Измерение частоты и интервалов времени

Период Т Период Т - основной параметр периодического сигнала U(t). U(t) = U( t+T ) Т - наименьший интервал времени, через которые повторяются мгновенные значения U(t). U(t) = U( t+T ) Классификация приборов для измерения частоты и интервалов времени Угловая частота ω = 2 f ω - изменение фазы гармонического сигнала в единицу времени. f = 1 / T частота периодического сигнала. f = 1 / T - частота периодического сигнала. Частота f - число идентичных событий в единицу времени.

Частотно-временные измерения могут быть: абсолютными ; абсолютными ; относительными. относительными. нестабильность частоты. При относительных измерениях оценивается изменение частоты во времени – нестабильность частоты. Долговременная нестабильность Долговременная нестабильность – систематическое смещение частоты за длительное время Кратковременная нестабильность Кратковременная нестабильность – определяется флуктуационными изменениями частоты. Граница между долговременной и кратковременной нестабильностью условна; определяется путем указания интервала времени измерения.

Приборы для измерения частоты образуют подгруппу Ч : подгруппу Ч : Ч1 Ч1 – стандарты частоты и времени; Ч2 Ч2 – резонансные частотомеры; Ч3 – электронно-счетные частотомеры; Ч4 Ч4 – гетеродинные, мостовые и емкостные частотомеры; Ч5 Ч5 – синхронизаторы и преобразователи частоты; Ч6 – синтезаторы, делители и умножители частоты; Ч7 Ч7 – приемники сигналов эталонных частот, компараторы и синхрометры; Ч8 Ч8 – преобразователи частоты в другую электрическую величину.

Измерение частоты может осуществляться: 1. прямым счетом числа идентичных событий за интервал времени измерения и делением полученного числа на этот интервал (по определению частоты) ; 2. путем сравнения с частотой источника образцовых колебаний (сравнение с мерой).

В зависимости от диапазона и требуемой точности: метод перезаряда конденсатора (низкая точность, ограниченный частотный диапазон) – не используются сейчас; метод перезаряда конденсатора (низкая точность, ограниченный частотный диапазон) – не используются сейчас; резонансный метод; резонансный метод; метод сравнения (гетеродинные частотомеры); метод сравнения (гетеродинные частотомеры); метод дискретного счета (цифровой); метод дискретного счета (цифровой); осциллографический метод осциллографический метод В настоящее время серийно выпускаются только электронно – счетные (цифровые) частотомеры.

Цифровые частотомеры ЦЧ f x,T x, t x, f 1 / f 2 ЦЧ - измерение частоты f x, периода T x, интервалов времени t x, отношения частот f 1 / f 2 и нестабильности частоты. При комплектовании ЦЧ соответствующими преобразователями ЦЧ превращаются в ЦВ и мультиметры. Цифровые частотомеры прямого преобразования Цифровые частотомеры - в основном, приборы прямого преобразования ( осуществляется счет числа идентичных событий за определенный интервал времени ).

В зависимости от величины интервала времени измерения В зависимости от величины интервала времени измерения (временной базы) различают: ЦЧ мгновенных значений ЦЧ мгновенных значений (измеряют f x за один период колебаний T x ); ЦЧ средних значений ЦЧ средних значений (измеряют f x путем подсчета числа периодов T x за интервал времени измерения Т и T x и деления полученного числа на Т и.

Типовая структурная схема ЦЧ ВУ1 ФУ1 Селектор Счетчик ОУ ФУ4 ФУ3 ВУ2 БОЧ ФУ2УУ Вход 2 Вход 4 Вход 3 Вход 1 T x, t x fxfx f 1 / f 2 U1U1 U3U3 U2U2 U4U4 опорный интервальный сброс

входное устройство; ВУ – входное устройство; управляющее устройство УУ управляющее устройство; формирующие устройства. ФУ1, ФУ2 – формирующие устройства. Преобразуют гармонические сигналы в короткие импульсы, соответствующие моментам перехода сигналов через нуль (при увеличении сигнала или при уменьшении сигнала). блок образцовых частот. БОЧ – блок образцовых частот. В качестве БОЧ применяется кварцевый генератор с системой делителей и умножителей частоты.

t t TxTx t t t T0T0 N импульсов TиTи UxUx U1U1 U2U2 U3U3 U4U4

При измерении частоты: Сигнал U x (измеряемая частота f x ) подается на вход ВУ1, Блок образцовой частоты БОЧ подключается к ФУ2. Число импульсов N, зафиксированное счетчиком, связано с T x и T и соотношением: T и = N · T x f x = N / T и При Т и = 10 n секунд ( n = 0; 1; 2…) показание счетчика соответствует f x. Прямоотсчетный интегрирующий ЦЧ.

При измерении периода T x : Сигнал подается на ВУ2. БОЧ подключается к ФУ1. Интервал времени измерения задается величиной T x, а счетными являются импульсы, сформированные БОЧ. T x = N ( T 0 / 10 n ) где 10 n (n = 0; 1; 2…) - коэффициент умножения f 0. не интегрирующий ЦЧ. При достаточно больших значениях T x и n частоту можно измерить за один период сигнала не интегрирующий ЦЧ. В практических схемах ЦЧ в общем случае интервал времени измерения выбирается равным 10 m T x (m =0, 1, 2,…), поэтому: T x = N ( T 0 / 10 n+m )

При измерении отношения частот При измерении отношения частот : БОЧ исключается из схемы, сигнал большей частоты f 1 подается на вход ВУ1, сигнал меньшей частоты f 2 – на вход ВУ2. Интервал Т и формируется из сигнала частоты f 2, а счету подвергаются импульсы, сформированные из сигнала частоты f 1. N = f 1 / f 2

При измерении интервалов времени t x : Формируются опорный (старт) и интервальный (стоп) импульсы, которые фиксируют интервал времени измерения. Эти импульсы формируются с помощью ФУ3 и ФУ4. Счету подвергаются импульсы образцовой частоты, прошедшие селектор. При всех режимах ЦЧ счетчик считает импульсы, прошедшие через селектор, открытый в течение времени измерения Т и. Время измерения Т и называется временем счета. Т и устанавливается в нc, мкс, мс, с.

Относительная погрешность измерения частотыf x Относительная погрешность измерения частоты f x нормируется величиной: k = 1.0 ; 1.5 ; 2.0 ; 2.5 ; 5.0 n = - 4 ; -5 ; ….. Значение δ 0 должно нормироваться для интервалов времени из следующего ряда: 10 ; 15 ; 30 мин ; 1 ; 2 ; 8 ; 24 час 10 ; 15 ; 30 сут. ; 6 ; 12 мес.

Относительная погрешность измерения T x n – коэффициент умножения частоты f 0 (n = 0, ± 1, ± 2 …) m – число периодов T x ( m = 0, 1, 2 ….)

Относительная погрешность измерения отношения частот f 1 / f 2

Особенности измерения частоты на низких частотах Основной фактор погрешности на низких частотах – погрешность дискретности Способы повышения точности: 1. Переход от измерения частоты к измерению периода (чем ниже частота, тем эффективнее становится режим измерения T x, появляется возможность измерения частоты за один период сигнала). 2. Умножение частоты в k раз и последующее измерения частоты kf x. 3. Способ растяжки дробной части периода T x (верньерный способ). Дробная часть периода T x растягивается в k раз и вновь заполняется импульсами входного сигнала.

Измерение высоких и сверхвысоких частот Основным фактором, ограничивающим максимальное значение частоты f x, является быстродействие счетчика импульсов. Для расширения диапазона измеряемых частот: 1. Предварительное деление частоты входного сигнала 2. Дополнение ЦЧ гетеродинными преобразователями частоты и перенос частоты в область промежуточных (разностных) частот. f р = f x – n f 0 Δ f УПЧ Разностная частота f р измеряется ЦЧ: f р = f x – n f 0 Δ f УПЧ, f x = n f 0 + f р значение измеряемой частоты находится: f x = n f 0 + f р

Измерители интервалов времени Кроме приборов подгруппы Ч используются специализированные измерители интервалов времени (ИИВ). вид И2 - хронометры При измерении t x используются: 1. методы прямого преобразования; 2. метод сравнения.

Метод прямого преобразования Метод прямого преобразования реализуется в виде: 1. метода осциллографических разверток; 2. метода преобразования t x в цифровой код Основное ограничение, препятствующее применению ЦЧ в качестве ИИВ – погрешность дискретности. Для минимизации погрешности дискретности требуется, чтобы t x Т 0. При повторяющихся интервалах можно увеличить время счета в 10 m раз и усреднить результаты измерений.

Дополнительные методы Дополнительные методы расширения диапазона измерений t x в сторону меньших значений. 1. стробоскопический метод; 2. нониусный метод.

Структурная схема ИИВ с нониусным счетчиком: ФУ1 ФУ2 Т1 Т2 Селектор 1 Селектор 2 ОУ Счетчик основной ГСчИ Счетчик нониусный СС ГНИ ΔtxΔtxΔtxΔtx «O» «И»

Временные диаграммы работы ИИВ с нониусным счетчиком Временные диаграммы работы ИИВ с нониусным счетчиком : α 1 Совпадение t Импульсы ГСчИ T0T0 t Импульсы ГНИ TнTн N-1N ΔtxΔtx Δ T T 0

Погрешности измерений нестабильностью ГНИ и ГСчИ. Погрешности измерений ИИВ с нониусным счетчиком связаны с нестабильностью ГНИ и ГСчИ. При большом числе n нестабильность может приводить к появлению ложных совпадений.

Измерение интервалов времени t x методом сравнения Измеряемое значение t x сравнивается с мерой – образцовым интервалом времени t 0, который задается источником временных сдвигов (ИВС). Нулевой метод - использование в качестве ИУ осциллографа.