4.3. Электронные частотомеры

В измерительной технике наиболее точно измеряется частота. Существуют различные типы частотомеров: электромеханические, аналоговые резонансные, аналоговые гетеродинные, цифровые. На сегодняшний день наиболее распространённым методом измерения частоты является метод дискретного счёта.

При этом измеряемая частота сигнала сравнивается с дискретным значением образцовой частоты , которая воспроизводится мерой.

Рис. 29

Результат сравнения – число или кратность сравниваемых частот:

;

.

Необходимые узлы для аппаратурной реализации:

1. формирователь импульсов;

2. устройство, вырабатывающее сигнал образцовой частоты (задающий генератор);

3. устройство, формирующее импульсы длительностью (строб-импульсы или «временные ворота»);

4. устройство, сравнивающее строб-импульсы с периодом следования сигнала измеряемой частоты.

Рис. 30

На рисунке 30: ВхУ – входное устройство, ФИ – формирователь импульсов, ВС – временной селектор, СИ – счётчик импульсов, ЦОУ – цифровое отсчётное устройство, ЗГ – задающий генератор, ДЧ – делитель частоты, ГМВ – генератор меток времени, УУ – устройство управления.

ВхУ преобразует сигнал по уровню, обеспечивая нормальное функционирование ФИ, который преобразует входной сигнал произвольной формы в последовательность коротких однополярных импульсов одинаковой амплитуды, следующих с частотой . С выхода ФИ сигнал поступает на один из входов ВС, на другой вход которого подаётся строб-импульс образцовой частоты длительностью . Строб-импульс формируется из сигнала, вырабатываемого ЗГ, который представляет собой кварцевый генератор опорной частоты, с помощью делителя частоты. ДЧ представляет собой набор делителей частоты, на выходе которых обычно формируются сигналы с частотами 100 кГц, 10 кГц, 1 кГц и т.д., которые определяют соответствующие длительности строб-импульсов («временных ворот»). ЗГ вместе с ДЧ принято называть генератором меток времени (ГМВ), а длительность «временных ворот» – временем измерения.

Рис. 31

СИ подсчитывает количество импульсов с частотой, равной измеряемой, которые прошли через ВС за интервал времени .

Основными источниками погрешности при измерении частоты электронно-счётным частотомером являются:

- погрешность меры, где функцию меры выполняет ЗГ. Под погрешностью меры понимают нестабильность частоты ЗГ. С целью уменьшения этой погрешности, ЗГ выполняется в виде кварцевых генераторов импульсов, кроме того, ЗГ размещают в термостате. Такие меры позволяют иметь суточную погрешность (нестабильность частоты) до .

- погрешность дискретности, которая обусловлена несинхронностью двух сигналов: измеряемого и вырабатываемого ЗГ. Наличие этой несинхронности приводит к тому, что в отрезке длительностью укладывается нецелое число периодов измеряемой частоты .

В соответствии с принципом действия:

;

.

Из этих соотношений следует, что:

,

где - количество импульсов на выходе ВС или кратность частот.

Обычно метки времени формируют из сигнала, вырабатываемого ЗГ, путём деления частоты. Тогда с учётом коэффициента деления частоты имеем:

,

где - частота сигнала, вырабатываемого ЗГ.

Таким образом, с точностью до константы измеряемая частота равна частоте ЗГ.

Из вышесказанного следует, что максимальная абсолютная погрешность дискретности:

,

а наибольшая относительная погрешность дискретности:

.

Из этих формул следует:

- чем меньше , тем больше относительная погрешность дискретности;

- чем больше частота ЗГ, тем больше относительная погрешность дискретности.

Существует несколько путей уменьшения погрешности дискретности:

1. увеличение кратности частот , т.е. уменьшение с помощью умножителя частоты измеряемого сигнала. Это приводит к аппаратурному усложнению частотомера, т.к. необходимо увеличение количества разрядов СИ;

2. увеличение длительности , что тоже неудобно, т.к. определяет время измерения частотомера.

Поэтому на НЧ измеряют не частоту, а период колебаний сигнала.

Электронно-счётный частотомер в режиме измерения периода

Рис. 32

На рисунке 32: ВхУ – входное устройство, ФИ – формирователь импульсов, ДЧ – делитель частоты, УУ – устройство управления, ГМВ – генератор меток времени, ВС – временной селектор, СИ – счётчик импульсов, ЦОУ – цифровое отсчётное устройство.

Прибор может работать в режиме ручного управления, но обычно работает в автоматическом режиме, причём циклами. Работа устройства начинается с того, что УУ обнуляет СИ и обеспечивает сброс показаний с отсчётного устройства. Кроме того, в УУ предусмотрена возможность блокировки временного селектора на некоторое время – время индикации, которое для широко распространённых частотомеров составляет от 0,5 секунды до 1 секунды.

Измеряемый сигнал, преобразованный ВхУ по уровню и ФИ в строб-импульс длительностью , поступает через УУ на один вход ВС; на второй вход ВС поступает сигнал в виде последовательности коротких ВЧ импульсов, вырабатываемых генератором меток времени, которые заполняют интервал времени, определяемый длительностью строб-импульса. СИ подсчитывает количество импульсов, прошедших на выход ВС за интервал времени, равный длительности строб-импульса.

Рис. 33

Если обозначить частоту импульсов, вырабатываемых ГМВ, , то:

.

Всё сказанное выше о нестабильности частоты ЗГ остаётся в силе.

Для повышения точности измерений может применяться декадный делитель частоты, при этом , тогда увеличивается в раз. Электронно-счётный частотомер представляет собой многофункциональный прибор, позволяющий измерять частоту, период, длительность импульса, кратность частот.