Цифровые методы измерения частоты

Рассмотрим как она появляется (рис.6.7).

Рис.6.7

На рис.38 обозначено: - измеряемый интервал; - результат измерения этого интервала. Из рисунка видно, что = + + , где + =D и является погрешность дискретности. Эта погрешность случайна, распределена по равномерному закону в интервале от 0 до . Из рисунка видно, что = 2 , то есть удвоенному периоду счетных импульсов. Рассмотрим способы уменьшения погрешности дискретности.

1) Если синхронизовать счетные импульсы с началом интервала измерения, то эта погрешность будет равна , так как = 0.

2) При увеличении частоты счетных импульсов уменьшится абсолютное значение погрешности дискретности ( станет меньше).

3) При увеличении времени измерений в К раз (с помощью делителя) при той же абсолютной погрешности уменьшается относительная погрешность, так как .

4) Так как погрешность дискретности случайна, то её для уменьшения можно применять статистические методы (так при проведении 10 измерений и их усреднении результат будет записан с одним десятичным знаком после запятой, т.е. потенциально точность уменьшится в 10 раз).

5) Существуют аппаратные методы, которые сводятся к трансформации временных масштабов (нониусные шкалы во времени). Один из таких методов будет рассмотрен в теме, посвященной измерению интервалов времени.

Структурная схема цифрового частотомера

1, 3

А

4, 2

1, 4

2, 3

Прежде чем рассматривать работу частотомера, отметим, что частотомер может работать в четырех режимах:

1 – режим измерения частоты;

2 – режим измерения периода;

3 – режим измерения отношения частот;

4 – режим самопроверки цифровой части.

Цифрами на рис.6.8.показаны положения переключателей, соответствующие режиму работы.

Рассмотрим работу в разных режимах.

В режиме 1 (измерение частоты) измеряемое колебание подаётся на вход «А», формирователь преобразует его в счетные импульсы, период которых равен периоду измеряемого колебания. Эти импульсы поступают на временной селектор и пройдут через него на счетчик, если на втором входе временного селектора будет подан строб от времязадающего триггера (временной селектор выполняет функцию логического «И») Длительность этого строба должна быть точно известна, поэтому строб формируется из сигнала, стабилизированного кварцем – с выхода кварцевого генератора импульсы с частотой определенной кварцем, поступают на регулируемый делитель частоты, с помощью которого устанавливается нужная длительность строба, кратная периодам кварцованных импульсов. Импульсы за время длительности строба подсчитываются счетчиком и на нем после окончания строба получается число, равное измеряемой частоте (в каких единицах, как было показано раньше, определяется длительностью установленного строба). Дешифратор преобразует двоичный код с выхода счетчика в десятичный, который отображается на цифровом индикаторе.

В режиме 2 (измерение периода) измеряемое колебание подаётся на вход «Б», формирователь преобразует его в счетные импульсы с периодом измеряемого колебания, которые через делитель с регулируемым коэффициентом деления подаются на времязадающий триггер. На выходе этого триггера длительность строба в этом режиме будет неизвестной – она равна (или кратна, что зависит от установленного коэффициента деления) периоду измеряемой частоты. На второй вход временного селектора поступают счетные импульсы от кварцевого генератора, частота которых может быть увеличена в кратное число раз выбором коэффициента умножения умножителя. Таким образом на счетчик за время неизвестного строба поступают счетные импульсы с точно известной частотой – на счетчике получится число равное длительности измеряемого периода в тех единицах, которые определяются частотой кварца и коэффициентом умножения.

Режим 3 (измерение отношения частот), который, строго говоря, не является режимом измерения – действительно в этом режиме неизвестная величина сравнивается с неизвестной величиной, а измерение по определению сводится к сравнению с известной, принятой за единицу. В этом режиме низкая частота (период ) подаётся на вход «Б», а высокая (период ) на «А». На счетчике образуется число, равное = или = , если на делителе установлен коэффициент деления K.

В режиме 4 (самопроверка) на первый вход временного селектора подаётся от умножителя частоты импульсы с частотой , где N – множитель, установленный на умножителе частоты; на второй вход временного селектора поступает строб длительностью , где М – коэффициент деления, установленный на делителе частоты. В результате на счетчике образуется число: .

Таким образом, если установить, например N= 100, а М= 1000, то на счетчике при правильной работе всей цифровой части частотомера будет число: .

Отметим, что при умножении частоты кварца в N раз, уменьшается в N раз абсолютное значение максимальной погрешности дискретности в режиме измерения частоты, а при делении этой частоты в М раз – уменьшается относительная максимальная погрешность дискретности в режиме измерения периода. Аналогично будет и в режиме измерения отношения частот.

Верхний диапазон измеряемых цифровым частотомером частот ограничивается, в большинстве случаев, быстродействием первого разряда двоичного счетчика. В настоящее время этот предел равен нескольким ГГц. Если необходимо измерять более высокие частоты, то используют предварительное гетеродинирование измеряемой частоты как показано на рисунке 6.9:

Рис.6.9

При такой схеме цифровой частотомер измеряет значение частоты уменьшеное на величину частоты гетеродина. Для получения искомой величины нужно к результату измерения цифровым частотомером прибавить значение частоты гетеродина: .

Естественно, что суммарная погрешность измерения частоты будет при таком измерении больше из-за добавляющейся погрешности установки частоты гетеродина.