31

KATEDRA AUTOMATYKI I METROLOGII

Laboratorium Miernictwa Cyfrowego i Przyrządów Pomiarowych

_Caled,-aA|fJ^_dbV3trr^Ka

tef'

V,

20-

Ćwiczenie nr 3^

CYFROWE POMIARY CZASOWO-CZĘSTOTLIWOŚCIOWYCH

PARAMETRÓW SYGNAŁÓW

Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest poznanie struktur oraz rozwiązań układowych nowoczesnych liczników/timerów, ich zastosowania do pomiarów częstotliwości i przedziału czasu, a także sposobów ograniczania błędów metody i błędów instrumentalnych występujących przy pomiarach częstotliwości.

Lublin 2000 r.

Wskazania licznika równe są średniej wartości mierzonej częstotliwości w czasie pomiaru Tp. O dokładności pomiarów decydują dwie składowe błędów:

•    błąd wzorca y₀ w postaci niestałości częstotliwości generatora kwarcowego wywołującego niestałość czasu pomiaru Tp,

•    błędu kwantowania ponieważ pierwszy i ostatni impuls sygnału mierzonej częstotliwości nie są zsynchronizowane z czasem T_P otwarcia bramki.

Maksymalna wartość bezwzględnego błędu kwantowania wynosi:

^A^=±^- •    (1-7)

¹ P

Maksymalna wartość względnego błędu kwantowania y^ wyniesie więc:

1    7"¹    1

y. = —— • 100% = ±--100% = ±-^• 100% = ±— • 100% .    (1.8)

^/kw f    Tf    T    N

Jx    pJx    p

Maksymalna wartość względnego błędu sumarycznego pomiaru wyznaczamy ze wzoru:

Y sum

+ -

Tf

DJ X

•100±y_o

%

(1.9)

Błąd kwantowania można zmniejszyć dwukrotnie jeżeli zlicza się ilość półokresów sygnału mierzonego. Przy braku synchronizacji impulsów częstotliwości mierzonej z impulsem bramki wartość odchylenia standardowego błędu kwantowania określa się z wzoru:

Y ahi

(1.10)

Dolny zakres mierzonych częstotliwości jest ograniczony dopuszczalnym błędem kwantowania i wyraża się wzorem:

(1.11)

_r 100

x min rr>

T_p ' Ykw

Tak więc pomiary niskie częstotliwości mierzone są cyfrowym częstościomierzem działającym według definicji statystycznej z niewielką dokładnością. Zmniejszenie błędu kwantowania przy pomiarze niskich częstotliwości można osiągnąć różnymi sposobami:

•    pierwszy sposób polega na zwiększeniu czasu pomiaru Tp,(w tym wypadku przy zmierzonej fx należy liczyć się ze wzrostem błędu dynamicznego)',

•    drugi sposób sprowadza się do zwiększenia liczby impulsów zapełniających przedział Tp (osiąga się to poprzez powielenie mierzonej częstotliwości k - razy, w tym przypadku maksymalna wartość bezwzględnego błędu Icwantowania nie ulega zmianie, natomiast zmienia się wartość względnego błędu kwantowania k-razy; realizacja tego sposobu wiąże się z zastosowaniem dodatkowego bloku w postaci powielacza częstotliwości w znaczny sposób komplikującego układ)',

•    trzeci sposób uwzględnia stochastyczny charakter błędu kwantowania i sprowadza się do przeprowadzenia wielokrotnych pomiarów i uśrednienia ich rezultatów;

• czwarty sposób polega na bezpośrednim pomiarze okresu badanego sygnału i wyliczeniu wartości liczbowej wg zależności:

f- = j ■    O-¹²)

¹ X

Metoda ta pozwala w zasadniczy sposób zmniejszyć błąd kwantowania.

1.2 Pomiary częstotliwości chronometrycznej

Pomiary częstotliwości chronometrycznej fx [2,3] polega na pomiarze okresu Tx sygnału lub jego M-tej wielokrotności i dokonaniu prostych obliczeń. Schemat blokowy takiego częstościomierza jest przedstawiony na rys.1.3, a odpowiednie przebiegi czasowe ilustrujące zasadę pomiaru na rys. 1.3.

u(t)

f(x)

Rys. 1.3 Schemat układu do pomiaru częstotliwości chronometrycznej

Z sygnału mierzonego (rysl.4a), którego okres Tx mierzymy, jest formowany sygnał bramki o czasie trwania Tx (rys.l.4b) lub MT_X (rys.l.4e) (jeśli włączony jest dzielnik częstotliwości) doprowadzony do wejścia (1) bramki na której wejście (2) podawany jest sygnał generatora

zegara o okresie T₀ = —. Z uformowanym przedziałem czasu związany jest kod licznika

fo

określony następującą zależnością:

Nt	MTX	M
	T0
T ■-	N T _ ^ x^10	N,
	M	Mf0

(1.13)

(1.14)

Kod licznika jest równy mierzonemu okresowi Tx w celu otrzymania kodu Nfx reprezentującego częstotliwość należy dokonać obliczenia:

N

fi

Rys. 1.4 Przebiegi czasowe przy pomiarach częstotliwości chronometrycznef

(1.15)

co stanowi dodatkową komplikację.

Błędy częstościomierza mierzącego częstotliwość chronometryczną są spowodowane niestabilnością częstotliwości generatora zegara, błędami kwantowania i błędami związanymi z formowaniem sygnału bramki MTx.

Bezwzględny błąd kwantowania wynosi ±To zaś błąd względny:

y kw%

—•100% =

N_x

100%

f

= -^•100%

Mf₀

(1.16)

Błąd kwantowania rośnie wraz ze wzrostem częstotliwości fx sygnału mierzonego. Maksymalną wartość mierzonej częstotliwości z błędem kwantowania y^, określa równanie:

fk

kw max

MZt^. Hz 100 -T₀

(1-17)

Minimalną częstotliwość mierzoną określa się ze wzoru:

f . =

J x min

N_m„-T₀

Hz

(1.18)

Przy pomiarach okresu znaczącą wartość przyjmuje błąd związany dryftem zera układu formującego y_Ar mierzonego sygnału sygnał bramkujący oraz składowa wywołana

szumami y_mz:

_ ^7a 2 OJ.	(1.19)
<*sz ^r°‘ nuj2 ’	(1.20)

gdzie: Vdr - szybkość dryftu (zmiana wartości dryftu w jednostce czasu),

Um - amplituda sygnału którego częstotliwość jest mierzona, a_S2 - średniokwadratowa wartość szumów,

Um - amplituda sygnału.

Sumaryczny błąd y_z częstościomierza mierzącego częstotliwość chronometryczną zależy od:

•    stabilności generatora zegara,

•    dryftu układu formującego,

•    stosunku sygnał/szum Um/asz,

•    błędu kwantowania,

i wyraża się ostatecznie wzorem:

_T T    2    rp 2 2

(1.21)

r_g v_dr , ^    , ^To fx

3    27t²f_x²U²m ^²U_m 6

1.3 Pomiar częstotliwości metodą synchroniczną

Idea metody synchronicznej zwanej też metodą zliczania zależnego [4,5] jest zilustrowana na rys. 1.5 . Z mierzonego sygnału (rys. 1.5 a) formowany jest ciąg impulsów (rys. 1.5 b), których okres Tx jest równy okresowi mierzonego sygnału.

Niezależnie od tego ciągu formowany jest pierwszy impuls bramkujący o czasie trwania T_pi analogicznie jak w metodzie z punktu 1.1 . Bramka T_pi zapełniana jest n impulsami o mierzonej częstotliwości fx.

Liczba n impulsów jest zapamiętywana, stosunek

n

= f_x' jest w przybliżeniu równy

mierzonej częstotliwości.

1		f—~—i	l
	Tp1
	k y

n

	Tp2 = NTx
	1 1 1 I' 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 II 1
N

Rys. 1.5 Przebiegi czasowe sygnałów ilustrujące zasadą pomiaru częstotliwości metodą synchroniczną

Różnica między fx’ i fx wywołana jest przez błąd kwantowania, zmniejszenie którego jest celem omawianej metody. Równocześnie z bramką T_Pi formowany jest drugi impuls bramkujący T_P2. Początek drugiego impulsu bramkującego odpowiada momentowi pojawienia się pierwszego impulsu mierzonej częstotliwości po wystąpieniu pierwszego impulsu bramkującego a koniec odpowiada pierwszemu niezliczonemu impulsowi w czasie Tp2.

Tak więc czas trwania drugiego impulsu bramkującego wynosi:

T_P2 = nTx ,    (1.22)

a zbocza narastające i opadające drugiego impulsu bramkującego są dokładnie zsynchronizowane z momentami pojawienia się impulsów mierzonej częstotliwości.

Drugi impuls bramkujący zapełniany jest impulsami o częstotliwości zegarowej f₀, których liczba N jest zapamiętywana.

Zależność określająca wartość mierzonej częstotliwości można uzyskać w następujący sposób:

N =

nj\

T

/,

«/o 7 ’	(1.23)
/o •	(1.24)

Pomijając wielkości niższego rzędu względny błąd kwantowania przy tej metodzie określa zależność:

y

kw

T

+-

1

T

pl

f -T

^J0 p\

(1.25)

Zależność ta prowadzi do wniosku, że maksymalna wartość względnego błędu kwantowania nie zależy od wartości mierzonej częstotliwości i jest stała w całym zakresie pomiarowym, co jest niezaprzeczalną zaletą omawianej metody.

Złożoność algorytmu pomiarowego wymaga zastosowania w układzie częstościomierza układu przeliczającego w postaci jednostki arytmetyczno logicznej (ALU) lub układu mikroprocesorowego [6].

Schemat blokowy jednej z realizacji takiego częstościomierza jest przedstawiony na rys. 1.6.

Rys. 1.6 Schemat blokowy ilustrujący zasadą pomiaru częstotliwości metodą synchroniczną

Pomiar ten polega na zliczaniu impulsów przebiegu mierzonego o nieznanej częstotliwości (w liczniku X) w wybranym czasie pomiaru oraz zliczaniu w tym samym czasie impulsów przebiegu o częstotliwości wzorcowej (w liczniku Y), a następnie podzieleniu zawartości licznika X przez zawartość licznika Y.

1.4 Pomiary częstotliwości metodą wagową

Podczas pomiarów częstotliwości chronometrycznej poprzez wyznaczenie wielokrotności okresu MTx przy pomocy licznika zliczającego impulsy generatora zegarowego o okresie To (rys. 1.4 e i 1.4 f) faktycznie ma miejsce pomiar każdego z okresów i sumowanie rezultatów tych pomiarów.

Sumowanie wszystkich pomiarów stykających się okresów Tx prowadzi do M-krotnego zmniejszenia wartości odchylenia standardowego a_MT błędu kwantowania w porównaniu z

błędem cr_Tx pojedynczego okresu. Ten korzystny efekt uzyskuje się dzięki-temu, że o błędzie

decydują jedynie składowe występujące na końcach przedziału MTx. a błędy pomiaru okresów Tx leżących wewnątrz przedziału MTx znoszą się.

Zauważenie tej cechy umożliwia sformułowanie proporcji by sumowanym rezultatom pomiarów okresów Tx i leżących wewnątrz czasu MTx przypisać większe wagi ai jak to zilustrowano na rys. 1.7 b) [7],

Rys. 1.7 Ilustracja wagowego pomiaru częstotliwości chronometrycznej

W takim przypadku w odróżnieniu od algorytmu (1.1) przeprowadza się (n+1) odczytów fazy sygnału, a rezultatu pomiaru poszukuje się w postaci ważonej sum.

/* =

1

2 nMT_x

I~<t>)

i-1

(1.26)

Minimalny błąd pomiaru f_x otrzymuje się przy funkcji „wagi” symetrycznej względem środka czasu pomiaru Tp = MTx i współczynnikach wagowych określonych wzorem:

(1.27)

_ 6i(n - i +1) n(n + lX« + 2)

minimalizujących odchylenie standardowe:

opt

-Jóc

MT_X

(1.28)

nyn

Pomiar częstotliwości chronometrycznej fx metodą wagowego przetwarzania wyników 1    pomiaru stykających się okresów Tx polega na zliczaniu w czasie trwania tych okresów

f    impulsów generatora zegara o czasie powtarzania To, nadaniu tym impulsom odpowiedniej

|    wagi oraz obliczeniu estymaty f* mierzonej częstotliwości zgodnie ze wzorem:

i    «

X „ /o ,    (1-29)

ll^a,^N,

gdzie: Nxi - kod licznika odpowiadający i -temu okresowi.

Praktyczna realizacja prezentowanej metody jest technicznie uzasadniona jedynie wtedy gdy do wykonywania wszystkich operacji wynikających z algorytmu zaangażuje się mikrokomputer. Schemat układu pomiarowego bazującego na odpowiednio skonfigurowanym mikrosterowniku 80C522 jest przedstawiony na rys. 1.8.

UKŁAD MIKROPRCESOROWY 80C552

>-^Tx<

U

Port

wejściowy

Układ

wykrywający opadające zbocze sygnału

Generator

zegarowy

&

!_L

Licznik

Odczyt "w locie" stanu licznika

Port

szeregowy

RS 232

Pamięć

programu

Układ

arytmetyczno-

-logiczny

Rys. 1.8 Konfiguracja mikrosterownika do wagowego pomiaru wielokrotności okresu

Licznik impulsów pracuje jako 16-bitowy, zliczający w pętli z przepełnieniami impulsy z generatora zegarowego o częstotliwości fo.

Sygnał mierzony jest doprowadzony do końcówki P3.3 portu wejściowego mikrosterownika. Stany licznika odpowiadające momentom czasowym wyznaczonym przez opadające zbocz sygnału mierzonego są odczytywane „w locie” i po zapamiętaniu w pamięci RAM przesyłane łączami RS 232C do komputera PC w celu ich przetwarzania i wizualizacji.

Sieć działań programu zaimplementowanego w pamięci programu mikrosterownika i komputera nadrzędnego klasy PC jest przedstawiona rys. 19.

Przed rozpoczęciem procesu pomiarowego następuje inicjalizacja zmiennych, ustawienie parametrów i trybu pracy licznika, jego uruchomienie, ustawienie szybkości pracy łącza szeregowego oraz włączenie i ustawienie priorytetów systemu przerwań. Następnie program przechodzi do oczekiwania na odbiór z komputera nadrzędnego 1-bajtowej liczby określającej liczbę okresów n sygnału mierzonego jaka będzie przetwarzana podczas cyklu pomiaru Tp.

Na początku cyklu po wykryciu na wejściu INTO portu P3 opadającego zbocza mierzonego sygnału wejściowego, procedura obsługi przerwania zewnętrznego dokonuje odczytu „w locie” stanu licznika i zapamiętuje go w rejestrach procesora.

W dalszym etapie program obsługi przerwania zewnętrznego, wywołany kolejnymi opadającymi zboczami sygnału mierzonego dokonuje cyklicznych odczytów „w locie” stanu licznika.

Rys. 1.9 Sieć działań programu

Z każdych dwóch kolejnych odczytów stanu licznika wyznaczana jest liczba impulsów Li występujących w i-tym okresie sygnału mierzonego. Liczba impulsów Li, jest na bieżąco zapamiętywana w pamięci RAM.

Operacja wyznaczenia liczby impulsów Li w danym okresie sygnału mierzonego jest realizowana poprawnie, również w przypadku gdy w okresie tym następuje przepełnienie licznika. Jedynym ograniczeniem jest wymóg, aby liczba impulsów w danym okresie sygnału

wejściowego nie była większa od pojemności licznika. Procedura odczytu „w locie” stanu licznika, zawiera mechanizmy pozwalające na wyeliminowanie błędu jaki może zaistnieć podczas odczytu stanu licznika jeśli pomiędzy odczytem jego młodszego i starszego bajtu, nastąpiło przeniesienie z młodszego bajtu licznika.

2 OPIS STANOWISKA DYDAKTYCZNEGO

2.1 Dydaktyczny zestaw bloków funkcjonalnych miernika częstotliwości

Urządzenie stanowi zestaw podstawowych bloków funkcjonalnych częstościomierza-czasomierza cyfrowego [8], z których po wykonaniu odpowiednich połączeń zewnętrznych można otrzymać:

•    częstościomierz,

•    układ do pomiaru stosunku częstotliwości,

•    układ mierzący okres lub wielokrotność okresu sygnału,

•    czasomierz sterowany ręcznie.

Podstawowymi układami przyrządu są:

1.    blok częstotliwości wzorcowej zawierający generator kwarcowy, układ formujący (przerzutnik Schmitta) i dzielnik częstotliwości,

2.    blok formujący wykorzystujący komparator scalony,

3.    dzielnik częstotliwości,

4.    bramka główna,

5.    licznik wraz z deszyfłatorami i wyświetlaczem,

6.    blok sterowania,

7.    zasilacz.

Ogólne opisy poszczególnych układów miernika zamieszczone są poniżej.

układ formujący dzielnik częst.

G				iii
		/>TL		A B KAS

generator przerzutnik układ sterowania Schmitta

Rys. 2.1 Bloki funkcjonalne przyrządu

1    Blok częstotliwości wzorcowej

Blok ten zawiera generator o stabilizacji kwarcowej. W celu zmniejszenia obciążenia generatora przez stopień formujący zastosowany jest wzmacniacz o dużej impedancji wejściowej pracujący w układzie wtórnika emiterowego typu „bootstrap”. Do przenoszenia bez dużych zniekształceń sygnału o dużej amplitudzie zastosowane jest zasilanie symetryczne względem masy napięciami +5V i -6V. Jako układ formujący zastosowany jest przerzutnik Schmitta. W celu otrzymania ciągu impulsów o częstotliwościach 10 kHz, 1kHz, 100 Hz i 1 Hz zastosowany jest dzielnik częstotliwości o stosunkach podziału poszczególnych sekcji: 1/32 i czterech stopni 1/10 połączonych szeregowo.

2    Blok formujący

Podstawowym elementem bloku jest scalony komparator typu pA710. Zasilany jest napięciami +12V i -6V względem masy. Przy sterowaniu ze źródła o dużej impedancji wewnętrznej komparator wykazuje zmniejszenie wzmocnienia i skłonność do oscylacji. W związku z tym zastosowany jest wejściowy wtórnik emiterowy będący adaptowanym stopniem wejściowym układu formującego częstościomierza PFL-21. Schemat układu formującego przedstawiony jest na rys. 2.2.

Rys. 2.2 Schemat bloku formującego

3    Dzielnik częstotliwości

Przy pomiarach wielokrotności okresu konieczne jest użycie dodatkowego dzielnika częstotliwości (rys. 2.3) o stosunku podziału l/10^k. Zastosowane są dzielniki o dwóch sekcjach, każda o stosunku 1/10 podziału.

4    Bramka główna

Blok bramki (rys. 2.4) zawiera dwa elementy logiczne typu NAND. Jeden z nich służy jako właściwa bramka, drugi natomiast steruje tranzystorem wykonawczym. Tranzystor ten włącza diodę elektroluminescencyjną gdy bramka jest otwarta. Na wejście A podaje się sygnał bramkowany, na wejście B - bramkujący. Wejścia zabezpieczone są diodami.

5    Licznik

W mierniku zastosowany jest licznik czterodekadowy asynchroniczny. Składa się ze scalonych liczników dekadowych typu UCY7490. Jako elementy urządzenia odczytowego zastosowane są wskaźniki siedmiosegmentowe LED typu CQYP74. Wskaźnik przepełnienia jest, identycznym jak wyżej, wskaźnikiem siedmiosegmentowym. Maksymalna częstotliwość zliczania wynosi co najmniej 10MHz.

*1:10 *1:100

^5V

470 n —

WY

Rys. 2.4 Schemat bramki

6 Układ sterowania

Podstawowym członem układu jest układ synchronizacji przebiegów asynchronicznych USPA (rys. 2.5), składający się z dwóch przerzutników J-K typu UCY7472.

Rys. 2.5 Schemat układu synchronizacji przebiegów asynchronicznych USPA

7 Zasilacz

Miernik jest zasilany napięciami stabilizowanymi , otrzymywanymi z trzech zasilaczy umieszczonych na wspólnej płytce drukowanej. Prostowanie odbywa się w układach mostkowych. Do wygładzania napięcia zastosowane są kondensatory o dużej pojemności. Zasilacz o napięciu wyjściowym +5V zawiera stabilizator szeregowy. Układ ten ma ogranicznik prądu zwarcia. Stabilizator umożliwia pobieranie prądu 1A przy napięciu tętnień i szumów 50mV. Współczynnik stabilizacji wynosi 0,03, a rezystancja wyjściowa 50mQ.

2.2 Częstościomierz-czasomierz typu C 571

Urządzenie stanowi zestaw podstawowych bloków funkcjonalnych częstościomierza-czasomierza cyfrowego. Wygląd zewnętrzny miernika przedstawiony jest na rys. 2.6. Jego opis zamieszczony jest poniżej.

Rys. 2.2.1. Widok płyty czołowej miernika C 571.

1.    POWER - włącznik sieciowy;

2.    MEASUREMENT TIME - przełącznik czasu pomiaru w zakresie 0,1 ms - 1 s;

3.    FUNCTION - przełącznik służący do wyboru następujących funkcji pomiarowych: FREQa - częstotliwość z wejścia A;

PERa - okres z wejścia A;

TIa->b - odstęp czasu / otwiera bramkę sygnał na wejściu A, zamyka na wejściu B/;

TI AVGa_>b - uśredniony odstęp czasu / otwiera bramkę sygnał na wejściu A, zamyka na wejściu B/;

Fb/ Fa - stosunek częstotliwości podanej na wejście B do częstotliwości podanej na wejście A;

4.    RESET — rtl — przycisk kasowania ręcznego lub przycisk umożliwiający przejście do sterowania lokalnego przy pracy w systemie interfejsowym;

5.    DISPLAY TIME - pokrętło regulacji czasu odczytu w zakresie ls - 5s;

6.    LEVEL - pokrętło regulacji poziomu wyzwalania trygera;

7.    GATE - sygnalizacja otwierania bramki;

8.    REMOTE - sygnalizacja zdalnego sterowania /przyrząd jest sterowany z gniazda interfejsowego/;

9.    pole odczytowe wyniku pomiaru;

10.    pole odczytowe znaku wykładnika i wykładnika;

11.    Hz - wskaźnik miana przy pomiarze częstotliwości;

12.    s - wskaźnik miana przy pomiarze okresu, odstępu czasu i uśrednionego odstępu czasu;

13.    TRIGG - wskaźnik ustawienia trygera;

14.    przełącznik dzielnika napięcia wejściowego;

15.    przełącznik polaryzacji napięcia wejściowego - służy do wyboru zbocza otwierającego i

zamykającego bramkę przy pomiarach czasu;

16.    przełącznik rodzaju sprzężenia wejścia wzmacniacza:

pozycja ~ - wejście przez kondensator/zmiennoprądowe/; pozycja = - wejście bezpośrednie/stałoprądowe/;

17.    gniazdo BNC - wejście wzmacniacza A;

18.    gniazdo BNC - wejście wzmacniacza B.

. Schemat blokowy częstościomierza przedstawiony jest na rys. 2.7. Poniżej zamieszczone są opisy poszczególnych bloków.

1    Wzmacniacze wejściowe torów A i B

Wzmacniacze wejściowe torów A i B są identyczne i zbudowane w oparciu o potrójny odbiornik linii. Na wejściu wzmacniacza o sprzężeniu bezpośrednim„_znajduj^ się skompensowany częstotliwościowo dzielnik napięcia wejściowego, Jako zabezpieczenie przed uszkodzeniem napięciowym wejścia wzmacniacza użyte są pary diod przeciwstawnie połączonych. Dużą rezystancję wejściową zapewnia tranzystor połowy.

2    Generator wzorcowy

Wewnętrznym źródłem częstotliwości wzorcowych jest generator kwarcowy 10 MHz skompensowany termicznie.. Sygnał o częstotliwości wzorcowej 10 MHz zostaje poprzez wzmacniacz scalony oraz bramkę Schmitta uformowany w ciąg impulsów prostokątnych, a następnie za pośrednictwem dzielnika częstotliwości zostaje obniżona jego częstotliwość do wartości 1 MHz.

3    Układ sterowania bramek X i Y

Układ ten ma za zadanie sterować bramkami X i Y oraz przełączać tory A i B przy pomiarze odstępu czasu i uśrednionego odstępu czasu. Sygnały z toru B, z układu generatora wzorcowego oraz sygnały sterujące z przełączników lub interfejsu doprowadzana ^ą do jednej bramki.

4    Licznik X

Wejście bramki X jest przyłączone do wejścia licznika X. Licznik X służący do zliczania impulsów przebiegu mierzonego (przy pomiarze częstotliwości) przez czas otwarcia bramki X składa się z ośmiu dekad połączonych kaskadowo. Pierwsza z nich umożliwia zliczanie przebiegów o częstotliwości do 50 MHz. Przed pomiarem licznik jest kasowany sygnałem z wyjścia bramki mocy.

5    Licznik Y

Wyjście bramki Y jest przyłączone do wejścia licznika Y. Licznik Y służy do zliczania impulsów przebiegu wzorcowego przez czas otwarcia bramki Y oraz do wyznaczania czasu pomiaru. Składa się on z dziesięciu dekad, przy czym pierwsza z nich umożliwia zliczanie przebiegów o częstotliwości do 50 MHz. Część dekad jest połączonych równolegle.

6    Przełączniki i układ współpracy z interfejsem

Szyny z przełącznika funkcji i przełącznika czasu pomiaru z gniazda interfejsu są doprowadzone do odpowiednich wejść selektora danych. Wyjścia z selektora danych są doprowadzone do wejść pamięci.

7    Układ przeliczający

Układ przeliczający jest największym układem w mierniku i składa się z kilku wyodrębnionych części. Rejestr X służy do serializacji wyniku zliczania przez ^i;cznik X w celu umożliwienia przepisania go do układu pamięci. Składa się on z czterech rejestrów z równoległym wejściem i szeregowym wyjściem. Rejestr Y służy do serializacji wyniku zliczania przez licznik Y w celu umożliwienia przepisania go do układu pamięci. Składa się on z ośmiu rejestrów z równoległym wejściem i szeregowym wyjściem. Po zmianie poziomu z niskiego na wysoki na wejściach kasujących (sygnał z układu sterowania pamięci i arytmometru) zaczyna działać układ sterowania przepisywaniem, składający się z przerzutników i bramek. Układ ten wytwarza trzyfazowy zegar do sterowania rejestrów i pamięci. Układ pamięci składa się z dwóch pamięci o pojemności szesnastu słów czterobitowych każda oraz z licznika adresowego-licznika rewersyjnego zliczającego do szesnastu. Właściwe przeliczanie wyniku pomiaru odbywa się w układzie arytmometru. Po zakończeniu cyklu przepisywania do pamięci rozpoczyna się przeliczanie w jednostce arytmetycznej. Jednostka arytmetyczna wykonuje operacje w kodzie dwójkowym. Układ sterowania pamięci i arytmometru zapewnia właściwą kolejność procesu wpisu do pamięci i przeliczania.

8    Wyświetlacze

Wyświetlanie wyniku odbywa się w sposób strobowany - tzn. wyświetlane są kolejno cyfry wyniku w miarę jak są wypisywane na wyjścia rejestru. Wypisywanie odbywa się z częstotliwością przebiegu generowanego przez generator strobu.

9    Układ automatyki pomiaru

Układ ten ma za zadanie przygotowywać przyrząd do wykonania pomiaru oraz zapewniać automatyczne powtarzanie pomiaru. W przypadku gdy przyrząd pracuje w cyklu automatycznym to zakończenie wypisywania informacji z przyrządu (po zakończeniu przeliczania w układzie arytmometru) powoduje wyzwolenie mono wibratora wyznaczającego czas odczytu.

Układy częstościomierza-czasomierza cyfrowego w różnych konfiguracjach przedstawiają poniższe rysunki ( 2.8, 2.9, 2.10 ).

		Bramka		Licznik
		X		X

Ukł. ster. bramek

Ukł. auto pomiaru

Układ przelicz

-►

Wyświetl

Benerator

iwzorcowT

_

Bramka

Y

i

Licznik
Y

Rys. 2.8 Konfiguracja układu do pomiaru częstotliwości

xA

UW,

Bramka

X

Licznik

X

T_XB

UW|J>—

Ukł. ster. bramek

Ukł. auto pomiaru

. ^

Układ przelicz.

-►

Wyświetl

Benerato wzorcow

f

Bramka Y

Licznik Y

Rys. 2.9 Konfiguracja układu do pomiaru przedziału czasu

Rys. 2.10 Konfiguracja układu do pomiaru stosunku dwóch częstotliwości.

2.3 Mikroprocesorowy częstościomierz cyfrowy z wagowym przetwarzaniem sygnału mierzonego

Schemat blokowy mikroprocesorowego częstościomierza cyfrowego [10] przedstawiony jest na rys. 2.11.

12 MHz

Rys. 2.11 Schemat blokowy badanego częstościomierza

Na wejściu urządzenia umieszczono transoptor, który odizolowuje wrażliwy na przepięcia i ładunki elektrostatyczne mikroprocesor od czynników zewnętrznych, a jednocześnie przekazuje nie zniekształcony pod względem czasowym sygnał wejściowy o częstotliwości mierzonej Fx do układu formującego. Układ formujący składa się z połączonych szeregowo bramek Schmidta, które formują sygnał wejściowy o dowolnym kształcie na przebieg prostokątny. Z układu formowania sygnał podawany jest bezpośrednio do wejścia T2EX, na którym opadające zbocze powoduje zatrzaskiwanie stanu licznika T2 do rejestru RLD oraz wywołanie przerwania. Do mikroprocesora dołączona jest zewnętrzna pamięć programu w postaci elektrycznie zapisywalnej pamięci EPROM oraz jako urządzenie wyjściowe wyświetlacz.

Taki ogólny schemat jest typowym układem pracy dla tego typu mikrokontrolera. Mikroprocesorowy częstościomierz wagowy składa się z kilku odrębnych modułów zmontowanych na trzech płytkach drukowanych. Moduł mikroprocesora poprzez dwa 20 -pinowe złącz typu „goldpin” jest połączony z płytą bazową, na której zamontowano stabilizator zasilacza, układ wejściowy , układ formowania impulsów, kondensatory filtrujące i tłumiące zakłócenia oraz wszystkie niezbędne złącza. Trzecim elementem składowym urządzenia jest moduł wyświetlania, wyposażony w pięciocyfrowy wyświetlacz typu LED oraz wszystkie niezbędne do sterowania pracą wyświetlacza podzespoły. Sygnał wejściowy dołączany jest do urządzenia poprzez złącze koncentryczne typu BNC dostępne na płycie czołowej. Wszystkie elementy składowe częstościomierza połączone są ze sobą za pomocą gniazd i wtyków oraz elastycznych taśm przewodowych ułatwiających dostęp do wszystkich

elementów urządzenia. Widok częstościomierza z przodu pokazano na rys. 2.12a), a z tyłu na rys. 2.12b).

'-
©	8.8.86.8L h z
<_	_,
/-
	Reset 1 9V DC 1
	• @
'rr—	.............

Rys. 2.12 Widok ścianki: a) przedniej b) tylnej częstościomierza

Urządzenie zasilane jest z zewnętrznego zasilacza, dostarczającego niestabilizowane napięcie stałe o wartości 9V poprzez gniazdo umieszczone na tylnej ściance urządzenia. Napięcie zasilające jest następnie obniżone do wartości 5V i stabilizowane przy pomocy stabilizatora umieszczonego na płycie bazowej. Program wykonywany przez mikrokontroler zawarty jest w pamięci typu EPROM. Sygnał zegarowy mikrokontrolera jest wytwarzany przez zewnętrzny rezonator kwarcowy, o częstotliwości rezonansowej 12 MHz, która jest maksymalną częstotliwością, jaką może być sterowana ta wersja mikrokontrolera.

Wszystkie wolne linie portów oraz sygnały sterujące wyprowadzone są na zewnątrz modułu mikrokontrolera za pomocą złącz J1,J2. Układ wyświetlania wyniku jest to typowy układ sterowania sekwencyjnego wyświetlaczy, pozwalający na znaczne ograniczenie poboru prądu przez urządzenie oraz zmniejszenie ilości połączeń. Zawiera on dekoder kodu BCD na kod siedmiosegmentowy, dekoder BCD na 1 z 10 i współpracujące z nim tranzystory przełączające. Wejście urządzenia przystosowane jest do poziomów logicznych TTL.

3 WYKONANIE ĆWICZENIA

3,1 Pomiary i obserwacje

1    Włączyć zasilanie naciskając przycisk „SIEC” {generator wzorcowy powinien działać). Zaobserwować sygnał wyjściowy z generatora wzorcowego. W tym celu do wyjścia generatora należy podłączyć oscyloskop dwukanałowy. Na podstawie podstawy czasu oszacować mierzone częstotliwości generatora.

2    Podać sygnał z generatora wzorcowego na przerzutnik Schmitta. Na drugim kanale oscyloskopu zaobserwować sygnał wyjściowy z przerzutnika. Ocenić kształt, wartość oraz czasy trwania poziomów.

3    Podać sygnał z przerzutnika Schmitta na dzielnik częstotliwości(nr 2 na rys. 3.1), służący jako podstawa czasu (formowanie sygnału bramki). Sygnał wyjściowy zaobserwować na oscyloskopie i porównać z sygnałem wyjściowym przerzutnika.

1 Pomiar częstotliwości statystycznej

Połączyć układ pomiarowy jak na rys. 3.1. Pogrubioną linią zaznaczona jest podstawa

czasu.

1    Na generatorze zewnętrznym należy ustawić sygnał napięciowy sinusoidalny bez składowej stałej o wartości p-p 4V i częstotliwości 1000Hz.

2    Sygnał z generatora zewnętrznego podać na wejście układu formującego. Obserwacji dokonywać na oscyloskopie. Należy wykorzystać trójnik BNC do jednoczesny’ obserwacji sygnału mierzonego.

3    Obserwować stan licznika. Licznik powinien się przepełniać. Należy zmniejszać podstawę czasu. Regulacji dokonywać tak, by uzyskać mniejszą wartość błędu kwantowania.

4    Dla zadanej częstotliwości mierzonej, wskazanej przez prowadzącego, ustawić dzielnik częstotliwości (2) tak, aby zapewnić minimalny błąd kwantowania.

5    Zbadać możliwość rozszerzenia zakresu w górę poprzez zastosowanie dzielnika (1).

6    Zbadać możliwość rozszerzenia zakresu w dół. Do tego celu należy wykorzystać powielacz częstotliwości.

7    Na podstawie generatora wzorcowego, dzielnika częstotliwości i wskazań licznika określić wartość mierzonej częstotliwości.

8    Wskazania częstościomierza-czasomierza porównać z miernikiem firmowym C 571.

Pomiar ręczny rozpoczynamy przyciskiem „START” umieszczonym na płycie głównej miernika. Ręczne kasowanie następuje za pomocą przycisku „KAS”. Przełącznik czasu wyświetlania powinien być ustawiony w poz. <%>. Przy ręcznym cyklu pomiarowym i kasowaniu automatycznym przełącznik czasu wyświetlania powinien być ustawiony na „czas regulowany ”. Przy całkowicie automatycznym cyklu pomiarowym przełącznik praca ręczna-automatyczna powinien być ustawiony dla pracy automatycznej. Czas wyświetlania może być regulowany. Częstotliwość powtarzania cykli pomiarowych jest regulowana potencjometrem „częstotliw. pomiar.”. Zastosowanie czasów pomiaru lOs i lOOs do pomiaru częstotliwości zaznaczone jest na rys. 3.1 linią przerywaną.

układ formujący dzielnik częst.

Rys. 3.1 Konfiguracja układu do pomiaru częstotliwości statystycznej

2 Pomiar okresu sygnału

Połączyć układ pomiarowy jak na rys. 3.2. Algorytm postępowania jest analogiczny jak wyżej.

1    Sygnał wejściowy należy dobrać o parametrach TTL. Amplituda napięcia nie może przekraczać ± 4V i częstotliwości do 50Hz.

2    Na podstawie generatora zewnętrznego, dzielnika częstotliwości i wskazań licznika określić wartość okresu sygnału.

3    Wskazania porównać z miernikiem C 571. W tym celu miernik C 571 należy przełączyć na pomiar okresu.

Pomiar wielokrotności okresu zaznaczony jest na rys. 3.1.2 liniami przerywanymi. Możliwe jest sprawdzenie jak zwiększa się dokładność pomiaru przy rosnącej częstotliwości wzorcowej i przy pomiarze wielokrotności okresu oraz jak kształt mierzonego sygnału wpływa na błąd formowania.

układ formujący dzielnik częst.

3 Pomiar stosunku częstotliwości

Połączyć układ pomiarowy jak na rys. 3.3. Algorytm postępowania jest analogiczny jak wyżej.

1    Sygnał o częstotliwości wyższej należy podłączyć do wejścia przerzutnika Schmitta (pogrubiona linia na rys. 3.3).

2    Do generacji drugiego sygnału wykorzystać generator oscyloskopu. Sygnał z oscyloskopu powinien być o parametrach TTL.

3    Na podstawie generatora i oscyloskopu ocenić wynik pomiaru.

4    Wskazania porównać z miernikiem C 571. W tym celu miernik C 571 należy przełączyć na pomiar stosunku częstotliwości.

układ formujący dzielnik częst.

Rys. 3.3 Konfiguracja układu do pomiaru stosunku dwóch częstotliwości 3.1.2 Pomiary za pomocą mikroprocesorowego częstościomierza cyfrowego 1 Pomiar częstotliwości

Połączyć układ pomiarowy jak na rys. 3.4 i dla częstotliwością generatora z zakresu l-^100Hz i poziomów TTL porównać wskazania częstościomierzy: mikroprocesorowego i C571 oraz oszacować dokładność częstościomierza mikroprocesorowego.

Rys. 3.4 Układ pomiarowy częstościomierza

3.2 SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA

Sprawozdanie powinno zawierać:

•    stronę tytułową: nazwisko i imię, grupę, temat ćwiczenia, cel ćwiczenia, program ćwiczenia.

•    wykonanie ćwiczenia: schematy układów pomiarowych, zestaw aparatury pomiarowej, wyniki pomiarów, obliczenia i wzory.

•    wnioski i spostrzeżenia: własna ocena przebiegu ćwiczenia, szacowanie błędów.

4 LITERATURA

1    Jasik J.R.: O pojęciu „częstotliwość” w nauczaniu podstawowych metod pomiarów częstotliwości sygnałów elektrycznych. XVI Międzyuczelniana Konferencja Metrologów. Materiały pokonferencyjne. Lublin: Wyd. Pol. Lub.: 1984.

2    Karkowski Z., Nowaczyk J.: Miernictwo cyfrowe. Wrocław: Wyd. Pol. Wroc.:1975.

3    Stabrowski M.: Miernictwo elektryczne. Cyfrowa technika pomiarowa. Warszawa: Of. Wyd. Pol. War.: 1994.

4    Fundamental of the Electronic Counters. Aplication notę 200. Hawlett Packard:1997.

5    Mirskij G. J.: Elektronnyje izmerenija. Radio i swiaz. Moskwa: 1986.

6    Jasik J.R., Pawłowski E., Toborek K.: Komputerowo wspomagane pomiary częstotliwości sygnałów z wykorzystaniem programowalnego układu licznikowego. XXVI Międzyuczelniana Konferencja Metrologów. Opole: Wyd. W.S.I. 1994.

7    Jasik J.R., Matejko G.: Algorytm pomiaru częstotliwości dla realizacji komputerowych. Zastosowania Komputerów w Elektrotechnice. Materiały Konferencji Naukowo-Technicznej. Poznań: Instytut Elektrotechniki Przemysłowej Pol. Poz.:2000.

8    Waszczuk Z.: Projekt i wykonanie miernika cyfrowego do celów dydaktycznych. Dyplomowa praca magisterska. Lublin: Wydział Elektryczny Pol. Lub.: 1980.

9    Częstościomierz - czasomierz typu C 571. Instrukcja obsługi i serwisu. Meratronik.

10    Podgorodecki J.: Mikroprocesorowy częstościomierz cyfrowy z wagowym przetwarzaniem sygnału mierzonego. Dyplomowa praca inżynierska. Lublin: Wydział Elektryczny Pol. Lub.: 1999.

CYFROWE POMIARY CZASOWO-CZĘSTOTLIWOŚCIOWYCH

PARAMETRÓW SYGNAŁÓW

Szczegółowy program pomiarów

1.    Przygotowanie do pomiarów

a)    Blok sterowania w badanym modelu przyrządu ustawić na pomiar automatyczny, czas wyświetlania na wartość minimalną, częstotliwość pomiarów na maksymalną. W razie trudności z odczytem i notowaniem na bieżąco wyników pomiarów wydłużyć odpowiednio do potrzeb czas odczytu lub przejść na sterowanie ręczne.

b)    Częstościomierz kontrolny (wzorcowy) ustawić zależnie od potrzeby:

-do pomiarów kontrolnych częstotliwości - wejście B, czułość 100V. poziom AUTO. czas otwarcia bramki 1 s,

-do pomiaru kontrolnych okresu - wejście C, czułość 100V. poziom AIJTO, impulsy wzorcowe o okresie 1 ps.

-    do pomiarów sprawdzających generator częstotliwości wzorcowej - wejście A, czułość 10V, poziom AUTO, czas otwarcia bramki 10 s.

Przed rozpoczęciem pomiarów należy zapoznać się z obsługą częstościomierza na podstawie instrukcji obsługi dostępnej na stanowisku pomiarowym.

c)    Oscyloskop ustawić do pracy dwukanałowej, sygnał z wbudowanego generatora dołączyć do wejścia kanału 1 i dalej za pomocą trójnika BNC do badanego układu. Wybrać synchronizację podstawy czasu sygnałem kanału 1, oba wejścia ustawić w tryb pracy DC, sprawdzić ustawienie poziomu odniesienia (masy) w pozycji GND. Każdorazowo przerysowując przebiegi do protokołu zapisać zastosowane nastawy oscyloskopu.

d)    Pomiary wykonywać dla sygnału prostokątnego o wartości między szczytowej 4 V_pp bez składowej stałej, za wyjątkiem punktów w których wyraźnie określono mne parametry sygnału. Częstotliwość sygnału każdorazowo ustawiać zgodnie z poleceniami w '■'''•'ejnych punktach.

2.    Bezpośrednie pomiary częstotliwości

a)    Połączyć obwody podstawy czasu wg rys.3.1 (gruba linia). Zaobserwować oscyloskopem kształt przebiegów i przerysować je do protokołu oraz zmierzyć ich częstotliwość przyrządem kontrolnym w następujących punktach układu:

-    wyjście generatora podstawy czasu,

-    wyjście przerzutnika Schmitta,

-    kolejne wyjścia dzielnika częstotliwości.

b)    Połączyć obwody sygnału wejściowego i sterowania licznika dla czasu otwarcia bramki 1 s wg rys.3.1 (cienka linia). Kanał 1 oscyloskopu dołączyć do wejścia, a kanał 2 do wyjścia układu formującego. Dołączyć do wejścia sygnał o parametrach: f=1000Hz, U=4 Y_pp z zewnętrznego generatora (ustawić wg wskazań oscyloskopu). Zaobserwować i przerysować przebiegi z oscyloskopu dla różnych ustawień pokrętła regulacji poziomu w układzie formującym i dla różnych kształtów sygnału wejściowego (sinus, prostokąt, trójkąt). Dobrać optymalne ustawienie. Określić czułość wejścia jako najmniejszą wartość sygnału wejściowego zapewniającego poprawną pracę układu formującego.

c)    Przełączyć generator na sygnał prostokątny. Do wejścia badanego miernika dołączyć częstościomierz kontrolny ustawiony do pomiaru częstotliwości (pkt.l.b). Porównać i zapisać wskazania miernika badanego i kontrolnego. Obliczyć błąd kwantowania oraz błąd wzorca (wg punktu 4) i porównać z błędem całkowitym obliczonym względem wskazań miernika kontrolnego.

d)    Zwiększyć częstotliwość sygnału wejściowego aż do uzyskania przepełnienia się licznika. Zmierzyć częstotliwość miernikiem kontrolnym, zanotować wskazania obu przyrządów. Zwiększyć zakres pomiarowy (zmniejszając czas otwarcia bramki) dobierając odpowiednie wyjście dzielnika częstotliwości sygnału generatora podstawy czasu tak, aby licznik nie ulegał przepełnieniu. Wyznaczyć maksymalną częstotliwość możliwą do zmierzenia w badanym układzie dla każdego z dostępnych czasów otwarcia bramki i wykonać pomiary dla częstotliwości niższych o 5 % od wyliczonych wartości. Odczytać i zapisać wskazania mierniku badanego i kontrolnego, wyznaczyć błędy zgodnie z pkt.2.c. Każdy pomiar wykonać najpierw dla sygnału prostokątnego i powtórzyć dla sygnału sinusoidalnego, porównać uzyskane wyniki.

e)    Wykorzystać dodatkowy dzielnik częstotliwości do uzyskania czasu otwarcia bramki 10 s i 100 s (linia przerywana na rys.3.1). Wyznaczyć maksymalną częstotliwość możliwą do zmierzenia w obu przypadkach i wykonać pomiary dla częstotliwości niższej o 5 % od wyliczonych wartości. Odczytać i zapisać wskazania miernika badanego i kontrolnego, wyznaczyć błędy zgodnie z pkt.2.c. Każdy pomiar wykonać najpierw dla sygnału prostokątnego i powtórzyć dla sygnału sinusoidalnego, porównać uzyskane wyniki.

f)    Dla czasu otwarcia bramki 1 s zwiększyć zakres pomiarowy wykorzystując dodatkowy dzielnik częstotliwości wejściowej. Wyznaczyć maksymalną częstotliwość możliwą do zmierzenia z wykorzystaniem obu wyjść dzielnika i wykonać pomiary dla częstotliwości niższej o 5 % od wyliczonych wartości. Odczytać i zapisać wskazania miernika badanego i kontrolnego, wyznaczyć błędy zgodnie z pkt.2.c.

3. Pośrednie pomiary częstotliwości poprzez pomiar okresu i okresu średniego

a)    Połączyć układ zgodnie z rys.3.2 (linia ciągła), dołączyć miernik kontrolny ustawiony do pomiaru okresu (pkt.l.b). Podać na wejście sygnał prostokątny o częstotliwości 101 Hz. Dobru! wyjście dzielnika częstotliwości wzorcowej w mierniku badanym zapewniające największą dokładności. Odczytać i zapisać wskazania miernika badanego i kontrolnego. Przeliczyć wyniki pomiaru okresu na częstotliwość. Powtórzyć pomiar dla sygnału sinusoidalnego, porównać uzyskane wyniki. Wyznaczyć błąd kwantowania, błąd wzorca i błąd układu formującego wnoszony przez szumy. Przyjąć średniokwadratową wartość szumów równą 1 mV, pominąć dryft układu formującego. Porównać obliczone błędy z błędem całkowitym wyznaczonym względem wskazań miernika kontrolnego.

b)    Wyznaczyć minimalną częstotliwość możliwą do zmierzenia w badanym układzie dla każdego z dostępnych wyjść dzielnika częstotliwości wzorcowych, i wykonać pomiary dla częstotliwości wyższych o 5 % od wyliczonych wartości. Odczytać i zapisać wskazania miernika badanego i kontrolnego, przeliczyć na częstotliwość, wyznaczyć błędy zgodnie z pkt.3.a. Każdy pomiar wykonać najpierw dla sygnału prostokątnego i powtórzyć dla sygnału sinusoidalnego, porównać uzyskane wyniki.

c)    Połączyć układ do pomiaru wielokrotności 10 okresów (linia przerywana na rys.3.2). Powtórzyć pomiary dla sygnału z pkt.3.a, dobierając wyjście dzielnika częstotliwości wzorcowej w mierniku badanym zapewniające największą dokładności. Odczytać i zapisać wskazania miernika badanego i kontrolnego, przeliczyć na częstotliwość, wyznaczyć błędy zgodnie z pkt.3.a. Powtórzyć pomiar dla wielokrotności 100 okresów'.

c)    Przełączyć generator na sygnał prostokątny. Do wejścia badanego miernika dołączyć częstościomierz kontrolny ustawiony do pomiaru częstotliwości (pkt.l.b). Porównać i zapisać wskazania miernika badanego i kontrolnego. Obliczyć błąd kwantowania oraz błąd wzorca (wg punktu 4) i porównać z błędem całkowitym obliczonym względem wskazań miernika kontrolnego.

d)    Zwiększyć częstotliwość sygnału wejściowego aż do uzyskania przepełnienia się licznika. Zmierzyć częstotliwość miernikiem kontrolnym, zanotować wskazania obu przyrządów. Zwiększyć zakres pomiarowy (zmniejszając czas otwarcia bramki) dobierając odpowiednie wyjście dzielnika częstotliwości sygnału generatora podstawy czasu tak, aby licznik nie ulegał przepełnieniu. Wyznaczyć maksymalną częstotliwość możliwą do zmierzenia w badanym układzie dla każdego z dostępnych czasów otwarcia bramki i wykonać pomiary dla częstotliwości niższych o 5 % od wyliczonych wartości. Odczytać i zapisać wskazania mieniuwj badanego i kontrolnego, wyznaczyć błędy zgodnie z pkt.2.c. Każdy pomiar wykonać najpierw dla sygnału prostokątnego i powtórzyć dla sygnału sinusoidalnego, porównać uzyskane wyniki.

e)    Wykorzystać dodatkowy dzielnik częstotliwości do uzyskania czasu otwarcia bramki 10 s i 100 s (linia przerywana na rys.3.1). Wyznaczyć maksymalną częstotliwość możliwą do zmierzenia w obu przypadkach i wykonać pomiary dla częstotliwości niższej o 5 % od wyliczonych wartości. Odczytać i zapisać wskazania miernika badanego i kontrolnego, wyznaczyć błędy zgodnie z pkt.2.c. Każdy pomiar wykonać najpierw dla sygnału prostokątnego i powtórzyć dla sygnału sinusoidalnego, porównać uzyskane wyniki.

f)    Dla czasu otwarcia bramki 1 s zwiększyć zakres pomiarowy wykorzystując dodatkowy dzielnik częstotliwości wejściowej. Wyznaczyć maksymalną częstotliwość możliwą do zmierzenia z wykorzystaniem obu wyjść dzielnika i wykonać pomiary dla częstotliwości niższej o 5 % od wyliczonych wartości. Odczytać i zapisać wskazania miernika badanego i kontrolnego, wyznaczyć błędy zgodnie z pkl.2.c.

3. Pośrednie pomiary częstotliwości poprzez pomiar okresu i okresu średniego

a)    Połączyć układ zgodnie z rys.3.2 (linia ciągła), dołączyć miernik kontrolny ustawiony do pomiaru okresu (pkt.l.b). Podać na wejście sygnał prostokątny o częstotliwości 101 Hz. Dóbr... wyjście dzielnika częstotliwości wzorcowej w mierniku badanym zapewniające największą dokładności. Odczytać i zapisać wskazania miernika badanego i kontrolnego. Przeliczyć wyniki pomiaru okresu na częstotliwość. Powtórzyć pomiar dla sygnału sinusoidalnego, porównać uzyskane wyniki. Wyznaczyć błąd kwantowania, błąd wzorca i błąd układu formującego wnoszony przez szumy. Przyjąć średniokwadratową wartość szumów równą 1 mV, pominąć dryft układu formującego. Porównać obliczone błędy z błędem całkowitym wyznaczonym względem wskazań miernika kontrolnego.

b)    Wyznaczyć minimalną częstotliwość możliwą do zmierzenia w badanym układzie dla każdego z dostępnych wyjść dzielnika częstotliwości wzorcowych, i wykonać pomiary dla częstotliwości wyższych o 5 % od wyliczonych wartości. Odczytać i zapisać wskazania miernika badanego i kontrolnego, przeliczyć na częstotliwość, wyznaczyć błędy zgodnie z pkt.3.a. Każdy pomiar wykonać najpierw dla sygnału prostokątnego i powtórzyć dla sygnału sinusoidalnego, porównać uzyskane wyniki.

c)    Połączyć układ do pomiaru wielokrotności 10 okresów (linia przerywana na rys.3.2). Powtórzyć pomiary dla sygnału z pkt.3.a. dobierając wyjście dzielnika częstotliwości wzorcowej w mierniku badanym zapewniające największą dokładności. Odczytać i zapisać wskazania miernika badanego i kontrolnego, przeliczyć na częstotliwość, wyznaczyć błędy zgodnie z pkt.3.a. Powtórzyć pomiar dla wielokrotności 100 okresów.

4.    Wyznaczenie błędów generatorów wzorcowych

a)    Pomiary błędów generatorów wzorcowych wykonywać należy jako ostatnie, dzięki czemu mierniki są wygrzane i ustabilizowane termicznie. Dodatkowo zastosowany będzie odbiornik sygnału częstotliwości wzorcowej 77,5 kHz (DCF) i 225 kHz pogram 1 Polskiego Radia). Częstotliwość nośna 225 kHz Programu 1 Polskiego Radia jest urzędowym wzorcem częstotliwości (etalonem li rzędu) w Polsce podlegającym GUM. Nadajnik DCF jest urzędowym źródłem sygnałów wzorcowych czasu i częstotliwości w Niemczech nadzorowanym przez PTB. Względny błąd częstotliwości wzorcowej nie przekracza wartości 10’⁹ dla odbiornika 1 PR i 10"'² dla DCF.

b)    Wyznaczyć błąd generatora podstawy czasu badanego miernika. W tym celu wykonać serię 10 pomiarów częstotliwości sygnału za przerzutnikiem Schmitta za pomocą miernika kontrolnego, przy czasie otwarcia bramki 10 s. Obliczyć wartość średnią i odchylenie standardowe a. Obliczyć błąd częstotliwości wzorcowej badanego modelu i wykorzystać w sprawozdaniu do obliczania błędów całkowitych w pozostałych punktach ćwiczenia. Oszacować niestabilność krótkoterminową generatora na podstawie odchylenia standardowego a.

c)    Wyznaczyć błąd generatora wzorcowego miernika kontrolnego. W tym celu dołączyć do wejścia A miernika kontrolnego sygnał 1 MHz z odbiornika częstotliwości wzorcowej 77,5 kHz (DCF) i wykonać 10 pomiarów dla czasu otwarcia bramki 10 s. Obliczyć wartość średnią i odchylenie standardowe. Obliczyć błąd generatora wzorcowego miernika kontrolnego. Powtórzyć pomiary dla odbiornika 225 kHz. Na podstawie jakości audycji słownej ocenić poziom zakłóceń. Zbadać wpływ ustawienia anteny na podstawie wct-aźnika poziomu odbieranego sygnału.

5.    Opracowanie sprawozdania

a)    W sprawozdaniu należy zamieścić dla każdego realizowanego punktu:

-    schemat połączeń badanego przyrządu,

-    przebiegi z zastosowanymi nastawami oscyloskopu,

-    wskazania przyrządu badanego i kontrolnego,

-    błędy miernika badanego w rozbiciu na poszczególne składniki i zsumowane oraz rzeczywiste błędy wyznaczone względem wskazań miernika kontrolnego.

b)    Zestawić w tabelce wyznaczone parametry badanego miernika (zakresy pomiarowe, błędy graniczne) dla poszczególnych konfiguracji pracy.

c)    Ocenić pracę układu formującego na podstawie porównania wyników pomiarów uzyskanych dla różnych kształtów sygnału wejściowego.

d)    Porównać jakość sygnałów uzyskiwanych z odbiorników częstotliwości wzorcowych.

d) Inne wnioski o przebiegu ćwiczenia.

1 WPROWADZENIE TEORETYCZNE

Algorytm działania współczesnych częstościomierzy cyfrowych bazuje na fazowej definicji częstotliwości, zgodnie z którą jej wartość jest wyznaczana z zależności:

(1.1)

_f_ Ąt₂)-ł(ti)

gdzie: <j>(t_x),<f>(t₂) - faza sygnału mierzonego odpowiednio w momentach czasowych t i t₂ , t₂-t_x=T - czas pomiaru.

Częstościomierze pracują w dwóch podstawowych trybach:

•    trybie, w którym wyznaczany jest przyrost fazy sygnału A<j = (p{t₂)-(p(t_{) w zadanym czasie pomiaru Tp = const.

•    trybie, w którym określany jest czas Tp odpowiadający przyrostowi fazy sygnału o ściśle zadaną wartość <|) = const. równą całkowitej (najczęściej 1,10,100) liczbie cykli.

W pierwszym przypadku mierzymy tzw. częstotliwość statystyczną [1] reprezentującą liczbę okresów sygnału (ściślej cykli fazy) w zadanym czasie Tp. W drugim mierzymy częstotliwość chronometryczną [1] wyznaczaną jako odwrotność okresu sygnału T_x.

W praktyce częstotliwość sygnałów jest mierzona z pomocą uniwersalnych liczników/ timerów.

1.1 Pomiar częstotliwości statystycznej

Struktura licznika/timera mierzącego częstotliwość zgodnie z definicją statystyczną jest przedstawiona na rys. 1.1 zaś na rys. 1.2 są przedstawione typowe przebiegi czasowe sygnałów w charakterystycznych punktach układu [2,3].

Rys. 1.1 Struktura układu do pomiaru częstotliwości statystycznej

Zasada pomiaru polega na bezpośrednim porównaniu wartości mierzonej częstotliwości f_x z wartością dyskretną częstotliwości wzorcowej /₀ wytwarzanej w generatorze zegarowym.

W przypadku sygnału sinusoidalnego pomiar polega na przetworzeniu mierzonego sygnału na ciąg impulsów, których momenty występowania odpowiadają momentom przejścia sygnału przez poziom zerowy z pochodną tego samego znaku.

Tx=1/fx

C)

To =

W

miii umilili mi mii u

t

		t
	<-IB-,

				t .— -.........
'-V- "

Nx

d)

e)

Rys. 1.2 Przebiegi czasowe przy pomiarze częstotliwości statystycznej

1

(1.2)

Czas pomiaru Tp ustalany jest na podstawie generatora impulsów zegarowych o okresie To i dzielnika częstotliwości o współczynniku podziału K.

T_P = KTo .    (1.3)

Impulsy o czasie trwania Tp = KTo otwierają bramkę dla impulsów o mierzonej częstotliwości.

Liczba impulsów Nx zapełniających licznik w czasie T_P jest równa:

N

x

(1.4)

(1.5)

Pomiar jest pomiarem pośrednim, aby uzyskać wskazania częstościomierza bezpośrednio w hercach utrzymuje się: Tp = KT , q = 0,±1,±2,.... Dla q = 0 czas pomiaru Tp = ls, a kod N_x jest liczbowo równy mierzonej częstotliwości:

Nx = fx .    (1.6)

2