości wpisać do 

tablicy 9.9.  

Tablica 9.9 

Hz 

 

T ms 

 

t

0

 ms 

 

ϕ

pom.

 

° 

 

ϕ

obl.

 

° 

 

 
Zmierzyć również czas opóźnienia wprowadzany przez badany układ całkujący. Do 

tego celu użyć funkcji TI 1 TO 2. Obliczyć  kąt przesunięcia fazowego z uzyskanych 
wyników. 

360

0

 

 

T

t

 

 

obl.

=

ϕ

° 

i obliczoną wartość wpisać do tablicy.  

Wykonać pomiar kąta przesunięcia fazowego korzystając z funkcji PHASE 1 TO 2 z 

menu Other Meas

background image

25 

9.5. Opracowanie 

1.   Uzupełnić tablicę 9.1. Obliczyć błąd systematyczny pomiaru częstotliwości korzystając 

z metody różniczki zupełnej wiedząc, że błąd generatora podstawy czasu oscyloskopu 

ε

Dt

/D

t

 wynosi 3%, i przyjmując błąd odczytu z ekranu oscyloskopu 

ε

x

 =1 mm. 

2.   Załączyć rysunki figur Lissajous wykonane w p. 9.4.1.2. uzupełnione graficznym 

opisem sposobu wyznaczenia częstotliwości generatora HM 8032 (dla obu figur). 

3.   Uzupełnić tablice 9.2 i 9.3. Obliczyć maksymalne błędy systematyczne 

ε

ϕ

 

pomiarów 

kąta fazowego stosowanymi w ćwiczeniu metodami. Skorzystać z metody różniczki 
zupełnej. Błąd względny 

δ

ϕ

 pomiaru przesunięcia fazowego wyznaczyć jako stosunek 

obliczonej wartości 

ε

ϕ

 do teoretycznej wartości 

ϕ

teor

.  

Sprawdzić, czy zmierzona wartość kąta przesunięcia fazowego mieści się w granicach 
wyznaczonego błędu względem obliczonej teoretycznej wartości 

ϕ

teor

4.   Obliczyć błąd dyskretyzacji w tablicy 9.5. 

5.   Porównać niestabilność obu generatorów. Policzyć niestabilność względną 

ε

f

/f dla 

generatorów ze wzoru:  

nom

min

max

f

f

f

f

f

=

ε

gdzie: f

max

f

min

 

− 

odpowiednio maksymalna i minimalna wartość częstotliwości w serii 

pomiarów, 

f

nom

   

− 

nominalna wartość częstotliwości generatora

6.  Na podstawie wzorów podanych w części teoretycznej wyznaczyć częstotliwość 

generatora HM 8131-2 z rysunku krzywej epicykloidalnej i hipocykloidalnej (zadanie 
dodatkowe).