Вивчення електронного цифрового частотоміра

ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Цифрові частотоміри співставлення циклічної дії основані на одному із двох методів:

- співставлення сумарного часу проходження N_x імпульсів, які генеруються по одному на кожний період невідомої частоти з визначеним, точно встановленим, проміжком часу Т_ц. В цьому випадку , і прилад вимірює середнє значення частоти за час Т_ц;

- співставлення сумарної тривалості проходження квантуючих імпульсів з періодом повторення Т₀ з одним чи декількома періодами Т_х невідомої частоти f_x:

, .

В цьому випадку прилад вимірює період Т_х, тобто величину, обернену частоті f_x.

Частота і час взаємообернені по розмірності. Відомо, що точне вимірювання частоти потребує значного часу, а для точного вимірювання часу необхідна висока частота зразкового сигналу.

Цифрові частотоміри - складні вимірювальні пристрої. Вони випускаються комбінованими для вимірювання частоти, відношення частот, періода, малих проміжків часу та для підрахунку кількості (числа) імпульсів.

Цифрові частотоміри використовуються для градуювання і повірки аналогових частотомірів на різних частотах, для роботи з різними перетворювачами неелектричних величин в частоту, для точного виміру частоти потужних енергосистем, для настроювання, перевірки мір частот.

В цифрових частотомірах, які вимірюють середнє значення частоти за час Т_ц, кількість періодів невідомої частоти f_x підраховується за відомий проміжок часу Т_ц.

Структурна схема цифрового частотоміра, вимірюючого середнє значення за Т_ц значення частоти, показана на рис.1.

Рис.1. Структурна схема цифрового частотоміра для вимірювань середнього значення частоти.

Формувач Ф перетворює вхідну напругу частоти f_x в послідовність імпульсів з періодом повторення . Час Т_ц встановлюється генератором квантуючих імпульсів ГКІ з періодом повторення Т₀ та дільником частоти імпульсів ДЧ з відповідним коефіцієнтом ділення К₁. На виході ДЧ дістають імпульси з періодом повторення . Ці імпульси керують ключом К, який відкривається на час Т_ц. Через відкритий ключ на протязі Т_ц квантуючі імпульси з періодом повторення проходять до лічильника імпульсів ЛІ і підраховуються ним. Число імпульсів, підрахованих лічильником, рівне:

; .

Якщо Т_ц = 1с, то .

Покази лічильника чисельно рівні середньому значенню вимірюваної частоти f_x за час Т_ц.

Верхня границя вимірювань, яка відображається цифровим пристроєм відображення ЦПВ, частоти обмежується максимальною швидкістю підрахунку лічильника імпульсів, яка на даний час досягає декількох гігагерц. При Т_ц = 1с ємність лічильника імпульсів повинна бути не менша 10¹⁰. Розширення частотного діапазона цифрових частотомірів, які вимірюють частоту в бік більш високих частот (ЗВЧ), проводиться, наприклад, шляхом віднімання із f_x відомої частоти f₀ за допомогою змішувача і наступного виміру різниці частот. Сигнал з потрібною частотою f₀ отримується від вбудованого синтезатора частот, який працює по принципу множення частоти генератора квантуючих імпульсів або формування гармонік за допомогою нелінійного ланцюга з подальшою фільтрацією перестроюючим або перемикаючим фільтром. А нижню границю вимірювання частоти можна знизити за допомогою помножувача частоти або збільшуючи час Т_ц. Нижня границя вимірювання частоти цифровими частотомірами, які вимірюють середнє значення частоти, рівна 1000 Гц і розташована вище діапазона низьких і частини середніх частот. Тому виникла необхідність створення цифрового частотоміра низьких частот з малим часом вимірювання Т_ц. На даний час це розв’язується використанням цифрового ділення для отримання зворотньої залежності за допомогою вмонтованих калькуляторів та мікропроцессорів.

Можливий також ще один із вказаних способів:

1) перетворення і наступне визначення цифрового значення ;

2) визначення періоду створення проміжної частоти, числове значення якої рівне числовому значенню цього періоду, з подальшим вимірюванням періоду цієї частоти, числове значення якого рівне числовому значенню ;

3) використання інтеграторів з послідовним переносом;

4) множення вимірюваної частоти в k раз і подальше вимірювання частоти k. Таке множення можливе, наприклад, за допомогою кругової розгортки з k чутливими мітками, розміщеними по колу екрана електронного осцилографа, а також шляхом створення відсліджуючих помножувачів частоти;

5) апроксимація залежності , за допомогою дільників із змінним коефіцієнтом ділення;

6) вимірювання низької частоти поблизу номінального значення цифровим частотоміром номінальних значень;

7) вимірювання відхилення вимірюваної частоти в процентах від цифровим процентним частотоміром;

8) вимірювання десятих, сотих та тисячних долей герца вимірювальної частоти шляхом множення долей періода.

Структурна схема цифрового частотоміра НЧ для вимірювань номінальних значень з відліком середнього за час значення частоти показана на рис.2.

Рис.2. Структурна схема цифрового частотоміра низьких частот.

В цифрових частотомірах, які вимірюють середнє значення частоти, при вимірюванні низьких частот з високою ступінню точності необхідно значно збільшити час виміру:

, (1)

де _к- задане значення похибки від квантування.

Якщо =50 Гц і _к =0,01%, то =200 с. Запропонований оригінальний цифровий метод вимірювань НЧ, близьких до визначеної номінальної . Схема такого частотоміра номінальних значень складається з генератора імпульсів ГІ з періодом повторення , ключа К, лічильника ЛІ1, формувача імпульсів ФІ реверсивного лічильника РЛІ2. ЛІ1 рахує число імпульсів вимірюваної частоти і після закінчення підрахунку заданого числа імпульсів закриває ключ К. Ключ К відкритий від початку вимірювання до кінця підрахунку ЛІ1 - імпульсів, тобто на протязі часу: .

РЛІ2 рахує імпульси, які поступають через ключ К від ГІ, на протязі часу . Число , набране перед початком вимірювань, приймають рівним подвійному числу імпульсів, що проходять до РЛІ2 при номінальному значенні вимірюваної частоти ,

. (2)

Цифровий відлік РЛІ2 до кінця вимірювань:

(3)

де - число імпульсів частоти , які проходять до РЛІ2 через ключ К за час .

Для вимірювання дуже малих девіацій () частоти найбільш зручний цифровий вимірювач із перетворенням малих девіацій частоти в зсув фаз за допомогою гостронастроєного фільтра ФР з стабільною фазочастотною характеристикою . Цифровий відлік лічильника імпульсів в цьому приладі рівний:

. (4)

У цифровому частотомірі низької частоти з малим часом виміру з множенням долі періода здійснюється спосіб вимірювань долей герца в числовому значенні шляхом множення залишку ділення - долі періода .

В цифрових частотомірах, які працюють в режимі вимірювання підраховується число квантуючих імпульсів на протязі одного або декількох періодів . Формувач Ф, на вхід якого подається напруга частоти , видає старт- і стоп-імпульси з періодом повторення . Перший із цих двох імпульсів відкриває, а другий закриває ключ К. Через відкритий на протязі часу ключ К до лічильника проходять квантуючі імпульси з періодом повторення . Таким чином, цифровий відлік лічильника ЛІ:

;

де - число заповнених квантуючих імпульсами періодів . Покази лічильника рівні вимірюваному періоду в долях секунди.

Рис.3. Структурна схема цифрового частотоміра для вимірювань долей Герца.

Для визначення необхідно використовувати або таблиці, ябо обчислювальні пристрої. Для усунення цього недоліку застосовують цифрові частотоміри із вмонтованим калькулятором, в яких по значенню калькулятор визначає:

. (5)