Ємнісні частотоміри
Для практичних цілей найбільш зручні прямопоказуючі частотоміри, що дозволяють вести безперервні спостереження за частотою досліджуваних коливань за шкалою стрілочного вимірювача. До них відносяться, насамперед, ємнісні частотоміри, дія яких заснована на вимірюванні середнього значення струму заряду або розряду опорного конденсатора, який періодично перезаряджається напругою вимірюваної частоти fx. Ці прилади застосовуються для вимірювання частот від 5-10 Гц до 200-500 кГц. При допустимої похибки вимірювань приблизно 3-5% вони можуть бути виконані за простими схемами, один з варіантів яких представлений на (рис.1.3). Тут транзистор Т1, що працює в ключовому режимі, управляється напругою частоти fx, яка підводиться до його базі з вхідного потенціометра R1. У відсутність вхідного сигналу транзистор Т1 відкритий, оскільки його база через резистори R3 і R2 з'єднана з негативним полюсом джерела живлення. При цьому на резисторі R5 дільника R5, R2 створюється падіння напруги U; останнє завдяки наявності конденсатора великої ємності С2 фіксується в якості напруги живлення транзисторного каскаду і при швидких періодичних змінах режиму транзистора майже не змінюється. При установці перемикача в положення «U-вимірювач І, включений послідовно з додатковим резистором R6, утворює вольтметр, який вимірює постійну напругу U на конденсаторі С2, яке з допомогою підлаштування резистора R2 підтримується на певному рівні, наприклад 15 Ст. Замість розглянутої може бути успішно застосована типова схема параметричної стабілізації напруги на стабілітроні, не потребує систематичного контролю.
Рисунок 1.3 − Схема ємнісного частотоміра
У позитивний напівперіод вхідної напруги частоти fx транзистор Т1 закривається і напруга на його колекторі різко зростає до значення U; при цьому відбувається швидкий заряд до напруги, близької до U, одного з конденсаторів C, зарядний струм якого протікає через вимірювач Та і діод Д2. В негативний напівперіод транзистор Т1 відкривається, його опір стає дуже малим, що призводить до швидкого і майже повного розряду конденсатора З струмом, що протікає через діод Д1. За один період вимірюваної частоти кількість електрики, повідомили конденсатора при заряді і віддається їм при розряді, q ≈ CU. Оскільки процес заряду - розряду повторюється з частотою fx, то середнє значення I зарядного струму, реєстроване вимірювачем І, виявляється пропорційним цій частоті (1.5):
(1.5)
Це дозволяє забезпечити вимірювач лінійною шкалою, проградуйованій безпосередньо в значеннях вимірюваних частот.
Якщо відомі струм повного відхилення вимірювача І та постійну напругу U, то при заданому граничному значенні вимірюваних частот fп конденсатор повинен мати ємність (1.6);
(1.6)
Наприклад, при номіналах елементів схеми, зазначених на (рис.1.3), частотомір може бути відрегульований для роботи при верхніх межах вимірювань 100 Гц, 1, 10 і 100 кГц.
В даній схемі комутатор на транзисторі Т1 одночасно виконує функції підсилювача-обмежувача, завдяки чому свідчення частотоміра мало залежать від форми вхідної напруги. Будь-яке періодичне вхідна напруга з амплітудою приблизно від 0,5 і вище трансформується в імпульсну напругу майже прямокутної форми з незмінною амплітудою Uf яке живить вимірювальне (розрахункове) коло частотоміра. Конденсатор С3, шунтувальний вимірник, згладжує пульсації стрілки останнього при вимірюванні найнижчих частот загального діапазону.
Керований резистор R7, включений паралельно вимірника, служить для корекції шкали частотоміра в процесі його експлуатації. При цьому на вхід частотоміра подають напругу опорної частоти від вимірювального генератора або мережі змінного струму (50 Гц) і регулюванням опору R7 добиваються відхилення стрілки вимірювача до відповідного розподілу шкали частот. Таке регулювання повторюють кілька разів, чергуючи її з зазначеної вище установкою напруги живлення U, здійснюваної з допомогою резистора R2.
Вхідна напруга, менша 0,3-0,5 В, може виявитися недостатнім для запирання транзистора Т1 протягом більшої частини позитивного напівперіоду; тоді конденсатор С не буде встигати заряджатися до напруги U і свідчення частотоміра виявляться заниженими. Для підвищення чутливості по вхідній напрузі до 20-50 мВ електронного ключа іноді передує підсилювальний каскад, що виконується за схемою з загальним емітером.
При надмірній вхідній напрузі вхідний транзистор може бути пошкоджений; це призводить до необхідності включення на вході обмежувальних або регулювальних елементів, наприклад потенціометра R1. Вхідну напругу слід підвищувати поступово, стежачи за показаннями вимірювача частотоміра, і коли останній, після деякого інтервалу зростання, стабілізується, можна робити оцінку частоти fx. Корисно здійснювати контроль вхідної напруги з метою встановлення його на оптимальному для даного частотоміра рівні, наприклад 1,5 В. В даній схемі це має місце в положенні «U~» перемикача, коли вимірювач з діодами Д1, Д2 і резистором R4 утворюють вольтметр змінного струму з межею вимірювань приблизно 3, контролюючий напруга, що знімається з потенціометра R1.
Частотоміри, виконані за схемами, аналогічній розглянутій, дають досить точні свідчення лише при вхідних напругах, близьких за формою до напруги (зазвичай синусоїдальним), використаним при налагодженні і градуюванні приладу. Універсальні ємнісні частотоміри дозволяють вимірювати частоти як неперервних, так і імпульсних напруг будь-якої форми і полярності в широкому діапазоні частот вхідних напруг. У самому загальному випадку їх функціональна схема містить наступні послідовно включені компоненти: вхідний дільник - узгоджувальний каскад - підсилювач - тригер Шмітта – дифференціюючий ланцюг з фільтруючим діодом - режим мультивібратор - лічильна схема.