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_эт стабильна и известна с высокой точностью; счет периодов исследуемого напряжения за время Т_эт. Измерение заключается в подсчете числа N периодов неизвестной частоты Т_х в 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

x 2 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 N показывало частоту непосредственно в долях герца, необходимо выбирать Т_эт = 10ⁿ с . 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_эт необходимо 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_х путем 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 Т₀ поступают на временной селектор и в течение времени 10^m Т_х проходят через него на счетчик. Показание счетчика будет

N₁ = ,

где -- множитель измеряемого периода, .

Е сли выбрать период Т₀ = 10^-nс, где n- целое число, то отсчет N₁ будет показывать величину T_x непосредственно в секундах или в кратных (дольных) единицах секунды. Выбор чисел m и n зависит от требуемой точности и времени измерения (подобно выбору числа n в 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 составляющая растет 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 вход неизвестную 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)