Тема 9. Цифровые приборы измерения частоты

9.1. Общие сведения

Во многих областях науки и техники измерение частоты электро­магнитных колебаний является одним из самых распространенных ви­дов измерений.

Частотой колебанийfназывают число полных колебаний в едини­цу времени

f = n/t,

где t - время существования nколебаний.

Для периодических сигналов частота f = 1/Т, где Т - период ко­лебаний, который определяется как наименьший интервал времени, че­рез который повторяются мгновенные значения периодического сигнала.

Таким образом, частота - это физическая величина, численно рав­ная числу идентичных событий в единицу времени.

Частота электромагнитных колебаний однозначно связана не толь­ко с периодом колебания Т, но и с длиной однородной плоской волны в свободном пространстве λ:

f=c/ λ,

где с ≈ 3 ∙ 10⁸м/с — скорость света в свободном пространстве; λ - длина волны, м.

Теоретически измерения частоты, времени и длины волны равно­ценны, но практически в большинстве случаев измеряют частоты, реже - интервалы времени. Длина волны при необходимости легко вычи­сляется, а на сверхвысоких частотах и измеряется.

Диапазон частот электрорадиотехнических сигналов простирается от долей герца до тысяч гигагерц. Например, спектр частот, применяемых для радиосвязи, радиовещания и телевидения упорядочен. Этот спектр разбит на девять полос, внутри которых частоты изменяются в 10 раз.

В соответствии с ГОСТ 24375-80 такое разделение частот по поло­сам и их метрические наименования приведены в таблице 9.1.

Таблица 9.1 – Стандартные полосы частот

№	Диапазон частот	Диапазон волн
4 5 6 7 8 9 10 11 12	3...30 кГц, очень низкие 30...300 кГц, низкие, НЧ 300...3000 кГц, средние, СЧ 3..30 МГц, высокие, ВЧ 30...300 МГц, очень высокие, 300...3000 МГц, УВЧ 3...30 ГГц, сверхвысокие 30...300 ГГц, крайне высокие 300...3000 ГГц, ГВЧ	100...10 км, мириаметровый, СДВ 10...1 км, километровый, ДВ 1000..100м, гектометровый, СВ 100...10 м, декаметровый, KB 10...1 м, метровый, УКВ 100...10 см, дециметровый, ДДМВ 10...1 см, сантиметровый, СМВ 10...1 мм, миллиметровый, ММВ 1...0.1 мм, децимиллиметровый, ДЦММВ

Измерение частоты в основном осуществляется двумя основными методами:

- преобразованием частоты в постоянное напряжение, измеряемое стрелочным или цифровым вольтметром;

- дис­кретного счета – подсчетом цифровым счетчиком числа периодов сигнала за эталонный промежуток времени.

Первый способ широко применялся в аналоговых приборах. При высоких требованиях к точности всегда используется второй метод.

Метод дискретного счета лежит в основе построения электронно-счетных частотомеров (ЭСЧ), используемых для измерения частотно-временных параметров электрических сигналов.

9.2 Цифровой частотомер

Упрощенная структурная схема ЭСЧ в режиме измерения частоты представлена на (рис.9.1). Схема содержит следующие элементы: входное устройство (ВУ), формирующее устройство (ФУ), временной селектор (ВС), опорный генератор (ОГ), делитель частоты (ДЧ), устройство формирования и управления (УФУ), электронный счетчик (ЭС), дешифратор (Дш) и цифровой индикатор (ЦИ).

Рисунок 9.1 – Структурная схема ЭСЧ в режиме измерения частоты

Входное устройство обеспечивает усиление или, наоборот, ослабле­ние входного сигнала и его фильтрацию.

Формирующее устройство преобразует исследуемый сигнал в после­довательность импульсов, частота следования которых равна частоте исследуемого сигнала.

Временной селектор представляет собой логическую схему, кото­рая обеспечивает пропускание на электронный счетчик сформирован­ные импульсы измеряемой частоты только при наличии на управля­ющем входе стробирующего импульса, длительность которого опреде­ляет время измерения.

Опорный генератор является источником сигнала калиброванного временного интервала. В этих целях, как правило, используется высо­костабильный термостатированный кварцевый генератор частотой 1 или 5 МГц. С помощью формирующего устройства опорного генератора вы­рабатывается последовательность импульсов, поступающих на делитель частоты. Делитель частоты формирует последовательность импульсов, частота следования которых в 10ⁿ(n= 1, 2, 3...) раз ниже частоты сигнала опорного генератора.

Устройство формирования и управления на основе сигнала, посту­пающего с делителя частоты, обеспечивает получение прямоугольного строб-импульса, длительность которого определяет время счета и со­ответственно время измерения.

Электронный счетчик обеспечивает подсчет и запоминание числа импульсов, прошедших через селектор за время строб-импульса.

Информация с электронного счетчика через дешифратор поступает на цифровой индикатор, на табло которого появляется информация в единицах частоты. Перед началом нового цикла измерений необходимо подготовить счетчик, сбросив показания прошлого цикла. Это делается через цепь сброса от устройства управления.

Таким образом, как следует из описания структурной схемы при­бора, при измерении частоты на первый вход ВС поступает последова­тельность импульсов с периодом Т_х, определяемым частотой исследу­емого сигнала f_х, причем Т_х= 1/f_x. На второй вход ВС поступает строб-импульс длительностью

∆Т=10ⁿТ_кв, (9.1)

где Т_кв— период следования импульсов с опорного кварцевого генератора.

На электронный счетчик проходит группа импульсов, число ко­торых

(9.2)

Если не учитывать погрешность дискретизации и сравнивать значе­ния для ∆Т из равенств (9.1) и (9.2), то имеем

откуда

(9.3)

Таким образом, измеряемая частота равна числу импульсов N, образованных из измеряемого сигнала, а f_кв∙ 10^-n— коэффициент, определяющий единицу измерения частоты и число значащих цифр при отсчете (рис.9.2).

Рисунок 9.2 – Временная диаграмма работы ЭСЧ в режиме измерения частоты

Принято выделять две основные составляющие погрешности изме­рения частоты δ_f. Первая составляющая - это погрешность форми­рования образцового интервала времени ∆Т, в течение которого вре­менной селектор пропускает импульсы, т.е. проводится измерение. Эта погрешность определяется погрешностью меры, т.е. нестабильностью частоты кварцевого генератора δ_кв.

Вторая составляющая – погрешность дискретизации δ_Д, возникает за счет потери части периода измеряемых импульсов ∆t₁, ∆t₂и приблизительно составляет ∆N= ±1 импульс.

Относительная погрешность дискретизации

(9.4)

Тогда, относительная погрешность измерения будет равна

(9.5)