Методические рекомендации к лабораторным работам для студентов специальности 200106 «Информационно-измерительная техника и технологии» (стр. 3 из 5)
Генератор на элементах R1-R4, ZQ1, DD1.1 и DD1.2, а также каскад двоично-десятичных счётчиков DD1, DD2, DD3 позволяют получить сигналы с известной частотой. Эти сигналы могут быть использованы как синхронизирующие, при генерации линейно изменяющегося напряжения и, главным образом, как образцовая частота f0, при измерении длительности импульса Tx (см. рисунок А.2).
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
Измерение ёмкости и сопротивления
методом дискретного счёта
В основу метода положено использование апериодического процесса, возникающего при подключении заряженного конденсатора к образцовому резистору. При измерении сопротивления обеспечивают разряд образцового конденсатора через измеряемый резистор.
Структурная схема измерителя ёмкости, реализующая метод дискретного счёта, приведена на рисунке Б.1.
Перед началом измерения ключ SA находится в положении 1 и конденсатор СX заряжается через ограничительный резистор RДдо
значения стабилизированного источника напряжения Е. В момент начала измерения t1 (рисунок Б.2а) управляющее устройство вырабатывает импульс, который сбрасывает предыдущие показания счётчика
импульсов, перебрасывает триггер (см. рисунок Б.1) из состояния логи-ческого 0 в состояние логической 1 и переводит ключ SA в положе-
ние 2.
& – логическое И; = = – компаратор; CT – счётчик; DC –
дешифратор; G – генератор; T – триггер; УУ – устройство
управления; ЦИ – цифровой индикатор
Рисунок Б.1 – Структурная схема измерителя ёмкости,
реализующая метод дискретного счёта
Рисунок Б.2
Конденсатор Сx начинает разряжаться через образцовый резистор Rобр по экспоненциальному закону (рисунок Б.2б), который описывается выражением
,
где
– постоянная времени цепи разряда, с.В момент
сигнал с выхода триггера, равный логической 1, разрешает прохождение с генератора импульсов с частотой f на счётчик через элемент И. Напряжение UC подается на один из входов компаратора, ко второму входу компаратора подводится напряжение с делителя, состоящего из резисторов R1 и R2, которое определяется выражением: 
По мере разряда конденсатора напряжение UC уменьшается. Через промежуток времени τ оно становится равным напряжению UR.
В момент t2 равенства этих напряжений (cм. рисунок Б.2б) на выходе компаратора генерируется импульс (рисунок Б.2в), переключающий триггер в исходное состояние, равное логическому 0 (рисунок Б.2г), при этом запрещается прохождение импульсов с генератора на счётчик (рисунок Б.2д).
Если t2 – t1 = τ, то при UC = URполучим
,или
Таким образом, напряжение UR, снимаемое с делителя R1, R2, должно иметь определенное значение, что достигается подбором резисторов R1, R2.
Через время τ на счётчик пройдёт N импульсов, где N = f·τ. Значение N дешифруется и отображается на индикаторе.
Так как τ = Rобр·Сx , то при фиксированных значениях f и Rобр
где 
,
то есть измеряемая ёмкость прямо пропорциональна показанию счётчика N.
При наличии образцового конденсатора Собр можно аналогичным образом измерить сопротивление резистора
где
.Погрешность измерений методом дискретного счёта составляет 0,1–0,2 % и зависит, главным образом, от нестабильности сопротивлений резисторов Rобр, R1, R2 или конденсатора Собр, нестабильности частоты генератора импульсов, а также неточности срабатывания компараторов.
Схема электрическая принципиальная стенда для изучения метода измерения ёмкости и сопротивления методом дискретного счёта приведена в Приложении Ж.
Для удобства проведения измерений на элементах R5–R7, C1, C2 и DA1 собран генератор, в котором меняется частота в зависимости от измеряемой ёмкости конденсатора или от измеряемого сопротивления резистора. В качестве измеряемых конденсаторов могут выступать конденсаторы C1 и C2 (выбирается переключением перемычки JP2). В качестве измеряемых резисторов могут выступать резисторы R6 и R7 (выбираются переключением перемычки JP1). Период генерации определяется по формуле
,где R – один из резисторов R6 или R7, Ом,
С – один из конденсаторов С1 или С2, Ф.
На триггерах DD5.1 и DD5.2 собран делитель частоты на 4, что позволяет увеличить период измеряемого сигнала и, как следствие, повысить точность измерений.
На элементах DD1.1, DD1.2, R1, R2, R3, R4, ZQ1, DD3 и DD4 собран генератор эталонных импульсов, который необходим для измерения длительности искомого импульса.
Все остальные функции выполняет внутрисхемный эмулятор лабораторного стенда [2].
ПРИЛОЖЕНИЕ В
Измерение частоты методом
электронно-счётного частотомера
Метод электронно-счётного частотомера основан на измерении числа периодов измеряемой частоты за интервал времени, формируемый генератором образцовой частотой. При помощи генератора образцовой частоты формируют временной интервал известной длительности ∆t. Подсчитав количество импульсов N, следующими с неизвестной частотой fx за интервал ∆t, можно найти измеряемую частоту по формуле
.Принцип работы измерителя частоты, использующего метод электронно-счётного частотомера поясняется на рисунке В.1. На рису-нке В.1а приведены импульсы измеряемой частоты, на рисунке В.1б – импульс эталонной длительности ∆t, на рисунке В.1в – результат подсчёта количества импульсов, попавших в эталонный интервал.
Рисунок В.1
Результат подсчёта числа импульсов, попавших во временной интервал ∆t, фиксируется в цифровой форме при помощи счётчика импульсов. Обычно время ∆t выбирают равным 10m, m – целое число, принимающее значения от минус 3 до 2. Поэтому показания электронно-счётного частотомера численно совпадают со значением измеряемой частоты.
Для измерения периодических сигналов произвольной формы необходимо сформировать из них сигнал прямоугольной формы. Формирование прямоугольных импульсов из синусоидального сигнала показано на рисунке В.2. В данном случае преобразование ведётся по простому алгоритму – положительный сигнал появляется на выходе устройства преобразования в случае, если синусоидальный сигнал больше 0. Если синусоидальный сигнал меньше или равен 0, то сигнал на выходе устройства преобразования равен 0.
Рисунок В.2
Структурная схема измерения частоты способом электронно-счётного частотомера приведена на рисунке В.3.
& – логическое И;
– делитель частоты; CT – счетчик;DC – дешифратор; G – генератор; УУ – устройство управления;
ФУ – формирующее устройство; ЦИ – цифровой индикатор
Рисунок В.3
Периодический сигнал, частоту fx которого необходимо измерить, поступает на формирующее устройство прибора. Помимо усиления или ослабления, формирующее устройство преобразует сигнал в периодическую последовательность импульсов с частотой следования, равной fx. Импульсы измеряемой частоты и сигнал с образцового генератора (через делитель частоты) подаются на схему логического И. Делитель частоты обеспечивает увеличение периода образцового сигнала и, следовательно, точности измерения. Делитель частоты представляет собой набор двоично-десятичных счётчиков, каждый из которых уменьшает частоту следования импульсов в 10 раз. Коэффициент деления q зависит от числа включенных счётчиков.