Цифрові методи вимірювання частоти, періоду, інтервалів часу

Останнім часом усі розглянуті вище аналогові методи і засоби вимірювання частоти витісняються цифровими. Це пояснюється розробкою і впровадженням високостабільних мір частоти і часу на основі кварцових резонаторів, цифрових мікросхем високого ступеня інтеграції, мікро­процесорів для обробки вимірювальної інформації.

Частота f _х іперіод Т_х — це взаємно обернені величини (fх=1/Т_х), тому вони вимірюються, як правило, одним при­ладом — універсальним частотоміром, який та­кож може вимірювати відношення частот, відношення періодів, відхилення (девіацію) частот тощо.

За допомогою універсальних цифрових частотомірів здійснюють такі два основні методи вимірювання:

зіставлення N_x періодів Т_х вимірюваної частоти f_х з відомим з високою точністю інтервалом часу TN;

зіставлення N_x періодів То зразкової частоти fо з одним або кількома періодами Т_х вимірюваної частоти f_х.

Структура цифрового частотоміра, яким реалізу­ється перший метод, наведена на рисунку 2. Цифровий частотомір працює за таким принципом. Сигнал із часто­тою f_х, яку потрібно виміряти, надходить на формувач імпульсів, який генерує прямокутні імпульси з періодом повторення Т_х, що дорівнює періоду повторення вхідних імпульсів і пов'язаний з вимірюваною частотою f_х за­лежністю:

Рис.2 – Цифровий частотомір

Мірою частоти у цифровому частотомірі є кварцовий ге­нератор стабільної частоти fо. Високі метрологічні харак­теристики, зокрема високу стабільність частоти генерато­ра, забезпечує резонатор, виготовлений з кристала кварцу. Відносна нестабільність частоти кварцового резонатора . Імпульси кварцового генератора з періодом по­вторення То=1/fо подаються на подільник частоти. На ви­ході подільника частоти формується імпульс, тривалість якого в n разів більша за тривалість вхідного імпульсу. Цей імпульс на час пТ0 вмикає перемикач, і імпульси з періодом Т_х надходять на вхід електронного лічильника імпульсів. Кількість імпульсів з періодом, що підрахову­ється лічильником упродовж часу пТо, дорівнює:

Таким чином, число Nx, зафіксоване лічильником, пря­мо пропорційне вимірюваній частоті.

На рисунку 3 наведено структуру цифрового хро­нометра, який реалізує другий метод вимірювання. На цифровий хронометр надходять старт-імпульс і стоп-імпульс. Інтервал часу між ними необхідно виміряти. Фор­мувач імпульсів формує імпульс, тривалість якого дорів­нює Т_х. Цей імпульс вмикає перемикач, і протягом часу Т_х на електронний лічильник імпульсів подаються імпуль­си з періодом повторення То з кварцового генератора. Чи­сло N_x, зафіксоване лічильником імпульсів, прямо про­порційне Т_х:

Рис.3 – Структура цифрового хронометра