29. Цифровые частотомеры низких и инфранизких частот.

Основным фактором, ограничивающим минимальное значение , является погрешность дискретности. Анализ 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 к режиму измерения . Этот переход не изменяет характера самих измерений, но точность измерения может быть значительно повышена за счет уменьшения шага квантования и усреднения результатов измерений. Более того, чем ниже , тем эффективнее становится режим измерения и появляется возможность измерения за один период сигнала.

Существует некоторое граничное значение частоты , определяемое из формул, при = . Для каждого частотомера это значение может быть рассчитано по конкретным данным о , n и m. Если > , следует использовать режим измерения _, а при – режим измерения .

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

Способ умножения в k раз и последующее измерение частоты аналогичны умножению частоты при измерении . Он достаточно легко реализуется с помощью умножителей частоты, включаемых между ВУ1 и ФУ1 (рисунок 4.3). Преимуществ по сравнению с первым способом он не имеет.

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

Основным фактором, ограничивающим максимальное значение , является быстродействие счётчика импульсов, которое для двоично-десятичных счетчиков зависит от быстродействия декады младшего разряда. Верхняя граничная частота декад определяется потенциальными возможностями активных элементов и принятыми схемными решениями (например, переход от асинхронных к синхронным или кольцевым счётчикам). В серийно выпускаемых ЦЧ она не превышает 150 МГц. Таким образом, измерение > 150 МГц требует принятия специальных мер и дополнения базовой схемы (рисунок 4.3) соответствующими функциональными узлами. Применяют два способа расширения диапазона измеряемых в сторону ВЧ и СВЧ: предварительное деление частоты входного сигнала и дополнение ЦЧ гетеродинными преобразователями частоты.

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

Дальнейшее расширение диапазона требует переноса в область промежуточных (разностных) частот ( ) с помощью гетеродинных преобразователей частоты. Гетеродинные преобразователи могут быть двух модификаций: дискретные преобразователи и преобразователи-переносчики.

Структурная схема дискретного гетеродинного преобразователя частоты имеет следующий вид (рисунок 4.5)

Рисунок 4.5 – Структурная схема дискретного гетеродинного преобразователя частоты

Сигналом гетеродина являются гармоники сигнала опорного гетеродина ЦЧ, формируемые с помощью генератора гармоник (нелинейный элемент). Перестраиваемый фильтр выделяет такую гармонику , при которой МГц, и попадает в полосу пропускания УПЧ. Значение измеряется ЦЧ, а значение отсчитывается по шкале элемента перестройки фильтра. Таким образом, измеряемое значение .

В преобразователях-переносчиках измеряемая частота сравнивается с частотой n-й гармоники сигнала вспомогательного гетеродина ( ). Для уменьшения погрешности преобразования сравнение и осуществляется с помощью системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) гетеродина. Пример структурной схемы переносчика частоты с кольцом ФАПЧ приведен на рисунке 4.6:

Рисунок 4.6 – Структурная схема преобразователя-переносчика частоты

Сигналом ошибки системы ФАПЧ является выходное напряжение фазового детектора (ФД), образующееся при . Это напряжение через фильтр нижних частот (ФНЧ) подается на УУ (УПТ с реактивным элементом). С помощью УУ частота гетеродина изменяется до тех пор, пока не наступит режим захвата. В режиме захвата и далее в режиме удержания частоты обеспечивается точное выполнение равенства . Установленное значение измеряется ЦЧ, и, следовательно, .