Ćwiczenie 23. Cyfrowe pomiary czasu i częstotliwości. Program ćwiczenia: 1. Pomiar częstotliwości z wykorzystaniem licznika 2. Pomiar okresu z wykorzystaniem licznika 3. Obserwacja działania pętli synchronizacji fazowej 4. Pomiar współczynnika wypełnienia z wykorzystaniem licznika Wyposażenie stanowiska: 1. Licznik cyfrowy wraz z obwodami wejściowymi oraz układem pętli synchronizacji fazowej 2. Częstościomierz Dagatron 8030 lub PFL30 wykorzystywany jako źródło odniesienia 3. Dzielnik częstotliwości z 5 wyjściami 4. Generator sygnałów dowolnych Rigol DG1022. 5. Oscyloskop cyfrowy Rigol DS1052E Literatura: [1] A. Chwaleba, M.Poniński, A.Siedlecki - Metrologia elektryczna [2] Marek M. Stabrowski - Miernictwo elektryczne. Cyfrowa technika pomiarowa [3] P.Lesiak, D.Świsulski - Komputerowa technika pomiarowa Dokumentacja techniczna przyrządów pomiarowych: Instrukcje obsługi przyrządów Rigol: http://www.kmet.agh.edu.pl -> dydaktyka -> Materiały dla studentów Informacja na temat niniejszej instrukcji: Czcionką pogrubioną zaznaczono rzeczy, na które należy zwrócić szczególną uwagę, a czcionką pochyloną najistotniejsze zagadnienia do przemyślenia po wykonaniu danego punktu ćwiczenia. Odpowiedzi na te zagadnienia powinny stanowić podstawę przy formułowaniu wniosków z przeprowadzonych eksperymentów. 1
Zakres wymaganych wiadomości do testu: Budowa i zasada działania częstościomierza cyfrowego Budowa i zasada działania cyfrowego miernika okresu Właściwości pętli synchronizacji fazowej 2
WPROWADZENIE - Licznik cyfrowy, dzielnik częstotliwości Używany w ćwiczeniu układ licznika został zbudowany w oparciu o układ FPGA; na wspólnej płytce drukowanej umieszczono też obwody wejściowe (kondycjonowania sygnałów), obwody wyjściowe (buforujące) oraz układ pętli synchronizacji fazowej 74HC4046. Zliczona wartość jest prezentowana na wbudowanym wyświetlaczu 7-segmentowym o długości 8 cyfr. Licznik posiada dwa tryby pracy. W trybie T/f zawartość licznika jest przepisywana do rejestru na zboczu narastającym sygnału bramkującego, a licznik jest kasowany następnym zboczem narastającym. W ten sposób zliczanie następuje w okresie sygnału z wejścia GATE, pozwalając na pomiar czasu i częstotliwości. W trybie φ/d licznik jest zerowany również zboczem narastającym sygnału GATE, ale jego zawartość jest zapisywana do rejestru przy zboczu opadającym. W ten sposób zliczany jest tylko czas utrzymywania stanu wysokiego, co pozwala na pomiar fazy i wypełnienia. Schemat blokowy urządzenia przedstawia rysunek 1. ukł.ster. GATE CLK AND licznik rejestr wyświetlacz Rysunek 1 Schemat blokowy licznika cyfrowego stosowanego w ćwiczeniu Aby z wykorzystaniem licznika zbudować miernik częstotliwości lub okresu, należy dostarczyć do niego odpowiednio sygnał czasu lub częstotliwości wzorcowej. Źródłem sygnału częstotliwości wzorcowej jest znajdujący się na stanowisku częstościomierz Dagatron 8030 lub PFL30; na jego tylnej ściance znajduje się gniazdo, z którego można pobrać sygnał CMOS o częstotliwości 10MHz, wytwarzany przez generator częstościomierza. Ponieważ częstotliwość 10 MHz jest zbyt wysoka dla potrzeb ćwiczenia, sygnał jest doprowadzony do dzielnika częstotliwości. Dzielnik częstotliwości jest wyposażony w pięć wyjść, dostarczających sygnałów CMOS 3.3V. Częstotliwości wyjściowe dzelnika (w nawiasie podano częstotliwość i wypełnienie dla sygnału wejściowego o częstotliwości f i = 10 MHz): f i /10 (1 MHz, wypełnienie 50 %) f i /100 (100 khz, wypełnienie 50 %) f i /10 6 (10 Hz, wypełnienie 50 %) f i /10 7 (1 pps = 1 Hz, wypełnienie 10%) f i /10 8 (0,1 pps = 0,1 Hz, wypełnienie 1%) 3
1. Pomiar częstotliwości z wykorzystaniem licznika Aby z wykorzystaniem licznika cyfrowego zbudować układ miernika częstotliwości, należy połączyć układ według schematu przedstawionego na rysunku 2. Częstościomierz Dagatron 8030 lub PFL30 10 MHz OUT G Dzielnik Częstotliwości GATE CLK Licznik cyfrowy OSC CH1 CH2 EXT Rysunek 2 Układ do pomiaru częstotliwości W układzie tym sygnał mierzony jest doprowadzony do wejścia CLK licznika, a wzorcowy sygnał czasu - do wejścia bramkującego GATE. Źródłem sygnału badanego jest generator Rigol DG1022. Ponieważ nie wykorzystujemy obwodów wejściowych, sygnał badany powinien być w standardzie CMOS lub TTL. Częstościomierz Dagatron lub PFL30 służy wyłącznie jako źródło sygnału odniesienia. 1) Połączyć układ według rysunku 2, upewniwszy się że wyjście generatora Rigol DG1022 jest wyłączone (skorzystać z wyjścia 1). Do wejścia dzielnika częstotliwości podłączyć sygnał wzorcowy 10 MHz z gniazda na tylnej ściance częstościomierza Dagatron 8030 lub PFL30. Sygnał z wyjścia 1/10 7 dzielnika podłączyć do wejścia GATE licznika. Przełączyć licznik w tryb T/f przełącznikiem na tyle obudowy. 2) W oscyloskopie włączyć oba kanały (przyciski CH1 i CH2 obok ekranu). Pokrętłem SCALE z grupy HORIZONTAL ustawić wartość współczynnika podstawy czasu na 0.2 s/dz. Pokrętłem SCALE z grupy VERTICAL ustawić kolejno wzmocnienie w obu kanałach (wybieranych przyciskami CH1 i CH2) na 1 V/dz. Oscyloskop zsynchronizować do kanału 1 (włączyć menu synchronizacji przyciskiem Menu z sekcji TRIGGER; następnie wybrać SOURCE -> CH1 oraz SLOPE -> RISING. 3) Ustawić w generatorze sygnał prostokątny (przycisk Square), amplitudę 3V pp (zakładka Ampl, następnie wpisać z klawiatury lub ustawić pokrętłem), składową stałą 1,5V DC (zakładka Offset, następnie wpisać z klawiatury lub ustawić pokrętłem) i częstotliwość 1 Hz (zakładka Freq, następnie wpisać z klawiatury lub ustawić pokrętłem). Włączyć wyjście przyciskiem Output sąsiadującym ze złączem wyjściowym 4
4) Ustawiać w generatorze kolejno częstotliwości: 10 Hz, 55 Hz, 1 khz, 5 MHz (zakładka Freq ). Dla każdej z nastawionych wartości zanotować wartość zliczoną przez licznik. Dla częstotliwości 10 Hz przerysować przebiegi z ekranu oscyloskopu do sprawozdania. UWAGA: ze względów konstrukcyjnych wskazanie licznika jest odświeżane co drugi impuls na wejściu GATE. Z tego względu po każdej zmianie częstotliwości należy odczekać trzy okresy bramkowania przed zapisaniem wyniku. 5) Punkt 3 powtórzyć dla sygnału z wyjścia 1/10 6 podłączonego do wejścia GATE licznika. Wszystkie wyniki zanotować w tabeli w sprawozdaniu. Który okres sygnału bramkującego daje większą rozdzielczość? W którym przypadku wynik odświeżany jest najczęściej (sygnalizowane diodą GATE licznika)? Od czego zależy maksymalna częstotliwość, którą można zmierzyć z użyciem licznika? 5
2. Pomiar okresu z wykorzystaniem licznika W celu dokonania pomiaru okresu z wykorzystaniem licznika, należy połączyć układ według schematu z rysunku 3. 10 MHz OUT Dzielnik Częstotliwości OSC CH1 CH2 EXT Częstościomierz Dagatron 8030 lub PFL30 G GATE CLK Licznik cyfrowy Rysunek 3 Układ do pomiaru okresu W układzie tym sygnał mierzony jest doprowadzony do wejścia bramkującego GATE licznika, a do wejścia CLK doprowadza się sygnał o częstotliwości wzorcowej. Jest to jedyna różnica pomiędzy tym a poprzednim sposobem połączenia. Licznik powinien pracować w trybie T/f. 1) Połączyć układ według rysunku 3, upewniwszy się, że wyjście generatora Rigol jest wyłączone (przycisk Output nie jest zaświecony). Do wejścia dzielnika częstotliwości podłączyć sygnał 10 MHz z gniazda na tylnej ściance częstościomierza. Do wejścia CLK licznika podłączyć sygnał z wyjścia 1/100 dzielnika częstotliwości. Przełączyć licznik w tryb T/f przełącznikiem na tyle obudowy. 2) W oscyloskopie włączyć oba kanały (przyciski CH1 i CH2 obok ekranu). Pokrętłem SCALE z grupy HORIZONTAL ustawić wartość współczynnika podstawy czasu na 0.2 s/dz. Pokrętłem SCALE z grupy VERTICAL ustawić kolejno wzmocnienie w obu kanałach (wybieranych przyciskami CH1 i CH2) na 1 V/dz. Oscyloskop zsynchronizować do kanału 1 (włączyć menu synchronizacji przyciskiem Menu z sekcji TRIGGER; następnie wybrać SOURCE -> CH1 oraz SLOPE -> RISING. 3) Ustawić w generatorze sygnał prostokątny (przycisk Square ), amplitudę 3V p-p (zakładka Ampl, następnie wpisać z klawiatury lub ustawić pokrętłem), składową stałą 1,5V DC (zakładka Offset, następnie wpisać z klawiatury lub ustawić pokrętłem) i okres 1 s (zakładka Freq dwukrotnie - zmieni opis na Period, następnie wpisać z klawiatury lub ustawić pokrętłem). Włączyć wyjście przyciskiem Output sąsiadującym ze złączem wyjściowym. 6
4) Ustawiać w generatorze kolejno okresy 5s, 0.1s, 1ms, 500ns (zakładka Period, następnie wpisać z klawiatury lub ustawić pokrętłem). W tabeli w sprawozdaniu dla każdego ustawionego okresu zapisać wartość zliczoną przez licznik i wskazanie częstościomierza Dagatron. 5) Punkt 4 powtórzyć dla sygnału odniesienia z wyjścia 1/10 dzielnika. Wyniki zanotować w tabeli w sprawozdaniu. Od czego zależy minimalny i maksymalny okres sygnału, który można zmierzyć w taki sposób? 7
3. Obserwacja działania pętli synchronizacji fazowej Układ pętli synchronizacji fazowej jest zabudowany wraz z układem licznika na jednej płytce drukowanej, jednak jego wejścia i wyjścia są wyprowadzone wyłącznie na zewnątrz obudowy. Pozwala to obserwować działanie pętli synchronizacji fazowej niezależnie od działania licznika. Schemat połączeń układu do badania pętli przedstawia rysunek 4. OSC CH1 CH2 EXT G PLL OUT PLL IN Licznik cyfrowy Rysunek 4 Obserwacja działania pętli synchronizacji fazowej 1) Połączyć układ według rysunku 4, upewniwszy się że wyjście generatora Rigol jest wyłączone (przycisk Output nie jest zaświecony). 2) W oscyloskopie włączyć oba kanały (przyciski CH1 i CH2 obok ekranu). Pokrętłem SCALE z grupy HORIZONTAL ustawić wartość współczynnika podstawy czasu na 50 μs/dz. Pokrętłem SCALE z grupy HORIZONTAL ustawić kolejno wzmocnienie w obu kanałach (wybieranych przyciskami CH1 i CH2) na 1 V/dz. Oscyloskop zsynchronizować do kanału 1 (włączyć menu synchronizacji przyciskiem Menu z sekcji TRIGGER; następnie wybrać SOURCE -> CH1 oraz SLOPE -> RISING. Włączyć pomiar częstotliwości w kanale 2 (Przycisk Measure, następnie z menu Source wybrać CH2 i z menu Time wybrać Freq, zatwierdzając wciśnięciem pokrętła wybierania). 3) Ustawić w generatorze sygnał prostokątny (przycisk Square ), amplitudę 3V pp (zakładka Ampl, następnie wpisać z klawiatury lub ustawić pokrętłem), składową stałą 1,5V DC (zakładka Offset, następnie wpisać z klawiatury lub ustawić pokrętłem) i częstotliwość 125 Hz (zakładka Freq, następnie wpisać z klawiatury lub ustawić pokrętłem). 4) Włączyć wyjście generatora przyciskiem Output sąsiadującym ze złączem wyjściowym. 5) Zmieniać częstotliwość generatora kolejno na 80 Hz, 100 Hz, 125 Hz, 140 Hz, 160 Hz i 200 Hz (zakładka Freq, następnie wpisać z klawiatury). Dla każdej ustawionej częstotliwości zapisywać w sprawozdaniu 8
częstotliwość sygnału wyjściowego pętli synchronizacji fazowej. UWAGA: po zmianie częstotliwości częstotliwość wyjściowa może wahać się kilka sekund. Każdorazowo należy odczekać ten czas przed zapisaniem wartości. Jeżeli zmiany utrzymują się po kilku sekundach, oznacza to że częstotliwość wyjściowa oscyluje. W takiej sytuacji zapisać najczęściej występującą wartość. Policzyć stosunki częstotliwości wyjściowej do wejściowej. Częstotliwość sygnału wyjściowego pętli powinna być 100 razy większa od częstotliwości wejściowej. Czy pętla synchronizacji fazowej pracuje poprawnie dla każdej ze zbadanych częstotliwości? 9
4. Pomiar współczynnika wypełnienia z wykorzystaniem licznika Sposób połączenia układu do pomiaru współczynnika wypełnienia z wykorzystaniem licznika i pętli synchronizacji fazowej przedstawia rysunek 5. CLK PLL OUT PLL IN Licznik cyfrowy GATE G Rysunek 5 Układ do pomiaru przesunięcia fazowego W układzie tym sygnałem bramkującym jest sygnał badany, a sygnałem zegarowym dostarczony przez pętlę synchronizacji fazowej synchroniczny z nim sygnał o stukrotnie wyższej częstotliwości. Licznik powinien pracować w trybie φ/d. 1) Połączyć układ pomiarowy zgodnie z rysunkiem 5, upewniwszy się, że wyjście generatora jest wyłączone (przycisk Output nie jest zaświecony). Przełączyć licznik w tryb φ/d przełącznikiem na tyle obudowy. 2) Ustawić w generatorze sygnał impulsowy (przycisk Pulse ), amplitudę 3V pp (zakładka Ampl, następnie wpisać z klawiatury lub ustawić pokrętłem), składową stałą 1,5V DC (zakładka Offset, następnie wpisać z klawiatury lub ustawić pokrętłem) i częstotliwość 125 Hz (zakładka Freq, następnie wpisać z klawiatury lub ustawić pokrętłem). Ustawić współczynnik wypełnienia sygnału na 50% (zakładka DtyCyc, następnie wpisać z klawiatury lub ustawić pokrętłem). Włączyć wyjście generatora przyciskiem Output sąsiadującym ze złączem wyjściowym. 3) Ustawiać kolejno współczynniki wypełnienia: 50%, 10%, 90%, 50.3%, 50.5%, 50.8%. Każdorazowo zanotować w tabeli czy wskazanie zmienia się w trakcie pomiaru oraz najczęściej wskazywaną przez licznik wartość. Jaka jest rozdzielczość licznika przy tym pomiarze? Jakie są przyczyny wahań wskazania licznika? Zaproponuj sposób zwiększenia rozdzielczości licznika. 10