Теоретическая часть. Отчет должен содержать следующие экспериментальные данные и результаты обработки:

Цели работы

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

Содержание отчета

Отчет должен содержать следующие экспериментальные данные и результаты обработки:

Задание 4.1: таблицу с экспериментальными данными измерения напряжения различными вольтметрами с указанием погрешности измерения. Указать причину различия показаний вольтметров. Сформулировать требование к вольтметру.

Задание 4.2: таблицу со значениями токов, измеренных на различных пределах амперметра с указанием погрешности измерения, и сравнение их с расчетными. Сформулировать требование к амперметру.

_____________________________________________________________________________

Измерение частоты и интервалов времени _____________________________________________________________________________

– ознакомиться с методами измерения частоты и временных интервалов;

– изучить устройство и принцип действия измерительных приборов;

– привить студентам навыки практической работы с измерительными приборами.

2. Приборы и оборудование:

– осциллограф;

– частотомер;

– генератор сигналов эталонной частоты;

– генератор сигналов неизвестной частоты.

Частота f или период Т относятся к основным параметрам любого гармонического или периодического процесса. В общем случае под частотой понимают число идентичных событий, происходящих за единицу времени. Для периодических, но не гармонических колебаний строго справедливо лишь понятие периода. Однако и в этом случае часто говорят о частоте, понимая под этим величину, обратную периоду.

Единица циклической частоты f – герц (Гц) – соответствует одному полному колебанию за 1 с. Исторически в радиотехнике высокие частоты принято обозначать буквой f, а низкие – F.

Гармонический сигнал записывается как:

u(t) = U_m·sin(ωt + φ₀) = U·sin φ(t), (3.1)

где U_m – амплитуда; ω – угловая (круговая) частота; φ₀ – начальная фаза;

φ(t) = ωt + φ₀ – полная (текущая, мгновенная) фаза.

Угловая частота ω = 2πf выражается в рад/с и равна изменению текущей фазы сигнала φ(t) за единицу времени. Угловая частота записывается для высоких и низких частот соответственно как ω = 2πf и Ω= 2π F. Для гармонических сигналов (в том числе и искаженных по форме, но не по периоду следования) частота определяется числом переходов через ось времени (т. е. через нуль) за единицу времени.

При непостоянстве частоты используется понятие мгновенной угловой частоты:

ω(t)= dφ(t)/dt = 2π f(t), (3.2)

где f(t) – мгновенная циклическая частота. При описании методов измерения частоты будем иметь в виду ее среднее значение за время измерения. Различают также долговременную и кратковременную нестабильности частоты, связанные соответственно с постоянным изменением частоты за длительный и короткий интервалы времени и с ее флуктуационными изменениями. Граница между этими нестабильностями условна и задается путем указания времени измерения.

Так как измерение частоты, по самому ее определению занимает определенный промежуток времени, то результатом измерения является усредненное на интервале времени Т_сч значение частоты и, следовательно, можно ожидать, что погрешность измерения частоты будет зависеть от времени усреднения.

Интервалом времени t в общем случае называется время, прошедшее между моментами двух последовательных событий. К числу таких интервалов относятся, например, период колебаний, длительность импульса или длительность интервала, определяемая разносом по времени двух импульсов.

Периодом Т называется интервал времени, через который регулярно повторяются мгновенные значения гармонического или периодического сигнала u(t). Отсюда следует, что

u(t) = u(t + nT), (3.3)

где n = 1, 2, 3,... .

Для гармонического сигнала, например для u(t) = U_msin(2πt/T) = U_msinφ(t), период колебания Т можно также определить, как интервал времени, в течение которого фаза сигнала φ(t) (в радианах) изменяется на 2π.

Частота f и период колебания Т дуальны (т. е. двойственны, равноправны) и связаны формулой f = 1/T. Поскольку эти две физические величины неразрывно связаны, то измерение одной величины можно заменить другой. Но на практике чаще измеряется частота.

Аппаратура для частотно-временных измерений образует единый комплекс приборов, обеспечивающий возможность проведения измерений с непосредственной их привязкой к Государственному эталону частоты и времени. Это фактически гарантирует возможность принципиально высокой точности измерений.

Основными измерительными приборами и средствами частотно-временных измерений являются:

– осциллографы;

– приемники сигналов эталонных частот и компараторы;

– преобразователи частоты сигналов;

– частотомеры резонансные, на основе метода заряда–разряда конденсатора, цифровые;

– цифровые измерители частоты и интервалов времени.

Базой для частотно-временных измерений служит группа Государственных стандартов частоты – высокоточных мер частоты и времени, объединяющая рубидиевый, цезиевый, водородный и кварцевый стандарты. Привязка к ним практических измерений осуществляется приемниками сигналов эталонных частот, передаваемых радиостанциями Государственной службы частот и времени, а также компараторами и преобразователями частоты сигнала. Последние применяются для переноса частоты или спектра измеряемого сигнала в тот диапазон частот, где наиболее целесообразно производить необходимое измерение.

В зависимости от участка частотного спектра и допустимой погрешности для измерения частоты применяют различные способы и приемы измерения, основанные как на использовании методов сравнения, так и методов непосредственной оценки.

В методах сравнения (резонансный, гетеродинный и осциллографический) используют сравнение измеряемой частоты с частотой источника образцовых колебаний. Эти методы применяются в основном для градуировки генераторов различных измерительных приборов. На основе метода сравнения действуют осциллографические способы измерения частоты и гетеродинные частотомеры. Для их реализации необходим образцовый генератор более высокой точности и устройство сравнения (сличения) частот. Перечислим методы, основанные на использовании осциллографа в качестве устройства сравнения:

– определение частоты методом фигур Лиссажу;

– определение интервалов времени (периода, длительности импульса и т.д.) с использованием калиброванной развертки осциллографа;

– определение частоты с помощью яркостных меток на круговой развертке.

Рис.3.1 – Круговая развертка.

Первые два из перечисленных методов рассмотрены в лабораторной работе. Третий метод реализуется при условии, что неизвестная частота f_x больше образцовой f₀. Круговая развертка создается при подведении к входам Y и X осциллографа гармонических сигналов образцовой частоты f₀, сдвинутых взаимно по фазе на 90° с помощью фазорасщепляющей RC –цепи (рис. 3.1). Подавая гармонический сигнал с измеряемой частотой f_x на вход Z модуляции яркости луча осциллографа и регулируя частоту f₀, можно получить практически неподвижную модулированную по яркости круговую развертку.

Если N – число ярких дуг (или темных промежутков между дугами) на круговой развертке, то частота f_x=N·f₀ (на рис. 3.1, f_x =10· f₀). Все осциллографические методы имеют невысокую точность (относительная погрешность измерений порядка 10^–2). Верхняя граница диапазона измеряемых частот определяется параметрами осциллографа и для большинства из них не превышает 500 МГц.

К приборам, работающим по методу непосредственной оценки, относятся резонансные частотомеры и измерители частоты, использующие метод заряда и разряда конденсатора. Современное измерение частоты методом непосредственной оценки главным образом выполняется электронно-счетным, или цифровым (дискретного счета) методом, на основе которого создаются цифровые (электронно-счетные – ЭСЧ частотомеры). К достоинствам этого метода относится высокая точность измерений, широкий диапазон измеряемых частот; возможность обработки результатов наблюдений с помощью вычислительных устройств (микропроцессоров, персональных компьютеров и пр.). Цифровые частотомеры позволяют измерять не только частоту колебаний, но и интервалы времени.

Дата добавления: 2014-12-24