Измерение частоты следования импульсов

 

Формируют временные ворота калиброванной и известной длительности (рис. 8.1, а) с неизвестной частотой (периодом ). Подсчет числа импульсов, попадающих в интервал , дает , (8.1)	б) а) а)
Рис. 8.1. Принцип измерения частоты дискретным счетом

Откуда

(8.2)

Измерение частоты гармонического напряжения

В этом случае необходимо предварительно преобразовать гармоническое напряжение частотой (период ) в периодическую последовательность коротких импульсов, положение которых на оси времени соответствует точкам перехода гармонического напряжения через ось с производной одного знака (рис. 8.1, б). Очевидно, частота следования этих импульсов равна .

Реализуется метод в приборах, получивших название электронно-счетных или цифровых частотомеров (вид Ч3). Они считают число импульсов, равное числу периодов сигнала измеряемой частоты, за строго калиброванный интервал времени , например за 1 с. Если в течение интервала сосчитано n импульсов, то среднее значение измеряемой частоты за время

(8.3)

 

Временные ворота выбирают так, чтобы = с, где b = 0; ±1; ±2 и т. п. Тогда Гц.

В случае, когда = 1 c, Гц. Результаты измерений фиксируются в цифровой форме.

Сигнал, частоту которого необходимо измерить, поступает на вход А прибора (рис. 8.2). Формирователь преобразует синусоидальное напряжение измеряемой частоты в последовательность однополярных импульсов, частота следования которых равна частоте синусоидального сигнала.

 

Рис. 8.2. Структурная схема электронно-счетного частотомера

(режим измерения частоты)

Эти импульсы поступают на вход 1 временного селектора. Они проходят в счетчик лишь тогда, когда на входе 2 селектора действует стробирующий импульс (временные ворота) строго определенной длительности. Последний задается кварцевым генератором и окончательно формируется в схеме формирования и управления. Счетчик подсчитывает число импульсов, проходящих на его вход за время действия калиброванного стробирующего импульса.

Делитель частоты представляет собой набор k декад, каждая из которых уменьшает частоту следования импульсов в 10 раз. Общий коэффициент деления получается равным . В зависимости от числа используемых декад с различных выходов делителя могут сниматься импульсы напряжения с различными частотами следования. Так, при = 10 МГц эти частоты составят 1 МГц; 100; 10 и 1 кГц; 100; 10; 1 и 0,1 Гц. Периоды следования импульсов определяют продолжительности интервалов времени счета. При этом используются временные ворота с длительностями 0,0001; 0,001; 0,01; 1; 10 с.

Схема формирования и управления содержит формирователь временных ворот, реле времени индикации и сброса показаний счетчика на нуль, переключатель видов измерений.

Погрешности измерения частоты электронно-счетным частотомером:

– погрешность меры определяется нестабильностью частоты кварцевого генератора, погрешностью установки частоты генератора по образцовой частоте при выпуске с завода-изготовителя и погрешностью образцовой меры, по которой устанавливалась частота. Например, средняя относительная нестабильность частоты кварцевого генератора частотомера Ч3-39 не превышает следующих значений: за 1 с; за сутки;

– погрешность преобразования связана с формированием импульсов из напряжения гармонического сигнала;

– погрешность сравнения определяется главным образом погрешностью дискретности, обусловленной тем, что фронт и срез временных ворот не синхронизированы с моментами появления заполняющих ворота импульсов. Максимальное значение абсолютной погрешности дискретности составляет ±1 младшего разряда счета.

Абсолютная погрешность дискретности

, (8.4)

причем значение выражено в герцах, если интервал выражен в секундах.

Относительная погрешность дискретности

(8.5)

Погрешность фиксации результата сравнения может иметь место только при ненормальном функционировании счетчика (предполагается, что он правильно выбран по емкости и быстродействию).

Предел допускаемой абсолютной погрешности электронно-счетного частотомера

, (8.6)

где – общая погрешность меры (кварцевого генератора).

Соответственно предел допускаемой относительной погрешности, выраженной в процентах от измеряемого значения

(8.7)

В области низких частот погрешность дискретности является определяющей.

Уменьшение погрешности дискретности

Из-за больших погрешностей дискретности низкие частоты непосредственно измеряются электронно-счетным частотомером с невысокой точностью. Известны несколько способов повышения точности измерения:

1. Увеличение продолжительности временных ворот . В частотомерах предусматривают максимальные длительности ворот = l0 с
и редко = 100 с.

2. Применение умножителей частоты. Например, умножитель частоты ЯЗЧ-28 уменьшает погрешность измерения в раз.

3. Синхронизация фронта временных ворот с импульсом, задающим начало периода , а также измерение дробной части отношения . Аппаратурная реализация этого способа сравнительно сложна.

4. Переход от измерения частоты синусоидального сигнала к измерению его периода.

Измерение периода принципиально не отличается от измерения интервалов времени. Оно сводится к подсчету числа импульсов, следующих с частотой, равной частоте напряжения кварцевого генератора частотомера, и заполняющих измеряемый период .

Рис. 8.3. Структурная схема частотомера в режиме измерения периода

Сигнал подается на вход Б прибора (рис. 8.3). Формирователь 2 канала Б преобразует синусоидальное напряжение в последовательность коротких импульсов с периодом следования . В схеме управления из них формируется стробирующий импульс длительностью , подводимый ко входу 2 временного селектора. На формирователь 1 (канала А) подается напряжение кварцевого генератора, из которого формируются короткие импульсы с периодом следования 1/ . Эти импульсы поступают на вход 1 селектора. Измеряемый период связан с показанием счетчика m и частотой кварцевого генератора соотношением

(8.8)

Погрешность меры при измерении периода та же, что и при измерении частоты, т. е. .

Погрешность дискретности получается во много раз меньшей, чем при измерении частоты. Она тем меньше, чем больше и выше .
Поэтому в схеме кварцевого генератора предусмотрены умножители, увеличивающие частоту .

При измерении периода значительный вес может иметь погрешность преобразования, обусловленная действием шумовых помех при формировании временных ворот (ее называют погрешностью запуска триггера). Среднеквадратическая относительная погрешность запуска триггера при измерении периода

, (8.9)

где – среднеквадратическое значение напряжения помехи; – амплитуда напряжения сигнала; – отношение сигнал/помеха.

Эта погрешность получается в q раз меньшей, если измеряются q периодов.

При отношении сигнал/помеха 40 дБ среднеквадратическая относительная погрешность запуска

(8.10)

Предел относительной допускаемой погрешности измерения периода, выраженной в процентах от измеряемого значения, определяется так

(8.11)

Для получения прямопоказывающего цифрового измерителя низких и инфранизких частот применяют схемы, автоматически выполняющие операцию нахождения обратной величины

Возможности электронно-счетных частотомеров

Современные цифровые частотомеры могут быть применены для решения многих измерительных задач. Основные из них:

1. Измерение частоты гармонического напряжения.

2. Измерение частоты следования импульсов. В этом случае сигналы подают на вход А и процесс измерений не отличается от измерения частоты синусоидального напряжения.

3. Измерение периода гармонического сигнала.

4. Измерение периода следования импульсов.

5. Измерение длительности импульса. Сигнал подают на вход Б;
измерения аналогичны измерению периода.

6. Измерение интервала времени, заданного двумя импульсами одного источника. Импульсы подводятся ко входу Б прибора. Из них формируется стробирующий импульс, заполняемый импульсами, которые формируются из напряжения кварцевого генератора частотомера.

7. Измерение интервалов времени между двумя импульсами, поступающими от двух источников. Импульсы подаются соответственно на входы А и Б. Узлы частотомера переключаются таким образом, что оба импульса подаются на вход формирователя временных ворот. Последние имеют длительность, равную измеряемому интервалу, и заполняются импульсами одной из стандартных частот кварцевого генератора.

8. Измерение отношения двух частот . Ко входу А подводят напряжение частоты , а ко входу Б – частоты (). Период более низкочастотного напряжения задает временные ворота. Из сигнала более высокой частоты формируются импульсы, подсчитываемые за время, пока открыты временные ворота. Показание счетчика дает непосредственно отношение . Возможно измерение и значения , где q = . При этом временные ворота расширяются в q раз с помощью декадного делителя частоты, предусмотренного в канале Б.

9. Измерение вариации частоты.

10. Применение в качестве счетчика импульсов с ручным и автоматическим сбросом показаний.

11. Счет числа N событий (импульсов) с предварительной установкой числа N и выдачей командных сигналов начала и конца счета.

12. Применение как делителя частоты. В некоторых частотомерах с этой целью на переднюю панель выведены гнезда входа и выхода делителя частоты, включенного после кварцевого генератора. Переключатель количества декад в делителе позволяет регулировать коэффициент деления.

13. Использование в качестве источника напряжений стабильных частот. Напряжения всех частот кварцевого генератора (основной, а также получаемых на выходах делителей и умножителей) могут быть сняты со специальных гнезд. Необходимая частота устанавливается с помощью переключателя.

14. Самоконтроль работы всех узлов, за исключением кварцевого генератора.

Кроме того, возможности частотомера расширяются при работе с дополнительными блоками (для некоторых типов приборов, например, Ч3-38, – сменными):

- широкополосным усилителем, повышающим чувствительность (например, усилитель ЯЗЧ-31 повышает чувствительность прибора до 1 мВ в диапазоне 0,1 – 50 МГц);

- компаратором, повышающим разрешающую способность при сличении частот, измерении долговременной нестабильности частоты высокостабильных источников сигналов (например, компаратор ЯЗЧ-27 повышает разрешающую способность до за 1 с);

- преобразователем напряжение – частота, превращающим частотомер в цифровой интегрирующий вольтметр (например, с преобразователем ЯЗЧ-25 частотомер Ч3-38 образует вольтметр постоянного тока с пределами измерения 100 MB – 10 В и погрешностью не более 0,1 %);

- преобразователями частоты сравниваемых по фазе сигналов, которые в сочетании с частотомером образуют фазометр (например, преобразователь ЧК5-24);

- аналого-цифровым преобразователем, превращающим частотомер в измеритель отношения двух напряжений, и т. п.

 

Гетеродинный метод

 

Сущность гетеродинного метода, позволяющего измерять частоту с высокой точностью, заключается в сравнении частоты исследуемого напряжения с частотой напряжения перестраиваемого гетеродина, который заранее проградуирован. Приборы, осуществляющие этот метод, называют гетеродинными частотомерами (вид Ч4). Их применяют в диапазонах высоких и сверхвысоких частот.

Работа гетеродинного частотомера (рис. 8.4) и методика измерений сводятся к следующему. В положении И переключателя П на смеситель поступают одновременно напряжения двух частот: измеряемо и гетеродина . На выходе смесителя получаются напряжения комбинационных частот, в том числе частоты биений. Гетеродин перестраивают по частоте до появления нулевых (низкочастотных) биений, фиксируемых по индикаторному прибору. Индикатор может быть тональным (телефоны) или визуальным (осциллограф, электронно-световая индикаторная лампа, стрелочный прибор). После получения нулевых биений по шкале гетеродина определяют частоту его напряжения и, следовательно, , т. к. при нулевых биениях .

Рис. 8.4. Структурная схема гетеродинного частотомера

Погрешность измерений складывается из погрешности меры, т. е. нестабильности частоты и непостоянства градуировочной характеристики гетеродина, погрешностей сравнения и фиксации нулевых биений.

В схемах многих частотомеров предусмотрен кварцевый генератор, выполняющий функции образцовой меры. С его помощью поверяют и корректируют градуировочную характеристику шкалы гетеродина. Эту операцию производят после предварительного (ориентировочного) измерения неизвестной частоты. При поверке переключатель рода работы ставят в положение К. Помимо гетеродина к смесителю оказывается подключенным кварцевый генератор, напряжение которого содержит много гармоник. Отсчетный лимб гетеродина устанавливают в положение, соответствующее ближайшей к измеряемой частоте гармонике – «кварцевой точке». Индикаторный прибор фиксирует наличие биений, которые при помощи «корректора» гетеродина доводят до нулевых. Если у гетеродина отсутствует «корректор», то шкалу проверяют в соседних по обе стороны от точках, производят линейную интерполяцию и вводят поправку, уточняющую градировочную характеристику. После корректировки кварцевый генератор отключают и на смеситель подают сигнал измеряемой частоты. Гетеродин настраивают на частоту, при которой получаются нулевые биения, и делают окончательный отсчет по его шкале.

 

При очень высоких частотах получение низкочастотных биений затруднительно. В подобных случаях вместо индикаторного прибора можно включить низкочастотный частотомер (например, конденсаторный) и по нему определять разностную частоту . Тогда (знак поправки зависит от того, с какой стороны подходят к при настройке гетеродина).

В диапазоне СВЧ нередко применяют гетеродины, основная частота напряжения которых во много раз ниже измеряемой. При этом используются высшие гармоники гетеродина. Измеряемая частота сравнивается с частотой n- й гармоники гетеродина при нулевых биениях.

Гетеродинные измерители частоты характеризуются следующими основными параметрами: классом точности, диапазоном измеряемых частот, диапазоном частот гетеродина, значениями опорных частот и их погрешностью, чувствительностью и др.

Предусмотрены три класса точности гетеродинных частотомеров
(I, II, III), характеризуемые основной относительной погрешностью: ; и (погрешности опорных частот соответственно ; и ).

В качестве примеров гетеродинных частотомеров могут быть названы приборы: Ч4-1, измеряющий частоты 125 – 20 000 кГц с погрешностью ; Ч4-5, работающий в диапазоне 2,5 – 18 ГГц (основная погрешность ); Ч4-4 – Ч4-25, охватывающий диапазон частот 37,5 – 78,3 ГГц.

 

⇐ Предыдущая891011121314151617Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: