ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.01.2024
Просмотров: 71
Скачиваний: 3
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Т0 В результате измерения получим
откуда
В счетчике число прошедших импульсов фиксируется в виде электрического кода, который затем преобразуется в десятичный код, высвечиваемый на цифровом индикаторе.
Действительная относительная погрешность измерения частоты определяется формулой
Из анализа формулы следует, что чем ниже значение измеряемой частоты Fx, тем больше должна быть погрешность. Поэтому для получения меньшей погрешности измерения низких частот увеличивается время измерения Т0. Следовательно, измерение низких частот требует большего времени измерения.
Для варьирования Т0 в составе делителя кварцевого генератора имеется декадный делитель частоты с коэффициентом kA (каждая декада уменьшает частоту кварца F0 в десятки раз). Период импульсов на выходе блока формирования 2 и длительность строб импульса равны периоду сигнала на выходе делителя частоты, т.е.
и выражение можно представить в виде
А_
Отношение изменяют варьированием kA, т.е. за счет изменения числа декад делителя.
Погрешность измерения частоты имеет систематическую и случайную составляющие. Систематическая составляющая обусловлена главным образом долговременной нестабильностью частоты кварцевого генератора Fq, которую уменьшают термостатированием кварца или применением в генераторе термокомпенсирующих элементов. Погрешность за счет неточности установки частоты F0 уменьшают калибровкой генератора по сигналам эталонных значений частоты, передаваемых по радио или с помощью мобильных квантовых стандартов частоты. Относительная погрешность калибровки кварцевого генератора не превышает (1...5) • 10-10.
В ряде случаев требуемая стабильность частоты достигается введением в генератор фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).
Рассмотрим пример подсчета частоты сигнала цифровым частотомером.
Частота кварцевого генератора jP0 = 1 МГц, что соответствует Т0 = = 1 / Fo = 1 мкс.
Предположим, что на счетчик за это время прошло 10 импульсов, тогда в соответствии с формулой (5.5) Fx = п / Т0= 10/ 106с= 107Гц = = 10 МГц.
Диапазон измеряемых цифровым прибором частот ограничивается снизу погрешностью дискретизации, а сверху — быстродействием используемых счетчиков-делителей. Верхний предел измерения в количественном выражении не превышает 200 МГц. Расширения верхнего предела добиваются переносом измеряемой частоты в область более низких частот (гетеродинное преобразование).
В состав цифрового частотомера обязательно входит схема автоматического регулирования усиления (АРУ) и схема подавления внешних помех. Для обеспечения устойчивой работы частотомера в паспорте прибора приводится важный параметр — чувствительность (минимальное значение напряжения, при котором частотомер уже может измерить частоту). При меньшем значении напряжения измерение прекращается и показания счетчика (следовательно, и цифрового индикатора) обнуляются. Уровень значения напряжения входного сигнала также ограничивается максимальным значением, превышать которое нельзя. В противном случае частотомер «зависает», т.е. надолго перестает измерять. В связи с этим в приборе предусмотрены меры защиты от перегрузок.
Наличие в последних моделях цифровых частотомеров синтезаторов частот позволяет получать сигналы с дискретной сеткой частот. Программное управление синтезаторами частот и введение встроенных микропроцессоров открывает новые возможности таких приборов в части уменьшения погрешности измерения, расширения диапазона измеряемых частот и упрощения включения их в автоматизированные измерительные системы. Цифровые частотомеры способны измерять частоту гармонических и импульсных сигналов.
Измерение периода повторения сигнала методом дискретного счета рассмотрим на примере гармонического (синусоидального) сигнала.
В основу измерения периода Тх положен принцип заполнения его импульсами, следующими с известным периодом Т0, задаваемым образцовым кварцевым генератором, и подсчет количества этих импульсов пх.
На рисунке 8 приведена упрощенная структурная схема цифрового частотомера и временные диаграммы его работы в режиме измерения периода повторения сигнала.
Исследуемый синусоидальный сигнал U с периодом Тх после прохождения через входное устройство поступает на блок формирования 1, где преобразуется в последовательность коротких импульсов U2 (с тем же периодом), поступающих на устройство управления. В устройстве управления из поступивших импульсов формируется стробимпульс Из прямоугольной формы с длительностью, равной измеряемому периоду Тх. Далее стробимпульс поступает на один из входов электронного ключа, на второй вход которого от кварцевого генератора подаются короткие импульсы ?/4 с известным высокостабильным образцовым периодом повторения Т0 для последующего преобразования сигнала по форме в блоке формирования 2. Электронный
Рис. 8 Упрощенная структурная схема цифрового частотомера (а) и временные диаграммы его работы в режиме измерения периода повторения сигнала (б)
ключ в течение времени длительности стробимпульса пропускает на счетчик пх счетных импульсов с напряжением [/4. Очевидно, что измеряемый период прямо пропорционален количеству счетных импульсов пх и образцовому периоду повторения Т0.
где Дд — суммарная абсолютная погрешность дискретизации:
Дд = AtH + ДЦ,; ДГН — погрешность дискретизации начала периода Тх;
Atk — погрешность дискретизации конца периода Тх.
Без учета погрешности Д?д в формуле (5.8) число поступивших на счетчик импульсов пх = Тх / 7о, а измеряемый период прямо пропорционален пх> т.е.
Число прошедших импульсов фиксируется в виде электрического кода, поступающего на цифровой индикатор, в котором показание соответствует измеряемому периоду
Тх.
Погрешность измерения периода повторения сигнала зависит от стабильности частоты кварцевого генератора и от погрешности дискретизации.
Резонансный метод измерения частоты сигнала относится к высоко- и сверхвысокочастотным методам и заключается в сравнении измеряемой частоты fx с собственной резонансной частотой измерительной колебательной системы, в качестве которой используется колебательный контур или резонатор.
Приборы, принцип работы которых основан на этом методе, называются резонансными волномерами (реже — частотомерами), так как в большинстве случаев они измеряют длину волны.
На рисунке 9 представлена упрощенная структурная схема резонансного волномера, которая состоит из входного устройства, колебательного контура с градуированным механизмом настройки и индикатора резонанса.
Рис. 9 Упрощенная структурная схема резонансного волномера
В зависимости от диапазона частот конструкция колебательной системы различна: на частотах < 200 МГц применяются параллельные контуры с сосредоточенными параметрами, состоящие из катушки индуктивности и конденсатора переменной емкости; на частотах 200... 1000 МГц применяются контуры смешанного типа (емкость сосредоточена, а индуктивность распределена); на частотах > 1 ГГц применяются контуры с распределенными параметрами — отрезки коаксиальной, волноводной линий или объемные резонаторы.
Связь измерительного контура с источником измеряемой частоты должна быть слабой (рис. 10,
а), что обеспечивает большую симметрию резонансной кривой и делает ее более острой, так как уменьшает вносимое в измерительный контур волномера затухание. При сильной связи (рис. 10, б) в контур частотомера вносится также добавочное реактивное сопротивление, что вызывает расстройку контура, и резонанс получается уже на другой частоте.
Рис. 10 Резонансные кривые при слабой (а) и сильной (б) связи измерительного контура с источником измеряемой частоты
Рассмотрим работу резонансного волномера. Сигнал с измеряемой частотой fx возбуждает перестраиваемый колебательный контур через входное устройство и при резонансе fx = /0 резко увеличивает интенсивность и амплитуду колебаний. Момент резонанса регистрируется по индикатору резонанса, который связан с колебательным контуром, а значение измеряемой частоты отсчитывают по градуированной шкале механизма настройки.
Погрешность измерения составляет 10-3...10-4% и зависит от точности настройки колебательного контура в резонанс, чувствительности индикатора, степени связи частотомера с источником измеряемой частоты, а также от температуры и влажности окружающей среды. Для уменьшения влияния параметров внешней среды колебательный контур помещают в термостат и герметизируют.
В качестве индикатора резонанса применяются механизм выпрямительной системы или электронный индикатор.
Достоинство резонансных волномеров — их простое устройство и удобство эксплуатации, а недостаток — трудоемкость измерения (продолжительность настройки колебательного контура в резонанс).
Последние разработки измерительных приборов на основе микропроцессорных контроллеров позволяют проводить измерения частоты сигнала, периода его повторения и других параметров на единой основе. Рассмотрим принцип работы измерителя частоты сигнала и интервалов времени со встроенным микропроцессором (рис. 5.5).
откуда
В счетчике число прошедших импульсов фиксируется в виде электрического кода, который затем преобразуется в десятичный код, высвечиваемый на цифровом индикаторе.
Действительная относительная погрешность измерения частоты определяется формулой
Из анализа формулы следует, что чем ниже значение измеряемой частоты Fx, тем больше должна быть погрешность. Поэтому для получения меньшей погрешности измерения низких частот увеличивается время измерения Т0. Следовательно, измерение низких частот требует большего времени измерения.
Для варьирования Т0 в составе делителя кварцевого генератора имеется декадный делитель частоты с коэффициентом kA (каждая декада уменьшает частоту кварца F0 в десятки раз). Период импульсов на выходе блока формирования 2 и длительность строб импульса равны периоду сигнала на выходе делителя частоты, т.е.
и выражение можно представить в виде
А_
Отношение изменяют варьированием kA, т.е. за счет изменения числа декад делителя.
Погрешность измерения частоты имеет систематическую и случайную составляющие. Систематическая составляющая обусловлена главным образом долговременной нестабильностью частоты кварцевого генератора Fq, которую уменьшают термостатированием кварца или применением в генераторе термокомпенсирующих элементов. Погрешность за счет неточности установки частоты F0 уменьшают калибровкой генератора по сигналам эталонных значений частоты, передаваемых по радио или с помощью мобильных квантовых стандартов частоты. Относительная погрешность калибровки кварцевого генератора не превышает (1...5) • 10-10.
В ряде случаев требуемая стабильность частоты достигается введением в генератор фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).
Рассмотрим пример подсчета частоты сигнала цифровым частотомером.
Частота кварцевого генератора jP0 = 1 МГц, что соответствует Т0 = = 1 / Fo = 1 мкс.
Предположим, что на счетчик за это время прошло 10 импульсов, тогда в соответствии с формулой (5.5) Fx = п / Т0= 10/ 106с= 107Гц = = 10 МГц.
Диапазон измеряемых цифровым прибором частот ограничивается снизу погрешностью дискретизации, а сверху — быстродействием используемых счетчиков-делителей. Верхний предел измерения в количественном выражении не превышает 200 МГц. Расширения верхнего предела добиваются переносом измеряемой частоты в область более низких частот (гетеродинное преобразование).
В состав цифрового частотомера обязательно входит схема автоматического регулирования усиления (АРУ) и схема подавления внешних помех. Для обеспечения устойчивой работы частотомера в паспорте прибора приводится важный параметр — чувствительность (минимальное значение напряжения, при котором частотомер уже может измерить частоту). При меньшем значении напряжения измерение прекращается и показания счетчика (следовательно, и цифрового индикатора) обнуляются. Уровень значения напряжения входного сигнала также ограничивается максимальным значением, превышать которое нельзя. В противном случае частотомер «зависает», т.е. надолго перестает измерять. В связи с этим в приборе предусмотрены меры защиты от перегрузок.
Наличие в последних моделях цифровых частотомеров синтезаторов частот позволяет получать сигналы с дискретной сеткой частот. Программное управление синтезаторами частот и введение встроенных микропроцессоров открывает новые возможности таких приборов в части уменьшения погрешности измерения, расширения диапазона измеряемых частот и упрощения включения их в автоматизированные измерительные системы. Цифровые частотомеры способны измерять частоту гармонических и импульсных сигналов.
Измерение периода повторения сигнала методом дискретного счета рассмотрим на примере гармонического (синусоидального) сигнала.
В основу измерения периода Тх положен принцип заполнения его импульсами, следующими с известным периодом Т0, задаваемым образцовым кварцевым генератором, и подсчет количества этих импульсов пх.
На рисунке 8 приведена упрощенная структурная схема цифрового частотомера и временные диаграммы его работы в режиме измерения периода повторения сигнала.
Исследуемый синусоидальный сигнал U с периодом Тх после прохождения через входное устройство поступает на блок формирования 1, где преобразуется в последовательность коротких импульсов U2 (с тем же периодом), поступающих на устройство управления. В устройстве управления из поступивших импульсов формируется стробимпульс Из прямоугольной формы с длительностью, равной измеряемому периоду Тх. Далее стробимпульс поступает на один из входов электронного ключа, на второй вход которого от кварцевого генератора подаются короткие импульсы ?/4 с известным высокостабильным образцовым периодом повторения Т0 для последующего преобразования сигнала по форме в блоке формирования 2. Электронный
Рис. 8 Упрощенная структурная схема цифрового частотомера (а) и временные диаграммы его работы в режиме измерения периода повторения сигнала (б)
ключ в течение времени длительности стробимпульса пропускает на счетчик пх счетных импульсов с напряжением [/4. Очевидно, что измеряемый период прямо пропорционален количеству счетных импульсов пх и образцовому периоду повторения Т0.
где Дд — суммарная абсолютная погрешность дискретизации:
Дд = AtH + ДЦ,; ДГН — погрешность дискретизации начала периода Тх;
Atk — погрешность дискретизации конца периода Тх.
Без учета погрешности Д?д в формуле (5.8) число поступивших на счетчик импульсов пх = Тх / 7о, а измеряемый период прямо пропорционален пх> т.е.
Число прошедших импульсов фиксируется в виде электрического кода, поступающего на цифровой индикатор, в котором показание соответствует измеряемому периоду
Тх.
Погрешность измерения периода повторения сигнала зависит от стабильности частоты кварцевого генератора и от погрешности дискретизации.
Резонансный метод измерения частоты сигнала относится к высоко- и сверхвысокочастотным методам и заключается в сравнении измеряемой частоты fx с собственной резонансной частотой измерительной колебательной системы, в качестве которой используется колебательный контур или резонатор.
Приборы, принцип работы которых основан на этом методе, называются резонансными волномерами (реже — частотомерами), так как в большинстве случаев они измеряют длину волны.
На рисунке 9 представлена упрощенная структурная схема резонансного волномера, которая состоит из входного устройства, колебательного контура с градуированным механизмом настройки и индикатора резонанса.
Рис. 9 Упрощенная структурная схема резонансного волномера
В зависимости от диапазона частот конструкция колебательной системы различна: на частотах < 200 МГц применяются параллельные контуры с сосредоточенными параметрами, состоящие из катушки индуктивности и конденсатора переменной емкости; на частотах 200... 1000 МГц применяются контуры смешанного типа (емкость сосредоточена, а индуктивность распределена); на частотах > 1 ГГц применяются контуры с распределенными параметрами — отрезки коаксиальной, волноводной линий или объемные резонаторы.
Связь измерительного контура с источником измеряемой частоты должна быть слабой (рис. 10,
а), что обеспечивает большую симметрию резонансной кривой и делает ее более острой, так как уменьшает вносимое в измерительный контур волномера затухание. При сильной связи (рис. 10, б) в контур частотомера вносится также добавочное реактивное сопротивление, что вызывает расстройку контура, и резонанс получается уже на другой частоте.
Рис. 10 Резонансные кривые при слабой (а) и сильной (б) связи измерительного контура с источником измеряемой частоты
Рассмотрим работу резонансного волномера. Сигнал с измеряемой частотой fx возбуждает перестраиваемый колебательный контур через входное устройство и при резонансе fx = /0 резко увеличивает интенсивность и амплитуду колебаний. Момент резонанса регистрируется по индикатору резонанса, который связан с колебательным контуром, а значение измеряемой частоты отсчитывают по градуированной шкале механизма настройки.
Погрешность измерения составляет 10-3...10-4% и зависит от точности настройки колебательного контура в резонанс, чувствительности индикатора, степени связи частотомера с источником измеряемой частоты, а также от температуры и влажности окружающей среды. Для уменьшения влияния параметров внешней среды колебательный контур помещают в термостат и герметизируют.
В качестве индикатора резонанса применяются механизм выпрямительной системы или электронный индикатор.
Достоинство резонансных волномеров — их простое устройство и удобство эксплуатации, а недостаток — трудоемкость измерения (продолжительность настройки колебательного контура в резонанс).
Последние разработки измерительных приборов на основе микропроцессорных контроллеров позволяют проводить измерения частоты сигнала, периода его повторения и других параметров на единой основе. Рассмотрим принцип работы измерителя частоты сигнала и интервалов времени со встроенным микропроцессором (рис. 5.5).