Классификация частотомеров

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Разработка любого радиоэлектронного устройства сопровождается физическим или математическим моделированием. Физическое моделирование связано с большими материальными затратами, поскольку требуется изготовление макетов и их трудоемкое исследование. Часто физическое моделирование просто невозможно из-за чрезвычайной сложности устройства, например, при разработке больших и сверхбольших интегральных микросхем. В этом случае прибегают к математическому моделированию с использованием средств и методов вычислительной техники. Одним из примеров таких программ является Electronics Workbench (EWB) компании Interactive Image Technologies Ltd.

В процессе знакомства с программой и примерами ее многочисленных применений можно убедиться, что весьма удобный пользовательский интерфейс EWB действительно является серьёзной предпосылкой для использования ее в учебных целях в качестве лабораторного практикума по таким предметам, как физика (электричество), основы электротехники и электроники, основы вычислительной техники и автоматики. Особенностью данной программы является наличие контрольно-измерительных приборов по внешнему виду и характеристикам приближенных к их промышленным аналогам.[1]

Electronics Workbench 5.0

История создания программы Electronics Workbench (EWB) начинается с 1989 г. Ранние версии программы состояли из двух независимых частей. С помощью одной половины программы можно были моделировать аналоговые устройства, с помощью другой -- цифровые. Такое "раздвоенное" состояние создавала определенные неудобства особенно при моделировании смешанных аналого-цифровых устройств. В 1996 г. в версии 4.1 эти части были объединены и через полгода выпущена пятая версия программы. Она дополнена средствами анализа примерно в объеме программы Micro-Сар V переработана и несколько расширена библиотека компонентов. Средства анализа цепей выполнены в типичном для всей программы ключе -- минимум усилий со стороны пользователя. Дальнейшим развитием EWB является программа EWB Layout, предназначенная для разработки печатных плат. Программа EWB обладает преемственностью снизу вверх, т.е. все схемы, созданные в версиях 3.0 и 4.1, могут быть промоделированы в версии 5.0. Следует отметить, что EWB позволяет также моделировать устройства, для которых задание на моделирование подготовлено в текстовом формате SPICE, обеспечивая совместимость с программами Micro-Cap и PSpice.[3]

Программа EWB 5.0 рассчитана для работы в среде Windows 95/98 и NT 3.51, требуемый объем дисковой памяти -- около 16 Мбайт. Для размещения временных файлов требуется дополнительно 10 -- 20 Мбайт свободного пространства.

Программа позволяет:

создать принципиальную электрическую схему устройства и отредактировать ее;

провести расчет статического режима по постоянному току;

рассчитать частотные характеристики и переходные процессы;

провести оценку уровня внутреннего шума и предельной чувствительности;

провести многовариантный анализ, включая статистический анализ по методу Монте-Карло;

наращивать библиотеку компонентов;

представлять данные в форме, удобной для интерпретации и дальнейшего анализа;

реализовать другие сервисные функции, типичные для такого класса программ.

Количество библиотечных компонентов - около 10 тыс. Программа хотя и уступает по возможностям математического анализа программе Micro-Cap V, но не имеет аналогов среди приведенных выше пакетов по простоте интерфейса и освоения. Что во многих случаях и является решающим аргументом в пользу выбора этого пакета во многих учебных заведений мира. Простой интерфейс пользователя позволяет после двух-трех часов предварительной подготовки, пользователю имеющему навыки работы в среде Windows приступить к самостоятельной работе.

Подводя итог всему выше сказанному можно сделать вывод, что хотя Electronics Workbench 5.0 фирмы Interactive Technologies и не является самым функциональным пакетом математического моделирования, но благодаря простоте освоения является лучшим выбором из программ данного класса, для знакомства пакетами симуляции реальных радиоэлектронных устройств.[2]

1. Классификация частотомеров

Электронно-счетные частотомеры. Принцип действия электронно-счетных частотомеров (ЭСЧ) основан на подсчете количества импульсов, сформированных входными цепями из периодического сигнала произвольной формы, за определенный интервал времени. Интервал времени измерения также задается методом подсчета импульсов, взятых с внутреннего кварцевого генератора ЭСЧ или из внешнего источника (например, стандарта частоты). Таким образом, ЭСЧ является прибором сравнения, точность измерения которого зависит от точности эталонной частоты.

ЭСЧ является наиболее распространенным видом частотомеров благодаря своей универсальности, широкому диапазону частот (от долей герца до десятков мегагерц) и высокой точности. Для повышения диапазона до сотен мегагерц -- десятков гигагерц используются дополнительные блоки -- делители частоты и переносчики частоты.

Большинство ЭСЧ кроме частоты позволяют измерять период следования импульсов, интервалы времени между импульсами, отношения двух частот, а также могут использоваться в качестве счетчиков количества импульсов.

Некоторые ЭСЧ (например, Ч3-64) сочетают в себе электронно-счетный и гетеродинный методы измерения. Это не только повышает диапазон измерения, но и позволяет определять несущую частоту импульсно-модулированных сигналов, что простым методом счета недоступно.

НАЗНАЧЕНИЕ: обслуживание, регулировка и диагностика радиоэлектронного оборудования различного назначения, контроль работы радиосистем и технологических процессов.

ПРИМЕРЫ: Ч3-54, Ч3-57, Ф5137, Ч3-84.

Гетеродинные частотомеры. Принцип действия гетеродинных частотомеров основан на сравнении частоты входного сигнала с частотой перестраиваемого вспомогательного генератора (гетеродина) с помощью т. н. метода нулевых биений, порядок работы аналогичен работе с резонансными частотомерами.

НАЗНАЧЕНИЕ: аналогично резонансным частотомерам.

ПРИМЕРЫ: Ч4-1, Ч4-22, Ч4-23, Ч4-24, Ч4-25.

Конденсаторные частотомеры. Электронные конденсаторные частотомеры применяются для измерения частот в диапазоне от 10 до 1000Гц. Принцип таких частотомеров основывается на попеременном заряде конденсаторов от батареи с последующим его разрядом через магнитоэлектрический механизм. Этот процесс осуществляется с частотой, равной измеряемой частоте, поскольку переключение производится под воздействием самого исследуемого напряжения. За время одного цикла через магнитоэлектрический механизм будет протекать заряд Q =CU, следовательно, средний ток, протекающий через индикатор, будет равен I_ср=Qf_x=CUf_x. Таким образом, показания магнитоэлектрического амперметра оказывается пропорциональны измеряемой частоте. Основная приведенная погрешность таких частотомеров лежит в пределах 2-3%.

НАЗНАЧЕНИЕ: настройка и обслуживание низкочастотной аппаратуры.

ПРИМЕРЫ: Ф5043.

Вибрационные (язычковые) частотомеры. Представляет собой прибор с подвижной частью в виде набора упругих Элементов (пластинок, язычков), приводимых в резонансные колебания при воздействии переменного магнитного или электрического поля.

НАЗНАЧЕНИЕ: контроль сети электропитания.

ПРИМЕРЫ: В80, В87.

Аналоговые стрелочные частотомеры. Аналоговые частотомеры по применяемому измерительному механизму бывают электромагнитной, электродинамической и магнитоэлектрической систем. В основе работы их лежит использование частотозависимой цепи, модуль полного сопротивления которой зависит от частоты. Измерительным механизмом, как правило, является логометр, на одно плечо которого подается измеряемый сигнал через частотонезависимую цепь, а на другое -- через частотозависимую, ротор логометра со стрелкой в результате взаимодействия магнитных потоков устанавливается в положение, зависящее от соотношений токов в обмотках. Бывают аналоговые частотомеры, работающие на других принципах.

НАЗНАЧЕНИЕ: контроль сети электропитания.

ПРИМЕРЫ: Д416, Э353, Ц1736, М800, С 300 М1-1.

2. Методы измерения частот

Для измерения частот с помощью электронных приборов обычно используются два метода: метод заряда и разряда конденсатора (до 100 КГц) и метод настройки резонансного контура - волномерный или гетеродинный (свыше 20 КГц).

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 3.1

Конденсаторный метод измерения частоты поясняется с помощью следующей схемы. Переброской контакта поляризованного реле Р управляет измеряемая частота Fx. В положении 1 конденсатор получает от источника .

Q = UC. (3.1)

В положение 2 этот заряд в виде импульса тока проходит через указатель УК. В результате через указатель потечёт ток.

(3.2)

Шкала указателя может быть отградуирована в герцах, если С = const и U = const.

Приборы для измерения частот больше 20 Кгц называются волномерами. Они могут быть резонансными и гетеродинными. В резонансных измеряемая частота определяется как резонансная частота пассивного колебательного контура, а при использовании гетеродинного метода сравнивается с частотой гетеродина, определяемой настройкой его резонансного контура.

Конденсаторные частотомеры. В этих приборах для исключения погрешности, обусловленной непостоянством величины исследуемого напряжения U, конденсатор заряжается прямоугольными импульсами заданной амплитуды, сформированными из исследуемого напряжения. Длительность импульсов должна быть достаточной, чтобы показания выходного прибора были пропорциональны . В паузе между импульсами конденсатор успевает полностью разрядиться.

Рис. 3.2

КП - каскад формирования прямоугольных импульсов, который из синусоидального напряжения частоты формирует прямоугольные импульсы той же частоты.

При появлении прямоугольного импульса «С» заряжается через «» до амплитуды этого импульса. При этом «» заперт и ток через «УК» не проходит. В течение паузы «С» разряжается через «», «УК» и выходное сопротивление «КП». При этом

(3.3)

При измерении частоты переменным образцовым параметром является ёмкость.

Рис. 3.3

Изменяя ёмкость, контур настраивают в резонанс по индикатору резонанса U. Отсчёт производится по шкале конденсатора. Пределы измерения изменяются при помощи сменных катушек.

Такие схемы применяются для частот выше 100 КГц, так как при более низких частотах сильно возрастает индуктивность и ёмкость контура, что приводит к увеличению габаритов прибора. При помощи резонансных частотомеров может быть достигнута погрешность .

«Uнд» - ламповые вольтметры. Чем больше их входное сопротивление, тем больше острота настройки, так как выше добротность контура.

3. Выбранная схема частотомера

Аналоговый частотомер собран на микросхеме таймер 555.

Этот частотомер имеет четыре поддиапазона 10...100 Гц, 100...1000 Гц, 1...10 кГц, 10...100 кГц, но в него можно ввести и пятый - до 1 МГц, добавив соответствующий времязадающий конденсатор.

Длительность импульсов, генерируемых одновибратором, определяется конденсаторами С1 - С4 и резисторами Rl - R5 (в зависимости от поддиапазона), а частота их повторения - частотой входного сигнала. Через диод Д5 импульсы поступают на конденсатор С5, напряжение на котором будет пропорционально частоте входного сигнала. Это напряжение измеряется прибором ИП1. Диоды Д1 - Д4 (кремниевые высокочастотные любые, например КД503А) защищают вход микросхемы от перегрузок. Номиналы конденсатора С5 и резистора R6 зависят от тока полного отклонения микроамперметра ИП1. При токе 100 мкА они составляют 2 мкФ и 39 кОм, а при токе 500 мкА- 15 мкФ и 6,8 кОм. Времязадающие конденсаторы могут иметь разброс до 20% от указанных на схеме значений, он будет «выбран» подстроечными резисторами. От температурной и временной стабильности этих конденсаторов зависит, естественно, точность измерений.

Налаживание прибора сводится к установке на каждом поддиапазоне одним из подстроечных резисторов R2-R5 стрелка микроамперметра ИП1 на последнее деление при подаче на вход эталонных частот, соответствующих верхней частоте измерений для каждого поддиапазона.

Резисторы R2 - R5 подстроечные любого типа, диод Д5 - кремниевый высокочастотный, типа КД503А. Переключатель можно брать любого типа. Прибор конструктивно собран в алюминиевом корпусе.

Заключение

В данной работе была рассмотрена работа схемы аналогового частотомера в среде Electronics Workbench. Получены практические навыки работы в программе Electronics Workbench, а также в анализе электрических схем.

частотомер электронный заряд

Список используемой литературы

1. Панфилов Д.И., Иванов В.С., Чепурин И.Н. Электротехника и электроника в экспериментах и упражнениях: Практикум на Electronics Workbench: В 2 т./Под общей ред. Д.И.Панфилова - Т.1: Электротехника. - М.:ДОДЭКА, 1999. - 304 с.

2. Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение. - М.: «Солон-Р», 1999 г. - 512 стр.

3. Панфилов Д.И., Иванов В.С., Чепурин И.Н. Электротехника и электроника в экспериментах и упражнениях: Практикум на Electronics Workbench: В 2 т./Под общей ред. Д.И.Панфилова - Т.2: Электроника. - М.:ДОДЭКА, 1999. - 288 с.

Размещено на Allbest.ru