Лекция 7 и 8 Тема Измерение частоты

Лекция 7 и 8 Тема : «Измерение частоты, периода интервала времени и отношения частот» Дисциплина : «Измерения электрических и магнитных величин»

Цифровой метод измерения частоты Цифровые частотомеры в настоящее время получили широкое распространение для измерения частоты периодических гармонических и импульсных сигналов. Помимо частоты они используются также для измерения периода, интервала времени, отношения двух частот, подсчета числа импульсов. В частотомере имеется также выход, с которого можно снимать сигнал фиксированной частоты: от 0, 01 Гц до, например, 10 МГц с кратностью 10. Цифровой метод измерения частоты fx заключается в подсчете числа периодов измеряемого сигнала за известный интервал времени

Цифровой частотомер Устройство управления не показано fx , Входной формирователь Генератор кварцевый Мера частоты и времени fo Делитель частоты Генератор меток времени : 10 -6, 10 -5, 10 -4, 10 -3, 10 -2, 10 -1, 1, 100 с Ключ Счетчик импульсов Nx Цифровое отсчетное устройство Ти Делитель частоты делит частоту кварцевого генератора декадными ступенями до 0, 01 Гц

Цифровой частотомер Uвх U Выход формирователя Делитель частоты Ключ t Tx Ти Nx t Ти>>Tx t t

Цифровой частотомер Погрешность частотомера определяется: –погрешностью формирования измерительного интервала Ти; –погрешностью квантования. Первая составляющая погрешности может быть определена из выражения: , где То – период частоты кварцевого генератора; q – коэффициент деления делителя частоты. Коэффициент деления имеет строго определенные значения: 10; 1000 и т. д. Следовательно: δTи = δTo = δfo.

Цифровой частотомер Погрешность квантования обусловлена двумя причинами: во-первых, интервал Ти может быть не кратным периоду измеряемой частоты; во-вторых, входной сигнал и сигнал управления ключом между собой не синхронизированы. В наихудшем случае погрешность квантования составит 1 единицу младшего разряда или в относительной форме:

Цифровой частотомер Суммарная погрешность: Погрешность δfo составляет 10 -6… 10 -9. Из выражения следует, что с уменьшением частоты погрешность квантования возрастает и для уменьшения погрешности квантования следует увеличивать измерительный интервал Ти. Обычно Ти не превышает 10 с.

Погрешность частотомера. Таким образом, частотомер может обеспечить малую погрешность при измерении высоких частот, когда погрешность квантования становится соизмеримой с погрешностью меры частоты – кварцевого генератора. Например, для fx = 10 МГц и Ти = 1 с погрешность измерения может составить:

При измерении низких частот, например 50 Гц, погрешность может составить: . Для уменьшения погрешности либо выбирают другое большее значение Ти, либо используют умножители частоты, либо переходят к измерению периода Tx, а частота fx определяется из соотношения: Следует заметить, что в последнем случае будет определяться на среднее значение частоты за интервал Ти, а мгновенное значение.

Измерение периода цифровым методом n=1 , 100, 10000 Tx , Входной формирователь Генератор кварцевый Делитель частоты fo Ключ Счетчик импульсов Nx Цифровое отсчетное устройство

Измерение периода Диапазон измерений составляет от 0, 1 мкс до 104 с. U t Выход входного ормировате ля Кварцевый генератор Выход ключа Tx fo t t То Nx t

Измерение периода Погрешность измерения определяется: – погрешностью формирования прямоугольного импульса длительностью Tx; – погрешностью кварцевого генератора; – погрешностью квантования. Первая составляющая определяется нестабильностью порога срабатывания входного формирователя, за счет чего длительность прямоугольного импульса на выходе формирователя несколько отличается от длительности измеряемого периода. Эта погрешность проявляет себя, когда входной сигнал имеет гармоническую форму.

Измерение периода В общем случае, погрешность измерения Tx равна: где δф – погрешность, вносимая входным формирователем. Для уменьшения погрешности от входного формирователя и погрешность квантования выделяют не один период измеряемого сигнала, а n. Для этих целей после входного формирователя ставится делитель частоты, где период умножается в 10 раз. Погрешность квантования зависит как от Tx, так и от частоты fo кварцевого генератора. Чем выше частота fo, тем меньше погрешность квантования.

Диапазоны измерения частоты и периода Диапазон измерения частоты составляет 10 Гц… 3000 МГц. Диапазон измерений периодов составляет от 0, 1 мкс до 104 с.

• Диапазон измеряемых частот цифровых частотомеров ограничен снизу погрешностью дискретизации, а сверху — конечным быстродействием используемых счетчиков и делителей частоты. Верхний предел измерения частоты достигает 500 МГц, и его расширяют способом гетеродинного преобразования (переноса) измеряемой частоты в область более низких частот.

В современных цифровых частотомерах широко применяются кварцевые синтезаторы частот, создающие сигналы с дискретной сеткой частот. Цифровые частотомеры с программноуправляемыми синтезаторами частот и микропроцессорами являются перспективными измерительными приборами благодаря высокой точности, широкому диапазону измеряемых частот, надежности и удобству включения в автоматизированные измерительные системы.

Измерение интервала времени Довольно часто решение задач в таких областях, как радиоэлектроника, автоматика, вычислительная техника, экспериментальная физика и других, связаны с измерением интервалов времени tx в диапазоне от десятых долей наносекунд до сотен секунд.

Измерение интервала времени Наряду с электронным осциллографом, позволяющим измерять длительность импульсов, временные сдвиги импульсов относительно друга, длительности фронтов и срезов импульсов, широко применяется цифровой метод измерения интервалов времени, позволяющий охватить измерениями довольно широкий диапазон временных интервалов при высокой точности измерений.

Измерение интервала времени tx 1 tx tx 2 tx tx При измерении tx цифровыми приборами необходимо учесть, что tx может задаваться периодическими, непериодическими однократными сигналами, импульсными сигналами, снимаемыми с выходов различных приборов, интервалом между двумя импульсами с разными амплитудами, интервалом между различными уровнями одного и того же импульса. Поэтому цифровые измерители tx имеют два входных формирователя, один из которых формирует импульс «Старт» , а другой – «Стоп» , определяющие соответственно начало и конец tx.

Измерение интервала времени Вход А Входной формирователь А Устройство управления Входной формирователь Б Вход Б Старт-импульс Счетчик импульсов Ключ T 0 Стоп-импульс Генератор кварцевый Мера времени Nx Цифровое отсчетное устройство

Измерение интервала времени • Погрешность при измерении интервала времени tx Δt 1 To =Nx·To Δt 2

Измерение интервала времени. Предельное значение абсолютной погрешности квантования Предельное значение относительной погрешности квантования

Измерение малых интервалов времени Для измерения малых интервалов tx осуществляют преобразование масштаба времени. В этом случае измеряемый интервал tx преобразуется в пропорциональное напряжение, которое затем преобразуется во временной интервал tx', длительность которого в n раз больше длительности tx, т. е. : t x' = n · t x. В способе растяжения применяют поочередное интегрирование двух напряжений постоянного тока U 1 и U 2 различной полярности. Напряжение U 1 интегрируется в течение измеряемого интервала времени tx , а напряжение U 2 - в течение интервала tx', определяемого от момента окончания интервала tx до момента времени, когда напряжение на выходе интегратора станет равным нулю.

Измерение отношения частот fв fн Входной формирователь А Входной формирователь Б Ключ Ти=ТН Счетчик импульсов Nx Цифровое отсчетное устройство

Измерение отношения частот Вход формирователя Б Tн Выход формирователя Б t Вход формирователя А Выход формирователя А t fв Тв t Nx

Измерение отношения частот Основная относительная погрешность измерения отношения частот: – при синусоидальном сигнале низшей из сравниваемых частот где n – коэффициент деления делителя частоты (или, что то же самое, коэффициент умножения периода). при импульсном сигнале низшей из сравниваемых частот и при длительности фронтов импульсов низшей частоты не более половины периода высшей из сравниваемых частот –