Zakład Systemów Informacyjno Pomiarowych

PRZEDMIOT:

Elementy I Moduły Systemów Pomiarowych

ĆWICZENIE 3

TEMAT:

LICZNIKI, CZASOMIERZE I CZĘSTOŚCIOMIERZE

Opracował:

Grzegorz Nitecki

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

STANOWISKO I

Badanie właściwości i parametrów podstawowych modułów częstościomierzy cyfrowych.

1. Badanie układu generacji częstotliwości wzorcowych

Układ pomiarowy zgodnie z rys. 1.1.

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)

(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)

Δf = f_g - f_mśr (1.2)

• Wyznaczyć błąd względny pomiaru częstotliwości z generatora

(1.3)

Ocenić wpływ stabilności częstotliwości wzorcowych na dokładność pomiaru;

Tabela 1.1. Badanie stabilności krótkookresowej częstotliwości wzorcowych

Sygnał badany		fw(0)	fw(20)
				[Hz]	[Hz]	[%]
Częstotliwość wzorcowa z generatora wewnętrznego fwz=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: fg=1MHz, ,1Vpp
		bramka 1s. ; dzielnik 1/1 ; wyzwalanie „auto”
		fm(0)	fm(20)
		[Hz]	[Hz]
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
fmśr [Hz]
Δf [Hz]
δf [%]
[%]

Tabela 1.3. Parametry techniczne układów generacji częstotliwości wzorcowych
częstościomierza badanego

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.

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;

• Powtórzyć pomiary dla napięcia z generatora 100mV_pp;

Tabela 2.2. Pomiary granicznej szybkości zliczania

	Ug = 100mVpp	Ug = 1Vpp
Lp.	fgr1	fgr2
		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?

1. 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=10μs)

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:

(2.3)

• Wyznaczyć wartość średnią mierzonego okresu (tab.2.3)

(2.4)

• Obliczyć błąd bezwzględny i względny pomiaru okresu w stosunku do wartości zadanej
  z generatora - T_g (tab. 2.3)

ΔT = T_g - T_śr (2.5)

(2.6)

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

(2.7)

gdzie: δ_n = 1/n - błąd dyskretyzacji,
n - liczba zliczonych impulsów, dla T_g=50ms i 1/f_w=10μs
δ_w = 2⋅10^-8 - błąd wzorca częstotliwości,
δ_B = 0,003 - błąd bramkowania (dla stosunku sygnał/szum > 40dB),
(patrz dokumentacja przyrządu)

• Wykonać wykres δ_T=f(tgα), nanieść na wykresie wartość błędu δ_Tmin

Jaki jest wpływ współczynnika nachylenia zbocza sygnału na pracę układu wyzwalania?;

Jak to wpływa na błąd pomiaru okresu?;

Porównać obliczony błąd pomiaru δ_T z błędem teoretycznym okresomierza δ_Tmin;

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

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

Uwe=2Vpp

Uwe=1.5Vpp

Uwe=1Vpp

Uwe=0.8Vpp

P

T

R

P

T

R

P

T

R

P

T

R

tgα

[V/s]

∞

80

40

∞

60

30

∞

40

20

∞

32

16

T

[ms]

Tśr

[ms]

ΔT

[ms]

δT

[%]

Tabela 2.3. c.d.

Uwe=0.6Vpp

Uwe=0.4Vpp

Uwe=0.2Vpp

P

T

R

P

T

R

P

T

R

tgα

[V/s]

∞

24

12

∞

16

8

∞

8

4

T

[ms]

Tśr

[ms]

ΔT

[ms]

δT

[%]

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 (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;

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 FA/FB
zakres częstotliwości FA
zakres częstotliwości FB
mnożnik n (podział częstotliwości)

Rys. 2. Schemat blokowy częstościomierza-czasomierza cyfrowego skonfigurowanego
do pomiaru częstotliwości

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 200μs/dz, opóźnienie (Delay) 600μs;

• 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 200μs/dz, opóźnienie (Delay) 600μs;

• 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;

• 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;

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;

Rys.4. Konfiguracja przyrządu do pomiaru odstępów czasu

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

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

1

15

wej. B

Instytut Systemów Elektronicznych WEL WAT

1

Częstościomierz

badany

1V_pp

Uwaga:

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

Generator

cyfrowy

Uwaga:

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

1V_pp

Częstościomierz

wzorcowy

Generator

w.cz.

100mV_pp

Częstościomierz

badany

wej. A

Częstościomierz

badany

Moduł pośredniczący:

1 - bramka,

2 - wej. licznika,

3 - wyj. wzm. A.

Generator

funkcji

K1

Oscyloskop 1

1

2

3

K2

wyzw.

wej. A

K2

K1

Oscyloskop 2

Złącze D-Sub

Dzielnik
częstotliwości

Moduł pośredniczący:

1 - bramka,

2 - wej. licznika,

3 - wyj. wzm. A.

wej. A

Start

Stop

Układ sterowania
bramką

2

3

Wyświetlacz

Licznik

3

2

1

Generator wzorcowy
10MHz

wej. B

Wzmacniacz B

Wzmacniacz A

1

1

2

3

3

2

1

Wyświetlacz

Licznik

Start

Stop

Układ sterowania
bramką

wej. B

Dzielnik
częstotliwości

Wzmacniacz A

wej. A

Generator wzorcowy
10MHz

Wzmacniacz B

Moduł pośredniczący:

1 - bramka,

2 - wej. licznika,

3 - wyj. wzm. A.

1

2

3

3

2

1

Wyświetlacz

Licznik

Start

Stop

Układ sterowania
bramką

wej. B

Dzielnik
częstotliwości

Wzmacniacz A

wej. A

Generator wzorcowy
10MHz

Wzmacniacz B

Moduł pośredniczący:

1 - bramka,

2 - wej. licznika,

3 - wyj. wzm. A.

2

3

3

2

1

Wyświetlacz

Licznik

Start

Stop

Układ sterowania
bramką

wej. B

Dzielnik
częstotliwości

Wzmacniacz A

wej. A

Generator wzorcowy
10MHz

Wzmacniacz B

Moduł pośredniczący:

1 - bramka,

2 - wej. licznika,

3 - wyj. wzm. A.

1

2

3

3

2

1

Wyświetlacz

Licznik

Start

Stop

Układ sterowania
bramką

wej. B

Dzielnik
częstotliwości

Wzmacniacz A

wej. A

Generator wzorcowy
10MHz

Wzmacniacz B

Moduł pośredniczący:

1 - bramka,

2 - wej. licznika,

3 - wyj. wzm. A.

bramka 1 s. ; wyzwalanie „auto”

---