Принцип работы частотомера кратко
Обновлено: 08.07.2024
Частотомер — радиоизмерительный прибор для определения частоты периодического процесса или частот гармонических составляющих спектра сигнала.
Классификация
- По методу измерения - приборы непосредственной оценки (напр. аналоговые) и приборы сравнения (напр. резонансные, гетеродинные, электронно-счетные).
- По физическому смыслу измеряемой величины — для измерения частоты синусоидальных колебаний (аналоговые), измерения частот гармонических составляющих (гетеродинные, резонансные, вибрационные) и измерения частоты дискретных событий (электронно-счетные, конденсаторные).
- По исполнению (конструкции) — щитовые, переносные и стационарные.
- По области применения частотомеры включаются в два больших класса средств измерений — электроизмерительные приборы и радиоизмерительные приборы. Следует заметить, что граница между этими группами приборов весьма прозрачна.
- В группу электроизмерительных приборов входят аналоговые стрелочные частотомеры различных систем, вибрационные, а также отчасти конденсаторные и электронно-счетные частотомеры.
- В группу радиоизмерительных приборов входят резонансные, гетеродинные, конденсаторные и электронно-счетные частотомеры.
Электронно-счётные частотомеры
- Принцип действия электронно-счетных частотомеров (ЭСЧ) основан на подсчете количества импульсов, сформированных входными цепями из периодического сигнала произвольной формы, за определенный интервал времени. Интервал времени измерения также задается методом подсчета импульсов, взятых с внутреннего кварцевого генератора ЭСЧ или из внешнего источника (например стандарта частоты). Таким образом ЭСЧ является прибором сравнения, точность измерения которого зависит от точности эталонной частоты.
- ЭСЧ является наиболее распространенным видом частотомеров благодаря своей универсальности, широкому диапазону частот (от долей герца до десятков мегагерц) и высокой точности. Для повышения диапазона до сотен мегагерц — десятков гигагерц используются дополнительные блоки — делители частоты и переносчики частоты.
- Большинство ЭСЧ кроме частоты позволяют измерять период следования импульсов, интервалы времени между импульсами, отношения двух частот, а также могут использоваться в качестве счетчиков количества импульсов.
- Некоторые ЭСЧ (например Ч3-64) сочетают в себе электронно-счетный и гетеродинный методы измерения. Это не только расширяет диапазон измерения, но и позволяет определять несущую частоту импульсно-модулированных сигналов, что простым методом счета недоступно.
- НАЗНАЧЕНИЕ: обслуживание, регулировка и диагностика радиоэлектронного оборудования различного назначения, контроль работы радиосистем и технологических процессов
- ПРИМЕРЫ: Ч3-33, Ч3-54, Ч3-57, Ч3-63, Ч3-64, Ч3-67, Ч3-84
Резонансные частотомеры
Принцип действия резонансных частотомеров основан на сравнении частоты входного сигнала с собственной резонансной частотой перестраиваемого резонатора. В качестве резонатора может быть использован колебательный контур, отрезок волновода (объемный резонатор) или четвертьволновой отрезок линии. Контролируемый сигнал через входные цепи поступает на резонатор, с резонатора сигнал через детектор подается на индикаторное устройство (гальванометр). Для повышения чувствительности в некоторых частотомерах применяются усилители. Оператор настраивает резонатор по максимальному показанию индикатора и по лимбу настройки отсчитывает частоту.
- НАЗНАЧЕНИЕ: настройка, обслуживание, контроль работы приемопередающих устройств, измерение несущей частоты модулированных сигналов
- ПРИМЕРЫ: Ч2-33, Ч2-34, Ч2-45, Ч2-55
Гетеродинные частотомеры
Принцип действия гетеродинных частотомеров основан на сравнении частоты входного сигнала с частотой перестраиваемого вспомогательного генератора (гетеродина) с помощью т. н. метода нулевых биений, порядок работы аналогичен работе с резонансными частотомерами.
- НАЗНАЧЕНИЕ: аналогично резонансным частотомерам
- ПРИМЕРЫ: Ч4-1, Ч4-22, Ч4-23, Ч4-24, Ч4-25
Конденсаторные частотомеры
Электронные конденсаторные частотомеры применяются для измерения частот в диапазоне от 10Гц до 1МГц. Принцип таких частотомеров основывается на попеременном заряде конденсаторов от батареи с последующим его разрядом через магнитоэлектрический механизм. Этот процесс осуществляется с частотой, равной измеряемой частоте, поскольку переключение производится под воздействием самого исследуемого напряжения. За время одного цикла через магнитоэлектрический механизм будет протекать заряд Q =CU, следовательно, средний ток, протекающий через индикатор, будет равен I_ср=Qf_x=CUf_x. Таким образом, показания магнитоэлектрического амперметра оказывается пропорциональны измеряемой частоте. Основная приведенная погрешность таких частотомеров лежит в пределах 2-3%.
- НАЗНАЧЕНИЕ: настройка и обслуживание низкочастотной аппаратуры
- ПРИМЕРЫ: Ф5043
Вибрационные (язычковые) частотомеры
Представляет собой прибор с подвижной частью в виде набора упругих элементов (пластинок, язычков), приводимых в резонансные колебания при воздействии переменного магнитного или электрического поля. Чаще всего используется электромагнит для возбуждения колебаний и стальные пластины в роли элементов. Элемент, собственная частота которого ближе всего к частоте тока, текущего по обмотке электромагнита, входит в резонанс и колеблется с наибольшим размахом, что отображается визуально.
- НАЗНАЧЕНИЕ: контроль сети электропитания
- ПРИМЕРЫ: В80, В87
Аналоговые стрелочные частотомеры
Аналоговые частотомеры по применяемому измерительному механизму бывают электромагнитной, электродинамической и магнитоэлектрической систем. В основе работы их лежит использование частотозависимой цепи, модуль полного сопротивления которой зависит от частоты. Измерительным механизмом, как правило, является логометр, на одно плечо которого подается измеряемый сигнал через частотонезависимую цепь, а на другое — через частотозависимую, ротор логометра со стрелкой в результате взаимодействия магнитных потоков устанавливается в положение, зависящее от соотношений токов в обмотках. Бывают аналоговые частотомеры работающие по другим принципам.
Для фиксации частоты используют частотомер, это специальный электроизмерительный прибор, использующиеся для фиксации частоты периодического процесса либо частот гармонических составляющих спектра сигнала.
Одним из основных параметров периодических и пульсирующих токов выступает частота, определяющая количество периодических колебаний за полный цикл и являющая основной характеристикой системы единиц СИ. Потребность в точном определении частоты возникает в различных сферах научной и практической деятельности, особое значение её определение имеет в электротехнике, радиоэлектронике, телекоммуникациях и пр.
![Частотомер]()
Частотомер
В настоящее время возможно измерение частоты с помощью множества приборов:
- это и мультиметр
- и генератор со встроенным частотомерам
- и осциллограф
Специализированным же приборам, осуществляющим частотно-временные измерения, являются частотомер.
Классификация частотомеров
Частотомеры подразделяются в зависимости от следующих параметров:
По методу измерения:
- частотомеры непосредственной оценки (к примеру, аналоговые)
- частотомеры сравнения (гетеродинные, резонансные, электронно-счетные)
По физическому смыслу измеряемой величины,частотомеры предназначены:
- для измерения синусоидальных колебаний (аналоговые)
- измерения частот гармонических составляющих (резонансные, гетеродинные, вибрационные)
- для измерения дискретных событий (конденсаторные, электронно-счетные)
По конструктивному исполнению их делят на:
- щитовые
- переносные
- стационарные
По области применения:
- электроизмерительные (частотомеры аналоговые стрелочные, резонансные, а также частично – частотомеры конденсаторные и электронно-счетные)
- радиоизмерительные (частотомеры гетеродинные, резонансные, конденсаторные, электронно-счетные)
Что чем меряют, какие частотомеры, для чего?
С помощью резонансных частотомеров, вкупе с преобразователями механических колебаний в электрические, обычно измеряется частота механических колебаний.
Посредством электромеханических, электродинамических, электронных, электромагнитных, магнитоэлектрических частотомеров измеряется частота электрических колебаний.
Посредством электронных частотомеров (резонансные, гетеродинные, цифровые и др.) измеряется частота электромагнитных колебаний в диапазоне радиочастот и СВЧ.
В основе действия резонансного частотомера – сравнение частоты, измеряемой с частотой собственных колебаний электрического контура (либо резонатора СВЧ), который настраивается в резонанс с измеряемой частотой. В частотомерах гетеродинных производится сравнение измеряемой величины с известной частотой (либо ее гармониками) гетеродина (образцового генератора). Принцип действия цифровых частотомеров – в подсчете за определенный промежуток времени числа периодов измеряемых колебаний.
При добавлении к электронно-счетному частотомеру соответствующих приставок возможно измерение практически любых электрических величин (напряжения, тока, сопротивления, емкости, индуктивности и др.).
Нормируемые характеристики
Основными нормируемыми характеристиками частотомеров являются:
- диапазон измеряемых частот
- чувствительность
- допустимая погрешность измерения
- для электронно-счетных – нестабильность частоты кварцевого генератора
Нормативно-техническая документация
ГОСТ 8.567-99 ГСИ. Измерения времени и частоты. Термины и определения
ГОСТ 7590-93 Приборы аналоговые показывающие электроизмерительные прямого действия и вспомогательные части к ним. Часть 4. Особые требования к частотомерам
ГОСТ 7590-78 Приборы электроизмерительные для измерения частоты аналоговые показывающие. Общие технические условия
ГОСТ 22335-85 Частотомеры электронно-счетные. Технические требования, методы испытаний
ГОСТ 22261-94 Средства измерений электрических и магнитных величин. Общие технические условия
ГОСТ 8.422-81 ГСИ. Частотомеры. Методы и средства поверки
ГОСТ 12692-67 Измерители частоты резонансные. Методы и средства поверки
ОСТ 11-272.000-80 Частотомеры резонансные. Основные параметры
МИ 1835-88 Частотомеры электронно-счетные. Методика поверкиВидео
Частотомер – это электроизмерительный прибор, предназначенный для измерения частот различных периодических колебаний, электрических или механических.
Для классификации частотомеров, в основном в основном используется принцип их работы (проведения измерения) . Различают частотомеры непосредственной оценки, и частотомеры, работающие по различным сравнительным методам, например резонансные, гетеродинные и электронно-счетные частотомеры.
Для измерения механических колебаний используют в основном вибрационные механические (аналоговые) частотомеры, а также электрические приборы, которые используются вместе с преобразователями механических колебаний в электрические, или эти функции выполняет сам частотомер.
Принцип работы самого простого вибрационного механического частотомера основан на явлении резонанса. Частотомер такого типа представляет собой ряд укрепленных одним концом металлических пластин. Пластины подобраны так, что их собственные колебания ступенчато варьируются, образуя, таким образом, своеобразную колебательную шкалу. Колебания, которые воздействуют на частотомер, вызывают вибрацию платин. Измерение частоты вибрации происходит по той упругой пластине, частота собственных колебаний которой совпадает с измеряемой частотой, вызывая, таким образом, явление резонанса.
Для измерения частоты электрических колебаний применяют различные электронные частотомеры.
В качестве примера, можно описать принцип работы самого простого частотомера этого класса – электромеханического. Как и в описанном выше механическом частотомере, в этом приборе также содержится ряд упругих пластин. Однако этот прибор дополнен электромагнитом. Поступающие электрические колебания, которые необходимо измерить, вызывают колебания электромагнита, который передает их на ряд пластин. Определение частоты колебаний, далее идет, как и у аналогового частотомера.
Вот так и частотомер! Им так же просто работать – присоединил, включил питание и измерил частоту! Но любой радиоспециалист обязан знать основы всех измерительных приборов которыми он производит замеры параметров. Не подробно до винтика, но основу надо знать. Надо знать и помнить, а сможет этот прибор измерить данный параметр или надо брать другой…
Все частотомеры поделены на группы. Язычковые вибрационные, а так же работающие на методе сравнения я коротко описал.
Следующие частотомеры РЕЗОНАНСНЫЕ.
В их основу положен принцип увеличения амплитуды при совпадении исследуемых колебаний с собственными. Тот же самый резонанс как и в язычковом вибрационном ( к сожалению низкочастотном ). По конструкции, а особенно при отображении на схеме – проще только схема детекторного приемника.
Применяется для работы с очень высокочастотными СВЧ передатчиками ( в основном в локационной аппаратуре ).
Для частот менее высоких применяются волномеры построенные на сосредоточенных элементах: индуктивностях и емкостях.
И в том и в другом волномерах есть маломощные блоки питания для ламп подсветки шкал. В некоторых ещё термостатирование резонансной системы предусмотрено ( блок питания уже большей мощности применяется ).
Вот теперь и разберёмся в каких частотомерах он применяется.
А применяется кварцевый резонатор в электронно-счётных частотомерах и он определяет точность измерения частоты. Сам электронно-счётный частотомер не такая и сложная конструкция если понимать как она работает, полная схема такого частотомера сложнее волномера во много раз, но она состоит из очень простых узлов. И если продуманно подойти к выбору каждого конкретного узла, всё получится и будет работать!
Самое сложное в таком частотомере – это узел индикации. Есть два варианта его исполнения: непосредственная связь каждого декадного счетчика ( считает до десяти), являющегося разрядом в общей веренице счетчика импульсов, с элементом индикации ( дешифратор + память + цифровой индикатор ) отображающим знак разряда, и второй вариант цифровые индикаторы подключены к счётчикам через мультиплексор и дешифратор. Мультиплексор с дешифратором поочередно подключают каждый цифровой индикатор к своему разряду на короткое время, а сами индикаторы основными одноимёнными выводами соединены между собой. В момент времени, соответствующий разряду, на индикатор подается питающее напряжение.
Структура не очень сложная, но она практически одинакова во всех частотомерах этого типа, даже если частотомер выполнен на контроллере – основная структура выполнена программно.
Как же работает частотомер? За основу положен принцип измерение количества импульсов, пришедших на вход счётчика импульсов, за строго определённый отрезок времени. Этот отрезок может быть любой величины, но для удобства отображения в десятичной форме этот отрезок должен иметь кратность одной секунде, так как частоту принято обозначать в Герца, а Герц – это одно колебание в секунду! Следовательно, время подсчета импульсов принято выбирать из ряда: 0,01 с; 0,1 с; 1 с и 10 с.
Иногда применяют и другие интервалы, но они выбираются из расчета стандартное время, умноженное на коэффициент предварительного деления: 2; 4; 8; 16.
На входе частотомера стоит усилитель-формирователь, его задача привести амплитуду входного сигнала к необходимому уровню. Сигнал маленькой амплитуды усилить, а большой ограничить. Далее сигнал поступает на триггер Шмитта, формирующий крутые фронты. И на его выходе получаются прямоугольные импульсы необходимой для цифровых схем амплитуды.
Сформированные импульсы показаны цифрой 1 поступают на вход схемы совпадения, а она пропускает импульсы только в интервале времени сформированном D-триггером ( счётный интервал ) – показана цифрой 3. Для формирования заданных интервалов и служит D-триггер. Если на счётный вход триггера подавать импульсы с периодом следования 0,1 с на выходе триггера будут импульсы 0,1 с и пауза между ними 0,1 с – это и есть счетный интервал.
Количество импульсов, прошедшее через схему совпадения, поделённое на счетный интервал и будет соответствовать измеряемой частоте.
После окончания импульса счетного интервала схема управления индикацией вырабатывает импульс записи и информация ( количество ) о посчитанных импульсах записывается в схему индикации и вслед за импульсом записи на счетчик поступает импульс сброса. Состояние счётчика обнуляется и он готов к подсчёту следующей серии импульсов.
И очень важная часть схемы кварцевый генератор. Его задача вырабатывать сигнал заданной частоты, после неоднократного деления которой и получаются заданные счетные интервалы. От точности частоты кварцевого генератора и от крутизны фронтов импульса счетного интервала зависит точность частотомера.
От частотных свойств первых каскадов частотомера зависит верхняя граница измеряемых частот. Для увеличения верхней границы перед частотомером включают дополнительные делители частоты, имеющие более высокое быстродействие. А показания частотомера умножается на коэффициент деления дополнительного делителя.
И практически у всех частотомеров есть режим непрерывного счета. Вместо счетных интервалов D-триггер устанавливают в состояние единицы, подключая вход Sтриггера на корпус. Кратковременным нажатием кнопки сброс обнуляем счетчик и теперь частотомер считает все сигналы, поступающее на его вход.
Сейчас купить набор-конструктор для сборки частотомера не проблема, но зная основы измерения частоты можно сделать частотомер под конкретную задачу без усложнений.
Работу индикаторной части мы рассмотрим отдельно в следующем материале. Очень интересный узел, решить который можно очень многими вариантами.
Если материал понравился, и Вы нашли в нём полезное для себя не посчитайте за труд и оставьте свой отзыв! Очень буду рад прочитать Ваши комментарии.
Чаще заходите на мой канал, подписывайтесь! Информация учебного и познавательного характера будет регулярно пополняться!
Читайте также:
