Краткая характеристика цифрового частотомера

Цифровой частотомер (ЦЧ) – это универсальный цифровой прибор, позволяющий измерять частоту и период электрических сигналов различной формы, длительность импульсов, отношение частот двух электрических сигналов и ряд других параметров. Измерение любого из них осуществляется путем сравнения одного (более длительного) интервала времени с набором более коротких интервалов времени. Один из этих интервалов является измеряемым, а другой – образцовым. Операция сравнения и замены длительного интервала времени набором коротких интервалов, т.е. квантование, осуществляется автоматически.

Для измерения различных параметров в ЦЧ используются одни и те же основные узлы, которые коммутируются переключателем рода работы частотомера. При этом образуются различные структурные схемы, позволяющие измерять выбранный параметр.

Основные узлы ЦЧ: СИ; делитель частоты (ДЧ) на основе СИ; цифровое отсчетное устройство (ЦОУ), электронный ключ К, генератор импульсов стабильной частоты (ГСЧ), формирователи Ф. Вспомогательным узлом является устройство управления (УУ).

Устройство управления осуществляет подготовку основных узлов к измерениям и их взаимодействие при измерениях, а также обеспечивает ручной, автоматический или дистанционный запуск ЦЧ.

Органы управления ЦЧ выведены на лицевую панель. Для различных типов и модификации ЦЧ органы управления и надписи у них различны. Поэтому назначение органов управления и их положение для различных режимов работы частотомера указаны на рабочем месте для конкретного типа ЦЧ.

Опыт 2. Измерение частоты синусоидальных или импульсных напряжений

Опыт заключается в измерении частоты напряжения, снимаемого с выхода внешнего генератора или с выхода ГИ макета (по указанию преподавателя) и оценке погрешности измерения частоты.

Измерение частоты с помощью ЦЧ основано на подсчете с помощью счетчика импульсов числа периодов (колебаний) входного сигнала в течение строго фиксированного интервала времени T_и, т.е. в этом режиме измерение состоит в сравнении образцового интервала времени T_и с количеством периодов измеряемой частоты T_x, которые уложатся в интервал T_и.

Структурная схема частотомера изображена на рис. 4.4.

Сигналы измеряемой частоты f_x=1/T_x – поступают на формирователь Ф, преобразующий различные по форме и амплитуде сигналы в импульсы прямоугольной формы с определенной амплитудой, длительностью и частотой, равной f_x. Эти импульсы через электронный ключ К поступают на СИ, который подсчитывает их. Ключ К открывается на строго определенное время T_и – время измерения. Интервал T_и в виде прямоугольного импульса формируется источником (датчиком) эталонных интервалов времени, состоящим из кварцевого генератора стабильной частоты ГСЧ, ДЧ и формирователя прямоугольного импульса (ФПИ), формирующего импульс длительностью T_и, равной периоду выходных сигналов ДЧ. Длительность T_и может быть выражена как

.

где T₀ – период следования импульсов с ГСЧ; K_д – коэффициент деления ДЧ. Поэтому время измерения T_и может изменять оператор путем изменения коэффициента деления ДЧ переключателем "Время измерения".

Число импульсов N_х , поступивших в СИ за время T_и,

.

Оно индицируется на ЦОУ.

Время измерения T_и в ЦЧ может быть выбрано равным 1 с или десяти кратным секунде. Тогда число N_х будет представлять собой частоту f_х, выраженную в Гц (при T_и = I с).

Погрешность измерения частоты будет определяться двумя

составляющими: 1) погрешностью от нестабильности образцового интервала T_и; 2) погрешностью квантования или дискретности, обусловленной тем, что в интервал Т_и в общем случае уложится нецелое число периодов T_x измеряемой частоты. Первая составляющая погрешности определяется нестабильностью частоты кварцевого ГСЧ. Её относительное значение 10^–7 – 10^–9 , поэтому ею можно пренебречь, так как вторая составляющая значительно больше и в основном определяет погрешность измерения частоты. Причиной погрешности квантования является некратность интервала T_и и периода T_x, которым квантуется интервал T_и. Так как в худшем случае интервал времени N_x·T_x может отличаться от сравниваемого с ним интервала T_и на величину ±T_x, то максимальное значение относительной погрешности квантования может быть найдено:

(4.1)

Из выражения (4.1) следует, что для обеспечения малой погрешности этот режим работы ЦЧ целесообразно использовать для измерения сравнительно высоких частот.