Методы измерения частоты и интервалов времени

1.

Презентация
Тема: методы измерения частоты
и интервалов времени

2.

Классификация приборов для измерения
частоты и интервалов времени
Период Т - основной параметр периодического сигнала U(t).
Т - наименьший интервал времени, через которые повторяются
мгновенные значения U(t).
f=1/T
-
U(t) = U( t+T )
частота периодического сигнала.
Частота f - число идентичных событий в единицу времени.
Угловая частота ω
= 2 f
ω - изменение фазы гармонического сигнала в единицу времени.

3.

Диапазон
частот
Диапазон
длин волн
Обозначение
по частоте
Обозначение
по длине волны
1
2
3
4
5
4
3 – 30 кГц
100 – 10 км
ОНЧ
очень низкие
СДВ
сверхдлинные
5
30 – 300 кГц
10 – 1 км
НЧ
низкие
ДВ
длинные
6
300 – 3000 кГц
1000 -100 м
СЧ
средние
СВ
средние
7
3 – 30 МГц
100 – 10 м
ВЧ
высокие
КВ
короткие
8
30 – 300 МГц
10 – 1 м
ОВЧ
очень высокие
УКВ
ультракороткие
9
300 – 3000 МГц
100 – 10 см
УВЧ
ультравысокие
ДЦМВ
дециметровые
10
3 – 30 ГГц
10 – 1 см
СВЧ
сверхвысокие
СМВ
сантиметровые
11
30 – 300 ГГц
10 – 1 мм
КВЧ
крайне высокие
ММВ
миллиметровые
12
300 – 3000 ГГц
1 – 0,1 мм
-
СММВ
субмиллиметровые
№
поло
сы
3

4.

Частотно-временные измерения могут быть:
• абсолютными ;
• относительными.
При относительных измерениях оценивается изменение частоты
во времени – нестабильность частоты.
Долговременная нестабильность – систематическое смещение
частоты за длительное время
Кратковременная
нестабильность
–
определяется
флуктуационными изменениями частоты.
Граница
между
нестабильностью
долговременной
условна;
интервала времени измерения.
и
определяется
кратковременной
путем
указания

5.

Приборы для измерения частоты образуют
подгруппу Ч :
Ч1 – стандарты частоты и времени;
Ч2 – резонансные частотомеры;
Ч3 – электронно-счетные частотомеры;
Ч4 – гетеродинные, мостовые и емкостные частотомеры;
Ч5 – синхронизаторы и преобразователи частоты;
Ч6 – синтезаторы, делители и умножители частоты;
Ч7
–
приемники сигналов эталонных частот, компараторы и
синхрометры;
Ч8
–
преобразователи
величину.
частоты
в
другую
электрическую

6.

Измерение частоты может осуществляться:
1.
прямым счетом числа идентичных событий за
интервал
полученного
времени
числа
измерения
и
на
интервал
этот
делением
(по
определению частоты) ;
2.
путем
сравнения
с
частотой
источника
образцовых колебаний (сравнение с мерой) .

7.

В зависимости от диапазона и требуемой точности:
• метод
перезаряда
конденсатора
(низкая
точность,
ограниченный частотный диапазон) – не используются сейчас;
• резонансный метод;
• метод сравнения (гетеродинные частотомеры);
• метод дискретного счета (цифровой);
• осциллографический метод
В
настоящее
время
серийно
выпускаются
электронно – счетные (цифровые) частотомеры.
только

8. Приборы и методы измерений частоты

Приборы и
методы
измерений
Диапазон измерений, Гц
частоты
101 102
Частотомеры
с логометрическим ИМ
103
104
105
106
107 108
Погрешность,
%
109
2500
0,1…2,5
Электронные
конденса
торные
частотомеры
Осциллографич
еский метод
Гетеродинный
метод (метод
биений)
Резонансный
метод
Цифровые
частотомеры
1…2
10-2…10-4
0,0001…0,1
200
МГц
0,05 – 0,1
50
ГГц
10-5-2∙10-6

9. Методы измерения частоты

Методы сравнения с известной частотой.
• Метод нулевых (звуковых) биений
fx
f0
V
При f1 = Um1sinω1t и f2 = Um2sinω2t
образуется сложное амплитудно-модулированное колебание
F = f1 – f2 с амплитудой в пределах от Um1 ─ Um2 до Um1 + Um2
Суть метода заключается в сравнении двух синусоидальных колебаний
близкой частоты. При изменении образцовой частоты f0 на слух устанавливается
разница между двумя колебаниями. При включении установки будет слышно два
тоновых сигнала. Как только разница между двумя колебаниями будет
составлять +/- 20 Гц, то оператор перестанет слышать какие либо изменения на
динамике, поэтому данный метод и называют методом нулевых биений, а зона
+/- 20 Гц равная разнице между двумя колебаниями и будет назваться зоной
нулевых биений. В качестве индикатора используется громкоговоритель.

10. Нулевые биения

u
t
Сложное амплитудно-модулированное колебание
F
f
20 Гц
f1
fХ= f0
f2
Зона нулевых биений

11. Гетеродинный метод

• Применяется для измерения высоких частот.
• Если перемножить два синусоидальных напряжения
u1(t) = U1cos2πf1t и u2(t) = U2cos2πf2t с частотами f1 и
f2, то в результате получится периодическое
напряжение, содержащее разностную и суммарную
частоты
u1(t)
u2(t)
Смеситель u3
Фильтр
u4
u3(t) U1 U 2 cos 2 ( f1 f2 )t cos 2 ( f1 f2 )t
u4 (t) U1 U 2 cos 2 ( f1 f2 )t

12. Структурная схема гетеродинного частотомера

fx
Входное
устройство
S u1
Генератор
кварцевый
Смеситель
fг
fo
u3(t)
Фильтр
u2(t)
Гетеродин
Маломощный генератор
перестраиваемой
частоты
u4(t) Усилитель
низкой
частоты
Индикатор
Телефон,
осциллограф,
магнитоэлектрический микроамперметр,
низкочастотный
частотомер
Для однозначности результатов измерений оба генератора должны
вырабатывать напряжения синусоидальной формы

13. Гетеродинный метод

• Точность измерения частоты fx определяется
точностью
градуировки
шкалы
гетеродина,
стабильностью частоты гетеродина, а также
точностью фиксации нулевых частот .
• Для уменьшения погрешности гетеродина в приборе
предусмотрен кварцевый генератор. С его помощью
проверяют и корректируют шкалу гетеродина до
измерения fx. При этом сигнал частотой fo с выхода
кварцевого генератора подключают к смесителю и
корректором доводят биения (fo – fг) до нулевых.
Диапазон измерений у волномеров от 100 кГц до 80
ГГц.
Основная
относительная
погрешность
измерений 5·10-7; 5·10-6 и 5·10-5.

14. Резонансный метод

• В основе резонансного метода измерений частоты
лежит сравнение частоты колебаний исследуемого
сигнала
с
собственной
частотой
колебаний
резонансного контура LoRo
U
M
Генератор
fx
Lo
Co
Индикатор
резонанса –
вольтметр
Измерительный
резонансный контур
а
f1
б
fx f p
1
2 LoCo
fp
f2
f

15. Резонансный метод

Данный метод применяется для измерения в
диапазоне 50 кГц…200 МГц и выше.
Погрешность составляет десятые и даже сотые
доли процента.
Погрешность
зависит
от
добротности
резонансного контура, точности его настройки в
резонанс, температуры и влажности, точности
градуировки шкалы механизма настройки и отсчета
по ней.
Для уменьшения погрешности измерений,
связанной с неточной настройкой в резонанс,
применяют так называемый «вилочный отсчет», при
котором
за
истинное
положение
резонанса
принимают среднее арифметическое:
f1 f2
fp
2

16. Осциллографические методы измерения частоты

• Данные методы измерения уже были более
подробно
рассмотрены
в
предыдущих
лекциях.
Можно
выделить
следующие
методы:
• Метод фигур Лиссажу
• Метод круговой развертки.
• Методы измерения при линейной развертке
Осциллограф при этом используется как
индикаторное устройство.

17.

Цифровые частотомеры
ЦЧ - измерение частоты fx, периода Tx, интервалов времени tx,
отношения частот f1 / f2 и нестабильности частоты.
При комплектовании ЦЧ соответствующими преобразователями
ЦЧ превращаются в ЦВ и мультиметры.
Цифровые частотомеры - в основном, приборы прямого
преобразования ( осуществляется счет числа идентичных
событий за определенный интервал времени ).

18.

В зависимости от величины интервала времени измерения
(временной базы) различают:
• ЦЧ мгновенных значений (измеряют fx за один период
колебаний Tx );
• ЦЧ средних значений (измеряют fx путем подсчета числа
периодов Tx за интервал времени измерения Ти Tx и
деления полученного числа на Ти.

19.

Типовая структурная схема ЦЧ в режиме измерения
частоты

20.

ВУ – входное устройство;
УУ - управляющее устройство;
УФУ – устройство формирования и управления;
Ф1, Ф2 – формирующие устройства. Преобразуют гармонические
сигналы в короткие импульсы, соответствующие моментам
перехода сигналов через нуль (при увеличении сигнала или при
уменьшении сигнала).
ГОЧ – генератор образцовых частот. В качестве ГОЧ применяется
кварцевый генератор с системой делителей и умножителей
частоты.
ВС – временной селектор. Служит для разделения по времени
сигналов поступающих с Ф1 и УФУ.

21.

При измерении частоты:
Сигнал Ux (измеряемая частота fx) подается на вход ВУ,
Блок образцовой частоты ГОЧ подключается к Ф2.
Число импульсов N, зафиксированное счетчиком, связано с
Tx и T0 соотношением:
T0 = N · Tx
fx = N / T0
При Т0 = 10n cекунд ( n = 0; 1; 2…) показание счетчика
соответствует fx.
→ Прямоотсчетный интегрирующий ЦЧ.

22. Типовая структурная схема ЦЧ в режиме измерения периода

23.

При измерении периода Tx:
Сигнал подается на ВУ.
ГОЧ подключается к Ф1.
Интервал времени измерения задается величиной Tx , а
счетными являются импульсы, сформированные ГОЧ.
Tx = N ( T0 / 10n )
где 10n (n = 0; 1; 2…) - коэффициент умножения f0.
При достаточно больших значениях Tx и n частоту можно измерить за
один период сигнала - неинтегрирующий ЦЧ.
В практических схемах ЦЧ в общем случае интервал времени
измерения выбирается равным 10m Tx (m =0, 1, 2,…), поэтому:
Tx = N ( T0 / 10n+m)

24. Типовая структурная схема ЦЧ в режиме измерения отношения частот

25.

При измерении отношения частот:
ГОЧ исключается из схемы,
сигнал большей частоты f1 подается на вход ВУ1,
сигнал меньшей частоты f2 – на вход ВУ2.
Интервал Ти формируется из сигнала частоты f2, а счету
подвергаются
импульсы,
сформированные
частоты f1.
N = f1 / f2
из
сигнала

26.

При измерении интервалов времени tx:
Формируются
опорный
(старт)
и
интервальный
(стоп)
импульсы, которые фиксируют интервал времени измерения.
Эти импульсы формируются с помощью ФУ3 и ФУ4.
Счету подвергаются импульсы образцовой частоты, прошедшие
селектор.
При всех режимах ЦЧ счетчик считает импульсы, прошедшие
через селектор, открытый в течение времени измерения Ти.
Время измерения Ти называется временем счета.
Ти устанавливается в нc, мкc, мс, с.

27.

Относительная погрешность измерения частоты fx
нормируется величиной:
1
f 0
f x Tи
k = 1.0 ; 1.5 ; 2.0 ;
0 k 10
n
2.5 ; 5.0
n = - 4 ; -5 ; …..
Значение
δ0 должно нормироваться для интервалов времени из
следующего ряда:
10 ; 15 ; 30 мин ;
1 ; 2 ; 8 ; 24 час
10 ; 15 ; 30 сут. ;
6 ; 12 мес.

28.

Относительная погрешность измерения Tx
T0
T 0 ( n m)
10
Tx
n – коэффициент умножения частоты f0
m – число периодов Tx ( m = 0, 1,
(n = 0, ± 1, ± 2 …)
2 ….)

29.

Относительная погрешность измерения
отношения частот f1 / f2
f2
f1 / f 2 m
10
f
1

30.

Особенности измерения частоты на низких частотах
Основной фактор погрешности на низких частотах
– погрешность дискретности
Способы повышения точности:
1.
Переход от измерения частоты к измерению периода (чем
ниже частота, тем эффективнее становится режим измерения Tx,
появляется возможность измерения частоты за один период
сигнала).
2.
Умножение частоты в k раз и последующее измерения
частоты kfx.
3.
Способ растяжки дробной части периода Tx (верньерный
способ). Дробная часть периода Tx растягивается в k раз и
вновь заполняется импульсами входного сигнала.

31.

Измерение высоких и сверхвысоких частот
Основным фактором, ограничивающим максимальное значение
частоты fx , является быстродействие счетчика импульсов.
Для расширения диапазона измеряемых частот:
1. Предварительное деление частоты входного сигнала
2. Дополнение ЦЧ гетеродинными преобразователями частоты и
перенос частоты в область промежуточных (разностных)
частот.
Разностная частота fр измеряется ЦЧ:
fр = fx – n f0 Δf УПЧ ,
значение измеряемой частоты находится: fx = n f0 + fр

32.

Измерители интервалов времени
Кроме
приборов
подгруппы
Ч
используются
специализированные измерители интервалов времени (ИИВ).
вид И2 - хронометры
При измерении tx используются:
1. методы прямого преобразования;
2. метод сравнения.

33.

Метод прямого преобразования реализуется в виде:
1. метода осциллографических разверток;
2. метода преобразования tx в цифровой код
Основное ограничение, препятствующее применению ЦЧ в
качестве ИИВ – погрешность дискретности.
Для минимизации погрешности дискретности требуется, чтобы
tx Т0.
При повторяющихся интервалах можно увеличить время счета
в 10m раз и усреднить результаты измерений.