Masurarea numerica a frecventei

Masurarea numerica a frecventei

Aparatele destinate masurarii numerice a frecventei, a caror schema bloc este prezentata in figura 6, au in componenta un numarator universal NR, un generator de impulsuri numit 'baza de timp' ST, circuite CI avand rolul de adaptare a semnalelor analogice si de conversie in semnale cu doua stari (numerice), o poarta logica P, un circuit CF de selectare a functiilor si un circuit AF de afisare a rezultatului masurarii. Acelasi aparat (fig. 6) poate fi utilizat si la masurarea intervalelor de timp.

Deoarece f_T = 1, atunci atat aparatele destinate masurarii frecventei cat si aparatele pentru masurarea intervalelor de timp au aceeasi schema structurala, motiv pentru care in schema din figura 9.9 este prezent un comutator al functiilor CF, avand rolul de a actiona asupra circuitului poarta, de a modifica frecventa bazei de timp si de a comuta circuitele de intrare in functie de marimea prezenta la intrarea aparatului.

Aparatul numeric universal poate functiona in urmatoarele regimuri:

masurarea frecventei semnalelor periodice in timp;

indicarea raportului frecventelor a doua semnale, aplicate la intrarile IN1, IN2;

masurarea perioadei unui semnal;

masurarea duratei de timp a unui impuls;

indicarea intervalului de timp dintre prezenta unui impuls la intrarea IN1 si aparitia unui impuls la intrarea IN2 (decalajul de timp intre doua semnale);

indicarea valorii medii a perioadei unui semnal;

furnizarea la iesirea OUT(v. fig. 9.9) a semnalului generat de baza de timp;

furnizarea la iesire a unui semnal cu frecventa divizata fata de frecventa semnalului prezent la intrarea aparatului;

furnizarea la iesire a unui semnal numeric, intr-un cod oarecare (de cele mai multe ori se utilizeaza codul binar), a rezultatului masurarii.

De aceea, un astfel de aparat se intalneste sub numele de numarator universal iar in cazul in care indeplineste numai functii referitoare la frecventa semnalului se numeste frecventmetru.

Circuitele de intrare ale numaratorului universal au ca functie principala conversia semnalului analogic, aplicat la intrarea aparatului, in semnal digital care sa poata fi prelucrat de lantul de masurare. in acest scop, au in componenta circuite basculante in regim de trigger, care genereaza semnal unu logic atunci cand tensiunea prezenta la intrare depaseste valoarea pragului superior - semnal logic pe care il pastreaza la iesirea circuitului pana cand tensiunea coboara sub valoarea pragului inferior. in cazul in care cele doua praguri de basculare sunt egale, valoarea comuna se numeste prag de declansare si pentru modificarea pragului (care, in fond, este un nivel de tensiune) se utilizeaza un potentiometru. Asa cum se arata in

figura 7, circuitul de intrare CI are - in principiu -schema: A - amplificatoare, LIM -limitator de nivel, DEC - circuit de modificare in decade a amplificarii lui A₁ , TG -trigger, R_v - potentiometru pentru reglarea tensiunii de iesire din A₂ si P - potentiometru pentru reglarea nivelelor impulsurilor N la nivelele P_j(jos) si P_s(sus).

In amontele circuitului basculant se gaseste un circuit de amplificare a semnalului analogic pentru ca valorile de tensiune sa se incadreze in domeniul tensiunilor permise de intrarea circuitului de conversie in semnal digital. Factorul de amplificare poate fi modificat in trepte putand lua si valori subunitare (functionare in regim de atenuator). Amplificatorul este prevazut cu un circuit de limitare a valorii semnalului, in scopul protectiei celorlalte circuite.

Pentru exemplificarea modului de actiune a comutatorului de functii, in figura 8 este prezentata structura aparatului in cazul utilizarii acestuia in regim de frecventmetru. Pentru masurarea frecventei unui semnal comutatorul K₁ se stabileste pe pozitia iar semnalul se aplica la borna I₁

Frecventa furnizata de oscilatorul OSC este divizata de numaratorul DIV, asa incat la intrarea portii P, in functie de pozitia comutatorului K_D(T_P = K_D T₀ , unde T₀ este perioada semnalului furnizat de oscilator), este prezent semnalul de intrare un timp T_P = T₀ , T_P T0 , T_P T₀. in intervalul de timp T_P, impulsurile generate de CI₁ sub comanda semnalului de la intrarea /_l7 trec prin poarta si sunt contorizate de numaratorul NR.

Circuitul AF afiseaza numarul de impulsuri provenite de la semnalul supus masurarii, care au trecut prin poarta in intervalul de timp T_P, adica afiseaza numarul:

f fiind frecventa semnalului.

Presupunand ca oscilatorul furnizeaza impulsuri cu perioada T₀ µs , la cele trei iesiri ale circuitului de divizare DIV avem T_p1 T₀ µs T_p2 µs 1ms,T_p3 = T_o10⁶ =1s. Daca afisarea se face cu trei cifre zecimale, valoarea maxima este N = 1000. Pentru cele trei intervale de numarare T_pl, T_p2i T_p3 frecventa semnalului va fi afisata respectiv in MHz (pentru ca N₁ T_P1f = 10^-6f), in kHz si in Hz.

In cazul masurarii raportului frecventelor a doua semnale, semnalul cu frecventa mai mare se conecteaza la borna l₁ iar celalalt la borna l ceea ce face ca numaratorul NR sa numere impulsurile provenite de la semnalul de frecventa mare intr-un interval de timp:

stabilit de semnalul de frecventa mai mica. in figura 8, pentru claritatea expunerii, s-a considerat comutatorul K_D numai cu 3 pozitii, limitand afisajul la 3 cifre; in realitate se utilizeaza mai multe pozitii intermediare pentru K_D, iar afisarea se face cu mai multe cifre cu punct zecimal.

Schema structurala din figura 8 permite pe langa masurarea frecventei si masurarea perioadei semnalului aplicat la intrarea l_1. Daca se stabileste o perioada a semnalului furnizat de baza de timp mai mica decat perioada semnalului supus masurarii. in aceste conditii, numaratorul NR contorizeaza de cate ori se cuprinde cuanta de timp (corespunzatoare pozitiei comutatorului K_D furnizata de baza de timp in perioada semnalului.

Daca perioada semnalului este mica, comparabila cu cuanta bazei de timp, se intercaleaza intre C l₁ si poarta P un circuit de divizare, spre exemplu cu 10, ceea ce determina cresterea perioadei semnalului de masurat (in cazul exemplului cresterea este de 10 ori, iar daca factorul de divizare este k atunci cresterea este de k ori).

Numaratorul contorizeaza impulsurile provenite de la baza de timp pe un interval de k perioade, ceea ce inseamna ca se va afisa o valoare medie pentru k perioade ale semnalului supus masurarii.

Exista situatii in care se impune masurarea intervalului de timp in care semnalul de la intrarea l creste de la valoarea U la valoarea U₂.

In figura 9.a este aratat modul de configurare, de catre comutatorul de functii, a circuitului de intrare pentru masurarea intervalului de timp in care tensiunea de la borna de intrare l₁ creste de la valoarea U la valoarea U

Blocurile notate cu TGV sunt circuite basculante in regim de trigger care efectueaza tranzitia iesirii (din nivelul L in nivelul H atunci cand intrarea atinge valoarea pragului inferior VPJ U₁ pentru circuitul TGV1 si respectiv VPS U₂ pentru circuitul TGV2). Circuitul basculant bistabil CBB genereaza la iesire un semnal de forma celui din figura 9,b, care constituie semnal de autorizare pentru poarta P, aceasta permitand trecerea catre numarator a impulsurilor furnizate de baza de timp BT (numai in intervalul de timp cat tensiunea de la intrarea l₁ se afla intre limitele U ,U

In continuare se prezinta aparatul denumit Numarator universal E-0202, Aparatul poate fi utilizat la masurarea:

frecventelor din domeniul 0,1 Hz,,20 MHz;

perioadei de la valoarea minima de 1 µs pana la 10⁷ s;

raportului a doua frecvente, pana la valoarea de 10⁷;

intervalului de timp dintre doua impulsuri, pentru acelasi domeniu ca cel al perioadei;

duratei de conectare la borna de masa a intrarii, pentru intervalul de timp 100 µs la s;

Perioada semnalului cat si raportul a doua frecvente pot fi divizate cu un factor de 10, ceea ce conduce la extinderea domeniului de masurare cu acelasi factor. Domeniul de masurare al frecventelor poate fi extins pana la 100 MHz prin includerea in componenta aparatului a unui sertar (la cerere) denumit 'Convertor de frecventa E-0202C'.

Optional aparatul poate fi dotat si cu sertarul 'Convertor de tensiune E0202B', care permite utilizarea aparatului la masurarea valorilor de tensiune continua din domeniul 100 µV, .,1000 V pentru 4 scari de masurare, 1 V, 10 V, 100 V si 1000 V. Impedanta de intrare este de 10 MΩ, cu exceptia scarii de 1 V pentru care impedanta este de numai 1 MΩ.

Pe langa indicatia vizuala (cu 7 cifre) aparatul dispune de o iesire numerica (in cod binar) care permite conectarea unui inregistrator. Exista si o iesire analogica la care pot fi preluate impulsurile generate de baza de timp a aparatului.

Schema de principiu a aparatului este, cu mici modificari, schema din figura 9.9. Realizarea fizica este cu componente discrete de circuit, blocurile functionale fiind plasate in asa-numite 'sertare' - de fapt placi de circuit imprimat prevazute cu ghidaje si conectori pentru a putea fi introduse in rakul aparatului.

Figura 9.10 permite evidentierea elementelor care trebuie folosite pentru a comuta aparatul in regim de masurare a marimii dorite.

S-a notat cu 1 ecranul de afisare a marimii masurate. Butonul notat cu sterge valoarea afisata, iar potentiometrul notat cu 7 stabileste valoarea timpului de afisare.

Unitatea de masura a marimii afisate este indicata, in blocul notat cu 2, prin aprinderea unuia din ledurile inscrise cu ns, µs, s, Hz, kHz.

Bornele pentru conectarea semnalului asupra caruia se efectueaza masurarea sunt diferite in functie de scopul masurarii (in comun fiind numai borna de masa notata cu 6), astfel:

borna pentru masurarea frecventei;

borna pentru masurarea perioadei;

bornele si se utilizeaza la masurarea raportului dintre frecventa semnalului conectat la borna 17 si frecventa semnalului conectat la borna 15;

borna pentru determinarea timpului cat aceasta borna este conectata la borna (de masa);

bornele si se utilizeaza pentru masurarea intervalului de timp dintre aparitia unui semnal la borna 12 si aparitia unui alt semnal la borna 13.

Modul de prelucrare a semnalului de catre circuitul de intrare este stabilit de pozitia comutatorului 16. in pozitia DIRECT se preia si componenta de curent continuu a semnalului, iar in pozitiile 1/1 si 1/10 se preia numai componenta variabila (in pozitia 1/10 se conecteaza si un atenuator).

Baza de timp interna poate fi inlocuita de un semnal extern conectat la borna 13, cu conditia ca comutatorul notat cu 10 sa fie in pozitiile EXT (in pozitiile INT ale comutatorului 10 aparatul utilizeaza baza de timp interna, indiferent de prezenta sau absenta semnalului la borna 13).

Marimea ce va fi masurata si bornele de intrare active sunt stabilite de pozitia comutatorului de functii notat cu indicatiile inscriptionate pe comutator avand semnificatiile:

F 0,1 s, F 1 s, F 10 s - se masoara frecventa semnalului pentru un timp de masurare de respectiv 0,1 s, 1 s, 10 s;

F1/F2 si 10 ' F1/F2 - se masoara raportul a doua frecvente;

T si 10 ' T-se masoara perioada semnalului;

(A - B) - se masoara intervalul de timp;

C - se masoara durata de conectare la masa;

N - numara impulsurile (regim de functionare indicat de ledul 3);

TEST- pozitie in care se verifica baza de timp interna,

Potentiometrul notat cu se utilizeaza in cazul masurarii perioadei pentru ajustarea pragului de declansare.

Modificarea cuantei generate de baza de timp se face cu comutatorul notat cu pozitia acestuia stabilind scara de timp indicata de grupul de leduri notat cu 2. Iesirile aparatului sunt notate cu pentru semnalul generat de baza de timp si cu pentru semnalul care poate fi utilizat de un inregistrator.

Circuitele de intrare sunt comutate in functie de scopul masurarii asa incat, in functie de marimea^de la intrare, avem diferite domenii permise pentru amplitudinea semnalului.

In cazul masurarii frecventei sunt permise valori efective ale tensiunii din domeniile 1 V, 10 V, 100 mV, 35 V, 1 V, 100 V pentru o impedanta de intrare a aparatului de respectiv 5 kΩ, 100 kΩ, 1 MΩ, iar daca aparatul are in componenta sertarul de extindere a domeniului de frecventa pentru frecvente mai mari decat 20 MHz, impedanta de intrare este de 50 Ω pentru un domeniu permis 50 mV,,10 V. Pentru regimul de semnal in impulsuri pozitive domeniul este2 V,..,15 V pentru o impedanta de intrare de 5 kΩ.

Domeniul de tensiuni, exprimate in valori efective, in cazul masurarii perioadei este 1V,.. .35 V pentru o impedanta de intrare de 100 kO, iar in cazul masurarii intervalelor de timp domeniul de tensiuni, exprimate in valori varf-varf, este 6 V,..12 V, acceptand numai polaritatea negativa a semnalului. Indicarea corectei functionari a sistemului de termostatare se face prin aprinderea ledului notat cu S-a mai notat cu 5 intreruptorul de retea.

Aparatul a fost prevazut cu un sistem de termostatare a incintei oscilatorului in scopul cresterii stabilitatii (frecventei generate) la modificarea temperaturii mediului ambiant, cartea tehnica indicand o functionare in parametri pentru temperaturi ale mediului din domeniul 5°C,,40°C. Temperatura de termostatare este de 75°C, cu o variatie de maximum 0,4°C pentru variatia temperaturii mediului de la -20°C la 65°C.

Stabilitatea frecventei oscilatorului bazei de timp este de 2 . 10^-7in 24 ore si de 2 . 10^-8 pentru intervale de o secunda. Eroarea maxima de masurare a aparatului depinde de marimea masurata dar poate fi exprimata prin intermediul relatiei:

in care: N este numarul afisat (cu 7 cifre), n - un factor dependent de divizarea semnalului de intrare, avand valoarea 10 daca semnalul este divizat si valoarea 1 in caz contrar, d - eroarea de declansare a triggerului de intrare (d < 3 . 10^-3), iar e -eroarea etalonului de frecventa (precizata mai sus). De notat ca in relatia (16) unii dintre termeni pot fi negativi si in relatie pot lipsi unul sau mai multi termeni corespunzator marimii care se afiseaza (spre exemplu la masurarea raportului a doua frecvente eroarea se exprima numai cu primii doi termeni).