4.4 Цифровые частотомеры

Принцип действия цифрового частотомера основан на подсчете числа периодов неизвестной частоты f_x за известный интервал времени измерения T_и (время счета). Если за время T_и подсчитано N импульсов, то среднее значение измеряемой частоты f_x = N/T_и.

Рис. 4.12

Структурная схема устройства, выполняющего измерение частоты цифровым методом, представлена на рис. 4.12. Исследуемый периодический сигнал (импульсный или гармонический) с частотой f_x подается на входное устройство (ВУ), усиливающее или ослабляющее его до необходимого значения. Снимаемый с выхода ВУ гармонический сигнал u₁ поступает на формирователь импульсов (ФИ), преобразующий его в последовательность коротких однополярных импульсов u₂, следующих с периодом T_x=1/f_x. и называемых счетными. Передние фронты счетных импульсов должны практически совпадать с моментами перехода сигнала через нулевое значение при его возрастании. Схемотехнически формирователь импульса состоит из усилителя-ограничителя и компаратора. Счетные импульсы u₂ поступают на один из входов временного селектора (ВС), на второй вход которого от устройства формирования и управления (УФУ) подается строб-импульс u₃ прямоугольной формы и калиброванной длительности T_и>T_x. Временной селектор открывается строб-импульсом u₃ и в течение длительности строб-импульса пропускает группу из N_x импульсов u₂ на вход счетчика (СЧ). Счетчик подсчитывает число импульсов N_x и выдает соответствующий код в цифровое отсчетное устройство (ЦОУ) частотомера. Для формирования строб-импульса используется кварцевый генератор (КГ), вырабатывающий тактовые сигналы стабильной частоты и декадный делитель частоты (ДЧ).

Временная диаграмма работы цифрового частотомера показана на рис. 4.13.

Рис. 4.13

Диапазон измеряемых частот – от нескольких Гц до сотен МГц. Относительная погрешность измерения цифровых частотомеров составляет 10^-6…10^-9.

Цифровые частотомеры являются универсальными приборами. Так, например, частотомер Ф5041 [34] позволяет измерять:

– частоту колебаний в диапазоне частот от 0,1 Гц до 10 МГц;

– периоды электрических колебаний в диапазоне частот от 0,1 Гц до 1 МГц;

– длительность положительных и отрицательных импульсов в диапазоне от 1 мкс до 10 с;

– интервалы времени в диапазоне от 10 мкс до 10⁴ с;

– отношение частот в диапазоне от 1:1 до 10⁶:1.

Данный частотомер может производить счет или суммирование электрических импульсов, а также использоваться в качестве делителя частоты и генератора образцовых частот.

Относительная погрешность частотомера Ф5041 не превышает следующих значений, определяемых по формулам:

а) при измерении частоты

,

где – нестабильность частоты кварцевого генератора, =±10^-7 за 10 дней, f_x – измеряемая частота (Гц), T_и – время измерения (с).

б) при измерении периода

,

где Δt – период заполняющей частоты (метки времени от 0,1 до 10³ мкс); Т_x – период измеряемого сигнала (мкс); n – число усредняемых периодов за время счета, – относительная погрешность уровня запуска. Значение = 3·10^-3 при измерении периодов гармонических сигналов и = 0 при измерении периодов импульсных сигналов.

На высоких частотах погрешность определяется нестабильностью кварцевого генератора. При измерении низких частот погрешность определяется погрешностью дискретизации.