3. Электронно-счетный вычислительный частотомер Agilent 53181a

Рис. 10. Частотомер Agilent 53181A – передняя панель

Универсальный частотомер Agilent 53181A позволяет проводить широкий круг измерений частоты и времени при скорости до 200 измерений в секунду. Частотомер обеспечивает разрешение по частоте 10 знаков/секунда до 225 МГц в одном канале с возможностью установки второго канала (вариант комплектации) до 1,5; 3; 5 или 12,4 ГГц.

Частотомер предназначен для измерения частоты и периода непрерывных электрических сигналов.

Технические характеристики

Параметр	Значения
Виды измерений	Частота, отношение частот (с доп. каналом 2), период, пиковое напряжение
Анализ	Автоматические допусковые испытания, математическая обработка (масштабирование и смещение), статистика (минимум, максимум, среднее значение, среднеквадратическое отклонение)
Диапазон частот (варианты комплектации)	От 0 до 225 МГц (1,5; 3; 5 или 12,4 ГГц)
Время счета	От 1 мс до 1000с, автоматический выбор
Разрешение	10 знаков/с

Прибор измеряет частоту и период сигналов в диапазоне частот от 0 Гц до 225 МГц при уровне входного сигнала от 0.04 до 5 В; период сигнала от 4,44 нс до 10 с. Погрешность внутреннего кварцевого генератора прибора δ_кв = ±3·10^–7 за 30 суток. Температурная нестабильность менее ±5·10^–6. Возможно использование внешнего высокостабильного генератора опорной частоты.

Прибор обеспечивает дополнительные функции: автоматический, ручной и внешний запуск, установку и измерение уровней срабатывания формирующих устройств (что важно при измерении импульсов непрямоугольной формы и гармонических сигналов).

Упрощенная структурная схема прибора представлена на рис. 11. В нем реализован комбинированный режим работы частотомера. Входной сигнал с частотой f_x поступает на формирующее устройство, где преобразуется в последовательность импульсов u₁ (рис.12). Эти импульсы выделяются первым временным селектором, на который подается строб-импульс u₂ с микропроцессора. Длительность его устанавливается оператором и определяет общее время измерения. Прошедшие M импульсов подсчитываются первым счетчиком. Одновременно с помощью двух схем И, инвертора и RS -триггера формируется импульс временных ворот u₄ длительностью МТ_х. C помощью временных ворот выделяется N счетных импульсов с периодом Т_м.

Количество входных импульсов М за время счета Т_сч , а также количество счетных импульсов N за время MT_x передаются в микропроцессор, который подсчитывает измеряемую частоту

(5)

Для получения периода входного сигнала на индикатор выводится обратная величина.

Рис.11. Упрощенная схема частотомера комбинированного типа

Погрешность дискретности в данном методе зависит – как в случае измерения периода – от минимальной длительности метки времени Т_м. При этом относительная погрешность измерения составляет

(6)

Таким образом, погрешность дискретности определяется выбранным временем счета и длительностью метки времени и не зависит от измеряемой частоты. Эта погрешность определяет разрешающую способность частотомера и для Т_сч=1 сек и опорной частоты 10 МГц дает 7 значащих цифр в результате измерения.

Увеличение точности достигнуто повышением опорной частоты или использованием интерполяционного способа снижения погрешности дискретности. На рис. 12 показаны временные диаграммы частотомера, где измеряемый интервал t_x=МТ_х заполняется метками времени Т_м.

t

Рис. 12. Интерполяционный метод измерения временного интервала

Cчетчик фиксирует число импульсов N, попавших в интервал, который, таким образом, равен

t_x = t₀ + t₁ - t₂, (7)

где tо = NT_M, t₁ – интервал между стартовым импульсом и нулевым счетным импульсом, t₂ – интервал между стоповым импульсом и последним сосчитанным импульсом.

Интервалы t₁ и t₂ измеряют интерполяционным способом. Они расширяются в целое число раз (например в 1000) и заполняются счетными импульсами с той же меткой времени Т_м. Количество импульсов N₁ и N₂ фиксируется счетчиками, и определяем интервалы:

t₁ ≈N₁T_M, t₂ ≈N₂T_M. (8)

Результат измерения периода T_x вычисляется микропроцессором на основании данных счетчиков M, N, N₁ и N₂ по формуле, вытекающей из соотношений (7), (8):

Т_х = {N + (N₁ – N₂)/1000} T_M/М.

Значение частоты рассчитывается микропроцессором f_x = 1/T_X. Максимальная погрешность при таком методе измерения соответствует погрешности дискретности для интервалов t₁, t₂ и равна ±Т_М/(1000Т_СЧ). Таким образом, интерполяционный метод обеспечивает повышение разрешающей способности в 1000 раз (до 10 значащих цифр).

Прибор Agilent 53181A обеспечивает автоматический и ручной режимы запуска, автоматическую и ручную установку оптимального времени измерения, установку требуемого количества значащих цифр. Установки режимов работы можно запомнить в регистрах прибора и при необходимости вызвать их из памяти. Предусмотрено 20 регистров сохранения состояния прибора.

Микропроцессор обеспечивает ряд математических операций над результатом измерения и статистическую обработку потока данных:

1. масштабирование результата (домножение на константу)

2. сдвиг результата (добавление константы)

3. проведение многократных измерений (количество опытов от 2 до 10⁶) и обработку данных – расчет среднего отклонения, среднего значения, максимального и минимального результата.

4. фильтрация потока данных по предварительно введенным пределам – выводятся только те результаты, которые попадают в эти пределы.

Предусмотрена возможность работы прибора в составе измерительных систем с интерфейсом GPIB (КОП- канал общего пользования, IEEE 488). Прибор полностью поддерживает систему программирования средств измерения SCPI-1992.0 (Standard Commands for Programmable Instruments). Это позволяет полностью управлять его работой дистанционно и выводить результаты измерения на внешнее устройство обработки (компьютер) с большой скоростью (до 200 результатов в сек). Возможно подключение прибора по последовательному интерфейсу RS-232C только для вывода результата (например, на принтер).