Цифровые частотомеры

43.6.1 Измерение частоты

Принцип действия цифрового (электронно-счетного) частотомера построен по схеме, в которой подсчитывается число импульсов N, соответствующее числу периодов неизвестной частоты f_x за известный высокоточный интервал времени, называемый временем измерения Т_и. Если за время Т_и подсчитано N импульсов, то среднее значение измеряемой частоты вычисляют по формуле:

, (43.5)

При времени измерения Т_и = 1 с количество подсчитанных импульсов (периодов) N и есть значение измеряемой частоты (Гц), т.е. f _x = N.

На рисунке 43.5 приведён пример построения схемы одного из цифровых частотомеров.

Рисунок 43.1 – Схема цифрового частотомера

Входное устройство, состоящее из широкополосного усилителя и аттенюатора, предназначено для согласования частотомера с источником сигнала, а также для усиления или ограничения напряжения на входе до значения, запускающего формирователь. Последний преобразует синусоидальные или периодические импульсные сигналы в последовательность импульсов постоянной амплитуды с большой крутизной фронтов, независимо от входного сигнала, частота следования которых равна частоте измеряемого сигнала (рисунок 43.2).

Рисунок 43.2 – Временные диаграммы, поясняющие принцип работы

частотомера

Временной селектор (электронный ключ с двумя входами) открывается строб-импульсом, вырабатываемым устройством управления (схемой автоматики), на высокоточное время измерения и пропускает эти импульсы на электронный счётчик. Цифровой индикатор автоматически выдаёт результат измерения в герцах. Генератор меток времени состоит из генератора образцовой частоты 1 МГц с кварцевой стабилизацией (кварцевого генератора) и делителя частоты. Делитель частоты делит частоту кварцевого генератора 1 МГц декадными ступенями до 0,01 Гц, т.е. 100; 10; 1 кГц, 100; 10; 1; 0,1; 0,01 Гц. Полученные частоты используют для формирования высокоточного времени измерения - меток времени, равных соответственно 10^-6; 10^-5; 10^-4; 10 ^-3; 10 ^-2; 10 ^-1; 1; 10; 100 с.

Устройство управления (автоматики) управляет всем процессом измерения и обеспечивает регулируемое время индикации 0,3 - 5 с результатов измерения на цифровом табло; сброс счётных декад и других схем в "нулевое" состояние перед каждым измерением; режим ручного, автоматического и внешнего пуска прибора; вырабатывает из частот, поступающих с делителей, строб-импульс, открывающий селектор на время счёта; импульс запуска цифропечатающего устройства.

Электронный счётчик, предназначенный для счёта поступающих с временного селектора N импульсов; состоит из нескольких последовательно соединённых счётных декад, каждая из которых соответствует определённому порядку частоты f_x (единицам, десяткам, сотням герц и т. д.). Цифровой индикатор обеспечивает отображение результатов измерений, поступающих с дешифратора. Последний преобразует двоично-десятичный код, поступающий со счётных декад, в десятичный.

Основная особенность последовательного счёта импульса, положенного в основу работы цифровых частотомеров, состоит в увеличении погрешности измерения при уменьшении частоты.

Относительная погрешность измерения частоты:

, (43.6)

Значение первой компоненты ΔN/N погрешности дискретности зависит от соотношения времени измерения Т_и ("временных ворот" селектора) и периода Т_х = l/f_x исследуемого сигнала. Погрешность дискретности в основном обусловлена несовпадением моментов появления счётных импульсов относительно фронта и спада строб-импульса: если Т_и не­кратные числа, то погрешность счёта импульсов ΔN = 0, если же Т_и и Т_х - некратные числа, то значение ΔN зависит от взаимного расположения Т_и и Т_х, т. е. несовпадения моментов их появления; при этом максимальная абсолютная погрешность счёта импульсов ΔN не превышает одного импульса ΔN=±1, определяющего младший разряд счёта.

Значение второй компоненты погрешности ΔТ_И/Т_И определяется нестабильностью частоты кварцевого генератора f_o, задающего "временные ворота" прибора Т_и.

Относительная погрешность времени измерения равна относительной погрешности частоты внутреннего кварцевого генератора и составляет значение порядка 10 ^-7, т. е. ΔТ_И/Т_И = Δf_o/f_o=δ_о.

Итак, относительная погрешность измерения (%) частоты:

, (43.7)

или, если учесть δ_о= 10^-7 , то

, (43.8)

где f_x - измеряемая частота, Гц.

Как следует из (43.8), относительная погрешность измерения частоты исследуемого сигнала при прочих равных условиях зависит от его значения. Относительная погрешность измерения частоты ничтожна при измерении высоких частот и велика при измерении низких частот. Например, если f_x = 10 МГц, Т_и = 1 с, то δ_f = 2 ∙ 10^-5 %; если f_x = 10 Гц, Т_и = l c, тo δ_f=10 %.

Следовательно, при измерении высоких частот погрешность обусловлена в основном нестабильностью кварцевого генератора, а при измерении низких частот - погрешностью дискретности. Для уменьшения погрешности измерения низких частот необходимо увеличить время измерения, но это не всегда возможно, поэтому в цифровых частотомерах либо применяют умножители, позволяющие повышать измеряемые частоты в 10^п раз, либо переходят от измерения частоты исследуемого сигнала к измерению его периода Т_х с последующим вычислением значения измеряемой частоты по формуле f_x= 1/T_X.