Тема 2.4 Вимірювання частоти і інтервалів часу, вимірювання фазового зсуву, вимірювання спектру сигналів, вимірювання амплітудно- частотних характеристик

2.4.1 Електромеханічні частотоміри

Для вимірювання частоти у вузькому діапазоні (45...55Гц) з невисокою точністю (одиниці процентів) за­стосовуються електродинамічні й електро­магнітні частотоміри.

В електродинамічних часто­томірах застосовують логомет­ричний вимірювальний меха­нізм, який складається з двох рухомих котушок, закріплених на одній осі під деяким кутом одна до одної, яка може вільно обертатися у магнітному полі не­рухомої котушки (рис. 8.3). Па­раметри рухомої котушки та елементів добирають так, щоб резонансна частота

припадала на середину вимірю­ваного діапазону частот.

У разі відхилення вимірюваної частоти від середини діапазону змінюються опори реактивних елементів

і співвідношен­ня між струмами в котушках, унаслідок чого стрілка відхиляється на кут, пропорційний вимірюваній частоті . Аналогічно працює й електромагнітний частотомір.2.4.2 Резонансний метод вимірювання частоти

Принцип дії аналогового резонансного частотоміра (рис. 8.5) ґрунтується на порівнянні вимірюваної ча­стоти з частотою резонансного контуру . Сигнал з частотою , яку необхідно виміряти, через взаємно індук­тивні елементи подається на коливальний контур Резонансну частоту контуру можна змінювати, змінюючи ємність конденсатора :

За допомогою індикатора резонансу контур налашто­вується у резонанс із вимірюваною частотою

Індуктивність заздалегідь відома із заданою точністю, а тому шкала конденсатора градуюється безпосередньо в одиницях частоти. На високих і надвисоких частотах коливальний контур частотоміра виготовляєтеся у вигляді відріз­ка коаксіальної лінії або об'єм­ного резонатора.

2.4.1 Цифрові методи вимірювання частоти,періоду, інтервалів часу

Останнім часом усі розглянуті вище аналогові методи і засоби вимірювання частоти витісняються цифровими. Це пояснюється розробкою і впровадженням високостабіль- них мір частоти і часу на основі кварцових резонаторів, цифрових мікросхем високого ступеня інтеграції, мікро­процесорів для обробки вимірювальної інформації.

Частота і період — це взаємно обернені величини , тому вони вимірюються, як правило, одним при­ладом — універсальним частотоміром, який та­кож може вимірювати відношення частот, відношення періодів, відхилення (девіацію) частот тощо.

За допомогою універсальних цифрових частотомірів здійснюють такідва основні методи вимірювання:

зіставлення періодів вимірюваної частоти з відомим з високою точністю інтервалом часу ;

зіставлення періодів зразкової частоти з одним або кількома періодами вимірюваної частоти .

С труктура цифрового частотоміра, яким реалізу­ється перший метод, наведена на рисунку 8.7. Цифровий частотомір працює за таким принципом. Сигнал із часто­тою , яку потрібно виміряти, надходить на формувач імпульсів, який генерує прямокутні імпульси з періодом повторення , що дорівнює періоду повторення вхідних імпульсів і пов'язаний з вимірюваною частотою за­лежністю

Мірою частоти у цифровому частотомірі є кварцовий ге­нератор стабільної частоти . Високі метрологічні харак­теристики, зокрема високу стабільність частоти генерато­ра, забезпечує резонатор, виготовлений з кристала кварцу. Відносна нестабільність частоти кварцового резонатора . Імпульси кварцового генератора з періодом по­вторення подаються на подільник частоти. На ви­ході подільника частоти формується імпульс, тривалість якого в п разів більша за тривалість вхідного імпульсу. Цей імпульс на час вмикає перемикач, і імпульси з періодом надходять на вхід електронного лічильника імпульсів. Кількість імпульсів з періодом, що підрахову­ється лічильником упродовж часу , дорівнює:

Таким чином, число , зафіксоване лічильником, пря­мо пропорційне вимірюваній частоті.

На рисунку 8.8 наведено структуру цифрового хро­нометра, який реалізує другий метод вимірювання. На цифровий хронометр надходять старт-імпульс і стоп-ім- пульс. Інтервал часу між ними необхідно виміряти. Фор­мувач імпульсів формує імпульс, тривалість якого дорів­нює . Цей імпульс вмикає перемикач, і протягом часу на електронний лічильник імпульсів подаються імпуль­си з періодом повторення з кварцового генератора. Чи­сло , зафіксоване лічильником імпульсів, прямо про­порційне :

За своєю структурою прилади, наведені на рисун­ках 8.7 і 8.8, містять багато спільних елементів, і перехід від одного методу до другого можна здійснити за допомо­гою комутації.