6.2. Электронносчетный частотомер

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

. (6.3)

Если ΔT = 1 с, то N численно равно f_x. 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 приведена на рис.6.1,а. Основным элементом входного устройства ВхУ 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 импульсыu_ФУ (рис. 6.1,б), 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.

В

ременной селектор ВС (схема "И") предназначен для пропускания импульсовu_ФУ на электронный счетчик ЭСч в течение известного интервала времени ΔT (времени счета), формируемого из частоты генератора с кварцевой стабилизацией Г_кв при помощи делителя частоты, так что . Импульсы измеряемой частотыf_x поступают на счетчик импульсов лишь тогда, когда на входе временного селектора действует импульс ΔT. 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 f_кв обычно равна 1 МГц или 5 МГц, и поэтому длительность калиброванного импульса ΔT равна 1 или 0,2 мкс. При таких длительностях времени счета невозможно измерять частоты, значение которых меньше f_кв или сравнимы с ней. Поэтому после Г_кв включают декадный делитель частоты, на выходе которого образуются частоты в 10ⁿ меньше, чем частота f_кв, 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 10^–5 с до 10с. Измеряемая частота определяется по формуле

. (6.4)

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

Очевидно, мерой x_д является f_кв, преобразуемая в приборе в ΔT. Нестабильность и неточность f_кв 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 f_кв не превышает 10^–8.

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

. (6.5)

Абсолютная погрешность дискретности ΔN возникает вследствие несинхронности входного напряжения с напряжением кварцевого генератора, отчего начало t₁ и конец t₂ калиброванного интервала не совпадают с началом t₀ периода повторения счетных импульсов частоты f_x (рис. 6.1, в). Несовпадение приводит к возможности появления двух случайных независимых погрешностей Δt₁ и Δt₂ за счет потери части периода T_x в начале и конце времени счета ΔT. Максимальная погрешность дискретности возникает при потере одного периода измеряемых импульсов, то есть ΔN = 1. Следовательно, максимальная относительная погрешность вычисляется как

. (6.6)

В силу того, что δ_кв обычно мала, то .

П

ри измерении низких частот число импульсовN невелико и погрешность дискретности может стать значительной. Для ее уменьшения пришлось бы увеличивать время измерения ΔT, 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. 6.2,а,б).

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

. (6.7)

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 f_кв >> f_x. Для выполнения этого неравенства частота f_кв умножается с помощью умножителя частоты УЧ в 10^m 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 T_кв.

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

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