Poznajemy przyrządy pomiarowe cz3.pdf

MIERNICTWO

POZNAJEMY

PRZYRZĄDY POMIAROWE

dużo więcej. Wystarczy wymienić ta−

kie funkcje jak: Data Hold, pomiar

względny, liczenie wartości minimal−

nej, maksymalnej i średniej. Przy wy−

konywaniu wszystkich tych funkcji jest

wykorzystywana pamięć przyrządu.

Na przykład pomiar względny polega

na zapamiętaniu wybranej wartości

a następnie wyświetlanie stosunku war−

tości aktualnie zmierzonej do zapamię−

tanej.

Zmierzona wartość częstotliwości lub

okresu sygnału jest przedstawiana na

wyświetlaczu. Częstościomierze sta−

cjonarne mają zwykle wyświetlacz

zbudowany ze wskaźników siedmio−

segmentowych typu LED. Dzięki temu

wynik pomiaru jest widoczny także

w ciemności. Częstościomierze przenośne, ze względu na

potrzebę zminimalizowania poboru prądu baterii zasilają−

cej, korzystają ze wskaźnika ciekłokrystalicznego, tj. typu

LCD. Wyświetlacz typowego częstościomierza składa się

z ośmiu wskaźników. Umożliwia to wyświetlenie częstotli−

wości np. 100 MHz z rozdzielczością 1 Hz.

Zasada działania częstościomierza zależy od wartości

częstotliwości sygnału jaką ma on zmierzyć i polega ona

w ogólności na zliczaniu doprowadzanych do jego wejścia

impulsów przez pewien ściśle określony czas.

CZĘŚĆ 3

Mierniki

częstotliwości

Fot. 1 Częstościomierz Maxcom MX−1100F

W poprzednim odcinku z tego cyklu omówiliśmy multi−

metry cyfrowe − przyrządy, których budowa jest dość pros−

ta, stanowiące jednak podstawowe wyposażenie pracowni

każdego elektronika, zarówno profesjonalisty jak i amatora.

Obecnie chcielibyśmy przedstawić urządzenia nieco bar−

dziej skomplikowane − częstościomierze cyfrowe.

Częstościomierze (ang. frequency counters) służą do po−

miaru częstotliwości sygnałów o dowolnym kształcie, tj.

przebiegów elektrycznych zarówno o kształcie sinusoidal−

nym, prostokątnym czy trójkątnym, jak i sygnałów piłoksz−

tałtnych, w tym także pojedynczych impulsów. Jeszcze do

niedawna powszechnie używane częstościomierze były

urządzeniami stacjonarnymi. Upowszechnienie się ukła−

dów scalonych oraz stały wzrost skali ich integracji (tj. licz−

by zmieszczonych w nich tranzystorów) doprowadziło do

tego, że pomiar częstotliwości są w stanie wykonać nawet

niedrogie multimetry cyfrowe. Maksymalna częstotliwość

mierzona przez multimetry nie przekracza jednak zwykle

20 MHz. Typowe mierniki częstotliwości to nadal urządze−

nia stacjonarne. Potrafią one zmierzyć częstotliwość nawet

powyżej 1 GHz. Zdarzają się są też częstościomierze prze−

nośne w obudowie multimetru, w których pomiarem steru−

je mikroprocesor.

Podstawowym pomiarem wykonywanym przez częstoś−

ciomierz jest pomiar częstotliwości sygnału doprowadzone−

go do jego wejścia. Okres sygnału jest równy odwrotności

częstotliwości. Umieszczenie w układzie częstościomierza

bloku realizującego prostą operację matematyczną − licze−

nie odwrotności − umożliwia wzbogacenie go o pomiar

okresu sygnału. Rozbudowa częstościomierza polegająca

na zastosowaniu w nim mikroprocesora pozwala uzyskać

Pomiar dużych częstotliwości

Na rys. 1 przedstawiono schemat blokowy częstościo−

mierza. Sygnał wejściowy o nieznanej częstotliwości fx po

Rys.1

ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/96

MIERNICTWO

uprzednim wzmocnieniu i ukształtowaniu w układzie UK

jest doprowadzany do jednego z wejść bramki B. Do dru−

giego wejścia bramki B doprowadza się impulsy sterujące.

Jeżeli jest to bramka typu AND, to “przepuści” ona sygnał

wejściowy tylko wtedy gdy na jej wejściu, tzw. bramkują−

cym będzie panował poziom wysoki, tzn. przez cały czas

trwania impulsu sterującego Tp. Czas Tp jest czasem po−

miaru. W czasie otwarcia bramki impulsy o częstotliwości

fx są liczone przez licznik L, a wynik pomiaru jest przeka−

zywany do układu sterującego wyświetlaczem W i wyświet−

lany.

Impulsy sterujące bramką B wytwarza generator. Stałość

częstotliwości tych impulsów ma niebagatelny wpływ na

dokładność pomiaru częstościomierza. Dlatego też do sta−

bilizacji częstotliwości generatora impulsów sterujących

wykorzytuje się tzw. rezonatory kwarcowe.

Bardzo ważną rolę spełnia jeszcze innny układ częstoś−

ciomierza, tj. układ kasowania (reset). Wytwarza on impul−

sy zerujące licznik, czyli wymuszające w nim, po zakoń−

czeniu pomiaru i wyświertleniu wyniku, stan 0. Impulsy te

muszą być doprowadzane do licznika zanim zostanie wy−

sterowana bramka B, tj. zanim zacznie się nowy pomiar.

Potrzebne do tego celu opóźnienie realizuje specjalny

układ opóźniający.

Dokładność pomiaru częstotliwości opisaną wyżej me−

todą zależy w głównym stopniu od dokładności ustawienia

czasu pomiaru Tp. Czas ten przyjmuje się zwykle w grani−

cach od 1 ms do 10 s. Jeżeli np. przy pomiarze częstotli−

wości 1000 Hz czas otwarcia bramki B będzie równy 1 s, to

w czasie tym licznik zliczy 1000 impulsów. Jeżeli natomiast

czas Tp będzie równy 1,1 s to na wyświetlaczu pokaże się

wartość 1100. Błąd pomiaru wyniesie zatem 10%. Widać

stąd jak ważne jest dla uzyskania dokładnego pomiaru, wy−

tworzenie sygnału sterującego o dużej dokładnosci i stabil−

ności w czasie.

Warto dodać jeszcze parę słów na temat układu formu−

jącego impulsy o częstotliwości mierzonej fx. Ma on za za−

danie odpowiednie ukształtowanie lub przetworzenie syg−

nału mierzonego (np. sinusoidy) w ciąg impulsów o kształ−

cie i amplitudzie wymaganej przez licznik L. Jeżeli poziom

sygnału wejściowego jest za mały, to czułość licznika może

okazać się nie wystarczająca do wykonania pomiaru. Zada−

niem układu UK jest zatem wzmocnienie sygnału mierzone−

go do takiej wartości, przy której licznik wykona pomiar po−

prawnie. Z kolei sygnały o amplitudzie zbyt dużej, zakłóca−

ją pracę licznika do tego stopnia, że przestaje on poprawnie

liczyć. Mówi się, że sygnały takie powodują przesterowanie

układu licznika. Dlatego też w obwodach wejściowych

częstościomierzy stosuje się tłumiki sygnału do nich dopro−

wadzanego.

Cechą charakterystyczną wyżej opisanej metody pomia−

ru częstotliwości jest także zależność dokładności pomiaru

od mierzonej częstotliwości fX oraz czasu pomiaru Tp. Do−

kładność ta jest wprost proporcjonalna do częstotliwości

i czasu pomiaru, tzn. im większa jest częstotliwość mierzo−

na i im dłuższy czas pomiaru tym dokładność jest większa.

Górna częstotliwość pomiaru zależy w tej metodzie od

szybkości układu logicznego jakim jest licznik impulsów L,

Fot.2 Częstościomierz Escort EFC−3303

czyli inaczej mówiąc od jego częstotliwości granicznej.

Dlatego przy pomiarze częstotliwości wyższych od ok. 500

MHz stosuje się dodatkowe układy dzielące zarówno częs−

totliwość sygnału mierzonego jak i wytwarzanego przez ge−

nerator impulsów wzorcowych. Szybkość działania tych

układów nie zależy w takim stopniu od częstotliwości jak

szybkość licznika. W ten sposób obniża się częstotliwości

tych sygnałów do wartości, którą licznik jest w stanie zmie−

rzyć.

Innym sposobem rozwiązania tego problemu jest zasto−

sowanie układu typu heterodynowego. Działanie takiego

układu polega na zmieszaniu sygnału o danej częstotliwoś−

ci z sygnałem wytwarzanym przez generator, tzw. heterody−

nę. W wyniku tego procesu powstają sygnały o częstotli−

wości będącej m. in. różnicą częstotliwości sygnału we−

jściowego i sygnału heterodyny tj. fx − fh. Ostateczny wynik

jest zatem taki sam jak w metodzie poprzedniej. Częstotli−

wość impulsów doprowadzonych do wejścia licznika jest

odpowiednio zmniejszona.

Pomiar małych częstotliwości

Przy pomiarze małych częstotliwości dokładność pierw−

szej metody maleje. Czas potrzebny na zliczenie odpo−

wiedniej liczby impulsów, wymaganej do wyświetlenia wy−

Rys.2

ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/96

MIERNICTWO

miaru częstotliwości fx sygnału, tj. liczbę 0,000001, przesy−

ła do wyświetlacza W. Wyświetlacz pokazuje wartość

0,000001 MHz czyli 1 Hz.

Częstościomierze fabryczne, ich

funkcje pomiarowe i parametry

Fot.3 Częstościomierz CHY 8220R

Na rys. 3 przedstawiono wygląd płyty czołowej typowe−

go częstościomierza. Sygnał o częstotliwości mierzonej fx

doprowadza się do jednego z dwóch wejść (kanałów) częs−

tościomierza. Pierwszy kanał (7) służy do pomiaru częstot−

liwości sygnałów w zakresie od 0 do 100 MHz, a drugi ka−

nał (8) do pomiaru częstotliwości sygnałów od 70 MHz do

1 GHz. Układy obu kanałów są zwykle oddzielone od sie−

bie za pomocą ekranowania. Ma to na celu zlikwidowanie

zjawiska interferencji będącego wynikiem oddziaływania

układu jednego kanału na drugi.

Jeżeli sygnał mierzony ma zbyt dużą amplitudę (np.

większą od 300 mV) należy włączyć tłumik (6) powodujący

dziesięciokrotne osłabienie tego sygnału. Dopuszczalne, tj.

maksymalne wartości doprowadzanych sygnałów (z

uwzględnieniem tłumienia), są z reguły podawane na płycie

czołowej w opisie gniazd.

Przełącznik Range (3) służy do zmiany zakresów pomia−

rowych. Obok znajduje się przełącznik Gate Time (2) wy−

korzystywany do ustawienia czasu otwarcia bramki (czasu

bramkowania). Im dłuższy czas bramkowania, tym dłużej

trzeba czekać na wyświetlenie wyniku pomiaru, lecz tym

większa jest rozdzielczość tzn. tym dokładniejszy wynik.

Na przykład na zakresie 100 MHz można uzyskać wynik

pomiaru podany z dokładnością do 1 kHz przy ustawionym

czasie bramkowania 10 ms. Na wynik pomiaru z dokład−

nością do 1 Hz trzeba już czekać 10s. Dla ułatwienia dob−

rania właściwego czasu bramkowania co z kolei pozwoli na

uzyskanie wyniku z wymaganą rozdzielczością, służy spe−

cjalna tablica podawana w instrukcji obsługi częstościomie−

rza.

Pomiar częstotliwości może też być wykonywany auto−

matycznie. Po naciśnięciu przycisku Auto (4), miernik auto−

matycznie wybiera zakres oraz czas bramkowania np. 100

MHz i 1s.

Wyświetlany wynik pomiaru można “zamrozić” na wy−

świetlaczu (9) przyciskając przycisk Hold (5). Wyświetlacz

niku z odpowiednią dokładnością, gwałtownie rośnie. Na

przykład, pomiar i wyświetlenie wyniku pomiaru częstotli−

wości sygnału równej 10 Hz, z dokładnością 1 % trwa

w tym częstościomierzu aż 100 sekund. Dlatego też przy

pomiarze takich częstotliwości stosuje się inną metodę, na−

zywaną metodą pośrednią. Polega ona na pomiarze okresu

Tx zamiast częstotliwości fx. Na rys 2 przedstawiono sche−

mat blokowy takiego częstościomierza. Sygnał o częstotli−

wości fx jest doprowadzany z wejścia częstościomierza do

układu kształtującego impulsy UF a następnie do licznika

liczby mierzonych okresów n, a stąd za pośrednictwem

układu sterującego bramką do jednego z wejść bramki B.

Do drugiego wejścia bramki jest doprowadzany sygnał z ge−

neratora wzorcowego G. Sygnał ten jest w zależności od

potrzeby powielany lub dzielony oraz kształtowany w ukła−

dach UPD i odpowiednio UK. Licznik L zlicza impulsy nie

o częstotliwości fx (jak w poprzedniej metodzie), lecz im−

pulsy o częstotliwości fg, w czasie otwarcia bramki B. Czas

w jakim jest otwarta bramka B jest równy wielokrotności

liczby okresów, czyli n Tx. Jak widać, w metodzie tej wynik

pomiaru jest równy iloczynowi liczby okresów n przez

okres Tx i przez odwrotność okresu Tg. Zatem aby uzyskać

częstotliwość fx należy policzyć odwrotność uzyskanego

wyniku. Dokonuje się tego w układzie arytmetycznym UA

znajdującym się między wyjściem licznika a wyświetla−

czem W. Przy pomiarze częstotliwości np. 1 Hz, licznik li−

czy impulsy o częstotliwości np. 2 MHz, pochodzące z ge−

neratora wzorcowego G. W tym celu bramka B jest otwie−

rana co 1 sekundę na czas 0,5 sekundy (n=1). W tym cza−

sie licznik zlicza 1000000 impulsów. Układ arytmetyczny

UA dołączony do wyjścia licznika liczy następnie odwrot−

ność tej liczby i wynik obliczenia jako ostateczny wynik po−

Rys.3

ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/96

MIERNICTWO

częstościomierza stacjonarnego jest zbudowany z ośmiu

wskażników siedmiosegmentowych typu LED. Do włącze−

nia częstościomierza służy przycisk (1).

Parametry charakteryzujące częstościomierze to (poda−

wane osobno dla każdego kanału): zakres mierzonych częs−

totliwości, impedancja wejściowa, rozdzielczości, czasy

bramkowania, dokładność oraz dane dotyczące tzw. pod−

stawy czasu, czyli wewnętrznego generatora impulsów

wzorcowych. Do podstawowych parametrów takiego gene−

ratora należy: częstotliwość, stabilność i stabilność długo−

okresowa. Ta ostatnia oznacza dopuszczalną zmianę częs−

totliwości wzorcowej generatora jaka może dokonać się

w ciągu roku eksploatacji częstościomierza i jest podawana

w procentach. Stabilność ma zasadniczy wpływ na dokład−

ność pomiaru czętościomierza.

Warto jeszcze powiedzieć parę słów o różnicach mię−

dzy parametrami poszczególnych kanałów częstościomie−

rza. Jak już wspomniano, zakresy częstotliwości obu kana−

łów są zwykle różne. Kanał A umożliwia np. pomiar częs−

totliwości sygnałów w zakresie od 1 Hz do 100 MHz, ze

zmienną czułością. Impedancja tego kanału wynosi naj−

częściej 1 MW. Kanał B umożliwiający pomiar np. w zakre−

sie od 70 MHz do 1 GHz charakteryzuje się impedancją

wejściową 50W i stałą czułością np 5 V. Również rozdziel−

czości i czasy bramkowania dla obu kanałów są różne.

Bardziej skomplikowane częstościomierze mają jednak

trzy niezależne kanały pomiarowe. Kanały A i B są iden−

tyczne. Dokonuje się w nich pomiaru w zakresie np. do 500

MHz metodą bramkowania pośredniego. Dodatkowy kanał

C mierzy natomiast częstotliwość sygnałów powyżej 100

MHz metodą bramkowania bezpośredniego.

Te dwa identyczne kanały można wykorzystać np. do

dokładnego policzenia odstępu czasowego. Metoda ta po−

lega na policzeniu liczby impulsów w czasie wyznaczonym

przez impulsy: “startu” doprowadzonego do kanału A oraz

“stopu” doprowadzonego do kanału B, czyli przez bramko−

wanie realizowane z zewnątrz. Jeżeli częstotliwość genera−

tora wzorcowego wynosi np. 1 MHz, a czas między mo−

mentem “startu” i “stopu” wynosi 1 s, to częstościomierz

zliczy 106 impulsów, czyli wyświetli liczbę 1000000. Pra−

widłowy odczyt czasu będzie już tylko wymagał poprawne−

go ustawienia przecinka dziesiętnego.

Spotyka się też częstościomierze o trzech różnych kana−

łach. Na przykład w kanale A, najbardziej rozbudowanym,

w którym jest też możliwy pomiar okresu, stosunku częstot−

liwości sygnałów doprowadzonych do kanału A i B, liczby

obrotów, współczynnika wypełnienia impulsów, mierzy się

częstotliwość w zakresie od 0,04 Hz do 110 MHz z pozio−

mem mniejszym od 300 V. Z kolei drugi kanał, kanał

B umożliwia pomiar w zakresie od 10 Hz do 2,5 MHz i to

przy poziomie nie przekraczającym 5 V (czyli poziomie

TTL). Ostatni trzeci kanał C służy do pomiaru wielkich częs−

totliwości tj. częstotliwości sygnałów z zakresu od 50 MHz

do 1,3 MHz. Impedancja wejściowa takiego kanału jest

równa 50W, a maksymalny poziom sygnału wynosi 3 V.

Jak już wspomniano, pomiar częstotliwości umożliwiają

też popularne multimetry. Zasada pomiaru w tego typu

przyrządach jest jednak zupełnie inna i polega nie na zli−

Rys.4

czaniu liczby impulsów lecz pomiarze napięcia. Na rys.

4 przedstawiono sposób pomiaru częstotliwości za pomocą

multimetru. Sygnał mierzony o częstotliwości fX, doprowa−

dzony do wejścia przyrządu, jest najpierw wzmacniany we

wzmacniaczu W i formowany w układzie F. Na przykład

sygnał sinusoidalny jest zamieniany na sygnał prostokątny.

Z kolei generator G wytwarza jeden impuls o stałym czasie

trwania i stałej amplitudzie. Generator taki nazywa się tak−

że generatorem monostabilnym. Impulsy z wyjścia układu

formującego F służą do wyzwolenia generatora G, tzn. każ−

dy kolejny impuls z wyjścia układu formującego, doprowa−

dzony na wejście wyzwalające generatora, powoduje wy−

tworzenie jednego impulsu przez generator. Na wyjściu ge−

neratora jest umieszczony rezystor R. W trakcie pomiaru

przez rezystor ten płynie prąd impulsowy. Średnie napięcie

powstające na rezystorze mierzy dołączony do wyjścia ge−

neratora woltomierz V. Im większa jest częstotliwość mie−

rzonego sygnału fX, tym większa liczba impulsów przepły−

wa w danym czasie przez rezystor R, tzn. zmniejsza się od−

stęp między kolejnymi impulsami, rośnie tzw. współczynnik

wypełnienia, rośnie zatem średni prąd. Rośnie też napięcie

wskazywane przez woltomierz. Oznacza to, że napięcie

wejściowe woltomierza jest wprost proporcjonalne do częs−

totliwości fX. Jeżeli przyjmiemy teraz, że napięcie o wartoś−

ci np. 1 mV odpowiada częstotliwości 1 Hz, to napięcie 1V

będzie odpowiadało częstotliwości 1 kHz itd.

Na zakończenie jeszcze kilka słów na temat częstościo−

mierzy przenośnych, mieszczących się w obudowie typo−

wego multimetru. Obok funkcji typowych dla częstościo−

mierzy stacjonarnych można spotkać w nich jeszcze inną

użyteczną funkcję pomiarową. Polega ona na pomiarze

częstotliwości nośnej sygnałów wytwarzanych przez nadaj−

niki radiowe zarówno przenośne, stacjonarne jak i monto−

wane w pojazdach. Jako czujnik do zbierania tych sygna−

łów służy antena teleskopowa dołączona do wejścia częs−

tościomierza.

W następnym odcinku cyklu omawiającego elektronicz−

ny sprzęt pomiarowy przedstawimy źródła sygnałów tj. ge−

neratory.

Leszek Halicki

ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/96

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: