Типовая структурная схема и основные параметры цифрового частотомера

 

Типовая структурная схема ЦЧ может быть представлена в ви­де, показанном на рис. 5.2. Она содержит функциональные узлы, уже знакомые нам из § 3.6.4. В связи с этим охарактеризуем схему рис. 5.2, рассмотрев ее работу в различных режимах.

 

Измерение частоты

 

При измерении f_x сигнал подается на вход 1, а блок образцовой частоты (БОЧ) подключается к ФУ2. Формирующие устройства ФУ1 и ФУ2 необходимы для преобразования гармонических сигна­лов в короткие импульсы, соответствующие моментам перехода сигналов через нуль в одну сторону. Благодаря этому образуются периодическая последовательность импульсов с периодом Т_х (ФУ1), которые удобно считать при измерении f_x, и импульсы, с помощью которых (ФУ2) формируется интервал Т_и (метки времени). В каче­стве БОЧ применяется кварцевый генератор с системой делителей

Рис. 5.2. Типовая структурная схема ЦЧ.

и умножителей частоты, позволяющих выбрать требуемый коэффи­циент деления или умножения при формировании Т _и. Само форми­рование Т _и осуществляется с помощью УУ. Как и в ЦВ, управление работой ЦЧ может быть ручным или автоматическим.

Процесс измерения f_x наглядно поясняется временными диаграм­мами, приведенными на рис. 5.3. Импульсы U₁ поступают на вход селектора, который открыт во время действия напряжения U₃, сформированного из колебаний БОЧ U₂. Это напряжение может иметь вид прямоугольного импульса длительностью Т _и, называемо­го стробирующим импульсом (строб-импульсом), либо меток вре­мени, аналогичных старт- и стоп-импульсу в ЦВ. Таким образом, счетчик фиксирует число импульсов N (диаграмма U₄), связанное с Т_х и Т_и очевидным соотношением

T_и=N T_x

откуда

f_x=N / T_и, (5.4)

т. е. при T_и=10ⁿ с (n = 0, ±1, ±2,...) показание счетчика соответ­ствует f_x, и мы получаем прямоотсчетный интегрирующий ЦЧ.

Рассмотренный режим работы ЦЧ может быть использован для измерения долговременной нестабильности частоты путем фиксации значений f_t, определения относительной вариации частоты 0о,- или относительного отклонения е_г и расчета по формулам (5.1) или (5.2)

 

 

требуемого значения σ или δ. Этот процесс автоматизируется по заданной программе в реальном масштабе времени. Кроме того, для измерения отклонения частоты от номинального значения и выдачи результата измерения в процентах от этого значения применяют так называемые процентные частотомеры, которые относятся к при­борам специального назначения.

Рис. 5.3. Временные диаграммы, характеризующие работу ЦЧ.

Измерение периода

 

При измерении Т_х сигнал подается на вход 2, а БОЧ подклю­чается к ФУ1 (см. рис. 5.2). В этом случае интервал времени изме­рения определяется величиной Т_х, а счетными являются импульсы, сформированные из напряжения 0₂ (рис. 5.3). Для уменьшения ша­га квантования частота f₀ может быть умножена в требуемое число раз. Таким образом, для этого режима работы ЦЧ

T_x=N T₀/10ⁿ (5.5)

где 10ⁿ (n = 0, 1, 2,...) определяется коэффициентом умножения f₀. Из (5.5) видно, что при достаточно больших значениях Т_х (в диапазоне низких и инфранизких частот) и я требуемый интервал времени измерения может быть равен Т_х. Отсюда видна возмож­ность измерения f_x за один период сигнала — неинтегрирующий ЦЧ. В практических схемах ЦЧ предусматривается возможность измерения не только одного, но и нескольких периодов Т_х с после­дующим усреднением результатов измерений. Поэтому в общем слу­чае интервал времени измерения выбирается с помощью УУ рав­ным 10^m Т_х (т = 0, 1, 2,...), и из (5.5) следует

T_x=N T₀ /10^(n+m) (5.6)

Возможность измерения одного или нескольких периодов Т_х по­зволяет использовать этот режим для измерения кратковременной нестабильности частоты в реальном масштабе времени.

Измерение отношения частот

 

Режим измерения отношения частот двух сигналов является про­изводным режимов измерения f_x и Т_х. В этом режиме БОЧ исклю­чается из схемы, сигнал большей частоты f, подается на вход 1, а сигнал меньшей частоты f₂ —на вход 2 (см. рис. 5.2). Таким обра­зом, интервал Т_иформируется из сигнала частоты f₂, а счету под­вергаются импульсы, сформированные из сигнала частоты }_и Как видно из формулы (5.4), этому соответствует

N= f₁ / f₂ (5.7)

т. е. с помощью ЦЧ могут быть реализованы не только абсолютные, но и относительные измерения частоты.