Тема 9. Цифровые приборы измерения частоты

Дата: 2025-05-01; Просмотры: 20

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

9.1. Общие сведения

Во многих областях науки и техники измерение частоты электро­магнитных колебаний является одним из самых распространенных ви­дов измерений.

Частотой колебаний f называют число полных колебаний в едини­цу времени

f = n/t,

где t - время существования n колебаний.

Для периодических сигналов частота f = 1/Т, где Т - период ко­лебаний, который определяется как наименьший интервал времени, че­рез который повторяются мгновенные значения периодического сигнала.

Таким образом, частота - это физическая величина, численно рав­ная числу идентичных событий в единицу времени.

Частота электромагнитных колебаний однозначно связана не толь­ко с периодом колебания Т, но и с длиной однородной плоской волны в свободном пространстве λ:

f = c/ λ,

где с ≈ 3 ∙ 10⁸ м/с — скорость света в свободном пространстве; λ - длина волны, м.

Теоретически измерения частоты, времени и длины волны равно­ценны, но практически в большинстве случаев измеряют частоты, реже - интервалы времени. Длина волны при необходимости легко вычи­сляется, а на сверхвысоких частотах и измеряется.

Диапазон частот электрорадиотехнических сигналов простирается от долей герца до тысяч гигагерц. Например, спектр частот, применяемых для радиосвязи, радиовещания и телевидения упорядочен. Этот спектр разбит на девять полос, внутри которых частоты изменяются в 10 раз.

В соответствии с ГОСТ 24375-80 такое разделение частот по поло­сам и их метрические наименования приведены в таблице 9.1.

Таблица 9.1 – Стандартные полосы частот

Измерение частоты в основном осуществляется двумя основными методами:

- преобразованием частоты в постоянное напряжение, измеряемое стрелочным или цифровым вольтметром;

- дис­кретного счета – подсчетом цифровым счетчиком числа периодов сигнала за эталонный промежуток времени.

Первый способ широко применялся в аналоговых приборах. При высоких требованиях к точности всегда используется второй метод.

Метод дискретного счета лежит в основе построения электронно-счетных частотомеров (ЭСЧ), используемых для измерения частотно-временных параметров электрических сигналов.

9.2 Цифровой частотомер

Упрощенная структурная схема ЭСЧ в режиме измерения частоты представлена на (рис.9.1). Схема содержит следующие элементы: входное устройство (ВУ), формирующее устройство (ФУ), временной селектор (ВС), опорный генератор (ОГ), делитель частоты (ДЧ), устройство формирования и управления (УФУ), электронный счетчик (ЭС), дешифратор (Дш) и цифровой индикатор (ЦИ).

Рисунок 9.1 – Структурная схема ЭСЧ в режиме измерения частоты

Входное устройство обеспечивает усиление или, наоборот, ослабле­ние входного сигнала и его фильтрацию.

Формирующее устройство преобразует исследуемый сигнал в после­довательность импульсов, частота следования которых равна частоте исследуемого сигнала.

Временной селектор представляет собой логическую схему, кото­рая обеспечивает пропускание на электронный счетчик сформирован­ные импульсы измеряемой частоты только при наличии на управля­ющем входе стробирующего импульса, длительность которого опреде­ляет время измерения.

Опорный генератор является источником сигнала калиброванного временного интервала. В этих целях, как правило, используется высо­костабильный термостатированный кварцевый генератор частотой 1 или 5 МГц. С помощью формирующего устройства опорного генератора вы­рабатывается последовательность импульсов, поступающих на делитель частоты. Делитель частоты формирует последовательность импульсов, частота следования которых в 10ⁿ (n = 1, 2, 3...) раз ниже частоты сигнала опорного генератора.

Устройство формирования и управления на основе сигнала, посту­пающего с делителя частоты, обеспечивает получение прямоугольного строб-импульса, длительность которого определяет время счета и со­ответственно время измерения.

Электронный счетчик обеспечивает подсчет и запоминание числа импульсов, прошедших через селектор за время строб-импульса.

Информация с электронного счетчика через дешифратор поступает на цифровой индикатор, на табло которого появляется информация в единицах частоты. Перед началом нового цикла измерений необходимо подготовить счетчик, сбросив показания прошлого цикла. Это делается через цепь сброса от устройства управления.

Таким образом, как следует из описания структурной схемы при­бора, при измерении частоты на первый вход ВС поступает последова­тельность импульсов с периодом Т_х, определяемым частотой исследу­емого сигнала f_х, причем Т_х = 1/f_x. На второй вход ВС поступает строб-импульс длительностью

∆Т=10ⁿТ_кв, (9.1)

где Т_кв — период следования импульсов с опорного кварцевого генератора.

На электронный счетчик проходит группа импульсов, число ко­торых

(9.2)

Если не учитывать погрешность дискретизации и сравнивать значе­ния для ∆Т из равенств (9.1) и (9.2), то имеем

откуда

(9.3)

Таким образом, измеряемая частота равна числу импульсов N, образованных из измеряемого сигнала, а f_кв ∙ 10^-n — коэффициент, определяющий единицу измерения частоты и число значащих цифр при отсчете (рис.9.2).

Рисунок 9.2 – Временная диаграмма работы ЭСЧ в режиме измерения частоты

Принято выделять две основные составляющие погрешности изме­рения частоты δ_f. Первая составляющая - это погрешность форми­рования образцового интервала времени ∆Т, в течение которого вре­менной селектор пропускает импульсы, т.е. проводится измерение. Эта погрешность определяется погрешностью меры, т.е. нестабильностью частоты кварцевого генератора δ_кв.

Вторая составляющая – погрешность дискретизации δ_Д, возникает за счет потери части периода измеряемых импульсов ∆t₁, ∆t₂ и приблизительно составляет ∆N = ±1 импульс.

Относительная погрешность дискретизации

(9.4)

Тогда, относительная погрешность измерения будет равна

(9.5)

9.3 Цифровой измеритель периодов

Схема содержит те же функциональные элементы, что и цифровой частотомер (рис.9.3).

Рисунок 9.3 – Структурная схема ЭСЧ в режиме измерения периода

Принцип действия цифрового измерителя поясняется на (рис.9.4). Исследуемый сигнал поступает через входное устройство на формирующее устройство. В формирующем устройстве и устройстве формирования и управления вырабатывается строб-импульс с крутыми фронтами, длительность которого определяет время открытого состояния временного селектора. Если не учитывать погрешность порогового устройства при формировании прямоугольного импульса, то можно считать, что длительность строб-импульса

∆Т равна периоду исследуемого сигнала Т_х.

Рисунок 9.4 – Временная диаграмма работы ЭСЧ в режиме измерения периода

На второй вход временного селектора поступают импульсы, период которых Т_кв задается опорным генератором. Умножитель частоты (УЧ) увеличивает частоту следования этих импульсов в 10^m раз (m = 1,2,3…). Число импульсов, считываемых с временного селектора без учета погрешности дискретизации, равно

(9.6)

Следовательно, период (длительность) измеряемого временного интервала без учета погрешности определяется числом импульсов, прошедших через временной селектор:

(9.7)

Как и в цифровых частотомерах, Т_кв ∙ 10^-m определяет единицу измерения и число значащих цифр при отсчете. Погрешность измерения периода Т_х определяется тремя составляющими.

Первая – отклонение частоты кварцевого генератора δ_кв.

Вторая составляющая погрешности — это методическая погрешность. Она определяется некратностью интервалов Т_х и ∆Т и называется погрешностью округления (дискретности) — δ_Д.

Из временных диаграмм (рис. 9.4) следует, что период измеря­емого сигнала с учетом общей погрешности дискретизации (дискретно­сти) ∆t_Д определяется равенством

(9.8)

где ∆t_Д = ∆t₁ — ∆t₂. При этом максимальная абсолютная погрешность дискретизации определяется изменением числа счетных импульсов на ±1, а максимальная относительная погрешность дискретизации

Рассматриваемая методическая погрешность носит случайный ха­рактер. При распределении этой погрешности по равномерному закону, среднее квадратическое значение погрешности за один период

При измерении n периодов погрешность δ_Д1T уменьшится в n раз и при измерении больших интервалов становится сравнимой с δ_КВ.

Третья составляющая погрешности цифрового измерителя возни­кает при формировании из входного сигнала импульса, определяющего измеряемый период ∆T. Это обычно происходит за счет нестабильности порогового устройства, формирующего стробирующий импульс, а также из-за флуктуационных шумов и других помех, присутствующих в изме­ряемом сигнале. Все это вызывает случайные изменения длительности формируемого импульса и соответственно погрешность измерения δ_З называемую погрешностью уровня запуска.

Таким образом, результирующая погрешность цифрового измери­теля периода

Электронно-счетные частотомеры, кроме рассмотренных режимов работы, обычно работают в режиме измерения отношения частот и ре­жиме измерения интервалов времени. В этих режимах исследуемые сиг­налы подаются на два раздельных входа «В» и «Г».

Заметим, что во всех рассмотренных режимах имеет место погреш­ность дискретизации, имеющая случайный характер. Величину этой по­грешности можно уменьшить путем многократных измерений, однако, при этом увеличивается время измерений. Вместе с тем при измере­нии временного интервала, например, длительности фронта импульса, погрешность дискретизации можно уменьшить на основе использова­ния нониусного метода.

9.4 Измерение временных интервалов нониусным методом

Нониусный метод измерения временных интервалов позволяет сни­зить погрешность дискретизации, которая имеет место при использова­нии метода дискретного счета для измерения коротких временных ин­тервалов, например фронтов импульсов.

Рассмотрим работу нониусного измерителя временных интервалов (рис.9.5).

Рисунок 9.5 – Структурная схема измерителя временных интервалов нониусным методом

Входной исследуемый сигнал длительности Т_х поступает на формирующее устройство, где вырабатываются два импульса: стартовый, соответствующий началу интервала Т_х, и стоповый, соответствующий концу этого интервала. Стартовый импульс через устройство управления (УУ) открывает временной селектор (ВС), обеспечивая тем самым прохождение че­рез него счетных импульсов с периодом повторения Т_сч от генератора счетных импульсов (ГСИ) на счетчик 1.

Счетные импульсы поступают также на первый вход схемы срав­нения. Стоповый импульс через устройство управления закрывает вре­менной селектор, и отсчет в счетчике 1 прекращается. Если при этом в нем оказалось зафиксировано N счетных импульсов, то изме­ренный временной интервал

(9.9)

где ∆t – погрешность дискретизации.

Кроме генератора счетных импульсов, в схеме имеется генератор нониусных импульсов. Параметры указанных генераторов выбираются из следующих условий:

Т_н < Т_сч, (9.10)

где n – целое число, обычно краткое 10.

Разность (9.10) обычно называют шагом нониуса.

Генератор нониусных импульсов (ГНИ) запускается через устройство управления стоповым импульсов. Нониусные импульсы начинают поступать на второй вход схемы сравнения и счетчик 2. Временное расстояние между счетными и нониусными импульсами с каждым периодом уменьшается, и в момент их совпадения схема сравнения вырабатывает импульс сброса, который останавливает работу ГНИ. Если в счетчике 2 при этом зафиксировано k нониусных импульсов, то интервал ∆t определяется из соотношения

С учетом (9.10) получим

Следовательно,

(9.11)

В полученном выражении измеряемый интервал определяется целым числом шагов счетных импульсов и числом шагов нониуса (рис.9.6).

Рисунок 9.6 – Диаграмма измерения временных интервалов

нониусным методом

В современных нониусных измерителях погрешность измерений имеет порядок 10^-9. Эта погрешность определяется следующими составляющими: длительностью и формой счетных и нониусных импульсов; нестабильностью генераторов; неполным совпадением (частичным перекрытием) импульсов в схеме сравнения.

9.5 Бюджетные модели цифровых частотомеров

Одним из последних моделей российской фирмы АКТАКОМ стали три частотомера: АСН-2801, АСН-3001 и АСН-3002 (рис.9.7).

Частотомеры АСН-2801, АСН-3001 и АСН-3002 позволяют проводить измере­ния частоты в диапазоне от 10 Гц до 3 ГГц с максимальным разрешением 0,1 Гц и погрешностью порядка 10^-5 %. При этом максимальная чувствительность на час­тоте 100 МГц составляет всего 0,8 мВ, что является очень неплохим показателем для частотомеров данного ценового сегмента. Рабо­чие температуры эксплуатации находятся в пределах от 0 °С до +50 °С при отно­сительной влажности не более 90 % и давлении от 495 до 795 мм рт. ст.

Рисунок 9.7 – Универсальные цифровые частотомеры АСН – 2801, 3001,3002

Питание приборов осуществляется от аккумуляторных батарей, которых хвата­ет на 6 часов непрерывной работы, или через сетевой адаптер. Помимо этого следует отметить возможность беспроводного измерения частоты радиопереда­ющего устройства - например, сотового телефона - с помощью телескопической антенны. Это значительно упрощает процесс измерения частоты при проведении разного рода инженерных работ в полевых условиях.

В этих условиях измерение параметров сигнала возможно на следующих рас­стояниях до передатчика:

а) беспроводной телефон — до 0,3 метров;

б) сотовый телефон — от 3 до 20 метров;

в) СВ-источник — от 2 до 8 метров;

г) КВ/УКВ-источник — от 3 до 30 метров.

Цифровые частотомеры часто встраиваются в многофункциональные приборы, такие как мультиметры, функциональные генераторы, комбинированные приборы и т.д. Небольшое количество ручных частотомеров связано с тем, что функции измерения частоты сейчас есть у большинства мультиметров.

Высокоточные измерения частоты (с погрешностью 0,005%) обеспечивают мультиметры американской фирмы FLUKE, например, FLUKE-187/189 до 999,99 МГц.