Измерение частоты, периода и временных интервалов методом дискретного счета.

Частота колебаний – это число колебаний в единицу времени f=1/T, где T – период колебаний. Частота измеряется в герцах. Один герц равен одному колебанию в секунду.

Измерение частоты наиболее точное измерение, поэтому многие величины, которые нужно измерить, преобразуют сначала в частоту для более точного измерения.

Метод дискретного счета:

Переменное напряжение частоты f_x преобразуют в последовательность импульсов той же частоты. А затем число этих импульсов подсчитывают за определенный промежуток времени. На этом методе основана работа электронно-счетных частотомеров.

Формирователь Ф1 превращает входной сигнал в последовательность коротких однополярных прямоугольных импульсов той же частоты, совместимых с уровнями логических 0 и 1 , принятых в схеме частотомера (нормирование по амплитуде, длительности, полярности). Если f_x изначально представляет из себя такие импульсы, то необходимости в Ф1 нет.

Эталонный отрезок времени формируется при помощи генератора импульсов Г, делителя частоты ДЧ и триггера Т. Длительностью промежутка - Т₀ , на это время замыкается логический ключ Кл.

Далее идет подсчет количества уложившихся в Т₀ периодов входного сигнала и индикация результата. Это осуществляют счетчик импульсов Сч, регистр памяти РП и цифровой индикатор ЦИ. Регистр РП нужен, чтобы не происходило изменение показаний на индикаторе ЦИ, пока поступают импульсы на вход счетчика Сч.

Длительность Т₀ задается коэффициентом деления ДЧ.

Формирователи Ф2 и Ф3 – для записи информации о частоте f_x со счетчика Сч в регистр РП. Только после этого обнуляется счетчик Сч, подготавливается схема к следующему измерению.

Полученное число импульсов n=T₀ / T_x = T₀ f_x .

В качестве значений Т₀ обычно выбирают степени 10. Для приведения индицируемого на ЦИ результата к стандартным единицам измерения (Гц) перемещают запятую на соответствующее число разрядов влево или вправо.

Погрешность такого частотомера определяется двумя причинами. 1 причина – неточность задания T₀ . Но так как в качестве генератора высокостабильный генератор импульсов с кварцевой стабилизацией частоты, причем часто и термостабилизир., то нестабильность Т₀ очень мала. 2 причина более значима. Это погрешность дискретности. Она возникает при кодировании временного интервала и = плюс-минус 1 импульсу. Относительная погрешность дискретности при измерении высоких частот незначительна. При измерении же меньших частот она может увеличиваться до единиц процентов.

Для уменьшения относительной погрешности дискретности: предварительное умножение частоты, увеличение Т₀ . Но соответственно при первом варианте усложняется схема прибора, при втором – увеличивается его инерционность. Лучше измерить период Т_х низкочастотного сигнала, после чего аппаратурно вычислить величину f_x =1 / Т_х , и отобразить ее на ЦИ.

Измерение периода электрических сигналов

Наиболее эффективен метод дискретного счета.

Работа электронно-счетного периодомера схожа с действием электронно-счетного частотомера. Отличие: здесь логический ключ Кл замыкается не на эталонный промежуток времени, а на длительность измеряемого периода Т_х. Если ключ Кл замкнут, то на счетчик Сч идут импульсы от Г и ДЧ. Чем больше Т_х тем больше отсчитает счетчик, тем больше его выходной код – эквивалентом измеряемой величины.

Полученное число импульсов n=T_х / T₀ = T_х f₀ . Значение f₀ обычно выбирают из ряда положительных степеней десятки. 10^m .

Погрешности цифрового периодомера возникают из-за нестабильности частоты импульсов на выходе делителя частоты и дискретностью квантования Т_х . Относительная погрешности дискретности для периодомера падает при уменьшении f_х (или увеличении Т_х ).

Измеритель временных интервалов ∆t_x , задают интервалы импульсами Старт и Стоп. Его можно получить, переделав цифровой периодомер:

Используя эту схему можно измерять длительность прямоугольных импульсов, если подавать их на управляющий вход ключа Кл и на вход формирователя Ф2. Для совместимости по уровням дополнительно в схему включается входной формирователь (преобразователь уровней).

Так как в цифровых частотомере и периодомере используются одинаковые узлы, то выпускают универсальные измерительные приборы. Они могут измерять частоту, период, интервалы времени, подсчитывать число импульсов. Узлы лишь по-разному коммутируются.

К этому же ряду приборов относятся часы и таймеры. Цифровой хронометр(часы) предназначен для измерения времени.

С выхода Г и ДЧ идет последовательность импульсов частотой 1 Гц (период 1с). Счетчик Сч1 с коэффициентом пересчета 60 подсчитывает секунды, Сч2 с тем же коэффициентом пересчета – минуты, Сч3 с коэф 24 – количество часов. Состояние всех трех счетчиков отображается на цифровых индикаторах ЦИ1, ЦИ2, ЦИ3.

Должна быть возможность настройки показаний часов для соответствия с точным временем. Для этого в схеме узел коррекции УК. Цепочка из счетчиков разрывается механическими переключателями. На входы счетчиков по очереди подаются импульсы от цепи Г-ДЧ. Когда текущее состояние корректируемого счетчика = нужному значению (смотрят по индикатору), то подача импульсов на вход этого счетчика прекращается. После этого счетчики снова объединяются в последовательную цепочку, и подключается выход ДЧ к входу Сч1.

Цифровой таймер тоже нужен для измерения времени, но не непрерывного, а заданных отрезков.

Пользователь внешними переключателями задатчика кода ЗК устанавливает длительность отрезка времени. После подачи импульса Старт код записывается во входной регистр реверсивного счетчика РС, взводится триггер Т.. С выхода Т единица поступает на вход генератора Г и разрешает генерацию тактовых импульсов. Импульсы с выхода ДЧ идут на вычитающий вход счетчика РС, код на его выходе уменьшается (это можно увидеть на индикаторе). Когда счетчик досчитает до нуля, на выходе переполнения появится импульс. Это значит, что заданный промежуток времени закончился. Сбрасывается триггер Т, заканчивается генерацию импульсов.