Вопрос 2. Цифровой метод измерения частоты

Цифровой (дискретного счета) метод измерения частоты реализован в цифровых (электронно-счетных — ЭСЧ) частотомерах. Данные при­боры удобны в эксплуатации, имеют широкий диапазон измеряемых частот (от нескольких герц до сотен мегагерц) и позволяют получить ре­зультат измерения с высокой точностью (относительная погрешность из­мерения частоты 10^-6...10^-9). Как уже отмечалось, цифровые частотомеры являются многофункциональными приборами. В зависимости от режима их работы можно проводить измерение не только частоты и отношения двух частот, но и интервалов времени (периода следования периоди­ческих сигналов и интервала, заданного временным положением двух

импульсов).

Принцип измерения частоты гармонического сигнала цифровым ме­тодом поясняет рис.7, где приведены структурная схема цифрового частотомера в режиме измерения частоты и временные диаграммы к его работе.

Исследуемый гармонический сигнал, имеющий частоту f_x, подается на входное устройство (ВУ), усиливающее или ослабляющее его до значения, требуемого для работы последующего устройства частотомера (рис. 7, а).

Снимаемый с выхода ВУ гармонический сигнал u₁ (рис. 7.7, б) посту­пает на первый формирователь импульсов (Ф1), преобразующий его в последовательность коротких однополярных импульсов и₂, следующих с периодом Т_х = 1/f_x и называемых счетными. Причем передние фронты

Рис. 7. Цифровой частотомер в режиме измерения частоты:

а) структурная схема, б) временные диаграммы

этих импульсов практически совпадают с моментами перехода сигнала и₁ через нулевое значение на оси времени при его возрастании. Форми­рователь Ф1 состоит из усилителя-ограничителя и компаратора (триггера Шмитта).

Счетные импульсы u₂ поступают на один из входов временного селек­тора (ВС), на второй вход которого от устройства формирования и управления (УФУ) подается строб-импульс u_з прямоугольной формы и ка­либрованной длительности Т₀ > Т_х. Интервал времени Т₀ называется вре­менем счета. Временной селектор открывается строб-импульсом u₃ , и в течение его длительности пропускает группу (пакет) импульсов u₂ на вход счетчика (СЧ). В результате на счетчик поступает пакет из N_x им­пульсов u₄. Из рис. 7, б следует, что

T₀ = N_xT_x - Δt_н + Δt_κ = N_xT_x - Δt_д (3)

где Δt_Η и Δt_κ — погрешности дискретизации начала и конца интервала Т₀, вызванные случайным положением строб-импульса относительно счетных импульсов u₂; Δt_д = Δt_н- Δt_κ - общая погрешность дискретизации.

Пренебрегая в (3) погрешностью Δt_д, получаем, что число импуль­сов в пакете N_x = T₀/T_x = T<f_x и, следовательно, измеряемая частота про­порциональна числу счетных импульсов, поступающих на счетчик:

f_x=N/T₀. (4)

Для формирования строб-импульса на устройство УФУ поступают короткие импульсы с периодом Т₀ (на рисунке для упрощения не показаны) от схемы, включающей генератор образцовой частоты (ГОЧ) и второй формирователь импульсов (Ф2), аналогичный формирователю импульсов Ф1. В составе ГОЧ имеются кварцевый генератор образцовой частоты f_кв и декадный делитель частоты с коэффициентом деления К_д (каждая декада уменьшает частоту f_кв в десять раз). Период импульсов на выходе формирователя Ф2 и длительность строб-импульса равны пе­риоду сигнала на выходе делителя частоты, т.е. Т₀ = К_д/f_кв; поэтому вы­ражение (4) можно представить в виде

f_x = N_x f_кв/K_д . (5)

Отношение f_кв/K_д можно дискретно изменять вариацией К_д, т.е. за счет изменения числа декад делителя Д.

Счетчик подсчитывает N_x импульсов и выдает соответствующий код в цифровое отсчетное устройство ЦОУ. Отношение f_кв/K_д выбирается равным 10ⁿ Гц, где n — целое число. При этом ЦОУ отображает число Ν_χ, соответствующее измеряемой частоте f_x в выбранных единицах. На­пример, если за счет изменения К_д выбрано n = 6, то число N_x, отоб­ражаемое на ЦОУ, соответствует частоте f_x, выраженной в МГц. Перед началом измерений УФУ сбрасывает показания счетчика в нуль.

Погрешность измерения частоту f_x имеет систематическую и случайную составляющие.

Систематическая составляющая вызывается в основном долго­временной нестабильностью частоты кварцевого генератора f_кв. Ее уменьшают путем термостатирования кварца или за счет применения в кварцевом генераторе элементов с термокомпенсацией. При этом отно­сительное изменение частоты f_кв за сутки обычно не выше δ_κв = 5·10^-9. Погрешность за счет неточности установки номинального значения частоты f_кв уменьшается калибровкой кварцевого генератора по сигна­лам эталонных значений частоты, передаваемых по радио, или с помо­щью перевозимых квантовых стандартов частоты. Относительная по­грешность калибровки кварцевого генератора не превосходит (1...5)10^-10. Очень часто требуемая стабильность частоты достигается введением в схему кварцевого генератора системы фазовой автоподстройки (ФАПЧ).

Случайная составляющая определяется погрешностью дискретизации Δt_д = Δt_н - Δt_κ. Поскольку взаимная синхронизация строб-импульса и счетных импульсов отсутствует, погрешности Δt_н и Δt_κ, определяющие на рис. 7.7, б положение начала и конца строб-импульса между соседними двумя счетными импульсами, могут принимать во времени с одинаковой вероятностью значения от нуля до Т₀. Поэтому погрешности Δt_н и Δt_κ яв­ляются случайными и распределены по равномерному закону. Вследст­вие независимости этих погрешностей общая погрешность дискретизации Δt_Д распределена по треугольному закону с предельными значе­ниями ±Т₀.

Максимальную погрешность Δt_д = ±Т₀ удобно учитывать через эквива­лентное случайное изменение числа счетных импульсов Ν, на ±1 импульс. При этом максимальная абсолютная погрешность дискретизации может быть определена разностью значений частоты f_x , получаемых по формулам (4) или (5) при Ν_χ± 1 и Ν_χ, и равна Δf_x = ±1/T₀. Соответствующая максимальная относительная погрешность: δ = Δf_x/f_x. = ±1/Nx= ±1/(T₀f_x).

С учетом изложенного суммарная относительная погрешность измерения частоты цифрового частотомера нормируется в процентах величиной

(6)

Отсюда следует, что суммарная погрешность измерения из-за погрешно­сти дискретизации увеличивается по мере уменьшения измеряемой частоты f_x При достаточно малой частоте f_x она может превзойти допустимое значение даже при максимальном времени счета Т₀, которое в цифровых частотомерах обычно не превышает 1 с или 10 с. В этом случае целесообразно измерить период Т_к =1/f_x, а затем вычислить искомую частоту f_x.

Для уменьшения влияния погрешности дискретизации на результат из­мерения частоты f_x можно провести ее многократные наблюдения, а затем выполнить их статистическую обработку в порядке, указанном в разделе 2.4.

Обычно диапазон измеряемых частот цифровых частотомеров огра­ничивается снизу погрешностью дискретизации, а сверху — конечным быстродействием используемых счетчиков-делителей. Верхний предел измерения частоты обычно не превосходит 200 МГц, и его расширяют способом гетеродинного преобразования (переноса) измеряемой частоты в область более низких частот. Один из способов такого преоб­разования рассмотрен в предыдущем разделе.

Необходимо отметить, что в структурную и принципиальную схемы частотомера обязательно включается схема автоматической регулировки усиления (АРУ) и подавления внешних помех. При малом уровне входного сигнала (ниже милливольта) измерения прекращаются и показания счетчика сбрасываются на нуль. В устройстве предусмотрены также меры защиты от перегрузок.

В современных схемах цифровых частотомеров широко применяются синтезаторы частот, создающие сигналы с дискретной сеткой частот. Цифровые частотомеры с программно-управляемыми синтезаторами частот и встроенными микропроцессорами являются перспективными измерительными приборами благодаря высокой точности, широкому диапазону измеряемых частот и удобству включения в автоматизиро­ванные измерительные системы.

Дата добавления: 2014-11-01; просмотров: 695; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!