Описание лабораторной установки и методики измерений

Лабораторная установка состоит из частотомера Ч3–34 (см. приложение), с помощью которого измеряют частоту, период повторения сигналов и отношение частот двух гармонических колебаний, и генератора Г6–34.

Генератор Г6–34 состоит из двух генераторов (модуляционного и основного) и имеет два выхода: с модуляционного генератора снимается гармонический сигнал с частотой f ₁ = (10…20) кГц, а с основного – гармоническое колебание с частотой f ₂ = (9…10) МГц.

Генератор, как источник колебаний, характеризуется долговременной и кратковременной нестабильностью частоты. В данной работе исследуются долговременные (одночасовые) нестабильности основного и модуляционного генераторов Г6–34. С помощью частотомера измеряются значения частот f ₁ и f ₂ каждого из генераторов в моменты времени t _H и t _K = t _H + Т, где Т = 1 ч. При этом режим измерения частоты (время Т _ИЗМ) выбирается в зависимости от времени наблюдения. Рекомендуемые соотношения между Т и Т _ИЗМ приведены в табл. 3.1.

 

Таблица 3.1

Т	1 год	1 мес.	1 сут	1 ч	100 с
Т ИЗМ	1 сут	1 сут	1 ч	100 с, 10 с	1 с, 0,1 с, 0,01; 0,001 с

 

Учитывая рассматриваемую нами одночасовую нестабильность частоты генераторов, можно принять согласно табл. 3.1 Т _ИЗМ = 10 с (см. пп. 4, 6 лабораторного задания).

Работе частотомера должна предшествовать проверка его работоспособности. Такая проверка осуществляется в режиме «КОНТРОЛЬ» по показаниям частотомера для каждого из сочетаний положений переключателей «МЕТКИ ВРЕМЕНИ» и «ВРЕМЯ ИЗМЕРЕНИЙ» в соответствии с табл. 3.2.

 

Таблица 3.2

Метки времени	Время измерений
1 мс	10 мс	0,1 с	1 с	10 с
10 нс
1 мкс
10 мкс
1 мс

 

Показания исправного прибора должны отличаться не более чем на одну единицу младшего разряда отсчета.

 

Домашнее задание

 

1. Изучите по литературе принципы работы электронно-счетного частотомера в режимах измерения частоты, периода и отношения частот, а также способы оценки погрешностей измерений ([1], с. 155–175).

2. Изучите инструкцию по эксплуатации частотомера Ч3–34, приведенную в настоящем сборнике (см. приложение).

3. Изобразите в отчете упрощенные структурные схемы частотомера в различных режимах измерений, используемых в работе.

4. Ответьте на контрольные вопросы.

 

Лабораторное задание

1. Включите частотомер Ч3–34 и генератор Г6–34. Прогрейте приборы в течение 20 мин. За это время ознакомьтесь с описанием приборов и инструкцией по их эксплуатации. Внесите в отчет нормальные и рабочие условия эксплуатации частотомера и его паспортные данные. Запишите показания термометра.

2. Проверьте работоспособность частотомера в режиме «КОНТРОЛЬ»:

а) установите автоматический режим измерений. Произведите отсчет показаний частотомера в соответствии с табл. 3.2 и занесите их в таблицу отчета. (Время индикации показаний следует выбрать удобным для наблюдения и считывания). Сделайте вывод о работоспособности частотомера.

б) убедитесь в работоспособности частотомера в режиме ручного запуска нажатием кнопки «ПУСК». Установите после этого снова автоматический режим измерения.

3. Построение градуировочнойхарактеристики основного генератора Г6–34.

Установите следующий режим работы генератора: сигнал – гармонический, множитель установки частоты 10⁶. Подключите выход генератора к входу «Б» частотомера, установите «ВРЕМЯ ИЗМЕРЕНИЯ» Т _ИЗМ = 1 с. Изменяя частоту генератора f _{Г i} от 1 до 10 МГц с шагом 1 МГц, произведите отсчеты показаний частотомера f _{Ч i}. Постройте градуировочную характеристику генератора, откладывая по оси абсцисс значения f _{Ч i}, а по оси ординат – f _{Г i}.

4. Установите значение частоты сигнала генератора f ₂ = (9…10) МГц. (В дальнейшем значение f ₂ не изменять!). Измерьте значение частоты f ₂ при Т _ИЗМ = 10 с. Зафиксируйте по часам время проведения измерения t _2Н. (Такое же измерение надо повторить через один час, т.е. при t _2К = t _2Н + 1 ч.).

5. В соответствии с описанием прибора измерьте частоту f ₂ при четырех значениях Т _ИЗМ – 1 с; 0,1 с; 10 мс; 1мс.

Используя паспортные данные, рассчитайте относительные и абсолютные погрешности измерения частоты f ₂ для каждого времени измерения. Запишите результаты измерений. Постройте зависимости относительной и абсолютной погрешностей измерения частоты f ₂ от Т _ИЗМ.

6. Измерьте значение частоты f ₁. Для этого подключите выход модуляционного генератора Г6–34 к входу «А» частотомера. Установите значение частоты гармонического сигнала f ₁ = (10…20) кГц (в дальнейшем значение f ₁ не изменять!), Т _ИЗМ =10 с. Произведите отсчет показания частотомера. Зафиксируйте по часам время проведения измерения t _1Н. (Такое же измерение надо повторить через один час, т.е. при t _1К = t _1Н + 1 ч. Следите за временем!).

По паспортным данным рассчитайте погрешность измерения частоты f ₁ и запишите результат измерения.

7. Измерьте период сигнала модуляционного генератора Т ₁. Для этого подключите генератор к входу «В» частотомера. В соответствии с описанием частотомера измерьте период Т ₁ для четырех значений периода следования импульсов генератора меток времени Т ₀ – 1 мкс; 10 мкс; 0,1 мс; 1 мс при значении множителя периода n = 1.

По паспортным данным рассчитайте погрешности измерений Т ₁. Запишите результаты измерений. Постройте зависимость относительной погрешности измерения Т ₁ от периода следования Т ₀.

8. Исходя из результатов п. 7, установите режим работы частотомера, обеспечивающий минимальную погрешность измерения периода Т ₁. Измерьте снова Т ₁, рассчитайте погрешность и запишите результат измерения.

9. По результатам п. 8 рассчитайте значение частоты f ₁ и ее погрешность как косвенного измерения (f ₁ = 1/ Т ₁). Сравните с результатами п. 6. Сделайте выводы. ( Напоминание. Вспомните про пп. 4 и 6).

10. На основании повторных измерений частот f ₂ и f ₁ по пп. 4 и 6, выполненных через один час, рассчитайте отношение частот k = f ₂ / f ₁ и его погрешность как косвенного измерения.

11. Измерьте отношение частот k = f ₂ / f ₁. Для этого сигнал с частотой f ₁ подайте на вход «В», а с частотой f ₂ – на вход «А». В соответствии с описанием частотомера измерьте отношение частот f ₂ и f ₁ с максимальной точностью. Рассчитайте погрешность и запишите результат измерения. Сравните с результатами п. 10.

12. Определение долговременной нестабильности частоты генераторов. На основании результатов измерений частот f ₁ и f ₂ в пп. 4 и 6 рассчитайте долговременные относительные нестабильности частот d_1Д и d_2Д. Сделайте выводы.

 

Контрольные вопросы

1. Изобразите упрощенную структурную схему частотомера в режиме измерения частоты, поясните принцип действия, получите соотношение для вычисления предельной погрешности.

2. Изобразите упрощенную структурную схему частотомера в режиме измерения периода повторения, поясните принцип действия, получите соотношение для вычисления предельной погрешности.

3. Почему при измерении частоты сигнала иногда отказываются от прямого измерения частоты частотомером, а переходят к косвенному измерению этой частоты путем прямого измерения периода данного сигнала?

4. Изобразите упрощенную структурную схему частотомера в режиме измерения отношения частот, поясните принцип действия, получите соотношение для вычисления предельной погрешности.

5. Опишите методику многократных измерений периода повторения. Получите формулу для расчета погрешности дискретности.

 

Лабораторная работа № 4