С использованием электронно-счетного частотомера

2.1. Собрать схему измерения рис.6.2.

 

 

Рис. 7.2. Схема измерения фазового сдвига с помощью цифрового частотомера

 

 

 

Рис. 7.3. Осциллограммы сигналов на входах А и Б
цифрового частотомера при измерении фазового сдвига

 

Указание. Работа цифрового фазометра времяимпульсного типа основана на методе дискретного счета. В основу положено уравнение (рис.7.3):

(7.1)

где D t _j - интервал времени, соответствующий измеряемому фазовому сдвигу; Т - период исследуемого синусоидального сигнала; К - градуировочный коэффициент, задающий размерность результата измерения (если К = 360, то размерность - градусы, если К = 2π, то - радианы).

В соответствии с (7.1) в цифровом фазометре величиныD t _jи Т преобразуются в цифровой код, с помощью процессора определяется их отношение, результат умножается на К и выводится на отсчетное устройство. Работа такого цифрового фазометра может быть промоделирована с помощью электронно-счетного частотомера (ЭСЧ), так как этот прибор измеряет каквременной интервал D t _j, так и период сигнала Т. На основе этих измерений разность фаз двух синусоидальных сигналов можно рассчитать по (7.1).

При измерении временной задержки D t _j может возникнуть систематическая погрешность D_с, связанная с неодинаковой установкой уровней запуска (порогов срабатывания) формирующих устройств каналов А и Б частотомера (уровни 1 и 2 на рис.7.3). Для обнаружения, уменьшения и исключения этой погрешности целесообразно перед началом измерения фазового сдвига подать на входы А и Б частотомера один и тот же синусоидальный сигнал (например, подключить вход Б частотомера к выходу четырехполюсника) и с помощью регуляторов уровня запуска формирователей каналов А и Б добиться минимального значения D_с по показаниям частотомера. В дальнейшем эту систематическую погрешность нужно исключить из результата измерения.

2.2. Установить частотомер в режим измерения периода. Для уменьшения погрешности квантования (дискретности) выбрать период меток времени Т ₀ минимально возможным.

Установить частоту сигнала генератора 0,5 кГц, измерить период Т и записать полученное значение во второй столбец табл. 7.3.

 

Указание. Для устойчивой работы частотомера уровень сигнала на его входе должен быть не ниже 1 В.

2.3. Переключить частотомер в режим измерения интервалов времени (Т_А-Б). Установить тумблеры запуска каналов А и Б в одинаковые положения запуска (положительными или отрицательными фронтами входных сигналов), а регуляторы уровня запуска - в среднее положение.

Подключить вход Б частотомера к выходу четырехполюсника, т.е. подать на оба входа частотомера один и тот же сигнал. Регулировкой уровней запуска каналов А и Б установить минимальное значение D_с по показаниям частотомера. Значение D_с записать в табл. 7.3.

Указание. Следует иметь в виду, что если в процессе уменьшения D_с уровень запуска канала Б станет ниже уровня запуска канала А, то показания частотомера изменятся скачком от величины D_с до (Т – D_с). Поэтому не следует добиваться очень малого значения D_с. Кроме того, при измерении величины D_с может возникнуть случайная погрешность, обусловленная нестабильностью уровней запуска. В этом случае за оценку D_с следует принять среднее арифметическое значение из ряда нескольких (3 - 5) измерений.

2.4. Подключить вход Б частотомера ко входу четырехполюсника. Показания частотомера при этом будут соответствовать временной задержке синусоидального сигнала в четырехполюснике на данной частоте. Эти показания могут иметь разброс, связанный с наличием случайной погрешности уровня запуска, поэтому в табл. 7.3 нужно записать результаты 5 измерений , вычислить среднее арифметическое и вычесть D_с. В итоге временная задержка

Указание. Обратите внимание, что изменение показаний в пределах ±1 (единицы) младшего разряда - это погрешность квантования (дискретности).

2.5. Повторить измерения Т, D_с и D t _j на других частотах, указанных в табл. 7.3, в соответствии с п.п. 2.2 - 2.4.

2.6. Оценить для каждой частоты из табл. 7.3 погрешность уровня запуска

,

где , и суммарную погрешность частотомера при измерении задержки D t _j:

Примечание. Следует обратить внимание, что погрешность опорного генератора частотомера принципиально не влияет на результат измерения фазового сдвига, поскольку эта величина определяется отношением величин D t _j и Т и значение периода меток времени T ₀ не входит в результат измерения. Именно поэтому в цифровых фазометрах времяимпульсного типа не используют высокостабильные опорные генераторы.

2.7. Вычислить суммарную абсолютную погрешность измерения фазового сдвига j на каждой частоте по формуле (7.1)

Значение фазового сдвига следует округлить с учетом полученного значения суммарной абсолютной погрешности D_j.

Указание. При расчете D_j, в общем случае, нужно было бы учесть и погрешность измерения периода Т, значение которого входит в формулу (7.1). Поскольку Т, как правило, заметно больше D t _j, эту составляющую погрешности в данном эксперименте не учитывать.

Результаты измерения фазочастотной характеристики четырехполюсника, полученные с использованием частотомера, нанести на график, построенный при выполнении п.1.10.

 

Таблица 7.3

Моделирование цифрового фазометра с помощью частотомера

Метка времени Т ₀ = мкс

f, кГц	Эксперимент	Расчет
Т, мс	Dс, мс	D t j, мс	D t j, мс	Dзап, мс	D t, мс	Dj, град	j, град
0,5
1,0
2,0
5,0

 

Сделать вывод об изменении вклада погрешности уровня запуска и погрешности квантования (дискретности) в суммарную абсолютную погрешность измерения фазового сдвига D_j времяимпульсным методом с увеличением частоты сигнала. Каким образом можно уменьшить погрешность измерения фазового сдвига времяимпульсным методом и в результате расширить частотный диапазон таких фазометров? Какой диапазон частот имеет цифровой фазометр Ф2-34, использованный при выполнении п.1 данной работы?