Лабораторна робота №7

ВИМІРЮВАННЯ ЧАСТОТИ ТА ПЕРІОДУ ЕЛЕКТРИЧНОГО СИГНАЛУ

 

МЕТА РОБОТИ - виміряти електронними і цифровими приладами частоту та

період заданих електричних сигналів в режимах, що забезпечують необхідну похибку вимірювань.

Внаслідок виконання лабораторної роботи студент повинен

– знати: будову і принцип дії електронних і цифрових частотомірів, що використовуються

в експериментах;

– вміти: вибрати оптимальні характеристики і режим роботи приладів при вимірюванні

заданих параметрів; оцінити похибку вимірювань.

 

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ

 

 

При підготовці до роботи необхідно вивчити структурну схему, принцип дії і характеристики частотомірів: електронних конденсаторних [1, с. 164-165] і цифрових [1, с. 244-245].

Похибка вимірювання частоти електронними частотомірами визначається співвідношенням

δ_f=γ∙f_H/f_X,

де γ – клас точності приладу;

f_H - нормоване значення частоти.

При цьому нормоване значення частоти f_H визначається для піддіапазонів (30;40;50)±10 % як різниця значень найбільшої f_max і найменшої f_min частот діапазону вимірювань приладу, тобто f_H=f_max–f_min., а для під діапазону (от 20 до 200)×2; 5;!0 Hz нормоване значення f_H дорівнює верхній межі вимірювань. Найбільш удосконаленими та точними є електронно-лічильні цифрові частотоміри (ЕЛЧ). У залежності від вибору режиму роботи ЕЛЧ можуть виміряти також період коливань, інтервал часу, відношення частот.

Структурна схема приладу при вимірюванні частоти надана на рис. 10.1 і відповідає положенню перемикача “Род работы” – F_A на лицьовій панелі частотоміра Ч3-33.

 

Рисунок 7.1 - Структурна схема ЕЛЧ і діаграми напруг при вимірюванні частоти

 

Напруга невідомої частоти U_fX через роз’єм “Вхід А” поступає на формувач F, де перетворюється в нормалізовані імпульси з частотою f_X. Ці імпульси поступають на вхід 1 електронного часового ключа селектора SW, де порівнюються за часом з імпульсом заданої тривалості Т_рах, що поступав на вхід 2 ключа. У відкритому стані ключа SW серія імпульсів N_X поступає в цифровий лічильний пристрій ЦЛП, де підсумовується лічильником і відображається на табло в десятичному коді

N_X=T_PAX/T_X=T_PAX∙f_X.

Як джерело імпульсів заданої тривалості використовується кварцовий генератор G спільно з подільником частоти. Час рахунку T_PAX встановлюється зміною коефіцієнта розподілу n частоти f₀ кварцового генератора перемикачем «Время измерения» та положенню перемикача «Род работы» в режимі “F_A” на лицьовій панелі частотоміра. При T_PAX= 1 s число підрахованих в ЦЛП імпульсів безпосередньо визначає частоту, що вимірюється. При іншому часі рахунку 0,01; 0,1; 10 s автоматично переноситься децимальна точка на цифровому табло.

Похибка вимірювання частоти визначається нестабільністю δ₀ частоти кварцового генератора (інструментальна похибка) і методичною похибкою квантування

δ_f=(δ₀+1/f_X∙T_рах) ∙100, %.

На низьких частотах, навіть при максимально можливому для частотоміра Ч3-33 часу рахунку Т_рах=10 s, методична похибка може виявитися недопустимо великою. Наприклад, при f_X=10 Hz, δ_f≥±1%. Тому на низьких частотах доцільно вимірювати період T_X коливань, а не частоту.

Вимірювання періоду T_X забезпечується структурною схемою приладу (рис. 10.2), що відповідає положенню перемикача “Род работы” в режимі “Т_Б” або “Т_Б∙10” на лицьовій панелі частотоміра Ч3-33.

У цьому випадку сигнал, що вимірюється, з входу "Б" приладу поступає на формувач-множник періоду ФМП. На вході блоку ФМП формується імпульс, тривалість якого визначає час відкритого стану ключа SW, тобто час рахунку Т_рах=T_Xm, m=1; 10. На другий вхід ключа при цьому подаються короткі імпульси – “метки времени” з періодом Т_МІТ. Такі імпульси виробляються високостабільним кварцовим генератором G спільно зі схемою подільника частоти.

 

 

Рисунок 7.2 - Структурна схема ЕЛЧ і діаграми напруг при вимірюванні періоду

 

Імпульси міток часу через селектор SW, відкритий на час Т_рах, поступають в цифровий відліковий пристрій і там підсумовуються. Результат рахунку імпульсів N_X відображається на цифровому табло ЦЛП.

Похибка вимірювання періоду δ_Т оцінюється формулою

δ_Т=±(δ₀+Т_міт/m∙T_X) ∙100, %.

 

 

ОБЛАДНАННЯ СТЕНДA

 

 

Лабораторний стенд укомплектований генератором сигналів спеціальної форми Г6-29, а також вимірювальними приладами:

цифровий частотоміром Ч3-33;

електронним частотоміром Ф5043;

електронно-променевим осцилографом.

Зовнішній вигляд стенда показаний на рис. 10.3.

 

Рисунок 7.3 - Лицьова панель стенда № 7

 

 

ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ

1. Вивчити теоретичний матеріал згідно з основними положеннями лабораторного дослідження.

2. Виконати попередні розрахунки:

Для варіанта завдання, вказаного в табл. 10.1, визначити результат вимірювання, а при необхідності і параметри режиму роботи частотоміра Ч3-33, що має наступні основні характеристики:

– час рахунку – 10; 1,0; 0,1; 0,01; 0,001 s;

– мітки часу – 100; 10; 1,0; 0,1 μs;

– множник періоду – 1;10;

– відліковий пристрій – восьмирозрядний;

– нестабільність δ₀=10^-6%.

Варіант завдання збігається зі значенням останньої цифри номера в журналі групи.

Таблиця 7.1 - Початкові дані до домашнього завдання

Варіант		Параметри режиму роботи ЕЛЧ	Похибки
Частота, kHz	Період, ms	Час відліку ТСЧ, s	Множник періоду, m	Мітка часу, μs	Показ на ЦЛП	±δ, %	±Δ
	0.10	-		-	-	?	?	?
	-	-	?	-	-	000001.00 kHz	?	?
	-		-			?	?	?
	-	-	-		?	00050.000 ms	?	?
		-		-	-	?	?	?
	-		-			?	?	?
		-	?	-	-	?	?	0.01 Hz
	-		-		?	?	?	10 μs
	-	-	-		?	00400.000 ms	?	?
	1.0	-		-	-	?	?	?

 

Наприклад. При вимірюванні частоти результат на ЦЛП представлений у вигляді 05000,000 kHz. Абсолютну похибку вимірювання частоти Δ можна оцінити по значенню одиниці молодшого розряду ЦЛП.

Δf_X=±0.001 kHz=1 Hz.

Тоді час рахунку складе

T_PAX=1/Δf=1 s.

 

 

Похибка вимірювання частоти у відносній формі визначиться як

.

Тепер результат вимірюваннія в стандартній формі запишеться як

f_X = (5000000±1) Hz.

 

 

ЛАБОРАТОРНЕ ЗАВДАННЯ

 

 

1. Ознайомитися з обладнанням лабораторного стенду. Підготувати до роботи і включити на прогрів електронні прилади і генератор.

Скласти таблицю основних метрологічних характеристик приладів.

 

2. Визначити похибку градуювання шкали генератора звукових частот Г6-29. За дійсні значення частоти генератора прийняти результати прямих вимірювань частоти частотоміром Ф5043. При цьому параметри частотоміра вибрати таким чином, щоб похибка вимірювання δ_f задовольняла умові повірки генератора

δ_f ≤ 0,3 δ_Г,

де δ_Г основна похибка генератора (для генератора типу Г6-29 δ_Г=±1,0 %).

Результати вимірювань представити в вигляді таблиці та графіка.

 

№ пп

ЕЛЧ Ч3-33

Г6-29

Род роботи „FA”

Род роботи „ТБ”

fX

TPAX

Δf

ТX

TMIT

m

δT

fX

fГ

ΔГ

δГ

kHz

s

%

ms

μs

%

kHz

Hz

%

 

3. Визначити нестабільність частоти в декількох точках шкали генератора Г6-29. За дійсні значення частоти генератора прийняти результати прямих вимірювань частоти частотоміром Ч3-33.

4. Експериментально перевірити результати попереднього розрахунку домашнього завдання.

5. Сформулюйте висновки за результатами лабораторного дослідження.

 

 

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

 

 

1. Поясніть принцип дії електромеханічного частотоміра, побудованого на базі електродинамічного логометра.

2. Чому середнє значення струму у вимірювальному механізмі електронного конденсаторного частотоміра пропорційно частоті, що вимірюється?

3. Чому похибка вимірювання цифровим частотоміром частоти і періоду залежить від їх значення?

4. Чому на високих частотах точність вище при вимірюванні частоти, а на низьких – при вимірюванні періоду? Як можна підвищити точність вимірювання періоду?

 

 

Міністерство освіти і науки України

Одеський національний політехнічний університет

Кафедра теоретичних основ та загальної електротехніки

 

 

ЗВІТ

з лабораторної роботи №8

«Вимірювання параметрів елементів електричних кіл постійного струму»

 

 

Виконав студент_________________________________

групи____________факультета_____________________

бригада №

спільно зі студентами___________________________

___________________________

Дата ___ ________ 2011 г

 

Оцінка_____ Керівник_________________________

 

Одеса

 

1 Ціль роботи

 

Вивчити основні методи і засоби вимірювання параметрів елементів електричних кіл.

 

2 Задачі роботи

 

2.1 Ознайомитись зі стендом і скласти таблицю характеристик приладів, використовуваних в роботі.

2.2 Виміряти опір постійного струму первинної і вторинної обмоток трансформатора за допомогою амперметра і вольтметра, використовуючи обидві можливі схеми. Розрахувати невиправлені та , а також виправлення з урахуванням опору приладів результати вимірювання і .

2.3 Виміряти опір і однообмоточним омметром. Результати вимірювань записати в установленій формі.

2.4 Виміряти і двійним мостом постійного струму, виключив систему складаючу похибку.

2.5 Розрахувати похибку результатів косвенних вимірювань та , а також прямих вимірювань омметром, приймаючи за дійсне значення результати вимірювань двійним мостом.

2.6 Виміряти повний опір змінного струму первинної та вторинної обмоток трансформатора за допомогою амперметра та вольтметра по обом можливим схемам. Використовуючи результати п.2.4 розрахувати індуктивність та первинної та вторинної обмоток трансформатора з урахуванням опору приладів.

2.7 Виміряти індуктивність та і добротність мостом змінного струму. Результат записати в установленій формі. Розрахувати індуктивність , використовуючи отримані значення (см.п.2.4) та добротність (по п.2.7).

2.8 Виміряти еквівалентні індуктивності та відповідно при послідовному узгодженні при зустрічному включенні первинної і вторинної обмоток. Розрахувати коефіцієнт М взаємної індукції.

2.9 Виміряти ємність конденсатора мостом змінного струму. Результати вимірювань представити в установленій стандартом формі.

 

3 Домашнє завдання

 

Вибрати схему моста постійного струму P329 для вимірювання опору резистор номінального значення котрого не задано.

Вибрати опір пліч моста , та де необхідно – опір резистора , забезпечуючи використання максимального числа декад магазина . Визначити значення з умови рівноваги моста.

Розрахувати межу допустимої основної похибки вимірювання опору .

Вихідні данні ,Ω =

 

4 Методики виконання вимірювань

 

По п.2.2

 

По п.2.5

При косвенних вимірюваннях L використовуються схеми (см.п.2.2) при живленні їх змінним струмом. При відомому опору постійному струму модуль комплексного опору визначається за законом Ома( = U/I) і розраховують шукану індуктивність

 

= =

Де f – частота напруги живлення.

Виправлені значення модулів комплексних опорів катушек індуктивності розраховуються по наведеним нижче формулам, отриманим на основі еквівалентних схем зміщення електричних кіл з урахуванням внутрішнього опру приладів:

= - для схеми а;

 

= - для схеми б,

де , – внутрішній опір відповідного вольтметра та амперметра;

, – показання приладів;

– активна складова комплексного опору об’єкта вимірювання.