12. Вимірювання частоти
Широкий
діапазон частот електричних сигналів від часток герца до десятків гігагерц, різні вимоги до точності їх вимірювання зумовили
велику різноманітність методів вимірювання частоти. Для вимірювань та контролю частоти в промислових умовах в діапазоні від 20 до 2500Гц з порівняно невисокою точністю (1 ...4%) використовують електромеханічні частотоміри на базі логометрів електромагнітної, електро- чи феродинамічної
систем.
На рис. наведена спрощена схема електродинамічного
частотоміра.
Наявність
в колі рухомих рамок 1 і 2 та нерухомої котушки 3, частотозалежних
конденсаторів C1, С2 та індуктивності L забезпечує однозначну залежність відхилення
рухомої частини логометра від частоти:
Непрямий метод:
Вимірювання здійснюється за допомогою конденсатора з відомою ємністю Со (або
котушки відомої індуктивності), амперметра і вольтметра. Тоді значення частоти
може бути визначене за формулою:
.
За допомогою фігур Ліссажу: На
вхід Х подають напругу досліджуваної частоти, на вхід Y – відомої зразкової частоти f0.
Отриману фігуру Ліссажу уявно перетинають вертикальною і горизонтальною
лініями, що не повинні проходити через точки перетину самої фігури. Рахують
скільки разів осі перетнули фігуру nx та ny. Відношення nx до ny рівне відношенню частот. Отже: .
За лінійною розгорткою
сигналу на екрані осцилографа: частоту визначаємо як величину зворотню періоду
досліджуваного сигналу: f=1/T.
Резонансний
метод базується на порівнянні вимірюваної
частоти з частотою коливань коливної ланки. Застосовується цей метод при
вимірюванні частоти від сотень кГц до сотень ТГц. Основним вузлом
резонансного частотоміра є коливна система у вигляді резонансного контуру із
зосередженими реактивними елементами чи вузлами з розподіленими параметрами -
відрізками коаксіальних чи смугових ліній, або ж об'ємні резонатори (для частот
у десятки ТГц).
На рис. зображена схема резонансного частотоміра з
коливною системою у вигляді контура із зосередженими LС-параметрами. Вимірювальний LС-контур має індуктивний зв'язок з колом досліджуваного
сигналу U та автотрансформаторний зв'язок з колом індикатора.
Регулюванням ємності С конденсатора змінної ємності настроюють частоту fо власних
коливань LC-контура
в резонанс з вимірюваною частотою fx: .
При цьому напруга в індикаторному колі зростає до
максимального значення, що фіксується вихідним індикаторним пристроєм mV, а значення вимірюваної частоти визначають за показами
конденсатора змінної ємності. Похибка таких частотомірів звичайно не менше ніж
1%.
Найвищу точність вимірювання в діапазоні від часток герца
до сотень мегагерц забезпечують цифрові
частотоміри. Залежно від способу утворення інтервалу усереднення (часу)
розрізняють частотоміри прямої лічби та обчислювальні.
Перші з них будуються на основі аналого-цифрової
структури хронометра, в якому протягом точно відомого інтервалу часу То підраховується кількість імпульсів
невідомої частоти.
Похибка вимірювання частотомірів прямої лічби
визначається головним чином похибкою від нестабільності так званої бази часу,
тобто набору сигналів каліброваних міток часу, завдяки яким вибирається
тривалість часу вимірювання То, та
похибкою квантування δкв:
В обчислювальних частотомірах, завдяки вибору практично
сталого часу вимірювання та використанню циклічного
перетворення вхідного сигналу, забезпечується майже однакова похибка
вимірювання (соті частки відсотка) у всьому діапазоні частот
Принцип дії обчислювального частотоміра за методом
подвійного збігу показано на рис.
Відповідно до спрощеної структурної схеми цього
частотоміра вхідна напруга вимірюваної частоти fx нормується вхідним масштабуючим пристроєм МП до номінального рівня, зручного для подальшого опрацювання. У
формувачі інтервалів ФІ задається строб-імпульс вимірювання з тривалістю Твим, що встановлюється залежно від fx. З виходу формувача імпульсів ФІ на перший лічильник ЛІ
частотоміра надходить певна послідовність імпульсів кількістю N1, яка дорівнює кількості повних періодів вхідного сигналу, синхронізованого з переднім
та заднім фронтами строб-імпульса Твим:
N1 = Твимfх. Одночасно, починаючи з переднього фронту Твим за допомогою другого лічильника
Л2 визначається N1 = Твимfо - кількість імпульсів базової частоти від кварцового
генератора КГ . Мірою вимірюваної частоти буде відношення
Що визначається процесором ПР і фіксується відліковим
пристроєм ВдП.
При вимірюванні низьких частот (до 1 Гц і нижче) інтервал Твим вибирають таким, що дорівнює
одному періоду повторення.
Вибираючи значення fo близьким до
верхньої частоти діапазону вимірювання, отримують стале значення похибки квантування, .