Цифрового частотомера средних значений

ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИФРОВОГО ЧАСТОТОМЕРА

 

Методические указания к лабораторной работе

по курсу “Проектирование приборов и систем”

 

Автор: К.Р. Сайфутдинов

 

Омск - 2007
ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИФРОВОГО ЧАСТОТОМЕРА

 

Частота f и время Т являются обратными величинами: f = 1/ T где частота представлена в Герцах, а время в секундах. Кроме того, частота связана с длиной волны известным выражением: f = c l, где с - скорость света в свободном пространстве, l - длина волны в метрах. Следовательно, измерения частоты, времени или длины волны теоретически равноценны. На практике в большинстве случаев измеряются частоты и интервалы времени.

Частоту можно измерять различными методами. Наиболее распространенными являются: метод сравнения; резонансный метод; метод дискретного счета. На основе метода дискретного счета созданы удобные и точные приборы - электронно-счетные частотомеры с цифровой обработкой информации, которые работают в широких диапазонах измерения частоты и времени.

Поскольку имеется возможность оценивать интервалы времени, то на основе метода дискретного счета строятся и другие цифровые измерительные приборы, такие как фазометры, измерители параметров 2 - полюсников, панорамные приборы для анализа АЧХ и ФЧХ и целый ряд других средств измерений. Следовательно можно утверждать, что метод дискретного счета является универсальным и при определенных условиях высокоточным.

Для измерения частоты f_x периодического сигнала достаточно определить число N его периодов за известный интервал времени Т. Результат измерения определяется отношением:

f_x = N / Т, Гц. (1)

 

С другой стороны, при измерении неизвестного интервала времени Т_x достаточно подсчитать число периодов Т₀ сигнала известной частоты f₀ за измеряемый интервал Т_x. Результат измерения представляется выражением:

Т_x = N / f₀ = N×T₀, с. (2)

Период сигнала известной частоты Т₀ определяет цену деления "электронной линейки", с помощью которой измеряют неизвестный временной интервал. Указанные методы дискретного счета лежат в основе большинства известных цифровых методов измерения частотно-временных параметров электрических сигналов. Так как частота и период сигнала связаны между собой, то очевидно, что каждая из этих величин может быть определена косвенным методом по результату измерения другой.

Обобщенная структура цифрового (электронно-счетного) частотомера средних значений приведена на рис. 1. Исследуемый сигнал U_вх с частотой следования f_x поступает на входное устройство (входной формирователь), где осуществляется необходимое усиление (или ослабление) и преобразование исследуемого сигнала в последовательность импульсов, частота которых равна частоте исследуемого сигнала. Селектор С представляет собой управляемый электронный ключ (логический элемент "И", либо "И-НЕ"), который пропускает на электронный счетчик импульсов СИ сформированные импульсы неизвестной частоты f_x только при наличии на управляющем входе разрешающего сигнала (импульса), длительность которого определяет время измерения Т₀. Управляющий сигнал формируется в виде импульсов с помощью делителей частоты из сигнала опорного высокостабильного генератора (ГОЧ). Число импульсов N_х, зафиксированное электронным счетчиком на выходе селектора, представляет число периодов измеряемой частоты за калиброванный интервал времени измерения Т₀.

 

Рис. 1. Обобщенная структурная схема ЧСЗ

 

На рис. 1 приняты следующие обозначения:

ВФ – входной формирователь, предназначенный для формирования на своем выходе импульсов прямоугольной формы с параметрами, обеспечивающими надежную работу цифровой части схемы. Частота этих импульсов равна частоте входного сигнала;

С – селектор импульсов, пропускающий на выход импульсы, поданные на один из его входов, при наличии разрешающих сигналов, поданных на другие его входы;

ГОЧ – генератор образцовой частоты, вырабатывающий импульсы, период которых равен времени преобразования T₀. Схема ГОЧ снабжается делителем частоты на два. Таким образом, длительность каждого импульса, поступающего на селектор с выхода ГОЧ, равна времени преобразования, т.е. T₀;

БУ – блок управления, вырабатывающий сигналы, необходимые для управления измерительной процедурой прибора;

СИ – счетчик импульсов, подсчитывающий количество прошедших с выхода селектора импульсов частоты f_X за время T₀;

ЦОУ – цифровое отчетное устройство, в простейшем случае дешифратор с подключенным к нему индикатором.

Работа структуры осуществляется следующим образом. При отсутствии сигнала "запрет" от БУ разрешается работа ГОЧ. При этом предварительно на селектор подается разрешающий сигнал "строб". Как только на выходе ГОЧ появится импульс T₀, импульсы с выхода ВФ поступают на СИ, который преобразовывает их число в цифровой код N_X.

Задний фронт импульса T₀ служит для БУ сигналом "конец измерения", БУ снимает сигнал "строб" и подает на ГОЧ сигнал "запрет", который сбрасывает все имеющиеся в схеме ГОЧ делители частоты и удерживает их в этом состоянии на время, требующееся для считывания показаний с индикаторов ЦОУ. Это время называется временем индикации. Оно отсчитывается, как правило, микросхемой одновибратора, входящего в состав БУ.

По окончании времени индикации БУ выдает на СИ короткий импульс "сброс", устанавливает сигнал "строб" и снимает сигнал "запрет". Далее повторяется описанный выше процесс.

Временные диаграммы, поясняющие принцип работы такого частотомера, приведены на рис. 2.

Рис. 2. Временные диаграммы работы цифрового

частотомера средних значений

На рис. 1 приняты следующие обозначения:

U_вх - исследуемый сигнал с частотой следования f_x;

U_фу - сигнал с выхода входного формирователя ВФ;

U_уу - разрешающий сигнал (импульс), длительность которого определяет время измерения Т₀.

U_вс – выходной сигнал селектора, определяющий значение измеряемой частоты входного сигнала f_x.

 

Принцип расчета такого частотомера сводится к определению времени измерения T₀ и емкости счетчика N_Xmax. Это то, что можно сделать на структурном уровне. Расчет ведется из предположения, что схема имеет лишь две составляющие погрешности: d_КВ – погрешность квантования, d_ГОЧ – погрешность от неточности и нестабильности частоты ГОЧ.

Прежде всего необходимо определить время преобразования T₀ . Для этого общую погрешность d_S, равную d_S = d_КВ + d_ГОЧ, предварительно разбивают на составляющие так: d_КВ» 0,9d_S; d_ГОЧ» 0,1d_S.

В ряде случаев принимают, что d_КВ = d_S и пренебрегают погрешностью d_ГОЧ. Для определения точного значения d_КВ пользуются формулой

, (3)

в которую подставляют заданные значения f_Xmax и d_КВ.

Абсолютное значение D_КВ выбирается равным 10ⁿ, где n - целое число или нуль. При этом D_КВ выбирается меньшим или равным расчетному значению.

Выбранное значение D^'_КВ подставляется в формулу

(4)

После того как определено истинное значение погрешности квантования d_КВ, корректируется значение погрешности d_ГОЧ:

d_ГОЧ = d_S – d_КВ. (5)

Емкость счетчика СИ определяется по формуле

(6)

По этому значению найдем число декад СИ:

n = Ent[lg(N₀)]. (7)

Время преобразования T₀ определяется по формуле

. (8)

Отсюда частота ГОЧ f₀ равна:

. (9)

В качестве примера рассмотрим работу функциональной схемы 4-предельного ЧСЗ, приведенную на рис. 3.

Рис. 3. Функциональная схема 4-предельного ЧСЗ

 

Предел измерения (время измерения Т₀) выбирается с помощью ключа S1 подключением соответствующего выхода (Т₀₁ – Т₀₄) к тактовому входу триггера DD1.1. В результате сигнал с частотой поступает на вход "С" триггера DD1.1. Первым импульсом этого сигнала триггер устанавливается в "1", разрешая прохождение импульсов fx с выхода ВФ через селектор DD2 на счетчик СТ. По второму импульсу f_0i триггер DD1.1 сбрасывается, селектор закрывается, и импульсы на счетчик не идут. При этом на его выходе зафиксирован код: Nx=f_X ×T_0i.

При сбросе триггера DD1.1 на его инверсном выходе формируется перепад из "0" в "1", по которому:

1) код N_X c выхода СТ переписывается в регистр "RG", с выхода которого поступает на дешифратор Дш и в виде десятичного числа отображается на индикаторе;

2) устанавливается в "1" триггер DD1.2, с прямого выхода которого на ГОЧ делители частоты 1, 2, 3 и счетчик СТ идет сигнал "сброс".

Этот сигнал удерживает в нулевом состоянии счетчик "СТ", три делителя частоты и выход ГОЧ на время t_СБР = R₂ × C₂ . В принципе, это время может служить временем индикации. Зачастую, если частота f_X не меняется быстро, это время не требуется, т.к. данные в регистре сохраняются от конца предыдущего до конца следующего измерения, т.е. в течение времени 2/T_0i, что чаще всего достаточно для считывания показаний.

По окончанию времени t_сбр сигнал "0" с инверсного выхода DD1.2 поступит на его R-вход. При этом на прямом выходе этого триггера устанавливается "0", разрешающий работу счетчику СТ, делителям частоты и ГОЧ. Далее повторится описанный выше процесс преобразования.

Коэффициенты деления ДЧ1 – ДЧ3 задаются, как правило, следующим образом: К_ДЧ1 = 10, К_ДЧ2 = 100; К_ДЧ3 = 1000. Это определяется соотношением времени преобразования T_0i между собой.

Достоинства ЧСЗ:

1) высокая точность измерения в области средних и высоких частот;

2) малое число источников погрешностей;

3) возможность получения результата измерения, инвариантного к девиации частоты входного сигнала.

Недостатки ЧСЗ:

1) большое время преобразования в области низких частот;

2) большая динамическая погрешность при измерении изменяющейся во времени частоты.

Если требуется измерить низкую частоту за малое время, следует использовать схему частотомера мгновенных значений, т.е. производить измерение периода сигнала и цифровое преобразование (например, табличное) кода периода N_Tx в код частоты N_fx. Для этого можно использовать микросхемы ПЗУ, на адресные входы которых поступает код N_Tx, а в соответствующих ячейках памяти расположен код N_fx, появляющийся на выходах данных ПЗУ. При этом емкость счетчика определяется выражением

N₀ = f_Xmini ×T_0i, (10)

где f_Xmini – минимальная измеряемая частота на i-том пределе измерения; T_0i – время измерения на i-том пределе измерения.