Измерение частотно-временных параметров сигналов измерительной информации. Преобразователи импульсных сигналов, страница 9

В основе его действия лежит простой счет количества периодов напряжения измеряемой частоты за точно известное время. Этот принцип действия соответствует определению частоты периодического процесса как количества периодов процесса в единицу времени.

Периодическое гармоническое или импульсное напряжение частоты f_x, поступает на вход усилителя - формирователя, который преобразует входное напряжение в поток импульсов. Каждый из этих импульсов формируется в момент изменения полярности входного напряжения то есть при его переходе через нуль. Полярность сформированных импульсов зависит от направления перехода через нуль. Таким образом за один период входного напряжения усилитель - формирователь вырабатывает два импульса противоположной полярности : один положительный, а второй отрицательный.

Далее можно отсечь импульсы одной полярности с помощью, например, диода. Тогда частота и период оставшихся импульсов будут равны частоте и периоду входного периодического напряжения независимо от его формы.

Если эти импульсы не отсекать а инвертировать, то частота полученной импульсной последовательности будет равна 2 f_x.

Рассмотрим первую ситуацию, когда импульсы одной полярности отсекаются, и частота оставшихся импульсов равна f_x. Эти импульсы поступают на вход ключа К, который открывается на время, задаваемое напряжением опорной частоты f₀. В современных частотомерах значение опорной частоты составляет десятки мегагерц, а ее стабильность достигает 10^-6-10^-8. Опорная частота делится с помощью цепочки триггеров до тех пор, пока ее период не окажется равным требуемому времени измерения Т_и=М•Т₀, где Т₀=1/f₀ -период опорной частоты, М - коэффициент деления. Полученные импульсы подаются на вход триггера так, что каждый из этих импульсов изменяет состояние триггера, выходной сигнал которого управляет ключом К, отпирая его на время Т_и. За это время ключ пропускает на счетчик N импульсов измеряемой частоты : N=Т_иf_x. Понятно, что время измерения никогда не будет в точности равно целому числу периодов Т_x=1/f_x . Из-за этого возникает погрешность дискретности, абсолютное значение которой может достигать в худшем случае

(1)

Относительная погрешность дискретности при цифровом измерении частоты равна:

(2)

Очевидно, что свой вклад в погрешность цифрового измерения частоты вносит нестабильность опорной частоты, так что предел допускаемой основной относительной погрешности частотомера нормируется формулой

(3)

где γ₀ - относительная нестабильность опорной частоты.

Из этих выражений видно, что погрешность измерения частоты может быть уменьшена за счет увеличения времени измерения Т_и .

При необходимости измерения частоты в многоканальных измерительных информационных системах, когда количество измерительных каналов достигает нескольких сотен и для оперативного обновления информации предъявляются высокие требования к скорости опроса измерительных каналов (например, при испытаниях сложного оборудования или при контроле сложных аварийно опасных технологических процессов), длительность измерения частоты описанным способом оказывается недопустимо большой. Тогда прибегают к измерению частоты посредством измерения длительности периода Т_х с последующим вычислением f_x. =1/Т_x Структурная  схема, поясняющая этот способ, показана на рис. 8. Она похожа на предыдущую схему и содержит те же элементы. Только здесь ключ К открывается сигналом от усилителя-формирователя на время, равное периоду Т_х измеряемой частоты, и за это время он пропускает на счетчик импульсы опорной частоты, так что счетчик фиксирует число импульсов

      (4)

и здесь опорную частоту делить не нужно. Напротив, нужно стремиться сделать ее больше, чтобы погрешность в один импульс, вызванная дискретностью их следования, была незначительной по отношению к измеряемому периоду:

(5)

Как и раньше, к этому добавляется относительная нестабильность опорной частоты. Поэтому предел допускаемой основной относительной погрешности частотомера, применяемого в режиме измерения интервала времени, нормируется формулой

(6)