2.2. Цифровой частотомер

В настоящее время основным прибором для измерения частоты является цифровой частотомер, обеспечивающий быстроту и точность измерения. Частота как дискретная величина идеально подходит для измерения цифровым методом. Принцип действия цифрового частотомера (ЦЧ) основан на подсчете импульсов, сформированных из измеряемого колебания с частотой за стандартный временной интервал . Структурная схема ЦЧ представлена на рис. 5.

Рис. 5. Структурная схема цифрового частотомера

Колебание, частота которого должна быть измерена, после усиления, если это необходимо, преобразуется в последовательность импульсов с той же самой частотой . Внутренний эталон частоты (кварцевый генератор) совместно со схемами деления, которые одновременно обеспечивают регулировку частоты индикации, а также с формирующей схемой генерирует последовательность эталонных импульсов . Эталонные импульсы запускают схему управления, которой обычно является стробирующая схема. Задачей этой схемы является задание стандартного времени измерений , в течение которого вентиль открыт. Во время открывания вентиля на счетчик подаются импульсы с измеряемой частотой .

Число подсчитанных импульсов за время фактически является значением измеряемой частоты в единицах частоты, если время отпирания вентиля равно секунде или ее десятичным кратным. Оно отображается непосредственно на цифровых индикаторах счетчика. ЦИ также снабжен схемой сброса, которая перед отпиранием вентиля устанавливает индикаторы счетчика в нулевое положение.

Современные частотомеры позволяют измерять частоту в диапазоне 0,05 Гц…1,3 Гц с точностью , которая зависит как от измеряемой частоты (чем меньше частота, тем ниже точность), так и от времени измерения (чем оно дальше, тем выше точность), а также одновременно ряд других параметров сигнала: период (20 с…8000 с), длительность импульсов (0,1 мкс…60 с), время (0,2 с…100 ч) и т.д.

3. Порядок проведения работы

1. Ознакомиться с приборами, используемыми в работе, и подготовить ЭЛО и ЦЧ к работе. Для этого необходимо:

а) проверить заземление. Работа с незаземленными приборами категорически запрещена!!!

б) приступить к работе с осциллографом, для чего найти разъем «Вход Y» и подключить к нему кабель. Включить тумблер «Сеть», подождать несколько минут, пока осциллограф прогреется;

в) соединить между собой штекеры входного кабеля. Если на экране осциллографа луч (прямая линия) не появится, его следует найти следующим образом. Установить максимальную яркость (ручку ¤ повернуть до отказа по часовой стрелке). Установить минимальный коэффициент усиления (переключатель "вольт/делен.") в положение 10. Переключатель "развертка" (время/делен.) – в положение 1. Режим синхронизации установить внутренний и автоматический. Ручки "уровень" и "стабильность" синхронизации повернуть по часовой стрелке до упора. Если после этого луч на экране не появился, покрутить ручки горизонтального ("↔") и вертикального ("↕") отклонения луча;

г) произвести калибровку осциллографа. Эта операция для каждого типа прибора индивидуальна, поэтому для калибровки воспользуйтесь инструкцией по эксплуатации осциллографа [3] или указаниями преподавателя;

д) найти "земляной" и "сигнальный" штекеры входного кабеля. На штекере "земля", как правило, имеется значок "┴", и он длиннее "сигнального". Теперь осциллограф готов к работе.

2. Измерить амплитуду трех синусоидальных напряжений разной частоты и оценить погрешности результатов измерений. Для этого:

а) на вход Y осциллографа подать от генератора исследуемый сигнал заданной частоты и амплитуды;

б) отрегулировать переключателями усиления (вольт/делен.) размеры изображения на экране осциллографа таким образом, чтобы оно по возможности занимало весь экран;

в) переключателем развертки (время/делен.) добиться на экране изображения нескольких периодов сигнала;

г) засинхронизировать – добиться неподвижного изображения на экране осциллографа. Его можно получить, установив переключатель "режим синхронизация" в положение "внутренний", "автоматический" и регулируя уровень запуска и стабильность;

д) для измерения амплитуды сигнала необходимо повернуть ручки плавной регулировки усиления по часовой стрелке до упора, далее делать по описанию «Измерение напряжения»;

е) оценить погрешности измерения амплитуды синусоидальных сигналов, воспользовавшись электронным вольтметром и известным соотношением между амплитудными и действующими значениями синусоидальных сигналов;

ж) результаты измерений и вычислений занести в отчет.

3. Измерить период и частоту исследуемых напряжений. Для этого:

а) выполнить п. 2 а–г;

б) для измерения периода сигнала Т и его частоты f повернуть ручку плавной регулировки развертки по часовой стрелке до упора, далее воспользоваться описанием «Измерение временных интервалов и частоты»;

в) включить частотомер и проверить соответствие частоты и периода, измеренных с помощью осциллографа по п. 3 а, б;

г) подсчитать абсолютную погрешность измерения.

4. Измерить частоту напряжений генератора с помощью фигур Лиссажу при отношении частот

f_Y/f_X = 2:1; 3:1; 3:2.

Для этого:

а) воспользоваться описанием «Измерение временных интервалов и частоты»;

б) на вход осциллографа подать напряжение от звукового генератора;

в) отыскать на лицевой панели осциллографа вход Х и включить его нажатием кнопки "вход Х";

г) на вход Х подать напряжение от генератора образцовой частоты; частота этого напряжения f = 50 Гц;

д) зарисовать полученные фигуры;

е) определить частоты исследуемых напряжений.

5. Измерить сдвиг фаз между двумя синусоидальными напряжениями одной частоты методом эллипса. Для этого:

а) собрать схему (рис. 6).

В схеме R1, R2, R3, C – фазовращающий мост. Напряжение U₁ снимается с плеча R1, а U₂ – с диагонали моста. R1 = R2 = 3183 Ом (магазины сопротивлений); R3 – магазин сопротивлений; C = 1 мкФ – конденсатор с малыми токами утечки.

Примечание: значения сопротивлений R1, R2 и емкости С указаны для частоты 50 Гц;

Рис. 6. Схема соединений при измерении сдвига фаз методом эллипса

б) пользуясь выражением  = 2arctgR3C, рассчитать величины сопротивлений R3, соответствующие углам  от 0⁰ до 180⁰ через каждые 45⁰. Данные расчетов занести в табл. 1;

Таблица 1

Величина фазового сдвига , …^0	Величина сопротивления , Ом	Величина 2X или 2Y на экране, дел.	Величина 2А или 2В на экране, дел.	Величина фазового сдвига 1, …^0	Абсолютная погрешность  = 1–, …^0

в) установить на магазине сопротивлений требуемое значение сопротивления R3, получить на экране осциллографа эллипс;

г) измерить (аналогично описанию «Измерение фаз») на экране осциллографа расстояния 2Х(2Y) и 2А(2В) (см. рис. 4) и записать их значения в табл. 1. Пользуясь выражением

,

определить величину фазового сдвига для заданной величины сопротивления и записать его в табл. 1;

д) определить абсолютную погрешность измерений и также занести в табл. 1.

6. Сделать выводы по работе с обоснованием каждого полученного результата.