Опубликовать ОпубликоватьРеферат на тему:
Частотоме́р (неправ. частотометр) — измерительный прибор для определения частоты периодического процесса или частот гармонических составляющих спектра сигнала.
Принцип действия резонансных частотомеров основан на сравнении частоты входного сигнала с собственной резонансной частотой перестраиваемого резонатора. В качестве резонатора может быть использован колебательный контур, отрезок волновода (объемный резонатор) или четвертьволновой отрезок линии. Контролируемый сигнал через входные цепи поступает на резонатор, с резонатора сигнал через детектор подается на индикаторное устройство (гальванометр). Для повышения чувствительности в некоторых частотомерах применяются усилители. Оператор настраивает резонатор по максимальному показанию индикатора и по лимбу настройки отсчитывает частоту.
Принцип действия гетеродинных частотомеров основан на сравнении частоты входного сигнала с частотой перестраиваемого вспомогательного генератора (гетеродина) с помощью т. н. метода нулевых биений, порядок работы аналогичен работе с резонансными частотомерами.
Электронные конденсаторные частотомеры применяются для измерения частот в диапазоне от 10 до 1000Гц. Принцип таких частотомеров основывается на попеременном заряде конденсаторов от батареи с последующим его разрядом через магнитоэлектрический механизм. Этот процесс осуществляется с частотой, равной измеряемой частоте, поскольку переключение производится под воздействием самого исследуемого напряжения. За время одного цикла через магнитоэлектрический механизм будет протекать заряд Q =CU, следовательно, средний ток, протекающий через индикатор, будет равен I_ср=Qf_x=CUf_x. Таким образом, показания магнитоэлектрического амперметра оказывается пропорциональны измеряемой частоте. Основная приведенная погрешность таких частотомеров лежит в пределах 2-3%.
Представляет собой прибор с подвижной частью в виде набора упругих Элементов (пластинок, язычков), приводимых в резонансные колебания при воздействии переменного магнитного или электрического поля.
Аналоговые частотомеры по применяемому измерительному механизму бывают электромагнитной, электродинамической и магнитоэлектрической систем. В основе работы их лежит использование частотозависимой цепи, модуль полного сопротивления которой зависит от частоты. Измерительным механизмом, как правило, является логометр, на одно плечо которого подается измеряемый сигнал через частотонезависимую цепь, а на другое — через частотозависимую, ротор логометра со стрелкой в результате взаимодействия магнитных потоков устанавливается в положение, зависящее от соотношений токов в обмотках. Бывают аналоговые частотомеры работающие по другим принципам.
wreferat.baza-referat.ru
_Основные достоинства ЭСЧ.
В настоящее время цифровые измерители частоты и интервалов времени состав- ляют наиболее многочисленную группу среди ЦИП. Они удобны в эксплуатации и отли- чаются высокой точностью. Современные цифровые частотомеры выполняются на полуп- роводниковых приборах и ИМС, что повысило их надежность по сравнению с первыми ламповыми образцами, уменьшило габариты и потребляемую мощность. Обычно ЭСЧ выполняются как универсальные приборы и позволяют помимо частоты измерять период, временной интервал, длительность импульса, подсчет количества импульсов.
Обоснование выбора.
В данном приборе для измерения частоты используется метод непосредственного подсчета числа импульсов за определенную единицу времени. Этот метод полразуме- вает наличие генератора сигнала эталонной частоты, как правило используется кварцевый генератор. Импульсы с кварцевого генератора подаются на декадный дели- тель частоты. С выхода делителя частоты сигналы подаются в устройство управле- ния. Функцией устройства управления является выработка измерительного стробирую- щего импульса, который подается на схему совпадения в зависимости от выбранного времени измерения. Также, устройство управления вырабатывает импульсы обнуления счетчика и сигналы гашения индикатора в момент пересчета.
Принцип действия.
На вход прибора подаются сигналы определенной частоты, как синусоидальной формы, так и импульсной формы. Для использования их в устройстве необходимо пре- образование формы сигнала в последовательность коротких импульсов. Эту функцию выполняет формирующее устройство. Таким образом, на выходе формирующего устройс- тва получается последовательность прямоугольных импульсов с частотой, равной частоте выходного сигнала. С выхода формирующего устройства импульсная последо- вательность через переключатель подается на схему совпадения. Функцией схемы совпадения является пропуск последовательности прямоугольных импульсов за время действия стробирующего импульса, который поступает на второй вход схемы совпаде- ния с выхода устройства управления. Таким образом, на выходе схемы совпадения появляется количество импульсов, соответствующее измеряемой частоте, и подается на вход счетчика. В данной конструкции используется четырехразрядный декадный счетчик. Выход каждого разряда счетчика подключается к дешифратору, который управляет работой семисегментного индикатора. Таким образом, на индикаторах отображается непос- редственное значение измеряемой частоты.
Генератор образцовых импульсов ЭСЧ собран на логических элементах D 1.1 и D 1.2. Импульсы с частотой 1 МГц с его выхода подаются на декадный делитель часто- ты, собранный на D2-D7. С делителя частоты через переключатель SA1 сигналы пода- ются с необходимым периодом, соответствующим выбранному пределу измерения, на вход устройства управления. Оно собрано на логических элементах D 8.1, D 8.2, D 9.1, D 9.2, D 10.1 и транзисторе VT 4. Счетные импульсы подаются на вход форми- рующего устройства, собранного на логических элементах D 1.3 и D 1.4. С его вы- хода сформированная импульсная последовательность подается на вход схемы совпа- дения, собранной на D 10.1. Каскад на элементах: диод VD 7, резистор R10, кон- денсатор С6, транзистор VT 4 определяет время подсчета измеряемой частоты и вре- мя индикации, которое можно изменять подбором R10. С выхода 6 элемента D 9.2 поступают импульсы гашения индикатора в момент пересчета измеряемой частоты. Таким образом, на индикаторе появляется мигающее изображение измеряемой частоты. Причем частота мигания зависит от выбранного предела измерения. Перед каждым измерительным циклом на счетчик поступает обну- ляющий импульс с вывода 5 триггера D 8.1. Счетные импульсы подаются на вход счетчика с вывода 12 элемента D 1.4. Счетчик реализован на микросхемах D 11-14. Подсчитанное число в двоичном коде с выхода каждого счетчика подается на вход соответствующего дешифратора, который преобразует двоичный код в код для управления семисегментными индикато- рами HG 1 - HG 4. Дешифратор собран на микросхемах D15 - D18. В зависимости от выбранного предела измерения в соответсвующем разряде загорается точка, разделяющая соот- ветствующие десятичные разряды измеряемой частоты.
_Погрешность измерений.
При любых измерениях показания измерительных приборов отличаются от дейс- твительных значений искомых величин из-за погрешностей измерений. Причины появления погрешностей могут быть различными, например несовершенс- тво измерительного прибора, несовершенство метода измерения, влияние условий ок- ружающей среды, индивидуальные свойства экспериментатора. Погрешности делятся на абсолютные и относительные. 1Абсолютная погрешность 0 измерения равна разности между показанием прибора А и действительным значением А 4д 0 измеряемой величины:
А = А - А 4д
1Относительная погрешность 0 выражается в процентах и бывает двух видов: 1) Действительная относительная погрешность, равная отношению абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой величины:
4д 0 =( А / А 4д 0)*100%.
2) Номинальная относительная погрешность, равная отношению абсолютной пог- решности к измеренному значению исследуемой величины, т. е. к показанию прибора:
4н 0 =( А / А)*100%.
Для большинства радиоизмерительных приборов, в отличие от электроизмери- тельных, деление на классы точности не производится. Допустимые величины относи- тельных и абсолютных погрешностей устанавливаются ГОСТ или техническими условия- ми. Эти значения приводятся в технической документации на прибор.
www.ronl.ru
Методическая разработка
для учащихся по курсу
"Электрорадиоизмерения"
на тему: "Электронносчетный частотомер". Содержание: Стр. 1. Введение. 1
2. Основные достоинства ЭСЧ. 2
3. Структурная схема. 4
4. Принципиальная схема. 7
5. Погрешности измерения. 8
6. Литература..
- 2 - _Введение. Данная методическая разработка является теоритическим пособием по элект-
ронносчетным частотомерам для учащихся специальностей "Радиоаппаратостроение"
и "Электроника".
В ней содержатся сведения по общей методике построения ЭСЧ.
Необходимостью написания разработки является:
1) широкое применение ЭСЧ при решении различных измерительных задач
2) ограниченное время, отводимое для их изучения.
Пособие может быть использовано учащимися при изучении данной темы в курсе
ЭРИ, при подготовке к лабораторным работам, а так же во время электроизмеритель-
ной практики.
.
- 3 - _Основные достоинства ЭСЧ. В настоящее время цифровые измерители частоты и интервалов времени состав-
ляют наиболее многочисленную группу среди ЦИП. Они удобны в эксплуатации и отли-
чаются высокой точностью. Современные цифровые частотомеры выполняются на полуп-
роводниковых приборах и ИМС, что повысило их надежность по сравнению с первыми
ламповыми образцами, уменьшило габариты и потребляемую мощность.
Обычно ЭСЧ выполняются как универсальные приборы и позволяют помимо частоты
измерять период, временной интервал, длительность импульса, подсчет количества
импульсов..
- 4 - _Структурная схема. Обоснование выбора. В данном приборе для измерения частоты используется метод непосредственного
подсчета числа импульсов за определенную единицу времени. Этот метод полразуме-
вает наличие генератора сигнала эталонной частоты, как правило используется
кварцевый генератор. Импульсы с кварцевого генератора подаются на декадный дели-
тель частоты. С выхода делителя частоты сигналы подаются в устройство управле-
ния. Функцией устройства управления является выработка измерительного стробирую-
щего импульса, который подается на схему совпадения в зависимости от выбранного
времени измерения. Также, устройство управления вырабатывает импульсы обнуления
счетчика и сигналы гашения индикатора в момент пересчета..
- 5 - Принцип действия. На вход прибора подаются сигналы определенной частоты, как синусоидальной
формы, так и импульсной формы. Для использования их в устройстве необходимо пре-
образование формы сигнала в последовательность коротких импульсов. Эту функцию
выполняет формирующее устройство. Таким образом, на выходе формирующего устройс-
тва получается последовательность прямоугольных импульсов с частотой, равной
частоте выходного сигнала. С выхода формирующего устройства импульсная последо-
вательность через переключатель подается на схему совпадения. Функцией схемы
совпадения является пропуск последовательности прямоугольных импульсов за время
действия стробирующего импульса, который поступает на второй вход схемы совпаде-
ния с выхода устройства управления.
Таким образом, на выходе схемы совпадения появляется количество импульсов,
соответствующее измеряемой частоте, и подается на вход счетчика.
В данной конструкции используется четырехразрядный декадный счетчик. Выход
каждого разряда счетчика подключается к дешифратору, который управляет работой
семисегментного индикатора. Таким образом, на индикаторах отображается непос-
редственное значение измеряемой частоты.
.
- 6 - ш0,9 ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐
│ │ │ │ │ │ │ │
f 4x 0 │ ФОРМИРУЮЩЕЕ │ │ СХЕМА │ │ │ │ │
────┤ ├─────┤ ├─────┤ СЧЕТЧИК ├─────┤ ДЕШИФРАТОР │
│ УСТРОЙСТВО │ │ СОВПАДЕНИЯ │ │ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │
└─────────────┘ └──────┬──────┘ └──────┬──────┘ └──────┬──────┘
│ │ │
│ │ │
│ │ │
│ ┌──────┴──────┐ ┌──────┴──────┐
│ │ │ │ │
│ │ УСТРОЙСТВО │ │ │
└────────────┤ ├─────┤ ИНДИКАТОР │
│ УПРАВЛЕНИЯ │ │ │
│ │ │ │
└──────┬──────┘ └─────────────┘
│
│
│
┌─────────────┐ ┌──────┴──────┐
│ │ │ │
│ │ │ ДЕЛИТЕЛЬ │
│АВТОГЕНЕРАТОР├─────┤ │
│ │ │ ЧАСТОТЫ │
│ │ │ │
└─────────────┘ └─────────────┘ ш0.
- 7 - _Принципиальная схема. Генератор образцовых импульсов ЭСЧ собран на логических элементах D 1.1 и D
1.2. Импульсы с частотой 1 МГц с его выхода подаются на декадный делитель часто-
ты, собранный на D2-D7. С делителя частоты через переключатель SA1 сигналы пода-
ются с необходимым периодом, соответствующим выбранному пределу измерения, на
вход устройства управления. Оно собрано на логических элементах D 8.1, D 8.2, D
9.1, D 9.2, D 10.1 и транзисторе VT 4. Счетные импульсы подаются на вход форми-
рующего устройства, собранного на логических элементах D 1.3 и D 1.4. С его вы-
хода сформированная импульсная последовательность подается на вход схемы совпа-
дения, собранной на D 10.1. Каскад на элементах: диод VD 7, резистор R10, кон-
денсатор С6, транзистор VT 4 определяет время подсчета измеряемой частоты и вре-
мя индикации, которое можно изменять подбором R10.
С выхода 6 элемента D 9.2 поступают импульсы гашения индикатора в момент
пересчета измеряемой частоты. Таким образом, на индикаторе появляется мигающее
изображение измеряемой частоты. Причем частота мигания зависит от выбранного
предела измерения. Перед каждым измерительным циклом на счетчик поступает обну-
ляющий импульс с вывода 5 триггера D 8.1. Счетные импульсы подаются на вход
счетчика с вывода 12 элемента D 1.4.
Счетчик реализован на микросхемах D 11-14. Подсчитанное число в двоичном
коде с выхода каждого счетчика подается на вход соответствующего дешифратора,
который преобразует двоичный код в код для управления семисегментными индикато-
рами HG 1 - HG 4.
Дешифратор собран на микросхемах D15 - D18. В зависимости от выбранного
предела измерения в соответсвующем разряде загорается точка, разделяющая соот-
ветствующие десятичные разряды измеряемой частоты..
- 8 - _Погрешность измерений. При любых измерениях показания измерительных приборов отличаются от дейс-
твительных значений искомых величин из-за погрешностей измерений.
Причины появления погрешностей могут быть различными, например несовершенс-
тво измерительного прибора, несовершенство метода измерения, влияние условий ок-
ружающей среды, индивидуальные свойства экспериментатора.
Погрешности делятся на абсолютные и относительные.
1Абсолютная погрешность 0 измерения равна разности между показанием прибора А
и действительным значением А 4д 0 измеряемой величины: А = А - А 4д 1Относительная погрешность 0 выражается в процентах и бывает двух видов:
1) Действительная относительная погрешность, равная отношению абсолютной
погрешности к действительному значению измеряемой величины: 4д 0 =( А / А 4д 0)*100%. 2) Номинальная относительная погрешность, равная отношению абсолютной пог-
решности к измеренному значению исследуемой величины, т. е. к показанию прибора: 4н 0 =( А / А)*100%. Для большинства радиоизмерительных приборов, в отличие от электроизмери-
тельных, деление на классы точности не производится. Допустимые величины относи-
тельных и абсолютных погрешностей устанавливаются ГОСТ или техническими условия-
ми. Эти значения приводятся в технической документации на прибор..
- 9 - _Литература. 1. Терешин Г. М. Пышкина Т. Г.
"Электрорадиоизмерения". Издательство "Энергия", 1975 г. 2. "Электрические измерения"
под редакцией В. Н. Малиновского
Энергоиздат, 1982 г. 3. И. Ю. Зайчик
"Практикум по электрорадиоизмерениям".
Издательство "Высшая школа", 1979 г.
www.coolreferat.com
Частотомер — прибор, предназначенный для измерения частоты периодического процесса спектра сигнала, а также для нахождения частот гармонических элементов спектра сигнала.
Частотомеры подразделяются относительно способа, по которому производятся измерения. К такому типу относят устройства прямой оценки, такие как аналоговые, и приборы сравнительной оценки, например резонансные, гетеродинные и электронно-счетные частотомеры.
Различаются по физическому значению определяемой величины: синусоидальные колебания рассматриваются при помощи аналоговых приборов; частоты гармонических элементов определяются гетеродинными, резонансными и вибрационными частотомерами; для исследования дискретных явлений применяются электронно-счетные и конденсаторные устройства.
Также существует деление относительно конструктивного решения частотомера. Приборы могут представлять собой щитовые, переносные, стационарные конструкции.
Частотомеры предназначены для произведения электроизмерительных и радиоизмерительных работ, поэтому они могут рассматриваться как электроизмерительные частотомеры и радиоизмерительные частотомеры. Электроизмерительные частотомеры включают в себя аналоговые стрелочные частотомеры всевозможных системных решений, вибрационные, конденсаторные, электронно-счетные частотомеры; радиоизмерительные частотомеры — резонансные, гетеродинные, конденсаторные, элект-ронносчетные частотомеры.
Аналоговые стрелочные частотомеры подразделяются относительно входящего в них измерительного приспособления: электродинамические, электромагнитные, магнитоэлектрические.
Разработаны частотомеры такого типа на основе применения частотозависимой цепи, характеризуемой взаимодействием модуля полного сопротивления относительно частоты. В аналоговом устройстве предусмотрен измерительный механизм, в роли которого в основном выступает логометр. Логометр представляет собой устройство с двумя плечами, на одно плечо поступает определяемый сигнал, проходя частотонезависимую цепь, на второе сигнал поступает сквозь частотозависимую цепь. Также логометр оснащается ротором со стрелкой, который в результате взаимодействия магнитных потоков фиксируется в положении, показываемом отношением токов в обмотках.
Вибрационные (или язычковые) частотомеры относятся к устройствам с наличием мобильного компонента, представленного в виде комплекта упругих деталей, например язычков или пластин. Подвижные части включаются в резонансное колебание в результате воздействия на них переменным магнитным или электрическим полем.
Гетеродинные частотомеры разработаны на принципе исследования сравнения между частотами входного сигнала и частотой перестраиваемого генератора — гетеродина, используя метод нулевых биений.Рабочее состояние идентично работе резонансного частотомера, описанного ниже.
Резонансные частотомеры созданы на рассмотрении сравнительных характеристик частоты входного сигнала и собственной резонансной частоты перестраиваемого резонатора, в роли которого могут выступать колебательный контур^ отрезок волновода как объемный резонатор, четвертьволновой отрезок линии.
Цепочка действия следующая: контролируемый сигнал, проходя входные цепи, отправляется на резонатор, поступив на резонатор, сигнал, проходя детектор, отправляется на индикаторное приспособление, например гальванометр. Частотомер может оснащаться усилителями, которые усиливают чувствительную способность частотомера. Резонатор при помощи оператора настраивается относительно максимального значения индикатора, отсчет частоты производится относительно лимба настройки.Электронно-счетные частотомеры очень широко примененяются, так как обладают широким диапазоном частот в пределах от долей герца до десятков мегагерц. Чтобы увеличить диапазон до сотен мегагерц и десятков гигагерц, частотомер оснащается вспомогательными блоками, которые характеризуются как делители частоты и переносчики частоты. Электронно-счетные частотомеры также отличаются универсальностью, достаточно высокой точностью. Частотомеры этого типа могут производить измерения периода движения импульсов, отслеживать промежутки бремени, возникающие между импульсами, исследовать взаимодействие двух' Частот. Отмечено их применение как счетчиков численности импульсов. Электронно-счетные частотомеры могут производить работу, сочетая несколько способов измерения, например гетеродинный и электронно-счетный способы, при этом существенно расширяя диапазон измерения, создавая нахождение несущей частоты импульсно-модулированных сигналов.
Наипростейший частотомер изготавливается при помощи логических элементов одной микросхемы, прибор такого типа используется для измерения частоты переменного напряжения в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц. В этом приборе роль входного элемента играет триггер Шмита, который трансформирует на входе переменное напряжение синусоидальной формы в импульсы прямоугольной формы равной частоты. Для работы триггера требуется наличие определенной амплитуды входного сигнала, которая не должна превышать пороговую величину. Шкала частотомера задается как общая для всех диапазонов измерения, к тому же практически равномерная. Необходимо задать начальную границу и конечную границу шкалы относительно всех диапазонов, в основном это поддиапазон 20—200 Гц, под который ориентируются частотные границы остальных двух поддиапазонов. Для поддиапазона 200—2000 Гц результат измерения, полученный при помощи шкалы, увеличивается в 10 раз, а для поддиапазона 20 кГц увеличение производится в 100 раз.
Для повышения чувствительности частотомера используется введение вспомогательного усилителя входного сигнала, в роли которого могут выступить маломощный полупроводниковый транзистор или аналоговая микросхема в виде трехступенчатого усилителя для видеоканалов телевизионных приемников, характеризуемых наличием большого коэффициента усиления. Частота может иметь синусоидальные, прямоугольные, пилообразные колебания, а также колебания другого вида. Колебания, проходя первый конденсатор, поступают на вход микросхемы, затем производится усиление на выходе микросхемой через второй конденсатор, и колебания отправляются на вход триггера Шмита. Еще один конденсатор включен для ликвидации внутренней отрицательной обратной связи, которая уменьшает усилительные характеристики микросхемы.
Частотомер для измерения КСВ предназначен для нахождения величин мощности, при прямой отраженной волне отображается стрелочными приспособлениями с наличием подсвечиваемой шкалы. Частотомер такого типа работает в режиме калибровки и режиме определения в результате демпфониро-вания индикаторов, осуществляя измерения флуктуирующих сигналов. Прибор есть объединение двух частотомеров, его задняя панель оснащена двумя парами разъемов, при этом одна пара ориентирована на произведение замеров КСВ, мощности в частотном диапазоне 1,8—160 МГц, вторая пара рассчитана на диапазон 140—525 МГц.
Частотомер на базе звуковой карты разработан для произведения измерения частоты звукового сигнала, который непосредственно подается на линейный вход звуковой карты.
Вибрационные и аналоговые частотомеры используются в качестве контролеров сети электропитания. Гетеродинные частотомеры применяются для создания и отслеживания настройки, эксплуатации, для контролирования над приемопередающими устройствами, для измерения несущей частоты модулированных сигналов. Электронно-счетные частотомеры используются для обслуживания, регулировки, диагностики радиоэлектронных устройств разнообразного направления, также применяются для произведения контроля рабочих состояний радиосистем, технологических процессов. Резонансные частотомеры служат для настройки, обслуживания, а также для произведения контроля над действием приемопередающих приспособлений и определения несущей частоты модулированных сигналов.
enciklopediya-tehniki.ru
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО
ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
ЮЖНОГО ФЕДЕРАЛЬНОГО УНИВЕРСИТЕТА
в г. ТАГАНРОГЕ
Кафедра ЭГА и МТ
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
ПО КУРСУ: Основы проектирования приборов и систем
НА ТЕМУ: Проектирование малогабаритного частотомера
ПРОВЕРИЛ Пивнев П.П
ВЫПОЛНИЛ Топоркова Е.А. гр. В-125
Таганрог – 2009
Содержание
Введение
1.Техническое задание
1.1Назначение и область применения
1.2 Технические характеристики
1.3 Условия эксплуатации
1.4 Характеристики надежности
1.5 Порядок работы
2. Обзор литературных источников
2.1 Классификация частотомеров
2.2 Наименования и обозначения
2.3 Основные нормируемые характеристики
2.4 Нормативно-техническая документация
3. Анализ структурной схемы
4. Анализ схемы электрической принципиальной
5. Печатная плата
6. Расчет надежности
7. Расчет резонансной частоты печатной платы и частот собственных колебаний пластины
8. Расчет теплового режима
Заключение
Список литературы
Введение
Измерения частоты – наиболее точный и быстро развивающийся вид измерений. Во-первых, единица времени (частоты) является основной единицей системы СИ; во-вторых, определение секунды связано с пересчетом событий, а пересчет является самым точным методом измерений; в-третьих, повышение точности измерений частоты необходимо для прикладного использования в телекоммуникациях, навигации, космической отрасли. За последние 50 лет суммарная относительная погрешность первичных государственных эталонов на основе цезиевых реперов частоты уменьшилась с ± 1×10-10 до ± 1,5×10-15, то есть точность возрастала на порядок за каждые 10 лет. Никакой другой вид измерений не имеет такого значительного прироста, ведь возрастание точности в 2–3 раза за 10 лет уже считается отличным показателем. Но исследования в области измерения частоты продолжаются. Национальные метрологические институты США, Германии, Франции, имеющие в настоящее время эталоны на основе цезиевых фонтанов, ведут работы над оптическими эталонами частоты и эталонами частоты на основе “задержанных” ионов. Проведенные исследования и сличения уже показывают возможность достижения погрешностей ± 1×10-17… ± 1×10-19, что не исключает введения нового определения секунды взамен действующего с 1968 г. решения Международного Бюро Мер и Весов. Более того, ресурс передачи сигналов эталонных частот становится общедоступным. Например, с помощью системы GPS / ГЛОНАСС можно осуществлять прослеживаемость к государственным эталонам частоты с погрешностью ± 1×10-11… ± 1×10-13 (без учета поправок) для широкого круга пользователей. Соответственно, повышаются точности вторичных эталонов и рабочих средств измерений частоты.
Далее мы рассмотрим недорогой, простой в повторении, малогабаритный частотомер, который может пригодиться любому радиоинженеру или радиолюбителю для измерения частоты.
1.Техническое задание
1.1 Назначение и область применения
Предлагаемый частотомер имеет малые габариты, поэтому его можно назвать карманным. Кроме частоты, он измеряет её отклонение относительно зафиксированного значения и подсчитывает число импульсов. Прибор прост в повторении и содержит минимальное число деталей.
Частотомер измеряет частоту входного сигнала в диапазоне 10Гц…50МГц со временем счета 0,1с и 1с, отклонение частоты в пределах ± 10МГц, а также осуществляет счет импульсов с отображением счета (до 99с)
1.2 Технические характеристики
Потребляемый ток 9 мА
Потребляемая мощность 54 мВт
Потребляемое напряжение 9 В
Диапазон частоты входного сигнала 10Гц…50 МГц
Отклонение частоты ± 10МГц
Время счета 0,1с и 1с
Отображение счета импульсов до 99с
1.3 Условия эксплуатации
Плата вместе с батареей размещена в пластмассовом корпусе размерами 30*50*70мм. Индикатор и выключатель питания закреплены на передней панели, где для них сделаны отверстия соответствующего размера. Для питания устройства можно использовать батареи «Крона», «Корунд», 6F22, потребляемый ток составляет около 9мА. Микроконтроллер можно запрограммировать с помощью программ Pony Prog. IC Prog.
Налаживание прибора сводиться к регулировке точности измерения частоты. Для этого от образцового генератора подают непрерывный сигнал с частотой около 1 МГц, амплитудой 0,5В и подстроечным конденсатором С5 добиваются совпадения показаний индикатора с частотой входного сигнала. Затем подборкой резистора R1 устанавливают максимальную чувствительность частотомера.
1.4 Характеристики надёжности
Наработка на отказ, не менее 5*10
Прибор должен обладать ремонтопригодностью в течении 3лет
Срок службы прибора 8 лет
1.5 Порядок работы
После включения питания микроконтроллер выполняет подпрограмму измерения частоты с временем счета 0,1 с. При кратковременном нажатии на кнопку SB1 значение частоты фиксируется и микроконтроллер измеряет отклонение частоты от зафиксированного значения с последующим отображением этого отклонения на табло индикатора HG1. Повторное кратковременное нажатие на кнопку SB1 возвращает устройство в исходное состояние. Для перехода в режим измерения частоты и её отклонения с временем счета 1с следует нажать на кнопку SB1 и удерживать её не менее 2с. Еще одно длительное нажатие на кнопку SB1 переводит устройство в режим счета импульсов. В этом режиме по коротким нажатиям на кнопку последовательно происходят запуск, остановками обнуление счетчика и индикатора времени измерения.
Частота и её отклонения отображаются на табло частотомера в герцах. При интервале измерения 0,1 с показания выглядят следующим образом: «1Fxxxxxxxx» для частоты или «1F_xxxxxxx»(«1F-xxxxxxx») для отклонения частоты, где хххххххх- частота или её изменение, а знак показывает на её увеличение или уменьшение. Поскольку в индикаторе не предусмотрен знак «+», он отображается как «_». При интервале измерения 1с на первой позиции индикатора присутствует цифра 2. В режиме счета импульсов до старта на табло индикатора будут нули, в режиме счета – СС уууууу, где СС- время счета в секундах, уууууу- число импульсов. По окончании счета показания фиксируются.
2. Обзор литературных источников
Частотоме́р — измерительный прибор для определения частоты периодического процесса или частот гармонических составляющих спектра сигнала.
2.1 Классификация частотомеров
По методу измерения - приборы непосредственной оценки (напр. аналоговые) и приборы сравнения (напр. резонансные, гетеродинные, электронно-счетные).
По физическому смыслу измеряемой величины — для измерения частоты синусоидальных колебаний (аналоговые), измерения частот гармонических составляющих (гетеродинные, резонансные, вибрационные) и измерения частоты дискретных событий (электронно-счетные, конденсаторные).
По исполнению (конструкции) — щитовые, переносные и стационарные.
По области применения частотомеры включаются в два больших класса средств измерений — электроизмерительные приборы и радиоизмерительные приборы. Следует заметить, что граница между этими группами приборов весьма прозрачна.
В группу электроизмерительных приборов входят аналоговые стрелочные частотомеры различных систем, вибрационные, а так же, отчасти, конденсаторные и электронно-счетные частотомеры.
В группу радиоизмерительных приборов входят резонансные, гетеродинные, конденсаторные и электронно-счетные частотомеры.
Принцип действия электронно-счетных частотомеров (ЭСЧ) основан на подсчете количества импульсов, сформированных входными цепями из периодического сигнала произвольной формы, за определенный интервал времени. Интервал времени измерения также задается методом подсчета импульсов, взятых с внутреннего кварцевого генератора ЭСЧ или из внешнего источника (например стандарта частоты). Таким образом ЭСЧ является прибором сравнения, точность измерения которого зависит от точности эталонной частоты.
ЭСЧ является наиболее распространенным видом частотомеров благодаря своей универсальности, широкому диапазону частот (от долей герца до десятков мегагерц) и высокой точности. Для повышения диапазона до сотен мегагерц — десятков гигагерц используются дополнительные блоки — делители частоты и переносчики частоты.
Большинство ЭСЧ кроме частоты позволяют измерять период следования импульсов, интервалы времени между импульсами, отношения двух частот, а также могут использоваться в качестве счетчиков количества импульсов.
Некоторые ЭСЧ (например Ч3-64) сочетают в себе электронно-счетный и гетеродинный методы измерения. Это не только повышает диапазон измерения, но и позволяет определять несущую частоту импульсно-модулированных сигналов, что простым методом счета недоступно.
НАЗНАЧЕНИЕ: обслуживание, регулировка и диагностика радиоэлектронного оборудования различного назначения, контроль работы радиосистем и технологических процессов
ПРИМЕРЫ: Ч3-54, Ч3-57, Ф5137, Ч3-84
Резонансные частотомеры
Принцип действия резонансных частотомеров основан на сравнении частоты входного сигнала с собственной резонансной частотой перестраиваемого резонатора. В качестве резонатора может быть использован колебательный контур, отрезок волновода (объемный резонатор) или четвертьволновой отрезок линии. Контролируемый сигнал через входные цепи поступает на резонатор, с резонатора сигнал через детектор подается на индикаторное устройство (гальванометр). Для повышения чувствительности в некоторых частотомерах применяются усилители. Оператор настраивает резонатор по максимальному показанию индикатора и по лимбу настройки отсчитывает частоту.
НАЗНАЧЕНИЕ: настройка, обслуживание, контроль работы приемопередающих устройств, измерение несущей частоты модулированных сигналов
ПРИМЕРЫ: Ч2-33, Ч2-34, Ч2-45, Ч2-55
Гетеродинные частотомеры
Принцип действия гетеродинных частотомеров основан на сравнении частоты входного сигнала с частотой перестраиваемого вспомогательного генератора (гетеродина) с помощью т. н. метода нулевых биений, порядок работы аналогичен работе с резонансными частотомерами.
НАЗНАЧЕНИЕ: аналогично резонансным частотомерам
ПРИМЕРЫ: Ч4-1, Ч4-22, Ч4-23, Ч4-24, Ч4-25
Конденсаторные частотомеры
Электронные конденсаторные частотомеры применяются для измерения частот в диапазоне от 10 до 1000Гц. Принцип таких частотомеров основывается на попеременном заряде конденсаторов от батареи с последующим его разрядом через магнитоэлектрический механизм. Этот процесс осуществляется с частотой, равной измеряемой частоте, поскольку переключение производится под воздействием самого исследуемого напряжения. За время одного цикла через магнитоэлектрический механизм будет протекать заряд Q =CU, следовательно, средний ток, протекающий через индикатор, будет равен I_ср=Qf_x=CUf_x. Таким образом, показания магнитоэлектрического амперметра оказывается пропорциональны измеряемой частоте. Основная приведенная погрешность таких частотомеров лежит в пределах 2-3%.
Вибрационные (язычковые) частотомеры
Представляет собой прибор с подвижной частью в виде набора упругих Элементов (пластинок, язычков), приводимых в резонансные колебания при воздействии переменного магнитного или электрического поля.
НАЗНАЧЕНИЕ: контроль сети электропитания
ПРИМЕРЫ: В80, В87
Аналоговые стрелочные частотомеры
Аналоговые частотомеры по применяемому измерительному механизму бывают электромагнитной, электродинамической и магнитоэлектрической систем. В основе работы их лежит использование частотозависимой цепи, модуль полного сопротивления которой зависит от частоты. Измерительным механизмом, как правило, является логометр, на одно плечо которого подается измеряемый сигнал через частотонезависимую цепь, а на другое — через частотозависимую, ротор логометра со стрелкой в результате взаимодействия магнитных потоков устанавливается в положение, зависящее от соотношений токов в обмотках. Бывают аналоговые частотомеры работающие на других принципах.
НАЗНАЧЕНИЕ: контроль сети электропитания
ПРИМЕРЫ: Д416, Э353, Ц1736, М800, С 300 М1-1
2.2 Наименования и обозначения
Устаревшие наименования
Волномер — для резонансных и гетеродинных частотомеров
Герцметр — для щитовых аналоговых и язычковых частотомеров
Для обозначения типов электроизмерительных (низкочастотных) частотомеров традиционно используется отраслевая система обозначений, в которой приборы маркируются в зависимости от системы (основного принципа действия)
Вхх — вибрационные частотомеры
Дхх — приборы электродинамической системы
Эхх — приборы электромагнитной системы
Мхх — приборы магнитоэлектрической системы
Цхх — приборы выпрямительной системы
Фхх, Щхх — приборы электронной системы
Нхх — самопишущие приборы
Частотомеры радиодиапазона маркируются по ГОСТ 15094
Ч2-хх — резонансные частотомеры
Ч3-хх, РЧ3-хх — Электронно-счетные частотомеры
Ч4-хх — гетеродинные, конденсаторные и мостовые частотомеры
2.3 Основные нормируемые характеристики частотомеров
Диапазон измеряемых частот
Допустимая погрешность измерения (для эл.-изм. — класс точности)
Чувствительность
Для ЭСЧ — нестабильность частоты кварцевого генератора
2.4 Нормативно-техническая документация
ГОСТ 8.567-99 ГСИ. Измерения времени и частоты. Термины и определения
ГОСТ 7590-93 Приборы аналоговые показывающие электроизмерительные прямого действия и вспомогательные части к ним. Часть 4. Особые требования к частотомерам
ГОСТ 7590-78 Приборы электроизмерительные для измерения частоты аналоговые показывающие. Общие технические условия
ГОСТ 22335-77 Частотомеры электронно-счетные. Технические требования, методы испытаний
ГОСТ 22261-94 Средства измерений электрических и магнитных величин. Общие технические условия
ГОСТ 8.422-81 ГСИ. Частотомеры. Методы и средства поверки
ГОСТ 12692-67 Измерители частоты резонансные. Методы и средства поверки
ОСТ11-272.000-80 Частотомеры резонансные. Основные параметры
МИ 1835-88 Частотомеры электронно-счетные. Методика поверки
3. Выбор и обоснование структурной схемы
Частотомер состоит из:
стабилизатора;
источника питания;
усилителя;
микроконтроллера;
цифрового индикатора;
тактового генератора;
Рассмотрим принцип действия частотомера по структурной схеме.
Импульсный сигнал поступает на усилитель входного сигнала, с коллектора которого идет на вход микроконтроллера. Для отображения информации применен цифровой индикатор со встроенным контроллером. Питание поступает на все составные части с источника питания - батареи "Крона" GB1 через стабилизатор.
4. Анализ схемы электрической принципиальной
Рассмотрим принцип действия по электрической принципиальной схеме.
Основной элемент- микроконтроллер PIC12F629 (DD1), работающий по программе. Измерение частоты осуществляется посредством подсчета числа импульсов за фиксированный временной интервал. Используются два интервала – 0,1 с. и 1с. В первом случае для получения частоты число импульсов умножается на 10, во втором – значения числа импульсов и частоты совпадают. Микроконтроллер содержит два таймера- счетчика (TMR0 и TMR1), первый из которых используется для счета импульсов, а второй - для отсчета временных интервалов. Благодаря встроенному асинхронному восьмиразрядному предделителю максимальная измеряемая частота сверху ограничена только скоростью работы его триггеров и не зависит от тактовой частоты микроконтроллера.
Усилитель входного сигнала собран на транзисторе VT1, с коллектора которого импульсный сигнал поступает на вход T0CKI (вывод5), микроконтроллера DD1. Для отображения информации применен цифровой индикатор HT1610 (HG1) со встроенный контроллером. При работе в режиме ведомого вход НК индикатора HG1 соединяют с общим проводом, а данные передаются последовательно 4-битными посылками по линиям D1 и CLK. Ограниченное число линий ввода- вывода микроконтроллера DD1 не позволяет выделить две из них для реализации штатного режима передачи данных, поэтому данные и синхроимпульсы приходиться передавать с выхода GP0 микроконтроллера DD1 через резистивные делители. На вход CLK индикатора HG1 импульсы поступают через делитель R7R9, а на вход DI- через интегрирующий делитель R6R8C8. Для передачи низкого логического уровня (логического 0) на выходе GP0 микроконтроллера DD1 формируется импульс напряжения длительностью 5 мкс. При этом конденсатор С8 зарядиться не успевает, и по спаду импульса на входе DI в индикатор HG1 запишется логический 0. Для передачи логической 1 длительность импульса намного больше постоянной времени цепи R6R8C8, и конденсатор С8 успевает зарядиться до высокого логического уровня, поэтому будет записана логическая 1. Пауза между импульсами также должна быть более постоянной времени цепи R6R8C8, чтобы конденсатор С8 успел разрядиться.
5. Печатная плата
При конструировании печатных плат используются четыре главных критерия выбора: габаритный критерий, критерий плотности рисунка и толщины проводящего слоя, критерий числа слоев, критерий материала основания.
С целью повысить безотказность печатных узлов при температурных воздействиях произведено ограничение габаритных размеров печатной платы. Преимущества малых печатных плат перед большими проявляются в ослаблении отрицательного влияния таких явлений, как коробление, ухудшенный теплообмен в центре платы, пониженная ремонтопригодность.
Печатные в зависимости от размера элементов печатного монтажа делятся на пять классов. Платы четвертого класса обеспечивают самую высокую плотность монтажа. Их следует применять только в отдельных, технически обоснованных случаях. Плотность монтажа по классу 3 следует применять только на платах с размерами до 240х240мм, плотность по классу 4 с размерами до 170х170мм.
По конструкции ПП подразделяют на однослойные и многослойные (МПП). Однослойные ПП всегда имеют один изоляционный слой, на котором находятся печатные проводники.
Многослойная ПП состоит из нескольких печатных слоев, изолированных склеивающими прокладками.
Допустимое рабочее напряжение между двумя расположенными рядом проводниками зависит от минимального зазора между ними.
Если печатные проводники расположены на одной стороне изоляционного основания, то такую плату называют односторонней (ОПП), если на двух сторонах, то двусторонней (ДПП).
Большинство деталей частотомера монтируются на печатной плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1…1,5 мм. Размер печатной платы 36х46мм. Схемотехническое решение частотомера достаточно простое, поэтому можно применить одностороннюю ПП.
Листовой материал основания может быть в зависимости от поставленной перед конструктором задачи изоляционным полимерным, фольгированным полимерным или металлическим.
Для проводников и контактных площадок должны применяться материалы, обладающие малым сопротивлением и хорошим сцеплением с материалом подложки: электрическое сопротивление квадрата пленки проводящих слоев должно быть не более 0,03 Ом.
Наибольшее распространение в практике получила толщина 1,0мм и 2мм, которая допускает получение металлизированных отверстий в основании соответственно 0,32 и 0,48мм (минимальный допустимый диаметр).
Влага является вторым после температуры климатическим фактором, воздействующим на печатный узел и приводящим к отказам. Для защиты ПП от влаги рекомендуется покрыть ее лаком после сборки, что создаст барьер воздействию влаги и загрязнений, предохранит тонкие печатные проводники от разрушающих царапин, полезно повлияет на резонансные механические свойства ПП как упругой пластины, а также защитное покрытие повысит собственную емкость на 20-30%.
Для влагозащитного покрытия лучше использовать лак без растворителя, так как он должен наноситься дважды с промежуточной сушкой, чтобы перекрыть поры, что удваивает трудоемкость влагозащиты печатного узла, т.е. снижает технологичность.
Для нашей ПП используем лак УР-967, так как он обеспечивает высокую адгезию и эластичность (большое относительное удлинение) пленки после нанесения.
По ГОСТ 23741-79 выбираем первый класс (класс А) плотности рисунка печатной платы. Для данного класса плотности имеем:
ширина проводника не менее 0,50 мм;
расстояние между проводниками не менее 0,5-0,6 мм;
разрешающая способность 1,0 линий/мм.
6. Расчет надежности
Коэффициент нагрузки для транзисторов определяется по формуле:
где 
Коэффициент нагрузки для резисторов определяется по формуле:
где 
Коэффициент нагрузки для конденсаторов определяется по формуле:
где 
Таблица 1
Максимально допустимые и номинальные параметры элементов.
| Условное обозначение параметра | Размерность | Величина | |
| Максимально допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора VT1 (КТ3102А) | | мВт | 250 |
| Номинальная мощность резисторов R1-R4, R6-R9 (МЛТ, С2-23) | | Вт | 0,125 |
| Номинальная мощность подстроечного резистора R5 (СП3-19) | | Вт | 0,5 |
| Номинальное напряжение конденсаторов С1-С4, С6-С8 (К10-17) | | В | 25 |
| Номинальное напряжение подстроечного конденсатора С5 (КТ4-25) | | В | 10 |
Таблица 2
Фактические значения параметров элементов.
| Условное обозначение параметра | Размерность | Величина | |
| Фактическая мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора VT1 (КТ3102А) | | мВт | 125 |
| Фактическая мощность резисторов R1(МЛТ-0,125) | | Вт | 0,0375 |
| Фактическая мощность резисторов R2(МЛТ-0,125) | | Вт | 0,0875 |
| Фактическая мощность резисторов R3(МЛТ-0,125) |
| | Вт | 0,05 | |
| Фактическая мощность резисторов R4(МЛТ-0,125) | | Вт | 0,075 |
| Фактическая мощность резисторов R5(СП3-19) | | Вт | 0,35 |
| Фактическая мощность резисторов R6,R7(МЛТ-0,125) | | Вт | 0,1 |
| Фактическая мощность резисторов R8(МЛТ-0,125) | | Вт | 0,0825 |
| Фактическая мощность резисторов R9(МЛТ-0,125) | | Вт | 0,0625 |
| Фактическое напряжение конденсатора C1(К10-17) | | В | 7,5 |
| Фактическое напряжение конденсатора С2(К10-17) | | В | 10 |
| Фактическое напряжение конденсатора C3(К10-17) | | В | 12,5 |
| Фактическое напряжение конденсатора С4(К10-17) | | В | 2,5 |
| Фактическое напряжение конденсатора С5(КТ4-25) | | В | 7,5 |
| Фактическое напряжение конденсатора С6(К10-17) | | В | 12,5 |
| Фактическое напряжение конденсатора С7(К10-17) | | В | 15 |
| Фактическое напряжение конденсатора С8(К10-17) | | В | 10 |
Рассчитаем коэффициенты нагрузки для используемых в устройстве конденсаторов:
Рассчитаем коэффициенты нагрузки для используемых в устройстве резисторов:
Рассчитаем коэффициенты нагрузки для используемых в устройстве транзисторов:
Зная коэффициенты нагрузки, найдём коэффициенты влияния (по справочнику) при температуре t=40 ˚C:
1) для конденсаторов
При
При
При
При
При
При
При
При
2) для резисторов:
При
При
При
При
При
При
При
При
При
3) для транзисторов:
При
Выберем из справочника величину 
Для транзисторов:
VT1 
Для резисторов:
Для конденсаторов С1, С2, С3
Для конденсаторов С5
Рассчитаем интенсивность отказов всего устройства, состоящего из 18 элементов по формуле:
где 
Средняя наработка на отказ равна:
Так как, средняя наработка на отказ получилась больше, чем была выбрана изначально, значит расчеты были сделаны верно.
7. Расчет резонансной частоты печатной платы
Печатная плата представляет собой прямоугольную пластину жестко закрепленную по углам в четырех точках.
Заданные (известные) величины:
-диэлектрическая проницаемость ε=6;
-модуль упругости материала Е=30 ГПа;
-плотность материала ПП ρ=1600 кг/м³;
-коэффициент Пуассона μ=0,4;
-ускорение свободного падения g=9,8 м/с².
-длина печатной платы а=46 мм;
-толщина печатной платы h=1,5 мм;
-ширина печатной платы b=36мм.
Определим жесткость пластины по формуле:
D=Eh³/12(1-μ²) ,
где D - жесткость пластины, Н/м;
E-модуль упругости материала пластины, Па;
h-толщина пластины, м;
μ -коэффициент Пуассона.
Резонансная частота пластины определяется выражением,
где а и b – соответственно длина и ширина ПП, м;
m – масса пластины с навесными элементами, кг;
g – ускорение свободного падения.
где 
Собственная резонансная частота должна быть выше, чем частота вынуждающей силы.
Так как наше устройство портативное его можно транспортироваться к месту эксплуатации автомобилем, то значит для него частота вынуждающей силы 
8. Расчет теплового режима
Так как потребляемая мощность, потребляемый ток данного прибора (частотомера) малы и он имеет малые габариты, то расчет теплого режима не требуется.
Заключение
В данном курсовом проекте было произведено проектирование и расчет малогабаритного частотомера. В результате проектирования получилось изделие, которое удовлетворяет требованиям технической эстетики; габариты и масса прибора минимальны.
Влагоустойчивость изделия обеспечена за счет применения влагоустойчивых электрорадиоэлементов и элементов конструкции.
При конструировании печатной платы в пункте 5 использовались четыре главных критерия выбора, а также учитывались вспомогательные критерии, которые служат для проверки и уточнения (электрические ограничения по паразитным параметрам, тепловые ограничения, ограничения по массе, по трудоемкости изготовления, по безотказности и др.).
В пункте 6 произведен расчет надежности и выяснена средняя наработка на отказ частотомера.
В пункте 7 выполнен расчет резонансной частоты печатной платы и частот собственных колебаний пластины.
Список используемой литературы
1. Фрумкин Г.Д. Расчет и конструирование радиоаппаратуры: Учебник для радиотехнич. спец. Техникумов. М.:Высш. Шк.,1989. -463 с.: ил.
2. Гелль П.П., Н.К.Иванов-Есипович Конструирование и микроминиатюризация радиоэлектронной аппаратуры : Учебник для вузов .-Л.:Энергоатомиздат. Ленингр.отд-ние. 1984.-536с,ил.
3. Гуткин А.С. Проектирование радиосистем и радиоустройств М: Высш. Шк., 1989.
Справочник по конструированию РЭА под ред. А.И. Горобец, А.И. Степаненко, В.М. Коронкевич
5. Журнал “Радио” №3 2008г.
6. Справочник по электроизмерительным приборам; Под ред. К. К. Илюнина — Л.: Энергоатомиздат, 1983
7. Справочник по радиоизмерительным приборам: В 3-х т.; Под ред. В. С. Насонова — М.: Сов. радио, 1979
8. Справочник по электрическим конденсаторам; Под ред. И.И. Четверткова и В.Ф. Смирнова. — М.: Радио и связь, 1983.
bukvasha.ru
(Назад)
(Cкачать работу)
Функция "чтения" служит для ознакомления с работой. Разметка, таблицы и картинки документа могут отображаться неверно или не в полном объёме!
Министерство образования и науки РФ
Федеральное государственное бюджетное учреждение
"Новосибирский государственный технический университет"
Кафедра Защиты ИнформацииРеферат
по дисциплине "Метрология и электрорадиоизмерения"
"Резонансные частотомеры"Группа: АБ-020
Студент: Фотьянов А.А.
Преподаватель: Рахимов Н.Р.
Новосибирск 2014
ОглавлениеВведение
Основные определения
Классификация
Варианты применения и схемы
Схемы включения частотомера в тракт
Вывод
Список литературы
ВведениеВажнейшей характеристикой периодических процессов является частота, которая определяется числом полных циклов (периодов) колебаний за единичный интервал времени. Необходимость в измерении частоты возникает во многих областях науки и техники и особенно часто - в радиоэлектронике, которая охватывает обширную область электрических колебаний от инфранизких до сверхвысоких частот включительно.
Частоту переменного тока измеряют частотомерами. В электротехнике ХХ века обычно применяли резонансные электромагнитные или ферродинамические приборы, которые в настоящее время устарели, но их еще можно встретить на действующих электротехнических установках.
Непосредственное измерение частоты производят частотомерами, в основу которых положены различные методы измерения в зависимости от диапазона измеряемых частот и требуемой точности измерения. Наиболее распространенными методами измерения частоты являются:
Метод перезаряда конденсатора за каждый период измеряемой частоты. Среднее значение тока перезаряда пропорционально частоте и измеряется магнитоэлектрическим амперметром, шкала которого проградуирована в единицах частоты. Выпускают конденсаторные частотомеры с пределом измерения 10 Гц - 1 МГц и погрешностью измерения +2%.
Резонансный метод, основанный на явлении электрического резонанса в контуре с подстраиваемыми элементами в резонанс с измеряемой частотой. Измеряемая частота определяется по шкале механизма подстройки. Метод применяется на частотах более 50 кГц.
Сверхвысокие частоты (СВЧ) применяются в радиолокации, спутниковой связи, термообработке пищевых продуктов и исследованиях электронных свойств твердых тел.
Следовательно, и приборы, способные измерять частоты, принадлежащие этому диапазону, играют очень важную роль в современной жизни.
Резонансные частотомеры (волномеры) имеют простое устройство и достаточно удобны в эксплуатации.
Они помогут вам определить наличие и частоту неизвестных электрических колебаний, относительный уровень напряжения основной частоты и ее гармоник, проверить укладку границ диапазонов, стабильность работы гетеродина приемника, высокочастотного генератора или передатчика на любительские диапазоны.
Основные определенияПрибор, измеряющий частоту резонансным методом, называют резонансным частотомером.
Резонансный метод - основан на использовании явления резонанса в колебательной системе и заключается в сравнении измеряемой частоты с частотой собственных колебаний контура или резонатора, заранее проградуированного. Этот метод применяется в радиочастотном диапазоне, преимущественно в области сверхвысоких частот (СВЧ).
Так как в области низких частот резонансные явления проявляются менее резко, что не обеспечивает достаточной точности измерений.
Диапазон сверхвысоких частот - частотный диапазон электромагнитного излучения (100-300 000 млн. герц), расположенный в спектре между ультравысокими телевизионными частотами и частотами дальней инфракрасной области. Этот частотный диапазон соответствует длинам волн от 30 см до 1 мм; поэтому его называют также диапазоном дециметровых и сантиметровых волн. В англоязычных странах он называется микроволновым диапазоном; имеется в виду, что длины волн очень малы по сравнению с длинами волн обычного радиовещания, имеющими порядок нескольких сотен метров.
Принцип действия резонансных частотомеров основан на сравнении частоты входного сигнала с собственной резонансной частотой перестраиваемого резонатора. В качестве резонатора может быть использован колебательный контур, отрезок волновода (объемный резонатор) или четвертьволновой отрезок линии. Контролируемый сигнал через входные цепи поступает на резонатор, с резонатора сигнал через детектор подается на индикаторное устройство (гальванометр). Для повышения чувствительности в некоторых частотомерах применяются усилители. Оператор настраивает резонатор по максимальному показанию индикатора и по лимбу настройки отсчитывает частоту.
В диапазоне СВЧ резонансными частотомерами измеряют обычно не частоту, а непосредственно длину волны.
Лимб - (лат. limbus - кайма, пояс, рубеж, край) - цилиндрическое или коническое кольцо или диск, разделённый штрихами на равные доли (градусы, минуты и т.д.), деления на лимбе отсчитываются с помощью верньеров или микроскопов-микрометров. Применяется как наиболее важная часть в различных угломерных инструментах для отсчёта углов . Лимбом снабжаются также винты суппортов и столов металлорежущих станков. Лимбы могут быть металлическими и пластиковыми.
Особенностями резонансных частотомеров, применяемых для измерения высоких и сверхвысоких частот, являются простота конструкции, быстрота функционирования и однозначность результатов измерений; погрешность измерений составляет 0,1-3%.
КлассификацияРезонансные частотомеры характеризуются следующими основными параметрами:
· класс точности
· допускаемые дополнительные погрешности;
· диапазон измеряемых частот;
· запас по краям диапазона и перекрытие между поддиапазонами;
· чувствительность;
· максимальный размер мощности измеряемого сигнала;
· среднее время безотказной работы.
Классификация [править | править исходный текст]
§ По методу измерения
§ приборы непосредственной оценки (напр. аналоговые)
§ приборы сравнения (напр. резонансные, гетеродинные, электронно-счетные).
§ По физическому смыслу измеряемой величины
§ для измерения частоты синусоидальных колебаний (аналоговые),
§ измерения частот гармонических составляющих (гетеродинные, резонансные, вибрационные)
§ измерения частоты дискретных событий (электронно-счетные, конденсаторные).
§ По исполнению (конструкции)
§ щитовые
§ переносные
§ стационарные.
§ По области применения частотомеры включаются в два больших класса средств измерений:
§ электроизмерительные приборы
§ радиоизмерительные приборы.
Следует заметить, что граница между этими группами приборов весьма прозрачна.
В группу электроизмерительных приборов входят
§ аналоговые
§ стрелочные частотомеры различных систем
§ вибрационные
а также отчасти конденсаторные и электронно-счетные частотомеры.
В группу радиоизмерительных приборов входят
§ резонансные
§ гетеродинные
§ конденсаторные
§ электронно-счетные частотомеры
Чувствительностью частотомера называется минимальная поглощаемая им мощность, необходимая для уверенного отсчета момента резонанса.
Точность показаний резонансного частотомера определяется стабильностью его градуировки и точностью настройки в резонанс.
Варианты применения и схемыРезонансный частотомер представляет собой колебательную систему, настраиваемую в резонанс с измеряемой частотой fx возбуждающих её колебаний, которые поступают от исследуемого источника через элемент связи. Резонансная частота определяется по показаниям калиброванного органа настройки. Состояние резонанса фиксируется с помощью встроенного или внешнего индикатора.
Частотомеры, измеряющие частоты от 50 кГц до 100-200 МГц, выполняются в виде колебательного контура из элементов с сосредоточенными постоянными: катушки индуктивности L0 и конденсатора переменной ёмкости С0. В контуре частотомера наводится Э.Д.С. измеряемой частоты fx, например за счёт индуктивной связи с источником колебаний через катушку L0 или небольшую штыревую антенну, присоединяемую к гнезду Ан. При маломощном источнике связь с последним может быть ёмкостной через
referat.co
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Омский государственный технический университет»
РЕФЕРАТ на тему «Измерение частоты цифровым частотомером»по дисциплине «Метрология, стандартизация и сертификация»студента Мартьянова Игоря Александровича
Реферат
Пояснительная записка 12 с., 3 рис., 5 источников.
ЧАСТОТОМЕР, ВХОДНОЕ УСТРОЙСТВО, ДЕЛИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ, СЧЁТЧИК, УЗЕЛ УПРАВЛЕНИЯ, БЛОК ПИТАНИЯ.
Объектом выполненной работы является измерение частоты цифровым частотомером.
Цель работы – исследовать принцип действия цифрового частотомера и привести расчётные формулы.
В процессе работы проводились теоретические исследования составляющих погрешностей.
В результате выполнения работы была приведена структурная схема и диаграмма сигналов.
Содержание
Введение………………………………………………………………………………………5
Измерение частоты…………………………………………………………………………...6
Погрешности измерения частоты…………………………………………………………...8
Заключение…………………………………………………………………………………..11
Список использованных источников………………………………………………………12
ВведениеСреди цифровых приборов частотно-временной группы электронно-счетные частотомеры (в дальнейшем цифровые частотомеры - ЦЧ) являются наиболее распространенными, что объясняется, их универсальностью, высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками.
В основу построения ЦЧ положены общие принципы, позволяющие реализовать ряд режимов работы прибора для измерения нескольких величин. Функционально полные ЦЧ позволяют измерять следующие величины: частоту, период, отношение двух частот (иногда выраженное в процентах), длительность импульса или интервала времени, задаваемого пользователем; предусматриваются также режим счета событий (импульсов) и использование ЦЧ как источника сигналов с известными (калиброванными) частотами. Режимы работы задаются и выбираются положением ряда переключателей (механических или электронных) и других органов управления. В более простых вариантах исполнения ЦЧ используются для измерения меньшего числа величин (например, одной или двух).
В любом режиме часть структуры ЦЧ остается неизменной и в ней происходит счет числа импульсов Nx, пропорционального измеряемой величине. Эти импульсы проходят через электронный ключ ЭК, находящийся в замкнутом состоянии, на счетчик импульсов СИ. Код числа, образующийся в СИ, поступает на цифровое отсчетное устройство ЦОУ. В состав ЦОУ входит многодекадный цифровой индикатор с перемещающейся, запятой и, как правило, индикатор с обозначением единиц измерения.
Время замкнутого состояния ЭК, называемое временем счета TСЧ, определяется родом измеряемой величины, а его конкретное значение рядом соображений, о которых будет сказано ниже.
Измерение частотыСтруктурная схема ЦЧ в этом режиме работы приведена на рисунке 1. Напряжение измеряемой частоты fx подается на вход формирующего устройства (ФУ), назначение которого - формирование сигнала стандартной формы при достаточно произвольной форме входного сигнала. Обычно в состав ФУ входят усилитель-ограничитель, обеспечивающий заданную амплитуду своего выходного сигнала, и формирователь для обеспечения малой длительности фронта и среза импульсов на выходе ФУ. Частота этих импульсов равна частоте входного сигнала (рисунок 2). Эти импульсы проходят через ЭК на СИ в течение времени счета Тс , которое задается генератором опорной частоты ГОЧ и делителем частоты ДЧ. Частота ГОЧ стабилизирована кварцевым резонатором. Необходимое Тс выбирается переключателем ВРЕМЯ СЧЕТА. При каждом запуске прибора на выходе ДЧ появляется один импульс, под действием которого замыкается ЭК.
Рисунок 1 – структурная схема ЦЧ в режиме измерения частоты
Рисунок 2 – диаграмма сигналов
Число импульсов Nx, прошедшее на СИ, определяется приближенной формулой:
(1)
где Nx – число импульсов;
Tc – время счёта;
Tx – время;
fx – напряжение измеряемой частоты.
а значение измеряемой частоты:
(2)
Погрешности измерения частотыВ режиме измерения частоты в течение Tc подсчитываются импульсы, следующие с измеряемой частотой fx (рисунок 3). Для этого случая имеем:
(3)
где t1 – начальное время;
t2 – конечное время.
Если не принимать специальных мер по синхронизации импульса Tc и импульсов измеряемой частоты (т. е., если не задается принудительно определенное положение этих импульсов по отношению друг к другу), то интервалы t1 и t2 являются независимыми величинами, значения каждой из которых лежит в интервале 0 – Tx и поэтому:
(4)
Поделив обе части уравнения (3) на произведение TcTx, получаем:
(5)
где q – погрешность.
с учетом, что:
(6)
В режиме измерения частоты величина 1/Tc является ценой единицы младшего разряда счетчика (Cf=1/Tc), имеющая размерность Герц (с-1). В зависимости от выбранного значения Tc будем иметь Сf=1 Гц (Tc=1c), Сf=10 Гц (Tc=0,1c), Сf=0,1 Гц (Tc=10c) и т. д. Поэтому формулу (5) можно представить в виде:
(7)
где Сf – младший разряд счётчика.
(8)
Случайную составляющую погрешности (8) называют погрешностью счета (при более строгом подходе в этой погрешности выделяют две составляющие: погрешность дискретности и погрешность не синхронизации).
Относительное значение этой погрешности равно:
, (9)
где - относительная погрешность.
причем:
. (10)
Другим источником погрешностей ЦЧ является отклонение Tc от номинального значения и его нестабильность. В ЦЧ Tc формируется из целого числа периодов колебаний кварцевого генератора, для которого характерна чрезвычайно высокая стабильность частоты генерируемых им колебаний. Для уменьшения влияния температуры среды в ЦЧ применяется термостатирование генератора.
Рисунок 3 – погрешность при измерении частоты
Таким образом, вторая составляющая погрешности измерения частоты определяется нестабильностью частоты кварцевого генератора:
поэтому
.
Следовательно:
.
Суммарные погрешности измерения частоты равны:
ЗаключениеВ результате выполненной работы приведена структурная схема цифрового частотомера, а также диаграмма сигналов. Исследован принцип действия цифрового частотомера и приведены расчётные формулы погрешностей при измерении частоты.
Список использованных источников
100-bal.ru
