4.7 Електронно-лічильний (цифровий) частотомір

Принцип дії електронно-лічильного (цифрового) частотоміра полягає у використанні методу підрахунку кількості періодів невідомої частоти за відомий, стабільний за тривалістю інтервал часу. Спрощена структурна схема електронно-лічильного частотоміра зображена на рис. 4.10.

Якщо за інтервал часу Т_і підраховано N імпульсів, кількість яких відповідає числу періодів невідомої частоти f_x, то середнє значення вимірюваної частоти

Якщо Т_і =1 с, то кількість підрахованих імпульсів (періодів) N і є значенням вимірюваної частоти (Гц), тобто f_x = N.

г

Рис. 4.11. Часові діаграми роботи цифрового частотоміра.

Вхідний пристрій частотоміра складається із широкосмугового підсилювача й атенюатора і призначений для узгодження частотоміра з джерелом сигналу, а також для підсилення або обмеження напруги на вході до значення, при якому запускається формувач. Формувач перетворює синусоїдальні або періодичні імпульсні сигнали в послідовність імпульсів постійної амплітуди з великою крутизною фронтів, незалежно від вхідного сигналу, частота яких дорівнює частоті досліджуваного сигналу (рис. 4.11).

Часовий селектор (електронний ключ з двома входами) відкривається строб-імпульсом, який виробляється пристроєм керування (схемою автоматики) на високоточний час вимірювання, і пропускає імпульси з формувача на електронний лічильник, з якого сигнал надходить на цифровий індикатор. Цифровий індикатор автоматично видає результат вимірювання в герцах. Генератор міток часу складається із генератора зразкової частоти 1 МГц з кварцовою стабілізацією (кварцового генератора) і дільника частоти. Дільник частоти ділить частоту кварцового генератора 1 МГц декадними ступенями до 0,01 Гц, тобто 100; 10; 1 кГц; 100; 10; 1; 0,01 Гц. Одержані частоти використовують для формування високоточних інтервалів часу вимірювання –Т_і, які дорівнюють відповідно 10^-6; 10^-5; 10^-4; 10^-3; 10^-2; 10^-1; 1; 10; 100 с. Пристрій керування (автоматики) керує всім процесом вимірювання і забезпечує регульований час індикації 0,3-5 с результатів вимірювання на цифровій шкалі; перехід лічильних декад і інших схем в “нульовий” стан перед кожним вимірюванням; режим ручного, автоматичного і зовнішнього пуску приладу; виробляє із частот, які надходять з дільників, стробімпульс, який відкриває селектор на час відліку (вимірювання); імпульс запуску цифро-друкуючого пристрою.

Електронний лічильник призначений для підрахунку N_х імпульсів, що надходять з часового селектора. Електронний лічильник складається з кількох послідовно з’єднаних лічильних декад, кожна з яких відповідає певному порядку частоти f_x (одиницям, десяткам, сотням герц і т.д.). Цифровий індикатор забезпечує відображення результатів вимірювань, що надходять з дешифратора (дешифратор входить до складу цифрового індикатора, на схемі не показаний). Дешифратор перетворює двійково-десятковий код, що надходить з лічильних декад, в десятковий.

Основною особливістю послідовного підрахунку імпульсів, який є основою роботи цифрових частотомірів, є збільшення похибки вимірювання при зменшенні частоти. Максимальна систематична відносна похибка вимірювання частоти:

, (4.7)

де - нестабільність часового інтервалу, яка визначається нестабільністю частоти кварцового генератора , або відносна похибка часу вимірювання ₀ і має значення порядку 10^-7.

- похибка дискретності, яка залежить від співвідношення часу вимірювання Т_і і періоду Т_х досліджуваного сигналу.

Похибка дискретності обумовлена в основному неспівпаданням моментів появи відлікових імпульсів на вході часового селектора відносно переднього фронту і спаду стробімпульса. Якщо значення Т_і і Т_х – кратні між собою, то похибка відліку імпульсів N = 0, якщо Т_і і Т_х – некратне значення то N залежить від взаємного розташування Т_і і Т_х, тобто неспівпаданням моментів їх появи. При цьому максимальна абсолютна похибка відліку імпульсу N не перевищує одного імпульсу N = ± 1, який визначає молодший розряд відліку.

Таким чином, відносна похибка вимірювання частоти

; (4.9)

або у відсотках, з урахуванням того, що ₀ = 10^-7, одержимо:

(4.10)

Як видно із (4.10), відносна похибка вимірювання частоти досліджуваного сигналу залежить від значення частоти, тобто при збільшенні частоти похибка незначна, а при зменшенні – збільшується.

При вимірюванні високих частот похибка визначається в основному нестабільністю частоти кварцового генератора, а при вимірюванні низьких частот – похибкою дискретності.