2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЧАСТОТОМЕРА С ЦИФРОВЫМ ОТСЧЕТОМ

По частотному диапазону цифровые частотомеры могут быть разделены на высокочастотные и низкочастотные, хотя такое деление весьма условно. Высокочастотные частотомеры предназначены для непосредственного измерения частоты вплоть до 100 МГц. При измерении частот свыше 100 МГц используются дополнительные устройства для предварительного понижения измеряемой частоты.

Низкочастотные частотомеры фактически измеряют длительность периода, обратно пропорционального частоте. С помощью специальных устройств результат измерения (отсчет) может быть преобразован и выдаваться в единицах частоты.

Выпускаемые промышленностью частотомеры обычно позволяют измерять как частоту, так и длительность периода электрических колебаний или периода следования импульсов. Выбор схемы измерения (частоты или периода) определяется оператором в зависимости от диапазона измеряемой частоты и допускаемой погрешности измерения.

Значительно реже встречаются так называемые процентные частотомеры и частотомеры номинальных значений, измеряющие отклонение (в процентах) измеряемой частоты от номинальной или же саму номинальную частоту. Это специализированные низкочастотные приборы, работающие в очень узком диапазоне.

 

 


Простейшая функциональная схема частотомера показана на рис. 2.1.

Измеряемая частота  поступает на вход формирующего устройства F. Оно предназначено для преобразования измеряемой величины (частоты синусоидального напряжения или импульсов различной амплитуды и формы) в частоту следования импульсов одной полярности практически с одинаковой амплитудой, длительностью и крутизной фронтов. В результате такой «нормализации» входного сигнала устраняется зависимость результата измерения от амплитуды и других параметров сигнала, и каждый импульс будет соответствовать одному периоду исследуемого процесса.

После запуска с помощью одновибратора , необходимого для выработки управляющего импульса с соответствующими параметрами, триггер  открывает вентиль для прохождения импульсов от  на счетчик . Одновременно с запуском импульс сброса приводит схему в исходное состояние. Импульсом на единичном выходе триггера запускается также генератор образцовых интервалов времени . Этот генератор вырабатывает временные интервалы . После окончания этого интервала триггер  запирает вентиль. За время открытого состояния вентиля на счетчик поступит  импульсов:

                                                                  (2.1)

где  — измеряемая частота.

В качестве генератора образцовых интервалов времени  используется генератор ударного возбуждения или же генератор с кварцевой стабилизацией, имеющие соответствующие делители частоты. При использовании кварцевого генератора схема управления частотомером будет немного отличаться от схемы на рис. 2.1.

Погрешность измерения частоты  определяется исходя из выражения (2.1). Предельное значение погрешности  будет равно

Первая составляющая  есть относительная погрешность дискретности, . При цифровом измерении частоты (и времени) [11, 32, 34] , следовательно,

                                                 (2.2)

Вторая составляющая  — есть относительная погрешность задания интервала . Так как интервалы  задаются с помощью образцовых генераторов и делителей частоты, то эта погрешность является следствием только нестабильности частоты  генератора и равна

Таким образом,

где  — измеряемая частота.

Как уже указывалось, погрешность за счет нестабильности генератора образцовой частоты (или образцовых интервалов, получаемых за счет деления образцовой частоты) может быть сделана очень малой, и во многих случаях этой погрешностью можно пренебречь. В тех случаях, когда этой погрешностью пренебречь нельзя, то ее учитывают как небольшую часть погрешности дискретности.

В задании на проектирование должны быть указаны основные характеристики, которые следует получить в разрабатываемом частотомере. Такими основными характеристиками являются:

1)   диапазон измеряемых частот  и , а также форма и амплитуда входного сигнала (синусоидального или импульсного). При импульсном сигнале желательно знать также полярность импульсов;

2)   погрешность измерения;

3)   время измерения (быстродействие);

4)   входное сопротивление.

Кроме указанных основных требований могут быть заданы и дополнительные (характер отсчетного устройства, наличие выхода на цифропечать, степень надежности и помехозащищенности, габариты и масса, источники питания, степень автоматизации и т.д.).

Пусть задано спроектировать частотомер со следующими характеристиками:

1)   диапазон измеряемых частот от 100 Гц до 10 МГц;

2)   допустимая погрешность измерения ;

3)   время одного измерения — не более 10 с.

Выполнение остальных требований к частотомеру (величина входного сопротивления, минимальный уровень и характер входных периодических и импульсных сигналов и т.д.) обеспечивается входным формирующим устройством. Поэтому ограничимся рассмотрением только трех указанных выше характеристик частотомера.

Ввиду того, что диапазон измеряемых частот очень широк, разобьем его на несколько поддиапазонов (пределов).

Как уже указывалось (см. разд. 1), число поддиапазонов выбирается исходя из допустимой погрешности в начале каждого поддиапазона, а также из емкости счетчика. Для удобства пересчета коэффициент перекрытия берется равным 10. Для рассматриваемого случая целесообразно весь диапазон измеряемых частот разбить на пять поддиапазонов; 102—103; 103—104; 104—105; 105—106; 106—107 Гц.

Относительная погрешность дискретности при этом в каждом поддиапазоне возрастает от конца к началу в десять раз.

Примем, что погрешность дискретности  составляет не более половины общей допустимой погрешности, т.е. . Тогда на основании уравнения (2.2) для минимального значения частоты  будем, иметь

                                                                     (2.3)

Из (2.3), подставив значения  и , получим необходимую длительность измерения (счета импульсов):

 с.

Полученное время измерения не удовлетворяет требованиям задания. В приборах, выпускаемых промышленностью, время измерения  обычно не превышает 10 с. Это объясняется не только нежеланием сильно увеличивать время измерения, но главным образом тем, что трудно сохранить неизменными условия эксперимента в течение большого интервала времени. Если не делить диапазон измеряемых частот на поддиапазоны, то при измерении максимальной частоты потребуется очень большая емкость счетчика. Число разрядов (декад) в десятичном счетчике при измерении минимальной частоты будет

,

а при измерении максимальной частоты

В то же время для обеспечения необходимой точности на всех поддиапазонах нужно иметь всего четыре декады:

Приведенные подсчеты как раз показывают необходимость деления диапазона измеряемых частот па несколько поддиапазонов. Если по формуле (2.3) определить значение  для остальных пределов, то получим следующие значения: 10; 1; 0,1; 0,01 с, которые соответствуют требованиям задания. Если нет особых препятствий, то можно принять и для первого поддиапазона время измерения  равным 10 с. .При этом погрешность дискретности в начале поддиапазона (для Гц) равна 0,1%, к концу поддиапазона она уменьшается до 0,01%. Погрешность дискретности на всех остальных поддиапазонах будет меньше 0,01%, что соответствует заданию. В таблице, приведенной ниже, даны пределы измеряемых частот и время измерения в каждом поддиапазоне.

 

Поддиапазоны, Гц

102-103

103-104

104-105

105-106

106-107

Время измерения, с

10

10

1

0,1

0,01

 

Емкость счетчика должна быть такой, чтобы обеспечить подсчет максимально возможного числа импульсов в каждом поддиапазоне, начиная со второго:

Следовательно, счетчик должен иметь 5 десятичных разрядов (декад).


Структурная схема частотомера с переключением поддиапазонов показана на рис. 2.2. С помощью генератора импульсов образцовой частоты  и делителя частоты  формируются образцовые интервалы времени , ,  и , используемые для измерения на пяти пределах (фактически I и II пределы образуют один предел для измерения в диапазоне от 100 Гц до 10 кГц).

Генератор образцовой частоты в рассматриваемом примере должен иметь высокую стабильность, не хуже 10-4—10-5. Такая стабильность легко может быть обеспечена кварцевым стабилизатором. В зависимости от размеров пластины кварца собственные частоты кварцевых резонаторов лежат в пределах от нескольких килогерц до нескольких мегагерц. Наиболее просто выполняются и чаще встречаются кварцевые резонаторы, имеющие собственную частоту в пределах нескольких десятков и сотен килогерц. Из этого нужно исходить при расчете генератора образцовой частоты с кварцевой стабилизацией. От основной частоты генератора зависит количество декад в пересчетной схеме делителя частоты.

Кроме расчета генератора образцовой частоты с делителем расчету подлежат входные формирующие устройства и некоторые другие элементы. Формирующее устройство, как уже было отмечено, определяет существенные характеристики всего прибора: чувствительность, входное сопротивление, защищенность от помех и т.д. Оно содержит усилитель, ограничитель, дифференцирующую цепь и др. элементы.

Для уменьшения погрешности дискретности, возникающей из-за несовпадения начала образцового интервала времени и импульсов, поступающих от формирующего устройства, применяют синхронизацию начала интервала  с импульсами измеряемой частоты [11, 28, 32, 34].

 

Теория | Практикум | Контроль знаний | Об авторах