6.2.1. Меры частоты.

Принципиальной особенностью измерений частоты является то, что значение сравнивается с действительным значением только частоты (или обратной ее величины - периода). В приборах и методах измерения частоты не преобразуется в другие физические величины.

Поэтому все частотноизмерительные приборы содержат в том или ином виде меру частоты. В качестве таких мер применяют генераторы, использующие резонансные системы с высокой добротностью и высокой стабильностью во времени значения резонансной частоты . Наибольшее распространение получили кварцевые резонаторы, в которых механические колебания превращаются в электрические, благодаря пьезозффекту. Стабильность кварцевых резонаторов объясняется неизменностью их геометрических размеров и физических свойств (модуля упругости кварца). В диапазоне сверхвысоких частот применяются полые резонаторы, у которых стабильность также обеспечивается стабильностью геометрических размеров. Отметим, что стабильность у кварцевых резонаторов на три порядка лучше, чем у полых резонаторов. Лучшие генераторы с кварцевым резонатором обеспечивают относительную стабильность резонансной частоты за год в пределах , где . Значение у кварцевых мер частоты устанавливается путем сравнения с эталонами (стандартами) частоты, основанными на стабильности частот электромагнитного излучения при переходе атомов из одного возбужденного состояния в другое. На этих же явлениях основано действие исходных эталонов частоты и времени. Относительные погрешности исходных эталонов частоты составляют .

Поскольку резонаторы имеют одну резонансную частоту, удобную для использования, то и мера значения получается на одно значение. Для создания многозначной меры частоты создают генератор на одну частоту с опорой на кварц, а затем умножают его частоту при помощи нелинейного устройства. Например, в спектре продетектированного сигнала содержится весь набор гармоник , , и т д. Присоединяя перестраиваемый фильтр к детектору, можно поочередно выделять частоты, кратные основной . Важно то, что относительная стабильность этих частот не будет намного хуже, чем у и, следовательно, они также могут использоваться как значения .

6.2.2. Электронносчетный частотомер.

Переменное напряжение, частоту которого нужно измерить, преобразуют в последовательность односторонних импульсов с частотой следования, равной . Если сосчитать число импульсов N за известный интервал времени , то частота определяется по формуле:

(6.25)

Если , то N численно равно . Эта идея является основой метода измерения частоты дискретным счетом. Приборы, созданные на основе этого метода, называются электронносчетными частотомерами (ЭСЧ). Результат измерения появляется на табло передней панели прибора в виде светящихся цифр и поэтому такие приборы называются цифровыми частотомерами.

Упрощенная структурная схема ЭСЧ приведенна рис. 6.12а. Основным элементом входного устройства является аттенюатор или делитель напряжения, с помощью которого устанавливается напряжение, необходимое для нормальной работы формирующего устройства ФУ. В этом устройстве из входного переменного напряжения формируются короткие прямоугольные импульсы (рис. 6.12б), форма которых не изменяется при изменении частоты и амплитуды входного напряжения в установленных для данного прибора пределах. Для формирования импульсов применяют триггер Шмитта или специальные схемы на туннельных диодах.

Временной селектор ВС (схема “И”) предназначен для пропускания импульсов на электронный счетчик ЭСЧ в течение известного интервала времени (времени счета), формируемого из частоты генератора с кварцевой стабилизацией при помощи делителя частоты, так что . Импульсы измеряемой частоты поступают на счетчик импульсов лишь тогда, когда на входе временного селектора действует импульс . Сигнал с выхода счетчика о числе импульсов N, заполнивших его, поступает в виде двоичного кода на дешифратор (преобразователь кодов) и далее на цифровое отсчетное устройство ЦИ. Частота обычно равна 1 МГц или 5 МГц и поэтому длительность калиброванного импульса равна 1 или 0,2 мкс. При таких длительностях времени счета невозможно измерять частоты, значение которых меньше или сравнимы с ней. Поэтому после включают декадный делитель частоты, на выходе которого образуются частоты в меньше, чем частота , то есть 100, 10, 1 кГц, 100, 10, 1 и 0,1 Гц. Теперь длительность калиброванного импульса, открывшего временной селектор, равна , и время счета устанавливают декадными ступенями от до 10с. Измеряемая частота определяется по формуле:

(6.26)

Управляющее устройство обеспечивает синхронизацию работы основных блоков, управляет хранением и сбросом показаний цифрового табло.

Очевидно, мерой является , преобразуемая в приборе в . Нестабильность и неточность определяют погрешности измерения. Долговременная нестабильность вызывается в основном старением кварца, имеет систематический характер и, следовательно, вносит систематическую погрешность в измерение частоты. Для ее уменьшения часть деталей генератора и кварцевый резонатор располагают в термостате. Благодаря этому длительная нестабильность частоты не превышает .

Случайная погрешность измерения частоты в основном определяется погрешностью дискретности, то есть погрешностью, связанной со случайным расположением пачки из N импульсов в границах интервала , а также кратковременной нестабильностью частоты . По правилам вычисления случайной погрешности косвенных измерений можно написать для абсолютной погрешности измерения частоты:

(6.27)

Абсолютная погрешность дискретности возникает вследствие несинхронности входного напряжения с напряжением кварцевого генератора, отчего начало и конец калиброванного интервала не совпадают с началом периода повторения счетных импульсов частоты (рис. 6.12в). Несовпадение приводит к возможности появления двух случайных независимых погрешностей и за счет потери части периода в начале и конце времени счета . Максимальная погрешность дискретности возникает при потере одного периода измеряемых импульсов, то есть, . Следовательно, максимальная относительная погрешность вычисляется как:

(6.28)

В силу того, что обычно мала, то

При измерении низких частот число импульсов N невелико и погрешность дискретности может стать значительной. Для ее уменьшения пришлось бы увеличивать время измерения , что не всегда возможно и целесообразно. Для обеспечения приемлемой погрешности измерения низких частот измеряют период. Принцип измерения аналогичен рассмотренному, с той разницей, что временной селектор открывается импульсом, формируемым из напряжения измеряемого периода, а считаются так называемые метки времени - импульсы, полученные из напряжения генератора с кварцевой стабилизацией (рис. 6.13а, 6.13б).

Если на счетчик пришло N меток времени при частоте генератора , то измеряемый период или измеренная низкая частота . Относительная погрешность измерения периода определяется формулой:

(6.29)

Из этой формулы следует, что измерять период вместо частоты следует только тогда, когда на счетчик за время счета поступает достаточно большое число меток, то есть когда . Для выполнения этого неравенства частота умножается с помощью умножителя частоты УЧ в раз.

Подведем итоги.

1. Принцип работы ЭСЧ состоит в дискретном счете количества периодов.

2. При измерении частоты измеряется количество периодов измеряемой частоты за интервал времени, сформированный из известного числа N периодов известной длительности .

3. При измерении неизвестного периода определяется количество периодов известной длительности внутри измеряемого неизвестного периода .

4. Мерой является период известной длительности, выдаваемый кварцевым генератором.