Главная страница Случайная страница
Разделы сайта
АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
Цифровой метод измерения частоты.
|
|
Цифровой (дискретного счета) метод измерения частоты реализован в цифровых частотомерах. Принцип действия цифрового частотомера основан на измерении частоты в соответствии с ее определением, т.е. на счете числа импульсов за интервал времени. Эти приборы удобны в эксплуатации, имеют широкий диапазон измеряемых частот (от нескольких герц до сотен мегагерц) и позволяют получить результат измерения с высокой точностью (относительная погрешность измерения частоты составляет 10-6 – 10-9).
Поскольку цифровые частотомеры являются многофункциональными измерительными приборами, то в зависимости от режима их работы можно проводить измерение не только частоты и отношения двух частот, но и интервалов времени (периода следования периодических сигналов и интервала, заданного временным положением двух импульсов).
Принцип измерения частоты гармонического сигнала цифровым методом поясняет рис. 6.6, где приведены структурная схема цифрового частотомера, работающего в режиме измерения частоты, и временные диаграммы к его работе.
Исследуемый сигнал частоты fx подается на входное устройство ВУ (см. рис. 6.6, а), усиливающее или ослабляющее его до требуемого значения. Снимаемый с выхода ВУ гармонический сигнал u1 (см. рис. 6.6, б) поступает на формирователь импульсов ФИ, преобразующий его в последовательность коротких однополярных импульсов u2, следующих с периодом Тх = 1/fx и называемых счетными. Передние фронты этих импульсов практически совпадают с моментами перехода сигнала u1 через нулевое значение на оси времени при его возрастании. Схемотехнически формирователь ФИ состоит из усилителя-ограничителя и компаратора (триггера Шмитта).
Счетные импульсы u2 поступают на один из входов временного селектора ВС, на второй вход которого от устройства формирования и управления УФУ подается строб-импульс u3 прямоугольной формы и калиброванной длительности То > Тх. Интервал времени То называют временем счета. Временной селектор открывается строб-импульсом u3, и в течение всей его длительности пропускает группу (пакет) несколько импульсов и2 на вход счетчика СЧ. В результате с временного селектора на счетчик поступает пакет из Nx импульсов и4. Первый счетный импульс и2, попавший во временные ворота То строб-импульса, запаздывает относительно их фронта на время Δ tн, а срез ворот и последний счетный импульс, появляющийся до этого среза, разделяет интервал Δ tк (рис. 6.6, б).
Из рис. 6.6, б следует, что
T0 = NxTx- Δ tH+ Δ tK = NxTx- Δ tД,
где Δ tH и Δ tK — методические абсолютные погрешности дискретизации (дискретности) начала и конца интервала То, вызванные случайным положением строб-импульса относительно счетных импульсов и2, поскольку строб и счетные импульсы не синхронизированы; Δ tд = Δ tн- Δ tк— общая погрешность дискретности.
Пренебрегая в формуле погрешностью Δ tд, получаем, что число импульсов в пакете
Nx = To/TX = Tofx и, следовательно, измеряемая частота пропорциональна числу счетных импульсов, поступающих на счетчик,
fx = Nx/T0.
Для формирования строб-импульса на УФУ поступают короткие импульсы с периодом То (на рисунке для упрощения не показаны) от схемы, включающей кварцевый генератор КГ образцовой частоты f кв и декадный делитель частоты ДДЧ следования импульсов с коэффициентом деления К д(каждая декада уменьшает частоту f кв в десять раз). Период импульсов на выходе декадного делителя частоты и длительность строб-импульса равны периоду сигнала на выходе делителя частоты, т.е. То = К д /fKB. Поэтому выражение удобнее представить в виде
fx=Nx fKB /K д .
Отношение fKB /K д можно дискретно изменять вариацией К д, т.е. за счет изменения числа декад декадного делителя частоты.
Счетчик подсчитывает число импульсов Nx и выдает соответствующий код в цифровое отсчетное устройство ЦОУ. Отношение f кв /КД выбирается равным 10n Гц, где п — целое число. При этом ЦОУ отображает число Nx, соответствующее измеряемой частоте fx в выбранных единицах. Например, если за счет изменения КД выбран коэффициент п = 6, то число Nx, отображаемое на ЦОУ, соответствует частоте fx, выраженной в МГц. Перед началом измерений УФУ сбрасывает показания счетчика в нуль.
Систематическая составляющая погрешности измерения вызывается в основном долговременной нестабильностью частоты кварцевого генератора f кв. Ее уменьшают путем термостати-рования кварца или применяя в кварцевом генераторе элементы с термокомпенсацией. При этом относительное изменение частоты f кв за сутки обычно не выше δ КВ= 5 10 -9. Погрешность за счет неточности установки номинального значения частоты fKB уменьшается калибровкой кварцевого генератора по сигналам эталонных значений частоты, передаваемых по радио. Относительная погрешность калибровки кварцевого генератора не превосходит значения (1—5)10-10. Очень часто требуемая стабильность частоты обеспечивается введением в схему кварцевого генератора системы фазовой автоподстройки (ФАПЧ).
Случайная составляющая погрешности измерения определяется методической погрешностью дискретности Δ tд = Δ tн - Δ tк. Поскольку взаимная синхронизация строб-импульса и счетных импульсов отсутствует, погрешности Δ tни Δ tк, определяющие на рис. 6.6, б положение начала и конца строб-импульса между соседними двумя счетными импульсами, могут принимать во времени с одинаковой вероятностью значения от нуля до То. Поэтому погрешности Δ tни Δ tк являются случайными и распределены по равномерному закону. Вследствие независимости этих погрешностей общая погрешность дискретизации Δ tдраспределена по треугольному закону с предельными значениями ± То.
Максимальную погрешность дискретизации начала и конца интервала времени счета Δ tд = ± Tо удобно учитывать через эквивалентное случайное изменение числа счетных импульсов Nx на ± 1 импульс. При этом максимальная абсолютная погрешность дискретности может быть определена разностью значений частоты fx, получаемой при Nx± 1; в этом случае Δ fx = ± 1/Т0. Соответствующая максимальная относительная погрешность:
δ = Δ fx/fx = ±1/Nx=±1/(T0 fx).
Суммарная относительная погрешность измерения частоты цифрового частотомера нормируется в процентах и определяется как
δ fx = ±100 √ [ δ КВ2 + (1/ T0 fx)2]
Итак, согласно формуле суммарная относительная погрешность измерения из-за погрешности дискретизации увеличивается по мере уменьшения измеряемой частоты fx. При достаточно малой измеряемой частоте fx она может превзойти допустимое значение даже при максимальном времени счета То, которое в цифровых частотомерах обычно не превышает 1 или 10 с. В этом случае целесообразно сначала измерить период Тх, а затем вычислить измеряемую частоту по формуле fx=1/Tx.
Диапазон измеряемых частот цифровых частотомеров ограничен снизу погрешностью дискретизации, а сверху — конечным быстродействием используемых счетчиков и делителей частоты. Верхний предел измерения частоты достигает 500 МГц, и его расширяют способом гетеродинного преобразования (переноса) измеряемой частоты в область более низких частот.
В современных цифровых частотомерах широко применяются кварцевые синтезаторы частот, создающие сигналы с дискретной сеткой частот. Цифровые частотомеры с программно-управляемыми синтезаторами частот и микропроцессорами являются перспективными измерительными приборами благодаря высокой точности, широкому диапазону измеряемых частот, надежности и удобству включения в автоматизированные измерительные системы.
|
|