Конденсаторные частотомеры

Конденсаторные частотомеры, реализующие метод заряда и разряда образцового конденсатора, так же относятся к группе Ч4-. Принцип работы заключается в измерении тока конденсатора, переменно переключаемого с заряда на заряд с частотой измерений (рис.41).

Конденсатор С₀ с помощью ключа (положение1) заряжается от источника GB через токоограничивающий резистор R до напряжения и разряжается через магнитоэлектрический прибор (положение 2) до .

Следовательно, количество электричества подводимое к конденсатору и отдаваемое прибору за один такт переключения , где D . Если частота переключений за 1 секунду равна , то , т.е. ток протекающий через прибор прямо пропорционален .

Частотомеры этого типа используются на частотах 10-10⁶Гц и обеспечивают погрешность 2-3%. Для увеличения точности измерений в частотомеры встраиваются калибровочные генераторы образцовой частоты. В качестве примера можно привести частотомер Ч4-7.

Резонансные частотомеры

Резонансный метод заключается в настройке предварительно откалиброванного резонансного контура на измеряемую частоту. Резонансные частотомеры, относящиеся к группе Ч2, применяются в основном в диапазоне ВЧ и особенно СВЧ. Это объясняется тем, что в низкочастотных диапазонах есть более простые методы изменения частоты.

Структурная схема частотомера и упрощенный вариант ее реализации приведены на рис.42,а,б. Источник измеряемой частоты через входное устройство (элемент связи L₁) соединя-

ется с прецизионным резонансным контуром ПРК, который настраивается на резонанс с измеряемой частотой f_х.

Момент резонанса фиксируется по максимальному показанию индикатора, соединенного с ПРК через другой элемент связи L₂. Результат измерения считывается с градуированной шкалы механизма перестройки конденсатора переменной емкости. Если шкала механизма градуирована в длинах волн, то такой прибор называют резонансным волномером.

Источники погрешности резонансного частотомера: погрешность градуировки, нестабильность параметров схемы, неточность фиксации резонанса. Последняя погрешность зависит от добротности контура ПРК (рис.42,в) и определяется зависимостью

,

где - напряжение резонанса, -напряжение при расстройке контура на частоту Df.

Резонансные частотомеры с сосредоточенными параметрами используются до частоты 100МГц и в настоящее время вытесняются цифровыми частотомерами. Частотомеры с распределенными параметрами широко используются в диапазоне СВЧ (до 16ГГц) и имеют погрешность порядка 0,05%.

Метод дискретного счета

В современной измерительной технике метод дискретного счета, на основе которого строят цифровые (электронно-счетные) частотомеры, является доминирующим. Это обусловлено весьма широким диапазоном измеряемых частот (10-32·10⁹Гц), высокой точностью, цифровой индикацией результата, удобством сопряжения с МПС и ИВК.

Цифровые частотомеры являются многофункциональными приборами: помимо частоты они измеряют период сигнала, длительность импульсов, интервалы времени, отношение и разность частот, число импульсов и т.д.

Измерение частоты

Суть метода заключается в подсчёте числа импульсов N, следующих с неизвестным периодом , прошедших через калиброванные во времени временные ворота длительностью . Число импульсов , откуда можно определить значение измеряемой частоты . Следовательно алгоритм измерения частоты предусматривает выполнение следующих операций:

· формирование временных ворот длительностью

· заполнение временных ворот импульсами, следующими с измеряемой частотой

· подсчет числа импульсов N, попавших во временные ворота

· вычисление соотношения .

Согласно этому алгоритму измерение частоты не импульсных последовательностей (например, синусоидальной формы) требует промежуточного преобразования исследуемого сигнала. Он может быть преобразован в последовательность коротких импульсов, моменты появления которых соответствуют началу периодов исследуемого сигнала, либо в последовательность импульсов, соответствующих положительным полупериодам исходного сигнала.

Структурная схема цифрового частотомера и временные диаграммы его работы в режиме измерения частоты показана на рис.43.

Напряжение измеряемой частоты f₀ поступает на входное устройство ВУ частотомера, представляющего собой частотно-компенсированный аттенюатор. Формирующее устройство ФУ1 преобразует исходную последовательность в последовательность коротких импульсов. В состав ФУ1 входит усилитель-ограничитель с дифференцирующей цепочкой (или триггер Шмитта), что позволяет исключить зависимость выходного сигнала ФУ1 от амплитуды напряжения измеряемой частоты.

Временной селектор ВС пропускает измеряемые импульсы в течение длительности временных ворот Т₀, формируемых узлом формирования и управления УФУ из частоты f₀ кварцевого генератора КГ.

Частота КГ обычно равна 1 или 5МГц, поэтому для получения требуемой длительности Т₀ используют декадные делители частоты ДЧ, на выходах которых формируются частоты в 10^q раз ниже частоты генератора. Поэтому длительность временных ворот (времени счета) можно установить декадными ступенями от 10^-6-10с.

В результате этого на электронный счетчик СТ поступит импульсов. Эта информация с помощью дешифратора и УФУ будет показана устройством отображения информации УОИ (светодиодные индикаторы, ЖКИ- дисплей и пр.).

Погрешность измерений определяется главным образом нестабильностью частоты КГ(10^-8 - 10^-9) и погрешностью за счёт несинхронности измеряемых импульсов и временных ворот (погрешностью дискретности). Причем вторая составляющая является доминирующей.

Погрешность дискретности обратно пропорциональна числу импульсов N, прошедших в счетчик СТ за время Т₀

.

Полученное выражение позволяет определить необходимое время счета (длительность Т₀), обеспечивающее необходимую точность измерения d_f частоты f_х. Так, чтобы измерить частоту 10кГц с точностью ±0,1%, необходимо установить "время счета" на частотомере не менее 0,1с. Измерение частоты 1кГц с точностью ±0,01% потребует Т₀=10с, что в ряде случаев невозможно из-за высоких требований к временной стабильности источника измеряемой частоты.

Можно указать ряд способов уменьшения погрешности дискретности:

· увеличение длительности временных ворот (требует большого времени измерения)

· применение умножителей измеряемой частоты

· синхронизация фронта временных ворот с измеряемой частотой (уменьшение погрешности в раз)

· измерение периода синусоидальных колебаний с последующим пересчетом в частоту

· применение специальных устройств для измерения погрешности дискретности.

Решением проблемы в частотомерах с жесткой логикой (без микропроцессора) является переход на измерение периода низкочастотных сигналов с дальнейшим вычислением f_х по известной формуле (4^й способ).

Измерение периода

Принцип измерения аналогичен рассмотренному принципу измерения частоты. Разница состоит в том, что ВС открывается импульсом, сформированным из входного сигнала, а считаются метки времени, полученные из частоты КГ.

Функциональная схема и временные диаграммы частотомера в режиме измерения периода показаны на рис.44.

Входной сигнал с помощью ФУ1 преобразуется в прямоугольный импульс длительностью Т_х (или nТ_х после деления декадным ДЧ), поступающий на вход ВС. На другой вход ВС подаются счетные импульсы (метки времени) КГ.

Число импульсов, прошедших в счетчик СТ, является мерой измеряемого периода Т_х. Аналогичным образом можно получить значение доминирующей погрешности дискретности частотомера в режиме измерения периода

.

Из формулы следует, что измерение периода целесообразно только в области относительно низких частот, когда выполняется неравенство >> . Для этого в схему частотомера после КГ (ФУ2) вводят умножитель частоты в 10^m (m=1,2,3) раз.

Для повышения точности измерений вместо кварцевого генератора может быть включен стандарт частоты 10^k, где k- целое число. В противном случае показания частотомера не будут соответствовать измеряемой частоте или периоду с учетом положения запятой.

Верхняя граница частотного диапазона частотомера определяется быстродействием декадного делителя частоты. Для ее увеличения используются предварительные более быстродействующие делители (до 200МГц) и преобразователи (переносчики частоты)- до 100ГГц.