Методы измерения частоты кратко

Обновлено: 02.07.2024

В зависимости от участка спектра применяют различные методы измерения.

Наиболее распространенными являются:

метод перезаряда конденсатора,

метод дискретного счета.

На основе методов перезаряда конденсатора и дискретного счета созданы прямопоказывающие приборы частотомеры. Метод сравнения являются трудоемкими, требуют обработки полученных данных и используются в основном для градуировки генераторов различных измерительных приборов. Для их реализации необходим образцовый генератор более высокой точности и устройство сравнения (сличения) частот.

Допустимая погрешность определяется применяемым методом и заключается в пределах:

от 1 до 2 % при измерении методом перезаряда конденсатора;

от 10 -4 до 10 -8 — при измерении методами сравнения;

10 -8 и меньше — при измерении методом дискретного счета.

Рассмотрим более подробно перечисленные выше методы.

Метод заряда и разряда конденсатора

Использование метода заряда и разряда конденсатора позволяет создавать простые в эксплуатации и недорогие частотомеры, работающие в диапазоне 0,02. 1 МГц, но имеющие сравнительно невысокую точность. Их относительная приведенная погрешность может достигать 5%. Принцип действия конденсаторного частотомера, может быть пояснен с помощью схемы на рис. 16.1, а.

Рис. 3.1. Конденсаторные частотомеры: a — структурная схема: б — временные диаграммы к схеме

На рис. 3.1, б показан простейший принцип преобразования входного синусоидального колебания в колебание типа меандр u_упри сопутствующие сигналы. Сигнал u_упруправляет ключом К: при положительной полярности ключ замкнут, при отрицательной — разомкнут.

При замкнутом положении ключа происходит заряд емкости С током i_з, протекающим через диод D1.

При разомкнутом ключе данная емкость разряжается током i_р, протекающим через диод D2, измерительный прибор mА и сопротивление R.

Непременным условием работы частотомера является требование того, чтобы емкость в течение зарядного времени успела полностью зарядиться до некоторого постоянного значения Е, а при разряде — напряжение на емкости практически становилось нулевым. Тогда максимальное значение разрядного тока i_р будет оставаться неизменным I_m_ах, время разряда τ постоянным. При этом среднее значение тока, протекающего через измерительный прибор, определится формулой:

. (3.2)

Итак, показания измерительного прибора оказываются пропорциональны частоте f_x = 1/T_x, следовательно

I_cp = f_xI_maxτ (3.3)

Данный метод в настоящее время используется крайне редко из-за достаточно низкой точности и ограниченности диапазона измерения частоты.

Измерение частоты методами сравнения

Осциллографический метод измерения частоты

Использование осциллографа в качестве устройства сравнения позволяет реализовать следующие методы измерения частоты:

определение частоты методом интерференционных фигур (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.

Первые два из перечисленных методов рассмотрены ранее. Погрешность измерения интервала времени с помощью осциллографа вызвана нелинейностью его развертки и погрешностями отсчета начала и конца интервала.

Третий метод реализуется при условии, что неизвестная частота f_x больше образцовой f₀. Круговая развертка создается при подведении ко входам Y и Х осциллографа гармонических сигналов образцовой частоты, сдвинутых взаимно по фазе на 90°. Подавая гармонический сигнал с измеряемой частотой f_x на вход Z модуляции яркости луча осциллографа и регулируя частоту f₀, можно получить практически неподвижную модулированную по яркости круговую развертку (рис. 3.2). Если N — число ярких дуг (или темных промежутков) на круговой развертке, то частота

f_x = N f₀.

Рис. 3.2. Модулируемая по яркости круговая развертка

Все три перечисленных метода имеют невысокую точность (относительная погрешность измерений порядка 1 10 -2 . 5 10 -2 ). Верхняя граница диапазона измеряемых частот определяется параметрами осциллографа и для большинства из них не превышает 300 МГц.

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".

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).

Рис. %img:afm

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 f₀, то из сигнала с частотой f получим сигнал с частотой f₁ = |f - f₀|. Измеряя f₁ с точностью $ \Delta f $, определяем $ f = f_0 \pm f_1 $ с той же абсолютной точностью (точность f₀ считаем достаточно высокой и погрешностью опорного генератора пренебрегаем). При этом выбираем f₀ 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 f₀ 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".

Смотрите также
"Частота сигнала. Измерение частоты. Мгновенная и средняя частота".

Дополнительные ссылки

Небольшой путеводитель по статьям из этого цикла.

Частота сигнала. Измерение частоты. Мгновенная и средняя частота 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 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 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 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 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.

Принято частоту электрического сигнала измерять через время, либо непосредственно. На практике необходимость в приборах для измерения частоты возникает при контроле работы линии токоприемников.

Наиболее распространенный метод - использование осциллографа в качестве элемента индикации, т.е. результат (совпало, не совпало) выносится на основании визуального анализа субъекта изображения на экране осциллографа.

а) Фигуры Лиссажу.

Непрерывная замкнутая кривая, имеющая стабильность при целом отношении частот сигналов fх/fу = n

Рис. . Схема измерения частоты с

использованием фигуры Лиссажу.

Фигуры Лиссажу позволяют уверенно измерять при кратности частот (4-6), но при этом требуется стабильный генератор эталонной частоты. На низких частотах (10 Гц) таких приборов немного.

Погрешность измерения по этому методу оценивается погрешностью установки частоты измерительным генератором, индикатор, т.е. осциллограф не вносит погрешности. В лабораторных условиях метод дает хорошие результаты. В промышленности метод считается несколько громоздким. Преимущество диапазона равно тысячи Гц.

б) Метод круговой развертки - метод пунктирного колеса.

Суть метода: на экране осциллографа с помощью фазосдвигающей R-С цепочки, создается круговая развертка.

Рис. . Схема измерения частоты с

использованием метода пунктирного колеса.

В общем случае это эллипс, который можно преобразовать в круг подбором величин R и C. На модулятор трубки осциллографа подается измеряемый сигнал fx, если эталонная частота кратна fx, на экране наблюдается штриховая линия (f2 >> f1).

Основное условие получения пунктира является целое отношение величин частот. Если это не выполняется, то окружность как бы вращается по экрану, создавая впечатления простой линии. Метод позволяет измерять отношение частот до 10 - 15 уверенно.

Недостаток: требуется вход модулятора и усилитель для сигнала f2 .

Оба рассмотренных метода - сравнение с нулевым отклонением.

Имеется второй метод - метод биений, когда результат сравнения не нулевой сигнал и известные частоты объединяются на сумматоре.

Рис. . Схема измерения частоты

с использованием метода биения.

Разницу f1-f2 называют биением. Поскольку биения можно прослушать через динамик, то, уменьшая или увеличивая частоту задающего генератора, по звуку добиваются нулевых биений - пропадания звука в динамике. Поскольку нижний порог слышимости порядка 20 Гц метод имеет погрешность, определяемую этим порогом (индикатор, наушники, динамик). Как правило, метод биений применяется на высоких частотах, когда Df/f1

Прямые измерения получают с использованием электромеханических частотомеров и электронных (цифровых) частотомеров. Электромеханические на основе приборов электродинамической системы либо вибрационные. Главный недостаток электродинамических приборов – ограниченный диапазон измерений. В то же время это и достоинство, т.к. эти приборы ориентированны на измерение номинального значения, когда стрелка-указатель должна находиться вблизи этого номинального значения. В таком приборе имеются две подвижные рамки и основная катушка. 1-2, 3-4 – обмотки подвижных рамок, а 5-6 – основная катушка.

Рис. . Схема измерения частоты с использованием электромеханических

частотомеров на основе приборов электродинамической системы.

При прохождении тока по обмоткам 1-2, 3-4, 5-6 между ними возникает сдвиг по фазе напряжений. В результате формируется два магнитных потока, удерживающих в состоянии равновесия. Параметры L и C поддерживаются так, чтобы при номинальной частоте стрелка располагалась по середине.

Другой тип электромеханических частотомеров – вибрационные. Имеются несколько катушек (электромагнитов) с резонансными частотами, близкими к номинальной. Катушки размещают слева направо, так чтобы частоты увеличивались. Возле каждой катушки размещают гибкую пластину, один конец которой закреплен, а другой свободно может вибрировать в случае резонанса. Против свободных концов пластин имеется шкала.

При подключении источника напряжения с определенной частотой пластина начинает вибрировать, причем максимальная амплитуда вибрации пластин у той катушке, собственная частота которой, совпадает с частотой генератора. Такие приборы используют для непрерывного контроля частоты.

Рис. . Схема измерения частоты с использованием электромеханических

частотомеров на основе вибрационных приборов.

Конденсаторный метод измерения частоты.

Помимо электромеханических средств измерения, использовались ряд других: Например, конденсаторный метод. Конденсаторные частотомеры основаны на разном времени разряда и заряда конденсатора.

Рис. . Схема измерения частоты с использованием конденсаторного метода.

Напряжение на конденсаторе при разряде можно рассмотреть линейно изменяющимся во времени. Если поставить в зависимость время заряда и частоту коммутации (переключат SB), то показание вольтметра можно проградуировать в значениях частоты.

Основная погрешность прибора связана с нелинейностью характеристики напряжения во времени. Кроме этого измерительный механизм имеет класс точности, поэтому класс точности таких приборов порядка 2, диапазон измерения широк за счет переключения конденсатора.

Структурная схема цифрового частотомера. Измерение частоты следования и временных интервалов.

Электронные частотомеры основаны на использовании временного интервала.

Рис. . Измерение частоты следования и временных интервалов.

Рис. . Схема измерения временного интервала.

Погрешности таких измерений определяются стабильностью генератора (генератор кварцевый) и половиной периода следования частоты измерительного генератора. Технически частота генератора ограничена, поэтому такие измерители имеют фиксированную погрешность, но эта погрешность незначительна (при частоте n = 1 МГц погрешность 0,5*10 -6 ).

Рассматриваемый способ дает очень хорошие результаты для очень малых частот в том числе, промышленных, а интегрированные схемы позволяют выполнить приборы с малыми габаритами. Основная погрешность вносит усилитель-ограничитель, который формирует из синусоидального сигнала прямоугольный. Точность таких измерений до сотых долей процента.

Метод цифрового измерения временного окна хорошо вписывается в цифровую обработку с применением ЭВМ, т.е. можно определить не только действующее средневыпрямленное значение, но и частоту следования.

а) Фигуры Лиссажу.

Непрерывная замкнутая кривая, имеющая стабильность при целом отношении частот сигналов fх/fу = n

Рис. . Схема измерения частоты с

использованием фигуры Лиссажу.

б) Метод круговой развертки - метод пунктирного колеса.

Суть метода: на экране осциллографа с помощью фазосдвигающей R-С цепочки, создается круговая развертка.

Рис. . Схема измерения частоты с

использованием метода пунктирного колеса.

Недостаток: требуется вход модулятора и усилитель для сигнала f2 .

Оба рассмотренных метода - сравнение с нулевым отклонением.

Рис. . Схема измерения частоты

с использованием метода биения.

Как измерить частоту

Непосредственное измерение частоты производят частотомерами , в основу которых положены различные методы измерения в зависимости от диапазона измеряемых частот и требуемой точности измерения. Наиболее распространенными методами измерения частоты являются:

Метод перезаряда конденсатора за каждый период измеряемой частоты. Среднее значение тока перезаряда пропорционально частоте и измеряется магнитоэлектрическим амперметром, шкала которого проградуирована в единицах частоты. Выпускают конденсаторные частотомеры с пределом измерения 10 Гц - 1 МГц и погрешностью измерения ±2%.

Резонансный метод , основанный на явлении электрического резонанса в контуре с подстраиваемыми элементами в резонанс с измеряемой частотой. Измеряемая частота определяется по шкале механизма подстройки. Метод применяется на частотах более 50 кГц. Погрешность измерения можно уменьшить до сотых долей процента.

Метод дискретного счета лежит в основе работы электронно-счетных цифровых частотомеров . Он основан на счете импульсов измеряемой частоты за известный промежуток времени. Обеспечивает высокую точность измерения в любом диапазоне частот.

Метод сравнения измеряемой частоты с эталонной . Электрические колебания неизвестной и образцовой частот смешиваются таким образом, чтобы возникли биения некоторой частоты. При частоте биений, равной нулю, измеряемая частота равна образцовой. Смешение частот осуществляют гетеродинным способом (способ нулевых биений) или осциллографическим.

При последнем способе применяют осциллограф с отключенным генератором внутренней развертки. Напряжение образцовой частоты подают на вход усилителя горизонтальной развертки, а напряжение неизвестной частоты - на вход усилителя вертикального отклонения.

Изменяя образцовую частоту, получают неподвижную или медленно меняющуюся фигуру Лиссажу . Форма фигуры зависит от соотношения частот, амплитуд и фазового сдвига между напряжениями, подаваемыми на отклоняющие пластины осциллографа.

Если мысленно пересечь фигуру по вертикали и горизонтали, то отношение числа пересечений по вертикали m к числу пересечений по горизонтали n равно при неподвижной фигуре отношению измеряемой fх и образцовой fобр частот.

При равенстве частот фигура представляет собой наклонную прямую, эллипс или окружность.

Частота вращения фигуры будет точно соответствовать разности d f между частотами fx ' и fx, где fx ' = fобр ( m / n) и, следовательно, fx = fобр ( m / n) + d f . Точность способа определяется в основном погрешностью задания образцовой частоты и определения величины d f.

Другой способ измерения частоты методом сравнения - с использованием осциллографа, имеющего калиброванное значение длительности развертки либо встроенный генератор калиброванных меток.

Зная длительность развертки осциллографа, и подсчитав, сколько периодов измеряемой частоты укладывается на выбранной длине центрального участка экрана осциллографа, имеющего наиболее линейную развертку, можно легко определить частоту. Если в осциллографе имеются калибрационные метки, то, зная временной интервал между метками и подсчитав их число на один или несколько периодов измеряемой частоты, определяют длительность периода.

Читайте также: