Лекция №14. ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТЫ

Осциллографический способ сравнения частот. Частота f или период T ( ) являются основными параметрами любого гармонического или периодического процесса. В общем случае частота характеризует число идентичных событий, происходящих за единицу времени. Для периодических, но не гармонических колебаний строго справедливо лишь понятие периода. Однако и в этом случае часто говорят о частоте, понимая под этим величину, обратную периоду.

Единица частоты – герц (Гц) – соответствует одному колебанию за 1 с. Частоты электрических колебаний, используемых в радиотехнике, лежат в пределах от долей Гц до сотен ГГц.

Измерение частоты и интервалов времени, а также хранение и воспроизведение их единиц лежат в основе многочисленных измерительных задач, решаемых в современной радиоэлектронике. Аппаратура для частотно-временных измерений образует единый комплекс приборов, обеспечивающий возможность проведения измерений с непосредственной их привязкой к Государственному эталону частоты и времени РФ. Последнее определяет принципиально высокую точность измерений. Основными видами приборов для измерения частоты и интервалов времени являются: стандарты частоты и времени; приемники сигналов эталонных частот и компараторы; преобразователи частоты сигналов; частотомеры резонансные; частотомеры цифровые; измерители интервалов времени.

Основой для частотно-временных измерений служит группа стандартов частоты – высокоточных мер частоты и времени, объединяющая водородный, рубидиевый, цезиевый и кварцевый стандарты. Для привязки к ним практических измерений служат приемники сигналов эталонных частот, передаваемых радиостанциями Государственной службы частот и времени РФ, а также компараторы и преобразователи частоты сигнала. Последние используют для переноса частоты или спектра измеряемого сигнала в ту область частот, где наиболее целесообразно производить измерение. Из всего комплекса аппаратуры рассмотрены лишь частотомеры и измерители интервалов времени.

В настоящее время наиболее распространены цифровые приборы, погрешность которых составляет 10^-8 – 10^-10. Резонансные частотомеры применяют в основном в диапазоне СВЧ. Их погрешность от 10^-3 до 10^-4.

Гетеродинные частотомеры практически не используют, а гетеродинное преобразование применяют для переноса частоты сигнала в область, удобную для ее измерения цифровыми приборами.

Прежде чем переходить к рассмотрению частотомеров, остановимся на возможности использования для измерения частоты электронных осциллографов.

Из всех способов измерения частоты с использованием осциллографа остановимся на способе измерения по интерференционным фигурам, называемым фигурами Лиссажу. Измерение основано на методе сравнения неизвестной частоты с известной частотой , воспроизводимой мерой. При измерении генератор развертки осциллографа выключают. На пластины Y подают одно из гармонических напряжений – исследуемое или напряжение рабочей частоты, а на пластины X – второе напряжение. Для получения неподвижной фигуры необходимо регулировать частоту рабочего напряжения . Неподвижные фигуры на экране (рисунок 38) наблюдаются при выполнении следующего соотношения:

, (1)

где m и n – целые числа.

Резонансные частотомеры. Резонансными частотомерами (волномерами) называют приборы для измерения частоты, использующие явления электрического резонанса. В основе их действия лежит метод сравнения измеряемой частоты с известной частотой колебательного контура (системы), настроенной в резонанс. Основными частями прибора являются прецизионная колебательная система и индикатор резонанса. Настройку системы в резонанс осуществляют микрометрическим механизмом, а отсчет частоты – по шкале, которой снабжен этот механизм.

Для рассмотрения основных свойств резонансных частотомеров обратимся к эквивалентной схеме (рисунок 39). Напряжение неизвестной частоты через элемент связи вводится в колебательную систему. Настройка в резонанс осуществляется изменением емкости конденсатора C. Состояние резонанса фиксируют по максимуму показания электронного вольтметра.

Напряжение на конденсаторе C подобной колебательной системы определяется соотношением

,

где , – активная и реактивная составляющие вносимого сопротивления.

Максимум напряжения имеет место при . Поскольку градуировка шкалы прибора выполнена при определенном значении (обычно ), то любое нарушение этого условия приведет к появлению погрешности измерения. Для их уменьшения коэффициент связи M должен иметь предельно малое значение.

Другим источником погрешности измерения служит неточность фиксации резонанса по показаниям индикатора. В рамках данной лекции эту погрешность мы оценивать не будем.

Основное практическое применение резонансные частотомеры находят в области СВЧ (на высоких частотах – лишь как встроенные приборы). При этом в качестве колебательных систем применяют объемные резонаторы, представляющие собой отрезок волновода круглого, коаксиального или прямоугольного типа. Частота собственных колебаний объемного резонатора определяется его геометрическими размерами. Изменяя один из размеров, можно регулировать значение резонансной частоты. Различают две основные схемы включения объемных резонаторов (рисунок 40).

В схеме на рисунке 40, а энергия почти полностью подходит к детектору, если собственная частота резонатора отличается от измеряемой частоты. При равенстве измеряемой и собственной частот резонатора эквивалентная проводимость, вносимая резонатором в волновод, значительно возрастает. Большая часть энергии отражается обратно к генератору, к детектору подходит меньшая мощ ность. Момент резонанса отсчитывают по минимуму тока, протекающего через детектор.

В схеме на рисунке 40, б при несовпадении собственной частоты резонатора частотой подводимой к нему энергии волна отражается от резонатора. Сила тока, проходящего через детектор, близка к нулю. При равенстве частот энергия поступает в резонатор; сила тока, проходящего через детектор, максимальна. В обоих случаях при измерении появляется отраженная волна, распространяющаяся в сторону генератора. Поэтому между генератором и волномером необходимо включить аттенюатор.

Цифровые частотомеры. Измерение частоты ( ) и периода ( ) синусоидального напряжения цифровым методом основано на реализации двух операций, а именно на преобразовании исследуемого сигнала в последовательность кратковременных (счетных) импульсов той же частоты и на счете числа этих импульсов за известный, строго определенный интервал времени (время счета). Первую операцию осуществляют схемами, получившими название формирующих устройств (формирователей), вторую – универсальными декадными счетчиками.

При измерении частоты интервал времени формируют из высокостабильных колебаний, создаваемых в приборе. Выбор частоты образцовых колебаний определяется удобством перевода числа , зафиксированного счетчиком, в величину искомой частоты, выраженную в герцах. Приборы допускают использование внешних источников образцовых колебаний с большей стабильностью частоты.

Частотомеры – приборы универсальные, кроме частоты они измеряют отношения частот, отклонения частоты от номинала, а также период колебаний и временные интервалы.

Основными метрологическими характеристиками цифровых частотомеров служат: диапазон измеряемых величин, относительная погрешность измерения, минимальный и максимальный уровни входного сигнала, входной импеданс и др. Цифровой частотомер (рисунок 41) состоит из следующих основных элементов.

Генератор образцовый с кварцевой стабилизацией и термокомпенсацией (или термостатированием). Частоту колебаний выбирают из соотношения Гц, где k – целое число, обычно равное 5, 6 или 7. Основное требование к генератору – высокая стабильность и точность исходной калибровки частоты. Необходимая точность калибровки обеспечивается за счет использования атомных стандартов частоты с возможностью их привязки к Государственному эталону времени и частоты РФ.

Входное устройство (два; см. рисунок 41), содержащее схемы автоматической регулировки усиления и подавления внешних помех. При недостаточном уровне входного сигнала (ниже нескольких милливольт) измерения прекращаются, и показания счетчика «сбрасываются на нуль». В устройстве предусмотрены меры защиты прибора от перегрузок.

Формирующее устройство (два; см. рисунок 41) создает последовательность кратковременных или прямоугольных импульсов, фронт которых совпадает с временем прохождения входных колебаний через нулевые фазы. Точность соответствия определяется уровнем внешних помех и амплитудой измеряемого сигнала. Если в устройстве используется триггер Шмитта, то помехи могут расчленить его выходное напряжение, что приведет к погрешности измерений. Для борьбы с этим в приборах предусматривают схемы оптимизации выбора пороговых уровней срабатывания триггера.

Делитель частоты следования импульсов служит для уменьшения частоты импульсов в целое число раз. Коэффициент деления выбирают из соотношения , где .

Устройство управления формирует прямоугольный строб-импульс, длительность которого определяет время счета . Длительность равна произведению периода входного напряжения ( или ) на значение введенного коэффициента деления. Если измеряется частота и стробирующий импульс формируется из колебаний образцового генератора, то время счета будет равно

с. (2)

Так как прибор измеряет усредненное значение частоты, то точность измерения растет с увеличением . Одновременно нестабильность приводит к погрешности измерения.

Отметим, что время одного цикла измерения равно сумме времени счета и времени индикации результата измерения, которое обычно составляет 0,1 – 5 с. Поэтому увеличение приводит к снижению быстродействия прибора.

Селекторный каскад управляется строб-импульсом. При его поступлении на время открывается путь счетным импульсам на вход декадного счетчика. Очевидно, что общее число импульсов , прошедших через селекторный каскад, будет равно .

Декадные счетчики осуществляют счет поступающих импульсов. Присутствие счетчиков в структурной схеме цифровых приборов ограничило верхний предел измеряемых частот. В настоящее время граница прямого счета импульсов не превосходит 500 МГц. Число счетных декад в счетчиках цифровых частотомеров от 3 до 9. Результат измерения представлен в счетчиках в виде двоично-десятичного кода.

Дешифратор осуществляет преобразование кода представления измерительной информации. Данные на выходе дешифратора зафиксированы в привычном десятичном коде.

Цифровой индикатор представляет результат измерения в виде визуально наблюдаемых цифр десятичной системы счисления. При наличии приборного интерфейса результат измерения может быть введен в систему передачи данных или зафиксирован на тот или иной носитель информации. Современные цифровые частотомеры допускают дистанционное управление.

Представленная структурная схема обеспечивает два варианта (режима) измерения частоты. В первом строб-импульс формируется из образцовых колебаний. При этом измеряемый сигнал поступает на вход 1, во втором – строб-импульс формируется из колебаний неизвестной частоты, а счетные импульсы – из образцового напряжения. В этом случае исследуемый сигнал поступает на вход 2. Каждый вариант имеет свои особенности и область применения, которые в рамках данной лекции мы рассматривать не будем.