Измерение частоты

Лекции 9, 10

Прежде чем рассматривать методы измерения частоты – несколько вводных замечаний.

1) По определению (ГОСТ 16465-70 Сигналы радиотехнические измерительные») «Частота периодического сигнала – параметр представляющий собой величину, обратную периоду сигнала. Период «Т» периодического сигнала u(t) это параметр, равный наименьшему интервалу, через который регулярно повторяется произвольно выбранное мгновенное значение сигнала u(t)=u(t+kT), где k – целое число.

2) Измерение частоты (и времени) можно потенциально измерить наиболее точно. Основной причиной этого является наиболее точное по сравнению с другими параметрами воспроизведения эталона частоты и времени (с погрешностью d=.

3) Наряду с широким использованием результатов измерения частоты и времени в отрасли связи, наблюдается устойчивая тенденция сведения измерения других (и не электрических параметров) к измерению времени и частоты.

4) Частотно-временные методы измерений легко поддаются автоматизации.

5) При измерении частоты необходимо четко разделять понятия «мгновенной» (измеренной за период) и «средней»(измеренной за время значительно больше периода) частоты, которые в общем случае не равны (например, частотно модулированное колебание).

6.1.Классификация методов измерения частоты

Наглядно наиболее часто встречающиеся в технике методы измерения частоты можно представить следующей схемой рисунка.6.1.

Методы измерения частоты

  Сравнения частоты с частотой

Сравнения частоты с параметрами частотнозависимых цепей

  Цифровые методы

Резонансныйй

Мостовой

Измерение частоты

Измерение периода

Гетеродинный  

Осциллографическийкийкий

Нулевых биений

Линейная развертка

Круговая развертка

Синусоидаль-ная развертка

Рис.6.1

Общие принципы реализации методов сравнения частоты с частотой можно иллюстрировать следующей схемой (рис.6.2):

Измеряемая частота  

  Индикатор признака

Перестраиваемый и градуированный генератор образцовой частоты Fo

Рис.6.2

Рис.6.2

Процесс измерения состоит из следующих действий:

1.Перестраивают генератор образцовой частоты до получения на индикаторе признака. «Признак» зависит от вида индикатора, которым может служить самые различные устройства. Например, если реализуются осциллографические методы, то индикатором служит осциллограф. В зависимости от вида используемой в нём развертки признак будет разным; если используется круговая развертка, то признаком будет неподвижная дуга, при синусоидальной – неподвижный эллипс или наклонная прямая.

2.После получения признака, отсчитывают показание по шкале образцового генератора.

Составляющие погрешностей метода складываются из:

- разрешающая способность определяется чувствительностью индикатора;

- погрешность меры – градуировкой образцового генератора.

Рассмотрим в качестве примера метода сравнения частоты с частотой осциллографический метод с круговой разверткой.

Блок-схема соединения приборов показана на рисунке.6.3.

Генератор с измеряемой частотой Fизм

Осциллограф М     У Х

Перестраеваемый генератор синусоидального сигнала известной частоты F

Фазосдвига-ющая цепочка на 90 градусов

Рис. 6.3

При подаче на входы «Х» и «У» осциллографа синусоидальных сигналов со сдвигом фаз 90 градусов, на экране изобразится окружность. Луч «рисует» эту окружность за время одного периода частоты F. Если на вход модулятора яркости (на схеме обозначено «М») подать, например, импульсы с частотой Fизм= F и величиной напряжения которое может «погасить» луч, то за период синусоидального сигнала в окружности появится один разрыв. Если частота, поданная на модулятор в К раз больше частоты синусоидального сигнала, поданного на Х и У, то в окружности образуется К разрывов. Если кратность не соблюдается, то разрывы (светящиеся дуги между разрывами) вращаются с разностной частотой. Таким образом «признак» - число неподвижных разрывов – позволяет выразить измеряемую частоту через известную частоту синусоидального сигнала.

Общие принципы реализации методов сравнения частоты с параметрами частотнозависимы цепей иллюстрируются следующей схемой (рис.6.4):

Измеряемая частота  

Развязы- вющее устройство

Перестраиваемая и проградуированная частотнозависимая цепь

Индикатор признака

Рис.6.4

Процесс измерения состоит из следующих действий:

1.Регулируют частотнозависимый элемент до получения признака на индикаторе.

«Признак» зависит от вида индикатора. Например, в мостовом методе это индикатор баланса моста; в резонансном – вольтметр, фиксирующий экстремум тока (напряжения) на колебательном контуре.

2.После получения признака, отсчитывают показание по шкале образцового генератора.

Развязывающее устройство служит для исключения влияния выходного сопротивления источника измеряемой частоты на параметры частотнозависимой цепи. Так, если частотнозависимая цепь колебательный контур (резонансный метод), то выходное сопротивление источника, будучи подключено к контуру, изменит его резонансную частоту и/или добротность, что увеличит погрешность измерения.

Составляющие погрешностей метода складываются из:

- разрешающая способность определяется добротностью частотнозависимой цепи;

- погрешность меры – градуировкой шкалы элемента перестройки частоты частотнозасисимой цепи.

6.2. Цифровые методы измерения частоты

Получили наиболее широкое распространение и в дальнейшем их роль будет только возрастать, что связано с непрерывным прогрессом цифровых устройств и их элементной базы. Первые цифровые частотомеры, собранные на электронных лампах, были громоздки, потребляли большую мощность и обладали низкой надежностью.

В двух словах, цифровые методы сводятся к подсчету числа импульсов за интервал времени. Режимы работы цифрового частотомера (режим «измерения частоты» или режим «измерения периода») отличаются тем, как (из чего) формируются считаемые импульсы и интервалы, за которые они считаются.

В режиме измерения частоты (рис.6.5) счетные импульсы получают из измеряемого колебания и период этих импульсов равен частоте измеряемого колебания.

t

Рис.6.5

Импульсы подсчитываются за время, которое устанавливается оператором равным известной единице времени. Тогда число на счетчике, который подсчитывает импульсы, за время будет равно

=

т.е. число на счетчике будет пропорционально частоте измеряемого колебания. Если взять = 1 секунде, то число на счетчике будет равно частоте в герцах, т.к. оно означает сколько измеряемых периодов (т.е. интервалов) сосчитается за время равное одной секунде (вспомним, что частота N Герц – это N периодов колебания за секунду). Если, то - частота в кГц и т.д., то есть размер интервала определяет размерность (диапазон) измерения частоты.

В режиме измерения периода (рис.6.6) неизвестным является интервал, а считаемые импульсы устанавливаются с известной частотой (т.е. известным периодом

u(t)

t

Рис.6.6

Число на счетчике

Если, равна 1 Гц, то измеряемый период будет измерен в секундах, если =1 кГц, то в миллисекундах и.т.д.

При таких подсчетах импульсов за интервал появляется так называемая погрешность дискретности.

Рассмотрим как она появляется (рис.6.7).

u(t)

t

Рис.6.7

На рис.38 обозначено: - измеряемый интервал; - результат измерения этого интервала. Из рисунка видно, что = + +, где + =D и является погрешность дискретности. Эта погрешность случайна, распределена по равномерному закону в интервале от 0 до. Из рисунка видно, что = 2, то есть удвоенному периоду счетных импульсов. Рассмотрим способы уменьшения погрешности дискретности.

1) Если синхронизовать счетные импульсы с началом интервала измерения, то эта погрешность будет равна, так как = 0.

2) При увеличении частоты счетных импульсов уменьшится абсолютное значение погрешности дискретности (станет меньше).

3) При увеличении времени измерений в К раз (с помощью делителя) при той же абсолютной погрешности уменьшается относительная погрешность, так как.

4) Так как погрешность дискретности случайна, то её для уменьшения можно применять статистические методы (так при проведении 10 измерений и их усреднении результат будет записан с одним десятичным знаком после запятой, т.е. потенциально точность уменьшится в 10 раз).

5) Существуют аппаратные методы, которые сводятся к трансформации временных масштабов (нониусные шкалы во времени). Один из таких методов будет рассмотрен в теме, посвященной измерению интервалов времени.

Структурная схема цифрового частотомера

Входное устр.ойство

Формирова-тель

Временной селектор

Двоичный счетчик

Дешиф- ратор

Цифровой индикатор

Умножитель частоты

Делитель частоты

Кварцевый генератор

Времязадающий триггер

Входное устройство

Формирователь  

1,3

А

4,2

1,4

2,3

Рис.6.8

Б

Прежде чем рассматривать работу частотомера, отметим, что частотомер может работать в четырех режимах:

1 – режим измерения частоты;

2 – режим измерения периода;

3 – режим измерения отношения частот;

4 – режим самопроверки цифровой части.

Цифрами на рис.6.8.показаны положения переключателей, соответствующие режиму работы.

Рассмотрим работу в разных режимах.

В режиме 1 (измерение частоты) измеряемое колебание подаётся на вход «А», формирователь преобразует его в счетные импульсы, период которых равен периоду измеряемого колебания. Эти импульсы поступают на временной селектор и пройдут через него на счетчик, если на втором входе временного селектора будет подан строб от времязадающего триггера (временной селектор выполняет функцию логического «И») Длительность этого строба должна быть точно известна, поэтому строб формируется из сигнала, стабилизированного кварцем – с выхода кварцевого генератора импульсы с частотой определенной кварцем, поступают на регулируемый делитель частоты, с помощью которого устанавливается нужная длительность строба, кратная периодам кварцованных импульсов. Импульсы за время длительности строба подсчитываются счетчиком и на нем после окончания строба получается число, равное измеряемой частоте (в каких единицах, как было показано раньше, определяется длительностью установленного строба). Дешифратор преобразует двоичный код с выхода счетчика в десятичный, который отображается на цифровом индикаторе.

В режиме 2 (измерение периода) измеряемое колебание подаётся на вход «Б», формирователь преобразует его в счетные импульсы с периодом измеряемого колебания, которые через делитель с регулируемым коэффициентом деления подаются на времязадающий триггер. На выходе этого триггера длительность строба в этом режиме будет неизвестной – она равна (или кратна, что зависит от установленного коэффициента деления) периоду измеряемой частоты. На второй вход временного селектора поступают счетные импульсы от кварцевого генератора, частота которых может быть увеличена в кратное число раз выбором коэффициента умножения умножителя. Таким образом на счетчик за время неизвестного строба поступают счетные импульсы с точно известной частотой – на счетчике получится число равное длительности измеряемого периода в тех единицах, которые определяются частотой кварца и коэффициентом умножения.

Режим 3 (измерение отношения частот), который, строго говоря, не является режимом измерения – действительно в этом режиме неизвестная величина сравнивается с неизвестной величиной, а измерение по определению сводится к сравнению с известной, принятой за единицу. В этом режиме низкая частота (период) подаётся на вход «Б», а высокая (период) на «А». На счетчике образуется число, равное = или =, если на делителе установлен коэффициент деления K.

В режиме 4 (самопроверка) на первый вход временного селектора подаётся от умножителя частоты импульсы с частотой, где N – множитель, установленный на умножителе частоты; на второй вход временного селектора поступает строб длительностью, где М – коэффициент деления, установленный на делителе частоты. В результате на счетчике образуется число:.

Таким образом, если установить, например N= 100, а М= 1000, то на счетчике при правильной работе всей цифровой части частотомера будет число:.

Отметим, что при умножении частоты кварца в N раз, уменьшается в N раз абсолютное значение максимальной погрешности дискретности в режиме измерения частоты, а при делении этой частоты в М раз – уменьшается относительная максимальная погрешность дискретности в режиме измерения периода. Аналогично будет и в режиме измерения отношения частот.

Верхний диапазон измеряемых цифровым частотомером частот ограничивается, в большинстве случаев, быстродействием первого разряда двоичного счетчика. В настоящее время этот предел равен нескольким ГГц. Если необходимо измерять более высокие частоты, то используют предварительное гетеродинирование измеряемой частоты как показано на рисунке 6.9:

Смеситель

Перестраиваемый и калиброванный гетеродин

Цифровой частотомер

Fгет

Рис.6.9

При такой схеме цифровой частотомер измеряет значение частоты уменьшеное на величину частоты гетеродина. Для получения искомой величины нужно к результату измерения цифровым частотомером прибавить значение частоты гетеродина:.

Естественно, что суммарная погрешность измерения частоты будет при таком измерении больше из-за добавляющейся погрешности установки частоты гетеродина.

Дата добавления: 2014-01-04