5.3. Цифровые частотомеры

Цифровые частотомеры (ЦЧ) являются следующими за ЦВ ха­рактерными представителями ЦИП. Они, как уже отмечалось, прак­тически вытеснили все остальные виды частотомеров и занимают доминирующее положение в комплексе аппаратуры для частотно-временных измерений. Современные типы ЦЧ позволяют измерять f_x, T_x, Δt_x, отношение частот и нестабильность частоты. При комплектовании соответствующими преобразователями они превраща­ются в ЦВ и мультиметры (см.§3.6).

Общая идея построения ЦИП уже рассмотрена в гл. 3 и конкре­тизирована на примере ЦВ. Опираясь на классификацию ЦВ и дан­ные ГОСТ 22335—77, можно утверждать, что подавляющее боль­шинство типов ЦЧ являются приборами прямого преобразования, осуществляющими счет числа идентичных событий за определенный интервал времени измерения. В зависимости от значения этого ин­тервала (называемого иногда «временными воротами») можно вы­делить ЦЧ мгновенных значений, измеряющие f_x за один период колебаний Т_х (аналогичны неинтегрирующим ЦВ), и ЦЧ средних значений, измеряющие f_x путем подсчета числа периодов Т_х за ин­тервал времени измерения Т_И>Т_Х и деления полученного числа на Т_и (аналогичны интегрирующим ЦВ).

Несмотря на многофункциональность, современные ЦЧ могут быть охарактеризованы некоторой типовой структурной схемой и определенной номенклатурой параметров, позволяющей оценить их возможности как радиоизмерительных приборов.

5.3.1. Типовая структурная схема и основные параметры цифрового частотомера

Типовая структурная схема ЦЧ может быть представлена в ви­де, показанном на рис. 5.2. Она содержит функциональные узлы, уже знакомые нам из § 3.6.4. В связи с этим охарактеризуем схему рис. 5.2, рассмотрев ее работу в различных режимах.

Измерение частоты

При измерении f_x сигнал подается на вход 1, а блок образцовой частоты (БОЧ) подключается к ФУ2. Формирующие устройства ФУ1 и ФУ2 необходимы для преобразования гармонических сигна­лов в короткие импульсы, соответствующие моментам перехода сигналов через нуль в одну сторону. Благодаря этому образуются периодическая последовательность импульсов с периодом Т_х (ФУ1), которые удобно считать при измерении f_x, и импульсы, с помощью которых (ФУ2) формируется интервал Т_и (метки времени). В каче­стве БОЧ применяется кварцевый генератор с системой делителей

Рис. 5.2. Типовая структурная схема ЦЧ.

и умножителей частоты, позволяющих выбрать требуемый коэффи­циент деления или умножения при формировании Т_и. Само форми­рование Т_и осуществляется с помощью УУ. Как и в ЦВ, управление работой ЦЧ может быть ручным или автоматическим.

Процесс измерения f_x наглядно поясняется временными диаграм­мами, приведенными на рис. 5.3. Импульсы U₁ поступают на вход селектора, который открыт во время действия напряжения U₃, сформированного из колебаний БОЧ U₂ . Это напряжение может иметь вид прямоугольного импульса длительностью Т_и, называемо­го стробирующим импульсом (строб-импульсом), либо меток вре­мени, аналогичных старт- и стоп-импульсу в ЦВ. Таким образом, счетчик фиксирует число импульсов N (диаграмма U₄), связанное с Т_х и Т_и очевидным соотношением

T_и=N T_x

откуда

f_x=N / T_и, (5.4)

т. е. при T_и=10ⁿ с (n = 0, ±1, ±2, ...) показание счетчика соответ­ствует f_x, и мы получаем прямоотсчетный интегрирующий ЦЧ.

Рассмотренный режим работы ЦЧ может быть использован для измерения долговременной нестабильности частоты путем фиксации значений f_t, определения относительной вариации частоты 0о,- или относительного отклонения е_г и расчета по формулам (5.1) или (5.2)

требуемого значения σ или δ. Этот процесс автоматизируется по заданной программе в реальном масштабе времени. Кроме того, для измерения отклонения частоты от номинального значения и выдачи результата измерения в процентах от этого значения применяют так называемые процентные частотомеры, которые относятся к при­борам специального назначения.

Рис. 5.3. Временные диаграммы, характеризующие работу ЦЧ.

Измерение периода

При измерении Т_х сигнал подается на вход 2, а БОЧ подклю­чается к ФУ1 (см. рис. 5.2). В этом случае интервал времени изме­рения определяется величиной Т_х, а счетными являются импульсы, сформированные из напряжения 0₂ (рис. 5.3). Для уменьшения ша­га квантования частота f₀ может быть умножена в требуемое число раз. Таким образом, для этого режима работы ЦЧ

T_x =N T₀/10ⁿ (5.5)

где 10ⁿ (n = 0, 1, 2, ...) определяется коэффициентом умножения f₀. Из (5.5) видно, что при достаточно больших значениях Т_х (в диапазоне низких и инфранизких частот) и я требуемый интервал времени измерения может быть равен Т_х. Отсюда видна возмож­ность измерения f_x за один период сигнала — неинтегрирующий ЦЧ. В практических схемах ЦЧ предусматривается возможность измерения не только одного, но и нескольких периодов Т_х с после­дующим усреднением результатов измерений. Поэтому в общем слу­чае интервал времени измерения выбирается с помощью УУ рав­ным 10^m Т_х (т = 0, 1, 2, ...), и из (5.5) следует

T_x =N T₀ /10^(n+m) (5.6)

Возможность измерения одного или нескольких периодов Т_х по­зволяет использовать этот режим для измерения кратковременной нестабильности частоты в реальном масштабе времени.

Измерение отношения частот

Режим измерения отношения частот двух сигналов является про­изводным режимов измерения f_x и Т_х. В этом режиме БОЧ исклю­чается из схемы, сигнал большей частоты f, подается на вход 1, а сигнал меньшей частоты f₂ —на вход 2 (см. рис. 5.2). Таким обра­зом, интервал Т_и формируется из сигнала частоты f₂, а счету под­вергаются импульсы, сформированные из сигнала частоты }_и Как видно из формулы (5.4), этому соответствует

N= f₁ / f₂ (5.7)

т. е. с помощью ЦЧ могут быть реализованы не только абсолютные, но и относительные измерения частоты.

Измерение интервалов времени

При измерении Δt_x необходимо сформировать опорный (старт) и интервальный (стоп) импульсы, которые фиксируют интервал времени измерения. Эти импульсы формируются с помощью ФУЗ и ФУ4, включенных на входах 3 и 4 ЦЧ. Счету подвергаются импуль­сы, сформированные по аналогии с режимом измерения Т_х.

Другие режимы работы ЦЧ

Многофункциональность ЦЧ не исчерпывается рассмотренными режимами работы. Как уже отмечалось, дополнение базовой схемы рис. 5.2 соответствующими преобразователями превращает ЦЧ в ЦВ и мультиметры. Кроме того, каждый ЦЧ имеет специальный выход сигналов БОЧ, т. е. может эксплуатироваться как источник сигналов стабильных частот. Предусматриваются также возмож­ность работы ЦЧ от внешнего источника опорной частоты, режим самоконтроля, вывод информации об измеряемой величине на внеш­нее регистрирующее устройство и возможность дистанционного управления работой. Часто ЦЧ применяются как счетчики числа электрических импульсов. Поэтому интервал времени измерения T_и принято называть временем счета и устанавливать в наносекундах микросекундах, миллисекундах или секундах.

Основные параметры ЦЧ

Номенклатура параметров ЦЧ регламентируется ГОСТ 22335— 77 и соответствует комплексу общих параметров СИ (см. § 2.2). Спе­циальные пояснения необходимо сделать только в отношении погрешностей измерения f_x, Т_х, fjf₂ и At_x, так как они характеризуют возможности ЦЧ в каждом из рассмотренных режимов работы и по­зволяют уточнить принципиальные особенности, имеющие место при измерении низких и высоких частот.

Относительная погрешность измерения f_x нормируется величиной

(5.8)

где =k10ⁿ — составляющая, определяемая относительной по­грешностью по частоте опорного генератора БОЧ, причем k=1,0; 1,5; 2,0; 2,5 или 5,0, а п= — 4, —5 и т. д. Значение б₀ должно нормироваться для интервалов времени из следующего ряда: 10, 15, 30 мин; 1, 2, 8, 24 ч; 10, 15, 30 сут.; 6 и 12 мес.

Второе слагаемое в формуле (5.8) характеризует погрешность дискретности. Действительно, абсолютное значение этой погрешно­сти нормируется в общем случае как ± 1 младшего разряда счета (см. § 3.6.1), т. е. относительное значение, определяемое как 1/N, оказывается равным, согласно (5.4), второму слагаемому в форму­ле (5.8). Возникновение погрешности дискретности иллюстрируется рис. 5.3 и обусловлено несинфазностью сигналов И_х и и₂- При Т_И= =const эта погрешность обратно пропорциональна f_x, т. е. точное измерение низких частот сопряжено с ростом Т_ж. В ряде случаев требуемое значение Т_И может оказаться непомерно большим. На­пример, измерение f_x= 10 Гц с погрешностью дискретности 10~⁵ тре­бует, согласно (5.8), значения Т_я=10⁴ с, что нереально. На высоких частотах эта погрешность уменьшается, но возникают другие фак­торы, ограничивающие максимальное значение f_x.

Относительная погрешность измерения Т_х нормируется отдельно для гармонического и импульсного сигналов. В качестве примера рассмотрим импульсный сигнал, для которого с учетом (5.6)

(5.9)

Второе слагаемое в формуле (5.9) также характеризует погрешность дискретности и определяет границы измеряемых с требуемой точ­ностью значений Т_х. Эта же формула справедлива для оценки относи­тельной погрешности измерения Δt_x, но в случае, если Δt_x — дли­тельность импульса, появляется дополнительная составляющая 8д<> обусловленная крутизной фронта и спада импульса.

Относительная погрешность измерения f₁/f₂ не содержит в отли­чие от формул (5.8) и (5.9) составляющей δ₀, так как БОЧ в этом режиме исключается из работы. Если при измерении f₁/f₂ производится усреднение результатов измерений, то в соответствии с (5.7) и (5.6)