Частотомер - назначение, виды, особенности использования. Цифровой частотомер Частотомер, исходя из метода измерения, может быть двух типов

Вниманию читателей предлагается описание любительского частотомера на микроконтроллере AT89C52-24JC и двух приставок, с помощью которых, помимо измерения частоты и длительности импульсов, можно измерять емкость и индуктивность компонентов.

За последние несколько лет в периодической литературе появилось несколько публикаций, посвященных описанию радиолюбительских частотомеров, построенных на базе однокристальных микро-ЭВМ. Преимущества подобных конструкций очевидны: уменьшается число применяемых микросхем и, соответственно, уменьшаются габариты и потребляемая мощность, простота сборки и регулировки устройства, доступного для повторения даже начинающими радиолюбителями. Кроме того, появляется возможность модернизации и увеличения сервисных функций только за счет изменения управляющей программы.

Частотомер предназначен для применения в радиолюбительской практике. Он позволяет производить измерения:

частоты сигнала;
периода сигнала;
девиации (ухода) частоты сигнала;
длительности импульсов.

Частотомер также можно использовать в качестве цифровой шкалы радиоприемной аппаратуры. С помощью дополнительных приставок частотомер может измерять емкость конденсаторов и индуктивность дросселей, катушек.

Основные технические характеристики частотомера:

Диапазон измеряемых частот, Гц......1...50·106
Время измерения в режиме измерения частоты (максимальная частота сигнала, МГц), с......0,1 и 1 (50) 10(25)
Измерение периода в диапазоне частот, Гц......1...50·106
Диапазон девиации частоты, Гц......±50·106
Длительность измеряемого импульса, мкс......0,1...10000
Пределы измерения емкости, мкФ......10-5...500
Пределы измерения индуктивности, Гн......1·10-6...2
Входное сопротивление, МОм......1
Уровень входного сигнала (эффективное значение), В......0,25...10
Напряжение питания, В......8...15
Ток потребления, не более, мА.....100
Габариты, мм......80x58x15

Частотомер (его схема приведена на рис. 1) состоит из компаратора сигнала, переключателя режимов работы, синхронизатора цикла измерения, счетчика импульсов, микроконтроллера, клавиатуры, жидкокристаллического индикатора, стабилизатора питания.

Входной каскад построен на компараторе фирмы Analog Devices AD8561AR (DA1). Этот компаратор имеет типовое значение задержки около 7 нc.

Входной сигнал поступает на разъем ХР1 и поступает на защитную цепочку R1VD1VD2 и компаратор DA1. Резисторы R4, R5 формируют гистерезис компаратора для исключения появления дребезга при медленно меняющихся сигналах. На выходе компаратора сигнал представлен парой противофазных логических уровней, согласованных с уровнями логических микросхем частотомера.

Коммутатор режима работы выполнен на цифровом мультиплексоре DD2. Коммутатор переключает сигналы в соответствии с выбранным режимом работы частотомера. Синхронизатор (элементы DD1.2, DD1.3, DD4) формирует сигналы начала и окончания цикла измерения. Счетчик импульсов (DD3) подсчитывает число импульсов во входном сигнале или импульсы заполнения при измерении длительности импульса.

Микроконтроллер (DD5) фирмы ATMEL AT89C52-24JC управляет всеми элементами устройства: коммутатором режимов работы, индикатором, клавиатурой. Тактовая частота 10 МГц для микроконтроллера задается кварцевым резонатором BQ1. При настройке и поверке частотомера частоту тактирования микроконтроллера подстраивают конденсатором С6 к значению точно 10 МГц с помощью промышленного частотомера.

Сигнал с кварцевого резонатора микроконтроллера (сигнал BF) используется и для измерения длительности импульсов. При этом период следования импульсов заполнения равен 100 нc. Таким образом, погрешность измерения длительности импульса также не превышает этого значения.

Микроконтроллер работает с использованием внутренней памяти программ (вывод 35 DD5 подключен к шине +5В). При включении питания частотомера микроконтроллер устанавливается в исходное состояние перепадом напряжения, передаваемого конденсатором С5.

Клавиатура (кнопки SB1, SB2) используется для выбора режимов работы и параметров частотомера. Кнопкой SB1 ("Режим") выбирают режим работы, кнопкой SB2 ("Параметр") - параметр режима. Например, кнопкой SB1 устанавливают режим "Измерение частоты", а кнопкой SB2 выбирают значение параметра "Время измерения" - 10 с. Примерно через 1 с после выбора режима работы или параметра частотомер автоматически переходит к измерению.

В качестве индикатора применен алфавитно-цифровой LCD-модуль ITM1602ASR с двумя строками по 16 символов. В первой строке отображаются режим работы и параметры частотомера, а во второй строке - измеренное значение. Подстроечным резистором R8 можно отрегулировать контрастность изображения индикатора. Индикатор подключают к разъему XS3 и устанавливают непосредственно на плату. Подключенный через дополнительный кабель индикатор может быть размещен в ином месте по желанию пользователя.

В узле стабилизации напряжения питания применен интегральный стабилизатор DA2. Напряжение питания от внешнего источника подается на разъем ХР2. Конденсаторы С15, С16 - входной фильтр; С13, С14 - выходной фильтр стабилизатора. Конденсаторы С7 - С12 - блокировочные, их устанавливают вблизи микросхем.

В частотомере применены отечественные микросхемы серии КР1533 (импортный аналог - 74ALS). В качестве счетчика импульсов применена микросхема 74НС4040 с максимальной частотой 50 МГц, которая и ограничивает диапазон измерения частоты.

Рассмотрим работу частотомера в режиме измерения частоты входного сигнала.

Сигнал с компаратора (цепь F1) поступает на коммутатор режима работы (вывод 4 DD2). Микроконтроллер выставляет логические уровни сигналов А = 0иВ=1,а затем выдает сигнал START (лог. 1), инициирующий процесс измерения. Триггер DD4.1 переключается и разрешает проходить сигналу на выход коммутатора (вывод 7 DD2) и вход счетчика импульсов (вывод 10 DD3).

Микроконтроллер формирует временной интервал, например, длительностью 1 с (сигнал TW). В течение этого времени разрешена передача входного сигнала с выхода компаратора на счетчик импульсов входного сигнала. Импульсы переполнения счетчика DD3 подсчитывает таймер/счетчик 1 микроконтроллера. После выдержки микроконтроллером заданного интервала компаратор защелкивает свой выход (вывод 5 DAI - LATCH) и счет импульсов входного сигнала прекращается.

Микроконтроллер выставляет логические уровни сигналов А = 1, В = 1 и считывает из счетчика импульсов (DD3) накопленное число с помощью импульсов "досчета" (сигнал CP). Общее число импульсов в счетчике импульсов за выбранный интервал времени (а это и есть частота сигнала) микроконтроллер подсчитывает по формуле

Х·1048576+ Y·4096 + Z

Где X - содержимое старших 8 разрядов таймера/счетчика 1 микроконтроллера;

Y - содержимое младших 8 разрядов таймера/счетчика 1 микроконтроллера;

Z - содержимое счетчика импульсов (DD3).

Если входная частота очень большая, то возможно переполнение счетчика/таймера 1 микроконтроллера. В этом случае к результату, полученному по предыдущей формуле, микроконтроллер прибавляет еще число 268435456.

Рассмотрим работу частотомера на примере измерения длительности импульса положительной полярности.

Сигналы с выхода компаратора (сигнал F1 для положительного импульса или сигнал F2 для отрицательного импульса) поступают на коммутатор режима работы (DD2). Микроконтроллер выставляет логические уровни сигналов А - 0, В - 0. Затем выдается сигнал установки триггера DD4.1 в единичное состояние (сигнал WR/CM). После этого выдается сигнал START (лог. 1), соответствующий началу измерения. Микроконтроллер ожидает переключения триггера DD4.2. Триггер DD4.1 разрешает проходить импульсам заполнения с элемента DD1.1 на выход коммутатора (вывод 7 DD2).

С началом действия импульса входного сигнала импульсы заполнения (сигнал BF) поступают на вход счетчика импульсов (вывод 10 DD3) через элемент DD1.1 и коммутатор. Импульсы переполнения счетчика DD3 подсчитывает таймер/счетчик 1 микроконтроллера. После окончания импульса входного сигнала триггер DD4.1 переключается в обратное состояние и счет импульсов заполнения прекращается. По сигналу END микроконтроллер выставляет сигналы А = 1, В = 1 и считывает из счетчика импульсов (DD3) накопленное значение с помощью импульсов досчета (сигнал CP). Длительность измеряемого импульса микроконтроллер подсчитывает по формуле

(Х·1048576 +Y·4096 + Z)x100

X - содержимое старших 8 разрядов таймера/счетчика 1 -го микроконтроллера;

Y - содержимое младших 8 разрядов таймера/счетчика 1 -го микроконтроллера;

Z - содержимое счетчика импульсов DD3;

100 - период следования заполняющих импульсов, равный 100 нc.

Таким образом, при измерении длительности импульса временными воротами является сам импульс.

Для определения длительности отрицательного импульса микроконтроллер выставит логические уровни сигналов А = 1, В = 0.

Программное обеспечение написано на языке "С" для микроконтроллеров семейства MCS-51.

Конструктивно частотомер выполнен на двусторонней печатной плате (рис. 2), на которой смонтированы все элементы (рис. 3), за исключением индикатора.

На рис. 2 круглые контактные площадки, условно показанные без отверстий, соединяются с соответствующими площадками на обратной стороне платы через металлизированные переходные отверстия. При любительском изготовлении печатной платы металлизацию заменяют тонкими проводниками.

Разъемные соединители - PLS-2, PBS-14, а также панелька PLCC-44 для установки DD5.

Настройка частотомера

После сборки частотомера необходимо сделать три регулировочные операции.

1. Настройку контрастности индикатора выполняют после подачи питания на частотомер регулировкой подстроечного резистора R8.

2. Для установки частоты кварцевого генератора микроконтроллера необходим доступ к конденсатору подстройки частоты. Поэтому при отключенном питании частотомера удаляют с платы модуль индикатора и затем, удерживая кнопку SB1 в нажатом состоянии, включают питание частотомера. При минимальной емкостной связи входа образцового частотомера с точкой BF (рис. 3) подстройкой конденсатора С6 устанавливают частоту генератора точно 10 МГц.

3. Настройку компаратора во входном каскаде выполняют без подачи сигнала на разъем частотомера. После включения питания прибора нужно сначала вывернуть движок резистора R6 в крайнее левое положение, а затем медленно вращать движок вправо до появления на индикаторе надписи "НЕТ СИГНАЛА".

Ниже приведено описание режимов работы частотомера.

Режим цифровой шкалы :

Кнопкой "РЕЖИМ" устанавливают режим "ЦИФРОВАЯ ШКАЛА". Кнопкой "ПАРАМЕТР" выбирают параметр режима - частота тракта ПЧ. Эту частоту можно выбирать из следующих значений: +455 кГц; -455 кГц; +465 кГц; -465 кГц; +500 кГц; -500 кГц.

Знак перед цифровым значением Fпч указывает на операцию, которую выполняет частотомер. Если знак "+", то частота Fпч прибавляется к измеренной частоте, если знак "-", то вычитается. Время измерения частоты в данном режиме равно 0,1 с.

Измерение частоты входного сигнала

Кнопкой "РЕЖИМ" устанавливают режим "ЧАСТОТА", а кнопкой "ПАРАМЕТР" выбирают параметр режима - время измерения. Параметр в секундах может принимать одно из следующих значений: 0,1 с, 1 с; 10 с.

Примерно через 1 с после отпускания кнопки частотомер автоматически перейдет в режим измерений. Выбор нового параметра прерывает текущий цикл измерения и начинает новый с новым значением параметра. Единицы измерения частоты (Гц, кГц, МГц) определяются автоматически, в зависимости от частоты входного сигнала.

Вид индикатора частотомера в рабочем режиме: при частоте входного сигнала до 1 кГц:

при частоте входного сигнала до 1 МГц:

при частоте входного сигнала, равного или выше 1 МГц,:

Измерение периода входного сигнала

Кнопкой "РЕЖИМ" выбирают режим "ПЕРИОД СИГНАЛА". Для этого режима параметры не устанавливают. Примерно через 1 с после отпускания кнопки частотомер автоматически перейдет в режим измерений.

Период Т входного сигнала является обратной величиной относительно его частоты F. Поэтому частотомер сначала измеряет частоту входного сигнала при времени измерения 1 с, а после проведения вычислений выводит результат на индикатор.

Вид индикатора частотомера в рабочем режиме:

Измерение девиации частоты

Кнопкой "РЕЖИМ" выберите режим "ДЕВИАЦИЯ". Для этого режима параметры не устанавливают. Примерно через 1 с после отпускания кнопки частотомер автоматически перейдет в режим измерений.

Девиация (или уход) определяется как разница между текущей и частотой, которая была при начале измерения в этом режиме. При этом уход (девиация) частоты может быть как положительным, так и отрицательным. Поэтому значение девиации на индикатор выводится со знаком. Чтобы начать новое слежение за уходом частоты, нужно нажать на кнопку "ПАРАМЕТР".

Вид индикатора частотомера в рабочем режиме:

Измерение длительности импульса положительной полярности

Кнопкой "РЕЖИМ" выберите режим "ИМПУЛЬС". Кнопкой "ПАРАМЕТР" выберите параметр режима - полярность импульса. Для положительного импульса его длительность обозначена "П", а интервал между импульсами обозначен "О". Примерно через 1 с после отпускания кнопки частотомер автоматически перейдет в режим измерений.

Вид индикатора частотомера в рабочем режиме:

Измерение емкости

При наличии приставки к частотомеру, измеряющему период, можно измерять емкости любых конденсаторов в пределах от 10 пФ до сотен мкФ. Ее схема приведена на рис. 4.

Мультивибратор, собранный на ОУ DA1, генерирует импульсы с периодом, пропорциональным емкости Сх. Это описывается выражением

Тх= 2CхRэ-lп[(R4+R4")/(R4-R4")].

Здесь значение R4" соответствует сопротивлению части подстроечного резистора между движком и нижним по схеме выводом. Если движок резистора R4 установлен так, что ln[(R4+R4")/(R4-R4")] - 0,5, тогда Тх = CхRэ, и при Rэ = 1 МОм значение емкости 10 пФ соответствует длительности периода генерируемых импульсов, равной 10 мкс, а при Rэ = 10 кОм значение 1 мкФ соответствует длительности 10000 мкс.

В приставке находится эталонный конденсатор Сэ (3000...10000 пФ), позволяющий калибровать приставку, а также измерять емкости менее 10 пФ. Точность эталонного конденсатора желательно подобрать с погрешностью не более 0,5...1 %.

Калибровка приставки заключается в выставке на частотомере значения величины эталонного конденсатора подстроечным резистором R2 (10 кОм). Тэ в частотомере должен быть равен 1 мкс (Fэ = 1 МГц).

Из-за наводок младшие разряды могут периодически изменять свое значение. Но для большинства случаев точность измерения емкости вполне удовлетворительна.

Для измерения емкости кнопкой "РЕЖИМ" выбирают режим "ЕМКОСТЬ". Этот режим не имеет параметров.

Примерно через 1 с после отпускания кнопки частотомер автоматически перейдет в режим измерений.

Вид индикатора частотомера в рабочем режиме:

Измерение индуктивности

При наличии приставки (ее схема приведена на рис. 5) можно измерять индуктивности в интервале 1 мкГн...2 Гн.

Принцип измерения на основе соотношения периода гармонических колебаний с индуктивностью и емкостью колебательного контура генератора в приставке:

T2 = LC/25330 , где T - в секундах, L - в мкГн, С - в пФ.

Поэтому, если использовать емкость контура, равную 25330 пф, то численное значение индуктивности вычисляется из следующего соотношения:

L = Т2 = 1/F2 , где F - частота колебаний.

Для измерения индуктивности частотомером с приставкой кнопкой "РЕЖИМ" выбирают режим "ИНДУКТИВНОСТЬ". Примерно через 1 с после отпускания кнопки частотомер автоматически перейдет в режим измерений. Численные значения показаний соответствуют индуктивности в мкГн.

Вид индикатора частотомера в рабочем режиме:

Приставка состоит из измерительного генератора (VT1-VT5), частота которого определяется емкостью конденсаторов С1, С2 (общей емкостью около 25330 пФ) и индуктивностью, подключаемой к входным клеммам катушки. Для формирования сигнала с уровнем ТТЛ служит триггер Шмитта (VT6, VT7). Амплитуду колебаний стабилизирует цепь на диодах VD1, VD2 и транзисторах VT4, VT5, подключенная к генератору через эмиттерный повторитель на транзисторе VT3.

При указанном значении емкости С1, С2 и измеряемой индуктивности, равной 1 мкГн, частота генерации составит 1 МГц. При индуктивности 2 Гн - 700 Гц. Для перекрытия такого диапазона, особенно в области высоких частот, необходимо подобрать транзисторы VT1, VT2 с коэффициентом передачи тока базы не менее 150. Конденсаторы С1, С2 - К73-17 или аналогичные с малым ТКЕ. В сумме их емкость не должна отличаться от указанной более чем на 1...2%.
Цифровая шкала - частотомер на PIC16F84

T t или частотой fзап = 1/T.

Измеряемый сигнал (допустим синусоидальной формы, рис. 4.3, а ) подается на вход А и через регулируемый аттенюатор АT поступает на вход формирователя Ф а . На его выходе образуется последовательность коротких импульсов с частотой следования, равной измеряемой частоте fx.

Эта последовательность импульсов поступает на один из входов временного селектора ВС. На другой его вход через блок автоматики БА поступает последовательность прямоугольных управляющих импульсов, длительность которых определяет счетный интервал времени Tсч.

Эти импульсы формируются из напряжения опорного кварцевого генератора КГ путем деления его частоты в делителе частоты ДЧ (рис. 4.3, г). При коэффициенте деления n значение счетного интервала

Прошедшие за время счета через временной селектор N отсчитываются счетчиком импульсов Сч . В блоке индикации БИ определяется измеряемая частота

и полученное значение отображается на блоке индикации.

15. Принцип работы электронного частотомера при измерении периода

В основу метода дискретного счета заложено определение (подсчет) числа циклов периодического сигнала в течение некоторого счетного устанавливаемого интервала времени. Этот метод позволяет решить и обратную задачу, т. е. измерение временных интервалов путем определения числа специально сформированных счетных импульсов на измеряемом интервале времени.

Допустим, имеется интервал времени T , последовательность коротких импульсов с периодом следования t или частотой fзап = 1/T

Эти импульсы называют заполняющими, а частоту – частотой заполнения fзап. Число импульсов, попавших во временной интервал, равно N.

Соответствие между этими параметрами можно записать в виде выражения:

Сигнал со входа Б через аттенюатор А Т подается на формирователь Ф Б , где формируется последовательность импульсов где формируется последовательность импульсов с периодом, равным измеряемому периоду Tx , а на выходе блока автоматики БА – управляющий импульс длительностью Tx. При этом переключатель на входе БА находится в положении ТБ.

Путем умножения или деления частоты опорного кварцевого генератора КГ в базе времени БВ образуется последовательность коротких счетных импульсов с периодом . Эти импульсы также называют метками времени с периодом (частотой ).

Прошедшие за время счета через временной селектор N счетных импульсовпересчитываются в значение измеряемого периода , и результат отображается в отсчетном устройстве. Значение периода счетных импульсов (меток времени) может устанавливаться соответствующим дискретным переключателем.

Если переключатель на входе блока автоматики установить в положение Т Б 10, то в процессе измерения периода может осуществляться
усреднение серии измеренных его значений, что достигается путем дополнительного деления частоты измеряемого сигнала (или соответственно умножения измеряемого периода) в k раз. Тогда при отсчитанном числе счетных импульсов N и периоде t сч значение измеряемого периода будет.

16. Общие сведения о приборах для исследования формы, спектра нелинейных искажений сигнала

Осциллограф - это электронное устройство, имеющее канал y - вертикального отклонения, канал x – (ось времени) горизонтального отклонения и вспомогательный канал z - канал подсветки луча.

Анализатор спектра (АС) – это чувствительный селективный прибор, предназначенный для определения частотных составляющих сигнала т.е. спектра амплитуд.

Измеритель модуляции - измерительный прибор, предназначенный для определения характеристик модулированного радиосигнала - коэффициента амплитудной модуляции и (или)девиации частоты.

17. Структурная схема универсального осциллографа

Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) определяет принцип действия прибора, и от ее характеристик в значительной мере зависят параметры и возможности применения осциллографа в целом. В осциллографах используют главным образом ЭЛТ с электростатическим управлением лучом.

Принцип отображения формы напряжения на экране осциллографической трубки в общих чертах можно представить следующим образом.

Исследуемое напряжение является функцией времени, отображаемой в прямоугольных координатах графиком u = f (t ). Две пары пластин ЭЛТ отклоняют электронный луч в двух взаимно перпендикулярных направлениях, которые можно рассматривать как координатные оси. Поэтому для наблюдения на экране ЭЛТ исследуемого напряжения необходимо, чтобы луч отклонялся по горизонтальной оси пропорционально времени, а по вертикальной оси - пропорционально исследуемому напряжению (в каждый момент времени).

С этой целью к горизонтально отклоняющим пластинам подводят пилообразное напряжение, которое заставляет луч перемещаться по горизонтали с постоянной скоростью слева направо и быстро возвращаться обратно. Расстояние, проходимое лучом вдоль горизонтальной оси, получается пропорциональным времени.

Исследуемое напряжение подается на вертикально отклоняющие пластины, и, следовательно, положение луча в каждый момент времени однозначно соответствует значению исследуемого сигнала в этот момент. За время действия пилообразного напряжения луч вычерчивает кривую исследуемого сигнала. Наблюдаемое на экране изображение называют осциллограммой .

Канал вертикального отклонения Y , или канал сигнала, предназначен для передачи напряжения источника исследуемого сигнала на вход вертикально отклоняющих пластин ЭЛТ.

Канал горизонтального отклонения X , или канал развертки, служит для создания и передачи напряжения, вызывающего горизонтальное перемещение луча, преимущественно пропорционально времени.

Канал управления яркостью Z предназначен для передачи со входа Z на управляющий электрод ЭЛТ сигналов, модулирующих яркость свечения.

18. Назначение канала Y универсального осциллографа, основные параметры канала

Входное устройство (Аттенюатор) – масштабирует сигнал до уровня обозначенного в технических условиях, производит масштабирование сам оператор.

Предварительный усилитель(Эмиттерный повторитель) :

1. Усиливает сигнал

2. С приходом сигнала формирует синхроимпульс

3. Согласует Rвыхода с низкоомным входом линии задержки

Линия задержки задерживает сигнал до 140мкс, что обеспечивает получение на экране неискаженного сигнала.

Усилитель вертикального отклонения (УВО) который усиливает сигнал до установленной величины.

Канал Y служит для развертывания исследуемого сигнала по амплитуде (предназначен для передачи напряжения источника исследуемого сигнала на вход вертикально отклоняющих пластин ЭЛТ.)

Лабораторная работа № 4

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННО-СЧЕТНОГО ЧАСТОТОМЕРА

Цель работы: Изучить метрологические характеристики, принципы работы, структурную схему, источники погрешностей электронно-счетного частотомера. Научиться оценивать погрешности результатов измерения частоты, обусловленные погрешностями частотомера. Получить практические навыки работы с частотомером.

Используемые приборы: электронно-счетный частотомер (ЭСЧ) Ч3-34А, генератор низкочастотных сигналов Г3-109.

Краткие теоретические сведения

Измерение частоты, частотомеры. Измерения частоты – наиболее точный и быстро развивающийся вид измерений. Во-первых, единица времени (частоты) является основной единицей системы СИ; во-вторых, определение секунды связано с пересчетом событий, а пересчет является самым точным методом измерений; в-третьих, повышение точности измерений частоты необходимо для прикладного использования в телекоммуникациях, навигации, космической отрасли. За последние 50 лет суммарная относительная погрешность первичных государственных эталонов на основе цезиевых реперов частоты уменьшилась с ± 1×10 -10 до ± 1,5×10 -15 , то есть точность возрастала на порядок за каждые 10 лет. Никакой другой вид измерений не имеет такого значительного прироста, ведь возрастание точности в 2–3 раза за 10 лет уже считается отличным показателем. Государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для средств измерений времени и частоты” можно разделить на 3 сегмента:

рабочие средства измерения частоты с погрешностью не более ± 1×10 -7 ;

рабочие эталоны частоты с погрешностью не более ± 1×10 -12 ;

национальные и вторичные эталоны частоты с погрешностью менее ± 1×10 -13 .

Частотомер - измерительный прибор для определения частоты периодического процесса или частот гармонических составляющих спектра сигнала.

Классификация частотомеров

По методу измерения- приборы непосредственной оценки (напр. аналоговые) и приборы сравнения (напр. резонансные, гетеродинные, электронно-счетные).

По физическому смыслу измеряемой величины - для измерения частоты синусоидальных колебаний (аналоговые), измерения частот гармонических составляющих (гетеродинные, резонансные, вибрационные) и измерения частоты дискретных событий (электронно-счетные, конденсаторные).

По исполнению (конструкции) - щитовые, переносные и стационарные.

По области применения частотомеры включаются в два больших класса средств измерений - электроизмерительные приборы и радиоизмерительные приборы. Следует заметить, что граница между этими группами приборов весьма прозрачна.

В группу электроизмерительных приборов входят аналоговые стрелочные частотомеры различных систем, вибрационные, а так же, отчасти, конденсаторные и электронно-счетные частотомеры. В группу радиоизмерительных приборов входят резонансные, гетеродинные, конденсаторные и электронно-счетные частотомеры.

Резонансные частотомеры

Принцип действия резонансных частотомеров основан на сравнении частоты входного сигнала с собственной резонансной частотой перестраиваемого резонатора. В качестве резонатора может быть использован колебательный контур, отрезок волновода (объемный резонатор) или четвертьволновой отрезок линии. Контролируемый сигнал через входные цепи поступает на резонатор, с резонатора сигнал через детектор подается на индикаторное устройство (гальванометр). Для повышения чувствительности в некоторых частотомерах применяются усилители. Оператор настраивает резонатор по максимальному показанию индикатора и по лимбу настройки отсчитывает частоту. Их назначение - настройка, обслуживание, контроль работы приемопередающих устройств, измерение несущей частоты модулированных сигналов.

Конденсаторные частотомеры

Электронные конденсаторные частотомеры применяются для измерения частот в диапазоне от 10 до 1000Гц. Принцип таких частотомеров основывается на попеременном заряде конденсаторов от батареи с последующим его разрядом через магнитоэлектрический механизм. Этот процесс осуществляется с частотой, равной измеряемой частоте, поскольку переключение производится под воздействием самого исследуемого напряжения. За время одного цикла через магнитоэлектрический механизм будет протекать заряд Q = CU, следовательно, средний ток, протекающий через индикатор, будет равен I_ср = Qf_x = CUfx. Таким образом, показания магнитоэлектрического амперметра оказывается пропорциональны измеряемой частоте. Основная приведенная погрешность таких частотомеров лежит в пределах 2-3%. Их назначение - настройка и обслуживание низкочастотной аппаратуры

Аналоговые стрелочные частотомеры

Аналоговые частотомеры по применяемому измерительному механизму бывают электромагнитной, электродинамической и магнитоэлектрической систем. В основе работы их лежит использование частотозависимой цепи, модуль полного сопротивления которой зависит от частоты. Измерительным механизмом, как правило, является логометр, на одно плечо которого подается измеряемый сигнал через частотонезависимую цепь, а на другое - через частотозависимую, ротор логометра со стрелкой в результате взаимодействия магнитных потоков устанавливается в положение, зависящее от соотношений токов в обмотках. Бывают аналоговые частотомеры работающие на других принципах. Применяются для контроля сети электропитания.

Электронно-счетные частотомеры

Принцип действия электронно-счетных частотомеров (ЭСЧ) основан на подсчете количества импульсов, сформированных входными цепями из периодического сигнала произвольной формы, за определенный интервал времени. Интервал времени измерения также задается методом подсчета импульсов, взятых с внутреннего кварцевого генератора ЭСЧ или из внешнего источника (например стандарта частоты). Таким образом ЭСЧ является прибором сравнения, точность измерения которого зависит от точности эталонной частоты.

Принципы измерения частоты

Среди цифровых приборов частотно-временной группы электронно-счетные частотомеры (в дальнейшем цифровые частотомеры - ЦЧ) являются наиболее распространенными, что объясняется, их универсальностью, высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками.

В основу построения ЦЧ положены общие принципы, позволяющие реализовать ряд режимов работы прибора для измерения нескольких величин. Функционально полные ЦЧ позволяют измерять следующие величины: частоту, период, отношение двух частот (иногда выраженное в процентах), длительность импульса или интервала времени, задаваемого пользователем; предусматриваются также режим счета событий (импульсов) и использование ЦЧ как источника сигналов с известными (калиброванными) частотами. Режимы работы задаются и выбираются положением ряда переключателей (механических или электронных) и других органов управления. В более простых вариантах исполнения ЦЧ используются для измерения меньшего числа величин (например, одной или двух).

В любом режиме часть структуры ЦЧ остается неизменной и в ней происходит счет числа импульсов
, пропорционального измеряемой величине. Эти импульсы проходят через электронный ключ ЭК, находящийся в замкнутом состоянии, на счетчик импульсов СИ. Код числа, образующийся в СИ, поступает на цифровое отсчетное устройство ЦОУ. В состав ЦОУ входит многодекадный цифровой индикатор с перемещающейся, запятой и, как правило, индикатор с обозначением единиц измерения.

Время замкнутого состояния ЭК, называемое временем счета Т СЧ, определяется родом измеряемой величины, а его конкретное значение рядом соображений, о которых будет сказано ниже.

Структурная схема ЦЧ в этом режиме работы приведена на рис.1а.

Напряжение измеряемой частоты f x (рис.1б ) подается на вход формирующего устройства (ФУ), назначение которого - формирование сигнала стандартной формы при достаточно произвольной форме входного сигнала. Обычно в состав ФУ входят усилитель-ограничитель, обеспечивающий заданную амплитуду своего выходного сигнала, и формирователь для обеспечения малой длительности фронта и среза импульсов на выходе ФУ. Частота этих импульсов равна частоте входного сигнала (рис. 1в). Эти импульсы проходят через ЭК на СИ в течение времени счета Т с , которое задается генератором опорной частоты ГОЧ и делителем частоты ДЧ. Частота ГОЧ стабилизирована кварцевым резонатором. Необходимое Т с выбирается переключателем ВРЕМЯ СЧЕТА. При каждом запуске прибора на выходе ДЧ появляется один импульс (рис. 1в), под действием которого замыкается ЭК.

Число импульсов N x , прошедшее на СИ, определяется приближенной формулой

а значение измеряемой частоты

Измерение частоты при помощи вольтметра

Наиболее простым является косвенный способ измерения частоты, основанный на зависимости сопротивления реактивных элементов от частоты, протекающего по ним тока. Возможная схема измерений представлена на рис. 1.

Рис. 1.

К источнику колебаний частоты Fx подключается цепочка из безреактивного резистора R и конденсатора С с малыми потерями, параметры которых точно известны. Высокоомным вольтметром переменного тока V с пределом измерения, близким к значению входного напряжения, поочерёдно измеряются напряжения UR и UC на элементах цепочки. Поскольку

где I - ток в цепи, то отношение

UR/UC = 2рFxRC,

Fx = 1/(2рRC) * UR/RC

Входное сопротивление вольтметра V должно, по крайней мере, в 10 раз превышать сопротивление каждого из элементов цепочки. Однако влияние вольтметра можно исключить, если использовать его лишь в качестве индикатора равенства напряжений UR и UC, достигаемого, например, плавным изменением сопротивления R. В этом случае измеряемая частота определяется простой формулой:

Fx = 1/(2рRC) ? 0,16/(RC),

и при неизменной ёмкости конденсатора С переменный резистор R можно снабдить шкалой с отчётом в значениях Fx.

Оценим возможный порядок измеряемых частот. Если резистор R имеет максимальное сопротивление RM = 100 кОм, то при С = 0,01 мкФ, 1000 и 100 пФ верхний предел измерений составит соответственно 160, 1600 и 16000 Гц. При выборе RM = 10 кОм и тех же значениях ёмкостей эти пределы окажутся равными 1600 Гц, 16 и 160 кГц.

Эффективность метода зависит от точности подбора номиналов и качества элементов RС-цепочки.

Ёмкостные частотомеры

Для практических целей наиболее удобны прямопоказывающие частотомеры, позволяющие вести непрерывные наблюдения за частотой исследуемых колебаний по шкале стрелочного измерителя.

К ним относятся, прежде всего, ёмкостные частотомеры, действие которых основано на измерении среднего значения тока заряда или разряда опорного конденсатора, периодически перезаряжаемого напряжением измеряемой частоты f x . Эти приборы применяются для измерения частот от 5-10 Гц до 200-500 кГц.

При допустимой погрешности измерений примерно 3-5% они могут быть выполнены по простым схемам, один из вариантов которых представлен на рис. 2. Здесь транзистор Т1, работающий в ключевом режиме, управляется напряжением частоты f x , которое подводится к его базе с входного потенциометра R1. В отсутствие входного сигнала транзистор Т1 открыт, поскольку его база через резисторы R3 и R2 соединена с отрицательным полюсом источника питания.

При этом на резисторе R5 делителя R5, R2 создаётся падение напряжения U; последнее благодаря наличию конденсатора большой ёмкости С2 фиксируется в качестве напряжения питания транзисторного каскада и при быстрых периодических изменениях режима транзистора почти не меняется. При установке переключателя В в положение «U-» измеритель И, включённый последовательно с добавочным резистором R6, образует вольтметр, измеряющий постоянное напряжение U на конденсаторе С2, которое с помощью подстроечного резистора R2 поддерживается на определённом уровне, например 15 В.

Рис. 2.

В положительный полупериод входного напряжения частоты f x транзистор Т1 закрывается и напряжение на его коллекторе резко возрастает до значения U; при этом происходит быстрый заряд до напряжения, близкого к U, одного из конденсаторов С, зарядный ток которого протекает через измеритель И и диод Д2. В отрицательный полупериод транзистор Т1 открывается, его сопротивление становится очень малым, что приводит к быстрому и почти полному разряду конденсатора С током, протекающим через диод Д1. За один период измеряемой частоты количество электричества, сообщаемое конденсатору при заряде и отдаваемое им при разряде, q ? CU. Поскольку процесс заряда - разряда повторяется с частотой f x , то среднее значение I зарядного тока, регистрируемое измерителем И , оказывается пропорциональным этой частоте:

I = q*f x ? C*U*f x

Электронно-счётные (цифровые) частотомеры

Электронно-счётные частотомеры по своим возможностям являются универсальными приборами. Их основное назначение - измерение частоты непрерывных и импульсных колебаний, осуществляемое в широком частотном диапазоне (примерно от 10 Гц до 100 МГц) при погрешности измерений не более 0,0005%. Кроме того, они позволяют измерять периоды низкочастотных колебаний, длительности импульсов, отношения двух частот (периодов) и т. д.

Действие электронно-счётных частотомеров основано на дискретном счёте числа импульсов, поступающих за калиброванный интервал времени на электронный счётчик с цифровой индикацией. На рис. 4 приведена упрощённая функциональная схема прибора. Напряжение измеряемой частоты f x в усилительно-формирующем устройстве преобразуется в последовательность однополярных импульсов, повторяющихся с той же частотой f x . Для этой цели часто используется система из усилителя-ограничителя и триггера Шмитта, дополненная на выходе дифференцирующей цепочкой и диодным ограничителем. Временной селектор (электронный ключ с двумя входами) пропускает эти импульсы на электронный счётчик лишь в течение строго фиксированного интервала времени Дt, определяемого длительностью прямоугольного импульса, воздействующего на его второй вход. При регистрации счётчиком m импульсов измеряемая частота определяется формулой:

Например, если за время Дt = 0,01 с отмечено 5765 импульсов, то f x = 576,5 кГц.

Колебания выбранной (посредством переключателя В2) частоты f 0 (числовое значение последней является множителем к отсчёту по счётчику) с помощью триггера Шмитта преобразуются в прямоугольные колебания с частотой повторения f 0 . Под их действием в управляющем устройстве формируется интервальный импульс длительностью строго прямоугольной формы.

Дt = Т 0 = 1/f 0

Этот импульс вызывает сброс предыдущих показаний счётчика, а затем (с задержкой на несколько микросекунд) поступает на селектор и открывает его на время Дt для пропускания импульсов с частотой повторения f x .

После закрывания селектора число пропущенных им импульсов m фиксируется индикатором счётчика, а измеряемая частота определяется по формуле

Рис. 3. Упрощённая функциональная схема электронно-счётного (цифрового) частотомера

Кварцевые калибраторы

Из приборов повышенной точности, применяемых для измерения высоких частот, самыми простыми являются кварцевые калибраторы.

Они позволяют проверять шкалы радиоприёмных и радиопередающих (генераторных) устройств в ряде точек, соответствующих строго определённым (опорным) частотам.

Рис. 4.

Функциональная схема кварцевого калибратора приведена в наиболее полном варианте на рис. 4. Основным компонентом прибора является кварцевый генератор, работающий в таком режиме, что возбуждаемые им колебания имеют форму, резко отличную от синусоидальной, и потому содержат, кроме составляющей основной частоты f 0 , большое число гармоник, частоты которых равны 2f 0 , 3f 0 , 4f 0 и т. д., а амплитуды постепенно убывают с повышением частоты. Обычно удаётся использовать для измерений от десятков до нескольких сотен гармоник, которые имеют такую же высокую стабильность (обычно в пределах 0,01 - 0,001%), как и частота f 0) стабилизированная кварцевым резонатором (кварцем) в условиях отсутствия специальных устройств (например, термостатов), повышающих эффект стабилизации.

Колебания, возбуждаемые кварцевым генератором, подводятся к гнезду (или зажиму) связи Ан, который вместе с присоединённым к нему небольшим проводником или штырём играет роль приёмной или передающей антенны в зависимости от характера использования прибора. С целью экранировки прибор обычно помещают в металлический кожух.

Гетеродинные частотомеры

Гетеродинные частотомеры применяются для точных частотных измерений в плавном диапазоне высоких частот. В принципе гетеродинный частотомер отличается от кварцевого калибратора, лишь тем, что вместо кварцевого генератора в нем используется гетеродин, т. е. маломощный генератор с плавно регулируемой частотой настройки. Наличие смесителя позволяет использовать прибор не только для градуировки частотных шкал радиоприёмников, но и для измерения методом нулевых биений частоты генераторов. Индикация нулевых биений осуществляется телефонами, осциллографическими и электронно-световыми индикаторами, а также стрелочными измерителями.

Погрешность измерений гетеродинного частотомера в основном определяется стабильностью частоты гетеродина и погрешностью её установки. Поэтому часто предпочитают гетеродины выполнять на электронных лампах. Повышению стабильности частоты способствуют правильный выбор схемы и конструкции гетеродина, применение в нем деталей с малым температурным коэффициентом, включение буферного каскада между гетеродином и выходными цепями, стабилизация напряжений питания, длительный прогрев прибора под током перед измерениями. Для повышения плавности регулировки и точности установки частоты управление конденсатором настройки гетеродина обычно осуществляют через верньерный механизм с большим замедлением (до 100-300 раз). Непосредственный отсчёт частоты по шкале конденсатора переменной ёмкости производят лишь в самых простых конструкциях; в большинстве приборов шкала выполняется равномерной с очень большим числом делений (до нескольких тысяч), а отсчёт по ней переводится в частоту при помощи таблиц или графиков.

Резонансные частотомеры

Особенностями резонансных частотомеров, применяемых для измерения высоких и сверхвысоких частот, являются простота конструкции, быстрота функционирования и однозначность результатов измерений; погрешность измерений составляет 0,1-3%.

Измерение частоты с помощью осциллографа

Измеряемая частота может быть определена сравнением её с известной опорной частотой f o . Такое сравнение чаще всего производится с помощью электроннолучевого осциллографа или методами биений.

Электроннолучевые осциллографы применяются для измерения частот колебаний главным образом синусоидальной формы в диапазоне частот примерно от 10 Гц до значения, определяемого верхней границей полосы пропускания каналов отклонения; погрешность измерений практически равна погрешности калибровки источника колебаний (генератора) опорной частоты f 0 . Чаще всего измерения проводят при выключенной развёртке осциллографа, пользуясь схемой соединений, показанной на рис. 5. Напряжения измеряемой и известной частот подводят непосредственно или через усилители к различным парам отклоняющих пластин ЭЛТ (в зависимости от того, на какой вход осциллографа эти напряжения воздействуют, будем обозначать их частоты через f x и f y). Если эти частоты относятся друг к другу как целые числа, например 1:1, 1:2, 2:3 и т. п., то перемещение электронного луча приобретает периодический характер и на экране наблюдается неподвижное изображение, называемой фигурой Лиссажу. Форма этой фигуры зависит от соотношения амплитуд, частот и начальных фаз сравниваемых колебаний.

Рис. 5.

Рис. 6. Фигуры, наблюдаемые на экране при различных отношениях частот f x /f y

Определив отношение f x:f y и зная одну из частот, например f y , легко найти вторую частоту.

Предположим, что при известной частоте f y = 1000 Гц на экране получена фигура, изображённая на рис. 5. Из приведённого на чертеже построения видно, что эта фигура соответствует отношению частот f x = 3:4, откуда f x = 750 Гц.

Частотомер – прибор для измерения частоты периодических процессов (колебаний). Частоту механических колебаний обычно измеряют с помощью вибрационных механических частотомеров и электрических частотомеров, используемых совместно с преобразователями механических колебаний в электрические. Простейший вибрационный механический частотомер, действие которого основано на резонансе, представляет собой ряд упругих пластин, укрепленных одним концом на общем основании. Пластины подбирают по длине и массе так, чтобы частоты их собственных колебаний составили некую дискретную шкалу, по которой и определяют значение измеряемой частоты. Механические колебания, воздействующие на основание частотомера, вызывают вибрацию упругих пластин, при этом наибольшая амплитуда колебаний наблюдается у той пластины, у которой частота собственных колебаний равна (или близка по значению) измеряемой частоте.

Для измерения частоты электрических колебаний применяют электромеханические, электродинамические, электронные, электромагнитные, магнитоэлектрические частотомеры. Простейший электромеханический частотомер вибрационного типа состоит из электромагнита и ряда упругих пластин (как в механическом частотомере) на общем основании, соединённом с якорем электромагнита. Измеряемые электрические колебания подают в обмотку электромагнита; возникающие при этом колебания якоря передаются пластинам, по вибрации которых определяют значение измеряемой частоты. В электродинамических частотомерах основным элементом является логометр, в одну из ветвей которого включен колебательный контур, постоянно настроенный на среднюю для диапазона измерений данного прибора частоту. При подключении такого частотомера к электрической цепи переменного тока измеряемой частоты подвижная часть логометра отклоняется на угол, пропорциональный сдвигу фаз между токами в катушках логометра, который зависит от соотношения измеряемой частоты и резонансной частоты колебательного контура. Погрешность измерений электродинамического частотомера 10-12– 5·10-14.

Частоту электромагнитных колебаний в диапазоне радиочастот и СВЧ измеряют при помощи электронных частотомеров (волномеров) - резонансных, гетеродинных, цифровых и др.

Действие резонансного частотомера основано на сравнении измеряемой частоты с частотой собственных колебаний электрического контура (или резонатора СВЧ), настраиваемого в резонанс с измеряемой частотой. Резонансный частотомер состоит из колебательного контура с петлёй связи, воспринимающей электромагнитные колебания (радиоволны), детектора, усилителя и индикатора резонанса. При измерении контур настраивают при помощи калиброванного конденсатора (или поршня резонатора в диапазоне СВЧ) на частоту воспринимаемых электромагнитных колебаний до наступления резонанса, который регистрируют по наибольшему отклонению указателя индикатора. Погрешность измерений таким частотомером 5.10-3 – 5·10-4. В гетеродинных частотомерах измеряемая частота сравнивается с известной частотой (или её гармониками) образцового генератора - гетеродина. При подстройке частоты гетеродина к частоте измеряемых колебаний на выходе смесителя (где происходит сравнение частот) возникают биения, которые после усиления индицируются стрелочным прибором, телефоном или (реже) осциллографом. Относительная погрешность гетеродинных частотомеров 5·10-4 – 5·10-6.

Широкое применение получили цифровые частотомеры, принцип действия которых заключается в подсчёте числа периодов измеряемых колебаний за определённый промежуток времени. Электронно-счётный частотомер состоит из формирующего устройства, преобразующего синусоидальное напряжение измеряемой частоты в последовательность однополярных импульсов, временного селектора импульсов, открываемого на определённый промежуток времени (обычно от 10-4до 10 сек), электронного счётчика, отсчитывающего число импульсов на выходе селектора, и цифрового индикатора. Современные цифровые частотомеры работают в диапазоне частот 10-4 – 109 Гц, относительная погрешность измерения 10-9– 10-11; чувствительность 10-2 в. Такие частотомеры используются преимущественно при испытаниях радиоаппаратуры, а с применением различных измерительных преобразователей – для измерения температуры, вибраций, давления, деформаций и других физических величин.

Разновидностью образцовых частотомеров, высшей точности являются эталоны и стандарты частоты, погрешность которых лежит в пределах 10-12 – 5.10-14. Измерителем частоты вращения валов машин и механизмов служит тахометр.