4.2. Электронносчетный частотомер

Среди перечисленных методов наряду с осциллографическими методами сравнения частот, рассмотренными ранее, наиболее точными и распространенным является электронносчетный метод измерения частоты и периода сигнала.

Упрощенная структурная схема одного из вариантов цифрового измерителя частоты приведена на рис. 4.2.Схема содержит две основные группы блоков, обеспечивающие: формирование импульса, длительность которого Т_этстабильна и известна с высокой точностью; счет периодов исследуемого напряжения за время Т_эт.Измерение заключается в подсчете числаNпериодов неизвестной частоты Т_хв течение фиксированного времени Т_эт. Диаграммы, поясняющие работу схемы и форму напряжений в различных ее точках, приведены на рис. 4.2, б.

Вх. Ц.

Форм.

В. Сел.

Счёт.

Ц. Инд.

а)

F

Генер. Кв. Ч.

Схема

Упр.

Импульс

Сброса

x2 3 6

5

б)

4

Рис. 4.2. Измерение частоты цифровым методом:

а – структурная схема,

б - диаграммы напряжений.

Показания частотомера определяются следующим образом: пусть N --число импульсов, подсчитанное счетчиком. Поскольку Т_эт =NТ_х=N/f_x, то неизвестная частота

,

где n --целое число и лежит в пределах -31,

m – коэффициент деления частоты в схеме управления,

-- генератора стабильной частоты.

Для того чтобы число Nпоказывало частоту непосредственно в долях герца, необходимо выбирать Т_эт= 10ⁿс . Формирование импульса эталонной длительности происходит путем деления частоты кварцевого генератора в схеме управления, а формирование счетных импульсов из измеряемого сигнала в формирователе входного сигнала. Число импульсов, поступающих на счетчик определяется временным селектором.

Рассмотрим режим измерения периода (рис. 4.3, а)в цифровых частотомерах. От схемы счета периодов исследуемого напряжения за стабильный интервал времени Т_этнеобходимо перейти к схеме, производящей измерение длительности одного или нескольких периодов исследуемых колебаний, т.е. измерять длительность периода напряжения неизвестной частоты. Измерение периода цифровым методом включает две основные операции: преобразование измеряемых колебаний в последовательность дискретных импульсов с тем же периодом следования Т_х;измерение длительности периода Т_хпутем сравнения его с периодом следования калибровочных счетных импульсов.

Структурная схема такого измерителя приведена на рис. 4.3, а. С выхода генератора стабильной частоты сигнал поступает на формирующее устройство. С выхода устройства короткие импульсы с периодом следования Т₀поступают на временной селектор и в течение времени 10^mТ_хпроходят через него на счетчик. Показание счетчика будет

N₁=,

где -- множитель измеряемого периода,.

Если выбрать период Т₀ =10^-nс, гдеn-целое число, то отсчетN₁будет показывать величину T_x непосредственно в секундах или в кратных (дольных) единицах секунды. Выбор чиселmиnзависит от требуемой точности и времени измерения (подобно выбору числаnв схеме измерения частоты, изображенной на рис. 4.2). Максимальная относительная погрешность измерения частоты

г

(20)

де_кв --относительная погрешность нестабильности кварцевого генератора;

N=f_xT₀--число сосчитанных счетчиком импульсов, определяющих погрешность дискретности.

(20а)

Относительная погрешность измерения периода гармонических колебаний определяется тремя составляющими: относительной погрешностью из-за нестабильности частоты f₀ кварцевого генератора , относительной погрешностью дискретности d_д и относительной погрешностью d_ш, обусловленной внешними шумами, поступающими вместе с измеряемым сигналом d_ш »0,003.

Относительная погрешность d_ш влияет на длительность интервала для сигналов с малой крутизной фронта при переходе через нулевой уровень, когда на сигнал накладывается шумовая помеха.

Первое слагаемое формулы (20) представляет мультипликативную, а второе аддитивную составляющую погрешности частотомера. При кварцевой стабилизации частоты мультипликативную составляющую получают на уровне . Аддитивная составляющаярастет с уменьшением N, т.е. на низких частотах. Оптимальным случаем будет равенство этих составляющих, поэтому на низких частотах увеличивают время измерения до 10 сек.

Другой способ увеличения N – замена режима измерения частоты режимом измерения периода. В этом случае число N можно получить большим при правильном выборе коэффициентов и n.

Цифровой частотомер может работать в режиме измерения временных интервалов, если в схеме 4.3 на вход Т подать широтно – модулированный сигнал. Если на вход вместо генератора стабильной частоты подключить неизвестную высокую частоту, а на входнеизвестную низкую частоту, то результат будет определять отношение частот. Автор [15] используя преобразование превышения во временной интервал, а скорости в частоту импульсов счёта получил произведение этих величин для построения профиля рельсового пути. Цифровой частотомер можно использовать как счетчик импульсов и источник эталонных частот с декадной сеткой.

Частотный диапазон частотомеров ограничивается быстродействием цифровых схем, поэтому в прибор вводится предварительный преобразователь частоты с выделением усилителем промежуточной частоты разностной частоты, которая измеряется электронносчётным частотомером. В качестве гетеродина используется стабильный высокочастотный генератор, при этом частотный диапазон прибора расширяется до МГц.

Современные электронно-счетные частотомеры являются автоматическими приборами, отличающимися высокой точностью измерений, удобством отсчета, быстродействием и простотой работы с ними. На их выходах имеются коды результата счета, они оборудованы органами дистанционного управления, что позволяет применять их в автоматических системах контроля и управления. Используя преобразование некоторых физических величин в частоту или интервалы времени, электронно-счетные частотомеры применяют для измерения скорости, давления, температуры и других величин. Достижения в области микроэлектроники позволяют создавать электронно-счетные частотомеры на базе интегральных узлов. Применение последних дает возможность значительно увеличивать надежность, уменьшать габариты, массу и потребляемую мощность.

а)

Рис. 4.3. Измерение периода низкой частоты цифровым методом:

а- упрощенная структурная схема измерения; б- диаграммы напряжений.