Измерение частоты

Методы измерения. Измерение частоты осуществляется путем сравнения ее с частотой частотно - задающего процесса, принятой за единицу (частотно - задающий процесс может быть эталонным, образцовым или рабочим в зависимости от меры, его воспроизводящей). Этот вид измерений составляет одну из важных задач измерительной техники. В электронике, радиотехнике, автоматике и других близких к ним отраслях используются сигналы самых разнообразных частот — от долей герца до тысяч ГГц.

Различают аналоговый и цифровой способы измерения частоты. Аналоговый способ — это косвенный метод измерения, основанный на сравнении измеряемой частоты с частотой другого источника (как правило, образцового) с помощью осциллографа, гетеродинного и резонансного метода.

Для сравнения необходимо иметь образцовый генератор, точность которого по крайней мере в 5 раз выше точности контролируемого источника, и устройство для сличения частот. Часто таким устройством служит осциллограф.

Для измерения частот, кратных известной частоте, применяют метод фигур Лиссажу. Напряжение известной частоты fобр образцового источника подается на один вход осциллографа (например, вход X), а напряжение измеряемой частоты fизм — на второй (например, вход Y). Частоту образцового генератора перестраивают до получения на экране устойчивого изображения простейшей интерференционной фигуры: прямой, окружности или эллипса. Появление одной из этих фигур свидетельствует о равенстве частот (отношение fизм:fобр = 1:1). Когда частоты не равны друг другу, но кратны, на экране осциллографа наблюдаются более сложные фигуры.

Соотношение частот определяется следующим способом. Через изображение фигуры мысленно проводят две прямые: горизонтальную и вертикальную. Отношение числа т пересечений горизонтальной прямой с фигурой к числу п пересечений вертикальной прямой с фигурой равно отношению частоты, поданной на вход канала Y, к частоте, поданной на вход канала X:

fY: fX = m: n.

Рис. 3. 1

Если сравниваемые частоты кратны, но отношение их велико, применяют метод круговой развертки с модуляцией яркости. Напряжение образцовой частоты fобр подается одновременно на оба входа осциллографа со сдвигом по фазе на 90°, достигаемым с помощью фазовращателя. Усиление обоих каналов регулируют так, чтобы луч вычерчивал на экране окружность. Напряжение измеряемой частоты подают в канал управления яркостью. Частоту образцового источника перестраивают до получения на экране неподвижного изображения штриховой окружности (рис. 3. 1). Число ярких дуг или темных промежутков между ними однозначно определяет отношение N= fизм / fобр (7:1 на рис. 3. 1).

Если отношение частот fизм и fобр немного отличается от целого числа, т. е. fизм = Nfобр Fp (частота Fp сравнительно мала), то фигура вращается, причем направление вращения показывает знак расхождения частот (его проще всего определить экспериментально, фиксируя направление вращения при заведомо установленных соотношениях f ’изм > Nfo6p и f ’изм > Nfo6p). Степень расхождения (и обусловленную им погрешность измерения частоты) можно определить следующим образом: сосчитать число d дуг, пробегающих через определенную радиальную линию на экране за фиксированный промежуток времени . Тогда расхождение Fp = d /t.

Цифровой метод (метод дискретного счета) занимает доминирующее положение в современной измерительной технике. Он обладает многими достоинствами: очень широкий диапазон частот, которые можно измерить одним прибором (например, от 10 Гц до 32 ГГц); высокая точность измерений; получение отсчета в цифровой форме; возможность обработки результатов измерений с помощью ЭВМ, и т. д.

Рис. 3. 2

Задача измерения частоты цифровым методом обратна задаче измерения периода. Если при измерении периода интервал времени t x = Tx заполнялся метками времени Т 0, то при измерении частоты эталонный интервал времени Т 0 заполняется импульсами с периодом Т x = 1/ f x. Для этого исследуемый сигнал преобразуется в периодическую последовательность коротких импульсов, моменты появления которых соответствуют моментам перехода синусоидального сигнала через нулевой уровень с производной одинакового знака. Таким образом, период следования импульсов равен периоду исследуемого сигнала. Из двух соседних импульсов эталонной частоты, которые разделены интервалом времени Т 0, формируется строб-импульс — временные ворота длительностью t = Т 0. Число попадающих в ворота импульсов п = t / Т x. Очевидно, что искомая частота будет определяться из соотношения fx = п /t.

Измерения оказываются косвенными. Чтобы получились прямые показания, в частотомерах. Построенных по схеме с жесткой логикой (без микропроцессора), устанавливают длительности временных ворот t = с, где p = 0; ±1; ±2;... (на панели прибора переключатель длительности ворот обозначен надписью ВРЕМЯ ИЗМЕРЕНИЯ). При р=0 (t = 1c) fx = n Гц;

если t == 1мс, то fx == п кГц.

Цифровой частотомер. Современные цифровые частотомеры - это приборы многофункциональные. Они измеряют частоту синусоидального и импульсного сигналов, период следования сигналов, длительность импульсов, интервалы времени, заданные двумя импульсами от одного или разных источников, вариацию частоты, отношения двух частот; ведут счет количества поступивших на вход импульсов и др. Изображенная на рис. 3. 3 структурная схема относится к режиму измерения частоты. Работа схемы заключается в следующем.

Периодический сигнал, частоту которого необходимо измерить, поступает на вход прибора (обычно его обозначают буквой А). После усиления или ослабления во входном блоке сигнал подается на формирователь, где преобразуется в периодическую последовательность импульсов с частотой следования f x. Эти импульсы подводятся к входу 1 временного селектора и проходят через него в счетчик, если на входе 2 селектора имеется строб-импульс. Строб-импульс формируется из напряжения высокочастотного кварцевого генератора. Так как период его выходного сигнала мал, то для получения требуемой длительности строб-импульса в схеме предусмотрен делитель частоты (на передней панели прибора он обозначен как МНОЖИТЕЛЬ ПЕРИОДА). Делитель представляет собой набор декад, каждая из которых уменьшает частоту следования импульсов в 10 раз. Коэффициент деления q зависит от числа включенных декад. Из периодической последовательности импульсов, образующейся на выходе делителя, блок автоматики (схема временных ворот) формирует строб-импульс (временные ворота) длительностью t == Т 0, подаваемый на вход 2 временного селектора и определяющий продолжительность счета.

Рис. 3. 3

Рассмотрим процесс измерения отношения частот Fx1 / Fx2 (Fx1 >Fx2). Большая частота Fx1 подается на вход частотомера, а меньшая частота Fx2 — через дополнительный формирователь на блок автоматики (при этом кварцевый генератор и делитель отключаются). Через временной селектор проходят и подсчитываются импульсы с периодом Tx1 в течение периода Тx2. Число импульсов m = Тx2 / Тx1 = Fx1 / Fx2. Для повышения точности измерения частота Fx2 подается через делитель (отключается только кварцевый генератор).

Погрешности измерения частоты аналогичны погрешностям, рассмотренным при анализе измерения временных интервалов.

ЛЕКЦИЯ 21

Дата добавления: 2014-01-04