WAT – WYDZIAŁ ELEKTRONIKI

INSTYTUT SYSTEMÓW ELEKTRONICZNYCH

Przedmiot: ELEMENTY I MODUŁY SYSTEMÓW POMIAROWYCH

Ćwiczenie nr 2

PROTOKÓŁ / SPRAWOZDANIE

Temat:

LICZNIKI, CZASOMIERZE I CZĘSTOŚCIOMIERZE

Grupa: ............................................................

1. .............................................................

2. .............................................................

3. ..............................................................

4. ..............................................................

Data wykonania ćwiczenia: ..............................

Data oddania sprawozdania: ...........................

Ocena: .............................................................

Prowadzący:

.........................................................................

Opracował:

Grzegorz Nitecki

I

NSTYTUT

S

YSTEMÓW

E

LEKTRONICZNYCH

WEL

WAT

2

Wykaz przyrządów pomiarowych na stanowisku I

Nazwa przyrządu

Typ

Numer seryjny

Częstościomierz badany

PFL20

32779

Częstościomierz wzorcowy

Generator cyfrowy

HP33120A

Generator w.cz

Wykaz przyrządów pomiarowych na stanowisku II

Nazwa przyrządu

Typ

Numer seryjny

Częstościomierz badany

PFL22

53060

Generator funkcji

Oscyloskop 2-kanałowy

Oscyloskop 2-kanałowy

3

STANOWISKO I

Badanie właściwości i parametrów podstawowych modułów częstościomierzy cyfrowych.

1.

Badanie układu generacji częstotliwości wzorcowych

Układ pomiarowy zgodnie z rys. 1.1.

Częstościomierz

wzorcowy

Wyj. z generatora wewnętrznego
f

wz

=10MHz

Wyj. częstotliwości wzorcowych
z dzielnika

Częstościomierz

badany

Generator

cyfrowy

wej. B

1V

pp

Rys. 1.1. Układ do badania stabilności częstotliwości wzorcowych i jej wpływu

na dokładność pomiarów

Uwaga:
Symbolem

oznaczono zagadnienia do omówienia we wnioskach z ćwiczenia

laboratoryjnego.

 Dokonać pierwszego pomiaru częstotliwości wzorcowej z wyjścia generatora

wewnętrznego (f

wz

=10MHz) częstościomierza badanego, tabela 1.1;

 Wykonać pomiary częstotliwości wzorcowych z wyjścia dzielnika częstotliwości,

zmieniając stopień podziału, wg tabeli 1.1;

 Pomiary wykonywać częstościomierzem dokładnym o wysokiej stabilności wzorca;
 Odłączyć częstościomierz wzorcowy;
 Ustawić przebieg o parametrach podanych w tabeli 1.2 i podłączyć generator cyfrowy

na wejście B częstościomierza badanego;

 Wykonać kilkukrotny pomiar częstotliwości sygnału (tab. 1.2);
 Odłączyć generator cyfrowy;
 Po dwudziestu minutach powtórzyć pomiary częstotliwości wzorcowych a następnie

pomiary częstotliwości sygnału z generatora;

 W tym czasie zapoznać się z dokumentacją częstościomierza badanego.

Na tej podstawie uzupełnić tabele 1.3 oraz 2.1 (str.4);

 Wyznaczyć stabilność krótkookresową częstotliwości wzorcowych (tab. 1.1)

%

f

f

f

)

(

w

)

(

w

)

(

w

f

w

100

0

20

0









(1.1)

Porównać uzyskane wyniki z danymi technicznymi częstościomierza;

 Wyznaczyć średnią z pomiarów częstotliwości sygnału generatora oraz błąd bezwzględny

między średnią z pomiarów a wartością rzeczywistą z generatora (tab. 1.2)



f = f

g

- f

mśr

(1.2)

4

 Wyznaczyć błąd względny pomiaru częstotliwości z generatora

%

f

f

g

f

100









(1.3)

Ocenić wpływ stabilności częstotliwości wzorcowych na dokładność pomiaru;

Tabela 1.1. Badanie stabilności krótkookresowej częstotliwości wzorcowych

Sygnał badany

f

w(0)

f

w(20)

w

f



[Hz]

[Hz]

[%]

Częstotliwość wzorcowa z generatora
wewnętrznego f

wz

=10MHz

1MHz

Częstotliwości wzorcowe

100kHz

z wyjścia dzielnika

10kHz

1kHz

100Hz

Tabela 1.2. Badanie wpływu stabilności częstotliwości wzorcowych na dokładność pomiaru

Lp.

sygnał z generatora: f

g

=1MHz,

,1V

pp

bramka 1s. ; dzielnik 1/1 ; wyzwalanie „auto”

f

m(0)

f

m(20)

[Hz]

[Hz]

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

f

mśr

[Hz]



f

[Hz]



f

[%]

w

f



[%]

Tabela 1.3. Parametry techniczne układów generacji częstotliwości wzorcowych

częstościomierza badanego

Uwaga:
Ustawić w menu generatora
obciążenie zewnętrzne (OUT
TERM) na wartość - HIGH Z

5

Częstościomierz badany, typ: PFL20

Generator częstotliwości wzorcowej

Częstotliwość podstawowa generatora

Uzyskana częstotliwość wzorcowa/metoda

Stabilność częstotliwości: po 20 min. pracy

po 40 min. pracy
po 2 godz. pracy
po 1 dobie pracy

Dzielnik częstotliwości wzorca

Stopień podziału

Wyjściowe częstotliwości wzorcowe

2.

Badanie wzmacniaczy wejściowych i układu licznika.

2.1. Sprawdzenie granicznej szybkości zliczania (pomiaru częstotliwości)

Połączyć układ pomiarowy zgodnie z rys. 2.1.

Rys. 2.1. Układ do badania granicznej częstotliwości zliczania

Tabela 2.1. Parametry techniczne wzmacniaczy wejściowych i modułu licznika

Częstościomierz badany, typ: PFL20

Wzmacniacze wejściowe

wejście A

wejście B

Napięcie wejściowe: dzielnik 1/1

dzielnik 1/10

Zakres pomiarowy: częstotliwości

okresu

Regulacja poziomu wyzwalania

Impedancja wejściowa

Moduł licznika

Liczba dekad/pojemność

Graniczna częstotliwość zliczania

pierwsza dekada
pozostałe dekady

 Ustawić w generatorze przebieg o napięciu 1V

pp

i częstotliwości mniejszej od górnej

granicy zakresu pomiarowego wejścia A, zapewniającej poprawny pomiar;

 Częstotliwość generatora kontrolować za pomocą częstościomierza wzorcowego

o paśmie szerszym od badanego;

 Zwiększając częstotliwość sygnału z generatora wychwycić graniczną częstotliwość

zliczania przyrządu f

gr

, powtórzyć pomiar;

Częstościomierz

badany

wej. A

Generator

w.cz.

Częstościomierz

wzorcowy

1V

pp

100mV

pp

bramka 1 s. ;
wyzwalanie „auto”

6

 Powtórzyć pomiary dla napięcia z generatora 100mV

pp

;

Tabela 2.2. Pomiary granicznej szybkości zliczania

U

g

= 100mV

pp

U

g

= 1V

pp

Lp.

f

gr1

f

gr2

Hz

Hz

1.

2.

Porównać zmierzoną graniczną częstotliwość zliczania z podaną górną granicą

zakresu pomiarowego (patrz. tab.2.1);

Zwrócić uwagę na wyniki uzyskane dla różnych poziomów napięcia sygnału;

Co jest przyczyną ograniczenia zakresu pomiarowego częstotliwości?

2.2. Badanie wpływu nachylenia zbocza sygnału na pracę układu wyzwalania.

Połączyć układ pomiarowy zgodnie ze schematem na rys. 2.2

Rys. 2.2. Układ do badania wpływu zbocza sygnału na pracę układu wyzwalania

 Ustawić w generatorze częstotliwość sygnału f

g

=20Hz (T

g

=50ms) i napięcie 2V

pp

;

 Ustawić częstościomierz badany na tryb pracy:

wielkość mierzona - okres
liczba okresów n

- 1

częstot. wzorcowa f

w

- 100kHz (1/f

w

=10



s)

dzielnik wejściowy - 1/1
wyzwalanie zboczem - narastającym

(

)

;

poziom wyzwalania - auto;

 Wybrać przebieg prostokątny (P) i wykonać kilka pomiarów okresu sygnału (tab.2.3);
 Zmienić przebieg na trójkątny (T), wykonać pomiary okresu;
 Zmienić przebieg na piłokształtny (R), wykonać pomiary okresu;
 Powtarzać analogiczny cykl pomiarów dla podanych w tabeli wartości napięcia sygnału;
 Zwrócić uwagę na wyznaczony współczynnik nachylenia zbocza narastającego sygnału:































)

R

(

T

V

)

T

(

T

V

)

P

(

t

U

tg

pp

pp

2

[V/s]







(2.3)

Częstościomierz

badany

wej. B

Generator

cyfrowy

Uwaga:
Ustawić w menu
generatora obciążenie
zewnętrzne (OUT TERM)
na wartość - HIGH Z

7

 Wyznaczyć wartość średnią mierzonego okresu (tab.2.3)







N

i

i

śr

T

N

T

1

1

(2.4)

 Obliczyć błąd bezwzględny i względny pomiaru okresu w stosunku do wartości zadanej

z generatora - T

g

(tab. 2.3)



T = T

g

- T

śr

(2.5)

%

T

T

g

T

100









(2.6)

 Obliczyć teoretyczną wartość błędu okresomierza ze wzoru (tab.2.3)

)

(

B

w

n

min

T

















(2.7)

gdzie:



n

= 1/n - błąd dyskretyzacji,

n - liczba zliczonych impulsów, dla T

g

=50ms i 1/f

w

=10



s



w

= 2



10

-8

- błąd wzorca częstotliwości,



B

= 0,003 - błąd bramkowania (dla stosunku sygnał/szum > 40dB),

(patrz dokumentacja przyrządu)

 Wykonać wykres



T

=f(tg



), nanieść na wykresie wartość błędu



Tmin

Jaki jest wpływ współczynnika nachylenia zbocza sygnału na pracę układu

wyzwalania?;

Jak to wpływa na błąd pomiaru okresu?;

Porównać obliczony błąd pomiaru



T

z błędem teoretycznym okresomierza



Tmin

;

Które ze składników błędu we wzorze (2.7) ulegają zmianom i dlaczego?;

8

Tabela 2.3. Pomiary wpływu nachylenia zbocza sygnału na pracę układu wyzwalania

U

we

=2V

pp

U

we

=1.5V

pp

U

we

=1V

pp

U

we

=0.8V

pp

P

T

R

P

T

R

P

T

R

P

T

R

tg



[V/s]



80

40



60

30



40

20



32

16

T

[ms]

T

śr

[ms]



T

[ms]



T

[%]

9

Tabela 2.3. c.d.

U

we

=0.6V

pp

U

we

=0.4V

pp

U

we

=0.2V

pp

P

T

R

P

T

R

P

T

R

tg



[V/s]



24

12



16

8



8

4

T

[ms]

T

śr

[ms]



T

[ms]



T

[%]

10

STANOWISKO II

Analiza działania częstościomierza-czasomierza cyfrowego

Połączyć układ pomiarowy zgodnie z rys. 1.

Rys. 1. Układ do obserwacji zasady działania częstościomierza-czasomierza cyfrowego

Zapoznać się z przyrządem i jego dokumentacją. Zwrócić uwagę na parametry
techniczne, zamieszczony schemat blokowy i schematy ideowe przyrządu.

Uwaga:
Symbolem

oznaczono zagadnienia do omówienia we wnioskach z ćwiczenia

laboratoryjnego.

1. Obserwacja pracy układu kształtowania sygnału i wyzwalania (wzmacniacza)

 Ustawić w generatorze przebieg sinusoidalny o częstotliwości f

g

=1kHz i napięciu 1V

pp

;

poziom odniesienia 0V;

 Ustawić w częstościomierzu badanym: wejście sygnału zmiennego (



), dzielnik 1/1,

poziom wyzwalania „auto”;

 Ustawić oscyloskop 1 w tryb pracy: aktywne wejścia 1 i 2, sygnał stałoprądowy

(Coupling DC), wyzwalanie kanał 1, tryb pomiaru normalny (Normal),
wzmocnienie K1 1V/dz, wzmocnienie K2 2V/dz;

 Obserwować w kanale 1 sygnał na wejściu częstościomierza (sygnał z generatora)

i widoczne na nim poziomy włączenia/wyłączenia układu Schmita, określające
histerezę układu. Zwrócić uwagę na amplitudę sygnału, poziom odniesienia i położenie
sygnału względem progów wyzwalania układu Schmita;

 Obserwować w kanale 2 uformowany przebieg z wyjścia wzmacniacza A

częstościomierza badanego. Zwrócić uwagę na kształt sygnału, amplitudę i poziom
odniesienia oraz położenie zboczy przebiegu względem sygnału z generatora (kanał 1).;
Jaki jest ich związek z poziomem wyzwalania układu Schmita?;

 Włączyć ręczną regulację poziomu wyzwalania. Regulując pokrętłem od położenia „-” do

położenia „+”obserwować zmianę poziomów wyzwalania względem sygnału generatora

Generator

funkcji

1V

pp

Częstościomierz

badany

1

2

3

Oscyloskop 1

K1 K2

wyzw.

Oscyloskop 2

K1 K2

wej. A

Moduł
pośredniczący:
1 – bramka,
2 – wej. licznika,
3 – wyj. wzm. A.

Złącze D-Sub

11

(kanał1) oraz zmianę przebiegu na wyjściu wzmacniacza (kanał2). Jakie parametry
sygnału ulegają zmianom?;

 Naszkicować oscylogramy dla dwóch różnych poziomów wyzwalania;
 Powrócić do automatycznego poziomu wyzwalania - „auto”. Zmieniać amplitudę sygnału

z generatora od 0,2V do 1V (2V

pp

). Obserwować przebiegi.

 Ustawić sygnał o napięciu 1V

pp

. Przełączyć wejście rodzaju sygnału na stałoprądowy (=).

Zmieniać poziom odniesienia sygnału w granicach



0,5V. Obserwować przebiegi.

Na podstawie przeprowadzonych obserwacji omówić budowę i działanie układu

wzmacniacza wejściowego częstościomierza-czasomierza cyfrowego;

2. Obserwacja pracy przyrządu podczas pomiaru częstotliwości, okresu i czasu.

 Na podstawie dokumentacji przyrządu zestawić zakresy pomiarowe poszczególnych

wielkości, tabela 1;

 Zapoznać się z zamieszczonym schematem blokowym częstościomierza-czasomierza

cyfrowego, rys.2. Zwrócić uwagę na położenie przełączników, które konfigurują
przyrząd do pomiaru częstotliwości.
Na schemacie zaznaczono miejsca, z których wyprowadzono sygnał z częstościomierza
do obserwacji pracy przyrządu i odpowiadające im wyjścia modułu pośredniczącego;

12

Tabela 1.3. Zakresy pomiarowe częstościomierza-czasomierza cyfrowego

Częstościomierz badany, typ: PFL22

Pomiar częstotliwości

wejście zmiennoprądowe / stałoprądowe

Pomiar okresu

wejście zmiennoprądowe / stałoprądowe

jednostka pomiarowa

Pomiar wartości średniej okresu

wejście zmiennoprądowe / stałoprądowe

jednostka pomiarowa

liczba mierzonych okresów

Pomiar odstępu czasu

zakres pomiaru

jednostka pomiarowa

Pomiar stosunku częstotliwości F

A

/F

B

zakres częstotliwości F

A

zakres częstotliwości F

B

mnożnik n (podział częstotliwości)

Rys. 2. Schemat blokowy częstościomierza-czasomierza cyfrowego skonfigurowanego

do pomiaru częstotliwości

Moduł
pośredniczący:
1 – bramka,
2 – wej. licznika,
3 – wyj. wzm. A.

Wzmacniacz B

Generator

wzorcowy

10MHz

wej. A

Wzmacniacz A

Dzielnik

częstotliwości

wej. B

Układ

sterowania

bramką

Stop

Start

Licznik

Wyświetlacz

1

2

3

3

2

1

13

Pomiar częstotliwości

 Ustawić w generatorze przebieg prostokątny o częstotliwości f

g

=10kHz i napięciu 1V

pp

;

poziom odniesienia 0V;

 Ustawić częstościomierz badany na pomiar częstotliwości: bramka 1ms, wejście sygnału

zmiennego (



), dzielnik 1/1, poziom wyzwalania „auto”, pomiar ręczny wyzwalany

przyciskiem Kasowanie;

 Ustawić oscyloskop 1 w tryb pracy: aktywne wejścia 1 i 2, sygnał stałoprądowy

(Coupling DC), wyzwalanie zewnętrzne, zbocze opadające (Slope), tryb pomiaru
pojedynczy (Single), wzmocnienie K1 500mV/dz, wzmocnienie K2 2V/dz, podstawa
czasu 200



s/dz, opóźnienie (Delay) 600



s;

 Ustawić oscyloskop 2 w tryb pracy: aktywne wejścia 1 i 2, sygnał stałoprądowy

(Coupling DC), wyzwalanie kanał 1, zbocze opadające (Slope), tryb pomiaru
pojedynczy (Single), wzmocnienie K1 2V/dz, wzmocnienie K2 2V/dz, podstawa czasu
200



s/dz, opóźnienie (Delay) 600



s;

 Nacisnąć przycisk RUN w obu oscyloskopach i wyzwolić częstościomierz do pomiaru

przyciskiem Kasowanie;

 Dokonać obserwacji sygnału na wejściu częstościomierza, kanał 1 OSC.1 oraz

sygnału na wyjściu wzmacniacza A, kanał 2 OSC.1;

 Dokonać obserwacji sygnału bramki, kanał 1 OSC.2 oraz sygnału na wejściu licznika,

kanał 2 OSC;

 Zwrócić uwagę na moment wyzwolenia oscyloskopów oraz relacje czasowe pomiędzy

przebiegami. Sprawdzić liczbę zboczy opadających sygnału na wejściu licznika
mieszczących się w czasie bramki. Porównać ze wskazaniem przyrządu.

 Naszkicować oscylogramy;

14

 Zaobserwować błąd zliczania (dyskretyzacji) powtarzając pomiary kilkukrotnie do

momentu, kiedy wskazanie przyrządu zmieni się o 1 na ostatniej pozycji. Sprawdzić
liczbę impulsów w bramce (zbocza opadające);

Pomiar okresu

 Ustawić w generatorze przebieg prostokątny o częstotliwości f

g

=700Hz i napięciu 1V

pp

;

poziom odniesienia 0V;

 Ustawić częstościomierz badany na pomiar okresu: wzorzec 1/f

w

=0,1ms, wejścia A i B

zwarte, wyzwalanie obu wejść zboczem narastającym

(

), pozostałe ustawienia jak

przy pomiarze częstotliwości;

 Ustawienia oscyloskopów analogiczne, jak przy pomiarze częstotliwości;
 Dokonać pomiarów okresu sygnału i obserwacji oscylogramów analogicznie, jak dla

częstotliwości;

 Naszkicować oscylogramy;

 Nanieść na schemacie blokowym przyrządu, rys.3, położenia przełączników

konfigurujące go do pomiaru okresu;

15

Rys.3. Konfiguracja przyrządu do pomiaru okresu

Pomiar odstępów czasu

 Ustawić w generatorze przebieg prostokątny o częstotliwości f

g

=700Hz i napięciu 1V

pp

;

poziom odniesienia 0V, współczynnik wypełnienia = 70%;

 Pozostałe ustawienia bez zmian;
 Dokonać pomiarów czasu trwania impulsu dodatniego przebiegu i obserwacji

oscylogramów (bez obserwacji błędu zliczania), wej. A wyzwalane zboczem ,
wej. B wyzwalane zboczem ;

 Dokonać pomiarów czasu trwania impulsu ujemnego przebiegu i obserwacji

oscylogramów (bez obserwacji błędu zliczania), wej. A wyzwalane zboczem ,
wej. B wyzwalane zboczem ;

 Naszkicować oscylogramy;
 Nanieść na schemacie blokowym przyrządu, rys.4, położenia przełączników

konfigurujące go do pomiaru odstępów czasu;

Moduł
pośredniczący:
1 – bramka,
2 – wej. licznika,
3 – wyj. wzm. A.

Wzmacniacz B

Generator

wzorcowy

10MHz

wej. A

Wzmacniacz A

Dzielnik

częstotliwości

wej. B

Układ

sterowania

bramką

Stop

Start

Licznik

Wyświetlacz

1

2

3

3

2

1

16

Rys.4. Konfiguracja przyrządu do pomiaru odstępów czasu

Moduł
pośredniczący:
1 – bramka,
2 – wej. licznika,
3 – wyj. wzm. A.

Wzmacniacz B

Generator

wzorcowy

10MHz

wej. A

Wzmacniacz A

Dzielnik

częstotliwości

wej. B

Układ

sterowania

bramką

Stop

Start

Licznik

Wyświetlacz

1

2

3

3

2

1

17

Omówić zasadę pracy przyrządu przy pomiarach częstotliwości, okresu i odstępu

czasu posługując się odnośnymi schematami blokowymi (rys.2, rys.3, rys.4)
i oscylogramami;

Znając zasadę pracy przyrządu skomentuj zakresy pomiarowe częstotliwości, okresu

i odstępu czasu;

Nanieść na schematach blokowych położenia przełączników konfigurujące przyrząd

do pomiaru stosunku częstotliwości n



F

A

/F

B

oraz średniej z n okresów n



okres/n.

Rys.5. Konfiguracja przyrządu do pomiaru stosunku częstotliwości

Moduł
pośredniczący:
1 – bramka,
2 – wej. licznika,
3 – wyj. wzm. A.

Wzmacniacz B

Generator

wzorcowy

10MHz

wej. A

Wzmacniacz A

Dzielnik

częstotliwości

wej. B

Układ

sterowania

bramką

Stop

Start

Licznik

Wyświetlacz

1

2

3

3

2

1

18

Rys.6. Konfiguracja przyrządu do pomiaru średniej z n okresów

Moduł
pośredniczący:
1 – bramka,
2 – wej. licznika,
3 – wyj. wzm. A.

Wzmacniacz B

Generator

wzorcowy

10MHz

wej. A

Wzmacniacz A

Dzielnik

częstotliwości

wej. B

Układ

sterowania

bramką

Stop

Start

Licznik

Wyświetlacz

1

2

3

3

2

1