Измерение частоты резонансным методом. Метод дискретного счета и его использование в электронно-счетных частотомерах.

Принцип действия резонансного метода основан на сравнении измеряемой частоты fx с собственной резонансной частотой fp градуированного колебательного контура или резонатора. Обычно данный метод применяется в диапазонах высоких частот и СВЧ, но может использоваться и в более низком диапазоне. Измерительные приборы, работающие на основе этого метода, называются резонансными частотомерами.

Структурная схема:

Индикатор резонанса аттенюатор

Перестраиваемая колебательная система

Входное устройство генератор

    U(fx)

 

Перестраиваемая колебательная система возбуждается сигналом источника измеряемой частоты U(fx) через входное устройство. Интенсивность колебаний в колебательной системе резко увеличивается в момент резонанса, т.е. при fx=fp. Данный момент фиксируется с помощью индикатора резонанса, связанного с колебательной системой, и значение измеряемой частоты fx считывается с градуированной шкалы механизма настройки.

В качестве колебательной системы на частотах до сотен МГц используются колебательные контуры, а на частотах до 1ГГц – контуры с распределенными постоянными типа отрезков коаксиальной линии, на частотах выше 1 ГГц – объемные резонаторы.

Должна быть большая добротность Q. Если добротность маленькая, то изменение напряжение плавное, трудно определить максимум. Для высокой добротности необходимо высокое качество контура и связь с источником сигнала маленькая, чтобы он не губил своим сопротивлением.

Основные источники погрешностей: погрешность настройки в резонанс, погрешность шкалы и погрешность считывания данных.

Метод дискретного счета (для частоты). Подсчет количества периодов за интервал времению. На низких частотах большая погрешность частотности, т.к. мало периодов за мнтервал времени, переходим к измерению периодов.

Структурная схема:

Исследуемый гармонический сигнал частоты fx подается на входное устройство (ВУ), усиливающее или ослабляющее его до значения, требуемого для работы последующего устройства частотомера. Снимаемый с выхода ВУ гармонический сигнал U1 поступает на формирователь импульсов (ФИ), преобразующий его в последовательность коротких однополярных импульсов U2, следующих с периодом Тх = 1/fx и называемых счетными. Причем передние фронты этих импульсов практически совпадают с моментами перехода сигнала U1 через нулевое значение на оси времени при его возрастании. Схематически формирователь ФИ состоит из усилителя-ограничителя и компаратора.

Счетные импульсы U2 поступают на один из входов временного селектора (ВС), на второй вход которого от устройства формирования и управления (УФУ) подается строб-импульс U3 прямоугольной формы и калиброванной длительности То > Тх. Интервал времени То называют временем счета.

Временной селектор открывается строб-импульсом U3, и в течение его длительности пропускает группу из Nx импульсов U2 на вход счетчика (СЧ). В результате временного селектора на счетчик поступает пакет из Nx импульсов U4. Первый счетный импульс, попавший во временные ворота То строб-импульса, опережает его передний фронт на время Δtн, а срез ворот и последний счетный импульс, появляющийся до среза, разделяет интервал Δtk. То=NxTx-Δtн-Δtк=NxTx-Δtд, где Δtн,Δtк – абсолютные погрешности дискретизации начала и конца интервала То, вызванные случайным положением строб-импульса относительно счетных импульсов. Δtд =Δtн-Δtк – общая абсолютная погрешность дискретизации.

Пренебрежем погрешностью Δtд, тогда Nx=To/Tx=To*fx => fx=Nx/To

Для формирования строб-импульса на устройство УФУ поступают короткие импульсы с периодом T0 от схемы, включающей кварцевый генератор (КГ) образцовой частоты fкв и декадный делитель частоты (ДДЧ) следования импульсов с коэффициентом деления Кд (каждая декада уменьшает частоту fкв в десять раз). Период импульсов на выходе декадного делителя частоты и длительность строб-импульса равны периоду сигнала на выходе делителя частоты, т.е. T0 = Кд / fкв, тогда fx = Nx fкв / Кд

Счетчик подсчитывает число импульсов Nx и выдает соответствующий код в цифровое отсчетное устройство (ЦОУ). Отношение fкв/Кд выбирается равным 10n Гц, где п — целое число. При этом ЦОУ отображает число Nx, соответствующее измеряемой частоте fx в выбранных единицах. Перед на­чалом измерений УФУ сбрасывает показания счетчика в нуль.

Погрешность измерения частоты fx этим методом имеет систематическую и случайную составляющие.

Систематическая составляющая погрешности измерения вызывается в основном долговременной нестабильностью частоты кварцевого генератора fкв. Ее уменьшают путем термостатирования кварца или за счет применения в кварцевом генераторе элементов с термокомпенсацией. При этом относительное изменение частоты fкв за сутки обычно не выше δкв= 5.10 -9.

Погрешность измерения за счет неточности установки номинального значения частоты fкв уменьшается калибровкой кварцевого генератора по сигналам эталонных значений частоты, передаваемых по радио или с помощью перевозимых квантовых стандартов частоты.

Случайная составляющая погрешности измерения определяется погрешностью дискретизации ∆tд=∆tн-∆tк

Они распределены по равномерному закону. Вследствие независимости этих погрешностей общая погрешность дискретизации ∆tд распределена по треугольному закону с предельным значение ±T0.

Суммарная относительная погрешность измерения из-за погрешности дискретизации увеличивается по мере уменьшения измеряемой частоты fx. При достаточно малой частоте fx она может превзойти допустимое значение даже при максимальном времени счета Т0, которое в цифровых частотомерах обычно не превышает 1 или 10 с. В этом случае целесообразно измерить период Тх = 1/ fx, а затем вычислить искомую частоту fx

Для уменьшения влияния погрешности дискретизации на результат измерения частоты fx можно провести ее многократные наблюдения, а затем выполнить их статистическую обработку.