Главная | Обратная связь

Цифровой метод измерения частоты

Метод реализуется с помощью цифровых частотомеров (ЧЦ). Следует иметь в виду, что, несмотря на название, такие частотомеры позволяют измерять также периоды и отношения частот сигналов. Они же приспособлены, как правило, и для измерения длительности t_имп и скважности импульсов Q = T/t_имп.

Структурная схема (устройство) ЧЦ представлена на рисунке 2.3.5.

Рисунок 2.3.5 – Структурная схема цифрового частотомера

Цифровые частотомеры, как правило, приспособлены для измерений частоты напряжений различной формы: синусоидальных, импульсов разных полярностей, искажённых синусоид с наложенными помехами, треугольных сигналов и т.п. Рассмотрим структурные компоненты ЧЦ по отдельности

Устройство масштабирования сигнала (УМС) осуществляет адаптацию (приспособление) входных сигналов, которые могут иметь разные амплитуды, к возможностям следующей структурной компоненты – формирователю периода. УМС либо усиливает входные сигналы, либо ослабляет (уменьшает) в соответствии с положением переключателя диапазонов входного напряжения.

Формирователь периода сигнала (ФП) «стилизует» форму входного сигнала: преобразует различные по форме входные сигналы в импульсы, период которых в точности равен периоду входного сигнала.

Ключ (КЭ) это электронный ключ, который имеет два состояния: замкнутое и разомкнутое. При замкнутом состоянии ключа импульсы с выхода ФП поступают в электронный счётчик импульсов (СЭ). Если ключ разомкнут, прохождение импульсов блокируется – они не проходят в СЭ. Управляет переключениями устройство управления (УУ).

Таймерформирует интервалы времени измерения, обычно, это времена … 0,01 с; 0,1 с; 1 с; 10 с; 100 с. Требуемые интервалы устанавливает оператор переключателем на лицевой панели ЧЦ.

Электронный счётчик (СЭ) считает поступающие ему на вход импульсы - один импульс соответствует поступлению на вход ЧЦ одного периода исследуемого сигнала. При интервале измерения в 1 секунду число накопленных импульсов численно равно измеряемой частоте. Так, например, если в счётчике накопилось за это время измерения 15838 импульсов, то частота будет равна 015838 Гц. (так будет высвечено на цифровом отсчётном устройстве). Обратите внимание, что 0 в начале числа является незначащим. Другими словами, его наличие не даёт нам дополнительной метрологической информации. Приувеличении времени измерения в 10 раз (меняем положение переключателя) число измеряемых импульсов в счётчике накопиться в 10 раз больше – 158380, повыситься разрешение и точность измерения частоты. Результат на ЦОУ будет выглядеть уже как 15838,0 Гц. Ноль в конце числапри такой записи свидетельствует о большей точности измерения. Появившаяся запятая возникает одновременно с переключением времени измерения. Рассмотрим другой случай: если число накопленных импульсов возникло при установленном времени измерений 0,1 секунда, то на индикаторе вы увидите число 158,38 кГц. Подумайте, почему?

После передачи накопленных импульсов в устройство хранения импульсов (УХ) электронный счётчик обнуляется (сигнал сброс).

Устройство хранения (УХ)принимает накопленные в СЭ импульсы на хранение до окончания следующего интервала измерения (выход 2 устройства управления). В УХ число импульсов не меняется во время измерения и индицируемое в цифровом отсчётном устройстве (ЦОУ) число, таким образом, не будет мельтешить.

Устройство управления(УУ), как уже сказано, управляет ключом (открывает/блокирует), переписывает в УХ накопленное в СЭ число импульсов и сбрасывает СЭ перед следующим интервалом измерения (см. временную диаграмму).

Цифровое отсчётное устройство (ЦОУ) в простых по конструкции ЧЦ просто отображает накопленное число импульсов.

Работа структурной схемы ЧЦ на примере измерения частоты синусоидального сигнала представлена на временной диаграмме (рисунок 2.3.6).

Рисунок 2.3.6 – Временная диаграмма работы цифрового частотомера

Из диаграммы косвенно следует, что ЧЦ отображает результаты измерения с помощью четырёх десятичных разряда и максимально отображаемое число на ЦОУ имеет вид 9999. Таким образом, на представленной диаграмме отображёно метрологически плохое измерение: значащие разряды имеют место только в младшей декаде цифровой шкалы – цифра 7. Как было выше указано, точность измерения частоты можно повысить, увеличив интервал времени измерения. Предварительно обратим внимание, что в нашем примере число накопленных импульсов (по ним мы в конечном итоге судим об измеряемой частоте) чуть больше числа периодов, которые укладываются в интервал времени измерения, т.е. результат измерения должен быть несколько меньше значения 7. Отобразить это меньшее значение в рассмотренном режиме невозможно. Итак, повысим визуальную точностьизмерения частоты описанным чуть выше способом - увеличим время измерения в 10 раз. В этом случае число накопленных импульсов в СЭ увеличится примерно в 10 раз и мы увидим на ЦОУ, например, такие результаты: 007,0или 006,9или 007,2 или др., близкие к этим. Дадим пояснение этому факту:

- если мгновенная частоты сигнала за время измерения (10 секунд) неизменна, то количество подсчитанных импульсов будет меньше 70-и, т.к. судя по диаграмме, на одной секунде укладывалось периодов меньше 7 и на десяти секундах это несоответствие проявится;

- если мгновенная частоты сигнала за время измерения (10 секунд) увеличилась, то количество подсчитанных импульсов будет больше 70;

- если мгновенная частота сигнала за время измерения то уменьшалась, то увеличивалась – количество импульсов может быть любым.

Сделаем метрологический вывод из рассмотренного метода измерения частоты. Метод не позволяет измерять низкую частоту с хорошей точностью. И хотя, увеличивая время измерения, мы, казалось бы, этого достигаем, однако трудно предположить, что уже при времени измерения в 100 секунд нам будет это делать «комфортно». Дальнейшее увеличение времени измерения делает эту затею бесполезной. Второй отрицательный аспект этого процесса, как уже было отмечено выше, состоит в том, что, увеличивая время измерения, мы неизбежно получаем всё более усреднённое её значение.

Точно измерить мгновенную частоту и динамику её изменения у низкочастотного сигнала рассмотренным методом нам не удастся. Для этих задач у ЧЦ предусмотрен другой режим работы: режим измерения периода. Действительно, измерив период исследуемого сигнала, мы затем расчётным путём можем получить и значение частоты.