![]() |
Главная Случайная страница Контакты | Мы поможем в написании вашей работы! | |
|
|
, (4.16)
несложно заключить, что косвенное измерение частоты в данном случае позволило резко повысить точность по сравнению с прямым измерением частоты: относительная погрешность дискретности уменьшилась в 400 000 раз.
Не следует забывать, что при пользовании обычными цифровыми частотомерами для нахождения искомого значения частоты по результату измерения периода требуются вычисления, проводимые вручную (с помощью микрокалькулятора).
В дальнейшем нам понадобится соотношение между абсолютными погрешностями дискретности Δf / ΔT. Поскольку б=Δf / fх и бт= ΔT/Tx, то из равенства бf=бт следует, что
(4.17)
4.5. МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ ЦИФРОВЫЕ ЧАСТОТОМЕРЫ
Применение микропроцессорных систем в цифровых частотомерах позволяет автоматизировать установку требуемого диапазона частот и вычислительные процедуры (в частности, нахождение значения частоты, обратного результату прямого измерения периода), осуществить управление всеми блоками частотомера и организовать их взаимодействие, задавать требуемую длительность временных ворот (например, 1 с) и формировать их непосредственно в микропроцессоре, программировать выполнение набора функций в многофункциональных приборах, обрабатывать результаты наблюдений, осуществлять автоматический контроль работоспособности частотомера, получать отображение результатов измерений в удобной форме, снижать потребляемую мощность.
Использование микропроцессорной системы не исключает наличия 'В составе прибора набора стандартных блоков электронной техники (таких как формирователи импульсов, логические элементы, делители частоты и т. п.), составляющих аппаратную часть частотомера. Но по сравнению с обычными приборами, содержащими схемы с жесткой логикой, аппаратная часть сокращена и, кроме того, отпадает необходимость в электромеханической коммутации блоков для изменения функций прибора.
Рассмотрим примеры микропроцессорных частотомеров.
Сервисный цифровой частотомер. Это сравнительно простой вариант частотомера, входящего в состав сервисного мультиметра [94]. Для дополнения функций последнего измерением частоты в состав этого прибора введена специально разработанная (заказная) измерительная интегральная схема. Описываемый прибор измеряет частоту в сравнительно узком (для цифровых частотомеров) диапазоне — от 20 Гц до 200 кГц, который разбит на четыре поддиапазона с верхними граничными частотами 200 Гц, 2, 20 и 200 кГц соответственно.
Структурная схема частотомера приведена на рис. 4.19. Конструктивно формирователи импульсов и временных ворот, мультиплексоры, временной селектор, генератор, вырабатывающий счетные импульсы с частотой следования Fcч = 400 кГц и 12-разрядный двоичный счетчик расположены внутри специализированной интегральной схемы (конкретные данные приводятся для того, чтобы сделать описание работы прибора более наглядным; те же принципы могут быть осуществлены и при иных значениях характеристик).
Частоты от 20 Гц до 2 кГц определяются косвенным путем: непосредственно измеряется период и по результату измерений микро-ЭВМ

вычисляет значение частоты. Для частот, лежащих в пределах 2...200 кГц, осуществляется прямое измерение. Целесообразность такого решения подтверждают следующие расчетные данные. При косвенном измерении значения частоты fх =20 Гц максимальная абсолютная погрешность дискретности, определяющая разрешающую способность, согласно (4.17) Δf=400/400 • 103 =0,001 Гц, а при прямом измерении того же значения частоты с установленной длительностью временных ворот 1 с эта погрешность будет 1 Гц. Для частоты 200 Гц абсолютные погрешности соответственно получатся 0,1 Гц и 1 Гц. Легко установить, что косвенное измерение частоты 2 кГц сопровождается абсолютной погрешностью Δf=10 Гц, а прямое — Δf=1 Гц.
Рассмотрим работу измерителя, изображенного на рис. 4.19, используя графики на рис. 4.20.
Напряжение исследуемого сигнала (рис. 4.20,а), значение частоты fх которого требуется измерить, поступает через входной блок на формирователь импульсов, где преобразуется в периодическую последовательность положительных импульсов (рис.4.20.a). Они подаются в формирователь временных ворот, содержащий делитель частоты, у которого устанавливается одно из двух значений коэффициента деления g:16 или 128.
Измерительная процедура всегда начинается с измерения периода. Это регламентируется подачей сигнала с микро-ЭВМ на управляющие входы обоих мультиплексоров, при наличии которого входы 1 и 2 временного селектора соединяются со входами 1 мультиплексора I и II соответственно. Одновременно у делителя частоты формирователя временных ворот устанавливается коэффициент деления g1= 16. В результате на вход 1 временного селектора поступает стробирующий импульс—временные ворота длительностью q1Tx — 16Tx (рис. 4.20,в), где Тх — период исследуемого сигнала, а к входу 2 временного селектора подводятся счетные импульсы от генератора, заполняющие стробирующий импульс (рис. 4.20,г). Их число к=g1FсчТх — 64-105/fх. Например, при измерении частоты fх = 20 Гц получается число N=320 000. Поскольку оно в несколько раз больше емкости счетчика С= 212=4096, то последний в процессе поступления импульсов многократно переполняется. Сигналы переполнения и остаточное' двоичное число, фиксируемое счетчиком, поступают в микро-ЭВМ и оттуда — после вычисления значения частоты — на дисплей. Он отображает результат в виде десятичного числа с указанием единиц измерения частоты.
Если значение Тх периода исследуемого сигнала окажется недостаточно большим, то микро-ЭВМ, сохраняя тот же режим измерения, автоматически устанавливает у делителя частоты коэффициент деления g2=128, после чего длительность стробирующего импульса становится равной 1287 Тх. Может оказаться, что и теперь число импульсов, заполняющих временные ворота, относительно мало. Тогда микро-ЭВМ так изменит режим работы, что прибор будет измерять частоту непосредственно.
При переводе прибора в режим прямого измерения частоты по управляющему сигналу микро-ЭВМ входы 1 и 2 временного селектора подключаются к входам 2 мультиплексоров I и // соответственно (рис. 4.19). После этого на вход 1 временного селектора подается из микро-ЭВМ стробирующий импульс (временные ворота) длительностью 1 с (рис. 4.20, д), а на вход 2 временного селектора поступает с выхода формирователя импульсов периодическая последовательность импульсов с частотой следования fх (рис. 4.20,6). Счетчик подсчитывает число импульсов, попадающих во временные ворота (рис. 4.20,е). Зафиксированное в счетчике число и сигналы переполнения, если они появляются, подаются в микро-ЭВМ, которая после обработки передает результат измерения на дисплей.
В частотомере, выполненном по схеме, изображенной на рис. 4.19, может быть осуществлен автоматический контроль (самоконтроль) нормального функционирования прибора. Для этого по команде микро-ЭВМ выход генератора счетных импульсов, следующих с частотой F сч, подключается к входу прибора, который работает в режиме измерения частоты. При нормальном функционировании частотомера дисплей будет показывать значение FСч. Возможен и иной вариант соединений согласно управляющему сигналу микро-ЭВМ: вход 2 мультиплексора I соединяется со входом 1 временного селектора (на этот вход подается стробирующий импульс длительностью Δtк= 1 с), а его вход 2 подключается к входу 1 мультиплексора II (к данному входу подводятся счетные импульсы). Дисплей отображает значение F сч, если схема нормально функционирует.

Цифровой частотомер повышенной точности. Большой интерес представляют приборы, измеряющие частоты в широком диапазоне (например, от 0,01 Г ц до 320 МГц или от 10 Гц до 1 ГГц) с малой погрешностью дискретности, максимальное значение которой остается постоянным во всем диапазоне измерений. Органичной частью таких приборов служат микропроцессорные системы, без которых крайне сложно осуществить вычисления, диктуемые алгоритмом измерения, и управление блоками прибора, а также режимами его работы.
Сначала рассмотрим идею оригинального варианта метода дискретного счета, позволяющего измерять частоту с малой и постоянной погрешностью в широком диапазоне, а затем выясним, как эта идея осуществляется аппаратурно.
Предположим, что исследуемый периодический сигнал, значение частоты fх которого требуется найти, — сигнал синусоидальной формы (рис. 4.21,а). Он преобразуется в периодическую последовательность импульсов (рис. 4.21,6), период Тх следования которых равен периоду исследуемого сигнала. Независимо от этой последовательности формируются первые временные ворота длительностью Δt1 (рис. 4.21,в). Они заполняются n импульсами периодической последовательности (рис. 4.21,г). Число n фиксируется. Согласно (4.13) отношение n/Δtк соответствует значению f х измеряемой частоты. Его отклонение от значения fх определяется погрешностью дискретности, уменьшение которой и является целью применения данного метода.
Одновременно формируются вторые временные ворота, такие, что их фронт соответствует импульсу последовательности, появившемуся сразу после начала первых ворот, а срез — импульсу, возникающему сразу после окончания первых ворот (рис. 4.21, д и е). Таким образом длительность вторых временных точно равна целому числу периодов исследуемого сигнала, т. е. Δt2 = пТх (рис. 4.21, е). Фронт и срез образованных ворот синхронизированы с моментами появления импульсов периодической последовательности, сформированной из исследуемого сигнала, поэтому погрешность округления исключается. Вторые временные ворота заполняются счетными импульсами (рис. 4.21,ж), число N которых (рис. 4.21,з) фиксируется.
Формулу для нахождения значения измеряемой частоты можно получить следующим путем. Число импульсов, попавших во вторые временные ворота, как это видно из рис. 4.21 ,е и з, определяется отношением
откуда
(4.18)
где Fсч — частота следования счетных импульсов, значение которой известно.
Точность измерения частоты определяется погрешностью дискретности измерения интервала времени пТх.
Получим выражение для относительной погрешности дискретности бf измерения частоты, для чего сначала определим макси
млльное значение относительной погрешности дискретности измерения интервала времени Δt 2 = пТх. Так как этот интервал заполняется счетными импульсами с периодом следования Т cч, то максимальная абсолютная погрешность Δ2 =± Т cч, а максимальная относительная погрешность
Равенство пТх= Δt 2 можно представить в виде
Тогда в соответствии с правилами вычисления погрешностей косвенных измерений погрешность измерения функции fх связана с погрешностью измерения аргумента Δt2 соотношением (с точностью до второго порядка малости): бf= б2. После подстановки 62 из (4.19) получим
Согласно (4.13) можно записать равенство
. Подставив в (4.20) вместо fх/п отношение
, будем иметь
(4.21)
Формула (4.21) приводит к выводу, что максимальное значение относительной погрешности дискретности измерения частоты изложенным вариантом метода дискретного счета не зависит от значения измеряемой частоты и, следовательно, постоянно во всем диапазоне измерения.
При частоте следования счетных импульсов FСч=10 МГц и длительности первых временных ворот Δt1= 1 с (как это имеет место в некоторых частотомерах) максимальное значение относительной погрешности дискретности бf =±10-7.
Если при измерении интервала времени Δt 2 =Тпх применить метод интерполяции, то для той же частоты следования счетных импульсов Fcч =10 МГц и той же длительности первых временных ворот Δt1 = 1 с получим бf = ±10-10.
Теперь рассмотрим структурную схему прибора, осуществляющего измерения согласно рассмотренному варианту метода дискретного счета (рис. 4.22). Фигурирующие в схеме логические элементы И1, И2, НЕ относятся к блоку формирования и управления, но изображены вне его для большей наглядности.
Исследуемый сигнал частотой fх (рис. 4.21,а) передается через входной блок в формирователь импульсов, где преобразуется в периодическую импульсную последовательность (рис. 4.21,6). Она поступает на первый вход временного селектора I, к входу 2 которого подводится вырабатываемый внутри микропроцессора стробирующий импульс, представляющий собой первые временные ворота длительностью Δt1= 1 с (рис. 4.21,в). Заполняющие эти временные ворота импульсы (рис. 4.21,г), подсчитываются счетчиком I, в нем фиксируется число п.
Стробирующий импульс, выполняющий роль первых временных ворот, подастся с микропроцессора также на вход 2 логического элемента И) и на вход логического элемента НЕ. Вследствие

этого импульсы периодической последовательности, подводимые с выхода формирователя к входам 1 логических элементов И1, И2, могут пройти на вход 1 (блока формирования и управления, когда на входе 2 элемента И, имеется стробирующий импульс, а на вход 2 блока формирования и управления, когда на входе логического элемента НЕ отсутствует стробирующий импульс.
Схема формирования вторых временных ворот длительностью пТх (входы 1 и 2 блока формирования и управления — это ее входы) выполнена на двух триггерах. Особенности ее работы заключаются в следующем. При исходном состоянии схемы импульсы, поступающие на ее вход 2, не воздействуют на нее. Первый импульс, подводимый через логический элемент И1 к входу схемы, перебрасывает ее первый триггер, это влечет за собой переброс второго триггера, образуется положительный перепад напряжения на его выходе и в результате на выходе схемы формируется фронт вторых временных ворот (рис. 4.21, д и е). После этого импульсы, подаваемые на вход 1 схемы формирования, состояния ее не меняют. Пока имеется стробирующий импульс на входе логического элемента НЕ, импульсы периодической последовательности не могут проходить через логический элемент И2. Но сразу по окончании действия стробирующего импульса первый импульс последовательности поступает через логический элемент И2 на вход 2 схемы и возвращает второй триггер в исходное состояние. На его выходе образуется отрицательный перепад напряжения формируется срез вторых временных ворот (рис. 4.21, ди е). Таким образом, на входе 2 временного селектора II получаются вторые временные ворота длительностью Δt2 = пТх, через которые проходят счетные импульсы (рис. 4.21,ж). Попавшие в ворота импульсы (рис. 4.21,з) подсчитываются счетчиком II, в нем фиксируется число N. Микропроцессорная система, в ЗУ которой в виде константы хранится значение Fсч, вычисляет значение частоты согласно (4.18). Результат вычисления передается на дисплей цифровой (например, на жидких кристаллах) или электронно-лучевой.
Микропроцессорная система не только осуществляет необходимые вычисления, но и управляет выбором режима и поддиапазона измерений, установкой запятой в показании прибора, а также соответствующих единиц измерения (Гц, кГц, МГц). Наличие микропроцессорной системы позволяет расширить функции, выполняемые прибором: проводить многократные наблюдения и усреднять их результаты, измерять не только частоту, но и период периодического сигнала, интервалы времени, фазовые сдвиги (при наличии дополнительного блока в составе аппаратной части), исключать систематическую погрешность при измерении интервалов времени, обусловленную задержкой опорного и интервального импульсов в каналах передачи сигналов. Кроме того, микропроцессорная система дает возможность осуществлять автоматический контроль нормального функционирования частотомера, включать прибор в измерительную систему посредством интерфейса, выполнять передаваемую через него внешнюю программу измерений (см. § 12.4).
4.6. ГЕТЕРОДИННЫЙ МЕТОД
Сущность гетеродинного метода заключается в сравнении частоты исследуемого напряжения с частотой напряжения перестраиваемого гетеродина, который заранее проградуирован. Приборы, осуществляющие этот метод, называют гетеродинными частотомерами. Их используют для измерения в диапазонах высоких и сверхвысоких частот, хотя в настоящее время такие частотомеры как самостоятельные приборы не выпускают. Основное применение гетеродинный метод находит в гетеродинных преобразователях частоты, которые служат для расширения диапазона частот, измеряемых цифровым частотомером (см. § 4.7).
Работа гетеродинного частотомера (рис. 4.23) и методика измерений сводяться

к следующему. В положении И переключателя П на смеситель поступают одновременно напряжения двух частот: измеряемой fx игетеродина f г. На Выходе смесителя получаются напряжения комбинационных частот, и в то» числе биений. Гетеродин перестраивают по частоте до появления нулевых (низкочастотных) биений, выделяемых ФНЧ и фиксируемых индикаторным прибором. Индикатор может быть визуальным (осциллограф, стрелочный прибор) или тональным (телефон). После получения пулевых биений по шкале гетеродина определяют частоту его напряжения и, следовательно, fx, так как при нулевых биениях fx = f г.
Погрешность измерений складывается из погрешности меры, т. е. нестабильности частоты и непостоянства градуировочной характеристики гетеродина, погрешностей сравнения и фиксации нулевых биений. Для уменьшения погрешности, связанной е градуировкой гетеродина, в схемах частотомеров предусмотрен кварцевый генератор, выполняющий функции образцовой меры. С его помощью поверяют и корректируют градуировочную характеристику шкалы гетеродина. Эту операцию производят после предварительного (ориентировочного) измерения неизвестной частоты. Для этого переключатель рода работы ставят в положение К. К смесителю помимо гетеродина оказывается подключенным кварцевый генератор, напряжение которого содержит много гармоник. Отсчетный лимб гетеродина устанавливают в положение, соответствующее ближайшей к измеряемой частоте гармонике — «кварцевой точке». Индикаторный прибор фиксирует наличие биений, которые е помощью «корректора» гетеродина доводят до нулевых. Если у гетеродина отсутствует «корректор», то шкалу проверяют в соседних по обе стороны от fx точках, производят линейиую интерполяцию и вводят поправку, уточняющую градуировочную характеристику. После корректировки кварцевый генератор отключают и на смеситель подают сигнал измеряемой частоты. Гетеродин настраивают на частоту, при которой получаются нулевые биения, и делают окончательный отсчет по его шкале.
В диапазоне СВЧ применяют гетеродины, основная частота напряжения которых во много раз ниже измеряемой. При этом используются высшие гармоники гетеродина. Измеряемая частота сравнивается с частотой n-й гармоники гетеродина при нулевых биениях.
При смешении напряжений гетеродина и источника измеряемой частоты возможны биения между различными гармониками, например между второй гармоникой источника и пятой гетеродина. В ряде случаев эти явления используют для расширения диапазона гетеродинного частотомера. Иногда же они нежелательны, так как осложняют процесс измерений.
Гетеродинные измерители частоты характеризуются следующими основными параметрами: классом точности, диапазоном измеряемых частот, диапазоном частот гетеродина, значениями опорных частот и их погрешностями, чувствительностью и др.
4.7. ШИРОКОДИАПАЗОННЫЕ ЧАСТОТОМЕРЫ
Верхнюю границу частот, непосредственно измеряемых цифровыми частотомерами, работающими по методу дискретного счета, характеризуют значения от 500 МГц до 1 ГГц. Для измерения более высоких значений разработаны различные способы расширения диапазона частот [46, 113].
Сочетание цифрового частотомера и гетеродинного преобразователя частоты. Такое аппаратурное решение существенно расширяет диапазон измеряемых значений частоты. Например, цифровой частотомер, непосредственно работающий в диапазоне
0,1 Гц...300 МГц, совместно с комплектом преобразователей частоты измеряет частоты в пределах от 0,1 Гц до 78,33 ГГц.
Преобразователи характеризуются диапазоном преобразуемых частот, чувствительностью по напряжению, погрешностью преобразования, способом отсчета результатов измерения, уровнем автоматизации процедуры измерений. Структурные схемы гетеродинных преобразователей разнообразны.
На рис. 4.24 представлен вариант прибора, в котором преобразователь дополняет цифровой частотомер. Работа прибора сводится к следующему.
При разомкнутом ключе частотомер используется как самостоятельный прибор. В этом случае напряжение измеряемой частоты fх подается на вход 1, причем пределы измеряемых частот определяются рабочим диапазоном частотомера. Замыканием ключа схема преобразуется в своеобразный гетеродинный частотомер. В отличие от обычных в подобном гетеродинном частотомере отсутствует кварцевый калибратор, так как основная частота гетеродина не калибруется, а измеряется электронно-счетным частотомером. Вследствие использования большого числа гармоник гетеродина становится возможным измерять частоты в широком диапазоне.
Методика измерения такова. Сигнал подводят к входу 2. При нулевых биениях между напряжением сигнала и одной из гармоник перестраиваемого гетеродина, фиксируемых индикатором, основную частоту гетеродина измеряют

цифровым частотомером. Измеряемая частота fх определяется произведением показания счетчика на номер гармоники n. Последний легко найти, если приблизительно известно значение так как fх = n f г. Когда fх не известна, номер гармоники определяют следующим образом. Получив нулевые биения, фиксируют по электронно-счетному частотомеру основную частоту гетеродина f г1. Если при этом использовалась n-я гармоника гетеродина, то fх = n f г 1. Затем плавно уменьшают частоту гетеродина до повторного появления нулевых биений. Теперь уже биения образуются между напряжением сигнала и (n + 1)-й гармоникой гетеродина. Показання счетчика прибора в момент нулевых биений равны f г 2. Измеряемая частота та же, что и в первом случае нулевых биений. Следовательно,
Из равенства
находим:

Автоматический частотомер на основе микропроцессорной системы и синтезатора частоты. Подобные приборы позволяют проводить без перестроек измерения частот, значения которых заключены в широком диапазоне (например, от 10 Гц до 18 ГГц или от 10 Гц до 32 ГГц), при разрешающей способности 1 Гц.
На рис. 4.25 изображена структурная схема широкодиапазонного частотомера с программируемым синтезатором частот, управляемым микропроцессорной системой. Он выполняет роль гетеродина.
Синтезатор частот — это устройство, преобразующее сигнал с фиксированным значением частоты, вырабатываемой образцовым (высокостабильным) источником, в сигнал, дискретные значения частоты которого устанавливаются с требуемым шагом в определенном диапазоне частот. В схеме частотомера переход от одного
значения частоты к другому осуществляет микропроцессорная система.
Для нахождения значения частоты в поддиапазоне от 10 Гц до 300 МГц напряжение исследуемого сигнала подается на вход 1.
Измерение выполняет непосредственно цифровой частотомер. При более высоких значениях частоты f изм выход источника сигнала соединяется со входом 2 прибора. Работа схемы заключается в следующем.
Напряжение исследуемого сигнала поступает через входной блок на вход 1 смесителя, к входу 2 которого подводится напряжение выходного сигнала программируемого синтезатора частот. Микропроцессорная система изменяет значение частоты f сит снт ВЫХОДНОГО сигнала синтезатора до тех пор, пока разность значений измеряемой частоты и п -й гармоники выходного сигнала синтезатора
примет значение f 'пр, находящееся в полосе пропускания усилителя промежуточной частоты (УПЧ). При этом детектор, включенный на выходе УПЧ, формирует сигнал-команду, по которой микропроцессорная система прекращает дальнейшую перестройку частоты синтезатора. Значение f ' пр измеряется цифровым частотомером и результат измерения направляется в память системы.
Искомое значение частоты определяется по одной из двух формул:

где f ' cнт — значение основной частоты выходного сигнала синтезатора, установленное микропроцессорной системой, а n— номер используемой гармоники.
Определение числа n и того, какая из формул [(4.22) или
(4.23) ] должна быть использована для вычислений, производится автоматически по следующей методике. Микропроцессорная система уменьшает значение основной частоты выходного сигнала синтезатора f 'cнт на Δ f (причем Δ f << fпр), в результате получается
Измерительная процедура повторяется. На выходе УПЧ появляется сигнал разностной частоты, значение которой f "пр измеряется частотомером. Результат измерения направляется в микропроцессорную систему, которая вычисляет номер гармоники по формуле

а также сравнивает значения f "пр и f 'пр. Если f "пр> f 'пр, то, как несложно установить, имеет место соотношение
и значение f изм находится по (4.22). Неравенство f 'пр> f "пр говорит о том, что
и соответственно используется (4.23).
4.7. МЕТОДЫ СРАВНЕНИЯ С ЧАСТОТОЙ ДРУГОГО ИСТОЧНИКА ПОСРЕДСТВОМ ОСЦИЛЛОГРАФА
Методы сравнения применяют главным образом для градуировки и поверки генераторов сигналов, задающих генераторов приборов, калибраторов осциллографов и т. д.
Для сравнения необходимо иметь второй источник сигнала — обычно образцовый генератор, точность которого по крайней мере в 5 раз выше точности контролируемого источника, и устройство для сличения частот. Часто таким устройством служит осциллограф. Рассмотрим методы сравнения, реализуемые с помощью осциллографических индикаторов в диапазоне частот от 110 Гц до 10... 20 МГц.
Дата публикования: 2015-01-23; Прочитано: 1277 | Нарушение авторского права страницы | Мы поможем в написании вашей работы!
