22. Электронно-счетный частотомер: принцип действия, структурная схема, основные соотношения, погрешность дискретности.

Цифровой (дискретного счета) метод измерения частоты реализован в цифровых электронно-счетных частотомерах. Данные приборы удобны в эксплуатации , имеют широкий диапазон измеряемых частот (от нескольких герц до сотен мегагерц) и позволяют получить результат измерения с высокой точностью (относительная погре-шность измерения частоты 10^–6…10^–9).

Цифровые частотомеры являются многофункциональными приборами, в зави-симости от режима их работы можно проводить измерение не только частоты, но и интервалов времени (периода следования периодических сигналов)

Принцип измерения частоты гармонического сигнала цифровым методом поясняет рис.8, где приведены структурная схема цифрового частотомера в режиме измерения частоты и временные диаграммы к его работе.

u₁

u₂

u₄

Вход

ВУ

Ф1

ВС

СЧ

ЦОУ

u₃

ГОЧ

Ф2

УФУ

а)

t

t

t

t

б)

Исследуемый гармонический сигнал, имеющий частоту f_X , подается на входное устройство (ВУ), усиливающее или ослабляющее его до значения, требуемого для рабо-ты последующего устройства частотомера (рис.,8,а)

Снимаемый с выхода ВУ гармонический сигнал u₁ (рис.8,б) поступает на первый формирователь импульсов (Ф1), преобразующий его в последовательность коротких однополярных импульсов u₂, следующих с периодом T_X = 1/f_X и называемых счетными.

Причем передние фронты этих импульсов практически совпадают с моментами перехода сигнала u₁ через нулевое значение на оси времени при его возрастании. Формирователь Ф1 состоит из усилителя-ограничителя и компаратора (триггера Шмитта).

Счетные импульсы u₂ поступают на один из входов временнóго селектора (ВС), на второй вход которого от устройства формирования и управления (УФУ) подаётся строб---импульс u₃ прямоугольной формы и калиброванной длительности T_O>T_X. Интервал времени T_O называется временем счета (“временными воротами”). Временной селектор открывается строб-импульсом u₃ и в течение егодлительности пропускает группу (пакет) импульсов u₂ на вход счетчика (СЧ). В результате на счетчик поступает пакет из N_X импульсов u₄.Из рис.8,б следует, что

T_O = N_X·T_X – Δt_H + Δt_K = N_X·T_X – Δt_д, (2.4)

где Δt_H и Δt_K – погрешности дискретизации начала и конца интервала T_O ,вызванные случайным положением строб-импульса отностиельно счктных импульсов u₂; Δt_д = Δt_H – Δt_K – общая погрешность дискретизации.

Пренебрегая в (2.4) погрешностью Δt_д ,получаем , что число импульсов в пакете N_X = T_o/T_X = T_o·f_X и, следовательно, измеряемая частота пропорциональна числу счетных импульсов, поступающих на счетчик:

f_X =N_X/T_o. (2.5)

Для формирования строб-импульса на устройство УФУ поступают короткие импульсы с периодом T_o (на рисунке для упрощения не показаны) от схемы, включающей генератор образцовой частоты (ГОЧ) и второй формирователь импульсов (Ф2), аналогичный формирователю Ф1. В составе ГОЧ имеется кварцевый генератор образцовой частоты f_КВ и декадный делитель частоты с коэффициентом деления К_Д (каждая декада уменьшает частоту f_КВ в десять раз). Период импульсов на выходе формирователя Ф2 и длительность строб-импульсов равны периоду сигнала на выходе делителя частоты , т.е. T_o = К_Д/f_КВ; поэтому выражение (2.5) можно представить в виде

f_X = N_X·f_КВ/К_Д (2.6)

Отношение f_КВ/K_Д можно дискретно изменять вариацией К_Д,т.е. за счет изменения числа декад делителя Д (генератора ГОЧ).

Счетчик подсчитывает N_X импульсов и выдает соответствующий (двоичный) код в цифровое отсчетное устройство (ЦОУ). Отношение f_КВ/K_Д выбирается равным 10ⁿ Гц, где n – целое число. При этом ЦОУ отображает число N_X , соответствующее измеряемой частоте f_X в выбранных единицах. Например, если за счет изменения К_Д выбрано n = 6, число то число N_X , отображаемое на ЦОУ, соответствует частоте f_X ,выраженной в МГц.

Циклический режим работы частотомера задаётся УФУ, при этом перед началом каждого измерения УФУ сбрасывает показания счетчика в ноль.

Погрешность измерения частоты f_X имеет систематическую и случайную составляющие

Систематическая составляющая вызывается в основном температурной неста-бильностью частоты кварцевого генератора f_КВ. Её уменьшают путем термостатирования кварца или за счет применения в кварцевом генераторе элементов с термокомпкнсацией.

Случайная составляющая определяется погрешностью дискретизации Δt_Д = Δt_H – Δt_K.

Поскольку взаимная синхронизация строб-импульса (“временных ворот”-T_o) и счетных импульсов отсутствует, погрешности Δt_H и Δt_K ,определяющие на рис.8,б положение начала и конца строб импульса между соседними двумя счетными импульсами, могут принимать во времени с одинаковой вероятностью значения от нуля до T_o. Поэтому погрешности Δt_H и Δt_K являются случайными и распределены по равномерному закону.