Раздел 9. Цифровые частотометры и фазометры

Тема 9.1. Устройство цифровых частотомеров и фазометров.

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.

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. 9.1.

Рис. 9.1. Структурная схема цифрового частотомера в режиме измерения частоты и временные диаграммы к его работе.

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

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 > T_x. Интервал времени T₀ называют временем счета.

Число импульсов в пакете N_x = T₀ / T_x = T₀f_x и, следовательно, измеряемая частота пропорциональна числу счетных импульсов, поступающих на счетчик:

(9.1)

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

Для формирования строб-импульса на устройство УФУ поступают короткие импульсы с периодом T₀ (на рисунке для упрощения не показаны) от схемы, включающей кварцевый генератор (КГ) образцовой частоты f_кв и декадный делитель частоты (ДДЧ) следования импульсов с коэффициентом деления К_д (каждая декада уменьшает частоту f_кв в десять раз). Период импульсов на выходе декадного делителя частоты и длительность строб-импульса равны периоду сигнала на выходе делителя частоты, т.е. T₀ = К_д / f_кв. Поэтому выражение (9.1) удобнее представить в виде:

(9.2)

Счетчик подсчитывает число импульсов N_x и выдает соответствующий код в цифровое отсчетное устройство (ЦОУ). Перед началом измерений УФУ сбрасывает показания счетчика в нуль.

Диапазон измеряемых частот цифровых частотомеров ограничен снизу погрешностью дискретизации, а сверху — конечным быстродействием используемых счетчиков и делителей частоты.

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.

В современной технике широко распространены фазовые методы измерения, которые обладают высокой точностью и помехоустойчивостью, они используются для измерения характеристик импульсных устройств точных измерений углов и перемещений. Используется в дальномерах и других приборах, принцип действия которых заключается в преобразовании измеряемого сдвига фаз между двумя синусоидальными сигналами с преобразованием импульсного напряжения во временной интервал, который затем измеряется числоимпульсным методом. Структурная схема и соответствующие временные диаграммы приведены на рисунке 9.2.

;

Рис. 9.2 Структурная схема и временная диаграмма фазометра

Входные сигналы, разность фаз которых поступает на формирователь Ф1 Ф2, на входах формирователей образуются импульсы при изменении знака входного сигнала от (–) к +. Временной интервал каждого импульса с формирователей поступает на триггер, при приходе импульса от Ф1 триггер переключается, тем самым открывает ключ, при приходе импульса от Ф2 триггер переключается в исходное состояние и закрывает ключ. Таким образом, ключ открыт на время t_х, равное разности фаз между 2 сигналами. В это время импульс от генератора через ключ проходит на счетчик, таким образом посчитанное счетчиком количество импульсов пропорционально времени сдвига фаз 2-х сигналов. Основным недостатком ЦФ мгновенного значения является ограниченность частотного диапазона со стороны верхних частот. Для измерения параметров ВЧ сигналов используют ЦФ среднего сдвига, в нем усредняют измеренное значение за N периодов в течение заданного времени. Диапазон измерения до 100 кГц погрешность 0,01 %.