Site Loader

Содержание

Частотомер. Виды и устройство. Работа и применение. Особенности

Частотомер представляет собой специализированный измерительный прибор, созданный для определения частоты, то есть периода колебаний электросигнала. Частота – один из основных показателей тока. Она определяет число колебаний за определенный временной цикл. Измеряется частота в герцах, она обратно пропорциональна периоду колебаний. Элементы оборудования, работающие на электрическом токе, должны работать на токах определенной частоты. Именно поэтому так важны устройства для определения частоты протекающего тока.

Зная частоту, можно своевременно настроить, обслужить, диагностировать и выполнить регулировку оборудования разнообразного назначения, осуществить контроль протекания технологических процессов. Приборы для измерения частоты могут иметь разное конструктивное исполнение, что определяется их назначением и особенностями работы. Подобные приборы требуются во многих областях науки и промышленности. Особенное значение приборы для измерения частоты имеют в телекоммуникационной, радиоэлектронной и электротехнической деятельности.

Виды
Частотомер, исходя из метода измерения, может быть двух типов:

  1. Аналоговые, которые предназначены для оценки частоты.
  2. Приборы сравнения, к которым относятся резонансные, гетеродинные, электронно-счетные устройства и так далее.

Аналоговые устройства предназначены в основном для определения колебаний синусоидального характера. Приборы сравнения применяются для измерения дискретных частот, гармонических параметров и так далее. Подобные устройства используются в большей части случаев для измерения частоты гармонического характера, находящихся в диапазоне 20-2500 Герц. Однако они имеют ограниченность использования, что вызвано невысокой точностью и высокой потребляемой мощностью.

В зависимости от типа конструктивного исполнения устройства бывают стационарными, переносными, либо щитовыми. Конкретный тип конструкции определяется областью применения устройства.

Больше всего распространены устройства прямого отсчета, то есть цифровые устройства. Они позволяют с удобством и высокой точностью измерять необходимые параметры частоты. Главная их особенность в том, что они подсчитывают число импульсов, поступающих от входного формирователя за конкретный период времени. Данный прибор способен измерить не только частоту, но также периоды времени и число импульсов.

Цифровые устройства позволяют выполнять с большой точностью исследования частот импульсного и гармонического характера в пределах 10 Гц – 50 ГГц. Подобные приборы в основном применяются для измерения частот, временных параметров.

По принципу действия подобный частотомер можно классифицировать на 4 группы:
  1. Устройства средних значений, которые являются наиболее распространенными. При помощи этих устройств можно измерять среднее значение частоты за определенное время. Пределы измеряемых частот составляют от 10 герц до 100 мегагерц. При использовании специальных преобразователей данный предел можно расширить до 1000 мегагерц.
  2. Устройства мгновенных значений. При помощи них можно узнать частоту в узком диапазоне. Подобные приборы чаще всего применяют для измерения инфранизких и низких частот.
  3. Устройства номинальных значений применяются с целью исследования изменений частот в узких пределах. Процентные устройства измеряют частоту в относительных единицах.
  4. Следящие устройства лучше всего подходят для измерения средних частот. Они измеряют частоту непрерывно. Если говорить прямо, то все электронные, а также электромеханические устройства являются следящими. К их преимуществам можно отнести возможность создания отчетов в каждый момент времени. К следящим устройствам также относятся и многие цифровые приборы.

В отдельную категорию можно выделить устройства, которые расширяют функционал следящих устройств. Это могут быть сервисные или универсальные приборы. Сервисные устройства имеют малые габариты, так как в них применяются интегральные схемы. Чаще всего они применяются в качестве автономных устройств, переносных, а также встроенных агрегатов в структуре автоматизированных систем. Их можно использовать для измерения разных величин.

Универсальные аппараты в большинстве случаев многофункциональны. Они имеют конструкцию, которая позволяет задействовать сменные блоки. Благодаря этому можно существенно повысить их функциональность. Специализированные устройства заточены под конкретные параметры измерений, поэтому в большей части случаев у них более простая конструкция.

Устройство

Частотомер может иметь разное конструктивное исполнение. К примеру, электронно-счетное устройство выделяется блочно-модульным исполнением. Его базу составляет кроссплата, где монтируются модульные платы. От них выходят проводники на управляющие и индикаторные элементы, в том числе входящие и выходящие разъемы. Лампы и индикаторы находятся в модуле, которой расположен за панелью. Индикация осуществляется динамически.

В отдельной кассете находится блок питания и генератор. Имеется возможность подключить внешний генератор. Для защиты от перегрева используется термостат. Вычисление осуществляется с помощью декад и делителей. Кроме того, в состав устройства входят умножитель, узел сброса и самонастройки, автоматический блок и входной формирователь. В качестве элементной базы для этих элементов используются транзисторы. Подобные устройства уже считаются устаревшими, но все равно иногда применяются.

Самый простой частотомер производится на базе микросхем. В качестве входного элемента используется триггер Шмидта, трансформирующий напряжение синусоидального характера в импульсы одинаковой частоты. Чтобы триггер нормально работал, требуется конкретная амплитуда входного сигнала. Важно, чтобы она не была выше заданной величины. Чтобы повысить чувствительность, в устройстве может применяться дополнительный усилитель входящего сигнала. К примеру, для этого может быть использован полупроводниковый транзистор малой мощности либо аналоговая микросхема.

Когда колебания проходят через конденсатор, происходит усиление его показателей посредством второго конденсатора. После этого колебания направляются на вход триггера. Следующий конденсатор убирает обратную связь. Чтобы пользователь мог увидеть показатели частоты, используются стрелочные приспособления, а также подсвечиваемая шкала.

Принцип действия

Частотомер позволяет определить частоту тока в элементе какого-нибудь оборудования. Например, Вам надо получить схему, которая состоит из 2-х блоков: передатчика и приемника. До готовности передатчика можно задействовать генератор сигналов. Большинство генераторов способно обеспечить создание сигналов с разными параметрами.

Чтобы точно определить частоту сигнала необходимо подключить генератор к входу устройства для измерения частоты. У ряда генераторов имеются встроенные модули, предназначенные для определения частоты. Цифровой частотомер использует счетно-импульсный принцип, благодаря которому счетный блок подсчитывает число импульсов, поступающих на вход за конкретный период времени. То есть устройство осуществляет подсчет числа импульсов, период времени определяется с помощью опорных частот.

На входе устройства измеряемое колебание усиливается, превращаясь в последовательность усиленных импульсов с такой же частотой, которую и необходимо измерить. В то же время кварцевый генератор создает последовательность эталонных импульсов, которые приводят к старту схемы управления. В качестве нее выступает стробирующая схема. Она задает стандартное время измерений, за которое подаются колебания на вход. Счетчик устройства подсчитывает импульсы за данный период времени. Их количество выводится на цифровом индикаторе. В случае необходимости нового измерения имеется кнопка, которая направляет сигнал на схему сброса. Она ставит счетчик в нулевое положение.

Применение

Универсальный частотомер в большинстве случаев используется для автоматизированного определения частоты, непрерывности сигналов, времени, пика напряжения, которое является входящим. Также устройство применяется с целью исследования времени прохождения импульсов, времени, фазового сдвига между сигналов, исследования отношений частотных характеристик, подсчитывания количества импульсов.

Частотомер в большей части случаев используется с целью настраивания, испытания и калибрующих работ в разнообразных устройствах. К примеру, это могут быть преобразователи, генераторы, фильтрующие устройства. Частотомеры часто применяют для настраивания оборудования связи и так далее. Они довольно часто применяются в связном деле, измерительной технике, навигации, локации, ядерной физике, электронике, а также при создании, изготовлении и эксплуатации радиоэлектронных устройств.

Похожие темы:

Принцип работы частотомера на микроконтроллере. Самодельный частотомер на ATTINY2313

Данный прибор предназначен для измерения частоты в пределах 0-9999 Гц, но при использовании делителя частоты на входе этот диапазон соответствующим образом расширяется. Максимальное входное напряжение – 3V, при условии, что отсутствует дополнительный делитель напряжения, минимальное 0,15V, так же при условии что он отсутствует. Максимальную частоту измерения можно расширить посредством изменения программного кода, но об этом позже.

Схема прибора относительно простая и изображена ниже:

В основе схемы – 8-ми битный микроконтроллер производства , Atmega8A-PU. Для тактирования ядра микроконтроллера применен генератор с внешним кварцевым резонатором. Выбор такого генератора обусловлен требованиями к стабильности частоты последнего. В качестве индикатора применен семисегментный четырехразрядный LED индикатор с общим анодом и динамической индикацией. Ток сегментов индикатора не ограничивается резисторами, так как применена динамическая индикация, и естественно ток импульсный, который сегменты индикатора с успехом выдерживают, так как и порт микроконтроллера. Входной узел выполнен на элементах R2, D1, D2, C3, R3, R4, R1, Q1. Этот узел обеспечивает усиление/ограничение сигналов, поступающих на его вход (резистор и диоды на входе частотомера ограничивают входной сигнал, транзистор отвечает за усиление сигнала до ТТЛ уровня). Печатная плата устройства так же не сложная. Она изготавливается из одностороннего фольгированного материала (изначально планировалось сделать из двухстороннего, но в наличии его не нашлось, поэтому остановился на односторонней). Топология платы представлена ниже.

Что касается программы для микроконтроллера, то она была разработана в среде (файл проекта прилагается). Для подсчета импульсов я использовал прерывания по входу INT0 микроконтроллера, а для ограничения времени счета – прерывания таймера TMR0. Так как на этом таймере стоит предделитель с коэффициентом деления 1/256 (в силу того что он восьмиразрядный), то расчет частоты прерываний производится так:Fпрер.=F ген.÷256÷поргр. дел. В своей конструкции я выбрал частоту прерываний в 200 Гц. Как я уже писал выше, частоту измерения можно увеличить. Для этого нужно лишь ограничить время измерения. Это делается посредством изменения числа 200 на 2(время измерения не 1с а 10мс, граничная частота 99 999Гц), в коде, как показано на рисунке в исходнике на С.

Для программирования микроконтроллера я использовал параллельный программатор. Как видите, в моей конструкции вывод внешнего сброса используется как обычный порт. Если у вас нет параллельного программатора, то вот вариант схемы, где используется порт D микроконтроллера, и необходимость в использовании пина RESET как обычного порта вывода отпадает.

Вот пример выставления фузов в программе :

Вот схема варианта частотомера с использование RESET по прямому назначению:

А так же вот топология платы для второго варианта схемы:

Для питания схемы используется стабилизированный источник питания на напряжения 5V (я использовал компьютерный БП, поэтому никаких стабилизирующих элементов в схеме нет).

В данной схеме нет дефицитных деталей, но список замен и аналогов все же перечислю. Так микроконтроллер Atmega8A-PU можно заменить на аналогичный Atmega8-16PU (кстати, последний более предпочтителен). Резисторы можно взять на мощность 0,125 Вт, за исключением R2, его лучше взять на 0,5 Вт. Конденсаторы – для генератора дисковые, керамические, а для входного блока – любой, подходящий по параметрам. Транзистор можно заменить на отечественный КТ3102 (как показали опыты у КТ315 слишком мал коэффициент передачи тока h31Э). Светодиодный индикатор можно взять любой, подходящий по размерам (а они не критичны). Кварцевый резонатор использован на частоту 3267800Гц (3,2768МГц).

Фотографии готового устройства показаны ниже.

На первом фото видно резистор, который подключен к питу RESET МК (остался с проверки второй прошивки, со сбросом).

Список радиоэлементов
Обозначение Тип Номинал Количество Примечание Магазин Мой блокнот
U1 МК AVR 8-бит

ATmega8A

1 ATmega 8-16 PU В блокнот
Q1 Биполярный транзистор

КТ3102

1 2N3390 В блокнот
VD1, VD2 Выпрямительный диод

1N4148

2 В блокнот
С1, С2 Конденсатор 27 пФ 2 В блокнот
С3 Конденсатор 22 нФ 1 В блокнот
R1, R4 Резистор

470 Ом

2 В блокнот
R2 Резистор

100 Ом

1

Частотомер с хорошими характеристиками, позволяющий измерять частоты от 1Гц до 10 МГц (9,999,999) с разрешением в 1 Гц во всем диапазоне. Идеален для функиональных генераторов, цифровых шкал или как отдельное устройство. Дешев и легок в изготовлении, собран из доступных деталей, имет небольшой размер и может быть смонтирован на панели многих устройств.

Схема состоит из семи 7-сегментных индикаторов, AVR ATtiny2313 и нескольких транзисторов и резисторов. AVR делает всю работу, и дополнительные микросхемы не нужны. Микроконтроллер считает количество импульсов, пришедших на его вход за 1 секунду и отображает это число. Сама важная вещь — это очень точный таймер, и он реализован на 16-битном Timer1 в режиме CTC. Второе, 8-битный счетчик работает как Counter0 и считает импульсы на входе T0. Каждые 256 импульсов он вызывает прерывание, в котором программа увеличивает множитель. Когда мы получаем 1-секундное прерывание, содержимое множителя умножается на 256 (сдвиг влево на 8 бит). Остаток импульсов, которые посчитал счетчик записывается в регистр и добавляется к результату умножения. Это значение затем разбивается на отдельные цифры, которые отображаются на индикаторах. После этого, перед выходом из 1-секундного прерывания, оба счетчика одновременно сбрасываются и измерение начинается заново. В свободное от прерывания время контроллер занимается динамической индикацией.

Разрешение и точность:
Точность зависит от тактового генератора. Кварц должен быть хорошего качества и иметь как можно меньший ppm (допуск). Будет лучше, если частота будет кратна 1024, например, 16 МГц или 22.1184 МГц. Для измерения частоты до 10 МГц, надо использовать кварц не меньше, чем на 21 МГц, например, 22.1184 МГц. Частотомер может измерять частоту до 47% от частоты собственного кварца. Если есть хороший промышленный частотомер, то можно откалибровать схему добавлением подстроечного конденсатора (1пФ-10пФ) между одним из выводов кварца и землей, и подстроить частоту в соответствии с показаниями промушленного частотомера.

В архиве с исходниками есть несколько вариантов под разные кварцы, но вы можете скомпилировать свой вариант.

Форма сигнала:
В принципе, устройство понимает любую форму сигнала от 0 до 5V, не только прямоугольные импульсы. Синусоида и теугольные импульсы сичтаются по заднему фрону при переходе его ниже 0.8V.

В устройстве нет защиты от превышения входного напряжения выше 5 вольт.

Устройство имеет высокоомный вход и не нагружает тестируемую схему – вы даже можете измерить частоту переменного тока в сети 220 вольт, прикоснувшись ко входу пальцем. Частотомер может быть переделан для измерения частоты до 100 МГц с шагом 10 Гц путем добавления на вход быстродействующего делителя.

Дисплей:
Использовано семь семисегментных индикаторов с общим анодом в режиме динамической индикации. Если яркость получается недостаточной, можно уменьшить значения токоограничивающих резисторов, но нужно помнить, что максимальный импульсный ток каждого вывода микроконтроллера составляет 40 мA . По умолчанию сопротивление резисторов 100 Ом. Незначащие нули гасятся програмно. Значения обновляются каждую секунду.

Печатная плата:
Двусторонняя печатная плата размером 109mm x 23mm – к сожалению, 7 индикаторов не влезли в рабочее пространство бесплатной версии Eagle, поэтому они нарисованы от руки. На плате нужно сделать 3 соединения проводом — первое — соединение питания и вывода VCC контроллера – это соединение показано на слое silkscreen. Два других соединяют десятичные точки индикаторов с резисторами на 330 Ом расположенными на слое bottom. Сверху платы расположен коннектор Atmel ISP-6. Контакт 1 первый со стороны кварца. Этот коннектор необязателен и нужен только для программирования контроллера. Индикаторы должны припаиваться на некотором расстоянии от платы, чтобы можно было подлезть паяльником к выводам, припаиваемым с верхней стороны платы.

Представленный в данной статье частотомер позволяет измерять частоту от 10 Гц до 60 МГц с точностью 10 Гц. Это позволяет использовать данный прибор для самого широкого применения, например измерять частоту задающего генератора, радио приёмника и передатчика, функционального генератора, кварцевого резонатора и др. Частотомер обеспечивает хорошие параметры и обладает хорошей входной чувствительностью, благодаря наличию усилителя и TTL-преобразователя. Это позволяет измерять частоту кварцевых резонаторов. Если использовать дополнительный делитель частоты, максимальная частота измерения может достигать 1 ГГц и выше.

Идея частотомера на микроконтроллере PIC, возникла у меня после прочтения апнота AN592 фирмы Microchip, где описывается измерение частоты на PIC и представлена программа. Я разработал схему и написал программу, в которой улучшил точность измерения, а значение частоты отображается на LCD-экранчике. Получился довольно простой и эффективный частотомер.

Схема частотомера довольно простая, большинство функций выполняет микроконтроллер. Единственное, для микроконтроллера необходим усилительный каскад, чтобы увеличить входное напряжения с 200-300 мВ до 3 В. Транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, обеспечивает псевдо-TTL сигнал, поступающий на вход микроконтроллера.

В качестве транзистора необходим какой-нибудь «быстрый» транзистор, я применил BFR91 (отечественный аналог КТ3198В).

Напряжение V кэ устанавливается на уровне 1.8-2.2 вольта резистором R3* на схеме. У меня это 10 кОм, однако может потребоваться корректировка. Напряжение с коллектора транзистора прикладывается к входу счетчика/таймера микроконтроллера PIC, через последовательное сопротивление 470 Ом. Для выключения измерения, в PIC задействываются встроенные pull-down резисторы.

В PIC реализован 32-битный счетчик, частично аппаратно, частично софтово. Подсчет начинается после того, как выключаются встроенные pull-down резисторы микроконтроллера, продолжительность составляет точно 0.4 секунды. По истечении этого времени, PIC делит полученное число на 4, после чего прибавляет или отнимает соответствующую промежуточную частоту, для получения реальной частоты. Полученная частота конвертируется для отображения на дисплее.

Калибровка

Для того, чтобы частотомер работал правильно, его необходимо откалибровать. Проще всего это сделать так: подключить источник импульсов с заранее точно известной частотой и вращая подстроечный конденсатор выставить необходимые показания.

Если данный метод не подходит, то можно воспользоваться «грубой калибровкой». Для этого, выключите питание прибора, а 10 ножку микроконтроллера подсоедините на GND. Затем, включите питание. МК будет измерять и отображать внутреннюю частоту. Если вы не можете подстроить отображаемую частоту (путем подстройки конденсатора 33 пФ), то кратковременно подсоедините вывод 12 или 13 МК к GND. Возможно, что это нужно будет сделать несколько раз, т.к. программа проверяет эти выводы только один раз за каждое измерение (0.4 сек). После калибровки, отключите 10 ногу микроконтроллера от GND, не выключая при этом питания прибора, чтобы сохранить данные в энергонезависимой памяти МК.

Список радиоэлементов
Обозначение Тип Номинал Количество Примечание Магазин Мой блокнот
МК PIC 8-бит

PIC18F84J11

1 В блокнот
Линейный регулятор

LM7805

1 В блокнот
Транзистор BFR91 1 В блокнот
Выпрямительный диод

1N4007

1 В блокнот
Конденсатор 1 мкФ 1 В блокнот
10 мкФ 1 В блокнот
Электролитический конденсатор 1 мкФ 1 В блокнот
Конденсатор 0.1 мкФ 1 В блокнот
Конденсатор 33 пФ 1 В блокнот
Конденсатор подстроечный 33 пФ 1 В блокнот
Резистор

470 Ом

2 В блокнот
Резистор

10 кОм

1 Подбор В блокнот
Резистор

10 кОм

1 В блокнот
Переменный резистор 10 кОм 2

В статье мы рассмотрим, как построить маленький, дешевый и простой частотомер, способный измерять частоту до 40 МГц с ошибкой ниже 1%. Подобной точности вполне достаточно для отладки большинства собственных аналоговых и цифровых устройств. Прибор позволит Вам проанализировать многие аспекты работы схем.

Принципиальная схема частотомера изображена на рисунке 1.

Рис.1. Принципиальная схема прибора

Частотомер собран на макетной плате, основой является микроконтроллер ATmega16 компании Atmel, источником тактовой частоты является внутренний RC осциллятор 8 МГц (это необходимо помнить при программировании микроконтроллера). Дополнительно, во входной части используется 4-битный счетчик 74HC191 в качестве делителя измеряемой частоты на 16 до подачи ее на вход микроконтроллера. Как видно, используется только выход Q3 счетчика, частота на этом выходе будет равна входной частоте деленной на 16.

Вход прибора (щуп) – точка W1, которая напрямую подключена к порту микроконтроллера PB0 и, через делитель, к порту PB1.

Для отображения значения измеренной частоты используется 4-разрядный семисегментный светодиодный индикатор с общим анодом. Такое решение сокращает количество проводников для подключения индикатора. В случае отсутствия дисплея указанного типа, возможно применение различных типов семисегментных индикаторов, однако потребуется адаптация программного обеспечения микроконтроллера.

Схема расположения и назначение выводов примененного индикатора изображена на рисунке 2.


Рис.2. Расположение и назначение выводов примененного 4 разрядного светодиодного индикатора .

Выводы E1…E4 используются для включения соответствующих разрядов (E1 – для включения правого младшего разряда).

Каждая линия ввода/вывода микроконтроллера ATmega16 может обеспечить выходной ток до 40 мА, поэтому нам нет необходимости использовать транзисторы и сигналы управления дисплеем (E1…E4) подключены непосредственно к порту микроконтроллера.

Коннектор для внутрисхемного программирования микроконтроллера J1. После сборки и программирования микроконтроллера Вам потребуется калибровка прибора, настройка некоторых переменных (например, для увеличения яркости дисплея, уменьшения мерцания дисплея). Другими словами Вам потребуется обновление ПО микроконтроллера, и поэтому указанный коннектор необходимо установить на плату.

Алгоритм измерения частоты

Все мы знаем, что частота – это количество повторяющихся импульсов за единицу времени. Однако, измерение частоты с помощью цифровых приборов, например, с помощью микроконтроллера, который имеет свои ограничения, требует некоторых исследований для достижения необходимых результатов.

Максимальная частота, которая может быть обработана счетчиком микроконтроллера ATmega16, не может превышать тактовую частоту, деленную на 2.5. Обозначим максимальную частоту – F max . Тактовая частота для нашего микроконтроллера – 8 МГц, следовательно напрямую мы можем измерять сигналы с частотой до 3.2 МГц. Для измерения частоты выше этого уровня мы используем 4-битный счетчик в качестве делителя входной частоты. Теперь мы можем измерять частоты в 16 раз превышающие F max , но здесь накладывается ограничение со стороны счетчика 74191 и фактическая максимальная измеряемая частота не превышает 40 МГц.

Алгоритм, который был разработан, проводит измерение оригинальной (входной) частоты (обозначимF o ) и частоты получаемой с делителя (обозначим F d ). Пока соблюдается условие, что частота меньшеF max выполняется условие:

F o = 16 × F d ;

Но по мере приближении F o к F max , все больше импульсов должны быть обработаны и выражение выше примет вид:

F o d ;

Следовательно предел измерения микроконтроллера может быть автоматически обнаружен.

Частотомер начинает делать измерение оригинальной частоты (обработка и отображение значений на дисплее), и как только обнаруживает приближение к максимальной частоте F max (с использованием указанного выше метода), выбирает для измерения частоту после делителя.

Алгоритм суммарно изображен на диаграмме (рис. 3)

Рис.3 Алгоритм работы частотомера на микроконтроллере

Программное обеспечение микроконтроллера

Исходный код программы микроконтроллера снабжен подробными комментариями, но некоторые моменты требуют отдельного разъяснения:

  • код разработан так, что измеренное значение отображается на индикаторе в «кГц». Например, если Вы видите на дисплее значение «325.8» – это означает 325.8 кГц, значение «3983» – это 3983 кГц (или 3.983 МГц).
  • Таймер/счетчик 0 микроконтроллера используется для подсчета входных импульсов напрямую;
  • Таймер/счетчик 1 микроконтроллера используется для подсчета входных импульсов после делителя на 16;
  • Таймер/счетчик 2 сконфигурирован как таймер с предварительным делителем на 1024 (частота CPU делится на 1024). Используется для вызова алгоритма вычисления и выбора частоты каждый период T таймера. В нашем проекте Т = 1024 × 256/F cpu .
  • Константа «factor», определенная в начале программы значением «31.78581», должна быть откалибрована измерением эталонной частоты. Вычисляется по выражению:

factor = F cpu /(1024 × 256)=8.E6/(1024×256)=30.51757

Функция Anti-Flickering (устранение мерцания индикатора) довольна сложна, но очень эффективна, особенно при измерении непостоянных частот. Данная функция полностью избавляет индикатор от быстрого переключения между различными значениями, продолжая отображать точное значение, и быстро изменяет показания, если измеренная частота действительно изменилась.

Примечание

Микроконтроллер ATmega16 поставляется с заводскими установками, при которых настроен на работу от внутреннего RC осциллятора 1 МГц. Необходимо с помощью последовательного программатора установить Fuse-биты CKSEL3..0 в значение «0100», что соответствует включению внутреннего RC осциллятора 8 МГц.

ПРИЛОЖЕНИЯ:

— Исходный код программы микроконтроллера

Перевод: Vadim

В данной статье я хотел бы вас познакомить с «самоделкой выходного дня» — частотомером на уже «легендарном» микроконтроллере ATmega8. Данный прибор не позиционируется как «лучший» по параметрам, да и схемотехника не претендует на оригинальность. Единственное его отличие от большинства конструкций, которое можно найти в сети — повышенная точность в диапазоне низких частот (1 — 1000Гц). Это достигается за счет различного подхода при измерении НЧ и СЧ с ВЧ. При измерении НЧ производится подсчет количества тактов микроконтроллера за некоторое количество импульсов на входе прибора. А при измерении СЧ и ВЧ, традиционно считается количество импульсов за определенный промежуток времени.

Характеристики частотомера:

  • Диапазон частот с погрешностью измерения +/- 1Гц: 1000Гц — 1МГц (при погрешности +/- 20-200Гц, [> частота, > погрешность] возможно измерение частот до 10МГц без предделителя).
  • Напряжение питания: 5В
  • Потребляемый ток:
  • Время измерения: 1с (1кГц — 1МГц) и до 10с (1Гц — 1кГц).
  • Точность: 4 знака после запятой (1 — 10Гц), 3 знака после запятой (10 — 100Гц), 2 знака после запятой (100 — 1000Гц), целое число (> 1кГц).
  • Время индикации: 3с

Проект был собран и протестирован в , а после и «в живую». Для создания прошивки использовался компилятор avr-gcc (он же ).

Основа схемы, как уже говорилось, микроконтроллер ATmega8. Отображение данных производится на семисегментном светодиодным (не обязательно) индикаторе на 8 знакомест с общим анодом. В моем случае был использован малогабаритный индикатор, соответственно и печатная плата была разработана небольших размеров. На схеме, как вы видите, есть контакты для подключения кнопки (J7, J8), но это «на будущее», и в данным момент они не используются. Для тактирования микроконтроллера применен кварцевый резонатор на 16МГц. Светодиод D1 отображает действия прибора — при цикле измерения он включается. Измерение длится 1 секунду. После пауза в 3 секунды, а потом снова измерение и т.д.

Для индикаторов с общим катодом необходимо следующим образом изменить транзисторные ключи:

Кроме этого, потребуется подправить программу.

В заголовочном файле «display7seg_lib.h » необходимо эту строку:

#define OK

Заменить на

#define OA

А затем рекомпилировать проект.

К слову, библиотеку для семисегментного индикатора я делал не только для этого проекта, и возможно она вам пригодится, так как имеет несколько полезных функций (к примеру, вывод строки).

Для измерения частоты, как уже упоминалось выше, в устройстве используются два метода: счет тактов микроконтроллера за кол-во импульсов и счет поступающих на вход прибора импульсов за определенное время.

Порядок измерения следующий:

  1. Производится измерение частоты посредством счета импульсов на ходе
  2. Если количество импульсов более тысячи (частота более одного килогерца), то результат выводится на дисплей а устройство ожидает 1 секунду и повторяет измерение
  3. Если же количество импульсов менее тысячи, то происходит дополнительно сравнение. В том случае, когда частота менее 10Гц, производится счет тактов на протяжении 20 импульсов на входе (10

В обоих вариантах измерения частоты подсчет импульсов или тактов производится таймером Т0, так как Т1 более предпочтительно применять для определения временных промежутков с высокой точностью, чем он собственно в программе и занимается. Таймер Т2 отвечает за индикацию. При его переполнении срабатывает прерывание, в котором на светодиодный индикатор выводится 1 символ. Так как частота прерываний довольно высока, человеческий глаз не успевает уследить за сменой состояний на индикаторе и картинка воспринимается как цельная, хоть переключение знакомест происходит по очереди.

Печатная плата устройства выполнена на двухстороннем фольгированном материале. Основная сложность при ее изготовлении — развести дорожки для ножек микроконтроллера. Впрочем, если вы используете технологию или проблем с этим пунктом у вас возникнуть не должно.

Лицевая сторона:

Обратная сторона:

Расположение элементов:

Варианты замены деталей

Резисторы R1 — R8, R14 желательно использовать в диапазоне 220 — 680 Ом. Меньшего номинала брать очень нежелательно (у микроконтроллера не такая высокая нагрузочная способность на портах), а больше нет смысла так как яркость индикатора и светодиода будет крайне низкой. Конденсаторы C2 и C3 можно взять 18 — 33пФ. Конденсатор для предотвращения помех по питанию, под номером C1, желательно использовать емкостью 0,068 — 0,47мкФ. Резисторы R9 — R16 можно взять 1 — 4.7кОм.Транзисторы Q1 — Q8 заменяются на КТ315 или КТ3102, но подойдут и любые другие маломощные кремниевые структуры n-p-n. Микроконтроллер можно применить и в DIP корпусе, но придется заново разводить плату.

Небольшое послесловие

В данном приборе мной было решено вынести блок формирователя импульсов за пределы основной платы (к примеру, в виде выносного пробника).

Самый простой вариант — использовать компаратор или ОУ в режиме масштабного усиления (показано ниже) . Выгодная сторона — малый порог по напряжению. Недостаток же данной схемы — очень скромный предел по частоте. При использовании популярного ОУ LM358, максимальная частота не превышает 100кГц. Но для наладки, к примеру, звуковой аппаратуры и различных устройств, работающих на небольших частотах вполне сгодится.

Еще один вариант — использование транзистора и логического элемента, к примеру, КТ3102 + 74LS13 (шустрый аналог нашей К155ТЛ1). Этот вариант вполне жизнеспособен и на высоких частотах.

Так же схемы формирователей можно найти в интернете, главный критерий — комплиментарность с высоким и низким логическим уровнем КМОП-логики.

В архиве, прикрепленном к статье, есть файлы прошивки и для схемы с ОА так и с ОК. В прочем, как и сами схемы и печатные платы (смотрите в проектах Proteus).

Удачи вам в сборке ваших устройств

Список радиоэлементов
Обозначение Тип Номинал Количество Примечание Магазин Мой блокнот
U1 МК AVR 8-бит

ATmega8A-AU

1 TQFP-32 В блокнот
Q1-Q8 Биполярный транзистор

BC547

8 или КТ312/315/3102 В блокнот
R1-R8, R17 Резистор

220 Ом

9 В блокнот
R9-R16 Резистор

1 кОм

8 В блокнот
R18 Резистор

10 кОм

1 В блокнот
R19 Резистор

100 кОм

1 В блокнот
C1 Конденсатор 100 нФ 1 В блокнот
C2-C3 Конденсатор 22 пФ 2

Подписаться на еженедельную рассылку mywok.ru

Частотомер. Назначение, применение, классификация.

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

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 поверки

 

Видео

 

Будем рады, если подпишетесь на наш Блог!

[wysija_form id=»1″]

Прибор измеряющий частоту колебаний. Измерение частоты. Смотреть что такое «Частотомер» в других словарях

С целью определения частот периодических сигналов, а также для выявления гармонических компонентов спектров — применяют специальные радиоизмерительные (и электроизмерительные) приборы, называемые частотомерами.

На сегодняшний день частотомеры существуют двух типов по методу измерения: аналоговые (для непосредственной оценки частоты) и приборы сравнения (к коим относятся: электронно-счетные, гетеродинные, резонансные и т.д.).

Аналоговые подходят для исследования синусоидальных колебаний, гетеродинные, резонансные и вибрационные — для измерения гармонических составляющих сигнала, электронно-счетные и конденсаторные — для определения частот дискретных событий.

По типу конструкции частотомеры могут быть щитовыми, переносными или стационарными, — тип конструкции зависит от области применения конкретного прибора.

Стрелочный аналоговый частотомер относится к электромеханическим измерительным приборам, и работает по принципу магнитоэлектрической, электромагнитной или .

Работа такого прибора основывается на зависимости модуля полного сопротивления составной измерительной цепи от параметров проходящего через нее тока. Измерительная цепь прибора состоит из частотозависимого и частотонезависимого сопротивлений.

Итак, на плечи логометра подаются разные сигналы: на одно плечо измеряемый ток подается через частотонезависимую цепь, на другое — через частотозависимую цепь. В итоге стрелка прибора устанавливается в такое положение, в котором магнитные потоки токов через два плеча найдут равновесие.

Пример частотомера, работающего по такому принципу — советский М800, предназначенный в диапазоне от 900 до 1100 Гц в цепях передвижных и стационарных объектов. Потребляемая прибором мощность — 7 Вт.

Язычковый вибрационный частотомер имеет на своей шкале набор пластинок в форме упругих стальных язычков, причем каждый из язычков обладает собственной резонансной частотой механических колебаний. Резонансные колебания язычков возбуждаются посредством действия переменного магнитного поля электромагнита.

При прохождении анализируемого тока через цепь электромагнита, язычок с наиболее близкой резонансной частотой к частоте тока, начинает колебаться с наибольшей амплитудой. Частота резонансных колебаний каждого язычка отражена на шкале прибора. Так что визуальная индикация весьма отчетлива.

Пример вибрационного язычкового частотомера — прибор В80, который применяется для измерения частоты в цепях переменного тока. Диапазон частот — от 48 до 52 Гц, потребляемая мощность частотомера — 3,5 Вт.

Конденсаторный частотомер

Сегодня можно встретить конденсаторные частотомеры на диапазоны, входящие в интервал от 10 Гц до 10 МГц. Принцип работы этих приборов базируется на чередовании процессов заряда и разряда конденсатора. Конденсатор заряжается от батареи, затем разряжается на электромеханическую систему.

Частота повторений заряда-разряда совпадает с частотой исследуемого сигнала, ибо сам измеряемый сигнал задает импульс на переключение. Мы знаем, что заряд CU протекает за один рабочий цикл, следовательно протекающий через магнитоэлектрическую систему ток пропорционален частоте. Таким образом амперы пропорциональны герцам.

Пример конденсаторного частотомера с 21 диапазоном измерения — прибор Ф5043, применяемый для настройки низкочастотной аппаратуры. Минимальная измеряемая частота — 25 Гц, максимальная — 20 кГц. Потребление прибора в рабочем режиме — не более 13 Вт.

Для настройки и обслуживания приемопередающих устройств, для измерений несущих частот модулированных сигналов — полезны частотомеры гетеродинные. Частота исследуемого сигнала сравнивается с частотой сигнала гетеродина (вспомогательного перестраиваемого генератора) до достижения нулевых биений.

Нулевые биения свидетельствуют о совпадении частоты исследуемого сигнала с частотой гетеродина. Пример проверенного временем гетеродинного частотомера — ламповый «Волномер Ч4-1», используемый для градуировки передатчиков и приемников, работающих с незатухающими колебаниями. Рабочий диапазон прибора — от 125 кГц до 20 МГц.

Частота перестраиваемого резонатора сравнивается с частотой исследуемого сигнала. Резонатором служит колебательный контур, объемный резонатор или четвертьволновой отрезок линии. Исследуемый сигнал поступает к резонатору, с выхода резонатора сигнал идет на гальванометр.

Максимальные показания гальванометра свидетельствуют о наилучшем совпадении собственной частоты резонатора с частотой исследуемого сигнала. Оператор регулирует резонатор при помощи лимба. В некоторых моделях резонансных частотомеров применяются усилители для повышения чувствительности.



Пример резонансного частотомера — прибор Ч2-33, предназначенный для настройки приемников и передатчиков с частотами непрерывных и импульсно-модулированных сигналов от 7 до 9 ГГц. Потребление прибора не более 30 Вт.

Электронно-счетный частотомер просто считает количество импульсов. Считаемые импульсы формируются входными цепями из периодического сигнала произвольной формы. При этом интервал времени счета задается с опорой на кварцевый генератор прибора. Таким образом, электронно-счетный частотомер является прибором сравнения, точность которого зависит от качества эталона.

Электронно-счетные частотомеры являются приборами весьма универсальными, отличаются широкими диапазонами измерения частоты и высокой точностью. Например, диапазон измерений прибора Ч3-33- от 0,1 Гц до 1,5 ГГц, а точность составляет 0,0000001. Доступные измеряемые частоты повышаются до десятков гигагерц благодаря применению делителей в современных приборах.


В общем и целом, электронно-счетные частотомеры являются на сегодняшний день наиболее распространенными и востребованными профессиональными приборами данного назначения. Они позволяют не только измерять частоты, но позволяют также находить и длительности импульсов, и интервалы между ними, и даже вычислять отношения между частотами, не говоря о подсчете количества импульсов.

Лабораторная работа № 4

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННО-СЧЕТНОГО ЧАСТОТОМЕРА

Цель работы: Изучить метрологические характеристики, принципы работы, структурную схему, источники погрешностей электронно-счетного частотомера. Научиться оценивать погрешности результатов измерения частоты, обусловленные погрешностями частотомера. Получить практические навыки работы с частотомером.

Используемые приборы: электронно-счетный частотомер (ЭСЧ) Ч3-34А, генератор низкочастотных сигналов Г3-109.

Краткие теоретические сведения

Измерение частоты, частотомеры. Измерения частоты – наиболее точный и быстро развивающийся вид измерений. Во-первых, единица времени (частоты) является основной единицей системы СИ; во-вторых, определение секунды связано с пересчетом событий, а пересчет является самым точным методом измерений; в-третьих, повышение точности измерений частоты необходимо для прикладного использования в телекоммуникациях, навигации, космической отрасли. За последние 50 лет суммарная относительная погрешность первичных государственных эталонов на основе цезиевых реперов частоты уменьшилась с ± 1×10 -10 до ± 1,5×10 -15 , то есть точность возрастала на порядок за каждые 10 лет. Никакой другой вид измерений не имеет такого значительного прироста, ведь возрастание точности в 2–3 раза за 10 лет уже считается отличным показателем. Государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для средств измерений времени и частоты” можно разделить на 3 сегмента:

    рабочие средства измерения частоты с погрешностью не более ± 1×10 -7 ;

    рабочие эталоны частоты с погрешностью не более ± 1×10 -12 ;

    национальные и вторичные эталоны частоты с погрешностью менее ± 1×10 -13 .

Частотомер — измерительный прибор для определения частоты периодического процесса или частот гармонических составляющих спектра сигнала.

Классификация частотомеров

    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 так же, отчасти, конденсаторные и электронно-счетные частотомеры. В группу радиоизмерительных приборов входят резонансные, гетеродинные, конденсаторные и электронно-счетные 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. Их назначение — настройка, обслуживание, контроль работы приемопередающих устройств, измерение несущей частоты модулированных сигналов.

Конденсаторные частотомеры

Электронные конденсаторные частотомеры применяются для измерения частот в диапазоне от 10 до 1000Гц. 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 = CUfx. Таким образом, показания магнитоэлектрического амперметра оказывается пропорциональны измеряемой частоте. Основная приведенная погрешность таких частотомеров лежит в пределах 2-3%. Их назначение — настройка и обслуживание низкочастотной аппаратуры

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 на других принципах. Применяются для контроля сети электропитания.

Электронно-счетные 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.

Принципы измерения частоты

Среди цифровых приборов частотно-временной группы электронно-счетные частотомеры (в дальнейшем цифровые частотомеры — ЦЧ) являются наиболее распространенными, что объясняется, их универсальностью, высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками.

В основу построения ЦЧ положены общие принципы, позволяющие реализовать ряд режимов работы прибора для измерения нескольких величин. Функционально полные ЦЧ позволяют измерять следующие величины: частоту, период, отношение двух частот (иногда выраженное в процентах), длительность импульса или интервала времени, задаваемого пользователем; предусматриваются также режим счета событий (импульсов) и использование ЦЧ как источника сигналов с известными (калиброванными) частотами. Режимы работы задаются и выбираются положением ряда переключателей (механических или электронных) и других органов управления. В более простых вариантах исполнения ЦЧ используются для измерения меньшего числа величин (например, одной или двух).

В любом режиме часть структуры ЦЧ остается неизменной и в ней происходит счет числа импульсов
, пропорционального измеряемой величине. Эти импульсы проходят через электронный ключ ЭК, находящийся в замкнутом состоянии, на счетчик импульсов СИ. Код числа, образующийся в СИ, поступает на цифровое отсчетное устройство ЦОУ. В состав ЦОУ входит многодекадный цифровой индикатор с перемещающейся, запятой и, как правило, индикатор с обозначением единиц измерения.

Время замкнутого состояния ЭК, называемое временем счета Т СЧ, определяется родом измеряемой величины, а его конкретное значение рядом соображений, о которых будет сказано ниже.

Структурная схема ЦЧ в этом режиме работы приведена на рис.1а.

Напряжение измеряемой частоты f x (рис.1б ) подается на вход формирующего устройства (ФУ), назначение которого — формирование сигнала стандартной формы при достаточно произвольной форме входного сигнала. Обычно в состав ФУ входят усилитель-ограничитель, обеспечивающий заданную амплитуду своего выходного сигнала, и формирователь для обеспечения малой длительности фронта и среза импульсов на выходе ФУ. Частота этих импульсов равна частоте входного сигнала (рис. 1в). Эти импульсы проходят через ЭК на СИ в течение времени счета Т с , которое задается генератором опорной частоты ГОЧ и делителем частоты ДЧ. Частота ГОЧ стабилизирована кварцевым резонатором. Необходимое Т с выбирается переключателем ВРЕМЯ СЧЕТА. При каждом запуске прибора на выходе ДЧ появляется один импульс (рис. 1в), под действием которого замыкается ЭК.

Число импульсов N x , прошедшее на СИ, определяется приближенной формулой

а значение измеряемой частоты


Измерение частоты при помощи вольтметра

Наиболее простым является косвенный способ измерения частоты, основанный на зависимости сопротивления реактивных элементов от частоты, протекающего по ним тока. Возможная схема измерений представлена на рис. 1.

Рис. 1.

К источнику колебаний частоты Fx подключается цепочка из безреактивного резистора R и конденсатора С с малыми потерями, параметры которых точно известны. Высокоомным вольтметром переменного тока V с пределом измерения, близким к значению входного напряжения, поочерёдно измеряются напряжения UR и UC на элементах цепочки. Поскольку

где I — ток в цепи, то отношение

UR/UC = 2рFxRC,

Fx = 1/(2рRC) * UR/RC

Входное сопротивление вольтметра V должно, по крайней мере, в 10 раз превышать сопротивление каждого из элементов цепочки. Однако влияние вольтметра можно исключить, если использовать его лишь в качестве индикатора равенства напряжений UR и UC, достигаемого, например, плавным изменением сопротивления R. В этом случае измеряемая частота определяется простой формулой:

Fx = 1/(2рRC) ? 0,16/(RC),

и при неизменной ёмкости конденсатора С переменный резистор R можно снабдить шкалой с отчётом в значениях Fx.

Оценим возможный порядок измеряемых частот. Если резистор R имеет максимальное сопротивление RM = 100 кОм, то при С = 0,01 мкФ, 1000 и 100 пФ верхний предел измерений составит соответственно 160, 1600 и 16000 Гц. При выборе RM = 10 кОм и тех же значениях ёмкостей эти пределы окажутся равными 1600 Гц, 16 и 160 кГц.

Эффективность метода зависит от точности подбора номиналов и качества элементов RС-цепочки.

Ёмкостные частотомеры

Для практических целей наиболее удобны прямопоказывающие частотомеры, позволяющие вести непрерывные наблюдения за частотой исследуемых колебаний по шкале стрелочного измерителя.

К ним относятся, прежде всего, ёмкостные частотомеры, действие которых основано на измерении среднего значения тока заряда или разряда опорного конденсатора, периодически перезаряжаемого напряжением измеряемой частоты f x . Эти приборы применяются для измерения частот от 5-10 Гц до 200-500 кГц.

При допустимой погрешности измерений примерно 3-5% они могут быть выполнены по простым схемам, один из вариантов которых представлен на рис. 2. Здесь транзистор Т1, работающий в ключевом режиме, управляется напряжением частоты f x , которое подводится к его базе с входного потенциометра R1. В отсутствие входного сигнала транзистор Т1 открыт, поскольку его база через резисторы R3 и R2 соединена с отрицательным полюсом источника питания.

При этом на резисторе R5 делителя R5, R2 создаётся падение напряжения U; последнее благодаря наличию конденсатора большой ёмкости С2 фиксируется в качестве напряжения питания транзисторного каскада и при быстрых периодических изменениях режима транзистора почти не меняется. При установке переключателя В в положение «U-» измеритель И, включённый последовательно с добавочным резистором R6, образует вольтметр, измеряющий постоянное напряжение U на конденсаторе С2, которое с помощью подстроечного резистора R2 поддерживается на определённом уровне, например 15 В.


Рис. 2.

В положительный полупериод входного напряжения частоты f x транзистор Т1 закрывается и напряжение на его коллекторе резко возрастает до значения U; при этом происходит быстрый заряд до напряжения, близкого к U, одного из конденсаторов С, зарядный ток которого протекает через измеритель И и диод Д2. В отрицательный полупериод транзистор Т1 открывается, его сопротивление становится очень малым, что приводит к быстрому и почти полному разряду конденсатора С током, протекающим через диод Д1. За один период измеряемой частоты количество электричества, сообщаемое конденсатору при заряде и отдаваемое им при разряде, q ? CU. Поскольку процесс заряда — разряда повторяется с частотой f x , то среднее значение I зарядного тока, регистрируемое измерителем И , оказывается пропорциональным этой частоте:

I = q*f x ? C*U*f x

Электронно-счётные (цифровые) частотомеры

Электронно-счётные частотомеры по своим возможностям являются универсальными приборами. Их основное назначение — измерение частоты непрерывных и импульсных колебаний, осуществляемое в широком частотном диапазоне (примерно от 10 Гц до 100 МГц) при погрешности измерений не более 0,0005%. Кроме того, они позволяют измерять периоды низкочастотных колебаний, длительности импульсов, отношения двух частот (периодов) и т. д.

Действие электронно-счётных частотомеров основано на дискретном счёте числа импульсов, поступающих за калиброванный интервал времени на электронный счётчик с цифровой индикацией. На рис. 4 приведена упрощённая функциональная схема прибора. Напряжение измеряемой частоты f x в усилительно-формирующем устройстве преобразуется в последовательность однополярных импульсов, повторяющихся с той же частотой f x . Для этой цели часто используется система из усилителя-ограничителя и триггера Шмитта, дополненная на выходе дифференцирующей цепочкой и диодным ограничителем. Временной селектор (электронный ключ с двумя входами) пропускает эти импульсы на электронный счётчик лишь в течение строго фиксированного интервала времени Дt, определяемого длительностью прямоугольного импульса, воздействующего на его второй вход. При регистрации счётчиком m импульсов измеряемая частота определяется формулой:

Например, если за время Дt = 0,01 с отмечено 5765 импульсов, то f x = 576,5 кГц.

Колебания выбранной (посредством переключателя В2) частоты f 0 (числовое значение последней является множителем к отсчёту по счётчику) с помощью триггера Шмитта преобразуются в прямоугольные колебания с частотой повторения f 0 . Под их действием в управляющем устройстве формируется интервальный импульс длительностью строго прямоугольной формы.

Дt = Т 0 = 1/f 0

Этот импульс вызывает сброс предыдущих показаний счётчика, а затем (с задержкой на несколько микросекунд) поступает на селектор и открывает его на время Дt для пропускания импульсов с частотой повторения f x .

После закрывания селектора число пропущенных им импульсов m фиксируется индикатором счётчика, а измеряемая частота определяется по формуле


Рис. 3. Упрощённая функциональная схема электронно-счётного (цифрового) частотомера

Кварцевые калибраторы

Из приборов повышенной точности, применяемых для измерения высоких частот, самыми простыми являются кварцевые калибраторы.

Они позволяют проверять шкалы радиоприёмных и радиопередающих (генераторных) устройств в ряде точек, соответствующих строго определённым (опорным) частотам.


Рис. 4.

Функциональная схема кварцевого калибратора приведена в наиболее полном варианте на рис. 4. Основным компонентом прибора является кварцевый генератор, работающий в таком режиме, что возбуждаемые им колебания имеют форму, резко отличную от синусоидальной, и потому содержат, кроме составляющей основной частоты f 0 , большое число гармоник, частоты которых равны 2f 0 , 3f 0 , 4f 0 и т. д., а амплитуды постепенно убывают с повышением частоты. Обычно удаётся использовать для измерений от десятков до нескольких сотен гармоник, которые имеют такую же высокую стабильность (обычно в пределах 0,01 — 0,001%), как и частота f 0) стабилизированная кварцевым резонатором (кварцем) в условиях отсутствия специальных устройств (например, термостатов), повышающих эффект стабилизации.

Колебания, возбуждаемые кварцевым генератором, подводятся к гнезду (или зажиму) связи Ан, который вместе с присоединённым к нему небольшим проводником или штырём играет роль приёмной или передающей антенны в зависимости от характера использования прибора. С целью экранировки прибор обычно помещают в металлический кожух.

Гетеродинные частотомеры

Гетеродинные частотомеры применяются для точных частотных измерений в плавном диапазоне высоких частот. В принципе гетеродинный частотомер отличается от кварцевого калибратора, лишь тем, что вместо кварцевого генератора в нем используется гетеродин, т. е. маломощный генератор с плавно регулируемой частотой настройки. Наличие смесителя позволяет использовать прибор не только для градуировки частотных шкал радиоприёмников, но и для измерения методом нулевых биений частоты генераторов. Индикация нулевых биений осуществляется телефонами, осциллографическими и электронно-световыми индикаторами, а также стрелочными измерителями.

Погрешность измерений гетеродинного частотомера в основном определяется стабильностью частоты гетеродина и погрешностью её установки. Поэтому часто предпочитают гетеродины выполнять на электронных лампах. Повышению стабильности частоты способствуют правильный выбор схемы и конструкции гетеродина, применение в нем деталей с малым температурным коэффициентом, включение буферного каскада между гетеродином и выходными цепями, стабилизация напряжений питания, длительный прогрев прибора под током перед измерениями. Для повышения плавности регулировки и точности установки частоты управление конденсатором настройки гетеродина обычно осуществляют через верньерный механизм с большим замедлением (до 100-300 раз). Непосредственный отсчёт частоты по шкале конденсатора переменной ёмкости производят лишь в самых простых конструкциях; в большинстве приборов шкала выполняется равномерной с очень большим числом делений (до нескольких тысяч), а отсчёт по ней переводится в частоту при помощи таблиц или графиков.

Резонансные частотомеры

Особенностями резонансных частотомеров, применяемых для измерения высоких и сверхвысоких частот, являются простота конструкции, быстрота функционирования и однозначность результатов измерений; погрешность измерений составляет 0,1-3%.

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.

Измерение частоты с помощью осциллографа

Измеряемая частота может быть определена сравнением её с известной опорной частотой f o . Такое сравнение чаще всего производится с помощью электроннолучевого осциллографа или методами биений.

Электроннолучевые осциллографы применяются для измерения частот колебаний главным образом синусоидальной формы в диапазоне частот примерно от 10 Гц до значения, определяемого верхней границей полосы пропускания каналов отклонения; погрешность измерений практически равна погрешности калибровки источника колебаний (генератора) опорной частоты f 0 . Чаще всего измерения проводят при выключенной развёртке осциллографа, пользуясь схемой соединений, показанной на рис. 5. Напряжения измеряемой и известной частот подводят непосредственно или через усилители к различным парам отклоняющих пластин ЭЛТ (в зависимости от того, на какой вход осциллографа эти напряжения воздействуют, будем обозначать их частоты через f x и f y). Если эти частоты относятся друг к другу как целые числа, например 1:1, 1:2, 2:3 и т. п., то перемещение электронного луча приобретает периодический характер и на экране наблюдается неподвижное изображение, называемой фигурой Лиссажу. Форма этой фигуры зависит от соотношения амплитуд, частот и начальных фаз сравниваемых колебаний.


Рис. 5.

Рис. 6. Фигуры, наблюдаемые на экране при различных отношениях частот f x /f y

Определив отношение f x:f y и зная одну из частот, например f y , легко найти вторую частоту.

Предположим, что при известной частоте f y = 1000 Гц на экране получена фигура, изображённая на рис. 5. Из приведённого на чертеже построения видно, что эта фигура соответствует отношению частот f x = 3:4, откуда f x = 750 Гц.

T t или частотой fзап = 1/T.

Измеряемый сигнал (допустим синусоидальной формы, рис. 4.3, а ) подается на вход А и через регулируемый аттенюатор АT поступает на вход формирователя Ф а . На его выходе образуется последовательность коротких импульсов с частотой следования, равной измеряемой частоте fx.

Эта последовательность импульсов поступает на один из входов временного селектора ВС. На другой его вход через блок автоматики БА поступает последовательность прямоугольных управляющих импульсов, длительность которых определяет счетный интервал времени Tсч.

Эти импульсы формируются из напряжения опорного кварцевого генератора КГ путем деления его частоты в делителе частоты ДЧ (рис. 4.3, г). При коэффициенте деления n значение счетного интервала

Прошедшие за время счета через временной селектор N отсчитываются счетчиком импульсов Сч . В блоке индикации БИ определяется измеряемая частота

,

и полученное значение отображается на блоке индикации.

15. Принцип работы электронного частотомера при измерении периода

В основу метода дискретного счета заложено определение (подсчет) числа циклов периодического сигнала в течение некоторого счетного устанавливаемого интервала времени. Этот метод позволяет решить и обратную задачу, т. е. измерение временных интервалов путем определения числа специально сформированных счетных импульсов на измеряемом интервале времени.

Допустим, имеется интервал времени T , последовательность коротких импульсов с периодом следования t или частотой fзап = 1/T

Эти импульсы называют заполняющими, а частоту – частотой заполнения fзап. Число импульсов, попавших во временной интервал, равно N.

Соответствие между этими параметрами можно записать в виде выражения:

Сигнал со входа Б через аттенюатор А Т подается на формирователь Ф Б , где формируется последовательность импульсов где формируется последовательность импульсов с периодом, равным измеряемому периоду Tx , а на выходе блока автоматики БА – управляющий импульс длительностью Tx. При этом переключатель на входе БА находится в положении ТБ.

Путем умножения или деления частоты опорного кварцевого генератора КГ в базе времени БВ образуется последовательность коротких счетных импульсов с периодом . Эти импульсы также называют метками времени с периодом (частотой ).

Прошедшие за время счета через временной селектор N счетных импульсовпересчитываются в значение измеряемого периода , и результат отображается в отсчетном устройстве. Значение периода счетных импульсов (меток времени) может устанавливаться соответствующим дискретным переключателем.

Если переключатель на входе блока автоматики установить в положение Т Б 10, то в процессе измерения периода может осуществляться
усреднение серии измеренных его значений, что достигается путем дополнительного деления частоты измеряемого сигнала (или соответственно умножения измеряемого периода) в k раз. Тогда при отсчитанном числе счетных импульсов N и периоде t сч значение измеряемого периода будет.

16. Общие сведения о приборах для исследования формы, спектра нелинейных искажений сигнала

Осциллограф — это электронное устройство, имеющее канал y — вертикального отклонения, канал x – (ось времени) горизонтального отклонения и вспомогательный канал z — канал подсветки луча.

Анализатор спектра (АС) – это чувствительный селективный прибор, предназначенный для определения частотных составляющих сигнала т.е. спектра амплитуд.

Измеритель модуляции — измерительный прибор, предназначенный для определения характеристик модулированного радиосигнала — коэффициента амплитудной модуляции и (или)девиации частоты.

17. Структурная схема универсального осциллографа


Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) определяет принцип действия прибора, и от ее характеристик в значительной мере зависят параметры и возможности применения осциллографа в целом. В осциллографах используют главным образом ЭЛТ с электростатическим управлением лучом.

Принцип отображения формы напряжения на экране осциллографической трубки в общих чертах можно представить следующим образом.

Исследуемое напряжение является функцией времени, отображаемой в прямоугольных координатах графиком u = f (t ). Две пары пластин ЭЛТ отклоняют электронный луч в двух взаимно перпендикулярных направлениях, которые можно рассматривать как координатные оси. Поэтому для наблюдения на экране ЭЛТ исследуемого напряжения необходимо, чтобы луч отклонялся по горизонтальной оси пропорционально времени, а по вертикальной оси — пропорционально исследуемому напряжению (в каждый момент времени).

С этой целью к горизонтально отклоняющим пластинам подводят пилообразное напряжение, которое заставляет луч перемещаться по горизонтали с постоянной скоростью слева направо и быстро возвращаться обратно. Расстояние, проходимое лучом вдоль горизонтальной оси, получается пропорциональным времени.

Исследуемое напряжение подается на вертикально отклоняющие пластины, и, следовательно, положение луча в каждый момент времени однозначно соответствует значению исследуемого сигнала в этот момент. За время действия пилообразного напряжения луч вычерчивает кривую исследуемого сигнала. Наблюдаемое на экране изображение называют осциллограммой .

Канал вертикального отклонения Y , или канал сигнала, предназначен для передачи напряжения источника исследуемого сигнала на вход вертикально отклоняющих пластин ЭЛТ.

Канал горизонтального отклонения X , или канал развертки, служит для создания и передачи напряжения, вызывающего горизонтальное перемещение луча, преимущественно пропорционально времени.

Канал управления яркостью Z предназначен для передачи со входа Z на управляющий электрод ЭЛТ сигналов, модулирующих яркость свечения.

18. Назначение канала Y универсального осциллографа, основные параметры канала

Входное устройство (Аттенюатор) – масштабирует сигнал до уровня обозначенного в технических условиях, производит масштабирование сам оператор.

Предварительный усилитель(Эмиттерный повторитель) :

1. Усиливает сигнал

2. С приходом сигнала формирует синхроимпульс

3. Согласует Rвыхода с низкоомным входом линии задержки

Линия задержки задерживает сигнал до 140мкс, что обеспечивает получение на экране неискаженного сигнала.

Усилитель вертикального отклонения (УВО) который усиливает сигнал до установленной величины.

Канал Y служит для развертывания исследуемого сигнала по амплитуде (предназначен для передачи напряжения источника исследуемого сигнала на вход вертикально отклоняющих пластин ЭЛТ.)

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Частотомер — назначение и виды приборов

Частотом е р (неправ. частотометр) — измерительный прибор для определения частоты периодического процесса или частот гармонических составляющих спектра сигнала.

Этот восьмиразрядный прибор может измерять частоту синусоидального и импульсного сигнала от 1 ГЦ до 50 МГц. Время измерения — 1 и 10 с. Частотомер построен на светодиодах с общим катодом. Особенностью данного частотомера является то, что в нем может быть использован любой кварц на частоты от 10 до 20 МГц. При этом в программе изменяются значения только двух регистров.

Собираясь сделать частотомер на PIC-контроллере, автор проверил схемы и программы, опубликованные в журналах. Оказалось, что только одна схема и программа были рабочими: это «Частотомер на PIC-контроллере» Д. Яблоков и В. Ульрих . Но этот частотомер имеет 3 разряда индикации с указанием их порядка. Такой точности в повседневной практике радиолюбителей явно недостаточно.

В частотомере применен микроконтроллер PIC16F873, который имеет 28 выводов. Это позволило использовать 16 выходов для непосредственного управления сегментами и разрядами светодиодов. Кроме того, этот микроконтроллер имеет три таймера с предделителями. Восьмиразрядный таймер TMR0 и его восьмиразрядный предделитель вместе с двумя дополнительными регистрами используются для подсчета измеряемой частоты. Извлечение значения предделителя выполняется известным способом, заключающимся в досчитывании значения предделителя до нуля, с одновременным подсчетом числа импульсов досчета. Таким образом, максимальная разрешающая способность счетчика составляет 32 двоичных разряда.

Таймер TMR1 имеет 16 разрядов и 3 разрядный предделитель. Этот таймер используется для формирования интервалов времени 0,1 секунды, а два последующих регистра-делителя на 10 формируют время измерения в 1 секунду и 10 секунд. При использовании кварцевых резонаторов на любую частоту достаточно сделать программную предварительную установку двух регистров таймера TMR1. При этом отпадает необходимость в точной подстройке частоты самого кварца.

Поскольку эти два таймера могут работать одновременно без участия АЛУ микроконтроллера, то появилась возможность использовать в качестве индикаторов светодиоды с динамической индикацией. На время прерываний по переполнению таймеров программа прекращает индикацию. Время, за которое выполняется прерывание, незначительно, поэтому визуально не отслеживается (видно только при частотах резонатора ниже 5 МГц).

Алгоритм работы программы частотомера показан на рис. 1, а расширенный алгоритм работы блоков: проверка кнопок, пуск измерения, досчитывание показан на рис. 1.1, 1.2, 1.3 соответственно.

После пуска и инициализации регистров микроконтроллера программа переходит к поразрядному выводу значений регистров индикации. После загрузки значения любого регистра индикации в порт выдерживается пауза в 2 миллисекунды. В каждом цикле отработки паузы декрементируется регистр паузы и проверяется значение флага 1 секунды. Если флаг равен единице, т.е. 1 секунда прошла, выполняется проверка состояния кнопок (рис. 1.1). При этом сбрасывается флаг 1 секунды. Далее проверяется состояние кнопки «Пуск». Если кнопка нажата, то проверяется флаг пуска. Если флаг пуска включен, т.е. пуск уже был, то он сбрасывается (запрещается счет). Если флаг пуска нулевой, то он устанавливается в единицу (разрешается счет). В этом цикле отработки паузы проверка кнопок прекращается. В следующих циклах, если кнопка «Пуск» не нажата, проверяется состояние кнопки времени измерения. Если кнопка времени измерения нажата, то изменяется флаг времени измерения на противоположный (1 сек. или 10 сек.).

После проверки кнопок проверяется значение флага пуска. Если частотомер в состоянии пуска, то проверяется флаг измерения. Если флаг единичный, то начался отсчет времени измерения, и программа переходит к пуску измерения (рис. 1.2). Но если пуск уже был выполнен и установлен флаг счета, то включение нового счета не производится. Если же счет не начат, то устанавливается флаг счета, обнуляются регистры досчета, разрешаются прерывания по переполнению TMR0 и открывается счетный вход. Счетный вход открывается установкой единицы на выходе RA5. От команды, открывающей счетный вход, и до команды, которая его закрывает, должно пройти время, равное времени измерения. Это время в зависимости от частоты выбранного кварцевого резонатора подбирается предварительной установкой регистров таймера TMR1.

В последующих циклах отработки паузы постоянно проверяется состояние флага счета. Как только флаг счета станет равным нулю, что говорит о прекращении времени измерения, начинается процесс извлечения значения предделителя таймера TMR0 (досчитывание, рис. 1.3). Дело в том, что непосредственная запись и считывание значения предделителя невозможно, но легко реализуется программно. Для этого на вход RA4 с выхода RA5 подаются импульсы, которые сформированы программно. При каждом импульсе значение предделителя увеличивается на единицу и одновременно с этим увеличивается значение младшего регистра счета L_B. Предварительно младший регистр счета обнуляется. Значение таймера TMR0 непосредственно переписывается в старший регистр счета H_B. После каждого сформированного программно импульса на предделитель проверяется изменение значения таймера. Если значение таймера изменилось, то досчитывание заканчивается. Таким образом осуществляется досчитывание значений предделителя до нуля, тем самым определяется значение предделителя, которое было после окончания прохождения измеряемых импульсов. Значение предделителя будет равно инвертированному значению младшего регистра счета L_B.

Программа переходит к перекодировке 32 разрядов двоичного числа в 9 разрядов двоично-десятичного числа. Девять разрядов для индикации не используются, но желательны для правильного отображения старшего разряда в режиме времени измерения 10 секунд. Например, если в режиме измерения 1 секунда три старших разряда будут равны 278, то в режиме 10 секунд двойка уйдет за пределы индикатора, а число 78 будет высвечиваться в старших разрядах индикатора. Таким образом можно точнее определить значение измеряемой частоты.

После окончания перекодировки сбрасываются все флаги. На время досчитывания запрещаются прерывания по переполнению таймера TMR1, а после окончания досчитывания выполняется новая установка регистров таймера, и разрешаются прерывания. После заполнения регистров индикации программа начинает новый цикл индикации с нулевого разряда.

Как было сказано выше, прерывания по переполнению таймера TMR1 происходят через 0,1 секунду и используются для формирования интервалов времени измерения. Алгоритм работы прерывания показан на рисунке 1.4.

После сохранения значений регистров инкрементируется регистр секунды и включается флаг выполнения измерения. Если регистр секунды еще не равен десяти, то выполняется установка регистров таймера и завершается прерывание. Установка младшего и старшего регистров таймера выполняется так, чтобы время досчитывания таймера TMR1 до нуля машинными циклами равнялось 0,1 секунды.

Если значение регистра секунды равно десяти, то проверяется флаг десяти секунд. Если флаг установлен, значит, включен режим измерения десяти секунд, поэтому обнуляется регистр секунды и инкрементируется регистр десяти секунд. Далее проверяется значение регистра десяти секунд на равенство десяти. Если значение регистра не равно десяти, то программа устанавливает регистры таймера и завершает прерывание. Если флаг десяти секунд не установлен, значит, закончилось время измерения, равное одной секунде, или если закончилось время измерения, равное десяти секундам, программа переходит к закрытию счетного входа. Обнуляются регистры времени измерения, сбрасывается флаг измерения, устанавливаются регистры таймера и прерывание завершается.

Во время счета измеряемой частоты прерывания по переполнению таймера TMR0 (рис. 1.5) возможны с любой точки программы. Если во время прерывания от TMR0 произошло прерывание по переполнению TMR1, то будет выполнено прерывание от TMR1, а после этого будет продолжаться выполнение прерывания от TMR0. Это необходимо для того, чтобы не увеличивать длительность времени измерения, следовательно, и погрешность счета.

Схема частотомера приведена на рис. 2.

Выходы порта В микроконтроллера используются для вывода значений сегментов светодиодов, а выходы порта С — для коммутации катодов разрядов. Выводы порта А RA0 и RA1 использованы как входы кнопок SB1 и SB2 соответственно «Время измерения» и «Пуск». Вывод RA5 соединен непосредственно со счетным входом RA4. С выхода RA5 на счетный вход подаются логический ноль, закрывающий вход для прохождения счетных импульсов и импульсы досчитывания.

Для превращения этого частотомера в полноценный измерительный прибор его необходимо снабдить широкополосным формирователем импульсов.

В частотомере применены две матрицы светодиодов с общим катодом фирмы «Kingbright» СС56-12GMR. Каждая матрица содержит четыре светодиода, предназначенных для динамической индикации. То есть, все одноименные сегменты светодиодов соединены между собой внутри блока. Первый вывод матрицы маркируется единичкой, которую видно под слоем герметика. Эти светодиоды приятного желто-зеленого цвета свечения имеют малый ток потребления (потребляемый ток частотомера менее 50 мA) и большие размеры цифр (высота цифры 15 мм). Естественно, можно использовать любые цифровые светодиоды с общим катодом, но тогда, возможно, потребуется подстройка яркости свечения резисторами R8-R15.

Если сделать небольшие изменения в программе, то можно использовать и светодиоды с общим анодом. Для этого в третьем блоке подпрограмм «Таблица сегментов для общего катода» необходимо заменить данные для «Катода» данными для «Анода», которые расположены как комментарии через точку с запятой. В следующей, четвертой подпрограмме индикации, метка ZIKL должна выглядеть так:

CLRF KATOD; ОБНУЛЯЕМ РЕГИСТР КАТОДОВ.

BSF KATOD,0; УСТАНАВЛИВАЕМ НУЛЕВОЙ БИТ

BCF STATUS,0; УСТАНОВИМ В 0 БИТ ЗАЕМА.

После этих замен разряды светодиодов будут переключаться высоким уровнем напряжения.

Микроконтроллер PIC16F873 можно заменить микроконтроллером PIC16F876, который тоже имеет 28 выводов и отличается увеличенной до 8 К памятью программ. При этом если вы программируете программатором PonyProg, то необходимо правильно установить тип микроконтроллера. В программе никаких изменений делать не нужно. Необходимо заметить, что микроконтроллер PIC16F873 требует более аккуратного обращения, чем PIC16F84. Вставлять и вынимать микроконтроллер в программатор и плату частотомера необходимо при выключенном питании. При плохом контакте с микросхемной панелькой микроконтроллер тоже может выйти из строя. Для того чтобы легче было вставлять и вынимать микросхему в панельку программатора, необходимо удалить незадействованные контакты микросхемной панельки.

Печатная плата частотомера показана на рис. 3, а расположение элементов на ней — на рис. 4.

Со стороны установки элементов на верхней части платы до выводов микросхемы фольга не удаляется. Она является экраном для усилителя и соединяется с минусом питания пайкой в местах обозначенных черными точками. Все остальные отверстия над экраном раззенковываются. Поскольку четвертый вывод микроконтроллера не используется, то отверстие под него не сверлится, а четвертый контакт из микросхемной панельки удаляется. Размеры печатной платы определены размерами платы светодиодов, которая показана на рис. 5. Плата частотомера располагается за платой светодиодов.

Частотомер задумывался для работы с резонатором частотой 20 мГц, но мне не удалось раскачать отечественные кварцы. Все они возбуждались на низких частотах. В фирменной документации при использовании высокочастотных кварцев (HS) рекомендуется установка последовательно кварцу от вывода OSC2 резистора номиналом до 10 килоом. Но отечественные кварцы возбуждаться на собственной частоте не хотели. Аналогичный результат был получен и при подключении высокоомного (10-30 мОм) резистора параллельно входам OSC1 и OSC2. Естественно, при более высокой частоте резонатора частота будет измеряться точнее, но импортного резонатора мне достать не удалось. Для проведения подобного рода экспериментов по возбуждению кварца на печатной плате имеются дополнительные отверстия.

Калибровка частотомера

После изготовления частотомера необходимо выполнить его калибровку. Для этого необходимо в шестом блоке подпрограмм установить значения младшего (TMR1L) и старшего (TMR1H) регистров таймера TMR1, величина которых будет зависеть от значения используемого кварцевого резонатора. Увеличение значений регистров уменьшает время измерения, следовательно, уменьшает значение измеряемой частоты.

MOVLW 0x54; ПРЕДУСТАНОВКА РЕГИСТРОВ

MOVWF TMR1H; ТАЙМЕРА ДО ЗНАЧЕНИЯ 0,1 СЕК. (500 000 ПРИ 20 МГц).

MOVLW 0x07; (ПРИ ТОЧНОМ КВАРЦЕ 14 МГц

MOVWF TMR1L; УСТАНОВКА ДОЛЖНА БЫТЬ 55 45).

Определим для примера, какая должна быть установка регистров для резонатора с частотой F=14 мГц. Период импульсов равен: T=1/F=7,14 x 10- 8 . Один машинный цикл равен: F osc =4T=2,86 x 10- 7 . Разделим интервал времени 0,1 секунды на машинный цикл и получим число 349650. Столько машинных циклов «поместится» в 0,1 секунде. С помощью компьютерного калькулятора переведем это число в двоичный код и получим число: 1010101010111010 010. Три младших выделенных бита отбросим, поскольку они попадают на трехразрядный предделитель, а его мы установить не можем. Полученное двоичное число переведем в восьмиричное и получим число: АА ВА. Таким числом импульсов должен быть досчитан таймер, чтобы произошло прерывание через 0,1 секунды. Следовательно, необходимо найти дополнение этого числа до нуля: FF FF-AA BA=55 45. Именно это число должно быть установлено в регистрах таймера 1. Но если установить это число, то прерывания будут происходить ровно через 0,1 секунды, а нам необходимо, чтобы счетный вход RA4 открывался и закрывался через 1 или 10 секунд. А если учесть, что частота резонатора редко соответствует номинальной, то становится ясно, что это число нуждается в коррекции.

Для этого необходимо измерять частотомером образцовую частоту и производить изменения младшего регистра таймера до тех пор, пока показания индикатора будут соответствовать значению образцовой частоты. Образцовую частоту можно взять с любого промышленного частотомера или собрать простейший генератор на кварце и определить его частоту промышленным частотомером. Если у вас нет промышленного частотомера, то есть еще один способ получить более-менее точную частоту. Для этого необходимо иметь кварцевый резонатор с номиналом частоты, имеющим 4-5 цифр. Собрав генератор на таком кварце можно получить номинальную частоту с точностью указанных цифр.

Установка регистров таймера 1 не дает «абсолютной» точности потому, что мы не учитываем разрядов предделителя. Для учета этих разрядов перед закрытием счетного входа установлены команды коррекции. Для предела 1 секунда коррекция выполняется в метке СЕКХ, а для предела 10 секунд — СЕКС.

; MOVLW .1;ЭТИ 4 СТРОЧКИ НУЖНЫ ДЛЯ ТОЧНОЙ

; ADDLW -1 ;ПОДГОНКИ ВРЕМЕНИ ИЗМЕРЕНИЯ.

; BTFSS STATUS,2 ;ДЛЯ 1 СЕКУНДЫ.

Изменением числа в второй строчке и подстановкой «пустых» команд NOP, производят подгонку измеряемой частоты в пределах единиц герц. Увеличение значения при коррекции увеличивает время индикации. Необходимо помнить, что значение коррекции секунд входит в коррекцию десятков секунд умноженное на десять. Показания индикатора на обоих пределах должны совпадать. После окончания калибровки желательно проверить его работу по всему пределу измерения от 1 Гц до 50 мГц.

Если измерить частоту собственного кварца через конденсатор 68 — 200 пф, как это показано на рис. 2 пунктирной линией, то при любом резонаторе (в авторском варианте программы), получится частота: 14007 кГц. Это связано с тем, что на вход пройдет столько импульсов, сколько поместится в сформированном интервале. При кварце на большую частоту время измерения будет меньше, значит и импульсов пройдет меньше. Вернее столько, сколько и при резонаторе с частотой в 14 мГц. Изменение частоты в любую сторону вызовет обратно пропорциональное изменение времени измерения, но показания не изменятся. Становится понятным, что измерять частоту собственного резонатора можно только после окончания калибровки, да и то с целью определения точной частоты вашего резонатора.

Работа с частотомером

При подаче напряжения на индикаторе высветятся нули и запятая в третьем разряде. Запятая в третьем разряде говорит о том, что установлен режим одной секунды, а индикация осуществляется в килогерцах. При нажатии кнопки «Время измерения» запятая переместится в четвертый разряд, и частотомер перейдет в режим десяти секунд.

При нажатии кнопки «Пуск» частотомер начнет измерение. На время измерения в нулевом разряде высвечивается запятая. При закорачивании входа на корпус на индикаторе должны быть нули. Повторное нажатие кнопки «Пуск» остановит процесс измерения, но индикация измеряемой частоты сохранится. Переключение режима времени измерения можно выполнять без остановки измерения.

Частотомер на PIC16F873 и семисегментных индикаторах

частотомер измерительный прибор калибровка

Этот восьмиразрядный прибор может измерять частоту синусоидального и импульсного сигнала от 1 Гц до 50 МГц. Время измерения — 1 и 10 с. Дисплей частотомера выполнен на семисегментных светодиодных индикаторах с общим катодом. Особенностью данного частотомера является то, что в нем может быть использован любой кварцевый резонатор на частоту в диапазоне 10…20 МГц.

В разработанном частотомере применен микроконтроллер PIC16F873 , который имеет 28 выводов. Это позволило использовать 16 выходов для непосредственного управления сегментами и разрядами светодиодных индикаторов. Кроме того, этот микроконтроллер имеет три таймера с предделителями. Восьмиразрядный таймер TMR0 и его восьмиразрядный предделитель вместе с двумя дополнительными регистрами используются для подсчета измеряемой частоты. Извлечение значения предделителя выполняется известным способом, заключающимся в досчитывании до нуля с одновременным подсчетом числа импульсов досчета. Таким образом, максимальная разрешающая способность счетчика составляет 32 двоичных разряда.

Таймер TMR1 имеет 16 разрядов и трехразрядный предделитель. Этот таймер используется для формирования интервалов времени 0,1 с, а два последующих регистра-делителя на 10 формируют время измерения в 1 и 10 с. При использовании кварцевых резонаторов на любую частоту достаточно сделать программную предварительную установку двух регистров таймера TMR1. При этом отпадает необходимость в точной подстройке частоты самого резонатора.

Поскольку эти два таймера могут работать одновременно без участия АЛУ микроконтроллера, появилась возможность обеспечить динамический запуск индикаторов. На время прерываний по переполнению таймеров программа прекращает индикацию. Время, за которое выполняется прерывание, незначительно, поэтому визуально не отслеживается (видно только при частотах резонатора ниже 5 МГц).

Схема частотомера приведена на рис. 1. Выходы порта В микроконтроллера используются для управления сегментами индикаторов, а выходы порта С — для коммутации их катодов. Выводы порта A RA0 и RA1 управляются кнопками SB1 и SB2 (соответственно «Время измерения» и «Пуск»). Вывод RA5 соединен непосредственно со счетным входом RA4. С выхода RA5 на счетный вход подается лог. О, закрывающий вход для прохождения счетных импульсов, и импульсы досчитывания.

Для превращения этого частотомера в полноценный измерительный прибор его необходимо снабдить широкополосным формирователем импульсов. В частотомере применены две матрицы семисегментных индикаторов с общим катодом фирмы Kingbright CC56-12GMR. Каждая матрица содержит четыре индикатора, их одноименные сегменты соединены между собой внутри блока. Первый вывод матрицы маркируется единичкой, которую видно под слоем герметика. Эти индикаторы желто-зеленого цвета свечения имеют большие размеры цифр (высота цифры 15 мм) и малый ток потребления, что обеспечивает потребляемый частотомером ток менее 50 мА. Естественно, можно использовать любые цифровые индикаторы с общим катодом, но тогда, возможно, потребуется подстройка яркости свечения подбором резисторов R8—R15.

Если сделать небольшие изменения в программе, то можно использовать и светодиоды с общим анодом. Для этого в третьем блоке подпрограмм «Таблица сегментов для общего катода» необходимо заменить данные для «Катода» данными для «Анода», которые расположены как комментарии через точку с запятой. В следующей, четвертой подпрограмме индикации метка ZIKL должна выглядеть так:

CLRF KATOD; обнуляем регистр катодов

BSF KATOD, 0; устанавливаем нулевой бит

В метке INDZIKL перед сдвигом регистра KATOD необходимо установить нулевой бит переноса/заема:

BCF STATUS, 0; установим в 0 бит заема

После этих замен разряды индикаторов будут переключаться высоким уровнем.

Микроконтроллер PIC16F873 можно заменить на PIC16F876, который также имеет 28 выводов и отличается увеличенной до 8 К памятью программ. При этом, если вы пользуетесь программатором PonyProg, необходимо правильно установить тип микроконтроллера. В программе никаких изменений делать не нужно. Следует заметить, что микроконтроллер PIC16F873 требует более аккуратного обращения, чем PIC16F84. Вставлять и вынимать микроконтроллер в программатор и плату частотомера необходимо при выключенном питании. При плохом контакте с микросхемной панелькой микроконтроллер тоже может выйти из строя. Для того, чтобы легче было вставлять и вынимать микросхему в программатор, необходимо удалить неиспользуемые контакты микросхемной панельки.

Частотомер задумывался для работы с резонатором частотой 20 МГц, но мне не удалось раскачать отечественные резонаторы, все они возбуждались на низких частотах. В фирменной документации при использовании высокочастотных резонаторов (HS) рекомендуется установка последовательно с резонатором от вывода OSC2 резистора номиналом до 10 кОм. Но отечественные резонаторы возбуждаться на собственной частоте не хотели. Аналогичный результат был получен и при подключении высокоомного (10…30 МОм) резистора параллельно входам OSC1 и OSC2. Естественно, при более высокой частоте резонатора частота будет измеряться точнее, но импортный резонатор мне достать не удалось. Для проведения подобного рода экспериментов по возбуждению резонатора на печатной плате имеются дополнительные отверстия.

После изготовления частотомера необходимо выполнить его калибровку. Для этого необходимо в шестом блоке подпрограмм установить значения младшего (TMR1L) и старшего (TMR1H) регистров таймера TMR1, величина которых будет зависеть от значения частоты используемого кварцевого резонатора. Увеличение значений регистров уменьшает время измерения, следовательно, уменьшает значение измеряемой частоты.

MONLW 0x54; предустановка регистров

MOVWF TMR1H; Таймера до значения 0,1 сек.(500000 при 20МГц)

MOVLW 0x07; при точном резонаторе 14МГц

MOVWF TMR1L; установка должна быть 55 45

Определим, для примера, какая должна быть установка регистров для резонатора с частотой F = 14 МГц. Период импульсов равен: Т = 1/F = 7,14 х 10(-8). Один машинный цикл равен 4Т = = 2,86 х 10(-7). Разделим интервал времени 0,1 с на машинный цикл и получим число 349650. Столько машинных циклов «поместится» в 0,1 с. С помощью компьютерного калькулятора переведем это число в двоичный код и получим число 1010101010111010 010. Три младших выделенных бита отбросим, поскольку они попадают на трехразрядный предделитель, а его мы установить не можем. Полученное двоичное число переведем в восьмеричное и получим число АА ВА. Таким числом импульсов должен быть досчитан таймер, чтобы произошло прерывание через 0,1 с. Следовательно, необходимо найти дополнение этого числа до нуля: FF FF — АА ВА = = 55 45. Именно это число должно быть установлено в регистрах таймера 1. Но если установить это число, то прерывания будут происходить ровно через 0,1 с, а нам необходимо, чтобы счетный вход RA4 открывался и закрывался через 1 или 10 с. А если учесть, что частота резонатора редко соответствует номинальной, то становится ясно, что это число нуждается в коррекции.

Для этого необходимо измерять частотомером образцовую частоту и производить изменение младшего регистра таймера до тех пор, пока показания индикатора не станут соответствовать значению образцовой частоты. Образцовую частоту можно взять с любого промышленного частотомера или собрать простейший кварцованный генератор и определить его частоту промышленным частотомером. Если у вас нет промышленного частотомера, то есть еще один способ получить более-менее точную частоту. Для этого необходимо иметь кварцевый резонатор с номиналом частоты, имеющим 4 или 5 цифр. Собрав генератор на таком резонаторе, можно получить номинальную частоту с точностью указанных цифр.

Установка регистров таймера 1 не дает абсолютной точности потому, что мы не учитываем влияние разрядов предделителя. Для учета этих разрядов перед закрытием счетного входа установлены команды коррекции. Для предела «1 с» коррекция выполняется в метке СЕКХ, а для предела «10 с» — СЕКС.

; MOVLW 1; эти 4 строчки нужны для точной подгонки времени измерения

; BTFSS STATUS.2 ;для 1 с.

Изменением числа во второй строчке и подстановкой «пустых» команд NOP производят подгонку измеряемой частоты в пределах единиц герц. Увеличение значения при коррекции увеличивает время индикации. Необходимо помнить, что значение коррекции секунд входит в коррекцию десятков секунд, умноженное на десять. Показания индикатора на обоих пределах должны совпадать. После окончания калибровки желательно проверить его работу по всему диапазону измерения от 1 Гц до 50 МГц.

Если измерить частоту собственного резонатора через конденсатор 68…200пФ, как это показано на рис. 1 штриховой линией, то при любом резонаторе (в авторском варианте программы) получится частота 14007 кГц. Это связано с тем, что на вход пройдет столько импульсов, сколько поместится в сформированном интервале. При резонаторе на большую частоту время измерения будет меньше, значит и импульсов пройдет меньше. Вернее столько, сколько и при резонаторе с частотой в 14 МГц. Изменение частоты в любую сторону вызовет обратно пропорциональное изменение времени измерения, но показания не изменятся. Становится понятным, что измерять частоту собственного резонатора можно только после окончания калибровки, да и то с целью определения точной частоты вашего резонатора.

При подаче напряжения питания на частотомер на индикаторе высветятся нули и запятая в третьем разряде. Эта запятая говорит о том, что установлен режим «1 с», а индикация осуществляется в килогерцах. При нажатии кнопки «Время измерения» запятая переместится в четвертый разряд и частотомер перейдет в режим «10 с».

При нажатии кнопки «Пуск» частотомер начнет измерение. На время измерения в нулевом разряде высвечивается запятая. При замыкании входа на общий провод на индикаторе должны быть нули. Повторное нажатие кнопки «Пуск» остановит процесс измерения, но индикация измеряемой частоты сохранится. Переключение режима времени измерения можно выполнять без остановки измерения.

Частотомер Э8004

Предназначен для измерения частоты в цепях переменного тока.

Основным конструктивным узлом прибора является измерительный механизм, состоящий из подвижной системы, магнитопровода, блока. Прибор имеет наружный экран для уменьшения влияния внешних магнитных полей.

Частотомер с высокими техническими характеристиками обеспечивает быстрые и точные измерения частоты при приемлемой цене. Частотомер FC-8037 оптимизирован для применения в области высоких частот, с разрешением 9 разрядов в секунду, измеряет частоту, период и число оборотов в минуту. Частотомер управляется микропроцессором, чем достигается высокая точность измерений, и разрешающая способность при малом времени измерения.

характеристика частотомера FC-8037

значение

Диапазон измерения частоты: вход A, B

0.1 Гц до 100 МГц

Диапазон измерения частоты: вход C

80 МГц до 3.7 ГГц

9 разрядный с высоким разрешением (1 нГц/ 1 пс)

Встроенный ФНЧ для точности измерений в НЧ-области

100 кГц, -3 dB

Входной аттенюатор

Режим связи входа

Интерфейс

Функция фиксации текущего показания

Высокая чувствительность для внешнего опорного генератора

Обратный метод для высокого разрешения при низких частотах

Режим самодиагностики

Габариты

270x240x90 (мм), вес 2.5 кг

Подобные документы

    Цифровой частотомер с программным управлением, его применение, принцип действия и технические характеристики. Функционирование основных блоков цифрового частотомера. Описание и расчёт основных элементов схемы электрической принципиальной частотомера.

    курсовая работа , добавлен 27.02.2009

    Построение структурной, функциональной и принципиальной схемы цифрового частотомера. Измерение частоты электрических колебаний от единиц герц до 10 МГц и амплитудой от 0,15 до 10 В с ведением счета числа импульсов входного сигнала. Выбор элементной базы.

    курсовая работа , добавлен 26.01.2015

    Методы и средства определения частоты электрических сигналов. Временное и спектральное представление. Сигналы электросвязи. Ширина полосы частот сигнала. Конструкция передающей трубки. Графики, иллюстрирующие работу устройства цифрового частотомера.

    контрольная работа , добавлен 10.01.2014

    Принцип работы цифрового частотомера, собранного на отечественном микроконтроллере КР1878ВЕ1. Входная формирующая цепь. Внешний генератор тактовых импульсов и устройство индикации. Стабилизатор напряжения питания для входной цепи и устройства индикации.

    курсовая работа , добавлен 23.08.2011

    Разработка пространственной конструкции и компоновка декодера. Аналитическое обоснование конструктивных решений. Разработка технологии изготовления модуля частотомера и печатной платы в САПР. Расчет технико-экономических показателей поточной линии сборки.

    курсовая работа , добавлен 09.06.2010

    Проектирование электронного устройства в состав, которого входит электронный усилитель электрического тока, устройство усиления частоты усиливаемого им сигнала. Расчет входной, выходной и промежуточной частей усилителя, электронно-счётного частотомера.

    контрольная работа , добавлен 28.12.2014

    Моделирование генератора с кварцевым резонатором, оценка его добротности и стабильности. Разработка электронно-счетного частотомера; расчет параметров его структурных компонентов (мультивибратора, индикатора, триггера). Конструирование блока питания.

    курсовая работа , добавлен 27.04.2011

    Высокочастотные амперметры, виды разверток и синхронизация в универсальном электронно-лучевом осциллографе. Электронно-счетный частотомер при измерении частоты СВЧ сигналов. Аналоговые измерители спектральной плотности мощности случайного сигнала.

    контрольная работа , добавлен 27.01.2010

    Рассмотрение конструкции реостатного измерительного преобразователя и принципа его работы. Изучение структурной схемы преобразования аналогового сигнала с измерительного регулятора в цифровую форму. Исследование принципа работы параллельного АЦП.

    контрольная работа , добавлен 15.01.2012

    Рассмотрение устройства, принципа действия и погрешностей импульсных и селективных вольтметров, универсальных электролучевых осциллографов, серийных цифровых частотомеров, измерителей индуктивности, емкости и корреляционной функции случайного сигнала.

изучить конструкцию, принцип действия и основные характеристики частотомера электронно-счетного

Цель работы: изучить конструкцию, принцип действия и основные характеристики частотомера электронно-счетного, определить порог чувствительности частотомера Ч3-34 по напряжению на различных диапазонах измерения частоты.

Используемое оборудование: Частотомер электронно-счетный Ч3-34 (Ч3-34А), генератор сигналов низкочастотный Г3-112, осциллограф С1-65, соединительные провода, паспорт прибора Ч3-34.

Методические указания: Работа выполняется за 2 часа аудиторных занятий. Перед выполнением работы следует изучить соответствующие разделы лекционного курса.

Теоретические сведения

 

Современные цифровые час­тотомеры, даже выполненные по схемам с жесткой логикой, — приборы многофункциональные (но переход от одной функции к другой осуществляется посредством электромеханических комму­таторов), работающие в нескольких режимах: измерения часто­ты синусоидального сигнала, частоты следования импульсов, пе­риодов этих сигналов, длительности импульса, интервалов вре­мени, заданных двумя импульсами (одного или разных источни­ков), вариации частоты, отношения двух частот, прямого счета импульсов, счета числа N импульсов с предварительной установ­кой числа N и др. Поэтому следует иметь в виду, что изображен­ная на рис. 1 структурная схема относится к режиму измере­ния частоты. Работа схемы заключается в следующем.

Рис. 1.

Периодический сигнал, частоту fx которого необходимо изме­рить, поступает на вход прибора (обычно его обозначают бук­вой А). После усиления или ослабления во входном блоке сигнал подается на формирователь, где преобразуется в периодическую последовательность импульсов с частотой следования fx. Эти им­пульсы подводятся к входу 1 временного селектора и проходят через него в счетчик, если на входе 2 селектора имеется строби-рующий импульс (длительностью Δtк). Последний формируется из напряжения высокочастотного кварцевого генератора. Так как период его выходного сигнала мал, то для получения требуемой длительности стробирующего импульса (например, 1 с) в схеме предусмотрен делитель частоты. Он представляет собой набор декад, каждая из которых уменьшает частоту следования импульсов в 10 раз. Коэффициент деления q зависит от числа включенных декад. Из периодической последовательности импульсов, образу­ющейся на выходе делителя частоты, блок формирования и уп­равления формирует стробирующий импульс (временные ворота) длительностью ΔfK, подаваемый на вход 2 временного селектора и определяющий продолжительность счета. Блок формирования и управления, помимо формирователя временных ворот, содержит схему, задающую продолжительность индикации показания дис­плеем и сбрасывающую показания счетчика на нуль.

Погрешности измерения. При прямом измерении частоты пе­риодического сигнала наиболее весомы две составляющие погреш­ности: погрешность меры и погрешность сравнения.

Погрешность меры определяется нестабильностью частоты на­пряжения кварцевого генератора (а также погрешностью установ­ки частоты по образцовой мере при изготовлении прибора). Эта составляющая погрешности может быть ощутимой при измерении очень высоких частот. В современных цифровых частотомерах применяются кварцевые генераторы с малой нестабильностью частоты, например, ±1 х 10-10 за 1 с и ±5 х 10-9 за сутки.

Погрешность сравнения определяется главным образом по­грешностью дискретности, обусловленной тем, что фронт и срез стробирующего импульса (временных ворот) не синхронизирова­ны с моментами появления заполняющих ворота импульсов пе­риодической последовательности, которая сформирована из иссле­дуемого сигнала. Максимальное значение абсолютной погрешно­сти дискретности составляет плюс-минус единицу дискретизации и не зависит от измеряемого значения частоты. Так как при изме­рении частоты за единицу дискретизации принято значение fобр, то максимальная абсолютная погрешность дискретности при из­мерении частоты

Этому соответствует ±1 младшего разряда счета.

Предел основной допускаемой абсолютной погрешности циф­рового частотомера характеризуется выражением

где δкв — общая погрешность меры   (кварцевого    генератора).

Предел основной допускаемой относительной погрешности выраженной в процентах от измеряемого значения определится формулой

 

Частотомер — это… Что такое Частотомер?

Частотоме́р (неправ. частотометр) — измерительный 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-счетные 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 повышает 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, Ф5137, 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.

  • 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.

  • НАЗНАЧЕНИЕ: контроль сети электропитания
  • ПРИМЕРЫ: Д416, Э353, Ц1736, М800, С 300 М1-1

Наименования и обозначения

  • Устаревшие наименования
    • Волномер — для резонансных и гетеродинных частотомеров
    • Герцметр — для щитовых аналоговых и язычковых частотомеров
  • Для обозначения типов электроизмерительных (низкочастотных) частотомеров традиционно используется отраслевая система обозначений, в которой приборы маркируются в зависимости от системы (основного принципа действия)
    • Вхх — вибрационные частотомеры
    • Дхх — приборы электродинамической системы
    • Эхх — приборы электромагнитной системы
    • Мхх — приборы магнитоэлектрической системы
    • Цхх — приборы выпрямительной системы
    • Фхх, Щхх — приборы электронной системы
    • Нхх — самопишущие приборы
  • Частотомеры радиодиапазона маркируются по ГОСТ 15094
    • Ч2-хх — резонансные частотомеры
    • Ч3-хх, РЧ3-хх — Электронно-счетные частотомеры
    • Ч4-хх — гетеродинные, конденсаторные и мостовые частотомеры

Основные нормируемые характеристики частотомеров

Литература

  • Справочник по электроизмерительным приборам; Под ред. К. К. Илюнина — Л.: Энергоатомиздат, 1983
  • Справочник по радиоизмерительным приборам: В 3-х т.; Под ред. В. С. Насонова — М.: Сов. радио, 1979

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 поверки

Ссылки

См. также

Электронно-счетный частотомер — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 2

Электронно-счетный частотомер

Cтраница 2

Обычно электронно-счетные частотомеры выполняются как универсальные приборы; коммутируя узлы прибора, можно перевести прибор в режим измерения частоты, периода, отношения частот, интервал времени, длительность импульса, счет последовательности импульсов, самоконтроль.  [16]

Цифровые электронно-счетные частотомеры 43 — 30, 43 — 31 дают возможность свести относительную погрешность измерения до погрешности частоты входящего в них опорного кварцевого генератора 1 счета. Для прибора 43 — 30 относительная нестабильность частоты опорного генератора составляет 6 — 10 — 8 за сутки, для прибора 43 — 31 — 1 10 — 8 за сутки, 3 — Ю 9 за час и 1 5Х ХЮ-9 за 10 мин работы.  [17]

Современный автоматизированный электронно-счетный частотомер отличается от своих предшественников 20-летней давности примерно так же, как современные электронные весы от безмена.  [18]

Недостатком электронно-счетных частотомеров является сложность их устройства и высокая стоимость.  [20]

Принцип действия электронно-счетных частотомеров основан на сравнении измеряемых частоты или интервала времени соответственно с частотой или временным интервалом, значения которых известны с высокой точностью. Сравнение осуществляется путем временного стробирования сравниваемых сигналов. Сигналы образцовой частоты и образцовые интервалы времени формируются из сигнала внутреннего кварцевого генератора ЭСЧ или внешнего стандарта частоты. ЭСЧ обеспечивают полностью автоматическое измерение с представлением результатов измерения в удобной для считывания десятичной форме. Максимальное число десятичных разрядов определяется емкостью счетчика в зависимости от диапазона измеряемых величин и реализуемой точности измерения. Благодаря наличию запоминающего устройства р систему индикации результат предыдущего измерения сохраняется на время цикла измерения. Длительность цикла измерения и время счета изменяются в широких пределах. Возможна внешняя ручная или автоматическая синхронизация цикла измерения.  [21]

Принцип действия электронно-счетного частотомера основан на методе п / дсчета числа периодов неизвестной частоты за известный, стабильный по длительности интервал времени.  [22]

Принцип действия электронно-счетных частотомеров основан на сравнении измеряемых частоты или интервала времени соответственно с частотой или временным интервалом, значения которых известны с высокой точностью. Сигналы образцовой частоты и образцовые интервалы времени формируются из сигнала внутреннего кварцевого генератора ЭСЧ или внешнего стандарта частоты. ЭСЧ обеспечивают полностью автоматическое измерение с представлением результатов измерения в удобной для считывания десятичной форме. Максимальное число десятичных разрядов определяется емкостью счетчика в зависимости от диапазона измеряемых величин и реализуемой точности измерения. Благодаря наличию запоминающего устройства р системе индикации результат предыдущего измерения сохраняется на время цикла измерения. Длительность цикла измерения и врем-я счета изменяются в широких пределах. Возможна внешняя ручная или автоматическая син-хроинзация цикла измерения.  [23]

Принцип действия электронно-счетного частотомера следующий. Измеряемое синусоидальное напряжение преобразуется в короткие прямоугольные импульсы ( каждый период синусоидального напряжения — один импульс), которые подсчитываются быстродействующим электронным счетчиком.  [24]

Важнейшим элементом электронно-счетного частотомера является цифровой электронный счетчик.  [25]

В счетчиках электронно-счетных частотомеров, например в ЧЗ-4А, обычно используются ламповые схемы триггерных ячеек.  [27]

Принцип действия высокочастотных электронно-счетных частотомеров заключается в подсчете числа периодов Тх измеряемой частоты Fx за эталонный промежуток времени Тп, вырабатываемый частотомером.  [28]

При использовании электронно-счетного частотомера Тус является временем счета.  [29]

Совместно с электронно-счетным частотомером преобразователи частоты ЧК. Они позволяют измерять разность фаз двух сигналов, электрическую длину линий передачи, фазовые характеристики радиотехнических устройств ( четырехполюсников), а также применяются для калибровки фазовращателей, фазовых детекторов, при исследовании устройств с обратной связью.  [30]

Страницы:      1    2    3    4

Цифровой частотомер

| Electrical4U

Цифровой частотомер — это универсальный прибор, который отображает частоту периодического электрического сигнала с точностью до трех знаков после запятой. Он подсчитывает количество событий, происходящих в колебаниях в течение заданного интервала времени. По завершении заданного периода значение счетчика отображается на экране, и счетчик сбрасывается на ноль. Доступны различные типы инструментов, которые работают с фиксированной или переменной частотой.Но если мы используем частотомер на частотах, отличных от указанного диапазона, он может работать ненормально. Для измерения низких частот мы обычно используем измерители отклоняющего типа. Отклонение стрелки на шкале показывает изменение частоты. Приборы отклоняющего типа бывают двух типов: одни представляют собой электрически резонансные цепи, а другие — измерители коэффициента.

Принцип работы цифрового частотомера

Частотомер имеет небольшое устройство, которое преобразует синусоидальное напряжение частоты в последовательность однонаправленных импульсов.Частота входного сигнала — это отображаемый счетчик, усредненный по подходящему интервалу счета 0,1, 1,0 или 10 секунд. Эти три интервала повторяются последовательно. Когда счетчики колец сбрасываются, эти импульсы проходят через логический элемент временной развертки и затем поступают в главный вентиль, который открывается на определенный интервал. Строб временной развертки предотвращает открытие главного затвора импульсом делителя в течение временного интервала отображения. Главные ворота действуют как выключатель, когда ворота открыты; импульсы могут пройти.Когда затвор закрыт, импульсам не разрешается проходить, что означает, что поток импульсов блокируется.

Функцией ворот управляет триггер главного затвора. Электронный счетчик на выходе затвора, который подсчитывает количество импульсов, прошедших через затвор, пока он был открыт. Когда триггер главного затвора получает следующий импульс делителя, интервал счета заканчивается, и импульсы делителя блокируются. Результирующее значение отображается на экране дисплея, который имеет кольцевые счетные единицы схем десятичной шкалы, и каждая единица соединяется с числовым индикатором, который обеспечивает цифровой дисплей.При срабатывании генератора импульсов сброса счетчики звонков автоматически сбрасываются, и та же процедура начинается снова.


Диапазон современного цифрового частотомера находится в диапазоне от 10 4 до 10 9 герц. Возможность относительной погрешности измерения находится в диапазоне от 10 -9 до 10 -11 герц и чувствительности 10 -2 вольт.

Использование цифрового частотомера

  • Для тестирования радиооборудования
  • Измерение температуры, давления и других физических величин.
  • Измерение вибрации, деформации
  • Измерительные преобразователи

Принцип работы аналогового частотомера

Привет друзья, в этой статье я обсуждаю принцип работы аналогового частотомера и надеюсь, что вы найдете его информативным и полезным.

Действие подвижного аналогового частотомера зависит от изменения тока, потребляемого двумя параллельными цепями — индуктивной и неиндуктивной — при изменении частоты.



Конструкция и внутренние соединения показаны на рисунке. Две катушки A и B установлены таким образом, что их магнитные оси перпендикулярны друг другу. В их центрах вращается длинный и тонкий указатель из мягкого железа, который выравнивается вдоль результирующего магнитного поля двух катушек. В этом приборе нет регулирующего крутящего момента.

Следует отметить, что различные элементы схемы составляют мост Уитстона, который уравновешивается на частоте питания.Катушка A имеет сопротивление R A последовательно с ней и катушку L A параллельно. Аналогично, R B последовательно с катушкой B, а L B — параллельно.

Последовательная индуктивность L помогает подавить высшие гармоники в форме волны тока и, следовательно, стремится минимизировать ошибки формы волны в показаниях прибора.


Когда прибор подключен к источнику питания, токи проходят через катушки A и B и создают противоположные крутящие моменты.Когда частота питания высока, токи через катушку A больше, тогда как ток через катушку B меньше из-за увеличения реактивного сопротивления, предлагаемого L B .

Следовательно, магнитное поле катушки A сильнее, чем у катушки B. Следовательно, железная игла расположена ближе к магнитной оси катушки A, чем игла B.

Для низких частот катушка B потребляет больше тока, чем катушка A и, следовательно, игла расположена более близко к магнитной оси B, чем к оси A.

Изменения частоты сопровождаются указателем, как описано выше.

Прибор может быть предназначен для индикации широкого или узкого диапазона частот, определяемого параметрами цепи.

Спасибо, что прочитали о принципе работы аналогового частотомера .

Электроизмерительные приборы | Все сообщения

© https://yourelectricalguide.com/ Принцип работы аналогового частотомера

Принципиальная схема и принцип работы цифрового частотомера

Частота периодического электрического напряжения или тока может быть определена непосредственно с помощью частотомера или косвенно путем сравнения с известной частотой.

Одним из многих частотомеров, который напрямую указывает частоту, является язычковый измеритель, показанный на следующем рисунке.

Рис.1: (a) Герконовый счетчик

Рис.1: (b) Циферблат индикатора

В этом типе счетчика многие язычки установлены на общей опоре, их свободные концы видны на циферблате. У каждого язычка своя собственная частота колебаний. Когда внутренний электромагнит возбуждается током неизвестной частоты, создается переменное магнитное поле.Если частота поля соответствует частоте вибрации язычка, этот язычок колеблется со значительной амплитудой. Если два соседних язычка вибрируют с одинаковой амплитудой, неизвестная частота находится посередине между частотами, указанными двумя вибрирующими язычками. Измеритель язычкового типа полезен только на низких частотах и ​​только в ограниченном диапазоне частот.

Другой тип частотомера — это цифровой частотомер , который измеряет частоту примерно до 100 МГц и отображает цифровые показания измеренной частоты, как показано на рисунке 2.

Цифровой частотомер обычно называют счетчиком, поскольку он определяет частоту путем электронного подсчета количества циклов неизвестного сигнала в стандартном временном интервале, обычно 1 секунде. На следующем рисунке показан основной принцип работы цифрового частотомера.

Рис. 2: Принцип работы цифрового частотомера

На приведенном выше рисунке блок преобразования импульсов преобразует синусоидальный сигнал в дискретный набор импульсов.Затем последовательность дискретных импульсов проходит через затвор, который остается открытым в течение определенного времени. Электронный счетчик считает эти импульсы с выхода затвора. Результирующее значение отображается на главном экране измерителя. В дополнение к своей основной функции измерения частоты счетчик может подсчитывать равномерные или случайные импульсы или события и отображать общую сумму.

Что такое частотомер Weston? — Определение, принцип работы, конструкция и работа

Определение: Частотомер Weston — это инструмент с подвижным железом, используемый для измерения неизвестной частоты сигнала.Частотомер состоит из одной индуктивной и одной резистивной катушек. Когда частота сигнала отличается от стандартной, распределение тока по катушкам меняется.

Принцип работы частотомера Weston

Частотомер Weston работает по принципу, согласно которому при изменении частоты измеряемого сигнала изменяется распределение тока между индуктивной и резистивной цепями измерителя.

Другими словами, изменение частоты вызывает изменение индуктивного сопротивления цепи, из-за чего происходит изменение в распределении тока между параллельными путями.

Примечание: Индуктивный импеданс — это противодействие, создаваемое схемой при протекании тока всякий раз, когда на схему подается напряжение.

Конструкция частотомера Weston

Счетчик состоит из двух катушек, расположенных перпендикулярно друг другу. Резистор R A включен последовательно с катушкой A, а катушка индуктивности L B включена последовательно с катушкой B. Катушка индуктивности L A подключена параллельно с катушкой A и сопротивлением R B. находится параллельно катушке B.

Измеритель имеет указатель из мягкого железа и магнитную стрелку, которые установлены в центре катушек. Индуктор L соединен последовательно с L A и R B . L уменьшает гармоники, присутствующие в токе цепи. Тем самым снижает погрешность прибора.

Работа частотомера Weston

Принципиальная схема частотомера Weston показана на рисунке ниже.

Когда питание подается на частотомер Weston, ток начинает течь в катушки A и B.Перпендикулярное магнитное поле создается в катушках из-за тока. Величина поля зависит от тока, проходящего через катушки.

Магнитное поле катушки A и катушки B действует на мягкое железо и магнитную иглу. Положение иглы зависит от относительной величины действующего на нее магнитного поля.

Когда на измеритель подается питание нормальной частоты, падение напряжения той же величины возникает на реактивном сопротивлении L A и сопротивлении R B .Следовательно, одинаковый ток проходит через катушку A и катушку B.

Измеритель спроектирован таким образом, что, когда нормальная частота проходит через катушку, напряжение падает на L A , L B , R A и R B остается неизменным. Таким образом, через катушки проходит ток одинаковой величины. В этой ситуации магнитная стрелка образует угол 45 ° относительно катушек, а игла из мягкого железа находится в центре шкалы.

Когда высокая частота проходит через измеритель, реактивное сопротивление L A и L B катушки увеличивается, а R A и R B остаются прежними.Индуктивность увеличивает импеданс катушки A. Импеданс означает противодействие, предлагаемое схемой при протекании тока. По мере того, как величина тока в катушке A уменьшается, поле развивается из-за катушки, ток A также уменьшается.

Чем больше тока проходит через катушку B из-за параллельного соединения с катушкой A. Магнитное поле, развивающееся в катушке B, становится сильнее, чем в катушке A. Магнитные иглы выравниваются параллельно оси сильного магнитного поля, и стрелка отклоняется в сторону катушки B или сильного магнитного поля.

Когда частота сигнала измеряемой величины уменьшается от нормального значения, происходит обратное действие, и указатель отклоняется влево.

Цифровой частотомер

| Измерение частоты | Измерение высоких частот

Цифровой частотомер:

Принцип работы цифрового частотомера дан в

Форма сигнала преобразуется в импульсы запуска и непрерывно подается на логический элемент И, как показано на рис.6.4. На другой терминал подается импульс длительностью 1 с, и количество импульсов, подсчитанных в течение этого периода, указывает частоту.

Сигнал, частота которого должна быть измерена, преобразуется в последовательность импульсов, по одному импульсу на каждый цикл сигнала. Затем количество импульсов, возникающих за определенный промежуток времени, подсчитывается электронным счетчиком. Поскольку каждый импульс представляет собой цикл неизвестного сигнала, количество отсчетов является прямым указанием частоты сигнала (неизвестно).Поскольку электронные счетчики имеют высокую скорость работы, можно измерять высокочастотные сигналы.

Базовая схема цифрового частотомера

Блок-схема принципиальной схемы цифрового частотомера представлена ​​на рис. 6.5.

Перед подачей на триггер Шмитта сигнал можно усилить. Триггер Шмитта преобразует входной сигнал в прямоугольную волну с быстрым нарастанием и спадом, которая затем дифференцируется и ограничивается.В результате выход триггера Шмитта представляет собой последовательность импульсов, по одному импульсу на каждый цикл сигнала.

Выходные импульсы триггера Шмитта подаются на вентиль START / STOP. Когда этот вентиль включен, входные импульсы проходят через этот вентиль и поступают непосредственно на электронный счетчик, который считает количество импульсов.

Когда этот вентиль отключен, счетчик перестает считать входящие импульсы. Счетчик отображает количество импульсов, прошедших через него за промежуток времени между запуском и остановкой.Если этот интервал известен, неизвестную частоту можно измерить.

Базовая схема для измерения частоты

Основная схема измерения частоты показана на рис. 6.6. Выходной сигнал с неизвестной частотой подается на триггер Шмитта, создавая на выходе положительные импульсы. Эти импульсы называются счетными сигналами и присутствуют в точке А главного затвора. Положительные импульсы от селектора временной развертки присутствуют в точке B строба START и в точке B строба STOP.

Первоначально триггер (F / F-1) находится в состоянии логической 1. Результирующее напряжение с выхода Y подается на точку A затвора СТОП и включает этот затвор. Каскад логического 0 на выходе Y F / F-1 подается на вход A элемента START и отключает вентиль.

Когда вентиль STOP включен, положительные импульсы от временной развертки проходят через вентиль STOP на вход Set (S) F / F-2, тем самым устанавливая F / F-2 в состояние 1 и удерживая его там.

Результирующий выходной уровень 0 от Y F / F-2 подается на клемму B главного затвора. Следовательно, никакие импульсы от источника с неизвестной частотой не могут проходить через главный затвор.

Чтобы начать работу, на вход сброса F / F-1 подается положительный импульс (вход чтения), вызывая изменение его состояния. Следовательно, Y = 1, Y = 0, и в результате вентиль STOP отключен, а вентиль START включен. Этот же импульс считывания одновременно подается на вход сброса всех декадных счетчиков, так что они сбрасываются в 0, и счет может начаться.

Когда приходит следующий импульс из временной развертки, он может пройти через старт START для сброса F / F-2, следовательно, выход F / F-2 меняет состояние с 0 на 1, следовательно, Y изменяется с 0 на 1. Это результирующее положительное напряжение от Y, называемое стробирующим сигналом, подается на вход B главного затвора, тем самым активируя затвор.

Теперь импульсы от источника неизвестной частоты проходят через главный вентиль в счетчик, и счетчик начинает отсчет. Тот же самый импульс от строба START подается на заданный вход F / F-1, изменяя его состояние с 0 на 1.Это отключает ворота СТАРТ и включает ворота СТОП. Однако до тех пор, пока не будет включен главный вентиль, импульсы с неизвестной частотой продолжают проходить через главный вентиль к счетчику.

Следующий импульс от селектора временной развертки проходит через активированный вентиль STOP на установленную входную клемму F / F-2, изменяя его выход обратно на 1 и fi = 0. Таким образом, главный вентиль отключается, отключая сигнал неизвестной частоты. со стойки. Счетчик подсчитывает количество импульсов, возникающих между двумя последовательными импульсами от селектора временной развертки.Если интервал времени между этими двумя последовательными импульсами от селектора временной развертки составляет 1 секунду, то количество импульсов, подсчитываемых в этом интервале, является частотой неизвестного источника частоты в герцах.

Узел, состоящий из двух F / F и двух ворот, называется F / F управления воротами. Блок-схема цифрового частотомера представлена ​​на рис. 6.7.

Входной сигнал усиливается и преобразуется в прямоугольную волну схемой триггера Шмитта. На этой диаграмме прямоугольная волна дифференцируется и ограничивается для получения последовательности импульсов, каждый из которых разделен периодом входного сигнала.Выходной сигнал селектора временной развертки получается из генератора и аналогичным образом преобразуется в положительные импульсы.

Первый импульс активирует управление воротами F / F. Это управление вентилем F / F обеспечивает сигнал разрешения для логического элемента И. Триггерные импульсы входного сигнала проходят через вентиль в течение выбранного периода времени и подсчитываются. Второй импульс декадного делителя частоты изменяет состояние управления F / F и удаляет разрешающий сигнал из логического элемента И, тем самым закрывая его.Выход десятичного счетчика и дисплея соответствует количеству входных импульсов, полученных в течение точного временного интервала; следовательно, дисплей счетчика соответствует частоте.

Высокочастотное измерение (расширение диапазона частот)

Диапазон прямого счета цифрового частотомера (DFM) простирается от постоянного тока до нескольких 100 МГц. Ограничения возникают из-за использования счетчиков вместе с DFM. Счетчики не могут вести счет со скоростью, необходимой для высокочастотного измерения.

Этот диапазон в несколько сотен МГц покрывает лишь небольшую часть частотного спектра. Поэтому для расширения диапазона цифровых частотомеров до частот выше 40 ГГц использовались другие методы, кроме прямого подсчета. Входная частота уменьшается перед подачей на цифровой счетчик. Делается это по специальным методикам. Некоторые из используемых методов заключаются в следующем.

  1. Предварительное масштабирование

Высокочастотный сигнал за счет использования высокой скорости делится на целые числа, такие как 2, 4, 6, 8 и т. Д.схемы делителя, чтобы попасть в частотный диапазон DFM (например, синхронные счетчики).

  1. Гетеродинный преобразователь

Частота высокочастотного сигнала снижается до диапазона в пределах диапазона измерителя с использованием гетеродинных методов.

  1. Передаточный осциллятор

Гармонический или настраиваемый генератор непрерывной волны НЧ — это нулевые биения (смешанные для получения нулевой частоты) с неизвестным высокочастотным сигналом.Частота генератора НЧ измеряется и умножается на целое число, равное отношению двух частот, чтобы определить значение неизвестной ВЧ.

  1. Автоматический делитель

Высокочастотный сигнал уменьшается на некоторый коэффициент, например 100: 1, с использованием автоматически настраиваемых схем, которые генерируют выходную частоту, равную 1/100 или 1/1000 входной частоты.

Частотомер

Частотомер — это прибор, отображающий частоту периодического электрического сигнала.

Используются различные типы частотомеров. Многие из них являются приборами отклоняющего типа, которые обычно используются для измерения низких частот, но могут использоваться для частот до 900 Гц. Они действуют, уравновешивая две противостоящие силы. Изменения измеряемой частоты вызывают изменение этого баланса, которое можно измерить по отклонению стрелки на шкале. Измерители отклоняющего типа бывают двух типов, электрически резонансные цепи и ратиометры.

Примером простой электрически резонансной схемы является измеритель с подвижной катушкой.В одном варианте это устройство имеет две катушки, настроенные на разные частоты и соединенные под прямым углом друг к другу таким образом, что весь элемент с прикрепленным указателем может перемещаться. Частоты в середине диапазона измерителя приводят к тому, что токи в двух катушках примерно равны, а стрелка указывает среднюю точку шкалы. Изменения частоты вызывают дисбаланс токов в двух катушках, заставляя их и указатель двигаться.

Другой тип частотомера, частотомер Weston не относится к отклоняющему типу, это резонансный язычковый тип, обычно используемый в диапазонах от 10 до 1000 Гц, хотя специальные конструкции могут работать на более низких или более высоких частотах.

Основной принцип работы частотомера типа Weston заключается в том, что «когда ток течет через две катушки, перпендикулярные друг другу, из-за этих токов будут создаваться некоторые магнитные поля, и, таким образом, магнитная стрелка будет отклоняться в сторону более сильного магнитного поля. показывая измерение частоты на счетчике ». Конструкция частотомера Вестона сравнивается с частотомером ферродинамического типа. Для построения принципиальной схемы нам понадобятся две катушки, три катушки индуктивности и два резистора.

Оси обеих катушек отмечены, как показано. Шкала измерителя откалибрована таким образом, что при стандартной частоте указатель будет находиться под углом 45o. Катушка 1 содержит последовательный резистор, обозначенный как R1, и катушку реактивного сопротивления, обозначенную как L1, в то время как катушка 2 имеет последовательную катушку реактивного сопротивления, обозначенную как L2, и параллельный резистор, обозначенный как R2. Индуктор, обозначенный как L0, включен последовательно с питающим напряжением, чтобы уменьшить высшие гармоники, это означает, что здесь этот индуктор работает как цепь фильтра.Давайте посмотрим на работу этого счетчика.

Теперь, когда мы подаем напряжение на стандартной частоте, указатель примет нормальное положение. Если частота приложенного напряжения увеличится, то мы увидим, что указатель переместится влево, отмеченный как более высокая сторона, как показано на принципиальной схеме. Снова мы уменьшаем частоту, указатель начнет двигаться в правую сторону, если понизить частоту ниже нормальной частоты, то он пересечет нормальное положение и переместится в левую сторону, отмеченную нижней стороной, как показано на рисунке.

Теперь давайте посмотрим на внутреннюю работу этого счетчика. Падение напряжения на катушке индуктивности прямо пропорционально частоте напряжения источника, поскольку мы увеличиваем частоту приложенного напряжения, падение напряжения на катушке индуктивности L1 увеличивается, что означает, что напряжение, приложенное между катушкой 1, увеличивается, следовательно, ток через катушку 1 увеличиваются, в то время как ток через катушку 2 уменьшается. Поскольку ток через катушку 1 увеличивается, магнитное поле также увеличивается, и магнитная стрелка притягивается больше к левой стороне, показывая приращение частоты.Аналогичное действие будет выполнено при уменьшении частоты, но при этом указатель переместится влево.

Они работают с помощью настроенных стальных язычков, которые вибрируют, как камертон, под действием электрического тока, протекающего через катушку; Заметно вибрируют только те язычки, которые находятся в резонансе.

Источник: wikipedia.org

Измерение частоты и фазы | Схемы измерения переменного тока

Важной электрической величиной, не имеющей эквивалента в цепях постоянного тока, является частота .

Измерение частоты очень важно во многих приложениях переменного тока, особенно в системах питания переменного тока, предназначенных для эффективной работы только на одной и одной частоте.

Если переменный ток генерируется электромеханическим генератором переменного тока, частота будет прямо пропорциональна скорости вала машины, а частоту можно измерить, просто измерив скорость вала.

Однако, если необходимо измерить частоту на некотором расстоянии от генератора переменного тока, потребуются другие средства измерения.

Метод измерения частоты

Использование принципа механического резонанса

Один простой, но грубый метод измерения частоты в энергосистемах использует принцип механического резонанса. Каждому физическому объекту, обладающему свойством упругости (упругости), присуща собственная частота, с которой он предпочитает колебаться.

Камертон — отличный тому пример: ударьте по нему один раз, и он продолжит вибрировать с тональностью, соответствующей его длине.Более длинные камертоны имеют более низкие резонансные частоты: их тон будет ниже на музыкальной шкале, чем более короткие вилки.

Представьте себе ряд камертонов постепенно увеличивающегося размера, расположенных бок о бок. Все они установлены на общем основании, и это основание вибрирует с частотой измеряемого переменного напряжения (или тока) с помощью электромагнита.

Какой бы камертон по резонансной частоте ближе всего к частоте этой вибрации, будет иметь тенденцию сотрясаться сильнее всего (или громче всего).Если бы зубцы вилки были достаточно хрупкими, мы могли бы видеть относительное движение каждого по длине размытия, которое мы увидели бы, осматривая каждое из них с точки зрения торца.

Итак, сделайте набор «камертонов» из полосы листового металла, вырезанной по образцу, похожему на грабли, и у вас есть вибрирующий язычок частотомер :

Схема частотомера с герконом.

Пользователь этого измерителя видит концы всех этих язычков разной длины, поскольку они все вместе встряхиваются с частотой приложенного переменного напряжения к катушке.Самый близкий по резонансной частоте к приложенному переменному току будет вибрировать сильнее всего, примерно так:

Передняя панель частотомера с герконом.

Вибрационный язычковый измеритель, разумеется, не являются точными приборами, но они очень просты и, следовательно, просты в изготовлении, чтобы быть прочными. Их часто можно найти на небольших генераторных установках с приводом от двигателя, чтобы настроить частоту вращения двигателя так, чтобы частота была близка к 60 (50 в Европе) герц.

Использование формы Tank Circuit

Герконовые счетчики неточны, но принцип их действия — нет. Вместо механического резонанса мы можем заменить электрический резонанс и сконструировать частотомер, использующий индуктор и конденсатор в виде цепи резервуара (параллельные индуктор и конденсатор). См. Рисунок ниже.

Один или оба компонента сделаны регулируемыми, и в цепь помещен измеритель, который показывает максимальную амплитуду напряжения на двух компонентах.

Регулировочная ручка (ручки) откалибрована, чтобы показывать резонансную частоту для любой данной настройки, и частота считывается с них после того, как устройство было настроено на максимальное показание на измерителе.

По сути, это настраиваемая схема фильтра, которая настраивается и затем считывается аналогично мостовой схеме (которая должна быть сбалансирована для «нулевого» состояния, а затем считана).

Резонансный частотомер «достигает пиков», когда резонансная частота L-C настроена на тестовую частоту.

Этот метод популярен среди радиолюбителей (по крайней мере, он был до появления недорогих цифровых частотных приборов, называемых счетчиками ), особенно потому, что он не требует прямого подключения к цепи.

Пока катушка индуктивности и / или конденсатор могут улавливать достаточное количество паразитного поля (магнитного или электрического, соответственно) от проверяемой цепи, чтобы измеритель показывал, он будет работать.

По частоте, как и в других типах электрических измерений, наиболее точными средствами измерения обычно являются те, где неизвестная величина сравнивается с известным стандартом , при этом основной прибор не делает ничего, кроме индикации того, когда две величины равны друг другу. .

Это основной принцип, лежащий в основе мостовой схемы постоянного тока (Уитстона), и это надежный метрологический принцип, применяемый во всех науках. Если у нас есть доступ к точному стандарту частоты (источник переменного напряжения, очень точно поддерживающий одну частоту), для сравнения, измерение неизвестной частоты должно быть относительно простым.

Использование кристалла кварца

Для этого стандарта частоты мы снова обращаем внимание на камертон или, по крайней мере, на его более современный вариант, называемый кварцевым кристаллом .

Кварц — это природный минерал, обладающий очень интересным свойством, называемым пьезоэлектричеством . Пьезоэлектрические материалы создают напряжение по всей своей длине при физическом напряжении и будут физически деформироваться, когда по всей их длине будет приложено внешнее напряжение.

Эта деформация в большинстве случаев очень и очень незначительна, но она существует.

Кварцевая порода эластична (упруга) в том небольшом диапазоне изгиба, который может вызвать внешнее напряжение, что означает, что она будет иметь собственную механическую резонансную частоту, способную проявляться как сигнал электрического напряжения.

Другими словами, если удар по кварцевой микросхеме ударяется, он «зазвонит» со своей собственной уникальной частотой, определяемой длиной кристалла, и это резонансное колебание вызовет эквивалентное напряжение на нескольких точках кварцевого кристалла, которое может быть врезался проводами, прикрепленными к поверхности микросхемы.

И наоборот, кварцевый чип будет больше всего вибрировать, когда он «возбужден» приложенным напряжением переменного тока с точно правильной частотой, точно так же, как язычки на частотомере с вибрирующим язычком.

Кусочки кварцевого камня могут быть точно разрезаны для достижения желаемых резонансных частот, и этот чип надежно закреплен внутри защитной оболочки с проводами, идущими для подключения к внешней электрической цепи.

В таком виде полученное устройство называется просто кристаллом (или иногда « xtal »). Схематический символ показан на рисунке ниже.

Условное обозначение кристалла (частотно-определяющего элемента).

Электрически этот кварцевый чип эквивалентен последовательному LC-резонансному контуру. (Рисунок ниже) Диэлектрические свойства кварца вносят дополнительный емкостной элемент в эквивалентную схему.

Эквивалентная схема кристалла кварца.

«Емкость» и «индуктивность», показанные последовательно, являются просто электрическими эквивалентами механических резонансных свойств кварца: они не существуют в виде дискретных компонентов внутри кристалла.Емкость, показанная параллельно из-за проводных соединений через диэлектрическое (изолирующее) кварцевое тело, является реальной и влияет на резонансный отклик всей системы.

Полное обсуждение динамики кристалла здесь не является необходимым, но необходимо понимать, что кристаллы эквивалентны резонансному контуру и как его можно использовать в контуре генератора для достижения выходного напряжения со стабильной известной частотой.

Кристаллы

, как резонансные элементы, обычно имеют гораздо более высокие значения «Q» (, качество ), чем схемы резервуаров, построенные из катушек индуктивности и конденсаторов, в основном из-за относительного отсутствия паразитного сопротивления, что делает их резонансные частоты очень определенными и точными.

Поскольку резонансная частота зависит исключительно от физических свойств кварца (очень стабильного вещества, механически), изменение резонансной частоты с течением времени для кристалла кварца очень и очень мало. Так кварцевый механизм часы достигают своей высокой точности: с помощью электронного генератора, стабилизированного резонансным действием кристалла кварца.

Однако для лабораторных приложений может потребоваться еще большая стабильность частоты. Для этого рассматриваемый кристалл может быть помещен в среду со стабилизированной температурой (обычно в печь), что устраняет частотные ошибки из-за теплового расширения и сжатия кварца.

Что касается эталона частоты, то на данный момент ничего не обнаружено выше точности одиночного резонирующего атома. Это принцип так называемых атомных часов , в которых используется взвешенный в вакууме атом ртути (или цезия), возбужденный внешней энергией, чтобы резонировать на своей собственной уникальной частоте.

Результирующая частота определяется как радиоволновой сигнал и является основой для самых точных часов, известных человечеству. Национальные лаборатории стандартов по всему миру поддерживают некоторые из этих сверхточных часов и передают частотные сигналы, основанные на вибрациях этих атомов, чтобы ученые и техники могли настроиться и использовать их для калибровки частоты.

Практическая часть

Теперь мы переходим к практической части: если у нас есть источник с точной частотой , как мы можем сравнить его с неизвестной частотой, чтобы получить измерение?

Один из способов — использовать ЭЛТ в качестве устройства для сравнения частот. Электронно-лучевые трубки обычно имеют средства отклонения электронного луча как по горизонтальной, так и по вертикальной оси.

Если металлические пластины используются для электростатического отклонения электронов, будет пара пластин слева и справа от луча, а также пара пластин над и под лучом, как показано на рисунке ниже.

Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) с вертикальными и горизонтальными отклоняющими пластинами.

Если мы позволяем одному сигналу переменного тока отклонять луч вверх и вниз (подключать этот источник переменного напряжения к «вертикальным» отклоняющим пластинам), а другому сигналу переменного тока отклонять луч влево и вправо (используя другую пару отклоняющих пластин), образуются шаблоны будет отображаться на экране ЭЛТ с указанием соотношения и этих двух частот переменного тока.

Эти образцы называются фигурами Лиссажу и являются обычным средством сравнительного измерения частоты в электронике.

Если две частоты совпадают, мы получим простой рисунок на экране ЭЛТ, форма которого зависит от фазового сдвига между двумя сигналами переменного тока. Вот пример фигур Лиссажу для двух синусоидальных сигналов равной частоты, показанных так, как они выглядели бы на лицевой стороне осциллографа (прибор для измерения напряжения переменного тока, использующий ЭЛТ в качестве «движения»).

Первое изображение представляет собой фигуру Лиссажу, образованную двумя напряжениями переменного тока, идеально совпадающими по фазе друг с другом:

Фигура Лиссажу: та же частота, фазовый сдвиг ноль градусов.

Если два напряжения переменного тока не совпадают по фазе друг с другом, прямая линия не образуется. Скорее, фигура Лиссажу примет вид овала и станет идеально круглой, если фазовый сдвиг между двумя сигналами составляет точно 90 ° и если их амплитуды равны:

Фигура Лиссажу: та же частота, фазовый сдвиг 90 или 270 градусов.

Наконец, если два сигнала переменного тока прямо противоположны друг другу по фазе (сдвиг на 180 °), мы снова получим линию, только на этот раз она будет ориентирована в противоположном направлении:

Фигура Лиссажу: та же частота, фазовый сдвиг 180 градусов.

Когда мы сталкиваемся с разными частотами сигналов, фигуры Лиссажу становятся несколько сложнее. Рассмотрим следующие примеры, и им дано соотношение частоты вертикальной / горизонтальной развертки:

Фигура Лиссажу: Горизонтальная частота в два раза больше вертикальной.

Чем сложнее соотношение горизонтальной и вертикальной частот, тем сложнее фигура Лиссажу. Рассмотрим следующую иллюстрацию соотношения частот 3: 1 по горизонтали и вертикали:

Фигура Лиссажу: горизонтальная частота в три раза больше вертикальной.

. . . и соотношение частот 3: 2 (по горизонтали = 3, по вертикали = 2) на рисунке ниже.

Фигура Лиссажу: Соотношение горизонтальной и вертикальной частот составляет 3: 2.

В случаях, когда частоты двух сигналов переменного тока не совсем простое отношение друг к другу (но близко), фигура Лиссажу будет казаться «движущейся», медленно меняя ориентацию, поскольку фазовый угол между двумя формами сигнала колеблется между 0 °. и 180 °.

Если две частоты зафиксированы в точном целочисленном соотношении между собой, фигура Лиссажу будет стабильной на обзорном экране ЭЛТ.

Физика фигур Лиссажу ограничивает их полезность в качестве метода сравнения частот случаями, когда отношения частот являются простыми целыми числами (1: 1, 1: 2, 1: 3, 2: 3, 3: 4 и т. Д.)).

Несмотря на это ограничение, фигуры Лиссажу являются популярным средством сравнения частот везде, где существует доступный стандарт частоты (генератор сигналов).

ОБЗОР:

  • Некоторые частотомеры работают по принципу механического резонанса, показывая частоту путем относительного колебания среди набора уникально настроенных «язычков», колеблющихся на измеряемой частоте.
  • В других частотомерах используются электрические резонансные цепи (обычно цепи LC-резервуара) для индикации частоты.Один или оба компонента выполнены с возможностью регулировки с помощью точно откалиброванной ручки регулировки, а чувствительный измеритель считывает максимальное напряжение или ток в точке резонанса.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *