Реферат: Поверка электронно-счетных частотомеров. Поверка универсальных электронно-лучевых осциллографов
БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙУНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИИ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Кафедра метрологии и стандартизации
РЕФЕРАТ
На тему:
«Поверка электронно-счетныхчастотомеров. Поверка универсальных электронно-лучевых осциллографов»
Минск, 2008
Поверка электронно-счетныхчастотомеров
Нормируемые параметры иметрологические характеристики, контролируемые при поверке
При поверкеэлектронно-счетных частотомеров (ЭСЧ)контролируются следующие метрологическиехарактеристики:
1) диапазон измеряемыхчастот;
2) диапазон измеряемыхпериодов;
3) основная относительнаяпогрешность измерения частоты определяемая из выражения:
/>, (1)
где d0 — относительная погрешность по частоте опорного кварцевогогенератора;
Ти — время измерения;
fx — измеряемая частота.
4) основная относительнаяпогрешность измерения периода определяется из выражения:
/>, (2)
где Т0 — период следования счетных импульсов;
Тх — измеряемый период;
n — коэффициент умножения сигналаопорного генератора;
m — число усредняемых периодов.
Первая и втораяметрологические характеристики определяются в операции поверки «Опробование».Если ЭСЧ находился в ремонте, то необходимо также проверить егоработоспособность при минимальных входных напряжениях гармонических иимпульсных сигналов.
При определениипогрешностей δf и δT проверяют отдельно:
1) относительнуюпогрешность по частоте опорного кварцевого генератора (δ0);
2) составляющиепогрешности измерения частоты и периода из-за дискретности (вторые слагаемые вформулах (1) и 2)).
Средства поверки
При поверке ЭСЧприменяются следующие эталонные и вспомогательные средства поверки.
1 Приемники эталонныхчастот.
2 Рубидиевые стандартычастоты с номинальными значениями частот 100 кГц, 1 и 5 МГц сотносительной нестабильностью порядка 10-11.
3 Кварцевые генераторы стеми же значениями номинальных частот и относительной нестабильностью порядка10-8.
Стандарты частоты икварцевые генераторы являются мерами образцовой частоты и если есть возможностьи необходимость, то точность этих мер контролируется с помощью приемниковэталонных частот.
4 Синтезаторы частоты,перекрывающие диапазон частот 0,01 Гц – 50 МГц.
5 Умножители частоты.
6 Компараторы частоты.
7 Генераторыуниверсальные, вольтметры переменного напряжения и осциллографы.
Методы и схемы поверки
Проверка диапазоновизмеряемых частот и периодов
Поверка диапазоновизмеряемых частот и периодов проводится по схеме приведенной на рисунке 1методом прямых измерений частоты (периода) задаваемых измерительнымигенераторами (ИГ) соответствующих диапазонов и видов.
/>
Рисунок 1 — Поверка диапазонов частот (периодов)
методом прямых измерений
Измерения проводятся накрайних точках диапазона частот fн (Tн) и fв (Tв) и на 5 – 6 точках внутридиапазона.
При необходимостипроверки минимальных значений входных напряжений к выходу генератора подключаютвольтметр, с помощью которого и устанавливают минимальное значение напряжениявходного сигнала. При этом на ЭСЧ должны наблюдаться устойчивые показания.
Определение относительной погрешностипо частоте опорного кварцевого генератора
Относительную погрешностьпо частоте опорного кварцевого генератора определяют методом сравнения припомощи компаратора по схеме, приведенной на рисунке 2.
Выход опорного кварцевогогенератора поверяемого ЭСЧ, соединяется с входом 1 компаратора. С источникаобразцовой частоты, которым является стандарт частоты вида Ч1-, подается сигналтакой же частоты на вход 2 компаратора и на разъем «5МГц» частотомера вида Ч3-,использующего этот сигнал вместо собственного сигнала опорной частоты.
/>
Рисунок 2 — Определение относительнойпогрешности по частоте опорного кварцевого генератора методом сравнения
Выходной сигналкомпаратора с частотой fk подается на вход ЭСЧ (Ч3), работающего в режимеизмерения частоты при времени измерения 1 или 10 сек.
Для повышениядостоверности результатов измерения снимается не менее 10 последовательныхпоказаний частотомера и находится их среднее арифметическое значение:
/>, (3)
где fki – значениячастоты выходного сигнала компаратора единичного измерения;
n – количествопроведенных единичных измерений.
Относительная погрешностьпо частоте опорного генератора определяется по формуле
/>, (4)
где fкн – значениечастоты компаратора, соответствующее номинальному значению частоты опорногогенератора;
fн – номинальное значениечастоты опорного генератора;
M – коэффициент умножениякомпаратора.
Определив относительнуюпогрешность d0, проводяткоррекцию частоты опорного генератора ЭСЧ, после чего шлиц «коррекция частоты»пломбируется.
Определение составляющих погрешностиизмеряемой частоты и периода из-за дискретности счета
Определение данныхсоставляющих погрешности проводят методом прямого измерения образцовой частоты.В качестве источника эталонной частоты используется либо синтезатор частоты,либо синтезатор совместно с умножителем частоты.
Схема соединений приборовпри этой операции поверки приведена на рисунке 3.
/>
Рисунок 3
Синтезатор и поверяемыйЭСЧ должны быть засинхронизированы от опорного генератора поверяемого прибора.
На вход поверяемого ЭСЧподают сигнал, близкий к частоте верхнего предела и напряжением, равнымминимальному входному напряжению, при котором ЭСЧ должен нормально работать.При отсутствии у синтезатора градуированного по напряжению выхода сигнала,необходимо контролировать это напряжение с помощью вольтметра.
Проводят серию из 10наблюдений. Результаты поверки считаются положительными, если 9 наблюдений(показаний прибора) при измерении не отличаются от f0 более чем на ±1 деление младшего разряда счета.
По аналогичной методикеопределяется составляющая погрешности из-за дискретности при измерении периода.При этом на вход частотомера подают частоты соответствующие верхней и низшейчастоте диапазона, установленного для частотомера в режиме измерения периода.
Поверка универсальных электронно-лучевыхосциллографов
Нормируемые параметры иметрологические характеристики
К метрологическимхарактеристикам осциллографов, связанным с параметрами исследуемых сигналов,относятся:
1) коэффициент отклонения(КО) – отношение значения входного напряжения (Uвх) к значению отклонения лучана экране ЭЛТ (h), создаваемого этим напряжением
/>, />; (5)
2) коэффициент развертки(КР) − отношение периода входного сигнала (Т) к длине перемещения луча наэкране в течение этого периода (l), вызванного воздействием генератораразвертки
/>, />; (6)
3) погрешностикоэффициента отклонения (δко) и коэффициента развертки (δкр);
4) ширина линии луча ввертикальном и горизонтальном направлении;
5) полоса пропускания −диапазон частот, в пределах которого значения АЧХ (зависимость КО от частотыисследуемого сигнала) не отличается более чем на 3дБ от значения АЧХ на опорнойчастоте. Так как осциллографы чаще всего применяют для исследования импульсныхсигналов, их характеризуют в основном не АЧХ, а параметрами переходнойхарактеристики (ПХ);
6) метрологическойхарактеристикой осциллографа, позволяющей оценить погрешности измерений из-заискажений формы исследуемого сигнала, является ПХ канала сигнала. ПХ −изображение на ЭЛТ осциллографа, полученное при подаче на его вход перепаданапряжения с длительностью фронта не более 0,3 от времени нарастания переходнойхарактеристики. Параметрами переходной характеристики являются: времянарастания tн, время установления tу, выброс ΔА и неравномерностьΔАн. На рисунке 4 показано изображение сигнала на экране ЭЛТ при проверкеэтих параметров;
7) погрешности измеренияамплитудных (δu) и временных (δТ) параметров описываются следующимивыражениями
/>, (7)
где δко −погрешность КО;
δпр −погрешность преобразования, которая определяется в основном неравномерностьюпереходной характеристики канала Y;
δвн −погрешность визуального наблюдения, зависящая от толщины луча и размеровосциллограммы.
/>, (8)
где δкр −погрешность КР;
δвн −погрешность визуального наблюдения, зависящая от толщины луча и размеровосциллограммы (при измерении длительности импульса зависит еще и от точностиустановки уровня 0,5).
Операции, методы и схемы поверки
Основные операции поверкиследующие: определение ширины луча, определение погрешности коэффициентовотклонения и развертки, определение погрешности измерения напряжения ивременных интервалов, определение параметров ПХ и АЧХ.
Определение ширины линии луча
Ширину линии луча ввертикальном направлении определяют методом косвенного измерения при помощигенератора импульсов с калиброванным выходом. Схема соединения приборовприведена на рисунке 5.
/>
Рисунок 4 — Изображение ПХ на экране ЭЛТосциллографа,
где tr − времянарастания; τy − время установления, в пределах которогонеравномерность ΔАну может превышать заданное значение ΔАн; ΔА −выброс; ΔАну − неравномерность на участке установления; ΔАн −неравномерность; А1 − установившееся значение ПХ
/>
Рисунок 5
Поверяемый осциллографпереводят в автоколебательный режим развертки. Устанавливают коэффициент разверткив пределах 2 – 10 мкс/дел, период следования импульсов генератора 40 — 200 мкс, длительность импульсов 10 –50 мкс, амплитуду импульсов 2 – 5 В, коэффициент отклонения 5 В/дел.
На экране ЭЛТ наблюдаютдве горизонтальные линии. Устанавливают требуемую яркость и фокусируют луч.
Изменяют амплитудуимпульсов до значения Uг, при котором светящиеся линии соприкасаются. Ширинулинии луча по вертикали dв в делениях вычисляют по формуле
/>, (9)
где Uг − амплитудаимпульсов, при которой линии соприкасаются, В;
Kо − коэффициентотклонения по вертикали, В/дел.
Ширину линии луча вгоризонтальном направлении определяют методом косвенного измерения при помощигенератора импульсов и источника пилообразного напряжения (рисунок 6).
/>
Рисунок 6
Устанавливают те жережимы работы и значения параметров, что и в предыдущем случае. На ЭЛТнаблюдают две вертикальные линии. Изменяя значение коэффициента отклонения,устанавливают высоту изображения линий, возможно близкую к длине рабочегоучастка шкалы ЭЛТ. Коэффициент отклонения горизонтали вычисляют по формуле:
/>, (10)
где Uг − амплитудаимпульсов на выходе генератора, В;
l − длинаизображения по горизонтали, деления.
Изменяют амплитудуимпульсов до значения Uгк, при котором две светящиеся линии соприкасаются.Ширину линии луча dг по горизонтали вычисляют по формуле:
/>. (11)
Ширину линии луча ввертикальном и горизонтальном направлениях определяют в середине и на границахрабочего участка ЭЛТ.
Определение погрешности коэффициентаотклонения
Погрешность коэффициентаотклонения определяют либо методом косвенного измерения действительногозначения коэффициента отклонения при помощи генератора импульсов или установкидля поверки вольтметров, либо методом прямого измерения при помощи импульсногокалибратора осциллографов. Схема поверки при поверке одним и другим методомодинакова и приведена на рисунке 8.
/>
Рисунок 8
В режиме внутреннегозапуска при максимальном значении коэффициента отклонения Kомах проводятизмерения высоты изображения, равного всем четным делениям шкалы ЭЛТ повертикали, устанавливая соответствующие значения напряжения эталонных приборов.Для всех других значений Kо измерения проводят при высоте изображения сигнала,равной четному числу делений и составляющей 60-100% рабочего участка экрана.
При использованиикалибратора осциллографов погрешность отсчитывают непосредственно по его шкале.При использовании генератора импульсов сначала рассчитывают действительноезначение Kо по формуле:
/>, (12)
где Uг −напряжение, подаваемое на вход осциллографа с генератора, В;
h − высотаизображения, дел.
Затем погрешность Kорассчитывают по формуле:
/> , (13)
где Kон – установленное(номинальное) значение Kо на поверяемом осциллографе.
Определение погрешности коэффициентаразвертки
Погрешности коэффициентаразвертки определяют методом косвенного измерения действительного значениякоэффициента развертки при помощи генератора сигналов, генератора импульсов иэлектронно-счетного частотомера или методом прямых измерений при помощикалибратора осциллографов импульсного.
Электронно-счетныйчастотомер используют при необходимости для повышения точности установкичастоты (периода) сигналов генераторов.
Схема измеренияаналогична приведенной на рисунке.
Режим запуска развертки −внутренний. Измерения проводят при среднем значении коэффициента отклонения.Путем изменения частоты сигнала на выходе образцового генератора устанавливаютвначале рабочего участка экрана длину изображения четного числа периодовсинусоидального или импульсного напряжения, равную наименьшей допустимой длине,установленной в НД на поверяемый прибор. Погрешность коэффициента разверткиопределяют сопоставлением установленного его значения с полученным поэталонному прибору. Коэффициенты разверток аналогично определяют для всехзначений длины шкалы по горизонтали, равных четному числу делений, а также длянаибольшего значения длины в пределах рабочего участка ЭЛТ по горизонтали.Измерения проводят для всех фиксированных значений коэффициента развертки.
Определение погрешности измерениянапряжения
Эту погрешностьопределяют методом прямого измерения напряжения, формируемого эталоннымисредствами: генератором импульсов с калиброванной амплитудой, установкой дляповерки вольтметров, калибратором осциллографов. Измерения проводятся при всехзначениях коэффициента отклонения и не менее чем при пяти значениях диапазонаизмеряемых осциллографом напряжений, включая два крайних. Погрешность измеренияоценивается путем сравнения измеренных значений напряжения с помощью осциллографас соответствующими значениями, установленными на эталонных приборах.
Определение погрешности измерениявременных интервалов
Эту погрешностьопределяют методом прямого измерения временных интервалов, задаваемых в видепериода синусоидального или импульсного напряжения эталонными средствами.Измерения проводят в соответствии с методикой, установленной в НД на поверяемыйприбор для каждого значения коэффициента развертки при среднем значениикоэффициента отклонения и не менее чем при пяти значениях диапазона измеряемыхосциллографом временных интервалов, включая два крайних. Погрешность измеренияоценивают сопоставлением измеренных значений периода сигнала с егодействительным значением, отсчитанным по эталонному прибору.
Определение параметров переходнойхарактеристики канала вертикального отклонения
Эти параметрыопределяются методом прямых измерений при помощи генератора испытательныхимпульсов. Основным требованием является выполнение соотношения между фронтомиспытательного импульса tф и временем нарастания tн переходной характеристики:
tф ≤ (0,1 — 0,3)tн.
Измерения проводят врежиме внешнего запуска развертки при минимальном значении коэффициентаразвертки путем непосредственного отсчета параметров переходной характеристикипо ее изображению на экране ЭЛТ: времени нарастания, времени установления,выброса, неравномерности для всех фиксированных значений коэффициентаотклонения при положительной или отрицательной полярности испытательныхимпульсов.
ЛИТЕРАТУРА
1 Димов Ю.В. метрология,стандартизация и сертификация. Учебник для вузов. 2-е изд. – СПб.: Питер, 2006.
2 Метрология, стандартизация исертификация: Учебник/Ю.И. Борисов, А.С. Сигов и др.; Под ред. А.С. Сигова. –М. Форум: Инфра-М, 2005.
3 Руководство по выражениюнеопределенности измерения. – ВНИИМ, С-Пб.: 2005.