Теоретическая часть

4.2. Общие сведения об измерениях частоты

Частота (период) является одним из важнейших параметров периодически изменяющегося напряжения или тока (в общем случае сигнала). Она характеризует число повторяющихся циклов сигнала в единице времени и может быть определена как величина, обратная длительности периода повторения сигнала . Единицей частоты служит герц – Гц. Она соответствует частоте такого сигнала, у которого период повторения равен одной секунде.

Гармонический сигнал, являясь простейшим периодическим колебанием, характеризуется угловой частотой , связанной с частотой соотношением .

Непостоянство значения частоты во времени оценивается ее относительной нестабильностью, определяемой отношением изменения частоты за интервал времени к некоторому мгновенному ее значению, выбранному на этом интервале:

.

Подобным соотношением можно оценить относительную погрешность формирования (или установки) частоты, а также погрешность измерения частоты, при этом значение будет отражать отклонение установленного или измеренного значения частоты от действительного ее значения.

В настоящее время широко используют осциллографические методы измерения частоты и метод дискретного счета. Осциллографические методы рассмотрены при выполнении лабораторной работы «Изучение осциллографа». Метод дискретного счета широко используется в цифровых измерительных приборах частоты, времени, напряжения и др. Рассмотрим его подробнее.

4.3. Метод дискретного счета

В основе метода дискретного счета лежит определение (подсчет) числа циклов периодического сигнала в течение некоторого счетного устанавливаемого интервала времени. Этот метод позволяет решить и обратную задачу, т.е. измерения временных интервалов путем определения числа специально сформированных счетных импульсов на измеряемом интервале времени.

Допустим, имеется интервал времени (рис. 4.1, а), последовательность коротких импульсов с периодом следования или частотой (рис. 4.1, б). Эти импульсы называют заполняющими, а частоту – частотой заполнения . Число импульсов, попавших во временной интервал, равно (рис. 4.1, в).

Рис. 4.1. Метод дискретного счета

Соответствие между этими параметрами можно записать в виде выражения:

.

По значению судят о результате измерения. При этом одна из двух других величин – измеряемая, неизвестная, эту величину будем обозначать с индексом « », вторая должна быть известна и определяться параметрами частотомера. Ее будем обозначать с индексом « ».

Использующие метод дискретного счета цифровые частотомеры в первую очередь выполняют измерение частоты периодических колебаний, также интервалов времени между характерными мгновенными значениями повторяющихся сигналов. Кроме того, они позволяют измерять отношение двух сравниваемых частот, могут выполнять роль счетчиков импульсов, применяться в качестве делителей частоты, служить источником напряжений высокостабильной частоты.

4.4. Режим измерения частоты

При измерении частоты неизвестным параметром будет частота , известным – . Структурная схема измерения частоты приведена на рис. 4.2, временная диаграмма – на рис. 4.3.

Рис. 4.2. Структурная схема измерения частоты

Рис. 4.3. Временная диаграмма измерения частоты

Измеряемый сигнал (допустим синусоидальной формы, рис. 4.3, а) подается на вход А и через регулируемый аттенюатор АT поступает на вход формирователя Ф_а. На его выходе образуется последовательность коротких импульсов с частотой следования, равной измеряемой частоте (рис. 4.3, б). Эта последовательность импульсов поступает на один из входов временного селектора ВС. На другой его вход через блок автоматики БА поступает последовательность прямоугольных управляющих импульсов, длительность которых определяет счетный интервал времени (рис. 4.3, д). Эти импульсы формируются из напряжения опорного кварцевого генератора КГ (рис. 4.3, в) путем деления его частоты в делителе частоты ДЧ (рис. 4.3, г). При коэффициенте деления значение счетного интервала . Обычно счетный интервал определяют через период, равный 1 мс и множитель , имеющий дискретно устанавливаемые значения 1; 10; 10²; 10³; 10⁴. В этих случаях длительность счетного интервала будет определяться как с. В частотомере счетный интервал времени устанавливается переключателем ВРЕМЯ ИЗМЕРЕНИЯ.

Прошедшие за время счета через временной селектор импульсов (рис. 4.3, е) отсчитываются счетчиком импульсов Сч. В блоке индикации БИ определяется измеряемая частота

,

и полученное значение отображается на блоке индикации. Так как числа и кратны 10, то операция деления на сводится к сдвигу запятой на индикаторе.

Приведенное соотношение определяет не только режим измерения частоты, оно лежит в основе измерения периода повторения сигналов, измерения временных интервалов, а также отношения двух частот сравниваемых периодических сигналов.

Пример 1. Определить частоту сигнала, приведенного на рис. 4.3, а, при следующих параметрах частотомера: частота кварцевого генератора (рис. 4.3, в), значение делителя частоты . Тогда длительность счетного интервала составит с (рис. 4.3, д). На счетчике зафиксировано импульса. Измеряемое значение частоты составляет .