8-5. МЕТОД ДИСКРЕТНОГО СЧЕТА

Переменное напряжение, частоту которого нужно измерить, преобразуют в последовательность односторонних импульсов с частотой следования, равной Если сосчитать число импульсов за известный интервал времени то легко определить частоту

В частности, если то численно равно частоте Эта идея является основой метода измерения частоты дискретным счетом. Приборы, созданные на основе этого метода, называют электронно-счетными частотомерами. Результат измерения появляется на табло передней панели прибора в виде светящихся цифр, и поэтому такие приборы часто называют цифровыми частотомерами.

Упрощенная структурная схема электронно-счетного частотомера показана на рис. 8-14, а. Основным элементом входного устройства является аттенюатор или компенсированный делитель напряжения, с помощью которого устанавливается напряжение, необходимое для нормальной работы формирующего устройства . В этом устройстве из входного переменного напряжения формируются короткие прямоугольные импульсы (рис. 8-14, б), форма которых не изменяется при изменении частоты и амплитуды входного напряжения в установленных для данного прибора пределах. Для формирования импульсов применяют триггер Шмитта или специальные схемы на туннельных диодах.

Временной селектор (схема «И») ВС предназначен для пропускания импульсов на электронный счетчик в течение известного интервала времени (времени счета), формируемого из частоты генератора с кварцевой стабилизацией В управляющем устройстве УУ вырабатывается импульс напряжения длительностью с помощью которого временной селектор открывается и на электронный счетчик проходит группа импульсов, число которых Эта информация через дешифратор ДШ поступает на цифровой индикатор на табло которого появляются показания в единицах частоты.

Частота генератора с кварцевой стабилизацией обычно равна 1 или и потому длительность калиброванного импульса равна 1 или

Рис. 8-14. К измерению частоты электронно-счетным частотомером

При таких длительностях времени счета невозможно измерять частоты, значение которых равно частоте или меньше ее. Поэтому после кварцевого генератора включают декадные делители частоты на выходах которых образуются частоты в раз ниже частоты генератора, т.е. 1 и 0,1 Гц.

Длительность калиброванного импульса, открывающего селектор, теперь и время счета можно устанавливать декадными ступенями от до 10 с. Измеряемая частота вместо формулы определяется по формуле

Управляющее устройство одновременно с воздействием на временной селектор выдает импульсы для автоматического сброса показания с табло цифрового индикатора и

освобождения электронного счетчика от накопленной информации, а также для приведения в исходное состояние дешифратора ДШ и делителей частоты. В управляющем устройстве предусмотрена блокировка временного селектора на некоторый интервал времени, в течение которого сохраняются показания на цифровом табло. Этот интервал времени называется временем индикации и устанавливается (оператором) в пределах нескольких секунд. Частотомер может работать в автоматическом режиме, при ручном и дистанционном управлении. В автоматическом режиме счет импульсов производится каждый раз, когда заканчивается установленное время индикации. При ручном управлении счет выполняется один раз при нажиме на кнопку; время индикации не ограничивается.

Интервал времени измерения формируется из частоты генератора с кварцевой стабилизацией, следовательно, ее нестабильность и неточность установки определяют погрешность измерения. Нестабильность генератора состоит из двух составляющих — долговременной нестабильности (за сутки, месяц, год) и кратковременной (за время измерения). Долговременная нестабильность вызывается в основном старением кварца, т. е. имеет систематический характер, следовательно, вносит систематическую погрешность в измерение частоты. Для ее уменьшения кварцевый резонатор и часть деталей генератора помещены в термостат, в котором поддерживается постоянная температура с точностью до десятых долей Кельвина. Благодаря этому длительная нестабильность частоты не превышает Периодическим корректированием частоты или поверкой генератора она может быть уменьшена еще на порядок.

Случайная погрешность измерения частоты в основном определяется погрешностью дискретности, т. е. погрешностью счета импульсов и кратковременной нестабильностью частоты По правилам вычисления случайной погрешности косвенных измерений (см. табл. 2-1) из формулы можно написать выражение для абсолютной погрешности измерения частоты в виде

Относительная погрешность

где относительная погрешность дискретности; кратковременная нестабильность частоты генератора с кварцевой стабилизацией.

Абсолютная погрешность дискретного счета возникает вследствие несинхронности входного напряжения с напряжением кварцевого генератора, отчего начало и конец калиброванного импульса времени счета не совпадают с началом периода повторения импульсов на сигнальном входе временного селектора (рис. 8-15). Несовпадение приводит к возможности появления двух случайных независимых погрешностей за счет потери части периода измеряемых импульсов в начале и в конце времени счета Каждая из них распределена по равновероятному закону, а их композиция в соответствии с теорией вероятностей [3] дает треугольный закон распределения (закон Симпсона). Среднеквадратическое значение погрешности дискретности в этом случае

Если синхронизировать начало времени счета с началом импульса то останется одна погрешность которая распределена по равновероятному закону, и тогда среднеквадратическое значение погрешности дискретности будет равно

Рис. 8-15. К определению погрешности дискретности

Максимальная погрешность дискретности возникает при потере одного периода измеряемых импульсов, т. е. одного импульса: Следовательно, максимальная относительная погрешность вычисляется по следующей формуле:

Кратковременная случайная нестабильность частоты кварцевого генератора обычно очень мала, например за секунду, и в большинстве практических случаев ею можно пренебречь. Тогда

При измерении низких частот число импульсов невелико и погрешность может быть значительной. Для ее уменьшения необходимо увеличивать время измерения что не всегда целесообразно и возможно. Например, для измерения частоты с погрешностью при частоте кварцевого генератора необходим

коэффициент деления Время счета при таких условиях:

Для обеспечения приемлемой погрешности измерения низких частот измеряют период. Принцип измерения периода аналогичен рассмотренному принципу измерения частоты, стой разницей, что временной селектор открывается импульсом, формируемым из напряжения измеряемого периода, а считаются так называемые метки времени — импульсы, полученные из напряжения генератора с кварцевой стабилизацией (рис. 8-16, б).

Рис. 8-16. К измерению периода электронно-счетным частотомером (периодоме-ром)

Если на счетчик прошло меток времени при частоте генератора то измеряемый период

или измеренная низкая частота

Например, при Гц и период с и частота Гц.

Относительная погрешность измерения периода определяется аналогично формулам (8-8) и (8-9):

или

или

Из этих формул следует, что выполнять измерение периода вместо измерения частоты целесообразно только тогда, когда на счетчик за время счета, равное измеряемому периоду поступает большое число меток времени, т. е. когда Для получения этого неравенства частота кварцевого генератора с помощью умножителей частоты умножается в раз. С учетом умножения частоты формула (8-9а) принимает вид

а формула (8-10а) —

Погрешности при измерении частоты и периода одинаковы только на некоторой одной граничной частоте Значение определяется приравниванием правых частей формул и (8-11) при заданной частоте кварцевого генератора и максимальных коэффициентах деления пмакс и умножения тмакс частоты:

откуда граничная частота

Если измеряемая частота то следует измерять частоту, если то нужно измерять период и по нему определять частоту. Значение граничной частоты для практических данных составляет .

Формула (8-10) справедлива, если можно пренебречь погрешностью срабатывания формирующего устройства (см. рис. 8-16), которая возникает под влиянием помех, поступающих вместе с полезным сигналом на вход периодомера. С учетом этой погрешности формула (8-10) принимает вид

Погрешность срабатывания изменяет измеряемый интервал времени (период), и ее значение определяется

отношени ем напряжения сигнала к напряжению помехи

где напряжения помехи и сигнала соответственно.

Электронно-счетные частотомеры применяются не только для измерения частоты и периода. С их помощью можно измерять число импульсов, интервалы времени, отношение двух частот, а используя предварительное преобразование физических величин в частоту или интервалы времени, — скорость, давление, температуру.

Общее число импульсов за некоторый интервал времени подсчитывается при открытом временном селекторе. Открывают и закрывают его вручную или дистанционно. На цифровом табло появляется текущее значение числа прошедших импульсов, а по окончании счета — их сумма Абсолютная погрешность не превышает одного импульса, а относительная Считать импульсы можно только тогда, когда минимальное расстояние между ними превышает разрешающую способность частотомера.

Длительность интервала времени, длительность импульса или паузы между импульсами измеряют путем счета меток времени, прошедших через открытый временной селектор. Эти измерения аналогичны измерению периода, и потому относительная погрешность также выражается формулой (8-12). При недостаточной крутизне фронтов импульсов, определяющих границы измеряемого интервала времени, погрешность возрастает.

Отношение двух частот определяют счетом числа импульсов, сформированных из напряжения более высокой частоты прошедших через временной селектор, открытый на интервал времени, равный одному периоду или периодам напряжения более низкой частоты — коэффициент деления частоты.

Относительная погрешность измерения отношения частот с учетом влияния помех

где уровень помех; уровень сигнала низкой частоты, из которой формируется время счета.

Контроль работоспособности основных узлов частотомеров осуществляется подсчетом числа меток времени за установленный интервал времени счета метки и время Счета формируются на основе частоты напряжения

генератора с кварцевой стабилизацией. При исправном частотомере

Во всех рассмотренных видах измерений в работе участвуют одни и те же узлы электронно-счетного частотомера. Различие заключается лишь в их взаимодействии, которое можно изменять соответствующими органами управления. Поэтому частотомер и периодомер объединяют в одну конструкцию с двумя входами: А — для измерения частоты и счета импульсов и для измерения периодов и интервалов времени. При измерении отношения частот на вход А подают сигналы более высокой частоты, на вход более низкой.

Для повышения точности измерений вместо внутреннего опорного генератора с кварцевой стабилизацией включают внешний стандарт частоты. Следует иметь в виду, что частота стандарта численно должна быть равной 10, где целое число, так как только в этом случае цифровой отсчет по табло частотомера будет соответствовать измеряемой частоте или периоду с учетом положения запятой.

Максимальное значение измеряемой частоты определяется в основном быстродействием электронного счетчика, т. е. образующих его декадных делителей. Для расширения частотного диапазона во входном тракте применяют двоичные делители, быстродействие которых выше, чем декадных. Верхний предел измеряемых частот равен а с преобразованием (переносом) частоты достигает Погрешность измерения частоты Диапазон измеряемых интервалов времени и периодов Погрешность измерения Максимальное число десятичных разрядов определяется емкостью счетчика.

Каждый электронно-счетный частотомер можно использовать как источник серии стабильных частот, получаемых от кварцевого генератора, делителей и умножителей частоты.

Современные цифровые частотомеры являются автоматическими приборами, отличающимися высокой точностью измерений, быстродействием, удобством отсчета и простотой работы с ними. Замена резонансных и гетеродинных частотомеров убыстряет измерение в 30—50 раз и снижает погрешность на 4-5 порядков. Наличие на выходе результата измерения в виде электрического кода позволяет использовать их в измерительно-информационных системах и автоматических системах управления.

Достижения в области микроэлектроники позволили создавать электронно-счетные частотомеры на базе

интетральных узлов (схем). Применение последних значительно увеличило надежность, уменьшило габариты, массу и потребляемую энергию.