3.4.2.2. Цифровые частотомеры

Цифровые частотомеры (ЦЧ) предназначены для измерения среднего или мгновенного значения частоты периодического сигнала, а также абсолютного или относительного отклонения частоты от номинального значения.

Принцип действия ЦЧ среднего значения заключается в подсчёте числа периодов Т_х неизвестной частоты f_x за образцовый интервал времени T₀, формируемый прибором.

Результат измерения

N = T₀/T_x = T₀fx.

Структурная схема ЦЧ среднего значения и временная диаграмма его работы изображены на рисунке.

Рис. Структурная схема (а) и временная диаграмма работы (б) цифрового частотомера

Генератор образцового интервала времени ГОИВ, состоящий из генератора импульсов ГИ и формирователя временного интервала ФВИ, вырабатывает прямоугольный импульс u_T0 длительностью Т₀, в течение которого открыт ключ К, и импульсы u_N(t) измеряемой частоты f_x, сформированные из входного напряжения u_x(t) усилителем-формирователем УФ, поступают в счетчик Сч.

Количество импульсов N, подсчитанное Сч, пропорционально измеряемой частоте. Результат измерения индицируется ЦСОИ.

Из рисунка (б) видно, что отсутствие совпадения импульсов u_N(t) измеряемой частоты f_x с началом и концом образцового интервала времени Т₀ так же, как и при измерении периода, приводит к появлению погрешности квантования, максимальное значение которой

δ_кв = ±1/N = ±1/T₀f_x.

Абсолютная погрешность квантования включает в себя два слагаемых: ∆t₁ и ∆t₂.

Погрешность ∆t₁ можно устранить, осуществляя запуск ГОИВ от фронта входного сигнала (интервал времени Т'₀ на рисунке).

Тогда ∆t₁ = 0, а максимальная относительная погрешность квантования

δ´_кв = - 1/T₀f_x.

´Погрешность квантования можно также уменьшить, если запуск ГОИВ осуществить в момент, соответствующий середине периода измеряемой частоты (интервал времени Т"₀ на рисунке б).

В этом случае погрешность квантования уменьшится вдвое.

При заданной погрешности измерения максимальное значение образцового интервала времени Т₀ обратно пропорционально нижней частоте f_{х min} диапазона измерения.

Поэтому ЦЧ среднего значения нецелесообразно применять при измерении низких частот, так как время измерения при этом значительно возрастает.

Частотомеры мгновенного значения предназначены для измерения в диапазоне низких и инфранизких частот.

Принцип работы ЦЧ мгновенного значения основан на измерении периода Т_х = N_т/f₀, который определяет частоту

f_x = f₀/N_T.

Все существующие схемы ЦЧ мгновенного значения отличаются только способом преобразования результата измерения периода в обратно пропорциональную величину.

В последних моделях ЦЧ для этого используются встроенные вычислительные устройства на базе микропроцессоров.

Частотомеры номинальных значений (ЧН) и процентные частотомеры (ПЧ) предназначены для точного измерения отклонения частоты от номинального значения в узком диапазоне частот.

3.4.2.3. Цифровые фазометры

В современной технике широкое распространение получили фазовые методы измерения, что обусловлено их высокой точностью и помехоустойчивостью.

Цифровые фазометры (ЦФ) применяются для исследования импульсных устройств, точных измерений малых углов поворота, снятия фазочастотных характеристик различных звеньев.

Цифровые фазометры можно разбить на две группы:

- для измерения мгновенного значения сдвига фаз (ЦФМ)

- и для измерения среднего значения сдвига фаз (ЦФС).

Принцип действия ЦФМ заключается в преобразовании измеряемого сдвига между двумя синусоидальными или импульсными напряжениями во временной интервал и в измерении последнего цифровым способом.

Фазовый сдвиг гармонических колебаний

φ = 2πτ_х/Т_х,

где Т_х = 1/f_x - период колебаний; τ_х - временной сдвиг между колебаниями.

Типовая структурная схема ЦФМ изображена на рисунке.

Рис. Структурная схема ЦФМ

Исследуемые сигналы поступают на формирователи Ф₁ и Ф₂, которые вырабатывают импульсы u_f1 и u_f2, соответствующие моментам перехода сигналов через нуль.

Эти импульсы перебрасывают триггер Тг, на выходе которого образуется импульс u_T(t) длительностью τ_х, открывающий ключ K на интервал времени τ_х, определяемый фазовым сдвигом (см. рис.6).

Количество импульсов сигнала u_N(t) опорной частоты f₀ с генератора импульсов ГИ, поступившее за это время в счетчик Сч,

N_φ = τ_хf₀,

откуда

φ_x = 2πf_xN_φ/f₀ = kN_φ.

Из этого выражения видно, что при измерении фазового сдвига необходимо:

- или обеспечить постоянство частоты f_x, т. е. использовать фазометр на фиксированной частоте;

- или обеспечить постоянство отношения частот f_x/f₀;

- или измерять значение частоты (периода) N_Tx = f₀T_x с последующим вычислением φ_x = 2πN_φ/N_Tx.

Имеется большое число схем фазометров, использующих все три указанных принципа.

Максимальная погрешность квантования при измерении фазы

∆_кв = ± 2π f_x/f₀,

и пропорциональна частоте исследуемого сигнала.

Основным недостатком ЦФ для измерения мгновенных значений фазовых сдвигов является ограниченность частотного диапазона со стороны верхних частот.

Для измерений параметров высокочастотных сигналов применяются ЦФ среднего значения сдвига фаз.

Временной интервал τ_х, соответствующий измеряемому сдвигу, усредняется фазометром не за один период исследуемых сигналов, а за n периодов в течение заданного времени Т_кзм.

Такие фазометры получили также название суммирующих или интегрирующих.

Цифровые фазометры для измерения среднего значения сдвига фаз имеют частотный диапазон от сотен герц до сотен килогерц и обеспечивают погрешность измерения около 0,01 %.

Сравнение схем цифровых частотомеров, измерителей временного интервала и фазометров показывает, что они содержат одинаковые узлы:

- генератор образцовой частоты,

- делители частоты,

- формирователи,

- счетчик,

- цифровое средство отображения информации,

- ключи.

Поэтому частотомеры и измерители временных интервалов в большинстве случаев строятся в виде одного универсального прибора, называемого электронно-счетным частотомером (ЭСЧ).

Переключая элементы структурной схемы прибора, можно переводить ЭСЧ в режимы измерения частоты f периодического сигнала, периода Т или интервала времени t, отношения частот f₁/f₂ или периодов Т₁/Т₂, а также подcчёта количества импульсов N за определенное время.

Во всех видах измерений источником образцовой величины является генератор высокочастотных импульсов с кварцевой стабилизацией частоты.

В соответствии с диапазоном измеряемых частот ЭСЧ подразделяются на

- низкочастотные (до 10 МГц) и

- высокочастотные (до 150 МГц).

Измерения могут проводиться как в автоматическом режиме, так и при ручном запуске.

Отечественная промышленность выпускает ЭСЧ серий Ч3 (Ч3-35, Ч3-38, Ч3-57) и Ф (Ф5035, Ф5041, Ф5080).