IMG�92 (2)

puszczalny wynosi dla każdego wskazania ±2.10"* nominalnej^{1 2} wartości gómej granicy zakresu i dla wszystkich wskazań na danym podzakresie granice błędu są niezmienne co do bezwzględnej wartości.

Przykład. Błąd (dopuszczalny)³ częstotliwościomierza wynosi ±0.02% zakresu Ile wyniesie przyrządowa (instrumentalna) niepewność bezwzględna oraz względna wyniku pomiaru częstotliwości, gdy wskazanie wyniosło 1255,5 Hz na podzakresie 10 kHz? Bezwzględna niepewność przyrządowa wyniku pomiaru (niepewność wynikająca tylko z charakterystyki dokladnościowcj przyrządu) wynosi ±2.1010" • = ±2 Hz Względna niepewność przyrządowa wyniku pomiaru wynosi ^łJ /ijjs.j Hz ⁼ 16.10"* = 0 16% ZauwaZmy: otrzymana liczba jest 8 razy większa niż liczba wyrażająca względny błąd dopuszczalny tego przyrządu, jest również blisko 2 razy większa niż niepewność w poprzednim przykładzie przy „prawie takiej samej dokładności przyrządu".

Wyjaśnimy bliżej mechanizm wpływu szumu na wskazania przyrządu przy pomiarze okresu i odstępu czasu, szumu jako zjawiska pogarszającego dokładność. Tak jak szum oddziałują tętruenia sieciowe lub innego pochodzenia zakłócenia nakładające się na sygnał mierzony lub obecne w obwodach przyrządu, czego nie da się uniknąć. W tym celu skorzystamy ponownie z rys. 2 .2.

W module formowania przebieg prostokątny otrzymuje się na wyjściu komparatora analogowego, na wejście którego doprowadzone są napięcia jedno nastawionego poziomu wyzwalania i drugie sygnału badanego Po przekroczeniu odpowiedniej wartości różnicy tych napięć na wyjściu komparatora powstaje skok napięcia, powstaje zbocze przebiegu prostokątnego. Nałożymy obecnie na przebieg mierzony (na rys 2.2 przykładowo występuje sinusoida) przebieg losowego szumu i otrzymamy sinusoidę rozmytą, bo w szumie są również częstotliwości duże. Wówczas punkt zrównania się napięcia nastawionego poziomu wyzwalania i napięcia sygnału wypadkowego (z szumem) też „rozmywa się". Komparator zostanie pobudzony wypadkowym napięciem chwilowym (sygnał + szum), a więc może przejść wcześniej lub później w stan przeciwny niż wówczas, gdyby szumu nie było Wcześniej lub później oznacza losowe wcześniejsze lub późniejsze wygenerowanie impulsów START lub STOP, a więc powstanie losowego błędu pomiaru czasu Wpływ szumu (lub tętnieó) będzie mniejszy, gdy stromość zbocza będzie większa i odwrotnie - mała stro-mość zbocza (np. górny poziom napięcia sinusoidy) spowoduje większy błąd pomiaru czasu (małym przyrostom napięcia chwilowego towarzyszą duże zmiany czosul). Podobne skutki wywoła szum własny przyrządu, który jakby przesuwał „na chwilę punkt pracy” komparatora lub nastawiony poziom napięcia wyzwalania i w ten sposób dodając się algebraicznie do napięcia sygnału mierzonego (też z szumem), zmienia moment wyzwalania w stosunku do momentu oczekiwanego.

Do pełnej charakterystyki dokładnościowej przyrządu potrzebne są dane o wrażliwości częstotliwościomierza-czasomierza na zmiany warunków fizycznych. Dominującą wielkością wpływową częstotliwościomierzy jest temperatura, która ma wpływ na częstotliwość użytego w przyrządzie generatora (podstawy czasu) Typowa wartość błędu temperaturowego przyrządu przypadająca na ±20 K zmiany temperatury w stosunku do temperatury odniesienia jest liczbowo tego samego rzędu, co błąd dopuszczalny podstawowy przyrządu.

Drugą wielkością, która ma wpływ na wskazania przyrządu, jest napięcie zasilania Jest to wpływ niewielki. Typowa wartość błędu dodatkowego przyrządu powstałego z tego tytułu jest o rząd lub więcej mniejsza niż błąd dopuszczalny podstawowy wzorca częstotliwości, gdy napięcie zmieni się o ±10% w stosunku do znamionowego.

Z analizy dokładnościowej funkcji pomiaru okresu (a dotyczy to również funkcji pomiaru czasu) wynika, że występuje składowa błędu zależna od poziomu szumu w sygnale badanym. Wpływ ten dodatkowo jest funkcją stromości zbocza w punkcie wyzwalania. W pewnych okolicznościach (mała amplituda sygnału wolnozmiennego) składowa ta może być dominującą składową błędu dopuszczalnego przyrządu (patrz przykład liczbowy w tym

paragrafie), wielokrotnie większą niz pozostałe składowe, które jako bardzie) typowe są często przyjmowane za jedyne.

Współczesne częstotliwościoniicrzc-czasomicrze uwala się za mało dokładne, jcieli niepewność otrzymanych przy ich użyciu wyników pomiaru jest większa nil ±0.01%, są średniej dokładności, jeżeli niepewność jest mniejsza nil ± 0.01% i są bardzo dokładne, jeżeli niepewność otrzymanych przy ich użyciu wyników jest mniejsza niż ±1 ppm

Specjalne problemy występują przy cyfrowym pomiarze małej i dużej częstotliwości Przy pomiarze małej częstotliwości z dużą rozdzielczością wydłuża się czas pomiaru potrzebny na zliczenie odpowiedniej liczby impulsów. Nie stosuje się czasu otwarcia bramki większego niz lOs, więc rozdzielczość sześciocyfrową można wówczas otrzymać przy pomiarze częstotliwości rzędu 100 kHz lub większej Dla częstotliwości mniejszej trzeba zastosować powielanie częstotliwości⁴ lub mierzyć okres i obliczać częstotliwość (w zmi-kroprocesorowanych częstotliwościomierzach obliczanie realizuje się numerycznie).

Układy częstotliwościomierzy o zakresie do 200 MHz (a nawet więcej) nie wymagają szczególnych rozwiązań, natomiast rozszerzenie zakresu do I lub 1.5 GHz uzyskuje się za pomocą wstępnego, mikrofalowego dzielnika częstotliwości (wykonanie: łańcuch kilku przerzutmków w odpowiedniej technologii), a po obniżeniu częstotliwości w znanym stosunku sygnał trafia do układu standardowego częstoliwościomierza. W takim rozwiązaniu jednostka kwantyzacji powiększy się tylokrotnie, ile wynosi odwrotność stosunku podziału częstotliwości, a rozdzielczość częstotliwościomierza (liczba cyfr) nie ulegnie zmianie. W konstrukcjach na najwyższe zakresy częstotliwości (powyżej 15 GHz) stosuje się przemienniki częstotliwości (dużej na małą), które funkcjonują na zasadzie mieszania częstotliwości Potrzebna jako odniesienie częstotliwość wzorcowa jest malej częstotliwości (np. 10 MHz) i ta częstotliwość jest powielana w znanym stosunku (np. w tzw. układzie diodowego generatora harmonicznych i przestrajanego filtru wybranej harmonicznej). Po powieleniu otrzymany sygnał jest mieszany z częstotliwością sygnału badanego, a na wyjściu mieszacza z sygnału wydziela się częstotliwość różnicową mieszczącą się w zakresie pomiarowym standardowego częstotliwościomierza. Do odczytanego wyniku należy dodać powieloną częstotliwość odniesienia, a stosunek powielenia zależeć będzie od rzędu wybranej harmonicznej. Wszystkie te czynności mogą być zautomatyzowane w odpowiednią konstrukcji częstotliwościomierza, a użytkownik odczytuje gotowe wskazanie.

2.4. Wybrane zagadnienia pomiaru czasu i częstotliwości

2.4.1. Pomiar stosunku częstotliwości

Już przy omawianiu cyfrowej zasady pomiaru częstotliwości zauważyliśmy, ze w częstoliwościomierzu realizowane wskazanie jest liczbą wyrażającą stosunek dwu częstotliwości, z których jedna jest częstotliwością wzorcową. Fizycznie taki stosunek w częstotli-wościomierzu otrzymuje się badając, ile razy w okresie sygnału o znanej i wzorcową częstotliwości mieści się okres sygnału, którego częstotliwość mierzymy. Skomplikowanie układu częstotliwościomierza wynika tylko z tego, że interesuje nas duża rozdzielczość wskazania tego stosunku, a to oznacza, że wówczas często trzeba doraźnie wydłużyć czas zliczania, czyli praktycznie zwielokrotnić znaną liczbę razy okres wzorcowy (czas otwarcia bramki), w którym zliczane są okresy sygnału badanego (żeby ich zmieściło dostatecznie dużo). Wiemy, że konstrukcyjnie oznacza to wykonanie dzielenia częstotliwości wzorco-

1

¹ Np. górna granica zakresu może faktycznie wynosić 999999, gdy nominalnie wynosi 1000000.

2

Określenie „dopuszczalny" pisane jest tu w nawiasie, żeby zaznaczyć, żc w dokumentacjach przyrządów

3

określenie to jest pomijane, a użyte w takich okolicznościach słowo „błąd" ma znaczyć „błąd dopuszczalny".

4

Patrz zagadnienia specjalne: pomiar fazy, pomiar bardzo dużej częstotliwości.

69