Анализ известных методов построения цифровых частотомеров

1. анализ известных  методов построения ЧАСТОТОМЕРА

1. Общие сведения о методах измерения  частоты

В данном анализе известных методов  решения поставленной задачи будем  рассматривать только цифровые частотомеры, так как аналоговые уже устарели и имеют большую погрешность. Их абсолютная погрешность возрастает при расширении частотного диапазона в сторону высоких частот.

  Современный цифровой частотомер не имеет механических частей, и поэтому не критичен к способу установки. Относительная погрешность, которую имеет цифровой частотомер, может быть очень малой (достигает сотых долей процента).

Цифровые  приборы, используемые для преобразования и измерения частоты и периода, строятся по схожим методам. Метод их построения очень часто определяют значения периода или частоты, которые необходимо измерять с помощью этих приборов.

Цифровые частотомеры – это сложные измерительные устройства, обычно выпускаются универсальными с микропроцессорами для измерения частоты, отношения частот, периода, фазы малых промежутков времени отклонений измеряемых величин и для счета числа импульсов.

Цифровые  частотомеры сопоставления циклического действия основаны на одном из двух следующих методов:

1) сопоставления суммарного времени  прохождения N_x импульсов, которые генерируются по одному на каждый период неизвестной частоты с определенным, .точно установленным, промежутком времени Т_ц. В этом случае прибор измеряет среднюю частоту за время Т_ц: , где ;

2) сопоставления суммарной длительности  прохождения N_х квантующих импульсов с периодов повторения Т₀ с одним или несколькими п периодами Т_х неизвестной измеряемой частоты f_x: , где .

В случае, если прибор измеряет усредненный период  Т_х, величину, обратную частоте f_x.

Рассмотрим  следующие структуры цифровых частотомеров:

– с измерением среднего за время Т_ц значения частоты;

– измеряющего   отношение   двух частот;

– работающий в режиме измерения периода Т_х .

2. Цифровые частотомеры с изменением средней частоты за время Тц

В цифровых частотомерах, измеряющих среднее значение частоты за время Т_ц, количество периодов неизвестной частоты f_x подсчитывается за известный промежуток времени Т_ц. Структурная схема цифрового частотомера, измеряющего среднее за Т_ц значение частоты, показана на  
рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Структура цифровых частотомеров с измерением среднего значения частоты за время Т_ц

Формирователь F преобразует входное напряжение частоты f_x в последовательность импульсов с периодом повторения . Время Т_п устанавливается генератором импульсов с периодом повторения Т₀ и делителем частоты импульсов с соответствующим коэффициентом деления п. На выходе делителя частоты получаются импульсы с периодом повторения Т₀ - пТ₀. Эти импульсы управляют ключом SW, который отпирается на время Т_ц. Через открытый ключ в течение Т₀ квантующиеся импульсы с периодом повторения Т_х проходят к счетчику импульсов и подсчитываются им. Число импульсов, подсчитанных счетчиком, составляет , если , то .

Показания счетчика численно равны  среднему значению измеряемой частоты f_x за время Т_ц.

Погрешности цифрового частотомера, измеряющего среднее значение частоты, возникают по следующим причинам:

– из-за нестабильности временного промежутка Т_ц, которая определяется δ_Г нестабильностью генератора импульсов и может быть снижена до 10 ^-9 и меньше;

– из-за квантования, так как первый или последний квантующий импульс, в зависимости от момента подачи старт- и стоп-импульсов с интервалом Т_ц, может не попасть на вход счетчика.

Максимальная суммарная относительная погрешность определяется как .

Погрешность от квантования уменьшится вдвое, если подсчитать число полупериодов, т. е. если генерировать импульсы при переходе кривой напряжения через нулевое значение в обоих направлениях.

Верхний предел измерения частоты  ограничивается максимальной скоростью счета счетчика импульсов, которая в настоящее время достигает нескольких гигагерц. При Т_ц = 1 с емкость счетчика импульсов N_н должна быть не менее 10¹⁰.

Расширение частотного диапазона  цифровых частотомеров, измеряющих непосредственно частоту в сторону более высоких частот (СВЧ), производится, например, вычитанием из f_x известной частоты f₀ при помощи смесителя и последующего измерения разностной частоты. Сигнал с требуемой частотой f₀ обычно получается от встроенного синтезатора частот, работающего по принципу умножения частоты генератора квантующих импульсов при помощи схем ФАПЧ или формирования гармоник при помощи нелинейной цепи с последующей фильтрацией перестраиваемым или переключаемым фильтром.

Нижний предел измерения ограничивается допустимой погрешностью квантования , при и с .

Нижний предел измерения частоты  можно снизить, применяя умножитель частоты или увеличивая время Т_ц.

Цифровые частотомерах, измеряющих среднее значение частоты за время Т_ц, обладают следующими достоинствами:

– возможность измерения высоких  частот;

– большая точность измерения для  высоких частот;

– простота измерения (достаточно простая  схема реализации);

– отсутствие обратного преобразования (нет необходимости осуществлять преобразования ).

Недостатки:

– большая погрешность при измерении  низких частот;

– относительно длительное время  измерения частоты на промежутке времени вплоть до одной секунды, в некоторых случаях больше;

– необходимость большой разрядности  счетчика для подсчета высокой частоты.

3. Цифровые частотомеры, измеряющие среднюю частоту за 1 или n периодов, работающие в режиме измерения периода Тц

В цифровых частотомерах (рисунок 1.2), работающих в режиме измерения Т_x, подсчитывается число квантующих импульсов в течение одного или нескольких п периодов Т_x.

На формирователь F, включенный после делителя частоты, подается напряжение частоты f_x/п на выходе F получают импульсы с периодом повторения пТ_x. Первый из этих двух импульсов открывает, а второй закрывает ключ SW. Через открытый в течение времени пТ_x ключ к счетчику проходят квантующие импульсы с периодом повторения Т₀. Таким образом, цифровой отсчет счетчика , где п – число заполняемых квантующими импульсами периодов Т_x.

Рисунок 1.2 – Структура цифровых частотомеров работающих в режиме измерения периода Т_х

Показания счетчика равны измеряемому периоду Т_x в долях секунды. Число п, которое выбирают равным целой степени 10, определяет положение децимальной точки. Если прибор рассматривать как частотомер, то его показания получаются обратно пропорциональными измеряемой частоте. Это неудобно, так как для определения f_x нужно применять или переучетные таблицы, или вычислительные устройства, определяющие f_x. Для устранения этого недостатка начали применять цифровые частотомеры со встроенными микропроцессорами (МП), в которых по значению Nt_x МП определяет .

Показания частотомера, работающего в режиме измерения периода, определяется нестабильностью  частоты квантующих импульсов и  погрешностями от квантования и передачи периода Т_x.

Относительная погрешность от квантования цифрового частотомера, работающего в режиме измерения периода Т_x, составляет .

В измерителе периода Т_x погрешность от квантования можно уменьшить, увеличивая f₀. Погрешность от квантования можно уменьшить и увеличением  п – числа периодов Т_x, заполняемых квантующими импульсами. Погрешность от квантования увеличивается с увеличением частоты.

Верхний предел измерения среднего за п периодов значения частоты по длительности периода определяется погрешностью квантования и скоростью счета счетчика импульсов , при , и с .

Нижний предел измерения  частоты определяется погрешностью квантования и значением Т₀ и может быть выбран любым: , при и с .

Цифровые  частотомеры, измеряющие среднюю частоту  за 1 или n периодов и работающие в режиме измерения периода Т_ц, обладают следующими достоинствами:

– высокая точность измерения низких частот;

– простота измерения (достаточно простая  схема реализации);

– относительно небольшое время преобразования (измерения частоты производится за один период).

Недостатки:

– низкая точность при измерении высоких  частот;

– необходимость обратного преобразования, поскольку измеряемым параметром является не количество импульсов, а относительная  длительность периодов сигнала;

– необходимость большой разрядности  счетчика для подсчета низкой частоты.

4. Цифровые частотомеры, измеряющие отношение двух частот

В универсальных цифровых частотомерах предусматривается возможность  измерения отношения двух частот f_x и f_y (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 – Структура цифровых частотомеров измеряющих отношение двух частот

Если  , то импульсами  с периодом  повторения Т_у  после формирователя f_y можно управлять ключом SW, который будет открыт в течение интервала времени .

В этом случае  цифровой отсчет счетчика импульсов, считающего импульсы с периодом повторения равен .

Если частоты f_x и f_y близки по значению, то импульсы после формирователя F_y направляются в делитель частоты с коэффициентом деления п. Тогда , при измерении низких частот с требуемой в большинстве случаев высокой точностью необходимо весьма значительное время измерения. Поэтому возникла необходимость создания цифрового частотомера низких частот с малым временем измерения Т_ц. В настоящее время эта задача решена применением цифрового деления в микропроцессоре взаимообратным методом.

Возможен  также и один из следующих способов:

1) умножение измеряемой частоты f_x в k раз и последующее измерение частоты kf_x для этой цели применяют следящие умножители частоты с k=100 или  1000;

2) определение периода Т_x , создание промежуточной частоты числовое значение которой равно числовому значению этого периода с последующим измерением периода Т_n, числовое значение которого равно числовому значению f_x ;

3) измерение низкой частоты f_x вблизи номинального значения 
цифровым частотомером номинальных значений.

Достоинства рассматриваемой схемы:

– возможность измерения как высоких так и низких частот;

– высокая точность измерения во всем интервале частот;

– нет необходимости в высокой  разрядности счетчика для подсчета высокой частоты.

Недостатки:

– сложная схема измерения;

– присутствует обратное преобразование (необходимость вычислять отношение  частот )

– трудность измерения частот при близких по значению частот измеряемого сигнала и опорного сигнала

5. Сравнительный анализ структур цифровых частотомеров

После проведения сравнительного анализа  методов измерения частоты на примерах выше перечисленных схем можно  сделать следующие выводы:

Цифровые  частотомеры, измеряющих среднее значение частоты за время Т_ц, целесообразно применять для измерения высоких частот. При измерении низких частот возникает большая погрешность. Для измерения  низких частот с высокой точностью, можно использовать структурную схему цифрового частотомера, измеряющего среднюю частоту за 1 или n периодов, работающего в режиме измерения периода Тц.

Выше указание структурные  схемы для измерения частоты  характеризируются простой реализацией.

Схема цифрового частотомера, измеряющая отношение двух частот является синтезом первых двух выше описанных  схем, и соответственно этому содержит в себе  как достоинства, так  и недостатки этих схем. Структурная  схема этого частотомера является довольно сложной в реализации, но на противовес этому позволяет измерять частоты, принадлежащие как низким, так и высоким  диапазонам частот, и при этом имеющее высокую точность измерения.