Приборы и преобразователи измерения частоты

Основными измерительными приборами и средствами частотновременных измерений являются:

• осциллографы;

• приемники сигналов эталонных частот и компараторы;

• преобразователи частоты сигналов;

• частотомеры резонансные;

• частотомеры на основе метода заряда-разряда конденсатора;

• частотомеры цифровые;

• цифровые измерители частоты и интервалов времени.

Измерение частоты в электро- и радиотехнике производится в диапазоне от 0 до 10¹¹ Гц. На низких частотах (от 20 до 2500 Гц, но особенно в окрестности 50 и 400 Гц) используются электромеханические приборы: резонансные электромагнитные частотомеры и частотомеры на основе электромагнитных и электродинамических (ферродинамических) логометров. Их схемы приведены на рис. 5.18. Принцип работы логометрических частотомеров основан на зависимости разности вращающих моментов, воздействующих на скрепленные между собой подвижные катушки 1 и 2 с токами I ₁и I ₂, как от частоты, так и от положения катушек. Сопротивление, емкость и индуктивность в цепи прибора подбирают таким образом, что частота резонанса напряжений близка к средней частоте диапазона измерения f _ср.

аб

Рис. 5.18. Частотомеры на основе электромагнитного (а) и электродинамического (б) логометров

При средней частоте диапазона f _ср токи в рамках равны, а следовательно, вращающие моменты, действующие на подвижную систему логометра, также равны между собой, и стрелка прибора занимает среднее положение. При отклонении частоты от средней величины меняется соотношение токов в подвижных катушках, и прибор будет показывать изменение частоты в ту или иную сторону. Такие частотомеры просты по устройству и позволяют настраивать резонансный контур на различные частоты. Основная погрешность электромеханических аналоговых частотомеров составляет 1, 0− 2, 5%. Они имеют узкие диапазоны измерения и используются в качестве щитовых приборов.

В лабораторных условиях нередко для измерения частоты используют осциллографы. Это оправданно, если к точности измерения не предъявляется жестких требований. Получение фигур Лиссажу, использование круговой развертки с модуляцией яркости, определение частоты исходя из измеренного значения периода напряжения − наиболее распространенные способы осциллографических измерений 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. Данные 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 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. 5.19, где приведены структурная схема цифрового частотомера в режиме измерения частоты и временные диаграммы его работы.

Исследуемый гармонический сигнал частоты f_x подается на входное устройство (ВУ), усиливающее или ослабляющее его до значения, требуемого дляработы последующего устройства частотомера (см. рис. 5.19, а). Снимаемый с выхода ВУ гармонический сигнал и₁(см. рис. 5.19, б)поступает на формирователь пульсов (ФИ), преобразующий его в последовательность коротких однополярных импульсов и₂, следующих с периодом Т_х = 1/ f _хиназываемых счетными. Причем передние фронты этих импульсов практически совпадают с моментами перехода сигнала и₁ через нулевое значение на оси времени при его возрастании. Схемотехнически формирователь ФИ состоит из усилителя-ограничителя и компаратора (триггера Шмитта).

а − структурная схема; б − временные диаграммы

Счетные импульсы и₂поступают на один из входов временного селектора (ВС), на второй вход которого от устройства формирования и управления (УФУ) подается строб - импульси₃ прямоугольнойформыикалиброваннойдлительностиТ₀ > Т_х.Интервал времени Т₀называют временемсчета.

Временной селектор открывается строб-импульсом и₃и в течение его длительности пропускает группу (пакет) из N_x импульсов и₂на вход счетчика (СЧ). В результате с временного селектора на счетчик поступает пакет из N_x импульсов u₄.

Первый счетный импульс, попавший во временные ворота Т₀строб-импульса (см. рис. 5.19, б), опережает его передний фронт на время ∆ t _н, а срез ворот и последний счетный импульс, появляющийся до среза, разделяет интервал ∆ t _к. Из рис. 5.19, бследует, что

Т₀ = N_x Т_х − ∆ t _н + ∆ t _к = N_x Т_х− ∆ t _д,

где ∆ t _н и ∆ t _к − абсолютныепогрешностидискретизацииначала и конца интервала Т₀, вызванные случайным положением стробимпульса относительно счетных импульсов и₂; ∆ t _д = ∆ t _н − ∆ t _к − общаяабсолютнаяпогрешностьдискретизации.

Пренебрегая в вычислениях погрешностью ∆ t _д, получаем, что число импульсов в пакете N_x = Т₀ > /Т_х= Tf _хи, следовательно, измеряемая частота пропорциональна числу счетных импульсов, поступающих на счетчик:

f х = Nx /Т0.

Для формирования строб-импульса на УФУ поступают короткие импульсы с периодом Т₀(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 K _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. Т₀= K _д/ f _кв. Таким образом, f _х = N_x f _кв/ K _д.Отношение f _кв/ K _дможно дискретно изменять вариацией K _д, т.е. за счет изменения числа декад декадного делителя частоты. Счетчик подсчитывает число импульсов N_x и выдает соответствующий код в цифровое отсчетное устройство (ЦОУ). Отношение f _кв/ K _двыбирается равным 10 ⁿ Гц, где п− целое число. При этом ЦОУ отображает число N_x, соответствующее измеряемой частоте f _х в выбранных единицах. Например, если за счет изменения K _двыбран коэффициент п = 6, то число N_x, отображаемое на ЦОУ, соответствует частоте f_x, выраженной в мегагерцах. Перед началом измерений УФУ сбрасывает показания счетчика в нуль.

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. Гетеродинирование − это процесс нелинейного взаимодействия двух напряжений, в результате которого кроме исходных частот ω ₁ и ω ₂ возникают комбинационные частоты | n ω ₁ ± m ω ₂|, где n и m − целые числа.

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.