Материал: Методика выполнения измерений на примере оптиметра горизонтального ИКГ-3

Рисунок 9 - Проходной (а) и поглощающий (б) частотомеры

Метод сравнения

Метод сравнения для измерения частоты получил широкое распространение, благодаря его простоте, пригодности для использования практически в любом диапазоне частот и сравнительно высокой точности результата измерения. Измеряемая частота определяется по равенству или кратности образцовой частоте. Следовательно, для измерения частоты f_x. методом сравнения необходимо иметь источник образцовых частот f_обр индикатор равенства или кратности f_x. и f_обр. В качестве источника образцовых частот применяют образцовые меры частоты, так называемые стандарты частоты, с нестабильностью 10⁹-10¹¹ за 1 сут.

Для градуировки генераторов измерительных сигналов используют синтезаторы частоты и другие генераторы, погрешность установки частоты которых на порядок, а нестабильность частоты за 30 мин - на 3 порядка меньше, чем у градуируемого генератора.

Индикатором равенства или кратности частот может быть осциллограф или нелинейный преобразователь частоты;

Рисунок 10 - К определению кратности частот

в соответствии с этим метод сравнения для измерения частоты реализуют двумя способами: осциллографическим и гетеродинным.

3. Средства измерения

Измерение частоты составляет одну из важных задач измерительной техники. В современной радиоэлектронике, автоматике и других близких к ним областях науки и техники используются сигналы разнообразных частот - от инфра низких до сверхвысоких

Для измерения частоты используют методы непосредственней оценки и сравнения частот. К приборам непосредственной оценки относятся: электромеханические частотомеры с логометрическим механизмом, конденсаторные частотомеры, резонансные частотомеры и электронно-счетные частотомеры. К приборам сравнения частот относятся: компараторы частоты, гетеродинные частотомеры, осциллографические частотомеры. Наиболее известными методами являются резонансный, гетеродинный, заряда и разряда конденсатора, сравнения при помощи осциллографа и др. Рассмотрим некоторые из этих приборов.

Измерение временных интервалов.

Измерение временных интервалов методом калиброванной шкалы. Метод основан на измерении линейных размеров периода изображения по оси Х непосредственно по шкале экрана ЭЛТ. Измеряемое время tx определяется как

=KplMp. (12),

Кp - коэффициент развертки,

Мр - масштаб развертки по оси Х,- длина периода изображения на экране ЭЛТ.

Измерение временных интервалов с помощью калибрационных меток. Метод основан на создании в кривой исследуемого сигнала яркостных меток образцовой частоты. Это достигается подачей на модулятор ЭЛТ (вход Z) сигнала с измерительного генератора.

Измерение временных интервалов с помощью задержанной развертки. Метод основан на смещении изображения вдоль линии развертки относительно выбранной неподвижной точки (линии шкалы). Отсчет производится по регулировочной шкале "задержка”.

4. Цифровые измерительные приборы

Цифровые (электронно-счетные) частотомеры

Цифровые частотомеры применяются для точных измерений частоты гармонических и импульсных сигналов в частотном диапазоне до 50 ГГц.

Принцип действия большинства цифровых частотомеров основан на подсчете числа импульсов N, соответствующих числу периодов измеряемого сигнала с неизвестной частотой fx за нормируемый интервал времени Ти (Ти - время измерения). В этом случае неизвестная частота определяется как:

. (13),

Рисунок 11-Типовая структурная схема электронно-счетного частотомера

Рисунок 12-диаграмма, поясняющая работу частотомера.

Входное устройство предназначено для согласования схемы частотомера с источником входного сигнала. Входное устройство состоит из широкополосного усилителя и аттенюатора.

Формирователь предназначен для преобразования исследуемого напряжения в последовательность импульсов fx с большой крутизной фронтов.

Временной селектор представляет собой электронный ключ, который открывается строб - импульсом Ти, вырабатываемым устройством управления. Делитель предназначен для деления частоты генератора (обычно 1 мГц) декадными ступенями до 0.01Гц. Т.е.100, 10, 1 Кгц, 100, 10, 1, 0.1 и 0.01 Гц. Счетчик подсчитывает число импульсов fx2 за период времени Ти.

Таким образом, если период времени Ти известен с высокой точностью, то число импульсов, которое уложилось в этот период будет пропорционально частоте измеряемого сигнала. При этом погрешность может составлять ±1 импульс (±1 период). Из этого следует, что погрешность частотомера зависит от выбранного времени измерения Ти и определяется как:

 (14),

Величина  - называется погрешностью дискредитации.

 - погрешность нестабильности частоты кварцевого генератора (на практике пренебрежимо малая величина).

Погрешность дискредитации обусловлена, в основном, несоответствием моментов появления счетных импульсов N относительно фронтов строб - импульса Ти.

Рассмотрим пример определения погрешности частотомера.

Пусть выбран интервал измерения Ти=1 сек. Определить погрешность измерения частоты при измерении сигнала с ориентировочной частотой: 1 - 10 МГц и 2 - 10 Гц.

Расчет проводится по формуле:

. (15),

В первом случае погрешность равна =2*10-5 %, во втором случае =10 %.

На практике применяют и другие методы и способы измерения частоты, не относящиеся к разделу цифровой техники. Рассмотрим это методы.

Резонансный способ измерения частоты

Данные частотомеры представляют собой колебательную систему, настраиваемую в резонанс с источником измеряемой частоты. Частоту определяют по калиброванной шкале прибора.

Рисунок 13 - Структурная схема резонансного частотомера

Рисунок 14 - Упрощенная схема резонансного частотомера

Осциллограф и измерение частоты осциллографом

Для измерения частоты используют осциллограф. Осциллограф - это прибор, который предназначен для исследования и наблюдения электрических сигналов во временной области, которую определяет период, путём визуального наблюдения графических сигналов на экране прибора, либо записанного результата на фотоленте, и также для измерения амплитудных и временных параметрических сигналов по форме графика. Сегодня осциллографы дают возможность разворачивать сигнал многогерцовых частот.

В виде графиков отображаются колебания частот. Это могут быть линии или точки, в зависимости от выбранных параметров графика. Частоты отображаются в зависимости от их изменения во времени. Иногда еще при влиянии внешних факторов, например, повышении сопротивления или изменения напряжения.

Универсальными осциллографами называются осциллографы <#"870113.files/image025.gif">

Цифровой метод измерения частоты

Цифровой (дискретного счета) метод измерения частоты реализован в цифровых частотомерах. Принцип действия цифрового частотомера основан на измерении частоты в соответствии с ее определением, т.е. на счете числа импульсов за интервал времени. 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).

Поскольку цифровые частотомеры являются многофункциональными измерительными приборами, то 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.15, где приведены структурная схема цифрового частотомера в режиме измерения частоты и временные диаграммы к его работе.

Исследуемый гармонический сигнал частоты fx подается на входное устройство (ВУ), усиливающее или ослабляющее его до значения, требуемого для работы последующего устройства частотомера (рис.15). Снимаемый с выхода ВУ гармонический сигнал U1 поступает на формирователь импульсов (ФИ), преобразующий его в последовательность коротких однополярных импульсов U2, следующих с периодом Тх = 1/fx и называемых счётными. Причем передние фронты этих импульсов практически совпадают с моментами перехода сигнала U1 через нулевое значение на оси времени при его возрастании. Схемотехнически формирователь ФИ состоит из усилителя-ограничителя и компаратора (триггера Шмитта).

Счётные импульсы U2 поступают на один из входов временного селектора (ВС), на второй вход которого от устройства формирования и управления (УФУ) подается строб-импульс U3 прямоугольной формы и калиброванной длительности T0 > Tx. Интервал времени T0 называют временем счета.

Временной селектор открывается строб-импульсом U3, и в течение его длительности пропускает группу (пакет) из Nx импульсов U2 на вход счетчика (СЧ). В результате с временного селектора на счетчик поступает пакет из Nx импульсов U4. Первый счетный импульс, попавший во временные ворота T0 строб-импульса, опережает его передний фронт на время ?tн, а срез ворот и последний счетный импульс, появляющийся до среза, разделяет интервал ?tk. Из 22 следует, что

= Nx Tx - ?tн + ?tk = Nx Tx - ?tд (16),

где

?tн и ?tk - абсолютные погрешности дискретизации начала и конца интервала T0, вызванные случайным положением строб-импульса относительно счетных импульсов и2; ?tд=?tн-?tk-общая абсолютная погрешность дискретизации.

Рисунок 15 - устройство УФУ

Пренебрегая в формуле (16) погрешностью ?tд, получаем, что число импульсов в пакете Nx = T0/Tx = T0fx и, следовательно, измеряемая частота пропорциональна числу счетных импульсов, поступающих на счетчик:

= Nx / T0 (17),

Для формирования строб-импульса на устройство УФУ поступают короткие импульсы с периодом T0 (на рисунке 15 для упрощения не показаны) от схемы, включающей кварцевый генератор (КГ) образцовой частоты fкв и декадный делитель частоты (ДДЧ) следования импульсов с коэффициентом деления Кд (каждая декада уменьшает частоту fкв в десять раз). Период импульсов на выходе декадного делителя частоты и длительность строб-импульса равны периоду сигнала на выходе делителя частоты, т.е. T0 = Кд / fкв. Поэтому выражение (10.5) удобнее представить в виде

= Nx fкв / Кд (18),

Отношение fкв / Кд можно дискретно изменять вариацией Кд, т.е. за счет изменения числа декад декадного делителя частоты.

Счетчик подсчитывает число импульсов Nx и выдает соответствующий код в цифровое отсчетное устройство (ЦОУ). Отношение fкв/Кд выбирается равным 10n Гц, где п - целое число. При этом ЦОУ отображает число Nx, соответствующее измеряемой частоте fx в выбранных единицах. Например, если за счет изменения Кд выбран коэффициент п = 6, то число Nx, отображаемое на ЦОУ, соответствует частоте fx, выраженной в МГц. Перед началом измерений УФУ сбрасывает показания счетчика в нуль.

Погрешность измерения частоты fx этим методом имеет систематическую и случайную составляющие.

Систематическая составляющая погрешности измерения вызывается в основном долговременной нестабильностью частоты кварцевого генератора fкв.

Ее уменьшают путем термостатирования кварца или за счет применения в кварцевом генераторе элементов с термокомпенсацией. При этом относительное изменение частоты fкв за сутки обычно не выше

δкв= 5.10 - 9. (19),

Погрешность измерения за счет неточности установки номинального значения частоты fкв 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 обеспечивается введением в схему кварцевого генератора системы фазовой автоподстройки (ФАПЧ). Случайная составляющая погрешности измерения определяется погрешностью дискретизации

?tд = ?tн - ?tk. (20),

Поскольку взаимная синхронизация строб-импульса и счетных импульсов отсутствует, погрешности ?tн и ?tk, определяющие на рис.22 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 ?tн и ?tk являются случайными и распределены по равномерному закону. Вследствие независимости этих погрешностей общая погрешность дискретизации ?tд распределена по треугольному закону с предельными значениями ± Т0.

Максимальную погрешность дискретизации начала и конца интервала времени счета Т0, т.е. ?tд = ± Т0, удобно учитывать через эквивалентное случайное изменение числа счетных импудьсов Nx на ± 1 импульс. При этом максимальная абсолютная погрешность дискретизации может быть определена разностью значений частоты fx, получаемой по формулам (10.4) или (10.5) при Nx ± 1; в этом случае ?fx = ± 1/Т0. Соответствующая максимальная относительная погрешностьсть измерения:

δ = ?fx/ fx = ±1/ Nx =± 1/ (Т0 fx). (21),

Суммарная относительная погрешность измерения частоты цифрового частотомера нормируется в процентах и определяется величиной

δx = ±√  (22),

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

Для уменьшения влияния погрешности дискретизации на результат измерения частоты fx можно провести ее многократные наблюдения, а затем выполнить их статистическую обработку.

Диапазон измеряемых частот цифровых частотомеров ограничен снизу погрешностью дискретизации, а сверху - конечным быстродействием используемых счетчиков и делителей частоты. Верхний предел измерения частоты достигает 500 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 цифрового частотомера обязательно включают схемы 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 цифровых частотомерах широко применяются кварцевые синтезаторы частот, создающие сигналы с дискретной сеткой частот. Цифровые частотомеры с программно-управляемыми синтезаторами частот и микропроцессорами являются перспективными измерительными приборами благодаря высокой точности, широкому диапазону измеряемых частот, надежности и удобству включения в автоматизированные измерительные системы.