Опис лабораторної роботи


Скачати 116.15 Kb.
НазваОпис лабораторної роботи
Дата23.05.2013
Розмір116.15 Kb.
ТипДокументи
bibl.com.ua > Фізика > Документи


Вимірювання частоти і періоду електричних сигналів у віртуальному комп’ютерному середовищі LabVIEW


Опис лабораторної роботи



2007

1. Мета роботи

Придбання навиків вимірювання частоти і періоду електричних сигналів. Одержання відомостей про характеристики і будову резонансного й електронно-рахункового частотомірів.
2. Обладнання, програмне та інформаційно-методичне забезпечення.

2.1. ЕОМ типу IBM PC. Програма LabVIEW 7.0 та методичні посібники для роботи з нею.

2.2. Інтерактивний електронний посібник Основи інформаційно-електронних технологій.
3. Теоретичні відомості

Перед виконанням роботи повторіть питання обробки і представлення результатів прямих і непрямих вимірів і ознайомтеся із наступними питаннями.

• Змінна електрична напруга і параметри, що її характеризують.

• Вимірювання частоти і періоду електричних сигналів методами безпосередньої оцінки і порівняння з мірою.

• Причини виникнення і способи обліку похибок при вимірі частоти і періоду електричних сигналів.

• Будова, принцип дії й основні характеристики резонансних і цифрових частотомірів.

• Зміст і способи реалізації методів виміру, використовуваних при виконанні роботи.

• Будова і характеристики засобів вимірів, використовуваних при виконанні роботи.

На практиці вимір частоти електричних сигналів (далі частоти) робиться в діапазоні від 0 Гц до 1011 Гц. На низьких частотах (від 20 до 2500 Гц), особливо в діапазоні частот 50 Гц і 400 Гц, часто використовуються електромеханічні прилади: електромагнітні частотоміри і частотоміри на основі логометрів. Основна похибка електромеханічних аналогових частотомірів складає 1,0-2,5%. Вони мають вузькі діапазони виміру і використовуються в якості щитових приладів.

У лабораторних умовах для виміру частоти нерідко використовують осцилографи. Це виправдано, якщо до точності вимірів не пред'являється жорстких вимог. Одержання фігур Ліссажу, використання кругової розгортки з модуляцією яскравості, визначення частоти виходячи з обмірюваного значення періоду електричного сигналу - найбільш поширені способи осцилографічних вимірювань частоти.

Електронні конденсаторні частотоміри застосовуються для виміру частот у діапазоні від 10 Гц до 1 МГц. Принцип роботи таких частотомірів грунтується на поперемінному заряді конденсатора від батареї з наступним його розрядом через магнітоелектричний механізм. Цей процес здійснюється з частотою, рівній частоті вимірювання, оскільки переключення робиться під впливом самої досліджуваної напруги. За час одного циклу через магнітоелектричний механізм буде протікати заряд Q=CU, отже, середній струм, що протікає через індикатор, буде дорівнювати Icр=Qfx=CUfx. Таким чином, показання магнітоелектричного амперметра

2

виявляються пропорційні частоті що вимірюється. Основна приведена похибка таких частотомірів лежить у межах 2-3%.

Сімейство аналогових частотомірів доповнюють гетеродинні частотоміри, принцип дії яких заснований на порівнянні частоти що вимірюється з частотою стабільного генератора. Порівняння здійснюється за допомогою гетеродина напруг порівнюваних частот. У результаті цього нелінійного процесу отриманий електричний сигнал буде, крім вихідних частот w1 і w2, містити цілий ряд комбінаційних, у тому числі і різницю частот w1- w2. Коли ця частота близька до нуля, виникають низькочастотні (нульові) биття, що зручно спостерігати на екрані осцилографа або за допомогою спеціальних електронних пристроїв. Перевагою гетеродинних частотомірів є можливість виміру дуже високих частот - до 100 ГГц із відносною похибкою, що не перевищує 0,01-0,001%.

Резонансні частотоміри мають у своєму складі коливальну систему, що настроюється в резонанс з частотою що вимірюється. Стан резонансу фіксують по максимальних показаннях індикатора резонансу. Вимірювану частоту відраховують безпосередньо по шкалі каліброваного елемента настроювання (змінного конденсатора). Вимірювана частота може досягати 200 МГц, а відносна похибка вимірів звичайно складає 0,1-1,0%.

Електронно-рахункові частотоміри є цифровими приладами. Принцип роботи цих приладів заснований на підрахунку числа періодів частоти що вимірюється за деякий, строго визначений інтервал часу, тобто використовують аналого-цифрове перетворення частоти в кількість імпульсів у послідовності.

Структурна схема частотоміра приведена на мал.3.6.1а, тимчасова діаграма його роботи - на мал.3.6.1б.



Мал. 3.6.1. Структурна схема (а) і часова діаграми (б) електронно-рахункового частотоміра

3

Гармонійний сигнал частоту котрого потрібно виміряти, надходить на вхідний пристрій, що робить із ним необхідне масштабне перетворення. Потім сигнал потрапляє на формувач, де перетвориться в періодичну послідовність імпульсів u1 що подаються на вхід тимчасового селектора. Частота проходження імпульсів u1, дорівнює частоті, що вимірюється fx. Тимчасовий селектор являє собою ключ, стан якого визначається вихідним сигналом пристрою формування керування - прямокутним імпульсом u2 строго визначеної тривалості. Імпульси u1 проходять через тимчасовий селектор на лічильник тільки протягом інтервалу часу , рівного тривалості прямокутного імпульсу. Інтервал є інтервалом часу виміру. Прямокутний імпульс формується з високочастотної напруги кварцового опорного генератора за допомогою дільника частоти і пристрою керування. Число імпульсів, що проходять через тимчасовий селектор підраховується лічильником. Частота визначається по формулі f = N / . Результат відображається на цифровому відліковому пристрої. Похибка частотоміра визначається нестабільністю частоти опорного генератора, що приводить до мінливості тривалості прямокутного імпульсу, а отже й інтервалу часу виміру . Іншою складовою похибки є похибка дискретності, викликана тим, що відношення інтервалу виміру до періоду досліджуваного сигналу не є цілим числом. Завдяки високій стабільності кварцових генераторів звичайно на перший план виступає похибка дискретності. Вона зменшується з підвищенням частоти і при граничній для даного виду частотомірів частоті 100 Мгц відносна похибка складає приблизно 10-6. Однак на низьких частотах похибка дискретності стає неприйнятно великою і більш раціональним є спосіб виміру частоти непрямим методом, за допомогою виміру періоду і наступного перерахування його в частоту.

Вимір періоду також робиться методом дискретного рахунку. Структурна схема, подана на мал.3.6.2а, істотно не відрізняється від розглянутої вище схеми частотоміра. Різниця в тому, що тривалість прямокутного імпульсу, сформованого пристроєм формування і керування, не є строго фіксованою, а дорівнює періоду досліджуваної напруги Тх. І навпаки, частота рахункових імпульсів задається високостабільним кварцовим опорним генератором. Період проходження рахункових імпульсів Т0 також є строго визначеним. Тимчасові діаграми приведені на мал. 3.6.2б.

З цього малюнка видно, що число імпульсів, що укладаються в інтервал Тх дорівнює N = Тх / Т0. Рівність є наближеною. Наближення визначає похибка дискретності. Вона тим менше, чим що більше вимірюється період Тх. Крім того варто брати до уваги похибку, обумовлену нестабільністю частоти рахункових імпульсів і похибку, зв'язану з впливом шумової перешкоди, що, складаючись із вхідною напругою, може привести до розбіжності початку періоду і фронту прямокутного імпульсу. Ускладнення схем приладів і використання мікропроцесорів дозволяє істотно зменшити зазначені похибки.

Сучасні прилади сполучають можливості використовувати їх у якості частотомірів і вимірників тимчасових інтервалів і проведення як прямих, так і непрямих вимірів цих величин для досягнення необхідної точності виміру.
4



Мал. 3.6.2. Структурна схема (а) і часові діаграми (б) електронно-рахункового вимірника періоду коливань
Цифрові частотоміри є найбільше точними серед відомих засобів виміру частоти електричних сигналів (відносна похибка може не перевищувати 10-7%) і мають усі переваги цифрових приладів, наприклад дозволяють автоматизувати вимірювальні процедури, тому вони знайшли широке застосування. Діапазон частот, що вимірюється цифровими частотомірами, лежить, як правило, у межах від одиниць герц до одиниць гігагерц.
4. Опис лабораторного стенда

Лабораторний стенд являє собою LabVIEW комп'ютерну модель, що розташовується на робочому столі персонального комп'ютера. На стенді (мал. 3.6.3 ) знаходяться моделі резонансного і цифрового частотомірів, генератора сигналів і КУ, за допомогою якого вихід генератора сигналів підключається до входу одного з частотомірів.

5

Моделі електронного аналогового резонансного частотоміра й електронного цифрового частотоміра використовуються при моделюванні процесу прямих вимірів частоти гармонійних електричних сигналів методом безпосередньої оцінки.



Мал. 3.6.3. Модель лабораторного стенда на робочому столі комп'ютера при виконанні роботи № 3.6 (1 - електронний цифровий частотомір, 2 - генератор сигналів, 3 - резонансний частотомір, 4 - КУ)

Модель генератора сигналів використовується при моделюванні роботи джерела змінної напруги синусоїдальної форми, що забезпечує регулювання амплітуди і частоти вихідного сигналу.



Мал. 3.6.4. Схема з'єднання приладів при виконанні роботи № 3.6

5. Робоче завдання

5.1. Запустіть програму лабораторного практикуму і виберіть лабораторну роботу № 3.6 «Измерение частоты и периода электрических сигналов» у групі робіт «Измерение электрических величин». На робочому столі комп'ютера автоматично з'являться модель лабораторного стенда з моделями засобів вимірів і допоміжних пристроїв (мал. 3.6.3) і вікно створеного в середовищі MS Excel лабораторного журналу, що служить для формування звіту за результатами виконання лабораторної роботи.

6

5.2. Ознайомтеся з розташуванням моделей окремих засобів вимірів і інших пристроїв на робочому столі. Включіть моделі засобів вимірів і випробуйте їхні органи керування. У процесі випробування установіть регулятор напруги на виході генератора в середнє положення і зафіксуйте частоту вихідного сигналу. Після того як показання цифрового частотоміра установляться, настройте резонансний контур резонансного частотоміра на максимум відгуку. Далі, змінюючи частоту сигналу на виході генератора, простежите за змінами показань частотомірів.

5.3. Після того як ви переконаєтеся в працездатності приладів, виключіть частотоміри й установіть ручку регулятора вихідної напруги генератора сигналів у крайнє ліве положення (амплітуда вихідного сигналу дорівнює нулю).

5.4. Приступіть до виконання лабораторної роботи.

Завдання 1. Вимірювання частоти гармонійного сигналу резонансним частотоміром

а) Установіть амплітуду вихідного сигналу генератора рівною приблизно 2 В, а частоту вихідного сигналу генератора - рівною приблизно 50 кГц.

б) Включіть резонансний частотомір і виберіть підхожу межу виміру.

в) Підключіть за допомогою КУ вхід резонансного частотоміра до виходу генератора.

г) Виміряйте резонансним частотоміром частоту гармонійного сигналу. У процесі вимірів підберіть таке положення ручки плавного регулювання настроювання резонансу коливального контуру, при якому показання індикатора будуть максимальними.

д) Запишіть у звіт показання резонансного частотоміра, а також відомості про його клас точності.

Завдання 2. Вимірювання частоти гармонійного сигналу цифровим частотоміром

а) Включіть цифровий частотомір у режимі виміру частоти і виберіть час рахунку рівним 0,01 с.

б) Залишаючи незмінними амплітуду і частоту сигналу на виході генератора, установлені при виконанні попереднього завдання, підключіть за допомогою КУ вхід частотоміра до виходу генератора.

в) Зніміть показання частотоміра.

г) Запишіть у звіт показання цифрового частотоміра, а також відомості про його клас точності.

д) Залишаючи незмінними амплітуду і частоту сигналу на виході генератора, повторіть вимірювання, обираючи час рахунку рівним послідовно 0,1 с, 1 с і 10 с.

е) Запишіть показання цифрового електронно-рахункового частотоміра в звіт.

ж) Виконайте вимірювання відповідно до пп.«а»-«е» завдання, послідовно встановлюючи частоту сигналу на виході генератора рівною 5 кГц, 1 кГц, 500 Гц, 50 Гц і 10 Гц.

Завдання 3. Вимір періоду гармонійного сигналу цифровим частотоміром

а) Установіть амплітуду вихідного сигналу генератора рівною приблизно 2 В, а частоту вихідного сигналу генератора - рівною приблизно 10 Гц.
7

б) Підключіть за допомогою КУ вхід цифрового частотоміра до виходу генератора.

в) Включіть цифровий частотомір у режимі виміру періоду і виберіть період міток часу рівним 1 мс, а множник періодів - рівним 100.

г) Зніміть показання цифрового частотоміра.

д) Запишіть показання цифрового частотоміра в звіт.

е) Залишаючи незмінними амплітуду і частоту сигналу на виході генератора, повторіть виміри, обираючи період міток часу рівним послідовно 0,1 мс і 10 мкс.

ж) Запишіть показання цифрового частотоміра в звіт.

з) Виконайте виміри відповідно до пп. «а»-«ж» завдання, послідовно встановлюючи частоту сигналу на виході генератора рівною 50 Гц, 500 Гц, 5 кГц і 50 кГц.

5.5. Збережете результати.

5.6. Після зберігання результатів закрийте додаток LabVIEW і при необхідності виключіть комп'ютер.
6. Оформлення звіту

Звіт крім прийнятої для нього інформації повинен містити:

• графіки залежності абсолютної і відносної похибок вимірів частоти гармонійного сигналу від показань частотомірів (на графіку необхідно виділити смуги припустимих похибок);

• графіки залежності абсолютної і відносної похибок вимірів періоду від показань цифрового частотоміра (на графіку необхідно виділити смуги припустимих похибок).

Рекомендовані форми таблиць для запису результатів приведені нижче.
7. Контрольні питання

• Потрібно виміряти частоту гармонійного електричного сигналу, рівну орієнтовно 1 Гц (100 Гц, 1 кГц, 100 кГц, 5 МГц, 100 МГц, 30 ГГц). Як це краще зробити, якщо похибка вимірів не повинна перевищити 0,5% (10 Гц)?

• У якому діапазоні частот можна виконувати виміри частоти періодичних електричних сигналів?

• Які переваги резонансного методу виміру частоти?

• Які частотоміри мають найбільшу точність?

• Яка основна причина виникнення похибок при вимірі частоти за допомогою осцилографа?

• У якому діапазоні значень частот зручно використовувати для вимірів цифровий частотомір? Як у цьому випадку похибка вимірів залежить від значення частоти що вимірюється?

• У якому діапазоні значень тривалості періодів зручно використовувати для вимірів цифровий частотомір? Як у цьому випадку похибка вимірів залежить від тривалості періоду що вимірюється?

• Як нормується клас точності цифрових частотомірів?
8

• Який частотомір дає можливість робити виміри в гігагерцовому діапазоні частот

• Яка інструментальна похибка резонансного частотоміра? Чим вона визначається?

• Яким способом при використанні цифрових частотомірів удається досягти високої точності вимірів як в області високих, так і в області низьких частот? У якому діапазоні частот похибка таких вимірів максимальна (мінімальна)?

9




10
Література

  1. Батоврин В.К. и др. LabVIEW: практикум по основам измерительных технологий: Учебное пособие для вузов. – М: ДМК Пресс, 2005.

  2. Кушнир Ф.В. Электрорадиоизмерения: Учебное пособие для вузов. – Л: Энергоиздат. 1983.

  3. РанневГ.Г., Тарасенко А.П. Методы и средства измеренийЖ Учебник для вузов. - М., Академия, 2003.

  4. Информационно-измерительная техника и технологии. Учебник для вузов. Под ред. Г.Г.Раннева. – М. Высшая школа., 2002.

  5. Опадчий Ю.Ф. Аналоговая и цифровая электроника. - М.: Горячая линия - Телеком. 2002.

  6. Курс лабораторних работ для дисциплины “Метрология, стандартизация, сертификация и аккредитация” Упорядочено преподавателями Власенко В.М., Чаповский М.З., Нефедова И.М.



Укладачі: Власенко В.М., Нефедова І.М.


Друк цього опису можна виконати з файла LR_3-6_druk.doc

Схожі:

Гершунский Б. С. Основы электроники и микроэлектроники К., Выща шк.,...
Опис виконання завдань лабораторної роботи, самостійної та індивідуальної роботи
Опис лабораторної роботи
Вимірювання параметрів гармонійної напруги за допомогою осцилографа у віртуальному
Опис лабораторної роботи
Вимірювання сили постійного електричного струму у віртуальному комп’ютерному середовищі LabVIEW
Опис лабораторної роботи
Вимірювання потужності постійного електричного струму у віртуальному комп’ютерному середовищі LabVIEW
Опис лабораторної роботи
Вимірювання напруги змінного електричного струму у віртуальному комп’ютерному середовищі LabVIEW
Опис лабораторної роботи
Вимірювання частоти і періоду електричних сигналів у віртуальному комп’ютерному середовищі LabVIEW
Дослідження електричних кіл змінного струму Опис лабораторної роботи
Навчально-дослідний стенд для фізичного моделювання електронних пристроїв та методичний посібник для роботи на ньому
Вимірювання кута фазового зрушення у віртуальному комп’ютерному середовищі...
Придбання навиків вимірювання кута фазового зрушення. Одержання відомостей про характеристики і будову та навиків роботи цифрового...
Проектування та моделювання шифраторів Опис лабораторної роботи
Ознайомлення з принципом дії, основними властивостями та параметрами шифраторів, дослідження їх характеристик та логічних функцій,...
Проектування та моделювання шифраторів Опис лабораторної роботи
Ознайомлення з принципом дії, основними властивостями та параметрами шифраторів, дослідження їх характеристик та логічних функцій,...
Додайте кнопку на своєму сайті:
Портал навчання


При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання © 2013
звернутися до адміністрації
bibl.com.ua
Головна сторінка