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 ГИмакета (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 времениT_и, т.е. в этом режиме измерение состоит в сравнении образцового интервала времениT_ис количеством периодов измеряемой частотыT_x, которые уложатся в интервалT_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 равнойf_x. Эти импульсы через электронный ключ К поступают на СИ, который подсчитывает их. Ключ К открывается на строго определенное времяT_и– время измерения. ИнтервалT_ив виде прямоугольного импульса формируется источником (датчиком) эталонных интервалов времени, состоящим из кварцевого генератора стабильной частоты ГСЧ, ДЧ и формирователя прямоугольного импульса (ФПИ), формирующего импульс длительностьюT_и, равной периоду выходных сигналов ДЧ. ДлительностьT_иможет быть выражена как

.

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

Число импульсов Т_х поступивших в СИ за времяT_и,

.

Оно индицируется на ЦОУ.

Время измерения T_ив ЦЧ может быть выбрано равным 1 с или десятикратным секунде. Тогда числоN_хбудет представлять собой частотуf_х, выраженную в Гц (приT_и=Iс).

Погрешность измерения частоты будет определяться двумя составляющими: I) погрешностью от нестабильности образцового интервалаT_и; 2) погрешностью квантования или дискретности, обусловленной тем, что в интервал Т_ив общем случае уложится нецелое число периодовT_xизмеряемой частоты. Первая составляющая погрешности определяется нестабильностью частоты кварцевого ГСЧ. Её относительное значение10^–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 интервалаT_ии периодаT_x, которым квантуется интервалT_и. Так как в худшем случае интервал времениN_x·T_xможет отличаться от сравниваемого с ним интервалаT_ина 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.