Цифровой частотомер

Упрощенная структурная схема ЭСЧ в режиме измерения частоты представлена на (рис.9.1). Схема содержит следующие элементы: входное устройство (ВУ), формирующее устройство (ФУ), временной селектор (ВС), опорный генератор (ОГ), делитель частоты (ДЧ), устройство формирования и управления (УФУ), электронный счетчик (ЭС), дешифратор (Дш) и цифровой индикатор (ЦИ).

Рисунок 9.1 – Структурная схема ЭСЧ в режиме измерения частоты

Входное устройство обеспечивает усиление или, наоборот, ослабление входного сигнала и его фильтрацию.

Формирующее устройство преобразует исследуемый сигнал в последовательность импульсов, частота следования которых равна частоте исследуемого сигнала.

Временной селектор представляет собой логическую схему, которая обеспечивает пропускание на электронный счетчик сформированные импульсы измеряемой частоты только при наличии на управляющем входе стробирующего импульса, длительность которого определяет время измерения.

Опорный генератор является источником сигнала калиброванного временного интервала. В этих целях, как правило, используется высокостабильный термостатированный кварцевый генератор частотой 1 или 5 МГц. С помощью формирующего устройства опорного генератора вырабатывается последовательность импульсов, поступающих на делитель частоты. Делитель частоты формирует последовательность импульсов, частота следования которых в 10ⁿ (n = 1, 2, 3...) раз ниже частоты сигнала опорного генератора.

Устройство формирования и управления на основе сигнала, поступающего с делителя частоты, обеспечивает получение прямоугольного строб-импульса, длительность которого определяет время счета и соответственно время измерения.

Электронный счетчик обеспечивает подсчет и запоминание числа импульсов, прошедших через селектор за время строб-импульса.

Информация с электронного счетчика через дешифратор поступает на цифровой индикатор, на табло которого появляется информация в единицах частоты. Перед началом нового цикла измерений необходимо подготовить счетчик, сбросив показания прошлого цикла. Это делается через цепь сброса от устройства управления.

Таким образом, как следует из описания структурной схемы прибора, при измерении частоты на первый вход ВС поступает последовательность импульсов с периодом Т_х, определяемым частотой исследуемого сигнала f_х, причем Т_х = 1/f_x. На второй вход ВС поступает строб-импульс длительностью

∆Т=10ⁿТ_кв, (9.1)

где Т_кв — период следования импульсов с опорного кварцевого генератора.

На электронный счетчик проходит группа импульсов, число которых

(9.2)

Если не учитывать погрешность дискретизации и сравнивать значения для ∆Т из равенств (9.1) и (9.2), то имеем

откуда

(9.3)

Таким образом, измеряемая частота равна числу импульсов N, образованных из измеряемого сигнала, а f_кв ∙ 10^-ⁿ — коэффициент, определяющий единицу измерения частоты и число значащих цифр при отсчете (рис.9.2).

Рисунок 9.2 – Временная диаграмма работы ЭСЧ в режиме измерения частоты

Принято выделять две основные составляющие погрешности измерения частоты δ_f. Первая составляющая - это погрешность формирования образцового интервала времени ∆Т, в течение которого временной селектор пропускает импульсы, т.е. проводится измерение. Эта погрешность определяется погрешностью меры, т.е. нестабильностью частоты кварцевого генератора δ_кв.

Вторая составляющая – погрешность дискретизации δ_Д, возникает за счет потери части периода измеряемых импульсов ∆t₁, ∆t₂ и приблизительно составляет ∆N = ±1 импульс.

Относительная погрешность дискретизации

(9.4)

Тогда, относительная погрешность измерения будет равна

(9.5)