Mätteknik för E & D Laborationshandledning Tid & frekvens Institutionen för biomedicinsk teknik LTH

Transkript

1 Mätteknik för E & D Laborationshandledning Tid & frekvens 2018 Institutionen för biomedicinsk teknik LTH

2 Inför laborationen Skriv ut den här laborationshandledningen eller ladda ner den till dator/surfplatta (ej mobiltelefon) och ta med handledningen till laborationen. Läs igenom laborationshandledningen. Ta med miniräknare till laborationen. Läs i kursboken Elektronisk mätteknik enligt läsanvisningar nedan. Läsanvisningar Du ska känna till och kortfattat kunna beskriva: Konventionell, reciprok och interpolerande räknare De fem vanligaste mätfelsorsakerna vid frekvens- och tidintervallsmätning Det s.k. ±1 felet vid frekvensmätning Relativ och absolut noggrannhet för konventionell och reciprok frekvensräknare Period- och tidsintervallmätare Olika sätt att öka upplösningen vid tidintervallsmätning Påverkan av hysteresbandets bredd för triggerns känslighet och när olika bredd på hysteresband används SR-vippans funktion i en räknare Stigtid, falltid, amplitud, periodtid, frekvens och pulslängd för en pulsliknande signal DC-kopplad resp. AC-kopplad ingång på frekvensräknare resp. periodtidsmätare Tre typer av kristalloscillatorer och kunna rangordna dem efter noggrannhet Prescaler- och heterodynetekniken för mätning av höga frekvenser och deras för- och nackdelar Fasskillnadsmätning Pulskvot Standardavvikelse (s.72-73) Biomedicinsk teknik, LTH Sida 3

3 Introduktion En digital räknare kan med enkla grepp fås att mäta frekvens, periodtid, antal pulser samt tidsintervall. För att illustrera detta kommer vi på laborationen att använda oss av en enkel modulbyggd digital räknare. Du kan sedan jämföra din egen design med ett kommersiellt instrument och då diskutera tänkbara felkällor. Med det kommersiella instrumentet kommer du också att se behovet av ett ingångssteg för att kunna anpassa signalen så att man mäter det man verkligen vill mäta. Ofta kräver en lyckad mätning t ex att den ursprungliga signalen filtreras, för att oönskat brus inte skall göra informationen från mätningen värdelös. När en mätning skall utföras är det ofta av största vikt att redan på förhand känna till en hel del av den "okända" signalen. Detta är verkligen sant för frekvensmätning, då framförallt brus i signalen får de snabba kretsarna att göra felregistreringar om inga åtgärder motverkar att så sker. Ett viktigt hjälpmedel blir därför oscilloskopet, som gör det möjligt att få en detaljerad bild av signalen och därmed den grundläggande information som behövs för att genomföra en noggrann mätning av t ex frekvensen. Under de två lektionerna kommer principerna för elektrisk tid- och frekvensmätning presenteras, i syfte att förbereda dig inför laboration och rapportskrivande. Vi kommer även att jobba med självkontrollfrågorna som finns sist i kapitel 4 samt diskutera förberedelseuppgifterna inför laborationen. Glöm inte att ta med dig boken till lektionerna! Biomedicinsk teknik, LTH Sida 4

4 Räknarens uppbyggnad Grundidén för en frekvensräknare är att under en (mycket väldefinierad) sekund räkna antal perioder hos den okända signalen. Under förutsättning att den okända signalen håller TTL-nivåer kan detta enkelt realiseras genom att räkna utpulserna från AND-grinden i figur 1. Figur 1: Grundidén för en frekvensräknare Sätter vi nu en display efter räknaren har vi en mycket enkel frekvensräknare. Denna konstruktion har dock fortfarande för stora brister för att kunna användas praktiskt. Efter en mätning vill man till exempel gärna kunna nollställa räknaren inför nästa. Ytterligare en nackdel är att displayen visar alla värden under uppräkningen. Det är bara det sista räknarvärdet man är intresserad av, och önskvärt är därför att låsa detta med någon form av minne (Latch). Med en avkodare som översätter det binära värdet till signaler som tänder rätt segment i displayen ser nu kopplingen ut som i figur 2. Till vår hjälp finns en krets (TIL 311) som för ett fyra bitars binärt tal tänder segment för motsvarande hexadecimala siffra. Kretsen innehåller också latchar som kontrolleras med en signal motsvarande Läs in. Vi använder sex TIL 311, en för varje siffra. Figur 2: Frekvensräknare kompletterad för att visa slutligt värde För att sammanfatta behöver alltså räknaren och displaykretsarna tre insignaler: Okänd signal (med pulser som skall räknas) Läs in till displaykretsarna Nollställ till räknaren De två senare signalerna skall ges när den sista pulsen lästs in till räknaren eller, vilket blir samma sak, när en-sekundspulsen (även kallat Fönster) går från hög nivå till låg. Denna händelse måste alltså på något sätt alstra dessa signaler enligt figur 3. Ett ytterligare krav är att Läs in kommer före Nollställ. Biomedicinsk teknik, LTH Sida 5

5 Figur 3: Tillägg för att bilda nödvändiga kontrollsignaler till frekvensräknaren. För att få en väl definierad en-sekunds puls används en 1 MHz-oscillator vars frekvens är mycket stabil. Dess signal delas ner i sex kaskadkopplade dekadräknare så att resultatet blir en fyrkantvåg med frekvensen 1 Hz. En signal med frekvensen 1 Hz har dock periodtiden en sekund vilket innebär att frekvensen måste delas ytterligare en faktor två för att en puls med längden en sekund skall erhållas. Detta kan realiseras med en vippa (kallad huvudvippa) som byter utsignalnivå varje gång insignalen går från hög till låg nivå (eller tvärt om). En sådan händelse inträffar nämligen bara en gång varje period. Utsignalen från huvudvippan blir alltså ett tidfönster som är lika långt som periodtiden på insignalen. Detta resulterar i en fullt användbar frekvensräknare. På laborationen kommer vi dock att vilja ha mindre mätintervall för att studera hur räknaren då uppför sig. Om Fönster-signalen exempelvis skulle vara en hundradels sekund lång kommer displayen att uppdateras 50 gånger i sekunden. Eventuell osäkerhet i den sista siffran kommer då att resultera i ett flimmer på displayen. För att få en mer lämplig uppdateringsfrekvens måste huvudvippan hållas inaktiv en (varierbar) tid efter att Fönster genererats. Den krets som löser detta har ritats in i figur 4. Figur 4: Komplett frekvensräknare med korrekt uppdatering av displayen. Biomedicinsk teknik, LTH Sida 6

6 Förberedelseuppgifter 1. Varför använder man en räknare, när oscilloskopet är så bra? 2. Hur kan frekvensräknaren (figur 4) modifieras så att man mäter periodtid? Steget från denna konstruktion till en tidmätare är heller inte speciellt långt. Om tiden mellan två händelser skall mätas ser man till att varje händelse genererar en puls. Den första pulsen öppnar huvudgrinden och den andra stänger den, och antal klockpulser räknas under denna tid (motsvarande fönster). Funktionen realiseras med en SR-vippa (S-Set, R-Reset, se Elektronisk Mätteknik sid ). 3. Rita om det principiella schemat i figur 4 till en tidsintervallmätare, med hjälp av informationen om SR-vippan. Skall klocksignalen delas ned? Skall huvudvippan vara med? 4. Om en klocka drar sig en minut på ett år, hur mycket drar den sig då på en sekund? 5. Klockan som nämns i förberedelseuppgift 4 har kanske en kvartskristall som tidsbas. När klockan var ny hade kristallen en resonansfrekvens på 10 MHz och visade tiden helt korrekt. Vilken resonansfrekvens har klockans tidsbas nu? Biomedicinsk teknik, LTH Sida 7

7 Tid & Frekvens Inledning Laborationen syftar till att ge förståelse för uppbyggnaden av tid- och frekvensmätare. Den konstruktion som gåtts igenom under lektionen kommer att finnas delvis realiserad (kretsmoduler) på denna laboration. Den kommer att jämföras med ett kommersiellt instrument för att illustrera felkällor och för att belysa behovet av förbättringar. Följande kommer att behandlas: Hur man använder räknaren HP 53131A Uppkoppling av den egna konstruktionen som frekvensräknare. Uppkoppling av den egna konstruktionen som periodtidmätare Uppkoppling av den egna konstruktionen som tidsintervallmätare Jämförelse med kommersiell digital räknare Undersökning av temperaturens inverkan på noggrannheten Mätning på okänd signal för att illustrera behovet av ingångskretsar Materiel Spänningsaggregat 5V Funktionsgenerator LFG-1300/1310 Digital räknare HP 53131A Digitalt oscilloskop Tektronix TDS 2002 Utrustning för ultraljudsmätning i vätska (2 grupper): Pulsgenerator Mätrör 2 MHz-ultraljudsgivare Stativ med hållare för ultraljudsgivare Fördelardosa Linjal Tre labkort med moduler: Oscillatorkort Räknarkort med huvudgrind, huvudvippa, SR-vippa, räknare och display samt Stimulanskort för att generera ljud och ljussignaler etc. Tillbehör för reaktionstidmätning: en handkontakt och en vibrator Biomedicinsk teknik, LTH Sida 8

8 Mätningar med HP 53131A Under laborationen ska vi använda en kommersiell räknare av märket HP 53131A. Gör följande övningar för att bli bekant med instrumentet. (Övningarna behöver inte redovisas i rapporten.) a) Koppla in räknarens 10 MHz Out (sitter på baksidan av instrumentet) till Channel 1 på framsidan. Kontrollera att displayen visar 10 MHz. b) Flytta sladden till Channel 2 och ange på instrumentpanelen att kanal 2 används genom att trycka två gånger på knappen Freq & Ratio. c) Ställ triggnivån till 1 V på negativ flank genom att trycka Trigger/Sensitivity och sen någon av pilarna så att AUTO TRG: OFF visas på displayen. Tryck Trigger/Sensitivity ännu en gång så att LEVEL: 0.000V syns på displayen. Ställ trignivån med hjälp av pilarna och avsluta med enter. Tryck Trigger/Sensitivity så att SLOPE: POS visas och tryck pil för att välja SLOPE: NEG och sedan enter. Tryck slutligen på Run för att starta mätningen. d) Det går att beräkna statistik, exempelvis standardavvikelse, på räknaren. Tryck på Stats och därefter pil tills SHOW: STD DEV visas på displayen. Tryck på Stats igen och använd pilarna för att sätta antalet mätningar till N: 20. Avsluta med att trycka på enter. Tryck Run för att starta räknaren. Räknaren kommer nu att beräkna standardavvikelsen för frekvensen baserat på 20 stycken mätningar. e) Knapparna Run och Stop/Single används för att styra mätningarna. Om Run är aktiv kommer en ny mätning göras så snart den föregående är klar. Genom att trycka Stop/Single stoppas räknaren efter avslutad mätning. Om Stop/Single trycks in när räknaren står still kommer N st mätningar utföras för att sedan återgå till det frysta läget. Under Stat kan man ange om en enda mätning ska utföras eller om N st mätningar ska utföras. Fråga handledaren om något är oklart. Frekvensmätning Koppla ihop modulerna för frekvensmätning enligt laborationsförberedelsen. Prova frekvensräknaren genom att ansluta funktionsgeneratorn inställd på 0-5Vpp fyrkantvåg (TTL) till In1 på räknarkortet. Se till att omkopplaren på det lilla kortet står i läge Kristall. 1. Håll frekvensen från funktionsgeneratorn konstant och studera displayen på räknarkortet. Varför ändrar sig den sista siffran? (Tips: Studera båda ingångarna till huvudgrinden på räknarkortet med oscilloskopet.) 2. Variera frekvensen från funktionsgeneratorn. Verkar graderingen på instrumentet stämma överens med displayen på räknarkortet? Biomedicinsk teknik, LTH Sida 9

9 3. Variera normalfrekvensen (tidsbasen) från oscillatorkortet. a) Hur förhåller sig normalfrekvensen till mättiden? b) Hur kan man åstadkomma en stor noggrannhet? Periodtidmätning Koppla om modulerna från föregående uppkoppling så att de fungerar som en periodtidmätare. Låt insignalen komma från funktionsgeneratorn (TTL-utgången). 4. Vad händer med noggrannheten då normalfrekvensen ökas? Tidintervallmätning Utför nödvändiga omkopplingar för mätning av tidintervall med labbkortet. Koppla in startoch stoppsignal från stimulanskortet. Använd exempelvis vibratorn som startindikator och tryck på stoppknappen för att stoppa mätningen. (Senare ska vi undersöka reaktionstider lite mer ingående men i denna uppgift är det förståelsen av labkortet som eftersträvas.) 5. Hur omvandlas start och stoppsignalerna på labkortet? Rita pulser och tidfönster. Oscillatorns temperaturstabilitet Tidbasen i nutida räknare är uteslutande kristalloscillatorer. Normalt sett är dessa temperaturkompenserade till skillnad från den kristalloscillator som sitter på oscillatorkortet. 6. Mät labbkortskristallens resonansfrekvens med HP-räknaren. Ställ in gate time så att noggrannheten blir hög. Kristallen är den stora komponenten med metallhölje ovanför texten Keramiskt element. 7. Varför ändras frekvensen plötsligt om man sätter ett finger på den? Biomedicinsk teknik, LTH Sida 10

10 8. Värm kristallen en stund med ett finger och låt sen kristallen svalna. Studera och beskriv hur frekvensen ändras när temperaturen sjunker. 9. Hur kan man förbättra temperaturstabiliteten hos kristalloscillatorer? Jämförelse med ett kommersiellt instrument I princip skulle vilken oscillator som helst kunna användas om man inte hade alltför höga krav på noggrannheten. På oscillatorkortet finns en omkopplare som låter antingen kristallen eller ett keramiskt element vara den frekvensbestämmande komponenten. Båda komponenterna består av piezoelektriska material, men stabiliteten är bättre för kristallen. 10. Vilken är svängningsfrekvensen för det keramiska elementet? Mät med HP-räknaren. 11. Hur mycket betyder denna avvikelse om det keramiska elementet skulle användas i en klocka med andra ord, hur mycket skulle den visa fel efter en vecka? Anta att klockan är designad för en frekvens på 1 MHz. 12. Vad blir motsvarande avvikelse för kristallen (tilläggas bör att man med en liten trimkapacitans kan få oscillatorn att svänga med exakt rätt frekvens)? 13. På labbänken finns en lång koaxialkabel som ni kopplar till 10MHz-referensutgången från er granngrupps räknare. Mät frekvensen med er egen räknare. a)verkar det som om de båda räknarna är kalibrerade mot varandra? b) Om inte, kan man veta vilken som visar mest rätt? (Det går att synkronisera de båda räknarna mot varandra, en poäng med detta är t.ex. att båda gruppers räknare framöver i laborationen kommer att relatera till samma tidbas. I sammanhanget kan detta förfarande tyckas något överdrivet men inom exempelvis GPS-teknik är det oerhört viktigt med synkroniserade klockor. Ett 30-tal satelliter i omloppsbana runt jorden ska synkroniseras till samma tid sånär på en mikrosekund. ) Biomedicinsk teknik, LTH Sida 11

11 Mät vattendjup m.h.a. ultraljud Ultraljud används ofta för att avbilda organ inne i kroppen. Genom att sända iväg en kort ljudpuls och sedan mäta tiden tills den kommer tillbaks kan man räkna ut avståndet till ett visst objekt (vilket t.ex. är fallet med ett fartygs ekolod som mäter hur djupt vattnet är). Det går även att använda samma teknik för att beräkna ljudhastigheten i olika material. Koppla pulsgeneratorn, ultraljudsgivaren och oscilloskopet till fördelardosan och placera givaren i mätröret så att den sticker ner litegrann i vattnet. Titta på signalen med oscilloskopet och gör nödvändiga inställningar av HP-räknaren för att mäta upp tiden mellan pulserna. 14. Ljudhastigheten i vatten är ca 1500 m/s 1, mät tiden med hjälp av räknaren och beräkna avståndet mellan givaren och reflektionsytan. Kontrollera resultatet med hjälp av en linjal. 15. Värm vattenröret med dina händer under 1-2 minuter. a) Hur ändras ljudhastigheten? b) Hur stor procentuell skillnad blir det på ljudhastigheten när du värmt upp vattnet? 1 Exakt värde beror på temperatur, tryck och salthalt. Biomedicinsk teknik, LTH Sida 12

12 Mätning av reaktionstid Mät upp hur snabbt du reagerar på olika stimulanser. Använd labbkortet för att generera startoch stoppsignal när du reagerar genom att trycka in en knapp. Studera start och stopphändelserna med oscilloskopet och gör nödvändiga inställningar av HP-räknaren (alternativt, mät med er hembyggda tidintervallmätare!). 16. Vad är ett rimligt värde att förvänta på reaktionstiden? 17. Om flankerna hos mätsignalen har olika lutning kan ett felaktigt resultat erhållas. a) Hur kan detta motverkas? b) Spelar det någon roll i den aktuella reaktionstidmätningen? I denna uppställning skall du använda ett labbkort som genererar en signal (stimulans) för dig att reagera på. Stimulansen är antingen en lysdiod som tänds, en summer som ljuder eller en extern elmotor som börjar vibrera. För att stoppa stimulansen trycker du på en inkopplad stoppknapp. Samtidigt som stimulansen startar ger labbkortet en startsignal som mäts på kontakten Start och när du trycker på stoppknappen ger labbkortet en stoppsignal som mäts på kontakten Stopp. Tiden mellan startsignal och stoppsignal är således din egen reaktionstid. Biomedicinsk teknik, LTH Sida 13

13 Vid mätning av reaktionstid för ljus (LED) finns en omkopplare för två olika stimulansmoder. I det ena läget (R) fås en röd ljussignal varje gång, och i det andra (R/G) kommer den röda signalen ibland att bytas ut mot en grön ljussignal. Spänningsmata labbkortet med 5V, koppla in stoppknapp och elmotor (vibrator). Studera med hjälp av oscilloskopet hur startoch stoppsignalerna ser ut och ställ därefter in räknaren så att mätningen sker korrekt. Framförallt måste triggningen ske på rätt flank och på en lämplig triggnivå. 18. a) Mät reaktionstiden för lysdiod med hjälp av räknaren för din laborationskamrat. Gör 10 mätningar med omkopplaren i läge R och skriv ner mätvärdena i protokollet nedan. Det går även bra att skriva in direkt i miniräknare; i många miniräknare går det att lägga in mätvärdena i listor/vektorer och sen kan miniräknaren själv räkna ut medelvärde och standardavvikelse. Upprepa mätserierna av reaktionstid även för stimulans från ljud (SUMMER) och vibration (VIBRATOR i hand). b) Beräkna medelvärde och standardavvikelse för gjorda mätningar (om du behöver friska upp minnet kring beräkning av standardavvikelse, se kursboken s ). Vilken stimulus reagerar försökspersonen snabbast på? Går det att utifrån medelvärdena och standardavvikelserna rangordna stimulin snabbast - långsammast? Stäm av dina slutsatser med laborationshandledaren! OBS: det är viktigt att samma person gör samtliga mätningar Medelvärde: Standardavvikelse: Lysdiod Summer Vibrator Biomedicinsk teknik, LTH Sida 14

14 m n n 1 1 = x = i, sd n i= 1 n 1 i= 1 2 ( ) xi m 19. Fundera igenom vad som kan förbättras i denna mätning! Handledning reviderad: JG, JG, JG, JG, JG Biomedicinsk teknik, LTH Sida 15

15 Appendix A: Labbkorten Oscillatorkort. Spänningsmata med 5 V. Signal från antingen kristall eller keramiskt element delas ner från 1 MHz till 1 Hz beroende på utgång. Kort för reaktionstidsmätning. Spänningsmatas med 5 V. Koppla in vibrator och stoppknapp. Anslut start- resp. stoppsignal till lämpligt mätinstrument. Biomedicinsk teknik, LTH Sida 16