- •1. Общие сведения об измерениях, методах измерения и средствах измерительной техники
- •Основные термины и определения в области измерительной техники
- •1.2 Принципы построения измерительных приборов
- •1.3 Классификация измерительных приборов
- •1.4 Основные технические характеристики измерительных приборов
- •1.5 Основы теории погрешностей
- •2. Электромеханические приборы
- •2.1 Принципы построения
- •2.2. Магнитоэлектрические измерительные приборы
- •2.3. Применение магнитоэлектрических измерительных приборов с
- •2.4 Электромагнитные измерительные приборы
- •3. Аналоговые измерительные приборы
- •3.1. Общая характеристика аналоговых измерительных приборов
- •3.2. Аналоговые электронные вольтметры
- •3.3. Принципы построения аналоговых электронных вольтметров
- •3.4. Детекторы аналоговых электронных вольтметров
- •4. Цифровые измерительные приборы
- •4.1 Общая характеристика цифровых измерительных приборов. Принципы построения
- •4.2 Цифровые методы измерения напряжения
- •4.2.1 Цифровые электронные вольтметры с время-импульсным преобразованием
- •4.2.2. Кодо-импульсные цифровые электронные вольтметры
- •4.3. Электронные частотомеры
- •4.4. Цифровые измерители фазовых сдвигов
- •5. Генераторы измерительных сигналов
- •5.1. Назначение, классификация и нормируемые технические
- •5.2. Генераторы низкочастотных измерительных сигналов
- •5.3. Генераторы высокочастотных измерительных сигналов
- •5.4. Генераторы импульсных измерительных сигналов
4.3. Электронные частотомеры
В измерительной технике наиболее точно измеряется частота. Существуют различные типы частотомеров: электромеханические, аналоговые резонансные, аналоговые гетеродинные, цифровые. На сегодняшний день наиболее распространённым методом измерения частоты является метод дискретного счёта.
При этом измеряемая частота сигнала сравнивается с дискретным значением образцовой частоты , которая воспроизводится мерой.
Рис. 29
Результат сравнения – число или кратность сравниваемых частот:
;
.
Необходимые узлы для аппаратурной реализации:
-
формирователь импульсов;
-
устройство, вырабатывающее сигнал образцовой частоты (задающий генератор);
-
устройство, формирующее импульсы длительностью (строб-импульсы или «временные ворота»);
-
устройство, сравнивающее строб-импульсы с периодом следования сигнала измеряемой частоты.
Рис. 30
На рисунке 30: ВхУ – входное устройство, ФИ – формирователь импульсов, ВС – временной селектор, СИ – счётчик импульсов, ЦОУ – цифровое отсчётное устройство, ЗГ – задающий генератор, ДЧ – делитель частоты, ГМВ – генератор меток времени, УУ – устройство управления.
ВхУ преобразует сигнал по уровню, обеспечивая нормальное функционирование ФИ, который преобразует входной сигнал произвольной формы в последовательность коротких однополярных импульсов одинаковой амплитуды, следующих с частотой . С выхода ФИ сигнал поступает на один из входов ВС, на другой вход которого подаётся строб-импульс образцовой частоты длительностью . Строб-импульс формируется из сигнала, вырабатываемого ЗГ, который представляет собой кварцевый генератор опорной частоты, с помощью делителя частоты. ДЧ представляет собой набор делителей частоты, на выходе которых обычно формируются сигналы с частотами 100 кГц, 10 кГц, 1 кГц и т.д., которые определяют соответствующие длительности строб-импульсов («временных ворот»). ЗГ вместе с ДЧ принято называть генератором меток времени (ГМВ), а длительность «временных ворот» – временем измерения.
Рис. 31
СИ подсчитывает количество импульсов с частотой, равной измеряемой, которые прошли через ВС за интервал времени .
Основными источниками погрешности при измерении частоты электронно-счётным частотомером являются:
- погрешность меры, где функцию меры выполняет ЗГ. Под погрешностью меры понимают нестабильность частоты ЗГ. С целью уменьшения этой погрешности, ЗГ выполняется в виде кварцевых генераторов импульсов, кроме того, ЗГ размещают в термостате. Такие меры позволяют иметь суточную погрешность (нестабильность частоты) до .
- погрешность дискретности, которая обусловлена несинхронностью двух сигналов: измеряемого и вырабатываемого ЗГ. Наличие этой несинхронности приводит к тому, что в отрезке длительностью укладывается нецелое число периодов измеряемой частоты .
В соответствии с принципом действия:
;
.
Из этих соотношений следует, что:
,
где - количество импульсов на выходе ВС или кратность частот.
Обычно метки времени формируют из сигнала, вырабатываемого ЗГ, путём деления частоты. Тогда с учётом коэффициента деления частоты имеем:
,
где - частота сигнала, вырабатываемого ЗГ.
Таким образом, с точностью до константы измеряемая частота равна частоте ЗГ.
Из вышесказанного следует, что максимальная абсолютная погрешность дискретности:
,
а наибольшая относительная погрешность дискретности:
.
Из этих формул следует:
- чем меньше , тем больше относительная погрешность дискретности;
- чем больше частота ЗГ, тем больше относительная погрешность дискретности.
Существует несколько путей уменьшения погрешности дискретности:
-
увеличение кратности частот , т.е. уменьшение с помощью умножителя частоты измеряемого сигнала. Это приводит к аппаратурному усложнению частотомера, т.к. необходимо увеличение количества разрядов СИ;
-
увеличение длительности , что тоже неудобно, т.к. определяет время измерения частотомера.
Поэтому на НЧ измеряют не частоту, а период колебаний сигнала.
Электронно-счётный частотомер в режиме измерения периода
Рис. 32
На рисунке 32: ВхУ – входное устройство, ФИ – формирователь импульсов, ДЧ – делитель частоты, УУ – устройство управления, ГМВ – генератор меток времени, ВС – временной селектор, СИ – счётчик импульсов, ЦОУ – цифровое отсчётное устройство.
Прибор может работать в режиме ручного управления, но обычно работает в автоматическом режиме, причём циклами. Работа устройства начинается с того, что УУ обнуляет СИ и обеспечивает сброс показаний с отсчётного устройства. Кроме того, в УУ предусмотрена возможность блокировки временного селектора на некоторое время – время индикации, которое для широко распространённых частотомеров составляет от 0,5 секунды до 1 секунды.
Измеряемый сигнал, преобразованный ВхУ по уровню и ФИ в строб-импульс длительностью , поступает через УУ на один вход ВС; на второй вход ВС поступает сигнал в виде последовательности коротких ВЧ импульсов, вырабатываемых генератором меток времени, которые заполняют интервал времени, определяемый длительностью строб-импульса. СИ подсчитывает количество импульсов, прошедших на выход ВС за интервал времени, равный длительности строб-импульса.
Рис. 33
Если обозначить частоту импульсов, вырабатываемых ГМВ, , то:
.
Всё сказанное выше о нестабильности частоты ЗГ остаётся в силе.
Для повышения точности измерений может применяться декадный делитель частоты, при этом , тогда увеличивается в раз. Электронно-счётный частотомер представляет собой многофункциональный прибор, позволяющий измерять частоту, период, длительность импульса, кратность частот.