Laboratorium Podstaw elektroniki i metrologii.

Transkrypt

Podstawy elektroniki i metrologii na kierunku Informatyka
POMIARY CZASU, CZĘSTOTLIWOŚCI I PRZESUNIĘCIA FAZOWEGO
Ćwiczenie nr 3
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.
2. Wprowadzenie
2.1. Analogowe metody pomiarowe
Analogowe metody pomiaru, częstotliwości i kąta przesunięcia fazowego są realizowane za pomocą
oscyloskopu.
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:
fx =
1
,
xT Dtx
(1)
gdzie: xT − odstęp między odpowiednimi przejściami przez zero,
Dtx − współczynnik podstawy czasu.
Jest to metoda w której wielkość poszukiwana, częstotliwość fx nie jest mierzona bezpośrednio, lecz
wyznaczana na podstawie pomiaru innej wielkości xT określającej okres przebiegu badanego. Jest to przykład
pomiaru pośredniego, który wymaga przy ocenie dokładności pomiaru uwzględnienia funkcji (1). Sposób
postępowania przy wyznaczeniu błędu systematycznego zostanie przedstawiony dla ogólnego przypadku.
W wielu sytuacjach wielkość poszukiwana y nie jest mierzona bezpośrednio, lecz wyznaczana na podstawie
pomiarów innych wielkości xi związanych z nią określoną zależnością funkcyjną:
y = f (x1 , x 2 ,..., x n )
(2)
nazywaną równaniem pomiaru.
Aby wyznaczyć zmianę Δy funkcji (2) (tzn. błąd bezwzględny εy wielkości poszukiwanej y) spowodowany
zmianami jej argumentów o Δx1, Δx2, ... Δxn (określających błędy bezwzględne ε x1 , ε x 2 , ... ε xn mierzonych
wielkości) należy wykorzystać następującą zależność:
Δy =
∂f
∂f
∂f
Δx n
Δx1 +
Δx 2 + ... +
∂x n
∂x1
∂x 2
(3)
która odwzorowuje równanie pomiaru w dziedzinie błędów.
Pochodne cząstkowe:
∂f
, gdzie: i = 1, 2, ... n
∂xi
(4)
nazywane są współczynnikami wrażliwości, zaś całe wyrażenie nazywa się różniczką zupełną.
W przypadku metody graficznej pomiaru fx opisanej równaniem (1), błąd bezwzględny metody na podstawie
zależności (3), przyjmuje postać:
∂f
∂f
ε f x = x ε T + x ε Dtx
(5)
∂xT
∂Dtx
Najczęściej wyznaczany jest błąd maksymalny, dlatego w zależności (5) sumowane są wartości bezwzględne
poszczególnych składników. Natomiast błąd względny δ f x obliczamy z zależności:
δ fx =
ε fx
fx
100%
(6)
gdzie wartość fx wyznaczamy z (1) dla zmierzonych wielkości xT i Dtx.
W podobny sposób 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. 1a.
b)
a)
Y
Uy
X
t
xτ
2x0
xT
2xm
Rys. 1. Obrazy na ekranie oscyloskopu wykorzystywane do graficznego pomiaru kąta
przesunięcia fazowego: a) metodą bezpośrednią, b) metodą figur Lissajous
Mierząc długość okresu xT oraz długość odcinka między przejściami przez zero w tych samych fazach obu
przebiegów xτ , wartość przesunięcia fazowego oblicza się ze wzoru:
ϕ=
xτ
360°
xT
(7)
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. 1b.
Z kształtu elipsy można obliczyć kąt przesunięcia fazowego, posługując się wzorem:
⎛ 2 x0
⎝ 2 xm
ϕ = ± arcsin ⎜⎜
⎞
⎟⎟
⎠
(8)
Błąd bezwzględny pomiaru kąta przesunięcia fazowego metodą figur Lissajous (wyrażony w radianach),
wyznaczony za pomocą różniczki zupełnej, wynosi:
ε ϕ max
⎛
⎜
⎜
1
⎜
= ±⎜
⎛ 2 x0
⎜
⎜⎜ 2 x m 1 − ⎜⎜
⎝ 2xm
⎝
⎞
⎟
⎟
⎠
2
2 x0
⋅ ε xo +
(2 x m )2
⎛ 2x
1 − ⎜⎜ 0
⎝ 2 xm
⎞
⎟
⎟
⎠
2
⋅ ε xm
⎞
⎟
⎟
⎟
⎟
⎟
⎟⎟
⎠
[rad]
(9)
gdzie: ε xo , ε xm − błąd odczytu odcinków xo i xm (przyjąć ε xo = 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.
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 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 takich przecięć prostej (siecznej) pionowej. Obie proste powinny
być tak poprowadzone, aby nie przechodziły przez punkty węzłowe figury (rys. 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.
2
a)
b)
c)
NX=8
fy
NY=2
=
fx
4
1
Rys. 2. Przykłady figur Lissajous: a) sposób obliczania stosunku częstotliwości metodą siecznych, b) fy /fx = 2 : 5, c) jak na
rysunku b, lecz inna wartość faz początkowych obu sygnałów
Do obliczania stosunku częstotliwości służy wzór :
fy
=
fx
nx mx
=
,
ny my
(10)
gdzie: nx − liczba przecięć figury Lissajous z prostą poziomą,
ny − liczba przecięć z prostą pionową,
mx − liczba punktów styczności z prostą poziomą,
my − 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. 2b i c, na którym
pokazano figury Lissajous dla stosunków częstotliwości fy /fx = 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.
2.2. Cyfrowe metody pomiarowe
Istotę cyfrowych metod pomiarowych najłatwiej jest interpretować i analizować na przykładzie cyfrowego
pomiaru odstępów czasu.
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. 3.
0
Δt1
1
2
start
τ
n
Δt2
Tx
stop
t
Rys. 3. Zasada cyfrowego pomiaru przedziałów czasu
Impuls start, zaznaczający początek przedziału czasu Tx, 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
Tx = nτ .
(11)
Zależność (11) jest przybliżona, obarczona między innymi błędem dyskretyzacji. Względny błąd pomiaru jest sumą
trzech składowych: błędu dyskretyzacji δd, błędu wzorca δw i błędu układu formowania δuf.
δ Tx = ± δ d + δ w + δ uf .
(12)
{
}
Najbardziej charakterystyczną i istotną dla metod cyfrowych składową jest błąd dyskretyzacji. Wartość
bezwzględna błędu dyskretyzacji jest sumą dwóch składowych Δt1 i Δt2, zaznaczonych na rys. 3.
ΔTxd = Δt1 + Δt 2 .
(13)
Składowe Δt1 i Δt2 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].
3
Suma 2 zmiennych losowych o rozkładach równomiernych, usytuowanych względem siebie tak jak pokazuje
rys. 4, daje rozkład trójkątny, nazywany rozkładem Simpsona. Zatem błąd
(Δt1)
dyskretyzacji, który wyczerpująco jest opisywany rozkładem Simpsona,
można oszacować za pomocą jednej liczby:
⎯ odchylenia standardowego
τ
σd =
6
(14)
,
⎯ lub błędu maksymalnego
−τ
ε d max = ±τ .
τ
0
(15)
t
(Δt2)
W praktyce pomiarowej najczęściej operuje się maksymalnym
względnym błędem dyskretyzacji, którego wartość jest równa
δd = ±
τ
=±
nτ
1.
n
(16)
Błąd dyskretyzacji można zmniejszać zachowując warunek n → N, gdzie
N jest maksymalną liczbą impulsów, które może zliczyć licznik, zależną
od liczby jego dekad. Wówczas
1
.
N
δd →
n→ N
−τ
τ
0
t
(Δtd)
(17)
Wynika stąd wniosek, iż w pomiarach cyfrowych należy tak dobierać
t
warunki pomiaru, aby wypełnienie licznika było możliwie największe.
−τ
τ
0
Przy małym wypełnieniu licznika błędy dyskretyzacji mogą być bardzo
duże, sięgając 100% przy n = 1. Stąd też mierniki cyfrowe są zaopatrzone
Rys.4. Rozkłady zmiennych losowych:
w dzielniki impulsów zegarowych pozwalające zwiększać lub zmniejszać
Δt1, Δt2 i Δtd
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. 5.
we
txp
we
txk
+
Układ
formujący
P1
otw.
−
P4
+
Układ
formujący
Układ
sterowania
bramką
P2
Układ
kasujący
zam.
−
Licznik
P3
Dzielnik
Generator
wzorcowy
częstotliwości
Układ
ekspozycji
Rys. 5. Schemat blokowy cyfrowego miernika czasu
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 (P4.zwarty).
Wszystkie możliwe sytuacje pomiarowe, w zależności od ustawienia P1 i P2 , są pokazane na rys. 6.
Drugim składnikiem błędu cyfrowej metody pomiaru czasu jest błąd wzorca.
δw =
ε τ ε fw
=
⋅
τ
fw
(18)
Jest on zdeterminowany stabilnością częstotliwości generatora wzorcowego. Współczesne generatory są
stabilizowane za pomocą rezonatorów kwarcowych, w których łatwo jest osiągnąć
ε fw
fw
= 10 −7 ÷ 10 −9 ,
w zależności od rodzaju stabilizacji temperaturowej rezonatora.
4
(19)
Błąd układu formowania 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.
P1 +
P1 +
P2 −
P2 − (P4 zwarty)
t
P1 +
P2 +
P1 −
P2 +
P1 −
t
P2 −
Rys. 6. Sytuacje pomiarowe w zależności od ustawienia P1 i P2
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.
Schemat blokowy układu pomiarowego do pomiaru częstotliwości dużych jest pokazany na rys. 7.
we
fx
Układ
ekspozycji
Układ
formujący
Licznik
P
10
Dzielnik
częstotliwości
10
Tw
Układ
sterowania
bramką
Układ
kasujący
1
fwz
Generator
wzorcowy
Rys. 7. Schemat blokowy cyfrowego miernika częstotliwości
Pomiar częstotliwości odbywa się przez zliczanie okresów sygnału mierzonego Tx we wzorcowym czasie Tw,
zgodnie z zależnością
nTx = Tw ,
(20)
n
.
Tw
(21)
z której otrzymuje się
fx =
Błąd pomiaru jest sumą błędu dyskretyzacji i błędu wzorca:
⎧⎪ 1 ε fw
+
fw
⎪⎩ n
δ f x = ±{δ d + δ w } = ± ⎨
⎫⎪
⎬.
⎪⎭
(22)
Aby zminimalizować błąd dyskretyzacji, jak już wykazaliśmy, należy dążyć do spełnienia warunku
n = f x Tw → N
(23)
Spełnienie tego warunku, np. w przypadku licznika 7 dekadowego (N = 107 − 1), wymaga następujących czasów
pomiaru:
5
f x = 1 MHz, Tw = 10 s,
f x = 10 kHz, Tw = 1000 s,
przy
f x = 1 kHz,
Tw = 10000 s ≈ 2.8 h.
Jak widać, już przy fx = 10 kHz czas pomiaru jest niedopuszczalnie duży. Zatem, dla małych częstotliwości, w
zakresie pasma akustycznego, należy stosować metodę pomiaru okresu przedstawioną na rys. 8, dla której
obowiązuje zależność:
kTx = nTw ,
(24)
gdzie k jest liczbą mierzonych okresów.
Z równania (24) otrzymuje się następujący wzór opisujący zależność wskazań licznika i mierzonego okresu:
Tx =
nTw
.
k
(25)
P
10
kTx
Dzielnik
we
Tx
częstotliwości
Układ
formujący
10
Układ
sterowania
bramką
1
P
10
fwz
Generator
wzorcowy
Dzielnik
częstotliwości
10
Układ
kasujący
Licznik
τw
1
Układ
ekspozycji
Rys. 8. Schemat blokowy cyfrowego miernika okresu
Błąd metody zawiera 3 składowe:
⎧⎪ 1 ε fw
+
+ δ uf
fw
⎪⎩ n
δ Tx = ± ⎨
⎫⎪
⎬.
⎪⎭
(26)
Dwie pierwsze składowe to błąd dyskretyzacji i błąd wzorca (analogicznie jak w poprzedniej metodzie),
natomiast δuf jest błędem układu formowania, 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 przedstawiono
wykresy błędów w funkcji częstotliwości obu metod dla przypadku typowego miernika częstotliwości o
parametrach: fw = 107 Hz, liczba dekad 8 (N≈108) błąd wzorca εfw /fw = 10−7, przy Tw = 1 s i 0.1 s oraz k = 1 i 10, δuf
= 10−6.
δ
δd
-1
Tw=0.1s
10
10-2
Tw=1s
k=1
k=10
-3
10
10-4
10-5
δd =fx /kfw
II metoda
I metoda
δb=10-6
-6
10
δw=10-7
10-7
10-8
1 10 102 103 104 105 106 107 108
fx
Rys. 9. Krzywe ilustrujące dokładność obu cyfrowych metod pomiaru częstotliwości dla różnych zakresów częstotliwości
mierzonych
Jak widać z wykresu, dla fx ≥ 10 kHz zdecydowanie korzystniejsza jest metoda pomiaru częstotliwości dużych,
dla f x≤ 1 kHz korzystniejsza jest metoda pomiaru okresu (dla częstotliwości małych). 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.
6
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.
2.3. Obsługa przyrządu HP 53131A
1. Klawisze wyboru funkcji pomiaru
2. Klawisze wyboru funkcji kontroli
3. Klawisze wyboru funkcji matematycznych
4. Klawisz zmiany znaku (+/-)
5. Klawisze wprowadzania danych
6. Klawisz zatwierdzenia danych
7. Kanał 3 (3 GHz) − opcja, nie występuje
8. Wybór dodatkowych narzędzi
9. Klawisze odtworzenia, zapisu
konfiguracji, drukowania
10. Konfiguracja sterowania bramką
11. Klawisze sterowania pomiarami
12. Klawisze ustawiania parametrów
układu wejściowego kanału 1
13. Klawisze ustawiania parametrów
układu wejściowego kanału 3
Rys. 10. Płyta czołowa przyrządu HP-53131A
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.
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
•
•
•
•
7
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
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.
•
•
•
•
•
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.
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.
Klawisz Scale&Offset obejmuje ustawienia wartości związanych ze skalowaniem wyniku. Automatyczne
obliczenia są wykonywane wg zależności: wynik = (pomiar x 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
8
• pobranie ostatnio pomierzonej wartości
i jej wyświetlenie oraz użycie jako nowej
wartości przesunięcia
• włączenie / wyłączenie obliczeń
SET OFFSET?
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.
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
• 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 MΩ) / 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
duty cycle
falltime
frequency
limit
period
phase
ratio
risetime
sensitivity
slope
−
−
−
−
−
−
−
−
−
−
−
tłumienie
wypełnienie
czas opadania
częstotliwość
granica
okres
faza
stosunek
czas narastania
czułość
zbocze
3. Wykaz sprzętu pomiarowego
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Oscyloskop HM 303-6
Licznik uniwersalny HP 53131A
Generator funkcyjny Hameg HM 8131-2
Generator funkcyjny Agilent 33120A
Zasilacz Agilent E3640A
Laboratoryjny układ przesuwnika fazowego
Laboratoryjny układ przerzutników monostabilnych
Przewody połączeniowe: BNC-BNC 3 szt., BNC-bananki 2 szt.
Trójnik BNC
4. Zadania pomiarowe
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.
4.1.1. Pomiar częstotliwości metodą pomiaru okresu
Generator Hameg
HM 8131-2
f = 2 kHz
U = 7 Vpp
50 Ω
OUTPUT
Oscyloskop HM 303-6
przewód
BNC-BNC
CH1
1V/cm
Rys. 11. Pomiar częstotliwości oscyloskopem
Połączyć układ pomiarowy przedstawiony na rys. 11. Przed rozpoczęciem pomiarów należy przygotować
oscyloskop do pracy:
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.
10
Aby ustawić napięcie wyjściowe nacisnąć klawisz AMPL. wprowadzić z
klawiatury liczbę 7 i nacisnąć klawisz kHz/V.
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 1 wynik
pomiaru XT w centymetrach oraz wartość wybranego współczynnika podstawy
czasu Dtx.
Tablica 1
XT
cm
Dtx
μs/cm
fx
Hz
δfx
%
4.1.2. Pomiar częstotliwości metodą figur Lissajous
Zmontować układ pomiarowy pokazany na rys. 12. Ustawić tryb pracy XY oscyloskopu (wciśnięty klawisz
XY).
Ustawić na generatorze Agilent 33210A przebieg sinusoidalny o częstotliwości 200 Hz i amplitudzie 4 Vpp a
następnie uaktywnić wyjście wciskając przycisk Output. Ustawić na generatorze Hameg HM 8131-2 częstotliwość
400 Hz i napięcie wyjściowe 7 Vpp.
Oscyloskop HM 303-6
Generator
Agilent 33120A
f = 200 Hz
U= 4 Vpp
CH1 (X) CH2 (Y)
1 V/cm 1 V/cm
Output
Generator Hameg
HM 8131-2
f = 400 Hz
U = 7 Vpp
50 Ω
OUTPUT
Rys. 12. Pomiar częstotliwości metodą krzywych Lissajous
Zaobserwować krzywe Lissajous dla częstotliwości generatora Agilent 33210A: 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 figury dla częstotliwości 200 Hz i 800 Hz.
4.1.3. Pomiar przesunięcia fazowego oscyloskopem dwukanałowym
Generator Hameg
HM 8131-2
f = 1000 Hz
R
C
Oscyloskop HM 303-6
CH2 1 V/cm
50 Ω
OUTPUT
CH1 1 V/cm
Rys. 13. Pomiar kąta przesunięcia fazowego oscyloskopem dwukanałowym
Pomiaru dokonać w układzie pomiarowym pokazanym na rys. 13. Przed rozpoczęciem pomiarów należy:
1° ustawić częstotliwość generatora HM 8131-2 na 1 kHz,
Tablica 2
2° wyłączyć pracę XY i ustawić pracę dwukanałową oscyloskopu w trybie siekanym
xT
cm
CHOP. Tryb ten włącza się wciskając jednocześnie klawisze DUAL i ADD,
x
cm
τ
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
ϕ
°
ekranie zmieścił się jeden okres sinusoidy uzyskanej z generatora,
%
δϕ
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.
W tablicy 2 zanotować: xT − okres sinusoidy kreślonej na ekranie i xτ − odcinek proporcjonalny do kąta
przesunięcia fazowego.
4.1.4.
Pomiar przesunięcia fazowego metodą figur Lissajous
W układzie jak na rys. 13 ustawić tryb pracy XY oscyloskopu. Regulując napięcie wyjściowe generatora
11
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.
Zmierzyć kąt przesunięcia fazowego notując wartości 2xm i 2x0 w tablicy 3. Po
zakończeniu pomiaru ustawić pokrętło płynnej regulacji wzmocnienia w pozycji CAL.
Tablica 3
2xm
cm
2x0
cm
ϕ
°
δϕ
%
4.1.5. Obliczenie teoretycznego przesunięcia fazowego
Zanotować wartości R = ........... i C = ........... zastosowanego układu całkującego w poprzednich punktach
pomiarowych. W sprawozdaniu obliczyć wartość teoretyczną kąta przesunięcia fazowego ϕteor dla częstotliwości
generatora f = 1 kHz, wiedząc że:
tg (ϕ ) = −ωRC , ω = 2π f .
ϕ teor = .........
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.
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. Pomiary zrealizować w układzie przedstawionym na rys. 14.
Generator Agilent
33210A
Frequency 200 Hz
HiLevel 2 V
LoLevel 0 mV
DutyCycle 30%
HP 53131A
Output
Oscyloskop HM 303-6
CH1
CH1
Rys. 14. Układ pomiaru parametrów czasowych impulsów prostokątnych
Przygotować generator Agilent 33210A do pracy.
1° włączyć zasilanie i po kilku sekundach wybrać generację przebiegu prostokątnego przez wciśnięcie przycisku Square,
2° ustawić parametry przebiegu prostokątnego: częstotliwość 200 Hz, poziom niski 0 mV, poziom wysoki 2 V oraz
współczynnik wypełnienia 30%,
UWAGA! wartości napięcia na wyświetlaczu generatora są prawidłowe przy obciążeniu rezystancją 50 Ω, a
ponieważ generator obciążony jest obciążony rezystancją znacznie większą rzeczywista amplituda napięcie na
wyjściu będzie wynosiła ok. 4 V.
3° uaktywnić wyjście generatora wciskając przycisk Output.
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 w przyrządzie HP-53131A klawisz Time&Period wybrać pomiar okresu PERIOD 1. Zanotować
zmierzoną wartość okresu powtarzania impulsów w tablicy 4.
Tablica 4
Okres powtarzania impulsów
μs
Czas trwania impulsu
μs
Czas trwania odstępu między impulsami
μs
Współczynnik wypełnienia zmierzony
Współczynnik wypełnienia obliczony
Ustawić pomiar czasu trwania impulsu POS WIDTH 1 i zanotować zmierzoną wartość. Przy pomocy funkcji
NEG WIDTH 1 zmierzyć i zanotować czas pomiędzy impulsami.
12
Przyrząd HP-53131A posiada funkcję pomiaru współczynnika wypełnienia wybieraną z menu Other Meas.
Wybrać należy DUTYCYCLE 1. Pomierzoną wartość współczynnika wypełnienia wpisać do tablicy 4.
4.2.2. Badanie metody cyfrowego pomiaru częstotliwości
Do wejścia przyrządu HP-53131A doprowadzić sygnał z generatora HM 8131-2 jak na rys. 22. Na generatorze
ustawić częstotliwość 5000 Hz oraz napięcie wyjściowe 6 V pp.
W przyrządzie HP 53131A naciskając klawisz Other Meas przełączyć rodzaj pracy na TOTALIZE 1.
Generator HM 8131-2
HP 53131A
50 Ω
OUTPUT
f=5000 Hz
U=6 Vpp
CH1 CH2
Rys. 15. Układ pomiaru częstotliwości
W tym trybie pracy przyrząd HP-53131A pokazuje ilość impulsów zliczonych przez licznik częstościomierza n
przy zadanym czasie otwarcia bramki Tw. Ponieważ czas otwarcia bramki w tym przyrządzie można zmieniać,
zatem daje się doświadczalnie sprawdzić zależność (21).
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 5.
Tablica 5
Tw
s
0,001
0,01
0,1
1
10
n
fx
Hz
δdyskr.
%
Po zakończeniu pomiarów ustawić czas otwarcia bramki na 0,1 s.
4.2.3. 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 Agilent 33210A i
generatora Hameg HM 8131-2.
Do kanału 1 przyrządu HP-53131A dołączyć generator Hameg HM 8131-2, a do kanału 2 generator Agilent
33210A. Ustawić częstotliwości pracy 5000 Hz i amplitudę 6 Vpp na obu generatorach. W przyrządzie HP 53131A
naciskając klawisz Freq &Ratio przełączyć rodzaj pracy na FREQUENCY1.
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 6
HM 8131-2
std dev
33210A
Hz
fśr
Hz
fmax
Hz
fmin
Hz
Po pojawieniu się liczbowego wyniku pomiaru nacisnąć klawisz Stop/Single. Wyświetlany wynik pomiaru
odchyłki standardowej wpisać do tablicy 6. Dla tej samej serii pomiarowej (nie naciskając ponownie klawisza
Run) odczytać pozostałe wyniki pomiaru: fśr (ang. MEAN), fmax, fmin. W tym celu korzystając z klawiszy kursorów:
↑ i ↓ wybrać kolejno wyświetlaną wartość (na chwilę wyświetli się odpowiednio napis MEAN, MAX, MIN). Wyniki
13
zapisać do tablicy 6 pamiętając o wpisaniu wszystkich cyfr z wyświetlacza, szczególnie dla fmax, i fmin , które ze
względu na dużą stabilność generatorów niewiele się różnią.
Po zmierzeniu parametrów sygnału generatora HM 8131-2 za pomocą klawisza Freq&Ratio zmienić
wykonywanie pomiarów na tryb FREQUENCY 2 i wykonać analogiczne pomiary sygnału z generatora Agilent
33210A.
Na koniec należy wyłączyć tryb pomiaru parametrów statystycznych. Naciskając klawisz Stats wyświetlić
napis STATS: ON, kursorami zmienić na STATS: OFF i nacisnąć klawisz Run.
4.2.4. Cyfrowy pomiar kąta przesunięcia fazowego
Połączyć układ pomiarowy jak na rys. 16. Na generatorze HM 8131-2 ustawić częstotliwość 1000 Hz, napięcie
wyjściowe 6 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 (jest to domyślna nastawa po włączeniu zasilania
przyrządu HP 5313A).
R
C
Generator HM 8131-2
HP 53131A
100 kHz
Filter
f=1000 Hz
U=6 Vpp
CH1
CH2
Rys. 16. Cyfrowy pomiar przesunięcia fazowego
Zmierzyć częstotliwość generowanego przebiegu oraz jego okres odczytując oba wyniki z przyrządu
HP-53131A. Wartości wpisać do tablicy 7.
Tablica 7
f
Hz
T
ms
t0
μs
ϕpom.
°
ϕobl.
°
ϕteor. (z RC)
°
Zmierzyć również czas opóźnienia to wprowadzany przez badany układ całkujący. Do tego celu użyć funkcji
TI 1 TO 2 z menu Time&Period. Obliczyć w sprawozdaniu kąt przesunięcia fazowego ϕobl. z uzyskanych
wyników.
ϕ obl. =
t0
⋅ 360 °
T
i obliczoną wartość wpisać do tablicy.
Wykonać pomiar ϕpom. kąta przesunięcia fazowego korzystając z funkcji PHASE 1 TO 2 z menu Other Meas
i otrzymaną wartość wpisać do tablicy 7.
4.2.5. Pomiary odcinków czasu (zadanie dodatkowe)
Przyrząd HP 53131A posiada funkcję pomiaru czasu pomiędzy wystąpieniem sygnału START w kanale CH1
a sygnałem STOP w kanale CH2. W ćwiczeniu będą mierzone w układzie laboratoryjnym pokazane na rys. 17
czasy trwania impulsów.
t
przerzutnik 1
przerzutnik 2
T2
T1
t
T1+2
Rys. 17. Przebiegi czasowe w układzie laboratoryjnym
14
Układ laboratoryjny zbudowany jest na bazie układu scalonego 74123, zawierającego dwa monostabilne
przerzutniki o ustalonych czasach trwania impulsów T1 i T2.
Pierwszy przerzutnik po naciśnięciu przycisku START w układzie laboratoryjnym generuje na wyjściu Q1
impuls o czasie trwania T1. Opadające zbocze impulsu Q1 wyzwala w drugim przerzutniku impuls Q2 o czasie
trwania T2.
Połączyć układ pomiarowy jak na rys. 18. Dołączyć zasilanie sieci elektrycznej 230 V do układu.
HP 53131A
CH1 CH2
Pomiary
odcinków
czasu
Q1 Q2
Rys. 18. Układ pomiaru odcinków czasu
Pomierzyć łączny czas trwania obu impulsów.
Klawiszem Time&Period wybrać funkcję pomiaru czasu TI 1 TO 2. W obu kanałach wybrać klawiszem
DC/AC sprzężenie bezpośrednie DC (powinna zapalić się zielona lampka). W celu eliminacji zakłóceń w obu
kanałach przyrządu HP 53131A włączyć filtr dolnoprzepustowy 100 kHz.
Po włączeniu przyrządu domyślnie ustawione są aktywne zbocza narastające w kanale CH1 i CH2. W celu
pomiaru łącznego czasu trwania impulsów obu przerzutników T1+2 zmienić w kanale CH2 zbocze zatrzymujące
pomiar czasu z narastającego na opadające. 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 akceptujący wprowadzoną
zmianę zbocza.
Naciskając klawisz Trigger/Sensitivity wybrać następujące nastawy w obu kanałach przyrządu:
1° wyłączyć automatyczne ustawianie poziomu wyzwalania - AUTO TRIG: OFF,
2° ustawić poziom wyzwalania na 2 V - LEVEL: 2V (pamiętać o Enter!) i nacisnąć Run,
Nacisnąć przycisk START w układzie laboratoryjnym i zapisać sumę czasów trwania impulsów obu
przerzutników:
T1+2 = .......... .
Pomierzyć czas trwania T2 impulsu z drugiego przerzutnika Q2. W celu wykonania pomiaru ustawić w kanale CH1
aktywne zbocze opadające oraz w kanale CH2 aktywne zbocze opadające (patrz rys. 17).
Nacisnąć przycisk START w układzie laboratoryjnym i zapisać czas trwania impulsu z drugiego przerzutnika Q2:
T2 = .......... .
Pomierzyć czas trwania T1 impulsu z pierwszego przerzutnika Q1. W celu wykonania pomiaru ustawić w kanale
CH1 aktywne zbocze narastające oraz w kanale CH2 aktywne zbocze narastające.
Nacisnąć przycisk START w układzie laboratoryjnym i zapisać czas trwania impulsu z pierwszego przerzutnika
Q1:
T1= .......... .
Uwaga!
W celu przygotowania do ewentualnych dalszych pomiarów wyłączyć i włączyć zasilanie przyrządu co spowoduje
przywrócenie nastaw wyzwalania do ustawień fabrycznych.
5. Opracowanie
1. Uzupełnić tablicę 1. Obliczyć błąd systematyczny pomiaru częstotliwości korzystając z metody różniczki
zupełnej wiedząc, że błąd generatora podstawy czasu oscyloskopu
ε Dtx
Dtx
100% wynosi 3%, i przyjmując błąd
odczytu z ekranu oscyloskopu ε xT =1 mm.
2. Załączyć rysunki figur Lissajous wykonane w p. 4.1.2. uzupełnione graficznym opisem sposobu wyznaczenia
częstotliwości generatora Agilent 33210A (dla obu figur).
15
3. Obliczyć wartość ϕteor na podstawie wartości elementów RC w p.4.1.5. i wpisać do tablicy 7.
4. Uzupełnić tablice 2 i 3. Obliczyć maksymalne błędy systematyczne εϕ pomiarów kąta fazowego stosowanymi w
ćwiczeniu metodami. Skorzystać z metody różniczki zupełnej. Błąd względny δϕ pomiaru przesunięcia
fazowego wyznaczyć jako stosunek obliczonej wartości εϕ do obliczonej z wartości elementów RC teoretycznej
wartości ϕteor..
Sprawdzić, czy zmierzona wartość kąta przesunięcia fazowego mieści się w granicach wyznaczonego błędu
względem obliczonej teoretycznej wartości ϕteor..
5. Obliczyć wartość współczynnika wypełnienia w tablicy 4.
6. Obliczyć błąd dyskretyzacji w tablicy 5.
7. Sprawdzić, czy w pomiarach czasu trwania impulsów w p.4.2.5 T1+2 = T1+ T2.
8. Porównać niestabilność obu generatorów. Policzyć niestabilność względną εf /f dla generatorów ze wzoru:
εf
f
=
f max − f min
,
f nom
gdzie: fmax , fmin − odpowiednio maksymalna i minimalna wartość częstotliwości w serii pomiarów,
fnom
− nominalna wartość częstotliwości generatora.
8. Obliczyć kąt przesunięcia fazowego ϕobl. w tablicy 7 na podstawie zmierzonego opóźnienia wprowadzanego
przez układ całkujący t0 oraz okresu T.
16

Laboratorium Podstaw elektroniki i metrologii.

Transkrypt

Podobne dokumenty

Karta katalogowa generatora GEN1

Alan-48+ to jeden z najbardziej zaawansowanych technicznie

Radiostacja RRC-9500 jest pokładową radiostacją UKF/FM z

Ultradźwiękowy odstraszacz Ultrasonic Duo Pro

Konsultacje społeczne w gminie Nowe Piekuty

Hasło wspolczynnik-czestotliwosci

WT-5810 Odbiornik bezprzewodowy

Antena Kierunkowa Opticum DVB-T AX 1000 Combo VHF UHF LTE

pętla fazowa na ADF4007

5. Cyfrowy pomiar okresu i częstotliwości - zasada pomiaru