Алешечкин А.М. Метрология и радиоизмерения. Лабораторный практикум

Подождите немного. Документ загружается.

Тогда абсолютная погрешность меры определится как

∆

⋅=∆⋅=∆⋅

∂

=∆

Относительная погрешность меры

кг

кгмм

δδ

∆

=⋅

∆

Из вышеприведенной формулы следует, что относительная погреш-

ность меры равна относительной нестабильности частоты кварцевого генера-

тора

кг

Погрешность преобразования возникает в формирующем устройстве и

связана с преобразованием в короткие импульсы переходов через нуль изме-

ряемого гармонического сигнала (рис. 58). В режиме измерения частоты дан-

ной погрешностью можно пренебречь, поскольку выполняется усреднение

большого числа периодов частоты

за время измерения

, что приводит

к уменьшению погрешности

пр

∆

фу

пр

∆

Рис. 2.4. Погрешность преобразования

Погрешность квантования (дискретности). Абсолютная погрешность

дискретного счета возникает вследствие несинхронности входного напряже-

ния измеряемой частоты и временного строба

, полученного из частоты

кварцевого генератора. Вследствие этого начало и конец калиброванного ин-

тервала

не совпадает с началом и концом импульсов измеряемой частоты

Как и при измерении временных интервалов, различают случаи измере-

ния априорно неизвестной и фиксированной частоты.

При измерении априорно неизвестной частоты погрешность квантова-

ния распределена по закону Симпсона в интервале от

−

до

(рис. 2.5).

)F(f

∆

−

Рис. 2.5. Плотность распределения погрешности измерения априорно неизвестной частоты

Частота

называется единицей младшего разряда по частоте и яв-

ляется величиной, обратно пропорциональной длительности калиброванного

интервала

. Частота

показывает, с какой предельной по-

грешностью будут выполняться измерения частоты.

Например, при

Гц,

следовательно, на табло частотомера будет отображаться значение частоты с

точностью до десятков герц. Например, при измерении частоты 534 Гц с

с на экране могут быть получены значения частоты 530 или 540 Гц.

Среднеквадратическое значение погрешности измерения априорно

неизвестной частоты составляет

6 T

кв

⋅

. (2.1)

Предельная погрешность измерения частоты составляет

При измерении фиксированного значения частоты

FFnF

∆+⋅=

где

⋅













=∆

– дробная часть измеряемой частоты (фигурные скобки

означают операцию выделения дробной части числа), результат измерения

может принять 2 значения:

Дизм

FnF

⋅=

Дизм

FnF

⋅+=

)1(

Следовательно, при измерении фиксированной частоты F погрешность

измерений является дискретной случайной величиной, принимающей два зна-

чения

∆

FFF

изм

∆−=−=∆

FF FF

Дизм

∆−=−=∆

. Вероятности по-

явления каждой из погрешностей составляют

∆−

∆

для

∆

соответственно. Погрешность измерения фиксированной частоты может

быть задана в виде следующего ряда распределения:

∆

∆−

∆

Среднеквадратическое значение погрешности измерения фиксирован-

ной частоты определяется как

)(1 FFF

ДД

Дфкв

∆−⋅∆=













∆

−⋅

∆

⋅=

Пример: Найти среднеквадратическую погрешность измерения частоты

527 Гц цифровым частотомером с временем измерения 0.1с.

Решение: Среднеквадратическая погрешность измерения фиксирован-

ной частоты определяется по формуле (2.1). Значение величины младшего

разряда по частоте составляет

ГцTF

101

, дробная часть измеряемой ча-

стоты:

{ }

ГцF

7107.5210

527

=⋅=⋅













=⋅





















=∆

Отсюда

ГцFFF

Дфкв

58.421)710(7)(

==−⋅=∆−⋅∆=

Относительную погрешность квантования априорно неизвестной часто-

ты находят как отношение абсолютной погрешности к измеренному значе-

нию частоты F:

FTF

кв

⋅⋅

⋅

Предельное значение относительной погрешности

FTF

кв

⋅

±=±=

∆

±=

max.

П р и м е р : Цифровой частотомер с временем измерения

cT 1

вы-

полняет измерение сигналов с частотами 10МГц и 100Гц. Найти предельные

значения относительной погрешности квантования

max.кв

, меры

и сум-

марной погрешности

. Относительная нестабильность частоты кварцево-

го генератора

−

гk

, погрешностью преобразования пренебречь.

Решение: Для сигналов с частотами

погрешность меры будет

одинаковой и составит

.2,1

−

гkм

δδ

. Относительная погрешность кван-

тования для сигнала с частотой

составит

1max.

−

===

кв

для сигнала с частотой

%110

100

2max.

====

−

кв

Суммарная погрешность для первого сигнала составит:

102

−

∑

⋅=δ+δ=δ

max.êâì

FFF

для второго

%FFF

max.êâì

110

==δ+δ=δ

−

∑

Таким образом, на низких частотах наблюдается резкое увеличение по-

грешности измерения частоты. Одним из способов повышения точности яв-

ляется увеличение времени измерения

. Так, например, для F=100 Гц, что-

бы

max.кв

стала равной

−

необходимо обеспечить

с, а это очень

большой интервал времени.

Эффективным методом уменьшения погрешности квантования низкоча-

стотных сигналов является переход в режим измерения периода.

Значение времени счета

выбирают в

раз большим измеряемого

периода

, что позволяет уменьшить погрешности квантования и преобразо-

вания.

Структурная схема цифрового измерителя периода имеет вид, приве-

денный на рис. 2.6. Эпюры напряжений, поясняющие принцип работы изме-

рителя, приведены на рис. 2.7.

Измеренное значение периода определяется по формуле

nKtnT

изм

⋅=⋅=

−

где

=0, 1, 2, .., 8.

Вх.У ФУ ВС Сч

ЦИГкв ФУ

ДЧ УУ

вх

⋅

Рис. 2.6. Цифровой измеритель периода

Таким образом, цифровой измеритель периода, так же как измеритель

частоты, является прямопоказывающим прибором, поскольку значения пери-

ода следования импульсов кварцевого генератора

и коэффициента деления

частоты

выбраны кратными 10.

Как и при измерении частоты, при измерении периода имеют место по-

грешности меры, преобразования и квантования.

Погрешность меры. Абсолютная погрешность меры:

гк

кв

⋅=

∆

⋅

=∆⋅

⋅

=∆⋅

∂

=∆

Относительная погрешность меры определяется так же как и в режиме

измерения частоты

.0 гк

кв

квм

δδ

∆

TKT

⋅=

[ ]

tTKn

⋅=

вх

фу

уу

вс

Рис. 2.7. Эпюры напряжений

Погрешность квантования. Абсолютная среднеквадратическая погреш-

ность квантования

)(

к в

fKK

⋅⋅

⋅

Предельная погрешность квантования

кв

fKK

⋅

±=±=∆

)(

Относительную среднеквадратическую погрешность квантования опре-

деляют как

квкв

кв

fК

ТfК

⋅⋅

⋅⋅⋅

)(

Тf

ТК

кв

⋅⋅

⋅

⋅⋅

Предельная относительная погрешность квантования

max.

Тf

кв

±=

Погрешность преобразования. В отличие от режима измерения часто-

ты, этой составляющей никак нельзя пренебречь, поскольку происходит изме-

рение начала и конца временного интервала, которые могут флуктуировать

по причине фазовых шумов.

Абсолютная погрешность преобразования

пр

⋅⋅⋅

=∆

где

— отношение сигнал/шум по напряжению; K – число усредняемых

периодов входного сигнала (коэффициент деления делителя частоты).

Относительную погрешность преобразования находят как отношение

абсолютной погрешности к величине измеренного периода:

пр

⋅⋅⋅

∆

Пример: Найти значение погрешности квантования для частоты

из

предыдущего примера при переходе в режим измерения периода для прежне-

го времени измерения

с.

Решение: Относительная погрешность меры при переходе в режим из-

мерения периода не изменится и составит

−

гkм

δδ

. Относительная по-

грешность квантования составит

max.

−

⋅

кв

Суммарная погрешность измерения периода без учета погрешности

преобразования

m a x.

1 02

−

∑

⋅=+=

к вм

FFF

δδδ

Таким образом, погрешность квантования в данном случае уменьши-

лась в

раз, при этом время измерения не изменилось.

2.1.3. Структурная схема и режимы работы универсального цифрового часто-

томера

Универсальный цифровой частотомер является прибором, предназна-

ченным для измерения частоты колебаний, подаваемых на вход A, периода

сигналов, подаваемых на вход Б, отношения частот сигналов, поступающих

на входы А и Б, может быть использован в качестве датчика кварцевых частот

и т.д. Структурная схема универсального цифрового частотомера приведена

на рис. 2.8, эпюры напряжений, поясняющие принцип его работы – на рис.

2.9.

Вх.У

ФУ & Сч ЦИ

Гкв

ФУ

ДЧ УУ

ДЧ

1 3

Рис. 2.8. Структурная схема универсального цифрового частотомера

Различают несколько режимов работы универсального цифрового ча-

стотомера.

Режим: "Измерение частоты" (Основной). Переключатели П1 и П2 на-

ходятся в положении 1.

В этом режиме входной сигнал поступает на вход А. Из входного сигна-

ла формируются квантующие импульсы с периодом входного сигнала

(рис. 2.9)

Напряжение кварцевого генератора используется для формирования об-

разцового интервала времени

, в течение которого подсчитывается число

периодов входного сигнала n. Измеренное значение частоты определяется

как:

изм

Рис. 2.9. Напряжения на входах и выходе временного селектора в режиме измерения часто-

ты

Режим "Измерение периода". Переключатели П1 и П2 находятся в по-

ложении 2. В данном режиме входной сигнал подается на вход Б частотомера.

Из входного сигнала формируется временной строб длительностью

ТК

⋅

напряжение кварцевого генератора используется для формирования меток

времени – последовательности коротких импульсов с высокостабильным пе-

риодом следования

. Счетчик подсчитывает число меток времени n, попа-

дающих внутрь временного строба, измеренное значение периода определяют

по формуле:

изм

⋅

Рис. 2.10. Эпюры напряжений в режиме измерения периода

Режим измерения отношения частот на входах A и Б (

БА

FF /

Переключатель П1– в положении 1, П2– в положении 2 .

В данном режиме частотомер измеряет отношение частот на входах A и

Б. Кварцевый генератор отключен. Квантующие импульсы формируются из

напряжения высокой частоты, поступающего на вход А (рис. 2.11). Стробиру-

ющий импульс длительностью

ТК

⋅

формируется из низкочастотного напря-

жения, поступающего на вход Б.

Число импульсов, зафиксированное счетчиком, составит:













⋅

Отношение частот на входах А и Б определится по формуле:

⋅

Рис. 2.11. Эпюры напряжений в режиме измерения отношения частот

Режим самоконтроля. Переключатель П1 находится в положении 2, П2

– в положении 1. Данный режим предназначен для проверки правильности

функционирования декадных счетчиков, временного селектора, формирую-

щих устройств и табло цифрового индикатора. Квантующие импульсы и вре-

менной строб формируются из напряжения кварцевого генератора (рис. 2.12).

tKT

⋅=

Рис. 2.12. Напряжения в режиме самоконтроля

Напряжения входных сигналов подавать не требуется. При исправном

частотомере число импульсов, зафиксированное счетчиком равно:

⋅

Поскольку коэффициент деления K делителя частоты выбирается крат-

ным 10, то на табло цифрового индикатора также будет наблюдаться число,

кратное 10.

Для повышения точности измерений вместо внутреннего кварцевого

опорного генератора с кварцевой стабилизацией используют внешний стан-

дарт частоты. Следует иметь в виду, что частота стандарта численно должна

быть равной

Гц, где m – целое число, так как только в этом случае циф-

ровой отсчет на табло частотомера будет соответствовать измеряемой частоте

или периоду с учетом положения запятой.

Максимальное значение измеряемой частоты определяется в основном

быстродействием электронного счетчика, т. е. образующих его декадных де-

лителей. Для расширения частотного диапазона во входном тракте применя-

ют двоичные делители, быстродействие которых выше, чем декадных. Верх-

ний предел измеряемых частот равен 100 – 200 МГц, а с преобразованием

(переносом) частоты достигает 70 ГГц. Погрешность измерения частоты

105

−

⋅

. Диапазон измеряемых интервалов времени и периодов 1 мкс –

с.

Погрешность измерения – 0,1 мкс. Максимальное число десятичных разрядов

определяется емкостью счетчика.

Каждый электронно-счетный частотомер можно использовать как ис-

точник серии стабильных частот (рис. 2.13), получаемых от кварцевого гене-

ратора и делителей частоты.

При частоте кварцевого генератора

кв

МГц с выхода делителя ча-

стоты можно получить напряжения с частотами:

Гц

кв

1,0,1,10,10,10,10,10,10,10

234567