Электронно-счетный частотомер

Принцип действия электронно-счетного частотомера основан на измерении частоты в соответствии с ее определением, т.е. на счете числа импульсов за интервал времени.

В цифровом (электронно-счетном) частотомере 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 f_x = N/T_и.

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

На рис. 12.1, а приведен пример построения схемы одного из цифровых частотомеров.

4.1. Структура 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 (рис. 4.2).

4.2. Временные диаграммы работы частотомера

Временной селектор (ВС) открывается строб-импульсом, вырабатываемым устройством управления (УУ), на высокоточное время измерения и пропускает эти импульсы на электронный счетчик. Цифровой индикатор (ЦИ) автоматически выдает результат измерения в герцах. Генератор меток времени состоит из задающего генератора (ЗГ) образцовой частоты, например, 1 МГц с кварцевой стабилизацией (кварцевого генератора) и делителя частоты (ДЧ). Делитель частоты делит частоту кварцевого генератора 1 МГц декадными ступенями (в 10 раз) 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 (УУ) управляет всем процессом измерения и обеспечивает регулируемое время индикации 0,3¸5 с результатов измерения на цифровом индикаторе (ЦИ); сброс счетных 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 счета; импульс запуска цифропечатающего устройства.

Электронный счетчик, предназначенный для счета поступающих с временного селектора N импульсов, состоит из нескольких последовательно соединенных счетных декад, каждая из которых соответствует определенному 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 8–4–2–1, поступающий со счетных декад, в десятичный.

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

Относительная погрешность измерения частоты

Df_x/f_x = DN/N + DT/T_и.

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

Значение второй компоненты погрешности DТ_и/Т_и определяется нестабильностью частоты кварцевого генератора f₀, 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. DТ_и/Т_и = Df₀/f₀ = d₀.

Итак, относительная погрешность измерения (%) частоты

или, если учесть d₀ = 10^–7, то

, (4.1)

где f_x – измеряемая частота, Гц.

Как следует из (4.1), 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 d_f = 2 × 10^–5 %; если f_x = 10 Гц, Т_и = 1 с, то d_f = 10 %.

Пример зависимости погрешности от измеряемой частоты и времени счета показан в таблице 4.1.

Таблица 4.1. Зависимость погрешности от времени счета

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 10ⁿ 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/Т_х.

Измерение периода

Период измеряется по схеме, показанной на рис. 4.3.

Рис. 4.3. Схема измерения периода

Входной сигнал через входное формирующее устройство поступает на устройство управления, формирующее строб-импульс. Длительность строб-импульса равна периоду измеряемого сигнала. На вход электронного счетчика поступают импульсы с генератора меток времени. Более точное измерение периода производится с использованием декадных делителей частоты. В этом случае входной сигнал после формирования поступает на декадные делители, где его период умножается в 10, 10², 10³ или 10⁴ раз, а затем поступает на устройство управления. Длительность строб-импульса в этом случае равна периоду измеряемого сигнала, умноженному на коэффициент деления используемого делителя. Основная относительная погрешность измерения периода прибором:

- при синусоидальном сигнале

;

- при импульсном сигнале с длительностью фронтов входных импульсов не более половины периода меток времени

;

где d₀ – основная относительная погрешность частоты внутреннего кварцевого генератора или внешнего источника образцовой частоты; Т₀ – период следования меток времени, с; n – коэффициент умножения периода; Т_х – измеренный период, с.