Тема 2.6 Измерение частоты и интервалов времени

Измерение частоты. В частотно-измерительной технике главной величиной периодического сигнала является период – наименьший интервал времени, через который повторяется произвольно выбранное мгновенное значение периодического сигнала, а частота определяется как величина, обратная этому периоду.

Для измерения промышленной частоты могут применяться стрелочные приборы электродинамической системы. На низких частотах применяют электронно-счетные частотомеры и осциллографы. На высоких и сверхвысоких частотах применяют резонансные частотомеры.

Приборы для измерения частоты (в обозначении типа имеют букву Ч):

Ч1 – стандарты частоты и времени;

Ч2 – частотомеры резонансные;

Ч3 – частотомеры электронно-счетные;

Ч4 – частотомеры гетеродинные, емкостные, мостовые;

Ч5 – синхронизаторы частоты, преобразователи частоты;

Ч6 – синтезаторы частот; делители и умножители частоты;

Ч7 – компараторы частотные, фазовые, временные.

Методы измерения частоты:

• Метод линейной развертки. Сигнал измеряемой частоты подается на вход Y осциллографа. Измеряется интервал времени t_х, в который попадает целое число N периодов сигнала. Тогда частота f = 1/T=N/t_x .

• Метод синусоидальной развертки (фигур Лиссажу). К отклоняющим пластинам Y подводят напряжение измеряемой частоты f_y, а к пластинам Х - напряжение от образцового генератора с частотой f₀ = f_x (рисунок 2.27, а). При этом частоту f₀ изменяют до тех пор, пока на экране осциллографа не получится наиболее простая и неподвижная фигура Лиссажу. Определив затем по ней отношение частот n = f_y/f_x = f_y/f₀, находим f_y = n∙f_x. Практически величину n удобно находить как отношение числа точек пересечения фигуры Лиссажу горизонтальной линией к числу точек пересечения фигуры вертикальной линией (рисунок 2.27, б).

Рисунок 2.27

Рисунок 2.28. Фигуры Лиссажу для разного соотношения частот и различных фазовых сдвигов

Данный метод целесообразно использовать, если n не превышает 10. При большем отношении частот фигура получается неразборчивой. В этом случае для измерения частоты необходимо использовать метод круговой или эллиптической развертки.

Пример:

Если фигура Лиссажу на рисунке 2.19, б получилась при частоте f₀= 1000 Гц, то n = f_y/ f₀ = 6 / 2 = 3, откуда f _y = n∙ f₀ = 3∙1000 = 3000 Гц.

На рисунке 2.28 приведены фигуры Лиссажу при различных частотах и фазовых углах сдвига синусоидальных напряжений. Кривые, приведенные на рисунке 2.29, наглядно поясняют образование фигур Лиссажу на экране осциллографа.

Рисунок 2.29. Получение фигур Лиссажу при отношении частот 1:1 и сдвиге фаз φ = 0^о (а), φ = 45^о (б)

• Метод круговой развертки (яркостных меток времени). На входы X и Y осциллографа подаются синусоидальные сигналы образцовой частоты f₀, сдвинутые по фазе на 90º друг от друга, а на вход Z – сигнал измеряемой частоты f_х. В результате на экране осциллографа получается прерывистая окружность (рисунок 2.30), по количеству разрывов n которой находится отношение частот: f_х= n ∙f₀.

Рисунок 2.30

Измерение интервалов времени дискретным методом счета. Измеряемый интервал времени ∆t_х заполняется импульсами с известным образцовым периодом их следования Тобр << t_х. При этом число этих импульсов m, пропорциональное ∆t_х , подсчитывается. Импульсы, заполняющие интервал ∆t_х , называют счетными, а период их следования – Тсч. Таким образом:

∆tx = m ∙ Тcч .

Для аппаратурного осуществления дискретного метода счета необходимы генератор счетных импульсов и счетчик, между которыми включается временной селектор, представляющий собой логический элемент на два входа. Счетные импульсы, поступающие непрерывно на один из входов, проходят на счетчик только тогда, когда на второй вход селектора поступает стробирующий импульс, длительность которого равна измеряемому интервалу времени ∆t_х . При этом число импульсов, фиксируемое счетчиком и наблюдаемое с помощью цифрового отображающего устройства – дисплея, однозначно соответствует измеряемому интервалу времени ∆t_х .

Электронно-счетные цифровые частотомеры. Они используют метод дискретного счета импульсов, т.е. осуществляют подсчет числа периодов (импульсов) измеряемой частоты за образцовый промежуток времени (рисунок 2.31). Напряжение измеряемой частоты подается на формирующее устройство, на выходе которого получаются однополярные импульсы такой же частоты. Далее эти импульсы поступают на счетчик только тогда, когда открыт временной селектор. Устройство управления селектором формирует прямоугольный импульс, который отпирает и запирает селектор. Длительность этого импульса стробирована кварцевым генератором.

Делитель частоты позволяет получать интервалы времени, кратные десяти (0,001; 0,01; 0,1; 1; 10). Измеряемая частота представляет собой число импульсов на выходе селектора в единицу времени:

Fx = n / ∆t ,

где n – показание счетчика, ∆t – время счета.

Чем больше время счета при неизменной частоте, тем больше показание счетчика и точнее измерения.

Особенности: высокая точность; можно измерять период, частоту и отношение частот; при измерении низких частот прибор не обеспечивает высокой точности измерения, поэтому в диапазоне НЧ измеряют не частоту, а период.

Рисунок 2.31. Структурная схема цифрового частотомера