- •3. Измерение частоты
- •3.1. Общие положения
- •3.2. Метод перезаряда конденсатора
- •3.3. Резонансный метод измерения частоты
- •3.4. Метод сравнения неизвестной частоты с частотой образцового генератора
- •3.4.1. Осциллографический способ сравнения частот
- •3.4.2. Гетеродинный метод
- •3.5. Цифровые методы измерения частоты
- •3.5.1. Структурная схема цифрового частотомера
- •3.5.2. Погрешности цифрового метода измерения частоты
- •Предельное значение относительной погрешности
- •3.5.3. Структурная схема и режимы работы универсального цифрового частотомера
- •3.5.4. Прецизионные методы измерения частоты
- •Решение: Погрешность измерения частоты в обычном режиме составит
- •При измерении с дискретной весовой функцией
- •Метод измерения частоты с квазинепрерывной весовой функцией [10] позволяет уменьшить как погрешность квантования, так и шумовую составляющую погрешности.
- •Среднеквадратическая погрешность
3.4.2. Гетеродинный метод
Данный способ, как правило, применяется для сравнения высоких частот. Напряжения
,
подают на нелинейный элемент (Н.э.) – детектор, смеситель или модулятор (рис. 3.8). На его выходе появляется напряжение, в спектре которого имеется составляющая с разностной частотой , называемой частотой биений. При равенстве частот и частота биений равна нулю, поэтому данный метод часто называют методом нулевых биений.
Рис. 3.8. Сравнение частот методом нулевых биений
В качестве индикатора нулевых биений могут быть использованы головные телефоны. На диаграмме рис. 3.9 показан процесс изменения частоты биений в зависимости от изменения при =const. При <15 кГц в телефонах возникает ток частоты биений, понижающийся по мере приближения к . В точке а (рис. 3.9) частота биений равна нулю, следовательно, . Однако определить положение точки a по исчезновению тона биений в телефонах не удается, так как человеческое ухо не воспринимает тона с частотами ниже 16¸20 Гц. Таким образом, при использовании в качестве индикатора нулевых биений телефона неизбежна абсолютная погрешность Гц.
Рис. 3.9. Зависимость частоты биений от частоты настройки образцового генератора
Данную погрешность легко устранить, если в качестве индикатора нулевых биений применить магнитоэлектрический микроамперметр. При <10 Гц стрелка будет колебаться. По мере приближения частоты к частота этих механических колебаний уменьшается и при равенстве частот колебания прекращаются.
Гетеродинные частотомеры основаны на способе нулевых биений. Структурная схема гетеродинного частотомера приведена на рис. 3.10, где Гпл – генератор с плавной настройкой – источник известной образцовой частоты; Гкв – кварцевый генератор, используемый для калибровки образцового генератора перед каждым измерением частоты; − корректирующая емкость, необходимая для установки нулевых биений при калибровке Гпл.
Рис. 3.10. Структурная схема простейшего гетеродинного частотомера
При работе Гкв отключается и производится сравнение и . Значение неизвестной частоты определяется как , где n – номер гармоники. Можно работать не только на первой, но и на других гармониках.
Погрешность гетеродинных частотомеров составляет 5×10-4 ¸ 5×10-6. Гетеродинные частотомеры постепенно вытесняются цифровыми. Однако в эксплуатации находится значительное число частотомеров разных типов, перекрывающих диапазон частот от 125 кГц до 40 МГц и от 2,5 до 78 ГГц.
3.5. Цифровые методы измерения частоты
Переменное напряжение, частоту которого нужно измерить, преобразуют в последовательность коротких однополярных импульсов с частотой следования, равной (рис. 3.11). Если сосчитать число импульсов N за известный интервал времени , то легко определить частоту :
. (3.6)
Рис. 3.11. Принцип дискретного счета при измерении частоты
В частности, если =1с, то N численно равно частоте . Эта идея является основой метода измерения частоты дискретным счетом. Приборы, созданные на основе этого метода, называют электронно-счетными частотомерами. Результат измерения появляется на табло передней панели прибора в виде светящихся цифр, и поэтому такие приборы часто называют цифровыми частотомерами.