1
Ćwiczenie nr 10
Pomiar częstotliwości i okresu metodą cyfrową
1. Cel ćwiczenia i obiekt pomiaru
Celem ćwiczenia jest poznanie cyfrowej metody pomiaru częstotliwości i okresu.. Wielkością mierzoną jest częstotliwość sygnałów prostokątnych o standardzie TTL, dla wybranych nastaw generatora funkcyjnego. Pomiary należy wykonać dwiema metodami – pomiar częstotliwości (metoda bezpośrednia) i pomiar okresu (metoda pośrednia).
2. Pomiar częstotliwości metodą bezpośrednią
2.1.Schemat blokowy i zasada działania układu.
Na rys.1. pokazano schemat blokowy do pomiaru częstotliwości metodą bezpośrednia.
Pomiar częstotliwości metodą bezpośrednią polega na zliczania impulsów uformowanych z mierzonego przebiegu częstotliwości fx we wzorcowym przedziale czasowym Twz. Przebieg o częstotliwości mierzonejwz jest przekształcony na ciąg impulsów prostokątnych o tym samym okresie , za pomocą układu formującego. Impulsy z układu formującego przekazywane są przez bramkę elektroniczną AND do licznika, który wskazuje ilość impulsów N. Czas otwarcia bramki jest określony bardzo precyzyjnie – jest to wzorcowy odcinek czasu . Teoretycznie mógłby mieć dowolną wartość, ale w praktyce przyjęło się stosować: =10s; 1s; 0,1s.
Czas wzorca uzyskujemy dzięki obecności generatora wzorcowego, wykonanego na kwarcu i współpracującego z cyfrowym dzielnikiem częstotliwości. Najczęściej współczynnik podziału , gdzie n: 0, 1, 2, 3, ...
Sygnał prostokątny na wyjściu dzielnika częstotliwości ma okres równy . Zadaniem przerzutnika bramkującego jest wytwarzanie pojedynczego impulsu ( jedynki logicznej ), której czas jest wyznaczony przez dwa sąsiednie zbocza narastające sygnału wyjściowego dzielnika częstotliwości. W tym czasie zliczane są impulsy N.
Częstotliwość fx oblicza się z zależności:
(1)
Jeżeli dzielnik częstotliwości wyskalowany jest w jednostkach bezwymiarowych, jako tzw. współczynnik podziału k dzielnika, to częstotliwość fx oblicza się z zależności:
(2)
Gdzie:
fgwz – częstotliwość kwarcowego generatora wzorcowego (np. 100MHz)
Rys. 1. Schemat układu do pomiaru częstotliwości metodą bezpośrednią
2.2. Zadania pomiarowe
Należy dokonać pomiaru częstotliwości nastaw generatora funkcyjnego metodą bezpośrednią. Zalecany jest taki dobór parametrów układu (częstotliwość wzorcowa i czas bramkowania) aby błąd pomiaru miał wartość mniejszą od 0,2 %. Wyniki pomiarów umieścić w tabeli 1.
Tab.1
Lp
fx
N
Twz
fxp
[Hz]
[-]
[s]
[%]
gdzie:
fx - częstotliwość generatora funkcyjnego (badanego)
N – liczba impulsów
Twz – czas otwarcia bramki
fxp - wynik pomiaru częstotliwości (wartość poprawna)
- błąd pomiaru częstościomierza: (3)
błąd pomiaru nastawionej wartości: (4)
3. Pomiar częstotliwości metodą pośrednią (pomiar okresu)
3.1. Schemat blokowy i zasada działania układu
Do pomiaru mniejszych częstotliwości, dla których dokładność metody bezpośredniej pomiaru częstotliwości maleje, stosuje się pośredni pomiar częstotliwości metodą pomiaru czasu trwania okresu . Schemat blokowy układu do cyfrowego pomiaru okresu pokazano na rys.2. W porównaniu do poprzednio omawianej metody bezpośredniej, w obecnie prezentowanej metodzie pośredniej odwrócona zostaje rola sygnałów sterujących bramką. Bramka otwierana jest na czas równy okresowi Tx, a zliczane są impulsy o częstotliwości wzorcowej fwz.
Rys.2. Schemat blokowy układu do cyfrowego pomiaru okresu
W celu zmierzenia czasu trwania okresu (a w rezultacie określenia częstotliwości ) należy wytworzyć dwa szpilkowate impulsy, z których jeden określa początek zliczania, a drugi – jego koniec. Impulsy te są generowane w układzie formującym i wytwarzają w układzie sterowania bramką impuls bramkujący o czasie trwania równym okresowi . Impuls ten steruje bramką, do której doprowadzone są impulsy z generatora wzorcowego, np. o częstotliwości wzorcowej . Przez bramkę przechodzą impulsy o częstotliwości wzorcowej tylko w czasie trwania impulsu bramkującego, tj. w czasie . Liczba „N” zliczanych w tym czasie przez licznik impulsów pozwala na określenie czasu :
(5)
A zatem przekształcając zależność (5) otrzymujemy wzór:
(6)
3.2. Zadania pomiarowe
Należy dokonać pomiaru częstotliwości metodą pośrednią dla identycznych nastaw (jak w p.2.2) generatora funkcyjnego. Zalecany jest taki dobór parametrów układu (częstotliwość wzorcowa i czas bramkowania) aby błąd pomiaru miał wartość mniejszą od 0,2 %. Wyniki pomiarów umieścić w tabeli 2.
Tab.2
fwz
oxide90