Измерение частоты сигнала частотомером.

Измерение частоты сигнала частотомером.

Цель работы:

изучить устройство и принцип работы электронного частотомера Ч3-62 и научиться с его помощью измерять частоту сигнала.

Приборы и оборудование: источник сигнала, электронный частотомер Ч3-62, соединительные провода.

Основные теоретические положения.

Частота — одна из важнейших характеристик пе­риодического процесса; определяется числом полных циклов (периодов) изменения сигнала в единицу време­ни. Период — наименьший интервал времени, удовлетво­ряющий уравнению u(t) =u(t+Т),Мгновенная угловая частота определяется через производную во времени от фазы напряжения сигнала, т. е. ω(t)=dψ/dt.Так как фаза у гармонического сигнала растет во времени по ли­нейному закону, то частота f— постоянная величина, т. е.

Диапазон используемых частот в радиоэлектронике, автоматике, экспериментальной физике, технике связи и т. д., простирается от долей герц до тысяч гигагерц, т. е. от инфранизких до сверхвысоких частот.

Выбор метода измерения частоты определяется ее диа­пазоном, необходимой точностью измерения, формой сигнала, мощностью источника сигнала измеряемой час­тоты и другими факторами.

Частота электрических сигналов измеряется метода­ми непосредственной оценки и сравнения.

Частотомеры — приборы, измеряющие частоту. Изме­рение частоты методом непосредственной оценки произ­водится частотомерами: аналоговыми электромеханиче­скими с логометрическими механизмами, цифровыми (электронно-счетными). Измерение частоты сигналов методом сравнения осуществляется с помощью осцилло­графа, частотно-зависимого моста переменного тока, частотомеров гетеродинных, построенных на биениях, и др.

Аналоговые электромеханические час­тотомеры с логометрическими механизмами (электро­магнитные, электродинамические, ферродинамические) предназначаются в основном для измерения частоты гармонических напряжений в диапазоне 20—2500 Гц. Эти частотомеры имеют ограниченное применение из-за не­высокой точности, значительной мощности потребления и подверженности к вибрациям.

Цифровые (электронно-счетные) час­тотомеры предназначаются для точных измерений частоты гармонических и импульсных сигналов в диапа­зоне 10 Гц—50 ГГц; используются для измерения отно­шения частот, периода, длительности импульсов, интер­валов времени.

В зависимости от участка частотного спектра и допустимой погрешности для измерения частоты используют различные спо­собы и приемы измерения, основанные на методах сравнения и не­посредственной оценки.

В методах сравнения (резонансный, гетеродинный и осциллографический) измеряемую частоту сравнивают с частотой ис­точника образцовых колебаний. Эти методы применяют в основ­ном для градуировки генераторов измерительных приборов. Для их реализации необходим образцовый генератор более высокой точности и устройство сравнения (сличения) частот.

К осциллографическим методам относят:

• определение частоты методом фигур Лиссажу;

• определение интервалов времени (периода, длительности им­пульса или пачки импульсов и т.д.) с использованием калиброван­ной развертки осциллографа;

• определение частоты с помощью яркостных меток на круговой развертке.

Все осциллографические методы имеют невысокую точность (относительная погрешность измерений порядка 0,1-0,05). Верхня граница диапазона измеряемых частот определяется параметрами осциллографа и для большинства из них не превышает 500 МГц.

К приборам, работающим по методу непосредственной оценки, относятся резонансные частотомеры и измерители часто­ты, использующие метод заряда и разряда конденсатора. Совре­менное измерение частоты методом непосредственной оценки главным образом выполняется электронно-счетным, или цифро­вым (дискретного счета) методом, в основе которого лежат цифровые (или электронно-счетные — ЭСЧ) частотомеры. К дос­тоинствам этого метода относится высокая точность измерений, широкий диапазон измеряемых частот, возможность обработки результатов наблюдений с помощью вычислительных устройств (микропроцессоров, персональных компьютеров и пр.). Цифро­вые частотомеры позволяют измерять не только частоту колеба­ний, но и интервалы времени.

Электронные частотомеры предназначены для измерения частоты периодиче­ских колебаний, а также интервалов времени, длительности импульсов, отноше­ния частот.

Различают две основные группы электронных частотомеров: резонансные и электронно-счетные.

Резонансные частотомеры служат для измерения частоты периодических колебаний в диапазоне частот 125 кГц — 70 ГГц и используются главным образом для радиотехнических измерений. Ре­зонансные частотомеры основаны на принципе настройки колебательного контура в резонанс с сигналом, часто­та которого измеряется. Приборы име­ют простое устройство и обеспечивают погрешность измерения 0,05—0,1%.

Более широкими возможностями обладают электронно-счетные частото­меры. На рис. 10.12 приведена упро­щенная структурная схема электронно-счетного частотомера Ч3-62, предназначенно­го для измерения частоты и периода колебаний, счета числа импульсов и измерения отношения частот.

Частотомер имеет два аналогичных канала измерения (каналы А и Б), состоя­щих из входного ВУ и формирующего ФУ устройств. Каналы А и Б обеспечивают согласование прибора с объектом измерения и формирование импульсных сигна­лов в момент перехода измеряемого напряжения через нуль (обычно при переходе от отрицательной полуволны к положительной) или в момент начала им­пульса.

С выхода канала А импульсы напряжения через временной селектор ВС поступают в цифровой счетчик ЦС, к выходу которого подключено цифровое ин­дикаторное устройство ЦИУ. От генератора стабильной частоты ГСЧ (с кварцевой стабилизацией) напряжение может быть подано либо в блок управления БУ, либо в канал А в зависимости от режима работы. Кроме того, напряжение ГСЧ выво­дится на внешний разъем прибора.

При измерении частоты (переключатель в положении Р) измеряемое напря­жение подается на вход А, а в блок управления поступают импульсы стабильной частоты от ГСЧ. В блоке управления формируется импульс фиксированной дли­тельности Т_n (интервал измерения частоты), поступающий на вход управления временного селектора, который пропускает импульсы с выхода канала А в цифро­вой счетчик в течение времени T_n. Очевидно, частота исследуемого сигнала про­порциональна числу импульсов, прошедших в счетчик.

При измерении периода (переключатель в положении Т) измеряемое напряже­ние подается на вход Б. Импульсы, сформированные в канале Б и отстоящие один от другого на величину периода Т_n поступают в блок управления, на выходе которого возникает импульс длительностью Т_n. Временной селектор открывается на время Т_n пропуская импульсы от ГСЧ в цифровой счетчик. Таким образом, число импульсов, прошедших в счетчик, пропорционально измеряемому пери­оду T_х. Аналогично измеряют длительность импульсов и временные интервалы.

При измерении отношения частот двух сигналов (переключатель в положении F_B/F_H) сигнал низшей частоты F_H подается на вход Б, а сигнал высшей частоты F_B — на вход А. Блок управления формирует импульс длительностью Т_п=1/F_H, открывающий временной селектор на время Т_H. Импульсы частотой F_B с выхода канала А проходят в цифровой счетчик. Число импульсов, прошедших в счетчик, N=Т_H/Т_B=F_B/F_H.

В положении С переключателя прибор работает в режиме счета числа импуль­сов, подаваемых на вход А в течение времени, устанавливаемого вручную. В по­ложении К переключателя осуществляется контроль работы прибора.