3.5.3. Структурная схема и режимы работы универсального цифрового частотомера

Универсальный цифровой частотомер является прибором, предназначенным для измерения частоты колебаний, подаваемых на вход A, периода сигналов, подаваемых на вход Б, отношения частот сигналов, поступающих на входы А и Б, может быть использован в качестве датчика кварцевых частот и т.д. Структурная схема универсального цифрового частотомера приведена на рис. 3.18.

Рис. 3.18. Структурная схема универсального цифрового частотомера

Различают несколько режимов работы универсального цифрового частотомера.

1. Режим: "Измерение частоты" (Основной). Переключатели П1 и П2 находятся в положении 1.

В этом режиме входной сигнал поступает на вход А. Из входного сигнала формируются квантующие импульсы с периодом входного сигнала .

Рис. 3.19. Напряжения на входах и выходе временного селектора в режиме измерения частоты

Напряжение кварцевого генератора используется для формирования образцового интервала времени , в течение которого подсчитывается число периодов входного сигнала n. Измеренное значение частоты определяется как:

. (3.14)

2. Режим "Измерение периода". Переключатели П1 и П2 находятся в положении 2. В данном режиме входной сигнал подается на вход Б частотомера. Из входного сигнала формируется временной строб длительностью , напряжение кварцевого генератора используется для формирования меток времени – последовательности коротких импульсов с высокостабильным периодом следования . Счетчик подсчитывает число меток времени n, попадающих внутрь временного строба, измеренное значение периода определяют по формуле:

. (3.15)

Рис.3.20. Эпюры напряжений в режиме измерения периода

Режим измерения отношения частот на входах A и Б ( ). Переключатель П1– в положении 1, П2– в положении 2 .

В данном режиме частотомер измеряет отношение частот на входах A и Б. Кварцевый генератор отключен. Квантующие импульсы формируются из напряжения высокой частоты, поступающего на вход А. Стробирующий импульс длительностью формируется из низкочастотного напряжения, поступающего на вход Б.

Число импульсов, зафиксированное счетчиком, составит:

.

Отношение частот на входах А и Б определится по формуле:

. (3.16)

Рис. 3.21. Эпюры напряжений в режиме измерения отношения частот

Режим самоконтроля. Переключатель П1 находится в положении 2, П2 – в положении 1. Данный режим предназначен для проверки правильности функционирования декадных счетчиков, временного селектора, формирующих устройств и табло цифрового индикатора. Квантующие импульсы и временной строб формируются из напряжения кварцевого генератора. Напряжения входных сигналов подавать не требуется. При исправном частотомере число импульсов, зафиксированное счетчиком равно:

. (3.17)

Рис. 3.22. Напряжения в режиме самоконтроля

Поскольку коэффициент деления K делителя частоты выбирается кратным 10, то на табло цифрового индикатора также будет наблюдаться число, кратное 10.

Для повышения точности измерений вместо внутреннего кварцевого опорного генератора с кварцевой стабилизацией используют внешний стандарт частоты. Следует иметь в виду, что частота стандарта численно должна быть равной Гц, где m – целое число, так как только в этом случае цифровой отсчет на табло частотомера будет соответствовать измеряемой частоте или периоду с учетом положения запятой.

Максимальное значение измеряемой частоты определяется в основном быстродействием электронного счетчика, т. е. образующих его декадных делителей. Для расширения частотного диапазона во входном тракте применяют двоичные делители, быстродействие которых выше, чем декадных. Верхний предел измеряемых частот равен 100 – 200 МГц, а с преобразованием (переносом) частоты достигает 70 ГГц. Погрешность измерения частоты . Диапазон измеряемых интервалов времени и периодов 1 мкс – с. Погрешность измерения – 0,1 мкс. Максимальное число десятичных разрядов определяется емкостью счетчика.

Каждый электронно-счетный частотомер можно использовать как источник серии стабильных частот (рис. 3.23), получаемых от кварцевого генератора и делителей частоты.

Рис. 3.23. Использование цифрового частотомера как источника серии стабильных частот

При частоте кварцевого генератора МГц с выхода делителя частоты можно получить напряжения с частотами:

.

Современные электронно-счетные частотомеры являются автоматическими приборами, отличающимися высокой точностью измерений, быстродействием, удобством отсчета и простотой работы с ними. Замена резонансных и гетеродинных частотомеров уменьшает время измерения в 30 – 50 раз и снижает погрешность на 4 – 5 порядков. Наличие на выходе результата измерения в виде электрического кода позволяет использовать их в измерительно-информационных системах и системах управления.

Достижения в области микроэлектроники позволили создавать электронно-счетные частотомеры на базе интегральных микросхем и микропроцессоров. Применение последних значительно увеличило надежность, уменьшило габариты, массу и потребляемую энергию, позволило добиться высокой степени автоматизации измерений.