Измерение частоты электромагнитных колебаний

Частота колебаний является важнейшей характеристикой переменного тока, а измерение частоты – одной из основных задач, решаемых в радиотехнике и электронике. Частотой колебаний называют число полных колебаний в единицу времени

,

где интервал времени, за который совершается колебаний.

Для гармонических колебаний частота , где период колебаний.

Так как измерение частоты, по самому определению частоты занимает определенный промежуток времени, то результатом измерения является усредненное на интервале времени значение частоты, откуда следует, что погрешность измерения частоты зависит от времени усреднения.

В зависимости от спектра частоты и допустимой погрешности для измерения частоты применяют различные способы и приемы измерения, основанные на использовании методов непосредственной оценки и методов сравнения. В настоящее время наиболее широком применяются электронно-счетные частотомеры, обладающие лучшими метрологическими и эксплуатационными свойствами.

Принцип действия электронно-счетного частотомера основан на измерении частоты в соответствии с ее определением, т.е. на счете числа импульсов за интервал времени. Переменное напряжение, частоту которого необходимо измерить, преобразуют в последовательность коротких импульсов с частотой следования, равной . Если сосчитать число импульсов за интервал времени , то частота

.

Структурная схема электронно-счетного частотомера изображена на рис. Сигнал частоты поступает на усилитель-формирователь импульсов УФ, который преобразует синусоидальное напряжение измеряемой частоты в последовательность однополярных импульсов. Частота следования этих импульсов равна измеряемой частоте. Импульсы поступают на вход 1 временного селектора ВС. На вход 2 селектора поступает импульс строго определенной длительности. Его длительность задается генератором высокой частоты ГВЧ с кварцевой стабилизацией и делителем частоты ДЧ с коэффициентом деления . Частота генератора с кварцевой стабилизацией обычно равна 1 или 5 МГц, и, следовательно, период колебаний равен 1 или 0,2 мкс. При такой длительности времени счета измерять частоты равные или меньшие , невозможно. Поэтому после кварцевого генератора включают декадные делители частоты, на выходах которых образуются частоты в ( раз ниже частоты генератора, т.е. 100, 10 и 1 кГц, 100, 10, 1, 1 и 0,1 Гц. Таким образом, длительность импульса, определяющего время счета, можно устанавливать ступенями, от 10^-5 до 10 с. Измеряемая частота при этом определяется по формуле

.

Импульс длительностью формируется в блоке управления БУ. Импульсы измеряемой частоты поступают на электронный счетчик импульсов Сч лишь тогда, когда ко входу 2 селектора приложен импульс длительностью . С выхода счетчика информация о числе импульсов , его заполнивших, в виде двоичного кода подается через дешифратор на цифровое отсчетное устройство, на котором в цифровом виде фиксируется результат измерения в единицах частоты. Измерение производится повторяющимися циклами, задаваемыми блоками управления.

Одновременно с воздействием на временной селектор управляющее устройство выдает импульсы для автоматического сброса показаний цифрового индикатора и освобождения электронного счетчика от накопленной информации, а также для приведения в исходное состояние дешифратора и делителя частоты.

Относительная погрешность электронно-счетного частотомера при измерении частоты определяется выражением

,

где относительная погрешность установки частоты кварцевого генератора при выпуске из производства или после корректировки частоты после очередной поверки;

относительная погрешность, вызванная нестабильностью частоты кварцевого генератора;

относительная погрешность, обусловленная некратностью периодов и .

Последняя составляющая погрешности оценивается исходя из того, что при некратности периодов и подсчет числа импульсов за время счета может быть произведен с точностью 1 импульс. Но тогда .

У современных электронно-счетных частотомеров величины и составляют примерно 10^-8 и менее, и в силу малости при технических измерениях могут не учитываться. Составляющая погрешности зависит от измеряемой частоты и времени счета. В табл. Приведены значения этой составляющей в зависимости от времени счета для различных частот.

Время измерения , с	Погрешность
	0,1 Гц	100 Гц	100 кГц
10-2	103	1	10-3
10-1	102	10-1	10-4
1	10	10-2	10-5

Ио таблицы видно, что для измерения низких частот применение электронно-счетного частотомера нецелесообразно, так как погрешность измерения недопустимо велика.

Для того, чтобы обеспечить приемлемую погрешность измерения низких частот, переходят к измерению периода с последующим пересчетом в частоту. Принцип измерения периода аналогичен рассмотренному принципу измерения частоты с той разницей, что временной селектор открывается импульсом, формируемым из напряжения, период которого необходимо измерить, а длительность этого периода определяется подсчетом импульсов , получаемых от высокостабильного генератора. Если на счетчик прошло импульсов с частотой следования , то измеряемый период

,

или частота

.

Составляющая относительной погрешности измерения периода при ошибке в подсчете числа импульсов за время счета 1 импульс, будет равна .