Методи вимірювання частоти

Основними методами вимірювання частоти у радіочастотному діапазоні є такі:

1) резонансний метод;

2) методи порівняння:

• вимірюваної частоти з частотою каліброваного генератора, що плавно перестроюється (гетеродинний частотомір);

• вимірюваної частоти з гармоніками кварцового генератора (кварцeвий калібратор);

• вимірюваної частоти з гармоніками стандарту частоти (прецизійні частотно-вимірювальні пристрої);

3) абсолютний метод, заснований на підрахунку числа періодів вимірюваної напруги за певний проміжок часу (цифрові частотоміри).

Гетеродинний частотомір

Рис.5.1. Структурна схема гетеродинного частотоміра

У гетеродинному частотомірі використовується допоміжний генератор зразкової частоти - гетеродин (дослівно «інша сила»). Згідно з спрощеною структурною схемою гетеродинного частотоміра на рис.5.1, досліджуваний сигнал, частота якого вимірюється, подається разом з сигналом гетеродина на нелінійний елемент (наприклад діод).

Властивість нелінійного пристрою - витворювати додатно-від'ємні комбінації частот або «змішувати» частоти. Зокрема, на його виході з'являється напруга з частотою, що дорівнює різниці частот двох вхідних гармонічних коливань. За умови близькості частот f_x і f_A на виході нелінійного пристрою виникає коливання з так званою частотою биття:

(1.5)

Коливання з частотою биття можна прослуховувати, спостерігати на екрані осцилографа тощо. Коли f_x=f_λ буде індикація постійного струму (напруги). Тоді за шкалою гетеродина зчитується значення виміряної частоти.

Джерелом погрішності гетеродинного частотоміра є нестабільності частот як гетеродина, так і джерела вимірюваної частоти. Крім того, спектри повинні бути одно частотними, інакше буде багато частот биття.

Цифровий частотомір

Принцип роботи цифрового частотоміра полягає в тому, що коливальний електромагнітний процес трансформується в послідовність імпульсів за правилом «період коливання - один імпульс», які підраховуються лічильним пристроєм за певний інтервал часу Т_в - час вимірювання. Структурна схема цифрового частотоміра представлена на рис.5.2.

Рис.5.2. Структурна схема цифрового частотоміра.

Відповідна часова діаграма роботи цифрового частотоміра показана на рис.5.3. Гармонічний сигнал U_х з частотою f_x перетворюється за допомогою формуючого пристрою в короткі імпульси U₁, які відповідають моментам переходу сигналу U_x через нуль в одну сторону. З сигналу зразкової частоти U₂ формується строб-імпульс U₃. Імпульси U₁ поступають на вхід селектора, який відкритий під час строб-імпульса U₃. Число імпульсів підраховується лічильником Т_в = NT_X => f_x =N/T_B.

Рис.5.3. Часова діаграма роботи цифрового частотоміра.

Цифрові частотоміри дозволяють вимірювати частоту, період, інтервал часу, відношення частот і нестабільність частоти.

При вимірюванні періоду інтервал часу вимірювання визначається величиною Т_х, а відліковими є імпульси, що сформовані з напруги формується U₂.

Якщо f₁ > f₂, то інтервал вимірювання Т_в формується з сигналу частоти f₂, а підраховуються імпульси, що сформовані з сигналу частити f₁ (N = f₁/f₂)

Для вимірювання інтервалу часу формуються «старт» і «стоп-імпульс» і підраховуються імпульси сформовані із U₂.

Відносна похибка вимірювання f_x нормується величиною

(4.3)

де δ₀ = k*10" - складова, яка визначається відносною похибкою частоти

опорного генератора, причому k=1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 5,0, а n=-4, -5,... Значення δ₀ нормується для певних інтервалів часу (див. вище).

Друга складова характеризує похибку дискретності. Абсолютне значення нормується як ±1 молодшого розряду. Виникнення похибки дискретності обумовлено несінфазністю U _х і U₂. При Т_н = const ця похибка зворотно пропорційна f_x, тобто точне вимірювання низьких частот спряжене з зростом Т_в.