Реферат: Стоты и интервалов времени, а также хранение и воспроизведение их единиц лежат в основе многочисленных измерительных задач, решаемых в совре­менной радиотехнике

ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТЫ И ИНТЕРВАЛОВ ВРЕМЕНИ


Измерение частоты и интервалов времени, а также хранение и воспроизведение их единиц лежат в основе многочисленных измерительных задач, решаемых в совре­менной радиотехнике. Техническая аппаратура для частотно-временных измерений образует единый комплекс приборов и средств, обеспечивающий возможность прове­дения измерений с непосредственной их привязкой к Государственному эталону час­тоты и времени. Последнее определяет принципиально высокую точность измерений.


ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Частотой колебаний называют число полных колебаний в единицу времени:

f = n/t, (8-1)

где t — время существования п колебаний.

Для гармонических колебаний частота f = 1/Т, где Т — период колебаний.

Единица частоты герц определяется как одно колебание в одну секунду. Частота и время неразрывно связаны между собой, поэтому измерение той или другой величины дикту­ется удобством эксперимента и требуемой погрешностью измерения. В Международной системе единиц СИ время является одной из семи основных физических величин. Частота электромагнитных колебаний связана с периодом колебания Т и длиной однородной плоской волны в свобод­ном пространстве λ следующими соотношениями: fT = 1 и fλ = с, где с — скорость света, равная 299 792,5 ± 0,3 км/с.

Спектр частот электромагнитных колебаний, исполь­зуемых в радиотехнике, простирается от долей герца до тысяч гигагерц. Этот спектр вначале разделяют на два диапазона — низких и высоких частот. К низким частотам относят инфразвуковые (ниже 20 Гц), звуковые (20— 20 000 Гц) и ультразвуковые (20—200 кГц). Высокочас­тотный диапазон, в свою очередь, разделяют на высокие частоты (20 кГц — 30 МГц), ультравысокие (30 — 300 МГц) и сверхвысокие (выше 300 МГц). Верхняя граница сверхвысоких частот непрерывно повышается и в настоящее время достигла 230 ГГц (без учета оптического диапазона). Такое разделение объясняется разными способами получе­ния электрических колебаний и различием их физических свойств, а также особенностями распространения на рас­стояние. Однако четкой границы между отдельными участ­ками спектра провести невозможно, поэтому такое деление в большой степени условно.

В радиотехнической практике чаще всего измеряется частота, иногда период и реже длина волны. ^ Измерение частоты выполняется с наибольшей точностью по сравнению с другими видами радиоизмерений, поэтому многие физи­ческие величины, подлежащие измерению, преобразуют во временные или частотные для последующего точного измерения.

Аппаратура для частотно-временных измерений образует единый комплекс приборов, обеспечивающий возможность проведения измерений с непосредст­венной их привязкой к Государственному эталону частоты и времени. Это факти­чески гарантирует возможность принципиально высокой точности измерений.

Основными измерительными приборами и средствами частотно-временных измерений являются:

осциллографы;

приемники сигналов эталонных частот и компараторы;

преобразователи частоты сигналов;

частотомеры резонансные;

частотомеры на основе метода заряда-разряда конденсатора;

частотомеры цифровые;

цифровые измерители частоты и интервалов времени.

Базой для частотно-временных измерений служит группа Государствен­ных стандартов частоты — высокоточных мер частоты и времени, объеди­няющая рубидиевый, цезиевый, водородный и кварцевый стандарты. При­вязка к ним практических измерений осуществляется приемниками сигналов эталонных частот, передаваемых радиостанциями Государственной службы частот и времени, а также компараторами и преобразователями частоты сиг­нала. Последние применяются для переноса частоты или спектра измеряемо­го сигнала в тот диапазон частот, где наиболее целесообразно производить необходимое измерение.

В зависимости от участка частотного спектра и допустимой погрешности для измерения частоты применяют различные способы и приемы измерения, основанные как на использовании методов сравнения, так и методов непо­средственной оценки.

В методах сравнения (резонансный, гетеродинный и с помощью осцилло­графа) используют сравнение измеряемой частоты с частотой источника об­разцовых колебаний. Эти методы применяются в основном для градуировки генераторов различных измерительных приборов. На основе метода сравне­ния действуют осциллографические способы измерения частоты и гетеро­динные частотомеры. Для их реализации необходим образцовый генератор более высокой точности и устройство сравнения (сличения) частот. Напомним методы, основанные на использовании осциллографа в качестве устрой­ства сравнения:

• определение частоты методом фигур Лиссажу;

• определение интервалов времени (периода, длительности импульса и т.д.) с использованием калиброванной развертки осциллографа;

• определение частоты с помощью яркостных меток на круговой развертке.

В зависимости от участка спектра и требуемой точности применяют различные методы измерения. Наиболее рас­пространенными являются: метод перезаряда конденсатора, резонансный метод, метод сравнения и метод дискретного счета. На основе методов перезаряда конденсатора и дис­кретного счета созданы прямопоказывающие приборы — конденсаторные частотомеры и электронно-счетные (циф­ровые) частотомеры. Метод сравнения является трудоемким, так как требует обработки полученных данных. Частото­меры, построенные на методе резонанса, постепенно вытес­няются цифровыми частотомерами.

Погрешность измерения частоты задается в абсолютном значении — ∆f = fx - fобр или, чаще, в относительном: δ = ∆f/fx ≈ ∆f/fобр, где fx и fобр — значения измеряемой и образцовой частот соответственно. Допустимая погреш­ность определяется возможностями применяемого метода и составляет при измерении методом перезаряда конден­сатора 1—2 %, резонансным методом — 10-3—5•10-4, мето­дом сравнения — 10-4—10-6 и методом дискретного счета — 10-6—10-9, а иногда и меньше.


^ МЕТОД ПЕРЕЗАРЯДА КОНДЕНСАТОРА

Присоединим конденсатор, емкость которого С, к источ­нику напряжения U. Конденсатор зарядится, и в нем нако­пится количество электричества q = CU. Если конденсатор переключить на магнитоэлектрический измеритель тока, то через него пройдет количество электричества q, вызвав отклонение указателя. Если конденсатор поочередно при­соединять к источнику напряжения для заряда и к измери­телю тока для разряда с частотой переключения f раз в секунду, то количество электричества, проходящее через амперметр при разряде, будет в f раз больше: fq = fCU = I, где I — среднее значение тока разряда. Отсюда следует, что ток в такой схеме прямо пропорционален частоте пере­ключения и при постоянном произведении CU шкалу амперметра можно градуировать в единицах частоты:



Структурная схема конденсаторного частотомера, в кото­ром использован этот метод, состоит из усили­теля-ограничителя УО и зарядно-разрядного устройства ЗРУ с магнитоэлектрическим индикатором. Кроме того, имеется генератор Гк для калибровки частотомера на одной фиксированной частоте. На вход частотомера поступает напряжение измеряемой частоты. В усилителе-ограничителе оно принимает форму меандра. Меандр управ­ляет зарядно-разрядным устройством, схема которого приведена ниже. Транзистор Т работает в режиме ключа: когда он за­крыт, один из конденсаторов С заряжается через резистор R, а когда транзистор открыт, тот же конденсатор разря­жается через транзистор. Зарядный ток протекает через магнитоэлектрический миллиамперметр, градуированный в единицах частоты. Конденсаторы С переключаются: минимальная и максимальная емкость определяет диапазон измеряемых частот, а число конденсаторов — число под­диапазонов.

Значение напряжения, до которого заряжается конден­сатор данного поддиапазона, в зависимости от измеряемой частоты и значения емкости конденсатора изменяется, и градуировка шкалы частотомера нарушается. Для устра­нения этого явления в зарядно-разрядном устройстве предусмотрена стабилизация напряжения заряда, которая осуществляется стабилитроном Д3; напряжение питания также стабилизируется с помощью стабилитронов Д1 и Д2. Нижний предел измеряемых частот составляет 10 Гц; при более низких частотах подвижная часть магнитоэлектри­ческого индикатора будет совершать механические колеба­ния в такт с измеряемой частотой. Верхний предел зависит от постоянной времени цепи заряда, определяемой не только сопротивлением резистора R и минимальной емко­стью конденсатора С, но и монтажными емкостями элемен­тов зарядно-разрядного устройства, и не превышает 1 МГц. Погрешность измерения зависит от класса точности миллиамперметра, остаточной нестабильности напряжения заряда конденсатора и составляет 1—2 %.


^ РЕЗОНАНСНЫЙ МЕТОД

Резонансный метод измерения частоты заключается в сравнении измеряемой частоты с собственной резонансной частотой градуированного измерительного колебательного контура. Этот метод применяется в диапазоне высоких и сверхвысоких частот. Структурная схема его реализации приведена на рисунке. Источник напряжения измеряемой частоты fx с помощью эле­мента связи ЭСв соеди­няется с прецизионным из­мерительным контуром ИК, который настраивается в резонанс с частотой fх. Мо­мент резонанса фиксирует­ся по максимальному по­казанию индикатора, при­соединенного к контуру через второй элемент связи. Из­меряемая частота определяется по градуированной шкале микрометрического механизма настройки с большим числом отсчетных точек. Контур и индикатор конструктивно объеди­нены в устройство, называемое резонансным частотомером. Если шкала механизма настройки градуирована в длинах волн, то такое устройство называют резонансным волноме­ром.

Схема резонансного частотомера (рис. 8-4) позволяет выявить источники погрешности измерения. Погрешность градуировки определяется качеством механизма настройки; ее можно уменьшить путем предварительной градуировки шкалы частотомера с помощью образцовой меры. Неста­бильность частоты измерительного контура возникает вслед­ствие изменения его геометрических размеров под влиянием изменения температуры окружающей среды; ее можно вычислить по следующей формуле:



где ∆f — отклонение частоты от резонансной под влиянием изменения температуры на ∆T, К; α — линейный темпе­ратурный коэффициент расширения материала контура; k — конструктивный коэффициент.

Нестабильность настройки кон­тура возникает также при изме­нении вносимых реактивных со­противлений со стороны источника fx и индикатора. Активные вноси­мые сопротивления уменьшают доб­ротность контура. Уменьшение влияния вносимых сопротивлений достигается ослаблением связи с источником fx и индикатором.

Неточность фиксации резонанса определяется значением добротно­сти Q нагруженного измеритель­ного контура и разрешающей способностью индикатора. Из уравнения резонансной кривой (справа) можно по­лучить формулу для расчета относительной погрешности от неточности фиксации резонанса:



где Uo — показание индикатора при резонансе; Up — показание при расстройке измерительного контура на ∆f. Измерительный контур резонансного частотомера в зави­симости от диапазона частот, для которого он предназначен, выполняется с сосредоточенными или распределенными параметрами. Резонансные частотомеры с сосредоточенными параметрами в настоящее время полностью вытеснены циф­ровыми частотомерами, а с распределенными параметрами широко применяются в диапазоне СВЧ.

Резонансные частотомеры характеризуются диапазоном из измеряемых частот, погрешностью и чувствительностью, т. е. минимальной мощностью, поглощаемой от источника измеряемой частоты, необходимой для уверенного отсчета показаний индикатора при резонансе.

Резонансные частотомеры с распределенными парамет­рами. Колебательный контур частотомера выполняют либо в виде отрезка коаксиальной линии, либо в виде объемного резонатора. Настройка коаксиальной линии производится изменением ее длины, объемного резонатора — изменением его объема.

Частотомеры с распределенными параметрами связы­вают с источниками измеряемой частоты через штыревую или рупорную антенну или через элементы связи в виде петель, зондов, щелей и круглых отверстий. На входе частотомера 1 часто включают аттенюаторы с переменным ослаблением для регулировки входной мощности. Иногда применяют направленные ответвители.

Индикатор частотомера состоит из полупроводникового (германиевого или кремниевого) диода 3 и магнитоэлектри­ческого микроамперметра большой чувствительности И. Связь диода с измерительным контуром осуществляется через петлю связи 2, располагаемую внутри коаксиальной линии или объемного резонатора. Если частотомер предназначен для использования при импульсной модуляции, то видео­импульсы, получившиеся после детектирования диодом, поступают на транзисторный усилитель и амплитудный вольтметр. Параллельно последнему можно включить осцил­лограф. Объемный резонатор 4 настраивается плунжером 5, предназначенным для изменения одного из размеров резонатора и связанного с отсчетной шкалой.

Коаксиальные частотомеры выполняют в основном двух типов: четвертьволновые и с нагруженной линией.

Четвертьволновый резонансный частотомер представляет собой разомкнутый отрезок коаксиальной линии Настройка его осуществляется с помощью микрометрического механизма со шкалой, градуированной в единицах длины l. Резонанс в линии наступает при l, равной нечет­ному числу четвертей длины волны:



где n = 0, 1, 2 ...

Отсчеты l1 и l2 соответствуют λ/4 и 3λ/4, поэтому их раз­ность равна половине длины волны. В общем случае



Четвертьволновые частотомеры применяются на часто­тах 600 МГц — 10 ГГц. Погрешность измерения лежит в пределах 10-3—5.10-4.

Резонансный частотомер с нагруженной линией отли­чается от четвертьволнового тем, что разомкнутая коакси­альная линия нагружается емкостью С, образуемой торцами внутреннего и наружного проводников. Резонанс в нагруженной линии наступает при выполнении условия



где D—внутренний диаметр внешнего проводника; d — внешний диаметр внутреннего проводника; ρ — волновое сопротивление линии.

При настройке такого частотомера одновременно изме­няются и длина линии l, и емкость С. Перекрытие, по срав­нению с четвертьволновым частотомером, возрастает в 2— 3 раза. Двумя частотомерами с нагруженной линией пере­крывается диапазон частот от 150 до 1500 МГц. Измеряемую частоту определяют с помощью градуировочных таблиц или графиков. Погрешность измерения 5.10-3.

Резонансный частотомер с объемным резонатором на­страивается передвижением подвижного поршня (плунжера). Возбуждаемые внутри полости резонатора стоячие волны бывают различных типов. Это зависит от способа введения возбуждающего электромагнитного поля. При возбужде­нии цилиндрического резонатора через отверстие в центре торцевой стенки (рис. а) возникают колебания типа Н111 Из электродинамики известно, что собственная длина волны в резонаторе связана с его диаметром d и высотой l следующей зависимостью:



Если положить l = d, то λ111≈ 1,3 d.

При возбуждении полости резонатора через отверстие в его боковой стенке возникают колебания типа Н011 (рис. б). Поле этих волн характерно отсутствием токов проводимости между торцевой и цилиндрической стенками резонатора, что позволяет применить для настройки бес­контактный плунжер. Проникающая при этом в нерабочее пространство за поршнем энергия поглощается предусмотренным для этой цели покрытием, нанесенным на левую (рис. б) поверхность плунжера. Зависимость собствен­ной длины волны типа λ011 от размеров резонатора опре­деляется выражением



Если для этого резонатора также положить l = d, то λ011 ≈ 0,76d

Шкала настройки частотомеров с объемными резонато­рами градуируется с помощью измерительного генератора соответствующего диапазона частот. Следовательно, глав­ным источником погрешности градуировки является по­грешность установки частоты по шкале генератора. Чтобы не усугублять погрешность измерения неточностью настрой­ки в резонанс, добротность объемного резонатора доводят до очень высокого значения. Это достигается полировкой и золочением внутренней поверхности резонатора; при этом добротность достигает 10 000—30 000. Все же погреш­ность составляет 10-3—10-4. К недостаткам частотомеров с объемными резонаторами относится малое перекрытие, что приводит к необходимости иметь большое их число для измерения нужного диапазона частот.

Частотомеры с распределенными параметрами по спо­собу включения в измеряемую цепь разделяют на проходные и поглощающие.

Проходной частотомер снабжен двумя элементами связи — входным для связи с электромагнит­ным полем и выходным для связи с индикатором. Момент настройки в резонанс определяют по максимальному пока­занию индикатора (рис. а).


Поглощающий частотомер имеет один элемент связи — входной, а индикатор включают в линию передачи (рис. б). Пока частотомер не настроен в резонанс, показания индикатора максимальны; при настройке часть энергии поглощается в резонаторе и показания индикатора уменьшаются.


^ 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 и индикатор равенства или крат­ности fx и fобр. В качестве источника образцовых частот применяют образцовые меры частоты, так называемые стандарты частоты, с нестабильностью 10-9—10-11 за 1 сутки.

Государственная служба времени и частоты СССР пере­дает сигналы точного времени и эталонных частот через сеть своих радиостанций. Относительная погрешность излучаемых частот ±10-10, без учета влияния условий распространения радиоволн и расстояний. В городах, где имеются метрологические научные учреждения, сигналы образцовых частот 1 и 10 кГц транслируются по телефонным каналам в исследовательские институты.

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;

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

^ Осциллографический способ пригоден для любых частот в пределах полосы пропускания электронно-лучевой трубки. Измерение можно производить при линейной, синусоидаль­ной и круговой развертках.

Способы измерения при линейной и синусоидальной развертке были рассмотрены ранее.

Метод круговой развертки реализуется при условии, что неизвестная частота fx больше образцовой fобр. Kpyговая развертка создается при подведении к входам У и X осциллографа гармонических сигналов образцовой частоты fобр, сдвинутых взаимно по фазе на 90°. Подавая гармонический сигнал с измеряемой частотой fx на вход Z модуляции яркости луча осциллографа и регулируя частоту fобр, можно получить практически неподвижную модулированную по яркости круговую развертку. Если N — число ярких дуг (или темных промежутков между дугами) на круговой развертке, то частота fx = Nfобр (на рисунке fx = 8обр).

Все осциллографические методы имеют, невысокую точность (относительная погреш­ность измерений порядка 10-1...5-10-2). Верхняя граница диапазона измеряемых частот определяется параметрами осциллографа и для большинства из них не превышает 500 Мгц.

Гетеродинный способ применяют для сравнения высоких частот. Два напряжения

и

подают на нелинейное устройство — детектор, смеситель или модулятор. На его выходе появляется напряжение, в спектре которого имеется составляющая с разностной частотой. Разностную частоту называют частотой биений Fб=f1-f2. При равенстве частот f1 и f2 частота биений равна нулю, поэтому гетеродинный способ часто называют способом нулевых биений.

Сравнение частот по нулевым биениям осуществляют следующим образом. Напряжения от источ­ников сравниваемых частот подают на вход нелинейного устройства НУ, на выходе которого в качестве индикатора включены головные телефоны. Плавно изменяя частоту образцового генератора, приближают fобр к fx; при раз­ности fx — fобр < 15 000 Гц в телефонах возникает тон частоты биений, понижающийся по мере приближения частоты fобр к fx. На диаграмме частот показан характер изменения частоты биений Fб в зависимости от изменения fобр при неизменной fx. В точке а частота биений равна нулю и fx = fo6p. Однако определить положение точки а по исчезновению тона биений в телефоне не удается, так как человеческое ухо не воспринимает частоты ниже 16—20 Гц. Таким образом, при использовании в качестве индикатора телефона неизбежна абсолютная погрешность ±16 Гц.

Эту методическую погрешность можно почти полностью исключить, если вместо телефона включить магнитоэлек­трический микро- или миллиамперметр. При частоте биений, меньшей 10 Гц, стрелка магнитоэлектрического прибора колеблется. По мере приближения частоты fобр к fx частота этих механических колебаний уменьшается, и при равенстве частот колебания прекращаются. Удобно приме­нить для этой цели электронно-оптический индикатор.

Погрешность, вызванную наличием зоны нулевых бие­ний вокруг точки а, можно уменьшить измерением частоты биений при некотором значении образцовой частоты, близ­ком к значению измеряемой; тогда fx = fо6р ± F6.

Частота биений F6 является низкой частотой, поэтому ее измерение даже с большой относительной погрешностью δб дает небольшую абсолютную погрешность ∆F6 = δбF6. Относительная погрешность измеряемой частоты и тем меньше, чем ниже частота бие­ний.

При рассмотрении процесса образования нулевых биений и измерения частоты гетеродинным способом предполага­лось, что источники неизвестной и образцовой частот выра­батывают напряжения чисто синусоидальной формы. В дей­ствительности же в напряжениях обоих генераторов содер­жатся составляющие высших гармоник, и потому нулевые биения получаются всякий раз, когда осуществляется равенство

nfx = mfобр.

где n = 1, 2, 3, ...; m = 1, 2, 3, ...

Возникающая при этом неопределенность легко устра­няется, так как в подавляющем большинстве случаев измеряемая частота приблизительно известна. Полезно также иметь в виду, что интенсивность биений быстро падает с увеличением номеров гармоник n и m. Если измеряемая частота лежит выше диапазона первой гармоники образцо­вой частоты, то для ее определения используют биения между высшими гармониками образцовой частоты и первой гармоникой измеряемой, а если ниже, то между высшими гармониками измеряемой и первой гармоникой образцовой частот. Использование приведенного выражения для гармоник намного расширяет пределы измерения частот гетеродинным способом.

При высокой стабильности обеих частот точность изме­рения можно значительно повысить, если сравнивать их по фазе. Для этого напряжения измеряемой и образцовой частот, отличающихся менее чем на 1 Гц, подают на фазометр (желательно с умножением частоты) и, приближая образцо­вую частоту к измеряемой, устанавливают постоянный фазовый сдвиг. Пока фазовый сдвиг остается неизменным, обе частоты равны друг другу, как говорят, «с точностью до фазы». Если в течение интервала времени наблюдения Тн фазовый сдвиг изменится на ∆ф, то разность между частотами ∆f = ∆φ/(360 Тн).

Гетеродинные частотомеры основаны на способе нуле­вых биений. В них источником известной частоты является генератор Гпл с плавной настройкой. Для уменьшения по­грешности измерения его шкала перед каждым измерением калибруется по образцовой частоте. Источником образцовой частоты является встро­енный генератор с квар­цевой стабилизацией ча­стоты Гкв. Калибровка производится по нулевым биениям между гармониками сиг­налов обоих генераторов. Биения образуются в смесителе См. Для повышения чувст­вительности предусмотрен усилитель биений УНЧ. Для фик­сирования нулевых биений служит головной телефон или оп­тический индикатор. Измерение неизвестной частоты выпол­няется при выключенном калибровочном генераторе также по способу биений между неизвестной частотой fx и часто­тами генератора с плавной настройкой nfпл; fx=nfпл±Fб. Частоту биений стремятся свести к нулю. Значение частоты fx считывается по шкале генератора, состоящей из боль­шого числа отсчетных точек, каждой из которых соответ­ствует определенный набор частот (основная и высшие гар­моники). Эти данные приводятся в прилагаемой к частото­меру градуировочной книге или на самой шкале.

Погрешность измерения частоты гетеродинным способом вызывается нестабильностью частоты генератора с плавной настройкой, которая нарушает калибровку в течение интер­вала времени измерения; нестабильностью генератора с кварцевой стабилизацией и неточностью номинала его частоты; небрежностью калибровки. Калибровка произво­дится на определенных калибровочных точках шкалы, которым соответствуют условия выполнения равенства mfкв=nfпл ± F6. Слышимую частоту биений сводят к нулю с помощью корректирующего конденсатора малой емкости, включенного параллельно контуру генератора с плавной настройкой. Калибровка выполняется с большей точностью, если в качестве индикатора применен электронно-оптичес­кий индикатор. Погрешность гетеродинных частотомеров составляет 5•10-4 — 5•10-6.

Гетеродинные частотомеры постепенно вытесняются циф­ровыми. Однако в эксплуатации находится значительное число частотомеров разных типов, перекрывающих диапазон частот от 125 кГц до 40 МГц и от 2,5 до 230 ГГц.


^ МЕТОД ДИСКРЕТНОГО СЧЕТА

Переменное напряжение, частоту которого fx нужно измерить, преобразуют в последовательность односторонних импульсов с частотой следования, равной fx. Если сосчитать число импульсов N за известный интервал времени AT, то легко определить частоту fx:

fx = N/∆T. ( -6)

В частности, если ∆T = 1 с, то N численно равно час­тоте fx. Эта идея является основой метода измерения частоты дискретным счетом. Приборы, созданные на основе этого метода, называют электронно-счетными частотомерами. Результат измерения появляется на табло передней панели прибора в виде светящихся цифр, и поэтому такие приборы часто называют цифровыми частотомерами.

Упрощенная структурная схема электронно-счетного частотомера показана на рис. а. Основным элементом входного устройства ВхУ является аттенюатор или компен­сированный делитель напряжения, с помощью которого устанавливается напряжение, необходимое для нормальной работы формирующего устройства ФУ. В этом устройстве из входного переменного напряжения Ufх формируются короткие прямоугольные импульсы Uфу , форма которых не изменяется при изменении частоты и амплитуды входного напряжения в установленных для данного прибора пределах. Для формирования импульсов применяют триггер Шмитта или специальные схемы на туннельных диодах.

Временной селектор (схема «И») ВС предназначен для пропускания импульсов Uфу на электронный счетчик ЭСч в течение известного интервала времени ∆T (времени счета), формируемого из частоты генератора с кварцевой стабили­зацией Гкв : ∆T = 1/fкв. В управляющем устройстве УУ вырабатывается импульс напряжения uуу длительностью ∆T, с помощью которого временной селектор открывается и на электронный счетчик проходит группа импульсов, число которых N = fx∆T. Эта информация через дешифра­тор ДШ поступает на цифровой индикатор ЦИ, на табло которого появляются показания в единицах частоты.

Частота генератора с кварцевой стабилизацией обычно равна 1 или 5 МГц, и потому длительность калиброванного импульса ∆T равна 1 или 0,2 мкс При таких длительностях времени счета невозможно измерять частоты, значение которых равно частоте fкв или меньше ее. Поэтому после кварцевого генератора включают декадные делители частоты ДЧ, на выходах которых образуются частоты в 10n (n = 1, 2, 3, ..., 7) раз ниже частоты генератора, т.е. 100, 10 и 1 кГц, 100, 10, 1 и 0,1 Гц.

Длительность калиброванного импульса, открывающего селектор, теперь ∆T = 10n/fкв, и время счета можно уста­навливать декадными ступенями от 10-5 до 10 с. Измеряемая частота вместо формулы (-6) определяется по формуле

. (-7)

Управляющее устройство одновременно с воздействием на временной селектор выдает импульсы для автоматического сброса показания с табло цифрового индикатора и освобождения электронного счетчика от накопленной информации, а также для приведения в исходное состояние дешифратора ДШ и делителей частоты. В управляющем устройстве предусмотрена блокировка временного селектора на неко­торый интервал времени, в течение которого сохраняются показания на цифровом табло. Этот интервал времени называется временем индикации и устанавливается (опера­тором) в пределах нескольких секунд. Частотомер может работать в автоматическом режиме, при ручном и дистан­ционном управлении. В автоматическом режиме счет им­пульсов производится каждый раз, когда заканчивается установленное время индикации. При ручном управлении счет выполняется один раз при нажиме на кнопку; время индикации не ограничивается.

Интервал времени измерения ∆T формируется из час­тоты генератора с кварцевой стабилизацией, следовательно, ее нестабильность и неточность установки определяют погрешность измерения. Нестабильность генератора состоит из двух составляющих — долговременной нестабильности (за сутки, месяц, год) и кратковременной (за время измере­ния). Долговременная нестабильность вызывается в основ­ном старением кварца, т. е. имеет систематический харак­тер, следовательно, вносит систематическую погрешность в измерение частоты. Для ее уменьшения кварцевый резо­натор и часть деталей генератора помещены в термостат, в котором поддерживается постоянная температура с точ­ностью до десятых долей кельвина. Благодаря этому дли­тельная нестабильность частоты не превышает 1-10-8—10-9. Периодическим корректированием частоты или поверкой генератора она может быть уменьшена еще на порядок.

Случайная погрешность измерения частоты в основном определяется погрешностью дискретности, т. е. погреш­ностью счета импульсов ∆N и кратковременной нестабиль­ностью частоты ∆fкв. По правилам вычисления случайной погрешности косвенных измерений из фор­мулы (-6) можно написать выражение для абсолютной погрешности измерения частоты в виде



Относительная погрешность



где ∆N/N — относительная погрешность дискретности; — кратковременная нестабильность частоты генератора с кварцевой стабилизацией.

Абсолютная погрешность дискрепюго счета ∆N возни­кает вследствие несинхронности входною напряжения с напряжением кварцевого генератора, отчего начало и конец калиброванного им­пульса времени счета не совпадают с началом перио­да повторения импульсов на сигнальном входе вре­менного селектора. Несовпадение приво­дит к возможности появ­ления двух случайных не­зависимых погрешностей ∆t1 и ∆t2 за счет потери ча­сти периода измеряемых импульсов Тх в начале и в конце времени счета ∆T. Каждая из них распределена по рав­новероятному закону, а их композиция в соответствии с теорией вероятностей дает треугольный закон распре­деления (закон Симпсона). Среднеквадратическое значе­ние погрешности дискретности в этом случае . Если синхронизировать начало времени счета ∆T с нача­лом импульса Тх, то останется одна погрешность ∆t2, которая распределена по равновероятному закону, и тогда среднеквадратическое значение погрешности дискретности будет равно .

Максимальная погрешность дискретности возникает при потере одного периода измеряемых импульсов, т. е. одного импульса: ∆N = 1. Следовательно, максимальная отно­сительная погрешность вычисляется по следующей формуле:



Кратковременная случайная нестабильность частоты кварцевого генератора обычно очень мала, например 10-10 за секунду, и в большинстве практических случаев ею можно пренебречь. Тогда



При измерении низких частот число импульсов N неве­лико и погрешность может быть значительной. Для ее уменьшения необходимо увеличивать время измерения ∆T, что не всегда целесообразно и возможно. Например, для
^ Метод усреднения. Если нужно измерить периодически повторяющийся интервал ∆Тх, то его длительность уве­личивают в n раз с помощью делителя частоты (умножителя периода) с коэффициентом деления n = 10k, где k = 1, 2, ..., 5. Временной селектор открывается на интервал вре­мени ∆Тх, и на электронный счетчик проходит N меток времени, приходящихся на n измеряемых интервалов. Относительная погрешность измерения при усреднении



Если нужно измерить не периодический, но повторя­ющийся интервал времени, длительность которого сравнима с длительностью меток времени ∆Тх≈Ткв, то число меток N суммируется в течение некоторого числа n = 10k из­меряемых интервалов; число n задается с помощью пере­счетной схемы. В результате получается следующее ра­венство: NTкв = n∆Тх, откуда искомый интервал ∆Тх = (N/n) Tкв. Относительная погрешность в этом случае



^ Нониусный метод. При измерении коротких (десятки наносекунд) однократных импульсов погрешность дискрет­ности становится недопустимо большой. Нониусный метод позволяет значительно уменьшить ее при сравнительно невысоком быстродействии. Структурная схема измерения (рис. а) работает следующим образом.

Входное напряжение uвх сигнала, длительность которого ∆Тх нужно измерить, поступает на формирующее устрой­ство ФУ, с помощью которого вырабатываются два импульса uстарт и uстоп, соответствующие началу и концу измеряемого интервала времени (рис. б). Стартовый импульс запускает генератор счетных импульсов Гсч с периодом по­вторения Tсч и одновременно с помощью триггера Тг1 открывает временной селектор ВС1; на электронный счетчик ЭСч1 поступают счетные импульсы. Стоповый импульс закрывает Тг1 и BC1, ЭСч1 фиксирует целое число счетных импульсов N, и измеряемый интервал можно записать в виде

(-14)

где ∆t— погрешность дискретности.

Для уменьшения этой погрешности используется гене­ратор нониусных импульсов Гн, период следования которых Тн меньше периода счетных импульсов: Тн = (n-1) Тсч/n, где n - некоторое число, обычно 10 или 100. Разность дли­тельностей импульсов Тсч-Тн=Тсч/n называется шагом но­ниуса. Генератор нониусных импульсов запускается стоповым импульсом; последний с помощью триггера Тг2 открывает временной селектор ВС2, и на счетчик ЭСч2 проходят но-ниусные импульсы. Временное расстояние между счетными и нониусными импульсами с каждым периодом уменьшается, и в момент их совпадения (перекрытия) схема сравнения СхС вырабатывает импульс сброса, приводящий всю схему в исходное состояние.

Погрешность дискретности можно выразить через число импульсов, счетных и нониусных, выработанных генерато­рами с момента прекращения счета N до момента совпадения импульсов k (cм. временную диаграмму):



Следовательно, согласно формуле (-14), измеренный интервал времени



где первое слагаемое равно целому числу периодов счетных импульсов, а второе — числу шагов нониуса.

Дешифраторы и цифровой индикатор обеспечивают фиксирование числа N в старших разрядах, а числа k — в младших.

Погрешность измерения определяется длительностью и формой счетных и нониусных импульсов, нестабильностью генераторов и неполным совпадением k-тых импульсов. Погрешность дискретности ∆t зависит в основном от длитель­ности импульсов. В частности, при длительности импуль­сов прямоугольной формы τ = Тсч/2n погрешность дискрет­ности распределена по равновероятному зак