Разработка методики измерений частоты на осциолограффе С1-72

Метод сравнения

Метод сравнения для измерения частоты получил широкое распространение, благодаря его простоте, пригодности для использования практически в любом диапазоне частот и сравнительно высокой точности результата измерения. Измеряемая частота определяется по равенству или кратности образцовой частоте. Следовательно, для измерения частоты fx. методом сравнения необходимо иметь источник образцовых частот fобр индикатор равенства или кратности fx. иfобр. В качестве источника образцовых частот применяют образцовые меры частоты, так называемые стандарты частоты, с нестабильностью 109--1011 за 1 сут.

Для градуировки генераторов измерительных сигналов используют синтезаторы частоты и другие генераторы, погрешность установки частоты которых на порядок, а нестабильность частоты за 30 мин -- на 3 порядка меньше, чем у градуируемого генератора.

Индикатором равенства или кратности частот может быть осциллограф или нелинейный преобразователь частоты;

Рисунок 10- К определению кратности частот

в соответствии с этим метод сравнения для измерения частоты реализуют двумя способами: осциллографическим и гетеродинным.

3. Средства измерения

Измерение частоты составляет одну из важных задач измерительной техники. В современной радиоэлектронике, автоматике и других близких к ним областях науки и техники используются сигналы разнообразных частот - от инфра низких до сверхвысоких

Для измерения частоты используют методы непосредственней оценки и сравнения частот. К приборам непосредственной оценки относятся: электромеханические частотомеры с логометрическим механизмом, конденсаторные частотомеры, резонансные частотомеры и электронно-счетные частотомеры. К приборам сравнения частот относятся: компараторы частоты, гетеродинные частотомеры, осциллографические частотомеры . Наиболее известными методами являются резонансный, гетеродинный, заряда и разряда конденсатора, сравнения при помощи осциллографа и др. Рассмотрим некоторые из этих приборов.

Измерение временных интервалов.

Измерение временных

tx =KplMp. (12),

Кp - коэффициент развертки,

Мр- масштаб развертки по оси Х,

l- длина периода изображения  на экране ЭЛТ.

Измерение временных интервалов с помощью калибрационных меток. Метод основан на создании в кривой исследуемого сигнала яркостных меток образцовой частоты. Это достигается подачей на модулятор ЭЛТ (вход Z) сигнала с измерительного генератора.

Измерение временных интервалов с помощью задержанной развертки. Метод основан на смещении изображения вдоль линии развертки относительно выбранной неподвижной точки (линии шкалы). Отсчет производится по регулировочной шкале “задержка”.

Цифровые измерительные приборы.

Цифровые (электронно-счетные) частотомеры.

Цифровые частотомеры применяются для точных измерений частоты гармонических и импульсных сигналов в частотном диапазоне до 50 ГГц.

Принцип действия большинства цифровых частотомеров основан на подсчете числа импульсов N, соответствующих числу периодов измеряемого сигнала с неизвестной частотой fx за нормируемый интервал времени Ти (Ти - время измерения). В этом случае неизвестная частота определяется как:

. (13),

Рисунок 11-Типовая структурная схема электронно-счетного частотомера

Рисунок 12-диаграмма, поясняющая работу частотомера.

Входное устройство предназначено для согласования схемы частотомера с источником входного сигнала. Входное устройство состоит из широкополосного усилителя и аттенюатора.

Формирователь предназначен для преобразования исследуемого напряжения в последовательность импульсов fx с большой крутизной фронтов.

Временной селектор представляет собой электронный ключ, который открывается строб- импульсом Ти, вырабатываемым устройством управления.

Делитель предназначен для деления частоты генератора (обычно 1 мГц) декадными ступенями до 0.01Гц.Т.е. 100, 10, 1 Кгц, 100, 10, 1, 0.1 и 0.01 Гц.

Счетчик подсчитывает число импульсов fx2 за период времени Ти.

Таким образом, если период времени Ти известен с высокой точностью, то число импульсов, которое уложилось в этот период будет пропорционально частоте измеряемого сигнала. При этом погрешность может составлять ±1 импульс (±1 период). Из этого следует, что погрешность частотомера зависит от выбранного времени измерения Ти и определяется как:

(14),

Величина - называется погрешностью дискредитации.

- погрешность нестабильности частоты кварцевого генератора (на практике пренебрежимо малая величина).

Погрешность дискредитации обусловлена, в основном, несоответствием моментов появления счетных импульсов N относительно фронтов строб- импульса Ти.

Рассмотрим пример определения погрешности частотомера.

Пусть выбран интервал измерения Ти=1 сек. Определить погрешность измерения частоты при измерении сигнала с ориентировочной частотой: 1 - 10 МГц и 2 - 10 Гц.

Расчет проводится по формуле:

. (15),

В первом случае погрешность равна =2*10-5 %, во втором случае =10 %.

На практике применяют и другие методы и способы измерения частоты, не относящиеся к разделу цифровой техники. Рассмотрим это методы.

Резонансный способ измерения частоты.

Данные частотомеры представляют собой колебательную систему, настраиваемую в резонанс с источником измеряемой частоты. Частоту определяют по калиброванной шкале прибора.

Рисунок 13- Структурная схема резонансного частотомера

Рисунок 14 -Упрощенная схема резонансного частотомера

Если поднести измерительную катушку к источнику электромагнитного поля с измеряемой частотой, например к колебательному контуру радиоэлектронной аппаратуры, и емкостью С настроить колебательный контур в резонанс с измеряемой частотой, то стрелочный индикатор отклонится на максимум. По калиброванной шкале переменного конденсатора определяется частота источника. Точность таких систем невысока, однако у них имеется преимущество, - они могут измерять частоту бесконтактным способом.

Осциллограф и измерение частоты осциллографом

Для измерения частоты используют осциллограф. Осциллограф - это прибор, который предназначен для исследования и наблюдения электрических сигналов во временной области, которую определяет период, путём визуального наблюдения графических сигналов на экране прибора, либо записанного результата на фотоленте, и также для измерения амплитудных и временных параметрических сигналов по форме графика. Сегодня осциллографы дают возможность разворачивать сигнал многогерцовых частот.

В виде графиков отображаются колебания частот. Это могут быть линии или точки, в зависимости от выбранных параметров графика. Частоты отображаются в зависимости от их изменения во времени. Иногда еще при влиянии внешних факторов, например, повышении сопротивления или изменения напряжения.

Универсальными осциллографами называются осциллографы, которые построены по функциональной схеме.

У запоминающих осциллографов есть трубка для накопления заряда. Они сохранят изображение сигнала на долгое время и поэтому они удобны для исследования и наблюдения однократных и нечасто дублирующихся сигналов. Быстрота записи запоминающих осциллографов может достигнуть нескольких тысяч километров в секунду. Время воспроизведения записанного графического изображения для различных моделей лежит в промежутке от 1 до 30 минут. Запоминающие осциллографы, как принято считать, обладают характеристикой сохранять изображение при завершении работы осциллографа и последующей его активации через двое или больше суток, функциональная схема запоминающих осциллографов отличается дополнительной частью - блоком, который управляет режимом работы запоминающей трубки (запись, воспроизведение изображения и его удаление).

В стробоскопическом осциллографе используется понятие поочередного стробирования сиюминутных значений сигнала для преобразования (сжатия) его спектрального значения; при каждом дублировании сигнала определяется (отбирается) сиюминутное значение сигнала в одной временной точке. К приходу нового сигнала точка отбора перемещается по сигналу. Измененный сигнал, представляющий собой огибающую мгновенных значений входного сигнала, повторяет его форму. Протяженность преобразованного сигнала в несколько раз превышает длительность исследуемого, и, следовательно, имеет место сжатие спектрального значения, что равно соответствующему расширению полосы пропускания осциллографа.

Скоростные осциллографы используют трубки с вертикально отклоняющей системой типа "бегущей волны". Они описывается широким распространением полос и огромной скоростью записи результатов. У скоростных осциллографов нет усилителя в тракте вертикального отклонения и, позволяют исследовать и наблюдать не только периодические, но и однократные сигналы, которые быстро протекают. Особенные осциллографы работают как приборы для исследования телевизионных или высоковольтных сигналов.

Шлейфовый осциллограф работает следующим образом. Световая оптическая система формирует луч света, фокусирует его и отправляет на зеркало шлейфа. Отразившись от зеркальной перегородки, световой луч попадает на светочувствительную плёнку и там остается след в виде кривой, которая отображает изменение величины, которую исследуют во времени. Развёртывание кривой во временном промежутке обеспечивается равным переходом носителя записи в направлении, которое перпендикулярно (находится под углом в 90 градусов) отклонению луча света.

Таким образом, видно, что осциллограф замеряют не только временные, но и амплитудные показатели. Амплитудные показатели показывают колебания между высшим и низшим максимумами. За один период показатель проходит путь во времени от начальной точки и до такой же точки по амплитуде через период. Такие колебания свойственны для равномерных или периодических колебаний, где период и частота неизменны. Но приборы и нужны для тех случаев, когда амплитуда, период и частота постоянно меняются. Приборы измерения частоты нужны, чтобы держать под контролем колебания и систему, в которой данные колебания происходят.

Немалую роль играют функции, которые доступны в измерительном приборе. Допустим, прибор с функцией воспроизведения колебаний позволит вам много раз просматривать колебания, их частоты и амплитуды, что позволит сделать более точные выводы о работе системы. Также компактность важна для исследовательской и наблюдательской деятельности. Важно, чтобы все было под рукой и вам не надо было бы разрываться посреди множества кнопок и регуляторов. Сегодня в продаже имеются модные и компактные измерительные приборы, которые выступают в роли компактного компьютера. Они обладают свойством не только отслеживать частоты и колебания, но могут показать такие тривиальные вещи, как время, температуру и предоставить электронный блокнот для записей.

Таким образом, для лучшего контроля, сбора и получения, данных вам, как исследователю, инженеру или наблюдателю могут понадобиться измерительные приборы.

Гетеродинный и генераторный способы измерения частоты.

Гетеродинный способ применяется для измерения низких и высоких частот путем сравнения частоты исследуемого сигнала с частотой маломощного генератора перестраиваемой частоты.

Структурная схема такого прибора и диаграмма, поясняющая принцип его действия показаны на рисунке 14

Цифровой метод измерения частоты

Цифровой (дискретного счета) метод измерения частоты реализован в цифровых частотомерах. Принцип действия цифрового частотомера основан на измерении частоты в соответствии с ее определением, т. е. на счете числа импульсов за интервал времени. Данные приборы удобны в эксплуатации, имеют широкий диапазон измеряемых частот (от нескольких герц до сотен мегагерц) и позволяют получить результат измерения с высокой точностью (относительная погрешность измерения частоты 10-6...10-9).

Поскольку цифровые частотомеры являются многофункциональными измерительными приборами, то в зависимости от режима их работы можно проводить измерение не только частоты и отношения двух частот, но и интервалов времени (периода следования периодических сигналов и интервала, заданного временным положением двух импульсов). Принцип измерения частоты гармонического сигнала цифровым методом поясняет рис. 15, где приведены структурная схема цифрового частотомера в режиме измерения частоты и временные диаграммы к его работе.

Исследуемый гармонический сигнал частоты fx подается на входное устройство (ВУ), усиливающее или ослабляющее его до значения, требуемого для работы последующего устройства частотомера (рис. 15). Снимаемый с выхода ВУ гармонический сигнал U1 поступает на формирователь импульсов (ФИ), преобразующий его в последовательность коротких однополярных импульсов U2, следующих с периодом Тх = 1/fx и называемых счётными. Причем передние фронты этих импульсов практически совпадают с моментами перехода сигнала U1 через нулевое значение на оси времени при его возрастании. Схемотехнически формирователь ФИ состоит из усилителя-ограничителя и компаратора (триггера Шмитта).

Счётные импульсы U2 поступают на один из входов временного селектора (ВС), на второй вход которого от устройства формирования и управления (УФУ) подается строб-импульс U3 прямоугольной формы и калиброванной длительности T0 > Tx. Интервал времени T0 называют временем счета.

Временной селектор открывается строб-импульсом U3 ,и в течение его длительности пропускает группу (пакет) из Nx импульсов U2 на вход счетчика (СЧ). В результате с временного селектора на счетчик поступает пакет из Nx импульсов U4. Первый счетный импульс, попавший во временные ворота T0 строб-импульса, опережает его передний фронт на время ?tн, а срез ворот и последний счетный импульс, появляющийся до среза, разделяет интервал ?tk. Из 22 следует, что

T0 = Nx Tx - ?tн + ?tk = Nx Tx - ?tд (16),

где ?tн и ?tk-- абсолютные погрешности дискретизации начала и конца интервала T0, вызванные случайным положением строб-импульса относительно счетных импульсов и2; ?tд=?tн-?tk--общая абсолютная погрешность дискретизации.