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 (см. Ёмкостные частотомеры и рис. 3). Временной селектор (электронный ключ с двумя входами) пропускает эти импульсы на электронный счётчик лишь в течение строго фиксированного интервала времени Δt, определяемого длительностью прямоугольного импульса, воздействующего на его второй вход. При регистрации счётчиком m импульсов измеряемая частота определяется формулой

f_x = m/Δt.

Например, если за время Δt = 0,01 с отмечено 5765 импульсов, то f_x = 576,5 кГц.

Погрешность измерения частоты определяется главным образом погрешностью калибровки выбранного интервала времени счёта. Задающим компонентом в системе формирования этого интервала является высокостабильный кварцевый генератор, положим, частоты 100 кГц. Создаваемые им колебания с помощью группы последовательно включённых делителей частоты преобразуются в колебания с частотами (f₀) 10 и 1 кГц, 100, 10, 1 и 0,1 Гц. которым соответствуют периоды (Т₀) 0,0001; 0,001; 0,01; 0,1; 1 и 10 с (последние одно или два из указанных значений f₀ и Т₀ у некоторых частотомеров отсутствуют).

Колебания выбранной (посредством переключателя В2) частоты f₀ (числовое значение последней является множителем к отсчёту по счётчику) с помощью триггера Шмитта преобразуются в прямоугольные колебания с частотой повторения f₀. Под их действием в управляющем устройстве формируется интервальный импульс длительностью Δt = Т₀ = 1/f₀ строго прямоугольной формы. Этот импульс вызывает сброс предыдущих показаний счётчика, а затем (с задержкой на несколько микросекунд) поступает на селектор и открывает его на время Δt 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 f_x = m*f₀.

Рис. 4. Упрощённая функциональная схема электронно-счётного (цифрового) частотомера

Цепь управления селектором может запускаться вручную (нажатием кнопки «Пуск»); в этом случае управляющее устройство посылает на селектор одиночный импульс длительностью Δt и счётчик выдаёт разовый результат измерений с неограниченным временем индикации его. В режиме автоматического измерения частоты импульсы реле времени периодически повторяются и результаты измерения обновляются через выбранные интервалы времени.

Частотомер может служить источником колебаний ряда опорных частот f₀, получаемых с помощью кварцевого генератора, умножителя и делителей частоты и снимаемых со специального выхода. Эти же колебания, поданные на вход частотомера, могут служить для проверки правильности показаний счётчика.

Счётчик частотомера собирается из 4-7 пересчётных декад на триггерных схемах и цифровых индикаторных лампах. Число декад определяет максимальное число значащих цифр (разрядов) в результатах измерений. Возможная ошибка счёта, называемая погрешностью дискретности, составляет одну единицу в цифре самого младшего разряда. Поэтому желателен выбор такого интервала времени счёта Δt, при котором используется максимальное число разрядов счётчика. Так, в рассмотренном выше примере при Δt = 0,01 с (f₀ = 100 Гц) для отсчёта оказалось достаточным четырёх разрядов счётчика и результат измерений f_x = 576,5 кГц +-100 Гц. Предположим, что измерения повторены при Δt = 0,1 с (f₀ = 10 Гц) и получен отсчёт m = 57653 импульсов. Тогда f_x = 576,53 кГц +-10 Гц. Ещё меньшая погрешность дискретности (+-1 Гц) будет получена при Δt = 1 с (в этом случае счётчик должен иметь не менее шести декад).

При расширении диапазона измерений частотомера в сторону высоких частот ограничивающим фактором является быстродействие пересчётных декад. При выполнении триггерных схем на высокочастотных кремниевых транзисторах (например, типа КТ316А), имеющих время рассасывания заряда в базе примерно 10 нс, верхняя предельная измеряемая частота может достигать десятков мегагерц. В некоторых приборах при измерении высоких частот, превышающих, например, 10 МГц, их предварительно преобразуют в частоту, меньшую 10 МГц (например, частоту 86,347 МГц в частоту 6,347 МГц), пользуясь гетеродинным методом (см. Гетеродинные частотомеры).

Фактором, ограничивающим нижнюю предельную измеряемую частоту, является время измерений. Если, например, установить наибольший для многих частотомеров интервал времени счёта Δt = 1 с, то при регистрации счётчиком 10 импульсов результатом измерений явится частота f_x = 10 = +-1 Гц, т.е. погрешность измерения может достигать 10%. Для уменьшения погрешности, положим, до 0,01% необходимо было бы производить счёт импульсов в течение времени Δt = 1000 с. Ещё большее время требуется для точного измерения частот, равных 1 Гц и менее. Поэтому в электронно-счётных частотомерах измерение очень низких частот f_x заменяют измерением периода их колебаний Т_х = 1/f_x. Схема измерения периода колебаний образуется при установке переключателя В1 в положение «Тх» (рис. 4). Исследуемое напряжение после преобразования в триггере Шмитта воздействует на управляющее устройство, в котором формируется прямоугольный импульс длительностью Т_x, поддерживающий временной селектор в открытом состоянии; в течение этого времени счётчик регистрирует импульсы, формируемые из колебаний одной из опорных частот f_о, определяемой установкой переключателя В2. При числе m отмеченных импульсов измеряемый период

T_x = m/f_о.

Например, при m = 15625 и f₀ = 1000 Гц период Т_х = 15,625 с, что соответствует частоте f_x = 1/Т_х = 0,054 Гц. Измерения, в целях уменьшения их погрешности, желательно производить при возможно большем значении частоты f_о (исключающем, конечно, перегрузку счётчика). Если период Т_х < 1 с (f_x > 1 Гц), то может оказаться рациональным использование колебаний частоты f₀, равной 1 или 10 МГц, получаемых после умножителей частоты. При этом нижний предел измеряемых частот удаётся расширить до 0,01 Гц.

Измерению отношения двух частот f₁/f₂ (f₁ > f₂) соответствует установка переключателей В2 в положение «Выключено», а В1 - в положение «f_x». Напряжение меньшей частоты f₂ подводят к зажимам «f_o», и его период определяет интервал времени счёта Δt. Напряжение частоты f₁, подводимое к входу преобразуется в импульсы, число которых (m) регистрируется счётчиком в течение времени Δt = 1/f₂. Искомое отношение частот f₁/f₂ = m (с погрешностью до единицы). Очевидно, что данным способом имеет смысл находить отношение лишь значительно различающихся частот.

К недостаткам электронно-счётных частотомеров следует отнести сложность их схем, значительные габариты и массу, высокую стоимость.