پایان نامه طراحی و ساخت شمارنده فرکانس تا یک گیگاهرتز

پايان نامه مقطع كارشناسي رشته الکترونیک

سال 87

فصل اول

اندازه گیری فرکانس

1-1- ویژگی های دستگاه اندازه گیری

اصولا عمل یا حاصل مقایسه یک کمیت مفروض با یک استاندارد از پیش تعیین شده را ، اندازه گیری می نامیم. برای این که نتیجه عمل اندازه گیری که با اعداد بیان می شود، معنی داشته باشد، باید اولا استانداردی که برای مقایسه  به کار می رود، دقیقا معلوم ومورد قبول عام واقع شده باشد. ثانیا روش استفاده شده برای این مقایسه باید قابل تکرار بوده و قادر به امتحان کردن دستگاه اندازه گیری باشیم به عبارت دیگر دستگاه به کار رفته و روش اندازه گیری باید موجه باشد.

هر دستگاه اندازه گیری دارای ویژگی ها و محدودیت های خاص خود است و برای انتخاب دستگاه اندازه گیری باید کلیه جوانب در نظر گرفته شود و با توجه به و یژگی های مورد نیاز و قیمت دستگاه  اندازه گیری بهترین انتخاب انجام شود.

1-گستره ی اندازه گیری: محدوده ای از تغییرات کمیت تحت اندازه گیری که وسیله قادر به اندازه گیری آن می باشد.

2-ریزنگری یا تفکیک پذیری: کوچکترین اندازه ی تغییرات کمیت تحت اندازه گیری که می تواند توسط            دستگاه، اندازه گیری شود.

3-حساسیت: نسبت میزان تغییرات خروجی به تغییرات کمیت تحت اندازه گیری

  با بیشترین بودن حساسیت،  اندازه گیری تغییرات کوچک کمیت تحت اندازه گیری راحت تر است اما          معمولا گستره ی اندازه گیری کم می شود.

4-درستی: میزان نزدیکی مقدار قرائت شده با مقدار واقعی کمیت

  معمولا با افزایش گستره ی اندازه گیری درستی کم میشود(یا قیمت ها افزایش قابل توجه می یابد)

5-دقت: نشان دهنده ی میزان پراکندگی آماری مقادیر اندازه گیری شده در چندین بار اندازه گیری یک کمیت است. به عبارت دیگر میزان عاری بودن اندازه گیر از خطای تصادفی میزان دقت را نشان می دهد.

                                      2.473                                2.472

                                      2.563                                2.475                                    

                                      2.425                                2.479        

                                  دقت کمتر                               دقت بیشتر

در شکل (1-1) نمایش مفهومی دقت و درستی مشاهده می شود.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    

                دقت مناسب                                   دقت نامناسب                          دقت مناسب

               درستی مناسب                                درستی نامناسب                        درستی نامناسب

شکل 1-1-نمایش دقت و درستی

1-2- کالیبراسیون(برسنجیدن)

مقایسه عملکرد دستگاه اندازه گیری با مرجع استاندارد (که در رده ی درستی بالاتری قرار دارد) جهت تعیین خطای آن را کالیبراسیون گویند. به عبارت دیگر کالیبراسیون، کنترل دستگاه اندازه گیری به منظور اطمینان از عملکرد مناسب آن است. مرجع استاندارد می تواند یک کمیت یا دستگاه اندازه گیری باشد.

1-3- تنظیم دستگاه اندازه گیری

معمولا در دستگاه های اندازه گیری امکان تنظیم ( به صورت محدود) گذاشته می شود تا در مواردی که اندازه گیر از حالت کالیبره خارج می شود، عملکرد آن را اصلاح کنند. تنظیم می تواند به صورت تنظیم شیب یا آفست باشد.

1-4- قسمت های مختلف دستگاه های اندازه گیری

کار اکثر سیستم های اندازه گیری را می توان در قالب سه مرحله ی اساسی قرار داد:

1-مرحله ی آشکارسازی و مبدل

2-مرحله ی میانی یا تغییر دهنده

3-مرحله ی نمایش، ثبت یا کنترل

عناصری از قبیل مقاومت، سلف، خازن، ترموکوپل، کریستال، فتوسل و...  به عنوان مبدل مورد استفاده قرار می گیرد. مبدل یک پدیده ی غیر الکتریکی مانند فشار، دما، رطوبت و....را به یک کمیت الکتریکی مثل ولتاژ، جریان و...تبدیل می کنند.

مرحله ی میانی در یک دستگاه اندازه گیری می تواند شامل قسمت هایی از قبیل چرخ دنده ها، لوله ی هیدرولیکی، انواع فیلتر و تقویت کننده ها، سیستم های انتقال و....باشد. در برخی وسایل ممکن است نیازی به مرحله ی میانی ودر برخی موارد این قسمت بسیار پیچیده باشد.

مرحله ی نهایی می تواند شامل قسمت هایی مثل عقربه واشل، لامپ اشعه کاتدی، ستون مایع، قلم متحرک وکاغذ مدرج،  ضبط مغناطیسی و .... باشد. علاوه بر نمایش دهنده  و ضبط کننده که در مرحله ی آخر وجود دارند، از خروجی این بخش می توان برای کنترل قسمت های دیگر استفاده کرد.

در شکل (1-2 ) قسمت های مختلف یک دستگاه اندازه گیری به صورت کلی نمایش داده شده است.

مرحله آشکارسازی

مرحله میانی

نمایش

ثبت کننده

کنترل کننده

شکل 1-2-قسمت های مختلف دستگاه اندازه گیری

1-5- اندازه گیری فرکانس

یکی از مهم ترین کمیت ها در سیستم های الکتریکی و الکترونیکی فرکانس می باشد. در مدارات مخابراتی فرکانس سیگنال در قسمت های مختلف نقش مهمی را ایفا می کند ودر مراحل مختلف مدولاسیون، دمدولاسیون و پخش باید کنترل واندازه گیری شود. در سیستم های قدرت تغیر فرکانس می تواند باعث تغییر عملکرد سیستم شود، با افزایش فرکانس حجم هسته کاهش می یابد ولی امکان دارد سیستم توانایی تولید گشتاور مورد نیاز را از دست بدهد وهمچنین کاهش فرکانس می تواند باعث به اشباع رفتن هسته و آسیب رسیدن به سیستم شود، بنابراین در سیستم های قدرت هم باید فرکانس به طور دقیق اندازه گیری و کنترل شود. در سیستم های ابزار دقیق برای انتقال سیگنال با تبدیل ولتاژ به فرکانس اثرات نویز را کاهش می دهند.

با توجه به موارد ومثال های فوق اهمیت اندازه گیری فرکانس در سیستم ها بیش از پیش معلوم می شود.با استفاده از اندازه گیری فرکانس می توان کمیت هایی مثل سرعت سیال را به طور غیر مستقیم اندازه گیری نمود.

1-6- تقسیم بندی باندها وفرکانس ها

فرکانس های رادیویی مطابق جدول زیر تقسیم بندی شده اند:

گستره ی فرکانسی

نمادها

3-30 KHz

VLF(Very Low Frequency)

30-300 KHz

LF(Low Frequency)         

300-3000 KHz

MF(Main Frequency)       

3-30 MHz

HF(High Frequency)         

30-300 MHz

VHF(Very high Frequency)

300-3000 MHz

UHF(Ultra high Frequency)

3-30 GHz

SHF(Super high Frequency)

30-300 GHz

EHF(Extra high Frequency)

جدول 1-1-تقسیم بندی فرکانس ها

امواج رادیویی طیف وسیعی از فرکانس ها را در بر می گیرند که بر حسب کاربرد طبق استاندارد هایی  تقسیم بندی شده اند. با افزایش فرکانس سیگنال کاربرد های آن تخصصی تر و همچنین اندازه گیری فرکانس آن مشکل تر می شود.

1-7- فرکانس متر هاو مدارات ارائه شده برای آن

اصولا یکی از ابزار های مهم که در بخش های مهم سیستم های الکترونیکی و مخابراتی به کار گرفته می شود، فرکانس متر می باشد. این ابزار می تواند به صورت آنالوگ یا دیجیتال پیاده سازی گردد، نکته ی مهم درپیاده سازی این ابزار توجه به محل استفاده و نیز محدوده ی فرکانسی مورد نظر می باشد.

امروزه عمدتا به دلیل استفاده از مدارات دیجیتال ونیز پردازنده های با سرعت بالا در دستگاه های مختلف از فرکانس مترهای دیجیتال استفاده می شود وعملکرد این دستگاه ها با بهبود سرعت این پردازنده های دیجیتال روز به روز بهتر می شود. اما هنوز در فرکانس های بالا این ابزار ها ناکارآمد هستند و از ابزارهای تبدیل آنالوگ برای آشکارسازی فرکانسی استفاده می شود.

از تفاوت های فرکانس مترهای دیجیتال و آنالوگ می توان به نحوه ی عملکرد آنها اشاره نمود، در فرکانس متر های دیجیتال عمدتا به طور مستقیم و با توجه به لبه های پالس عمل سنجش فرکانسی انجام می گیرد حال آن که در فرکانس مترهای  آنالوگ با تبدیل فرکانس به کمیت هایی مثل ولتاژ وجریان این کار انجام می شود. گاهی ترکیبی از هر دو روش در سیستم های اندازه گیری استفاده می شود، بخشی از عملیات توسط سیستم آنالوگ ومابقی دیجیتال خواهد بود.

فرکانس متر های دیجیتال نمی توانند فرکانس های بالا را اندازه بگیرند در حالی که فرکانس متر های آنالوگ برای فرکانس های در حد چندین گیگا هرتز قابل استفاده می باشند.

1-7-1- فرکانس متر های آنالوگ

این ابزارها شامل یک بخش آشکار ساز می باشند که در این بخش سیگنال های با فرکانس بالا (از آنجا که بیشتر در فرکانس های مایکرویو کاربرد دارند) به یک دیود آشکارساز می تابد واین دیود توان یا ولتاژ متناسب با آن فرکانس را ارائه می دهد.

معمولا این دیود های آشکارساز از جنس کریستال سلیکن که شامل سیم تنگستن نیز می باشد تشکیل شده است،به همین دلیل به آن دیود کریستالی نیز گفته میشود.

نوع دیگر این دیودها avalanche-transit-time diodes می باشد. این دیودها ساختار متفاوتی با دیودهای معمولی دارند، این دیودها دارای چهار لایه می باشند که به صورت  شکل (1-3) می باشند.

شکل 1-3-ساختار کلی دیود

برای آشنایی بیشتر با این دیودها توضیحات مختصری در ادامه آورده شده است:

دیودهای PIN:

این خانواده از دیودها به عنوان مقاومتی متغیر در فرکانس های مایکروویوی کاربرد دارند. این دیودها این قابلیت را دارند که بدون ایجاد اعوجاج در سیگنالهای مایکروویوی مقاومت مسیر خود را تغییر دهند که این کار با تغییر جریان dc دیود انجام می شود. از ویژگی مهم دیگر این سری از دیودها، قابلیت کنترل سیگنالهای مایکروویوی با دامنه زیاد می باشد. بخش میانی آن تأثیر زیادی در دوام آن و عدم ایجاد اختلال در امواج دریافتی خواهد داشت.

مراجع:

1-سعادت رضا؛ اندازه گیری الکتریکی

2-سپید نام؛ قدرت طراحی دیجیتال

3-سایت  http://oelectronic1.blogfa.com

4-سایت www.iranmadar.com