Измеритель частоты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«Минский государственный высший радиотехнический колледж»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

«Измеритель частоты»

КП61.591015.401ПЗ

Разработал А.С. Самойленко

Проверил Б.П. Даниленко

Минск 2010

Содержание

Введение

1. Описание схем

1.1 Описание структурной электрической схемы измерителя частоты

1.2 Описание и обоснование структурной схемы измерителя частоты цифрового

1.3 Выбор и обоснование схемы электрической принципиальной

2. Электрический расчет

2.1 Расчет генератора запуска

3. Описание конструкции

4. Охрана труда

Список использованной литературы

Введение

Вся практическая деятельность человека тесно связана с измерениями. Не существует такой области народного хозяйства и области точных наук, где не производились бы измерения. С развитием техники развивались и измерения. Появилась отрасль техники, связанная с производством и применением средств измерений. Она получила название измерительная техника. Среди различных средств измерений особое место занимает измерение электрических величин. Они возникли в результате учения об электричестве и магнетизме. Благодаря ряду достоинств, средства измерительной техники получили большое распространение. К их основным преимуществам относятся

1) Универсальность, которая состоит в возможности их применения для измерения не только технических величин с помощью различного типа электрических преобразований.

2) Дистанционность, заключается в возможности проводить измерения даже тогда, когда объект измерений удален от места расположения средств измерений.

Информация от объекта при этом передается с помощью электрических сигналов по провода или в виде электромагнитных излучений.

3) Простота автоматизации процессов измерения

4) Возможность обеспечения высокой чувствительности и необходимой точности радиоизмерительных приборов.

Электрорадиоизмерительная техника, как отрасль сформировалась во второй половине XIX века. Этому способствовало промышленное производство электрической энергии и ее практическое использование.

Появилась возможность измерения полученных электрических и магнитных величин. Не смотря на многочисленные изобретения русских ученых в области электрорадиоизмерительной техники в дореволюционной России, производства средств измерений практически не было.

В настоящее время без качественной измерительной техники невозможна реализация потенциала современных ЭВМ.

1. Описание схем

1.1 Описание структурной электрической схемы измерителя частоты

Измерение основной физической величины - времени и ее производной частоты лежит в основе большинства измерительных задач, решаемых обществом в процессе научной и производственной деятельности.

Измерение интервалов времени и частоты необходимых при разработке и испытании возможных схем задержки и синхронизации, при исследовании цифровых схем, многоканальных систем с временным разделением каналов, применяемых в технике и т.д. Подобные измерения очень важны и в приборостроении.

Все это свидетельствует о важности решаемых задач, связанных с проектированием и практическим исполнением совершенных частотомеров.

В электронике, радиотехнике, автоматике и других близких к ним областях науки и техники используются сигналы самых разнообразных частот от долей Гц до тысяч ГГц.

Методы измерения частоты многообразны.

В совершенной измерительной технике наибольшее применение находит метод дискретного счета, на основе которого строят цифровые (электронно-счетные) частотомеры. Применяя сочетание метода дискретного счета с гетеродинным, можно расширить диапазон измеряемых частот вплоть до 100 ГГц. Однако точный частотомер имеет очень сложную схему и высокую стоимость.

Темой дипломного проекта предусмотрено проектирование сравнительно простого и недорогого частотомера, который можно было бы использовать в радиолюбительской практике при выполнении лабораторных работ по курсу ЭРИ. В связи с этим выбираем диапазон рабочих частот от 100 Гц до 99999 Гц.

Заданием на дипломный проект предусмотрено измерение частоты с погрешностью порядка 10^-5 - 10^-6. Чтобы обеспечить такую высокую точность, целесообразно разрабатывать частотомер с цифровым отсчетом.

Амплитуда входных измеряемых сигналов может измеряться в пределах 1 - 10 В.

Схема резонансного частотомера с сосредоточенными параметрами

Колебательная система может быть выполнена на элементах с сосредоточенными параметрами. Особенно широкое применение находят для измерения частоты на СВЧ частотомеры второго типа. Такие частотомеры (Ч2-31, Ч2-42, Ч2-33) обеспечивают измерение частоты в диапазоне fч16МГц. Погрешность измерения резонансных частотомеров зависит от:

- точности настройки в резонанс;

- точности отсчитывания на шкале;

- влияния t^o и влажности окружающей среды.

Погрешность указанных выше частотомеров равна ±0,05%

Метод нулевых биений заключается в сравнении измеряемой частоты f_x или ее гармоник с образцовой f _о). Сигналы этих частот попадают на смеситель, на нагрузке которого выделяется сигнал разносторонней частоты. Если в качестве индикатора использовать телефон, то при резонансной частоте равной звуковой, в телефоне будет слышен сигнал биения. Изменяя f_о добиваться исчезновения звука в телефоне, т.е. получают нулевое биение.

В этом случае f _x = f _о ±(15ч20) Гц.

Погрешность ±15ч20Гц обусловлена тем, что низкие частоты не воспринимает человеческое ухо.

Для повышения точности определения равенств частот параллельно телефонам можно подключить магнитоэлектрический прибор или осциллограф.

На принципе нулевых биений работают гетеродинные частотомеры. Это очень точные приборы, их погрешность 5Ч10^-5 … 5Ч10^-6. Недостаток - трудоемкий процесс измерения

1.2 Описание и обоснование структурной схемы измерителя частоты цифрового

измеритель частота каскад генератор

Для измерения низких частот могут быть использованы следующие методы:

1. Осциллографические методы, к которым относятся:

а) Метод интерференционных фигур (фигур Месажу)

б) Метод круговой развертки с модуляцией яркости.

в) метод заряда и разряда конденсаторов.

Осциллографические методы относятся к методам сравнения и обеспечивают достаточно высокую точность измерений.

Недостаток этих методов - сложное оборудование, и также с их помощью нельзя измерить высокие частоты.

Частотомеры, работающие на принципе заряда и разряда конденсатора, не используются на частотах от 10 Гц до 1 МГц. Их недостаток значительная погрешность 2-3%.

Для измерения высоких частот могут быть использованы следующие методы:

1. Резонансный

2. Метод нулевых биений

3. Метод дискретного счета.

В настоящее время наибольшее применение находят цифровые частотомеры, которые имеют следующие достоинства:

1) Широкий диапазон измеряемых частот от 10Гц до 10⁴ Гц.

2) Высокая точность измерений ±5Ч10^-9

3) Получение отсчета в цифровой форме

4) Возможность вводить результаты в ЭВМ.

5) Возможность обработки результатов наблюдения с помощью ЭВМ или микропроцессорной техники.

Цифровые (электронно-счетные) частотомеры, как правило представляют собой многофункциональные приборы. Кроме частоты они могут измерять период периодический сигналов, длительность импульса, интервал времени, отношение двух сигналов, разность частот и т.д.

Методом дискретного счета проводят измерения средней частоты периодического сигнала. Оно заключается в прямом сравнении значения f _x - изменяемой частоты с дискретным значением f _обр - образцовой частоты.

Число n находиться путем дискретного счета, оно показывает во сколько раз f _x больше f _обр.

Структурная схема цифрового частотомера выполненного по схеме с жесткой точкой.

Периодический сигнал, частоту которого необходимо измерить, поступает на вход прибора. После усиления или ослабления, во входном блоке сигнала подается на формирователь, где преобразуется в периодическую последовательность импульсов с частотой следования f _x. Эти импульсы подводятся к входу 1 временного селектора и проходят через него в счетчик, если на входе 2 имеется стробирующий импульс. Последний формируется из напряжения высокочастотного кварцевого генератора. Так как период его выходного сигнала max, то для получения требуемой длительности стробирующего импульса в схеме предусмотрен делитель частоты. Из периодической последовательности импульсов, образующихся на выходе делителя частоты, блок формирователя и управления формирует строрбирующий импульс, длительностью ДT, подаваемый на вход 2 временного селектора и определяющий продолжительность счета. Блок формирователя и управления содержит так же схему, задающую продолжительность индикации показанный дисплеем и сбрасывающие показания счетчика в ноль.

Применение микропроцессорных систем в цифровых частотомерах позволяет автоматизировать установку требуемого диапазона частот и вычислительные процедуры, осуществить управление всеми блоками частотомера и организовать их взаимодействие, программировать выполнение функций в многофункциональных приборах, обрабатывать результаты наблюдения, осуществлять автоматический контроль работоспособности частотомера, получать отображение результатов измерений в удобной форме, снижать потребительскую мощность.

Наличие микропроцессорных систем позволяет решить функции, выполняемые прибором, исключить систематическую погрешность при измерении интервалов времени.

После изучения различных схем цифровых частотомеров можно выбрать следующую структурную схему проектируемого частотомера с цифровой индикацией. Она состоит из следующих блоков:

1) Переключатель контроль-измерение предназначен для подачи дифференциального усилителя измеряемого сигнала или сигнала образцовой частоты с кварцевого генератора.

2) Дифференциальный усилитель предназначен для усиления измеряемого сигнала формирования его формы, близкой к прямоугольной.

3) Инвертор предназначен для инвертирования усиленного дифференциальным усилителем сигнала.

4) Транзисторный ключ предназначен для формирования сигнала с инвертора в прямоугольную форму.

5) Кварцевый генератор предназначен для генерирования импульсов стабильной частоты.

6) Генератор запуска предназначен для генерирования прямоугольных импульсов, запускающих формирователь времени счета.

7) Электронный ключ предназначен для пропускания на вход счетчиков измеряемого сигнала за время счета.

8) Формирователь времени счета предназначен для подачи питания на индикатор счета. За это время на счетчик приходит сигнал измеряемой частоты Дt _c.

9) Ключ индикации счета импульсов предназначен для подачи питания на индикатор счета.

10) Индикатор счета предназначен для индицирования времени счета.

11) Схема сброса предназначена для формирования импульсов сброса, устанавливающих счетчики дешифраторы в нулевое положение.

12) Счетчик дешифратора предназначен для счета единиц, десятков, сотен, тысяч и десятков тысяч.

13) Индикатор предназначен для отображения информации о счете единиц, десятков, сотен, тысяч и десятков тысяч.

1.3 Выбор и обоснование схемы электрической принципиальной

Рассмотрим обоснование выбора отдельных электрических принципиальных схем отдельных каскадов проектируемого прибора.

Кварцевый генератор - это задающий генератор образцовой частоты. Он выдает прямоугольные импульсы. Такие импульсы выдает симметричный мультивибратор, схема которого может быть выполнена на транзисторах.

Генератор образцовой частоты на транзисторах

Мультивибратор, собранный по данной схеме, представляет собой двухкаскадный резетивный усилитель, построенный на транзисторных ключах-инвекторах

Положительная обратная связь имеется в схеме за счет того, что выход одного ключа соединен со входом другого. Действительно, если относительно эмитора потенциал базы транзистора Т₁ станет, к примеру, более отрицательным, то потенциал коллектора Т₁ (и базы Т₂) окажется более положительным, а потенциал коллектора Т₂ (и базы Т₁) - более отрицательным. Так к первоначальному приращению потенциала добавляется приращение того же знака, поступающего в исходную точку но после обратной связи. Цепь положительной обратной связи замыкается и нормально функционирует, когда оба транзистора отперты и работают в усилительном режиме.

Эта схема генерирует импульсы, форма которых отличается от прямоугольной.

Схема мультивибратора с корректирующими диодами.

Ток заряда конденсатора С₁ (С₂) замыкается здесь не через коллекторный резистор R_k1 (R_k2), а через резистор R₁ (R₂), что обеспечивается диодами Д₁ и Д_2.Диоды, обладающие односторонней проводимостью, не препятствуют развитию лавинообразных процессов. При передаче скачков с коллектора одного транзистора на базу другого, диод Д₁ (Д₂) отперт, т.к. их катоды имеют более отрицательный потенциал, чем аноды. Запертый диод Д₁ не пропускает ток разрядки конденсатора С₁ к резистору R_к1. Благодаря этому напряжение на коллекторе запертого транзистора после опрокидывания схемы устанавливается близким к -Е_к намного быстрее, чем в основной схеме. Аналогично влияние диода Д₂ на форму импульсов, формируемых на коллекторе транзистора Т_2.

Рассмотренный мультивибратор имеет недостатки: один из них состоит в том, что данная схема не может обеспечить такую скважность импульсной последовательности, как основная схема. Другой недостаток заключается в меньшей нагрузочной способности: нагрузка, подключаемая к данной схеме, должна иметь сопротивление большее, чем у основной схемы.

Автоколебательный мультивибратор на логических элементах исключает недостатки транзисторных мультивибраторов.

Автоколебательный мультивибратор на логических элементах.

Входы каждого из элементов Э1 и Э2 соединены - элементы использованы как усилитель-инверторы. Вход одного элемента связан со входом другого цепью C₁R₁ (C₂R₂), за счет этого создается ПОС. За счет чего в схеме развивается лавинообразный процесс, благодаря чему переход выходного U, с одного уровня на другой происходит с больше скоростью.

Недостатком автоколебательного мультивибратора является возможность такого состояния, при котором оба элемента оказываются одновременно закрытыми (например, при медленном нарастании питающего U при включении.

2. Электрический расчет

2.1 Расчет генератора запуска

Схема генератора запуска

Где Т=6с - период следования импульса

t_u =3c - длительность импульсов

t_n =3c - длительность паузы.

Т= t_u + t_n

Генератор выполнен на двух микросхемах типа К176 ЛЕ5 с времязадающей RC цепочкой, где

R=R1+R2.

Генератор работает по принципу заряда и разряда конденсатора. Работа генератора начинается после включения электропитания. Пусть на входе ДД1 устанавливается единичный уровень, тогда на входе ее будет низкий уровень. Низкий уровень будет на входе ДД2. На выходе ДД2 установиться высокий уровень. В этом случае конденсатор С начнет заряжаться выходным напряжением. Ток заряда потечет по цепи: «+» источника питания, конденсатор С, резисторы R1и R2 через выход микросхемы ДД1 (низкий уровень) на «-» источника питания. В момент заряда конденсатора высокий уровень на выходе ДД1 поддерживается за счет падения напряжения на резисторе R1. Это значит, что напряжение на входе ДД1 начинает снижаться и в какой-то момент достигает нулевого уровня 0,3В. При этом произойдет смена состояний, при которой на выходе ДД1 установиться высокий уровень, а на выходе ДД2 - низкий уровень.

При таком состоянии начинается разряд конденсатора по цепи от «+» конденсатора через низкий уровень ДД2 на минус источника электропитания (на его «+»), через резисторы R1и R2 на «-» конденсатора. В момент разряда конденсатора высокий уровень на входе ДД2 поддерживается падением напряжения на R2. По мере разряда конденсатора С ток разряда уменьшается, уменьшается и падение напряжения на R2. При этом потенциал на входе ДД2 будет уменьшаться и когда достигнет уровня 0,3 В на выходе ДД2 появиться высокий уровень. При этом конденсатор начнет снова заряжаться, в первый момент конденсатор разряжен, сопротивление его мало, поэтому ток заряда будет большим. Большим будет и падение напряжения на R1, которое будет поддерживать высокий потенциал на входе ДД1. В дальнейшем процесс заряда и разряда будет продолжаться.

Частота заряда и разряда конденсатора регулируется потенциометром R2.

Частота генерирования определяется по формуле

,

Т- период колебаний;

f - частота колебаний;

R= R1+ R2 - резистор частотозадающей цепи;

С - конденсатор частотозадающей цепи.

По этой формуле по заданному периоду и выбранной емкости определяем сопротивление резистора R.

Выбираем С= 2,2 мкФ типа К53-7 2,2мкФ±150В

1,976284*10⁶ =19,7Мом

R=R1+R2=1,97 MOм

Выбираем:

R1 - МПТ - 0,25 - 910кОм±10%

R2 - СПЗ - 19А - 0,05 - 1МОм

3. Описание конструкции

Устройства радиоэлектронной аппаратуры различаются формой корпуса, компоновкой элементов, отделкой, окраской. Эти различия обусловлены, в основном, назначением устройства и областью применения.

Большие возможности технического и культурного прогресса обеспечили аппаратуре и в том числе измерительной технике, необычно широкое распределение. Многочисленность радиотехнических величин, подлежащих измерениям, чрезвычайно широкое удлинение диапазонов, их возможных значений обуславливает разнообразие средств.

Измерительная аппаратура нужна в далеком космосе, на подводной лодке, высоко в горах и просто в лабораториях. А изменение климата существенно влияет на работу различных типов радиоэлементов. Поэтому при конструировании прибора необходимо учитывать возможные изменения внешних факторов (температуры, относительной влажности плотности воздуха) и их влияние на характеристики аппаратуры.

Нормальными климатическими условиями принято считать: температуру воздуха - 20±5^оС; относительная влажность воздуха - 50-80%; давление 720-780 мм рт. Столба.

При понижении изменении температуры изменяются зазоры и напряжения, меняются параметры радиоэлементов. Повышение температуры окружающей вызывает рост сопротивления проводников и ухудшает параметры изоляции.

Для построения схемы совершенного радиоэлектронного устройства применяют микросхемы различного типа, п/п приборы и другие малогабаритные детали.

При проектировании приборов, состоящих из большого числа малогабаритных деталей, широкое распространение получил функционально-узловой метод компоновки. Сущность этого метода состоит в том, что весь прибор делят на отдельные функционально законченные единицы (блоки).

При функционально-узловом методе компоновки возможно для указанных сборочных единиц применять однотипные конструкторские решения со стандартизированными и унифицированными элементами конструкции, что сокращает сроки и стоимость проектирования и подготовки производства.

Этот метод позволяет так же производить сборку, регулировку и испытание сборочные единиц параллельно, в результате чего резко сокращается длительность производственного цикла изготовления аппаратуры. Этот метод дает возможность в ряде случаев повысить надежность аппаратуры. Применяя блоки одинаковой конструкции, можно наиболее оптимально использовать объем прибора, что в конечном итоге приводит к уменьшению массы и габаритов.

Создание красивой и удобной в эксплуатационном отношении конструкции требует гармоничного сочетания элементов внешнего оформления с рациональной компоновкой конструкторских элементов, удобного размещения органов управления и визуального отсчета.

Прибор выполнен в корпусе настольного типа. Его корпус состоит из двух П-образных частей, согнутых из мягкого листового дюралюминия толщиной 2мм. Нижняя часть выполняет функцию сборочного шасси. В его передней стенке - лицевой панели - выполнено прямоугольное отверстие, прикрываемое пластинкой красного органического стекла, через которое видны индикаторы.

Справа от него просверлены отверстия для переключателей.

Габариты корпуса обеспечивают заданный тепловой режим всех элементов прибора. Для объема воздуха между внутренней плоскостью корпуса и в корпусе имеются отверстия.

Данный корпус имеет прочную конструкцию и обеспечивает защиту, всех находящихся в нем элементов от механических повреждений, так и процессе транспортировки изделия.

Детали частотомера смонтированы на двух печатных платах из фольгированного стеклотекстолита толщиной 2 мм, представляющих собой функционально законченные узлы прибора.

4. Охрана труда

Основными направлениями деятельности в области охраны труда является принципиально новой, безотказной и безвредной для человека техники и технологии современных коллективных и индивидуальных средств защиты от опасных и вредных производственных факторов на основе научных исследований.

В условиях научно технического прогресса совершенствуются и выпускаются машины, оборудование, приборы, повышается из технический уровень; а следовательно, надежность и безотказность в эксплуатации. Производится замена тяжелого ручного труда на более современный, на основе науки и техники с целью обеспечения безопасных условий работы.

Большое внимание вопросам охраны труда уделяют профсоюзы. Они ставят своей целью постоянную заботу об улучшении производственных и бытовых условий трудящихся, об их медицинском обслуживании, санаторно-курортном обслуживании и охране труда, о сведении до минимума, а в дальнейшем, полной ликвидации ручного труда, и совершенствовании контроля за соблюдением трудового законодательства.

Соответствие трудовой деятельности свойствам и возможностям человека является обязательным условием для обеспечения безопасности труда, здоровья работающих и высокой производительности их труда.

Широкое применение электроэнергии во всех отраслях народного хозяйства привело к значительному расширению круга лиц, связанных с эксплуатацией энергоустановок. Так при работе с проектируемым прибором необходимо строго соблюдать меры защиты от поражения электрическим током.

Список использованной литературы

1. Будинский «Транзисторные переключательные схемы» - М: Связь 1965

2. Галкин «Промышленная электроника» - М: Высшая школа 1989.

3. Блаут - Блачева В.И, Волоснов А.П., Смирнов Г.В. - М: «Технология производства радиоаппаратуры» - Высшая школа 1989.

Размещено на Allbest.ru

...