4. MATEIA NAUCZANIA 4.1. Czstociomierze - zasada dziaania, budowa, parametry i funkcje pomiarowe 4.1.1 Materia nauczania Wiadomoci wstpne Do pomiaru czstotliwoci przebiegów elektrycznych stosuje si: a) czstociomierze analogowe: - rezonansowe, - integracyjne, b) czstociomierze-czasomierze cyfrowe, c) oscyloskopy elektroniczne, d) mostki do pomiaru czstotliwoci. W zalenoci od wartoci czstotliwoci, rodzaju przebiegu i wymaganej dokadnoci pomiaru, do mierzenia czstotliwoci stosuje si przyrzdy pomiarowe o rónych zasadach dziaania i budowy. W niektórych badaniach, szczególnie przy duych czstotliwociach radiowych, czstotliwo mierzy si wieloma metodami. Do pomiarów maej czstotliwoci (do kilkuset herców) buduje si wspóczenie czstociomierze magnetoelektryczne przetwornikowe o klasach dokadnoci o 0,5 i 0,2 oraz cyfrowe o klasie dokadnoci 0,05. Do pomiarów czstotliwoci akustycznych i ponad akustycznych stosuje si obecnie róne odmiany elektronicznych czstociomierzy analogowych oraz cyfrowych. Czstociomierze elektromechaniczne i mostkowe s rzadko stosowane. Czstotliwo o wartoci do kilkuset herców (kilku kiloherców) mona mierzy czstociomierzami ilorazowymi. Ich niepewno pomiaru wynosi ±1% i wicej. Pobór mocy jest duy (kilka V A). Czstotliwo o wartoci do okoo 150 khz mona mierzy mostkami zalenymi od czstotliwoci np. (mostek Maxwela-Wiena), których równanie równowagi zawiera czstotliwo lub pulsacj = 2 f. Ich niepewno pomiaru wynosi ±(0,1 0,3%). Czstotliwo o wartoci od 50 khz do 2 GHz mona mierzy czstociomierzami rezonansowymi. Ich niepewno pomiaru wynosi ±(0,1 2%). Czstotliwo mona te mierzy za pomoc oscyloskopu elektronicznego. Niepewno pomiaru jest równa niepewnoci wzorca czstotliwoci danego oscyloskopu lub generatora zewntrznego. Ta metoda jest stosowana do pomiarów maych czstotliwoci o duej staoci. Czstotliwoci wielkie i bardzo wielkie (a do kilkudziesiciu gigaherców) mierzy si za pomoc czstociomierzy interferencyjnych (dudnieniowych). Niepewno wyników pomiaru zaley od niepewnoci zastosowanego wzorca czstotliwoci i moe wynosi ±(0,1 0,0005%). Czstotliwoci wielkie i bardzo wielkie mierzy si te za pomoc falomierzy. Zarówno mae, jak i wielkie (rzdu kilku GHz) czstotliwoci mona mierzy czstociomierzami cyfrowymi. Pomiar czstotliwoci jest nierozcznie zwizany z pomiarem czasu. Mae czstotliwoci f wyznacza si ze wzoru f = 1 / T, na podstawie pomiaru czasu okresu T badanego przebiegu. Wielkie czstotliwoci mierzy si zliczajc liczb cykli w okrelonym przedziale czasu (np. 1 s.). Projekt wspófinansowany ze rodków Europejskiego Funduszu Spoecznego 7
Czstociomierze rezonansowe W czstociomierzach rezonansowych wykorzystuje si zjawisko rezonansu. Pomiar polega na porównaniu czstotliwoci mierzonej z czstotliwoci drga wasnych ukadu rezonansowego lub rezonatora. Do pomiaru czstotliwoci duych (powyej 50 khz) wykorzystuje si zjawisko rezonansu elektrycznego. Przy czstotliwociach do ok. 200 MHz obwód rezonansowy skada si z cewki i kondensatora. Obwód ten jest pobudzany do drga przebiegiem o czstotliwoci mierzonej. W tym celu obwód rezonansowy jest sabo sprzony magnetycznie z obwodem kontrolowanym lub jest poczony z nim kondensatorem o maej pojemnoci. Za pomoc kondensatora o regulowanej pojemnoci zmienia si czstotliwo rezonansow obwodu a do wystpienia rezonansu. Ukad rezonansowy czstociomierza o sprzeniu magnetycznym jest przedstawiony na rys. 1. ezonans wystpuje przy czstotliwoci odpowiadajcej maksymalnemu napiciu na kondensatorze. ys. 1. Ukad ilustrujcy zasad dziaania ys. 2. Ukad czstociomierza rezonansowego [4, s. 371] czstociomierza rezonansowego[4, s. 371] W czstociomierzach rezonansowych najczciej wskanikiem rezonansu jest detektor diodowy i przetwornik magnetoelektryczny (rys. 2). Zakresy pomiarowe czstociomierza zmienia si najczciej przez zmian cewek, a obwód pomiarowy doprowadza si do rezonansu przez cig zmian pojemnoci kondensatora. Zwykle wskazy na podziace tego kondensatora s oznaczone liczbami odpowiadajcymi wartociom czstotliwoci mierzonej. Czstociomierzy tych nie stosuje si do pomiaru maych czstotliwoci. Górny zakres pomiarowy do ok. 200 MHz. W zakresie bardzo wielkich czstotliwoci stosuje si czstociomierze rezonansowe z obwodem rezonansowym o staych rozoonych. Czstotliwo mierzona, przy pominiciu indukcyjnoci przewodów czcych i kondensatora oraz pojemno wasn cewki, wynosi: 1 f 2 LC Czstociomierze rezonansowe umoliwiaj pomiar czstotliwoci z bdem ±(0,1 2%). Integracyjny czstociomierz elektroniczny analogowy Uproszczony schemat funkcjonalny integracyjnego czstociomierza elektronicznego analogowego przestawiono na rys. 3. Czstociomierz skada si z ukadu formujcego, kondensatora C, diody D1, diody D2 i miernika magnetoelektrycznego. Ukad formujcy uniezalenia wynik pomiaru czstotliwoci f x badanego sygnau wejciowego, od ksztatu i amplitudy przebiegu. Sygna wejciowy, którego czstotliwo podlega pomiarowi, przeksztaca si w napicie prostoktne, o amplitudzie i ksztacie praktycznie niezalenych od amplitudy i ksztatu przebiegu wejciowego. Projekt wspófinansowany ze rodków Europejskiego Funduszu Spoecznego 8
ys.3. Integracyjny czstociomierz elektroniczny analogowy: a) ukad; b) przebiegi czasowe. [ 5, s.102 ] W póokresie ujemnym napicie prostoktnego kondensator C aduje si do napicia U c = U m, a w póokresie dodatnim rozadowuje si przez miernik magnetoelektryczny M. Stae czasowe adowania i rozadowania kondensatora s tak dobrane, aby przy maksymalnej czstotliwoci mierzonej kondensator C by cakowicie naadowany, a nastpnie cakowicie rozadowany. adunek zgromadzony w kondensatorze podczas póokresu dodatniego wynosi: Q = C U o przy czym: U o napicie, do którego aduje si kondensator; C pojemno kondensatora. Podczas rozadowania kondensatora adunek ten bdzie przepywa przez miernik magnetoelektryczny. Jeeli czstotliwo badanego przebiegu wynosi f x, to tyle razy w cigu sekundy rozadowuje si kondensator i decydujca o wskazaniu miernika warto rednia prdu wyniesie I av = Q f x = C U o f x przy czym: I av warto rednia prdu, f x - czstotliwo badanego przebiegu Odchylenie organu ruchomego miernika magnetoelektrycznego x = c 1 I av = c 1 C U o f x = c 2 f x przy czym: c 1 i c 2 stae. Przy U o = const i C = const, prd rozadowania zaley wycznie od czstotliwoci i miernik magnetoelektryczny moe by wzorcowany w hercach. Mierniki zbudowane na tej zasadzie s stosowane do pomiarów czstotliwoci nie wikszych ni kilkaset kiloherców. Górny zakres czstotliwociowy jest ograniczony przede wszystkim pojemnociami pasoytniczymi ukadu pogarszajcymi ksztat impulsów na wyjciu ukadu ksztatujcego oraz niepenym rozadowaniem si kondensatora. Dokadno czstociomierza zaley gównie od dokadnoci ksztatowania impulsów prostoktnych, staoci pojemnoci, staoci amplitudy oraz klasy uytego miernika magnetoelektrycznego. Czstociomierze takie s wykonywane w klasach dokadnoci: 0,5; 1; 1,5. Projekt wspófinansowany ze rodków Europejskiego Funduszu Spoecznego 9
Czstociomierz cyfrowy Pomiar czstotliwoci metod cyfrow polega na porównaniu wielokrotnoci okresu przebiegu badanego z wzorcowym odstpem czasu. Pomiar czstotliwoci realizuje si przez zliczanie w cigu okrelonego czasu liczby impulsów odpowiadajcych liczbie okresów badanego sygnau. Zasad pracy czstociomierza cyfrowego przestawiono na rys. 4. Badany przebieg u a po ewentualnym wzmocnieniu, jest formowany w cig impulsów u b o takiej samej czstotliwoci co mierzona. Wzorzec czstotliwoci, wraz z ukadami powielania i dzielenia czstotliwoci, wytwarza cig impulsów wzorcowych u c o czstotliwoci f w. Impulsy te wyzwalaj ukad sterowania, którym najczciej jest przerzutnik bramkujcy. Przerzutnik ten wyznacza wzorcowy czas pomiaru T p, w którym otwarta jest bramka. W czasie otwarcia bramki, do licznika s doprowadzone impulsy o czstotliwoci mierzonej f x. Liczba zliczonych impulsów: N x = T p f x przy czym: T p - wzorcowy czas pomiaru, f x - czstotliwo mierzona. i std N x f x T wyznacza bezporednio na wskanikach cyfrowych licznika warto mierzonej czstotliwoci f x. Ukad kasowania doprowadza licznik do stanu zerowego tu przed otwarciem bramki. Kasowanie odbywa si w czasie wyznaczonym przez ukad opóniajcy a zawartym midzy impulsem startowym doprowadzonym do ukadu sterowania (chwila t 1 ) i otwarciem bramki (chwila t 2 ). Bd wzgldny pomiaru f f f x x T T p p Pierwszy skadnik Tp w tym wyraeniu nosi nazw bdu analogowego i zaley od dokadnoci wzorca czstotliwoci (okrela si j na podstawie bdu wzorca czstotliwoci w ) oraz od bdu bramkowania B. Bd wzorca czstotliwoci jest uwarunkowany niestaoci jego czstotliwoci. Stosujc stabilizacj kwarcow w generatorze, bdcym ródem impulsów wzorcowych, mona bd ten sprowadzi do bardzo maych wartoci ( w = 10-9 ). Bd bramkowania B wynika z asynchronizmu impulsów bramkujcych i bramkowych (rys. 5), ze skoczonych czasów otwierania i zamykania bramki (czasy o i z na rys. 6) oraz wpywu poziomu wyzwalania przerzutnika bramkujcego. p 1 N Drugi ze skadników (± N 1 ) nazywany bdem zliczania wynika z przypadkowego pooenia impulsu wyznaczajcego czas pomiaru T p i cigu impulsów zliczanych (rys. 5). Wskutek tego licznik moe zliczy o jeden impuls za duo lub o jeden impuls za mao. Bd zliczania jest tym mniejszy, im duszy jest czas pomiaru (1ms 10s). Stosowanie zbyt dugich czasów pomiarów jest niekorzystne (przy pomiarach maej czstotliwoci), gdy przy szybkich zmianach czstotliwo mierzonej miernik wskazuje jej warto redni. Z tych wzgldów dolny zakres pomiaru rozszerza si przez stosowanie pomiaru okresu badanego przebiegu lub przez powielanie czstotliwoci. x Tp 1 N Projekt wspófinansowany ze rodków Europejskiego Funduszu Spoecznego 10
ys. 4. Zasada dziaania czstociomierza cyfrowego: a) schemat blokowy; b) przebiegi napi w poszczególnych punktach miernika. [2, s. 252 ] Projekt wspófinansowany ze rodków Europejskiego Funduszu Spoecznego 11
ys. 5. Wyjanienie powstawania bdu zliczania.[ 1, s. 430 ] ys. 6. Wyjanienie powstawania bdu bramkowania. [ 2, s. 254 ] T p zas otwarcia bramki; T x czas mierzony Okresomierz cyfrowy Pomiar okresu moe odbywa si w tym samym ukadzie co pomiar czstotliwoci, z t rónic, e jest odwrócona rola impulsów wzorcowych zliczanych w liczniku. Zasad dziaania okresomierza cyfrowego przedstawia rys.7. Sygna wejciowy o nieznanym okresie T x steruje czasem otwarcia bramki, a impulsy o czstotliwoci wzorcowej s zliczane przez licznik. Wejciowy ukad formowania wybiera zwykle kolejne, dodatnie przejcia przez zero mierzonego sygnau okresowego jako momenty otwierania i zamykania bramki (rys. 7 b-a,b). Analogicznie do pomiaru czstotliwoci pomiar powtarzany jest cyklicznie (praca automatyczna) lub te moe by wykonany jednorazowo (praca wyzwalania). Licznik dziesitny zlicza impulsy prostoktne przepuszczane przez bramk w czasie T. Po zakoczeniu tego czasu stan licznika jest proporcjonalny do mierzonego czasu. Ukad pamici licznika pozwala na zapamitanie wyniku zawartoci licznika i jej wywietlanie na wywietlaczu cyfrowym. Zliczanie impulsów odbywa si cyklicznie, tj. po zakoczeniu biecego cyklu zliczania wynik zostaje wpisany do pamici i jest wywietlany, podczas gdy licznik automatycznie rozpoczyna kolejny cykl zliczania. Projekt wspófinansowany ze rodków Europejskiego Funduszu Spoecznego 12
ys. 7. Okresomierz cyfrowy: a) schemat strukturalny; b) czasowe przebiegi sygnaów w wybranych punktach ukadu. [ 5, s. 163] Analogicznie, jak przy pomiarze czstotliwoci, przy pomiarze okresu powstaj bdy zliczania. Ich przyczyn jest w tym przypadku nie doliczenie impulsu wzorcowego (poprzednio by to impuls odpowiadajcy sygnaowi mierzonemu) lub zliczanie impulsu, który nie zakoczy si przed upywem mierzonego okresu T x. Podobnie jak przy pomiarze czstotliwoci niepewno wyniku pomiaru jest dua w przypadku maej liczby zliczonych impulsów. Zwikszenie dokadnoci pomiarów jest moliwe przez zmniejszenie okresu T w. Przy pomiarach okresu o wielkiej czstotliwoci s trudnoci z wygenerowaniem sygnau Projekt wspófinansowany ze rodków Europejskiego Funduszu Spoecznego 13
wzorcowego o odpowiednio krótkim okresie T w (czyli bardzo wielkiej czstotliwoci). W takim przypadku mierzy si czstotliwo sygnau badanego i oblicza si jego okres. Niepewno pomiaru (ze wzgldu na bd zliczania) bdzie wówczas bardzo maa, nawet przy stosunkowo krótkich czasach bramkowania. Czasomierz cyfrowy Zasad dziaania czasomierza cyfrowego przedstawia rys. 8. Pomiar czasu sprowadza si do zliczania, w mierzonym czasie, impulsów powtarzajcych si z wzorcow czstotliwoci f w. Impulsy wejciowe, wyznaczajce pocztek i koniec przedziau t x, steruj przerzutnikiem bramkujcym. Przerzutnik ten wytwarza impuls bramkujcy, który otwiera bramk na czas midzy kolejnymi impulsami wejciowymi. Impulsy wzorcowe o okresie T w s otrzymywane z generatora wzorcowego. f x ys. 8. Schemat funkcjonalny czasomierza.[2, s. 255] Po powieleniu lub podzieleniu czstotliwoci, sygna z generatora wzorcowego (najczciej o przebiegu sinusoidalnym) jest formowany w cig impulsów o parametrach wymaganych do wysterowania licznika impulsów. Impulsy wzorcowe przechodz przez bramk, która jest otwarta w czasie wyznaczonym przez impulsy wejciowe, a nastpnie wprowadzone do licznika impulsów. Stan licznika jest uprzednio skasowany przez ukad kasowania. Liczba zliczanych impulsów: N x = t x f w jest proporcjonalna do mierzonego przedziau czasu t x Przedzia czasu t x moe by okresem T x badanego przebiegu. Zakres pomiarowy, czyli maksymalny przedzia czasu, który moe by zmierzony przez dany czasomierz, zaley od pojemnoci N max licznika i okresu impulsów wzorcowych T w ; zatem t x max = N max T w Pojemno licznika jest staa w danym przyrzdzie, mona natomiast zmienia okres impulsów wzorcowych T w, najczciej przez przeczenie dekadowych powielaczy lub dzielników czstotliwoci wzorcowej. Jedynym ograniczeniem jest czas rozdzielczy licznika. Przy wyznaczaniu okresu przebiegu, np. sinusoidalnego, formuje si impuls bramkujcy odpowiadajcy m mierzonym okresom T x, czyli Projekt wspófinansowany ze rodków Europejskiego Funduszu Spoecznego 14
m T x = N x T w N T std: T x w x m. Bd wzgldnego cyfrowego pomiaru czasu wyraa si wzorem: 1 Tx w z N gdzie: Tw bd wzorca czstotliwoci - w, T bd wyzwalania bd zliczania ± N 1. T z z, t x Skadowa bdu z wynika (podobnie jak bd bramkowania w czstociomierzu) z progu nieczuoci ukadu wytwarzajcego impuls bramkujcy i z braku synchronizmu tego impulsu z impulsami wzorcowymi. Mikroprocesorowe czstociomierze czasomierze Obecnie elektroniczne przyrzdy cyfrowe budowane s w oparciu o mikroprocesory. Zastosowanie mikroprocesorów w czstociomierzach-czasomierzach cyfrowych pozwala na automatyzacj wyboru zakresu i procedury pomiarowej, w szczególnoci przy znajdowaniu wartoci czstotliwoci jako operacji odwrotnej do bezporedniego pomiaru okresu. Przykadowy schemat funkcjonalny czstociomierza mikroprocesorowego przedstawiono na rys. 9. Umoliwia on pomiar czstotliwoci w sposób poredni (przez pomiar okresu) w zakresie do kilku khz oraz bezporedni wikszych czstotliwoci. w ys. 9. Schemat funkcjonalny czstociomierza mikroprocesorowego. [ 2. s, 257] Zasad dziaania przyrzdu (jako czstociomierza) rozpatrzono na podstawie schematu funkcjonalnego (rys. 9) i przebiegu sygnaów pomiarowych w jego strukturze (rys. 10). Napicie u a (rys. 10a), którego czstotliwo f x jest mierzona, podawane jest przez ukad wejciowy na wejcie ukadu formujcego, który przetwarza je w cig jednokierunkowych impulsów o czstotliwoci przetwarzania f x. Trafiaj one z kolei do ukadu formowania Projekt wspófinansowany ze rodków Europejskiego Funduszu Spoecznego 15
bramki, który zawiera ukad dzielnika czstotliwoci (o wspóczynniku podziau zadawanym przez mikroprocesor). Cykl pomiarowy rozpoczyna si zawsze od pomiaru okresu. Determinuje to si podaniem sygnau z mikroprocesora na sterujce wejcia (3) obydwu multiplekserów (MI i MII), który powoduje przepisywanie sygnaów z wej 1 multiplekserów na wejcia 1 i 2 bramki. Jednoczenie w dzielniku czstotliwoci (ukad formowania bramki) wybierany jest wspóczynnik podziau 1. W rezultacie na wejcie 1 bramki jest podawany impuls bramkujcy o czasie trwania 1 T x (rys. 10c), gdzie T x okres badanego przebiegu. Natomiast na wejcie 2 bramki przychodz impulsy wypenienia z generatora zegarowego (rys. 10d). Ich liczba wynosi N = 1 f o T x. Jeeli ta liczba jest wiksza ni pojemno licznika, to nastpuje jego przepenienie. Sygna przepenienia i ostatni bit informacji zapamitany przez licznik s przepisywane do mikroprocesora, a std po obliczeniu czstotliwoci do wskanika. ys. 10. Przebiegi sygnaów w odpowiednich punktach czstociomierza mikroprocesorowego. [ 2. s, 258 ] Jeli warto okresu T x badanego sygnau okae si niedostatecznie dua, to mikroprocesor zachowuje ten reim pomiaru, automatycznie ustawia w dzielniku czstotliwoci inny wspóczynnik podziau ( 2 ). Wówczas czas trwania impulsu bramkowego Projekt wspófinansowany ze rodków Europejskiego Funduszu Spoecznego 16
wynosi q 2 T x. Moe si okaza, ze i teraz liczba impulsów wypenienia jest zbyt maa. Wówczas mikrokomputer zmienia procedur pomiaru nastpuje przejcie przyrzdu do bezporedniego pomiaru czstotliwoci. Wówczas mikrokomputer wymusza (odpowiednim sygnaem sterujcym) przepisywanie do wej 1 i 2 bramki sygnaów z wej 2 multiplekserów MI i MII. Na wejcie 1 bramki jest podawany impuls bramkujcy o czasie trwania T w (równym okresowi wzorcowemu rys. 10e). Na wejcie 2 bramki jest podawany cig impulsów o czstotliwoci powtarzania równej czstotliwoci mierzonej f x (rys. 10b). Do licznika trafi liczba impulsów zdeterminowana czasem trwania impulsu bramkujcego (rys. 10f). Zapamitana w liczniku liczba impulsów i sygna przepenienia (jeli si pojawi) s przypisywane do mikroprocesora, który po odpowiedniej obróbce przesya wynik pomiaru do wskanika. Fazomierze cyfrowe Cyfrowy pomiar wartoci chwilowej przesunicia fazowego jest oparty na cyfrowym pomiarze przedziaów czasu. Zasada dziaania fazomierza cyfrowego przedstawia rys. 11. Napicie u 1 i u 2, midzy którymi naley zmierzy przesunicie fazowe, s doprowadzone do wej I i II. Z przebiegu tych napi s ksztatowane fale prostoktne, które s nastpnie róniczkowane i obcinane jednostronnie (rys. 11). Otrzymywane na wyjciach obcinaczy impulsy s przesunite wzgldem siebie w czasie. Przesunicie czasowe obydwu cigów impulsów zaley od rónicy faz obu napi wejciowych. Impulsy te steruj przerzutnikiem bramkujcym, który wytwarza z kolei impuls bramkujcy. Impuls odpowiadajcy przejciu przez zero u 1 powoduje w konsekwencji otwarcie bramki, a impuls otrzymany przy przejciu przez napicia u 2 zamyka j. W czasie otwarcia bramki s zliczone impulsy dopywajce z generatora impulsów wzorcowych. Przecznik P 1 (rys. 11a) ustawia si w pozycj wzorcowanie i nastpnie dokonuje si pomiaru okresu T x napi badanych. Jeli na wskaniku licznika odczytano N 1 impulsów, to okres 1 Tx N1 N1Tw f w Nastpnie przecznik ustawia si w pooenie pomiar i odczytuje si liczb N 2 impulsów bdc miar opónienia czasowego t x = N 2 T w Wobec tego przesunicie fazowe x t x N 2Tw N 2 360 360 360 T N T N x 1 w 1 W miernikach, w których chodzi o szybki bezporedni odczyt, dobiera si czstotliwo wzorcow f w tak, aby by speniony warunek k f w 3,610 f x przy czym : k liczba naturalna, najczciej 2 lub 3; f x czstotliwo przebiegów badanych. W tym przypadku przesunicie fazowe x jest jednoznacznie okrelone przez odczyt liczby impulsów N 2 360N 3,610 2 2 2 2k x N k 210 N1 3,610 N Projekt wspófinansowany ze rodków Europejskiego Funduszu Spoecznego 17
Jeli k = 2, to x jest liczbowo równe N2 i miernik umoliwia szybki pomiar przesunicia fazowego w stopniach (ktowych) z bdem nie przekraczajcym ± 1. ys. 11. Zasada dziaania fazomierza cyfrowego wartoci chwilowych: a) schemat funkcjonalny; b) przebiegi napi w odpowiednich punktach przyrzdu. [ 2. s, 260 ] Na bd pomiaru wartoci chwilowej przesunicia fazowego maj wpyw: bd zliczania 1/N 2, dodatkowe opónienia w obu kanaach (odpowiada temu dodatkowy bd p ), niestabilno czstotliwoci wzorcowej i mierzonej (zmniejsza si przez stosowanie synchronizacji) s, bd bramkowania B i bd z uwarunkowany znieksztaceniami przebiegu badanego. Najwiksze wartoci maj najczciej skadniki z i 1/N 2. Ogólnie graniczn warto bdu wzgldnego pomiaru przesunicia fazowego oblicza si ze wzoru Projekt wspófinansowany ze rodków Europejskiego Funduszu Spoecznego 18
xm p m s B z. x x N 2 1 Mostki do pomiaru czstotliwoci Do pomiaru czstotliwoci mona zastosowa mostek zaleny od czstotliwoci. Najczciej stosowanymi ukadami s mostki: mostek obinsona Wiena oraz mostek rezonansowy. Ukad mostka obinsona-wiena przedstawiono na rys. 12. ys. 12. Ukad mostka obinsona-wiena ys. 13. Ukad mostka rezonansowego. [ 4. s, 366 ] do pomiaru czstotliwoci. [ 4.s, 366 ] W stanie równowagi mostka obinsona-wiena suszna jest zaleno: 1 24 1 3 jc 1 1j4C4 A zatem warunki równowagi mostka przyjmuj posta: 2 1C1 4C4 1, 2 3 1 4. 4 C C 1 W mostkach sucych do pomiaru czstotliwoci 1 = 4 = oraz C 1 = C 4 = C, std: 2 / 3 = 2. Mostek jest w równowadze przy czstotliwoci 1 f. 2C Ukad mostka rezonansowego przedstawiono na rys.13. Stan równowagi tego mostka okrelaj równania: 1 2 1 oraz L1. 4 3 C1 A zatem mostek jest w równowadze przy czstotliwoci 1 f. 2 L 1 C 1 Projekt wspófinansowany ze rodków Europejskiego Funduszu Spoecznego 19
Mostki stosuje si do pomiaru czstotliwoci w zakresie do okoo 150 khz, a ich bd pomiaru wynosi 0,1 0,3%. Przy wikszych czstotliwociach zrównowaenie mostka jest trudne. 4.1.2. Pytania sprawdzajce Odpowiadajc na pytania sprawdzisz, czy jeste przygotowany do wykonania wicze. 1. Jakie znasz rodzaje czstociomierzy? 2. Jak jest zbudowany i jaka jest zasada dziaania czstociomierza rezonansowego? 3. Jak jest zbudowany i jaka jest zasada dziaania czstociomierza integracyjnego? 4. Jak jest zbudowany i jaka jest zasada dziaania czstociomierza cyfrowego? 5. Jak jest zbudowany i jaka jest zasada dziaania okresomierza cyfrowego? 6. Jak jest zbudowany i jaka jest zasada dziaania czasomierza cyfrowego? 7. Jak jest zbudowany i jaka jest zasada dziaania fazomierza cyfrowego? 8. Jak jest zbudowany i jaka jest zasada dziaania czstociomierza mikroprocesorowego? 9. Jak jest zbudowany i jaka jest zasada dziaania mostka rezonansowego? 10. Jakie s podstawowe parametry czstociomierzy? 11. Jakie funkcje posiadaj czstociomierze? 4.1.3.wiczenia wiczenie 1 Badanie czstociomierza cyfrowego. Cyfrowy pomiar czasu i czstotliwoci. Sposób wykonania wiczenia Aby wykona wiczenie powiniene: 1) zapozna si z dokumentacj badanego czstociomierza- czasomierza, 2) zapozna si z dokumentacj generatora funkcyjnego, 3) sprawdzi poprawno pracy czstociomierza wzorcowego, 4) narysowa schematy pomiarowe i zaproponowa tabelki, w których bd zapisywane wyniki pomiarów, 5) zmontowa ukad pomiarowy, wczajc do zacisków wyjciowych generatora czstociomierz-czasomierz i oscyloskop, 6) zmierzy czstotliwo wewntrznego generatora czstociomierza badanego i zanotowa jej zmiany w przecigu 10 min., 7) wykona seri 20 pomiarów zadanej czstotliwoci, 8) opracowa wyniki pomiarów, 9) sformuowa wnioski na podstawie uzyskanych wyników pomiaru. Wyposaenie stanowiska pracy: czstociomierz-czasomierz cyfrowy, czstociomierz wzorcowy, generator funkcyjny, oscyloskop dwukanaowy, instrukcje obsugi czstociomierzy, generatora, oscyloskopu. Projekt wspófinansowany ze rodków Europejskiego Funduszu Spoecznego 20
wiczenie 2 Okreli bdy pomiaru czstotliwoci 1 khz i 10 MHz metodami: bezporedni i poredni, dla rónych wartoci czasów zliczania oraz rónej liczby mierzonych okresów. Sposób wykonania wiczenia Aby wykona wiczenie powiniene: 1) zapozna si z dokumentacj badanego czstociomierza-czasomierza. 2) zapozna si z dokumentacj generatora funkcyjnego, 3) narysowa schematy pomiarowe i zaproponowa tabelki, w których bd zapisywane wyniki pomiarów, 4) skompletowa aparatur potrzebn do przeprowadzenia niezbdnych pomiarów, 5) dokona pomiaru czstotliwoci 1 khz i 10 MHz metod bezporedni dla rónych wartoci czasów zliczania oraz rónej liczbie mierzonych okresów, 6) dokona pomiaru czstotliwoci metod poredni tj przez pomiar okresu T, 7) obliczy bdy pomiaru czstotliwoci, 8) zaprezentowa wyniki i sformuowa wnioski. Uwaga: Zanim zostanie przyczone napicie, poczony ukad pomiarowy musi sprawdzi nauczyciel. Wyposaenie stanowiska pracy czstociomierz- czasomierz cyfrowy, generator funkcyjny, oscyloskop z sondami pomiarowymi, instrukcje obsugi. wiczenie 3 Zbada wpyw sygnau zakócajcego na dokadno pomiaru okresu przy rónych poziomach wzmocnienia ukadu wejciowego czstociomierza. Sposób wykonania wiczenia Aby wykona wiczenie powiniene: 1) zapozna si z instrukcjami czstociomierzy, 2) sprawdzi poprawno pracy czstociomierza-czasomierza (funkcja CHECK):przez zadany okres czasu powinny by zliczane impulsy z generatora wewntrznego czstociomierza, 3) zbada wpyw sygnau zakócajcego na dokadno pomiaru okresu podajc na wejcie czstociomierza najpierw niezakócony sygna badany, a nastpnie ten sam sygna zsumowany z sygnaem zakóceniowym o znacznie wikszej czstotliwoci; poziomy sygnaów naley kontrolowa na oscyloskopie; sprawdzenia naley dokona dla 3 rónych nastaw wzmocnienia ukadu wejciowego badanego czstociomierza czasomierza; bd pomiaru okresu przy duych czstotliwociach i bd pomiaru czstotliwoci przy maych czstotliwociach bada na czstociomierzu - czasomierzu, a drugi czstociomierz wykorzysta jako wzorcowy 4) sformuowa wnioski na podstawie uzyskanych wyników pomiaru. Projekt wspófinansowany ze rodków Europejskiego Funduszu Spoecznego 21
Uwaga: Zanim zostanie przyczone napicie, poczony ukad pomiarowy musi sprawdzi nauczyciel. Wyposaenie stanowiska pracy: czstociomierz-czasomierz cyfrowy, czstociomierz cyfrowy, generator dekadowy, generator funkcyjny, sumator, oscyloskop dwukanaowy, instrukcje obsugi: czstociomierzy, generatorów, sumatora, oscyloskopu, instrukcja wiczenia. 4.1.4. Sprawdzian postpów Czy potrafisz: Tak Nie 1) wymieni rodzaje czstociomierzy? 2) narysowa schemat blokowy czstociomierza cyfrowego? 3) narysowa przebiegi napi czstociomierza cyfrowego? 4) narysowa schemat funkcjonalny okresomierza cyfrowego? 5) narysowa przebiegi napi okresomierza cyfrowego? 6) narysowa schemat funkcjonalny fazomierza cyfrowego? 7) narysowa przebiegi napi fazomierza cyfrowego? 8) wykona pomiary czstotliwoci? 9) wykona pomiary okresu? 10) wykona pomiary przesunicia czasowego? 11) rozpozna elementy regulacyjne na pycie czoowej czstociomierzy? 12) rozpozna gniazda wejciowe czstociomierzy? 13) oszacowa dokadno pomiarów czstociomierzem? Projekt wspófinansowany ze rodków Europejskiego Funduszu Spoecznego 22
4.2. Generatory pomiarowe 4.2.1. Materia nauczania Podzia i wymagania Generatory pomiarowe s uywane jako róda kalibrowanych sygnaów, podawanych na wejcia badanych ukadów, oraz jako wzorce przy pomiarach porównawczych. Znajduj bardzo szerokie zastosowanie w miernictwie: w badaniach elementów czynnych i biernych, ukadów scalonych, urzdze elektrycznych i elektronicznych, przetworników pomiarowych i wielu innych. Generatory (np. monolityczne) stanowi funkcjonalny blok urzdzenia elektronicznego. Konstrukcyjnie generatory s ukadami elektronicznymi wytwarzajcymi sygnay wyjciowe (najczciej napiciowe) o cile okrelonych parametrach. Do ich budowy wykorzystuje si rónorodne ukady generacyjne, syntezery czstotliwoci oraz ukady przetworników analogowo- cyfrowych. Mona je klasyfikowa wedug rónych kryteriów. Najczstszymi kryteriami s: czstotliwo, moc lub ksztat generowanych sygnaów. Ze wzgldu na czstotliwo generatory mona podzieli na: generatory czstotliwoci podakustycznych (0,001 Hz 20 Hz), generatory czstotliwoci akustycznych (20 Hz 20 khz), generatory czstotliwoci ponadakustycznych (20 khz 100 khz), generatory wielkiej czstotliwoci (100 khz 150 MHz), generatory bardzo wielkiej czstotliwoci (150 MHz 30 GHz). Generatory pierwszych trzech grup maj wiele wspólnych cech i dlatego czy si je zwykle w jedn grup zwan generatorami maej czstotliwoci. Ze wzgldu na moc sygnau wyjciowego rozrónia si: generatory maej mocy ( P wy 0,1 W), generatory redniej mocy ( P wy 10 W), generatory duej mocy ( P wy > 10 W). Generatory maej mocy s budowane na wszystkie zakresy czstotliwoci. Generatory redniej mocy pracuj w zakresie maych czstotliwoci. Generatory o mocach wyjciowych wikszych od 10 W buduje si najczciej o zakresach bardzo wielkich czstotliwoci. Ze wzgldu na ksztat generowanych napi generatory mona podzieli na: generatory napi sinusoidalnych, generatory funkcyjne. Do drugiej grupy nale midzy innymi generatory napi prostoktnych, przebiegów trójktnych i pioksztatnych oraz generatory szumów i generatory dewiacyjne. Wymagania stawiane generatorom dotycz przede wszystkim takich parametrów jak: zakres czstotliwoci, moliwo przestrajania i odczytu czstotliwoci w sposób cigy, stabilno czstotliwoci, moliwo regulacji i odczytu napicia wyjciowego, stabilno napicia wyjciowego i jego niezalenoci od czstotliwoci, mae znieksztacenia generowanych przebiegów (stromo zboczy dla generatorów impulsów, liniowo zboczy dla generatorów przebiegów pioksztatnych lub trójktnych, maa zawarto harmonicznych dla generatorów przebiegów sinusoidalnych itp.) wspóczynnik wypenienia (generatory impulsowe). Generatory uywane w warunkach laboratoryjnych z reguy s szerokopasmowe z regulacj cig w penym zakresie lub podzakresach, a niekiedy z regulacj dyskretn. Projekt wspófinansowany ze rodków Europejskiego Funduszu Spoecznego 23
Czasami s uywane generatory o jednej lub dwóch wartociach czstotliwoci sygnau wyjciowego - szczególnie wtedy, kiedy generator jest czci przyrzdu pomiarowego (np. uniwersalnego mostka LC). Dokadno generatora pomiarowego jest uwarunkowana stabilnoci drga, dokadnoci wzorcowania, dokadnoci naniesienia podziaki i jej zdolnoci rozdzielcz. Dziki stosowaniu obwodów o dobrych wartociach filtracyjnych, stabilno ma znacznie mniejszy wpyw na dokadno nastawianej czstotliwoci ni pozostae czynniki. Najwiksz stabilno maj generatory napi sinusoidalnych (10-3 10-4 ). Dokadno wzorcowania zaley od dokadnoci uytego generatora wzorcowego i dokadnoci porównania. Jednake, nawet przy zastosowaniu do skalowania generatora wzorcowego o odpowiedniej dokadnoci, moe powsta bd z niezbyt dokadnego nanoszenia podziaki. Bd odczytu, zwizany ze zdolnoci rozdzielcz podziaki, zaley od wartoci rónicy czstotliwoci odpowiadajcych dwom ssiednim kreskom podziaki std tendencje do nanoszenia ich na tarczach o duych rednicach. Sumaryczny bd nastawiania czstotliwoci w generatorach pomiarowych wynosi 0,1 2 %. Impedancja wyjciowa generatorów o maej mocy jest zawarta w przedziale od kilku omów do kilku kiloomów (najczciej 50 lub 600), w zalenoci od zakresu czstotliwoci i przeznaczenia. Dla generatorów napi sinusoidalnych odpowiedni warto impedancji zapewniaj wyjciowe transformatory dopasowujce. Generatory sygnaów sinusoidalnych s wytwarzane na zakresy czstotliwoci od 10-3 10 11 Hz. Do generacji sygnaów w tak szerokim zakresie czstotliwoci stosuje si róne elementy i róne metody (rys. 16). ys. 16. Metody generacji drga w zalenoci od zakresu czstotliwoci (D.t. diody tunelowe; L.m. lampy mikrofalowe) [5, s. 33] Jako generowanych sygnaów okrela si za pomoc: wspóczynnika zawartoci harmonicznych w generatorach napi w sinusoidalnych; czasu trwania impulsu i poszczególnych jego czci w generatorach impulsowych; widmowego rozkadu gstoci mocy w generatorach szumów; zakresu dewiacji i czstotliwoci powtarzania przebiegów w generatorach dewiacyjnych. Generatory produkowane w kraju powinny spenia wymagania norm: PN-73/T-06503 [56]- Generatory pomiarowe maej czstotliwoci. Ogólne wymagania i badania oraz PN-84/T-06508 [57]- Generatory impulsowe pomiarowe. Ogólne wymagania i badania. Generatory sygnaów sinusoidalnych Generatory sygnaów sinusoidalnych s ukadami wzmacniacza ze sprzeniem zwrotnym speniajcym warunek amplitudy tzn. wzmocnienie amplitudy w ptli sprzenia Projekt wspófinansowany ze rodków Europejskiego Funduszu Spoecznego 24
zwrotnego powinno by równe jednoci (K u = 1) oraz warunek fazy tzn. cakowite przesunicie fazy w ptli sprzenia zwrotnego powinno by wielokrotnoci kta penego czyli: + = 2n gdzie n = 0, 1, 2,... Koncepcj ukadu generatora sygnau sinusoidalnego przedstawiono na rysunku 17. Jako sprzenie zwrotne stosuje si obwody rezonansowe LC (generatory Hartleya, Colpittsa, Clappa, Meissnera oraz ich modyfikacje z rezonatorem kwarcowym) lub filtry selektywne (filtr lub mostek Wiena, fitry podwójne T). ys. 17. Ukad generatora sygnau sinusoidalnego [5, s.34] Generatory maej czstotliwoci Podstawowym elementem kadego generatora jest wzmacniacz. Jeeli do jego wejcia zostanie doprowadzone napicie U 1, to na wyjciu pojawi si napicie przemienne o wartoci U L =KU 1 (K - wzmocnienie napiciowe) i przesuniciu fazowym 1. Wyjcie wzmacniacza jest obcione przez odbiornik o impedancji Z L oraz przez obwód sprzenia zwrotnego. ys. 18. Ilustracja do okrelania warunków wystpowania drga generatora [2, s.98] Napicie na wyjciu obwodu sprzenia zwrotnego ma warto U 2 =U L ( wspóczynnik sprzenia zwrotnego) oraz przesunicie fazowe 2 wzgldem napicia U L. W celu sprawdzenia, czy generator ma waciwoci wytwarzania drga, przerywa si tor sprzenia zwrotnego i obcia wyjcie tego obwodu rezystancj 1 równ rezystancji wejciowej wzmacniacza (ys. 18). Nastpnie doprowadza si do wejcia wzmacniacza napicie U 1 i mierzy napicie U 2. Generator ma waciwoci wytwarzania drga wówczas, gdy napicie wyjciowe jest równe napiciu wejciowemu. Warunkiem koniecznym wystpienia drga jest zatem: U L = KU 1 = U 1 std K = 1, a poniewa K i s w ogólnym przypadku liczbami zespolonymi, wic j( 1 2 K e ) = 1 Z równania tego wynikaj dwa warunki: K = 1 i 1 + 2 = 2n gdzie n = 0, 1, 2,... Pierwszy warunek nosi nazw warunku amplitudy. Zgodnie z nim generator moe generowa tylko wtedy, gdy wzmacniacz kompensuje dziaanie tumice obwodu sprzenia Projekt wspófinansowany ze rodków Europejskiego Funduszu Spoecznego 25
zwrotnego. Drugi warunek - tzw. warunek fazy - wskazuje, e drgania mog wystpi tylko wtedy, gdy napicie wyjciowe jest w fazie z napiciem wejciowym. W zalenoci od elementów zawartych w obwodzie sprzenia zwrotnego rozrónia si generatory LC i C. Generatory pomiarowe maej czstotliwoci s wykonywane jako generatory C i generatory dudnieniowe. Generatorów LC o takim zakresie czstotliwoci nie buduje si, gdy dobro obwodów LC przy maych czstotliwociach jest niewielka maa jest wic ich selektywno. Ponadto, aby pokry cay zakres czstotliwoci, elementy L i C musiayby mie due wymiary. W generatorach dudnieniowych stosuje si obwody LC, ale pracuj one w zakresie wielkich czstotliwoci. Schemat funkcjonalny generatora pomiarowego C przedstawiono na rysunku 19. Blok generatora wzbudzajcego to najczciej wzmacniacz z mostkiem Wiena w torze sprzenia zwrotnego. Potencjometr umoliwia pynn regulacj poziomu napicia wyjciowego. Generator ma dwa wyjcia. Do wyjcia pierwszego sygna jest podawany poprzez wzmacniacz mocy i transformator dopasowujcy TD. Jest to wyjcie o maej impedancji i duej mocy. Do drugiego z wyj sygna jest podawany poprzez dzielnik napicia DN. Wyjcie przez dzielnik jest wyjciem o duej impedancji (najczciej 600) i maej mocy. Wskanikiem poziomu sygnau wyjciowego jest woltomierz. ys. 19. Schemat funkcjonalny generatora C [2, s.99] Schemat generatora wzbudzajcego z mostkiem Wiena przedstawiono na rys.20. W generatorze tym jako ukad sprzenia zwrotnego zastosowano ukad mostkowy. Przez odpowiedni dobór wasnoci elementów mostka uzyskuje si spenienie warunków generacji (K=1 i 1 + 2 = 2n). ys. 20. Schemat generatora wzbudzajcego z mostkiem Wiena [2, s.99] Dla podanego na rys. 20 generatora z mostkiem Wiena stan równowagi wystpuje przy pulsacji Projekt wspófinansowany ze rodków Europejskiego Funduszu Spoecznego 26
1 0. C Warunek amplitudy dla tego generatora z mostkiem symetrycznym Wiena wyraa si zalenoci 1 2 Generatory pomiarowe C s budowane na zakres czstotliwoci 20 Hz 200 khz. Czstotliwo sygnau wyjciowego jest regulowana w sposób cigy lub skokowy (w generatorach dekadowych). Napicie wyjciowe z generatorów pomiarowych C odznacza si maym wspóczynnikiem znieksztace nieliniowych (poniej 0,1%) oraz du stabilnoci czstotliwoci (1,5 10-4 2,5 10-3 ). Generatory pomiarowe maej czstotliwoci mog by równie wykonywane jako generatory dudnieniowe. W generatorach tych sygnay maej czstotliwoci uzyskuje si przez zmieszanie dwóch sygnaów wielkiej czstotliwoci tak dobranych, aby ich rónica bya w zakresie maych czstotliwoci. Jeeli charakterystyka mieszacza jest nieliniowa, a na jego wejcie podano dwa sygnay o czstotliwociach f 1 i f 2, to na wyjciu pojawi si, midzy innymi, skadowa sygnau o czstotliwoci rónicowej f = f 1 - f 2. Eliminujc za pomoc filtru wszystkie czstotliwoci, oprócz rónicowej, mona na wyjciu otrzyma sygna o maej czstotliwoci. 2 ys. 21. Schemat blokowy generatora dudnieniowego [2, s. 100] Schemat strukturalny takiego generatora przedstawiono na rysunku 21. Generatory G 1 i G 2 pracuj najczciej w ukadach w obwodami LC. Generator G 1 pracuje przy ustalonej czstotliwoci f 1. Trymery C 0 i C 1 su do odstrajania czstotliwoci w niewielkich granicach (± 100 Hz) i zerowania generatora. Drugi z generatorów jest przestrajany za pomoc kondensatora C 2 w granicach od f 2 = f 1 - f m (gdzie f m zakres generowanej maej czstotliwoci) do f 2 = f 1. Sygnay wielkiej czstotliwoci po wzmocnieniu pierwszy o czstotliwoci f 1 za pomoc wzmacniacza selektywnego, drugi o czstotliwoci f 2 za pomoc wzmacniacza szerokopasmowego s podawane na wejcie mieszacza. W produkowanych obecnie generatorach dudnieniowych mieszaczami s ukady zrównowaonych modulatorów piercieniowych. Cech charakterystyczn takich mieszaczy jest obecno w sygnale wyjciowym jedynie sygnaów o czstotliwoci rónicowej (f 1 f 2 ) i sumarycznej (f 1 + f 2 ), pod warunkiem, e obydwie krzywe napi w. cz. s idealnymi sinusoidami. Wówczas sygna rónicowy atwo wyodrbnia si za pomoc filtru dolnoprzepustowego. Projekt wspófinansowany ze rodków Europejskiego Funduszu Spoecznego 27
Sygna maej czstotliwoci jest nastpnie wzmacniany przez wzmacniacz mocy i podawany na wyjcie przez transformator dopasowujcy TD lub przez dzielnik napicia DN (tumik). Stabilno czstotliwoci sygnau wyjciowego zaley od stabilnoci generatorów G 1 i G 2, bowiem bezwzgldne zmiany czstotliwoci tycz generatorów przenosz si bezporednio na czstotliwo rónicow. Niewielkie procentowe zmiany f 1 i f 2 mog wic powodowa znaczne procentowe zmiany czstotliwoci rónicowej. Obydwa generatory w. cz. maj jednakowe ukady i s identycznie zmontowane. Wpyw zmian napi zasilajcych jest wic skompensowany. Nie s natomiast skompensowane wpywy temperatury, gdy róne s obwody rezonansowe obydwu generatorów. Ponadto wpyw ten zmienia si w funkcji zmian czstotliwoci, gdy zmienne jest pooenie ruchomej elektrody kondensatora C 2. Szczególnie duy wpyw temperatury wystpuje w dolnym zakresie czstotliwoci i dlatego konieczna jest regulacja zera czstotliwoci rónicowej za pomoc trymera C 0. Generatory dudnieniowe s najczciej budowane na zakresy 20 Hz 20 khz, a niekiedy 50 Hz 5 MHz. Charakteryzuj si one stabilnoci czstotliwoci od 1 10-4 do 1,5 10-3 i bdem nastawiania czstotliwoci 1% do 2%. Zalet tych generatorów jest ciga regulacja czstotliwoci w caym zakresie. Generatory wielkiej czstotliwoci Generatory tej grupy s wykonywane na zakresy czstotliwoci od 100 Hz do 150 MHz, a niekiedy do 400 MHz. Uproszczony schemat blokowy generatora wielkiej czstotliwoci przedstawiono na rysunku 22. Generator wzbudzajcy, realizowany najczciej w ukadzie generatora z obwodem rezonansowym LC w ptli sprzenia zwrotnego (generatory Colpitsa, Hartleya lub Clappa), ma zwykle elektroniczn lub piezoelektryczn stabilizacj czstotliwoci. zakres czstotliwoci jest dzielony na kilka podzakresów realizowanych za pomoc przeczanych cewek indukcyjnych. Pynn regulacj czstotliwoci uzyskuje si w kadym podzakresie przez zmian pojemnoci kondensatorów. ys. 22. Schemat blokowy generatora wielkiej czstotliwoci [2, s. 101] ezonansowy wzmacniacz separator moe peni róne funkcje. Separuje on generator od wpywu obcienia, co przyczynia si do poprawy stabilnoci czstotliwoci drga, zwiksza poziom sygnau wyjciowego, peni role modulatora amplitudy, a w niektórych generatorach podwajacza czstotliwoci. Projekt wspófinansowany ze rodków Europejskiego Funduszu Spoecznego 28
Modulatory stosowane w generatorach sygnaowych s budowane w rónych ukadach. Modulacj czstotliwoci, jeli jest przewidziana w generatorze, realizuje si w ukadzie generatora wzbudzajcego. Uywa si do tego celu diody pojemnociowej, która w takt zmian napicia polaryzujcego zmienia swoj pojemno, a tym samym czstotliwo sygnau wyjciowego. Zwykle w generatorze przewidziana jest zarówno moliwo modulacji wewntrznej, jak i modulacji napiciem zewntrznym. ródem wewntrznego napicia modulujcego jest generator LC maej czstotliwoci, który wytwarza drgania o jednej lub dwu czstotliwociach. Poziom sygnau wyjciowego reguluje si za pomoc tumika (dzielnik napicia), a kontroluje si za pomoc woltomierza lub miernika mocy. Jako modulacji jest kontrolowana przez miernik gbokoci modulacji lub miernik dewiacji czstotliwoci. Bd nastawiania czstotliwoci sygnau wyjciowego w generatorach wielkiej czstotliwoci jest z reguy mniejszy ni 1%. Poziom sygnau wyjciowego jest zawarty w granicach od jednego do kilku woltów. Bardzo ma niepewno, tj. 10-8 10-10, nastawienia czstotliwoci sygnau wyjciowego generatora pomiarowego mona osign dziki syntezie czstotliwoci pomiarowego w syntezerach. Najwaniejszym podzespoem syntezera jest wysokostabilny generator kwarcowy o niestabilnoci czstotliwoci ok. 10-10. Jego czstotliwo poddaje si zwielokrotnieniu w powielaczach oraz podzieleniu w dzielnikach czstotliwoci. Z wielokrotnoci i podwielokrotnoci czstotliwoci generatora kwarcowego, poprzez odpowiednie ich sumowanie, otrzymuje si dan czstotliwo. Najczciej stosowanymi powielaczami s: generatory harmonicznych z diodami pasywnymi, tranzystorowe generatory harmonicznych. Uproszczony ukad generatora harmonicznych nieparzystych o czstotliwoci (2n 1) ƒ, gdzie n=2, 3,..., oraz dzielnika czstotliwoci ƒ sygnau wejciowego przedstawiono na rysunku 23. Przeksztacenie realizuje si za pomoc wzmacniacza W o bardzo duym wzmocnieniu, którego punkty pracy znajduj si na obszarze odcicia lub nasycenia. Harmoniczne, np. 3ƒ, 5ƒ, 7ƒ otrzymuje si za pomoc filtru pasmowego FP. Elementem dzielcym czstotliwo ƒ przez dwa jest przerzutnik P. ys. 23. Schemat strukturalny ukadu wytwarzania harmonicznych nieparzystych oraz dzielnika czstotliwoci [5, s. 35] Przebieg sinusoidalny o czstotliwoci 0,5ƒ otrzymuje si na wyjciu filtru dolnoprzepustowego FD. Sumowanie czstotliwoci realizuje si w ukadzie mnocym zbudowanym z elementów nieliniowych. Jeeli napicia wejciowe wynosz u 1 (t) = U 1 cos 1 t Projekt wspófinansowany ze rodków Europejskiego Funduszu Spoecznego 29
oraz u 2 (t) = U 2 cos 2 t, gdzie k = 2ƒ k, to napicie wyjciowe elementu mnocego wynosi: U1U 2 u(t) u1(t)u 2 (t) [cos(1 2)t cos(1 2)t]. 2 Po odfiltrowaniu otrzymuje si jeden sygna o czstotliwoci (ƒ 1 + ƒ 2 ) oraz drugi o czstotliwoci (ƒ 1 - ƒ 2 ). Te sygnay stosuje si do dalszego sumowania czstotliwoci. W ten sposób otrzymuje si wyjciowe napicie u(t) o pulsacji, która jest sum kilku skadowych pulsacji tzn. = 1 + 2 +... Obecnie wytwarzane syntezery umoliwiaj generacj napi sinusoidalnych od 1 µhz do wielu GHz z niepewnoci nastawienia czstotliwoci równ niepewnoci wzorcowego generatora kwarcowego, czyli ok. 10-10. Dodatkowo napicie sinusoidalne moe by przeksztacone na prostoktne lub pioksztatne za pomoc konwerterów funkcji. Konwertery funkcji s to ukady przeksztacajce przebiegi o rónym ksztacie, w szczególnoci o ksztacie trójktnym, na przebiegi o innym ksztacie. Generatory impulsowe Pomiarowe generatory impulsowe s ródami sygnaów impulsowych o rónym ksztacie. Najczciej s stosowane generatory impulsów prostoktnych i szpilkowych. Generator impulsów prostoktnych wytwarza impulsy o regulowanej w szerokich granicach czstotliwoci i czasie trwania impulsów. Budowane s generatory impulsów podwójnych o regulowanym opónieniu oraz generatory kodowych grup impulsów. ys. 24. Schemat blokowy generatora impulsów prostoktnych [4, s. 145] Istnieje wiele sposobów wytwarzania impulsów prostoktnych. Czsto ksztatuje si te impulsy przez obcinanie, wzmacnianie i róniczkowanie napicia sinusoidalnego (ys. 24). W ten sposób mona otrzyma impulsy prostoktne o czasie trwania znacznie krótszym od okresu ich powtarzania. Czsto takie impulsy prostoktne, wytwarza si przy zastosowaniu niesymetrycznego multiwibratora astabilnego. W generatorze takim regulacj czasu trwania impulsów i okresu ich powtarzania uzyskuje si zwykle przez zmian rezystancji lub pojemnoci w ukadzie multiwibratora. Generatory cyfrowe Wród generatorów pomiarowych szczególne miejsce zajmuj generatory budowane z zastosowaniem cyfrowych ukadów elektronicznych. Umoliwiaj one uzyskanie przebiegów o dowolnym ksztacie (nawet przebiegu o ksztacie opisanym równaniem analitycznym w przypadku cyfrowych generatorów programowalnych). Generacja okrelonego przebiegu w generatorach programowalnych polega na aproksymacji jego ksztatu przebiegiem schodkowym, tak jak to wyjaniono na rysunku 25. Przebiegi schodkowe uzyskuje si przy wykorzystaniu przetworników cyfrowo-analogowych. Ogólna zasad dziaania programowalnego generatora funkcyjnego wyjaniono na schemacie strukturalnym przedstawionym na rysunku 26. Projekt wspófinansowany ze rodków Europejskiego Funduszu Spoecznego 30
ys. 25. Aproksymacja przebiegu sinusoidalnego ze skadow sta przebiegiem schodkowym, zrealizowanym za pomoc 4- bitowego przetwornika A/C [5, s. 38] ys. 26. Schemat strukturalny cyfrowego generatora funkcyjnego [5, s.38] Podany ksztat przebiegu jest zakodowany w pamici cyfrowej w postaci cigu liczb N k, okrelajcych wartoci u(t k ) napicia wyjciowego w kolejnych chwilach t k (k=1,2,... M) odlegych od siebie o (patrz rysunek 25). Przedzia czasu jest okrelony jako stosunek okresu T generowanego przebiegu do pojemnoci pamici K, czyli = K T Czstotliwo =1/T przebiegu wyjciowego programuje si przez takie nastawienie dzielnika czstotliwoci dzielnika czstotliwoci wzorcowej 0, aby impulsy odczytu kolejnych komórek pamici pojawiay si z czstotliwoci K. Odczytywane z t czstotliwoci liczby N i steruj przetwornikiem cyfrowo-analogowym (C/A), ja wyjciu którego pojawia si przebieg schodkowy aproksymujcy przebieg o danym ksztacie. Filtr wygadza ten przebieg, a tumik umoliwia dobranie wartoci amplitudy. Generatory programowane mog generowa przebiegi o dowolnych ksztatach. Jeeli stosowana w ukadzie pami pozwala na wpis w dowolnej chwili (pami typu AM), to jest moliwe uzyskiwanie przebiegów na podstawie równa analitycznych wprowadzonych do ukadu programowania ksztatu. Ukad ten jest wówczas specjalizowanym Projekt wspófinansowany ze rodków Europejskiego Funduszu Spoecznego 31
mikrokomputerem pozwalajcym na wprowadzenie równania, przetwarzajcym to równanie na cig liczb N k i wprowadzajcym ten cig do pamici. Cyfrowe generatory programowane umoliwiaj take uzyskania dwóch przebiegów Czstotliwo =1/T przebiegu wyjciowego programuje si przez takie nastawienie dzielnika czstotliwoci dzielnika czstotliwoci wzorcowej 0, aby impulsy odczytu kolejnych komórek pamici pojawiay si z czstotliwoci K. Odczytywane z t czstotliwoci liczby N i steruj przetwornikiem cyfrowo-analogowym (C/A), na wyjciu którego pojawia si przebieg schodkowy aproksymujcy przebieg o danym ksztacie. Filtr wygadza ten przebieg, a tumik umoliwia dobranie wartoci amplitudy. Generatory programowane Generatory programowane mog generowa przebiegi o dowolnych ksztatach. Jeeli stosowana w ukadzie pami pozwala na wpis w dowolnej chwili (pami typu AM), to jest moliwe uzyskiwanie przebiegów na podstawie równa analitycznych wprowadzonych do ukadu programowania ksztatu. Ukad ten jest wówczas specjalizowanym mikrokomputerem pozwalajcym na wprowadzenie równania, przetwarzajcym to równanie na cig liczb N k i wprowadzajcym ten cig do pamici. Cyfrowe generatory programowane umoliwiaj take uzyskania dwóch przebiegów o nastawianych z du dokadnoci wartociach ich amplitud oraz wzajemnego przesunicia fazowego (stosujc generatory analogowe jest to bardzo trudno zrealizowa w szerokim przedziale czstotliwoci). Generacj dwóch przebiegów o cile okrelonym przesuniciu fazowym mona uzyska w ukadzie pokazanym na rysunku 27, zawierajcym dwa identyczne tory formowania przebiegu wyjciowego. ys. 27. Cyfrowy generator dwóch przebiegów przesunitych w fazie [5, s. 39] Impulsy odczytujce o tej samej czstotliwoci s podawane na wejcia obu ukadów pamici, lecz w taki sposób, e w jednym z nich odczytuje si liczb N k, a w drugim N k+m. Liczba m wyznacza przesunicie fazowe wg zalenoci Projekt wspófinansowany ze rodków Europejskiego Funduszu Spoecznego 32
360 m. K Precyzja odwzorcowania ksztatu w generatorach cyfrowych jest zwizana z rozdzielczoci przetwornika C/A oraz stabilnoci czstotliwoci wzorcowej. Zakres generowanych czstotliwoci wynika z szybkoci dziaania przetwornika C/A. Maksymalne czstotliwoci nie przekraczaj kilkudziesiciu MHz. Obsuga generatora funkcyjnego Produkowane obecnie generatory funkcyjne s przyrzdami uniwersalnymi, wytwarzajcymi sygnay: sinusoidalne, trójktne oraz prostoktne. Charakteryzuj si take moliwoci regulacji parametrów tych przebiegów. ys. 28. Pyta czoowa generatora funkcyjnego. [3, s. 39 ] Na rysunku 28 przedstawiono pyt czoow typowego generatora funkcyjnego. Sposób ustawienia przebiegów, wytwarzanych przez generator, omówiono jednoczenie z przedstawieniem funkcji poszczególnych przeczników i pokrte. odzaj przebiegu Za pomoc przecznika wyboru funkcji (FUNCTION) 3 wybiera si ksztat generowanego przebiegu Zakres czstotliwoci (FEQUENCY ANGE) okrela przedzia czstotliwoci, w którym bdzie si zawieraa czstotliwo wytwarzanego przebiegu. egulacji czstotliwoci dokonuje si wstpnie poprzez wybór zakresu za pomoc przycisku (FEQUENCY ANGE) 2, a nastpnie dokadnie przy uyciu pokrta pynnej regulacji (FEQUENCY) 8. Jeeli zostanie wybrany np. zakres x1k, to czstotliwo bdzie mona pynnie regulowa w przedziale 100 Hz 10kHz Produkowane obecnie generatory s na ogó wyposaone w wewntrzny czstociomierz cyfrowy (wskanik czstociomierza DISPLAY 14), podajcy z du dokadnoci warto czstotliwoci wytwarzanego przebiegu. Amplituda napicia (AMPLITUDE). Warto amplitudy wytwarzanego przebiegu ustala si za pomoc pokrta pynnej regulacji - 9. Generator ma moliwo skokowej zmiany zakresu regulacji, w celu umoliwienia precyzyjnego ustalenia amplitudy. Dokonuje si tego poprzez wycigniecie pokrta pynnej regulacji (PULL OFF). Wówczas zakres napicia wyjciowego zmniejsza si do poziomu np. -20 db (zmniejszenie dziesiciokrotne) i amplitud mona regulowa pynnie w zakresie Projekt wspófinansowany ze rodków Europejskiego Funduszu Spoecznego 33