5.3.2. Цифровые частотомеры низких и высоких частот

Как уже было отмечено, точное измерение с помощью ЦЧ низких и высоких частот встречает определенные затруднения и требует принятия дополнительных мер схемного и методического характера. Поскольку факторы, ограничивающие минимальное и максималь­ное значения f_x, различны, рассмотрим эти вопросы отдельно.

Измерение низких и инфранизких частот

Основным фактором, ограничивающим минимальное значение f_x, является в соответствии с (5.8) погрешность дискретности. Ана­лиз δ_f подсказывает и первый способ повышения точности измере­ния низких и инфранизких частот. Он оказывается наиболее эффек­тивным, не требует модернизации базовой схемы ЦЧ и заключается в переходе от режима измерения f_x к режиму измерения Т_х. Дейст­вительно, этот переход не изменяет характера самих измерений, но точность измерения Т_х может быть, как это видно из формул (5.6) и (5.9), значительно повышена за счет уменьшения шага квантова­ния и усреднения результатов измерений. Более того, чем ниже f_x, тем эффективнее становится режим измерения Т_х и появляется воз­можность измерения f_x за один период сигнала.

Существует некоторое граничное значение частоты f_хо определя­емое из формул (5.8) и (5.9) при δ_f =δ_T. Для каждого частотомера это значение может быть рассчитано по конкретным данным о Т_о (f_о), n и m. Если f_x > f_xo, следует использовать режим измере­ния f_x, а при f_x<f_Xo — режим измерения Т_х.

Из других известных способов повышения точности измерения низких и инфранизких частот охарактеризуем кратко следующие.

Способ умножения f_x в k раз и последующее измерение частоты kf_x аналогичны умножению частоты f_о при измерении Т_х. Он доста­точно легко реализуется с помощью умножителей частоты, включа­емых между ВУ1 и ФУ1 (см. рис. 5.2), и дополнительных пояснений не требует. Преимуществ по сравнению с первым способом он не имеет.

Способ растяжки дробной части периода Т_х, называемый также верньерным, поясняется на рис. 5.4 и позволяет уменьшить погреш­ность дискретности расширением во времени дробной части периода ДТ_Ж. Он реализуется в режиме измерения частоты с помощью допол­нительных функциональных узлов. Дробная часть периода ΔТ_Х рас­ширяется (растягивается) в k раз (например, в 10 раз) и вновь за­полняется импульсами входного сигнала. Полученное значение ΔN уменьшает погрешность дискретности (например, дает следующий десятичный знак). Эту процедуру можно повторить вновь на дроб­ной части нового интервала и еще уменьшить погрешность дискрет­ности. Однако соответствующее усложнение структурной схемы ЦЧ не дает заметного эффекта по сравнению с первым способом.

Рис. 5.4. Временная диаграмма, поясняющая верньерный способ повышения точности измерения частоты.

Измерение высоких и сверхвысоких частот

Основным фактором, ограничивающим максимальное значение fx, является быстродействие счетчика импульсов, которое для двоич­но-десятичных счетчиков зависит от быстродействия декады млад­шего разряда (см. § 3.6.4). Верхняя граничная частота декад опре­деляется потенциальными возможностями активных элементов и принятыми схемными решениями (например, переход от асинхрон­ных к синхронным или кольцевым счетчикам). В серийно выпуска­емых ЦЧ она не превышает 150 МГц. Таким образом, измерение f_x >150 МГц требует принятия специальных мер и дополнения ба­зовой схемы рис.5.2 соответствующими функциональными узлами. Применяются два способа расширения диапазона измеряемых f_x в сторону ВЧ и СВЧ: предварительное деление частоты входного сиг­нала и дополнение ЦЧ гетеродинными преобразователями частоты.

Предварительное деление позволяет расширить диапазон измеря­емых f_x, если в качестве делителей частоты использовать двоичные делители, быстродействие которых выше, чем у декадных. С их помощью можно получить коэффициент деления 2ⁿ, а для обеспече­ния прямого отсчета f_x требуется, чтобы он был равен 10™. Поэтому двоичные делители дополняют делителями с коэффициентом деле­ния 5ⁿ. Возможности этого способа ограничены быстродействием двоичных делителей и позволяют расширить диапазон измеряемых f_x лишь до значений 1...2 ГГц.

Дальнейшее расширение диапазона требует переноса f_x в область промежуточных (разностных) частот (f_p) с помощью гетеродинных преобразователей частоты. Гетеродинные преобразователи, уже встречавшиеся при рассмотрении селективных вольтметров (см. § 3.5.1), могут быть двух модификаций: дискретные преобразовате­ли и преобразователи-переносчики.

Структурная схема дискретного гетеродинного преобразователя частоты представлена на рис.5.5. Сигналом гетеродина являются гармоники сигнала опорного генератора ЦЧ, формируемые с помо­щью генератора гармоник (нелинейный элемент). Перестраиваемый фильтр выделяет такую гармонику nf₀, при которой f_p=f_x — nf_o<150 МГц, и попадает в полосу пропускания УПЧ. Значение f_р из­меряется ЦЧ, а значение nf₀ отсчитывается по шкале элемента пе­рестройки фильтра. Таким образом, измеряемое значение f_x=nf₀ + +fp.

Рис. 5.5. Структурная схема дискретного гетеродинного преобразователя частоты.

В преобразователях-переносчиках измеряемая частота f_x сравнивается с частотой n-й гармоники сигнала вспомогательного гетеродина (nf_г). Для уменьшения по­грешности преобразования сравнение f_x и nf_г осуществляется с помощью системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) гетеродина. Пример структурной схемы переносчика частоты с кольцом ФАПЧ приведен на рис. 5.6. Сигналом ошибки системы ФАПЧ является выходное напряжение фазового детектора (ФД), обра­зующееся при (f_x — nf_г) ≠f_o. Это напряжение через фильтр нижних частот (ФНЧ)

Рис. 5.6. Структурная схема преобразователя — переносчика частоты.

подается на УУ (УПТ с реактивным элементом). С помощью УУ частота гете­родина f_г изменяется до тех пор, пока не наступит режим захвата. В режиме захвата и далее в режиме удержания частоты обеспечивается точное выполнение равенства f_o = f_x — nf_г. Установленное значение f_г измеряется ЦЧ, и, следова­тельно, f_x = f_о+ nf_г.