Меню

Измерения частоты электронных приборов

Частотомер. Виды и устройство. Работа и применение. Особенности

Частотомер представляет собой специализированный измерительный прибор, созданный для определения частоты, то есть периода колебаний электросигнала. Частота – один из основных показателей тока. Она определяет число колебаний за определенный временной цикл. Измеряется частота в герцах, она обратно пропорциональна периоду колебаний. Элементы оборудования, работающие на электрическом токе, должны работать на токах определенной частоты. Именно поэтому так важны устройства для определения частоты протекающего тока.

Зная частоту, можно своевременно настроить, обслужить, диагностировать и выполнить регулировку оборудования разнообразного назначения, осуществить контроль протекания технологических процессов. Приборы для измерения частоты могут иметь разное конструктивное исполнение, что определяется их назначением и особенностями работы. Подобные приборы требуются во многих областях науки и промышленности. Особенное значение приборы для измерения частоты имеют в телекоммуникационной, радиоэлектронной и электротехнической деятельности.

Частотомер, исходя из метода измерения, может быть двух типов:

Измерения частоты электронных приборов

  1. Аналоговые, которые предназначены для оценки частоты.
  2. Приборы сравнения, к которым относятся резонансные, гетеродинные, электронно-счетные устройства и так далее.

Измерения частоты электронных приборов

Аналоговые устройства предназначены в основном для определения колебаний синусоидального характера. Приборы сравнения применяются для измерения дискретных частот, гармонических параметров и так далее. Подобные устройства используются в большей части случаев для измерения частоты гармонического характера, находящихся в диапазоне 20-2500 Герц. Однако они имеют ограниченность использования, что вызвано невысокой точностью и высокой потребляемой мощностью.

В зависимости от типа конструктивного исполнения устройства бывают стационарными, переносными, либо щитовыми. Конкретный тип конструкции определяется областью применения устройства.

Больше всего распространены устройства прямого отсчета, то есть цифровые устройства. Они позволяют с удобством и высокой точностью измерять необходимые параметры частоты. Главная их особенность в том, что они подсчитывают число импульсов, поступающих от входного формирователя за конкретный период времени. Данный прибор способен измерить не только частоту, но также периоды времени и число импульсов.

Цифровые устройства позволяют выполнять с большой точностью исследования частот импульсного и гармонического характера в пределах 10 Гц – 50 ГГц. Подобные приборы в основном применяются для измерения частот, временных параметров.

По принципу действия подобный частотомер можно классифицировать на 4 группы:

  1. Устройства средних значений, которые являются наиболее распространенными. При помощи этих устройств можно измерять среднее значение частоты за определенное время. Пределы измеряемых частот составляют от 10 герц до 100 мегагерц. При использовании специальных преобразователей данный предел можно расширить до 1000 мегагерц.
  2. Устройства мгновенных значений. При помощи них можно узнать частоту в узком диапазоне. Подобные приборы чаще всего применяют для измерения инфранизких и низких частот.
  3. Устройства номинальных значений применяются с целью исследования изменений частот в узких пределах. Процентные устройства измеряют частоту в относительных единицах.
  4. Следящие устройства лучше всего подходят для измерения средних частот. Они измеряют частоту непрерывно. Если говорить прямо, то все электронные, а также электромеханические устройства являются следящими. К их преимуществам можно отнести возможность создания отчетов в каждый момент времени. К следящим устройствам также относятся и многие цифровые приборы.

В отдельную категорию можно выделить устройства, которые расширяют функционал следящих устройств. Это могут быть сервисные или универсальные приборы. Сервисные устройства имеют малые габариты, так как в них применяются интегральные схемы. Чаще всего они применяются в качестве автономных устройств, переносных, а также встроенных агрегатов в структуре автоматизированных систем. Их можно использовать для измерения разных величин.

Универсальные аппараты в большинстве случаев многофункциональны. Они имеют конструкцию, которая позволяет задействовать сменные блоки. Благодаря этому можно существенно повысить их функциональность. Специализированные устройства заточены под конкретные параметры измерений, поэтому в большей части случаев у них более простая конструкция.

Устройство

Частотомер может иметь разное конструктивное исполнение. К примеру, электронно-счетное устройство выделяется блочно-модульным исполнением. Его базу составляет кроссплата, где монтируются модульные платы. От них выходят проводники на управляющие и индикаторные элементы, в том числе входящие и выходящие разъемы. Лампы и индикаторы находятся в модуле, которой расположен за панелью. Индикация осуществляется динамически.

В отдельной кассете находится блок питания и генератор. Имеется возможность подключить внешний генератор. Для защиты от перегрева используется термостат. Вычисление осуществляется с помощью декад и делителей. Кроме того, в состав устройства входят умножитель, узел сброса и самонастройки, автоматический блок и входной формирователь. В качестве элементной базы для этих элементов используются транзисторы. Подобные устройства уже считаются устаревшими, но все равно иногда применяются.

Самый простой частотомер производится на базе микросхем. В качестве входного элемента используется триггер Шмидта, трансформирующий напряжение синусоидального характера в импульсы одинаковой частоты. Чтобы триггер нормально работал, требуется конкретная амплитуда входного сигнала. Важно, чтобы она не была выше заданной величины. Чтобы повысить чувствительность, в устройстве может применяться дополнительный усилитель входящего сигнала. К примеру, для этого может быть использован полупроводниковый транзистор малой мощности либо аналоговая микросхема.

Когда колебания проходят через конденсатор, происходит усиление его показателей посредством второго конденсатора. После этого колебания направляются на вход триггера. Следующий конденсатор убирает обратную связь. Чтобы пользователь мог увидеть показатели частоты, используются стрелочные приспособления, а также подсвечиваемая шкала.

Принцип действия

Частотомер позволяет определить частоту тока в элементе какого-нибудь оборудования. Например, Вам надо получить схему, которая состоит из 2-х блоков: передатчика и приемника. До готовности передатчика можно задействовать генератор сигналов. Большинство генераторов способно обеспечить создание сигналов с разными параметрами.

Чтобы точно определить частоту сигнала необходимо подключить генератор к входу устройства для измерения частоты. У ряда генераторов имеются встроенные модули, предназначенные для определения частоты. Цифровой частотомер использует счетно-импульсный принцип, благодаря которому счетный блок подсчитывает число импульсов, поступающих на вход за конкретный период времени. То есть устройство осуществляет подсчет числа импульсов, период времени определяется с помощью опорных частот.

На входе устройства измеряемое колебание усиливается, превращаясь в последовательность усиленных импульсов с такой же частотой, которую и необходимо измерить. В то же время кварцевый генератор создает последовательность эталонных импульсов, которые приводят к старту схемы управления. В качестве нее выступает стробирующая схема. Она задает стандартное время измерений, за которое подаются колебания на вход. Счетчик устройства подсчитывает импульсы за данный период времени. Их количество выводится на цифровом индикаторе. В случае необходимости нового измерения имеется кнопка, которая направляет сигнал на схему сброса. Она ставит счетчик в нулевое положение.

Применение

Измерения частоты электронных приборов

Универсальный частотомер в большинстве случаев используется для автоматизированного определения частоты, непрерывности сигналов, времени, пика напряжения, которое является входящим. Также устройство применяется с целью исследования времени прохождения импульсов, времени, фазового сдвига между сигналов, исследования отношений частотных характеристик, подсчитывания количества импульсов.

Частотомер в большей части случаев используется с целью настраивания, испытания и калибрующих работ в разнообразных устройствах. К примеру, это могут быть преобразователи, генераторы, фильтрующие устройства. Частотомеры часто применяют для настраивания оборудования связи и так далее. Они довольно часто применяются в связном деле, измерительной технике, навигации, локации, ядерной физике, электронике, а также при создании, изготовлении и эксплуатации радиоэлектронных устройств.

Измерения частоты электронных приборов

Говоря об измерении частоты, нельзя не сказать о том, что вообще понимают под частотой сигнала. Как оказывается, это не такой простой вопрос, как может показаться на первый взгляд. Подробнее об этом смотрите:
«Частота сигнала. Измерение частоты. Мгновенная и средняя частота».

Измерения частоты электронных приборов

Введение

Области применения средств измерения частоты довольно многочисленны. Необходимость в измерении частоты сигналов часто возникает при ремонте и настройке аппаратуры. Например, частотомер требуется для контроля и подстройки частоты генераторов, которые широко используются в самых разнообразных аналоговых и цифровых устройствах (автогенераторы в передатчиках; гетеродины в приёмниках; всевозможные генераторы опорной частоты в измерительной технике; генераторы тактовых сигналов в цифровых устройствах). Иногда помогает проконтролировать прохождение тестового сигнала через частотопреобразующие цепи (умножители и делители частоты, смесители).

Средства для измерения частоты могут найти применение не только в условиях лаборатории или мастерской. Устройство для измерения частоты может быть частью другого устройства. Например, цифровая шкала в аналоговых приёмниках и передатчиках. Или простые металлоискатели на основе измерения частоты (подробнее о металлоискателях смотрите «Металлоискатели»).

Также существует целый класс датчиков — преобразователей измеряемой величины в частоту (формирующих выходной сигнал, частота которого определяется измеряемой величиной). Для обработки сигнала от таких датчиков нам потребуется устройство для измерения частоты.

Методы измерения частоты

Для измерения частоты сигналов используются аналоговые, цифровые и гибридные (с совместным использованием цифровых и аналоговых способов обработки сигналов) методы измерения.

Аналоговые методы в настоящее время практически утратили свою актуальность. Основная их проблема (не считая неудобства пользования аналоговыми измерителями) — низкая точность. Точность порядка 1% для умеренно сложного аналогового частотомера можно считать очень хорошим показателем. Конечно, при большом желании может быть создан аналоговый частотомер с высокой точностью измерений. Но с ростом требуемой точности, резко возрастает сложность прибора, в то время как его использование становится совершенно неудобным (например, из-за разделения рабочего диапазона частот на большое количество узкодиапазонных пределов измерений). С другой стороны, когда не требуется высокая точность, аналоговые измерители частоты всё ещё могут представлять интерес, поскольку существуют варианты аналоговых частотомеров с предельно простым устройством.

Цифровые методы обеспечивают поразительную точность измерения частоты при сравнительно простом устройстве измерительного прибора. Такие измерители весьма универсальны, способны работать в очень широком диапазоне частот, причём, без необходимости каких-либо переключений пределов измерений (не считая особых случаев измерения очень низких частот или сверхвысоких частот). Во всём рабочем диапазоне сохраняется высокая скорость измерений и высокая точность. Цифровые частотомеры очень удобны в использовании.

Это может показаться удивительным, но оказалось, что цифровые устройства для измерения частоты можно усовершенствовать, существенно увеличив точность, если дополнить их некоторыми аналоговыми схемотехническими решениями. Если говорить очень упрощённо, то цифровое измерение частоты (или периода) сигнала состоит в подсчёте количества импульсов за определённый интервал времени. Естественно, при подсчёте получается целое число. При этом в действительности, на заданный интервал времени практически всегда приходится нецелое количество периодов исследуемого сигнала. Так вот, аналоговые методы позволяют сравнительно просто учесть дробную часть периода, неучтённую цифровыми методами. Такие приборы более сложны, но в них достигается экстремально высокая точность измерений.

Совместное использование аналоговых и цифровых решений бывает полезным и в других случаях, например при работе с СВЧ-сигналами. Если частота сигнала слишком высока, чтобы использовать доступные цифровые компоненты, можно осуществить перенос частоты сигнала в более низкочастотную область.

Аналоговые методы измерения частоты

Простейшим частотомером является аналоговая измерительная цепь, содержащая элемент с частотно-зависимой характеристикой, например конденсатор (рис. %img:afm).

Входной сигнал, частоту которого необходимо измерить, поступает на формирователь импульсов B1. Функции формирователя может выполнять связка из усилителя-ограничителя и триггера Шмитта. Формирователь преобразует входной сигнал в последовательность прямоугольных импульсов с такой же частотой, но фиксированной амплитудой. Будем считать, что низкому уровню на его выходе соответствует напряжение 0, а высокому — напряжение A. Пока на выходе формирователя присутствует низкий уровень, конденсатор C разряжается через диод D1. Когда на выходе формирователя импульсов устанавливается высокий уровень, конденсатор от него заряжается через диод D2. В процессе заряда, напряжение на конденсаторе изменяется от 0 до A, т.е. через конденсатор C и диод D2 проходит заряд q = C * A. Среднее значение тока через D2 (с учётом того, что ток через этот диод течёт только в процессе заряда конденсатора) составит $$ bar i = q / T = C A f, $$ где T — период входного (исследуемого) сигнала, а f — его частота. Среднее значение тока (bar i) измеряем чувствительным (милли/микро) амперметром.

Как видим, средний ток оказывается пропорциональным частоте сигнала: $$ bar i sim f, $$ таким образом, получили частотомер с линейной шкалой. Коэффициент пропорциональности равен C * A. Например, если ток полного отклонения микроамперметра равен 100 мкА, напряжение импульсов A = 1 В, ёмкость конденсатора C = 1000 пФ, то предел измерения прибора составит 100 кГц.

Главное достоинство подобного частотомера — крайняя простота. Недостатки: трудно получить точность лучше 1%; высшая для данного прибора точность будет достигаться только вблизи верхнего предела прибора, а значит, прибор должен быть многопредельным. Значит, требуется наличие нескольких конденсаторов C, цепи коммутации, средства подгонки на всех пределах измерения. Это делает устройство уже гораздо менее простым, лишая его основного достоинства. Но всё равно, даже труднодостижимая для подобных приборов точность 1%, в большинстве случаев совершенно недостаточна для серьёзной работы.

Увеличить точность метода можно, например, применив преобразование частоты исследуемого сигнала, перемещая её в область более низких частот. Если используем смеситель частоты и имеем стабильный источник с частотой f, то из сигнала с частотой f получим сигнал с частотой f1 = |f — f|. Измеряя f1 с точностью ( Delta f ), определяем ( f = f_0 pm f_1 ) с той же абсолютной точностью (точность f считаем достаточно высокой и погрешностью опорного генератора пренебрегаем). При этом выбираем f таким образом, чтобы частота преобразованного сигнала f1 оказалась много меньше, чем f, $$ f_1 ll f, \ f_1 / f ll 1. $$ Тогда относительная погрешность измерения частоты исходного сигнала окажется много меньше относительной погрешности измерения частоты преобразованного сигнала: $$ _f = frac f = frac f = _ frac f, $$ где, как мы установили, (f_1 / f ll 1), а значит, $$ _f ll _. $$

Но это уже совсем другой метод измерения. Основанный на его использовании прибор будет иметь узкочастотные диапазоны для измерения (каждый из диапазонов будет располагаться вблизи частоты f опорного генератора; ширина диапазона зависит от возможностей низкочастотного измерителя частоты и желаемой точности). Чтобы сделать подобный частотомер в целом широкополосным, он должен иметь множество узких диапазонов, на каждом из которых должен быть свой точный высокостабильный генератор опорной частоты. Прибор окажется сложным, громоздким, дорогим и неудобным в обращении.

Цифровые методы измерения частоты

Принципиально новый уровень возможностей открывается при переходе к цифровым методам измерения частоты. Сравнительно простая схема (с точки зрения цифровой схемотехники, конечно) способна обеспечить измерение в широчайшем диапазоне частот (от долей герца до гигагерц; верхняя граница зависит только от быстродействия используемых цифровых схем). Во всём рабочем диапазоне частот обеспечивается поразительная точность измерений, которая ограничивается практически только точностью опорного генератора. Даже в приборах любительского уровня нетрудно достичь точности порядка 10 -6 . И при этом используется единственный генератор опорной частоты для измерения любых частот.

Таким образом, цифровой частотомер получается простым, удобным, универсальным, точным средством для быстрого измерения частоты сигналов.

Существуют два основных подхода к цифровому измерению частоты:

  • подсчёт количества периодов исследуемого сигнала за определённый промежуток времени, называемый интервалом измерения (метод прямого счёта);
  • подсчёт количества периодов эталонного генератора за один или несколько периодов исследуемого сигнала (метод обратного счёта).

Сразу отметим, что второй способ имеет важные преимущества по сравнению с первым: обеспечивает высокую точность во всём диапазоне рабочих частот; способен обеспечить высокую скорость измерения при сохранении точности. Правда, по сути дела, здесь мы измеряем период сигнала, а чтобы определить частоту, потребуется вычислить обратную величину. Но для микроконтроллера вычисления — это не проблема. В настоящее время следует отдавать предпочтение этому способу измерения.

Достоинством первого варианта является предельная простота в реализации. Результат измерения пропорционален частоте, а при выборе интервала измерения равным 1 с, результат равен частоте в герцах и может непосредственно отображаться на индикаторе. Использующие этот способ измерения приборы могут быть построены на простой логике. А потому способ был весьма популярен на начальных этапах развития цифровой электроники.

Подробнее об этих двух способах смотрите далее:
«Цифровые методы измерения частоты».

Измерения частоты электронных приборов

Дополнительные ссылки

Небольшой путеводитель по статьям из этого цикла.

Частота сигнала. Измерение частоты. Мгновенная и средняя частота

Измерения частоты электронных приборов

Даётся определение частоты; поясняется, почему это понятие неприменимо, строго говоря, к реальным сигналам. Вводятся понятия мгновенной и средней частоты, выясняется взаимосвязь между этими величинами. Показывается, что частотомер измеряет среднюю частоту сигнала. Цифровые методы измерения частоты

Измерения частоты электронных приборов

Рассматриваются два цифровых метода измерения частоты (метод прямого счёта и метод обратного счёта). Указываются основные особенности, возможности, достоинства, ограничения и недостатки методов. Предлагаются структурные схемы для реализации каждого из методов. Особенно подробно рассматривается метод обратного счёта. Рассматривается вопрос организации непрерывного и конвейерного процесса измерений; это позволяет увеличить скорость измерений при сохранении точности. Увеличивая количество измерений в единицу времени, получаем более полную информации об изменениях частоты сигнала со временем. Частотомер на основе микроконтроллера STM32

Измерения частоты электронных приборов

Здесь переходим от теории к практике и строим простейший частотомер на микроконтроллере. Точнее говоря, основу для частотомера, так как рассматривается только сам процесс измерения (без отображения результатов или управления режимами работы). Тем не менее, предлагаемые решения могут использоваться для создания настоящего прибора или в других проектах, где требуется измерение частоты. Хотя для этого лучше использовать решения из следующих статей. А этот пример лучше использовать по основному назначению — для ознакомления с некоторыми идеями о применении таймеров микроконтроллера для реализации известных методов измерения частоты. В примере измерение производится по запросу, используется метод обратного счёта. Частотомер на основе микроконтроллера STM32. Конвейерный принцип измерения частоты

Измерения частоты электронных приборов

Более сложный пример частотомера на микроконтроллере. Показывается, как с помощью таймеров организовать конвейерное измерение методом обратного счёта. Тем не менее, это по-прежнему «учебный» пример (отсутствуют средства отображения и управления, имеются некоторые ограничения, обусловленные упрощённостью реализации). Предлагаемый код является базовым для следующего, более сложного проекта. Но может использоваться и в качестве библиотечного кода в других проектах, где ограничения этой реализации непринципиальны (возможные проблемы при измерениях вблизи нижнего и верхнего предела), зато имеет значение простота используемых решений. Частотомер на основе микроконтроллера STM32 с конвейерным измерением частоты — 2

Измерения частоты электронных приборов

Это уже «настоящий», законченный частотомер, в котором предусмотрены средства для управления режимами работы и для вывода результатов измерений. Устранены недостатки предыдущего проекта. Программный код довольно сложен, чтобы в нём разобраться, лучше сначала изучить предыдущий упрощённый вариант.

Источник