Принцип действия электронно-счетного частотомера основан на измерении частоты в соответствии с ее определением, т.е. на счете числа импульсов за интервал времени. Переменное напряжение, частоту fx которого необходимо измерить, преобразуют в последовательность коротких импульсов с частотой следования, равной fx. Если сосчитать число импульсов N за интервал времени Tсч, то частота
.
Структурная схема электронно-счетного частотомера изображена на рис. 4.34. Сигнал частоты fx поступает на усилитель-формирователь импульсов УФ, который преобразует синусоидальное напряжение измеряемой частоты в последовательность однополярных импульсов.
Рис. 4.34. Структурная схема электронно-счетного частотомера
Частота следования этих импульсов равна измеряемой частоте. Импульсы поступают на вход 1 временного селектора (ВС). На вход 2 селектора поступает импульс Tсч строго определенной длительности. Длительность этого импульса задается генератором высокой частоты (ГВЧ) с кварцевой стабилизацией и делителем частоты (ДЧ) с коэффициентом деления 10n. Частота генератора с кварцевой стабилизацией fкв обычно равна 1 или 5 МГц, и, следовательно, период колебаний Tкв равен 1 или 0,2 мкс. При такой длительности времени счета измерять частоты, равные или меньшие fкв, невозможно. Поэтому после кварцевого генератора включают декадные делители частоты, на выходах которых образуются частоты в 10n (n = 1, 2, 3,…) раз ниже частоты генератора. Измеряемая частота при этом определяется по формуле
fx = N×10-n fкв.
Импульс длительностью Tсч = 10n/ fкв формируется в блоке управления (БУ). Импульсы измеряемой частоты поступают на электронный счетчик импульсов (Сч) лишь тогда, когда ко входу 2 селектора приложен импульс счета длительностью Tсч. С выхода счетчика информация о числе импульсов N, его заполнивших, в виде двоичного кода подается через дешифратор на цифровое отсчетное устройство, на котором в цифровом виде фиксируется результат измерения в единицах частоты. Измерение производится повторяющимися циклами, задаваемыми блоком управления.
Одновременно с воздействием на временной селектор управляющее устройство выдает импульсы для сброса показаний цифрового индикатора и обнуления электронного счетчика. В управляющем устройстве предусмотрена блокировка временного селектора на некоторый интервал времени, в течение которого на табло сохраняются показания для считывания оператором. Этот интервал времени называется временем индикации и может регулироваться в пределах нескольких секунд. В частотомере предусмотрены автоматический и ручной режимы измерения. В автоматическом режиме счет импульсов повторяется каждый раз по окончании установленного времени индикации. В режиме ручного управления счет выполняется один раз при нажатии на кнопку, время индикации не ограничивается.
Относительная погрешность электронно-счетного частотомера при измерении частоты определяется выражением
,
где d0 – относительная погрешность установки частоты кварцевого генератора; dнест – относительная погрешность, вызванная нестабильностью частоты кварцевого генератора в условиях эксплуатации; 1/fxTсч – относительная погрешность, обусловленная некратностью периодов Tx и времени счета Tсч.
Последняя составляющая погрешности оценивается, исходя из того, что при некратности периодов Tx и Tсч подсчет числа импульсов за время счета может быть произведен с точностью ±1 импульс. Но тогда 1/N = 1/fxTсч.
У современных электронно-счетных частотомеров величины d0 и dнест составляют примерно 10–8 и менее, поэтому при технических измерениях могут не учитываться.
Составляющая погрешности 1/fxTсч зависит от измеряемой частоты и времени счета. В табл. 4.2 приведены значения этой составляющей в зависимости от времени счета для различных частот.
Таблица 4.2. Зависимость погрешности от времени счета
Время измерения, Tсч, с | Погрешность 1/fx×Tсч | ||
0,1 Гц | 100 Гц | 100 кГц | |
10–2 | 103 | 10–3 | |
10–1 | 102 | 10–1 | 10–4 |
10–2 | 10–5 |
Из этой таблицы видно, что для измерения низких частот погрешность измерения недопустимо велика.
Для того чтобы обеспечить приемлемую погрешность измерения низких частот, переходят к измерению периода с последующим пересчетом в частоту. Принцип измерения периода аналогичен рассмотренному с той разницей, что временной селектор открывается импульсом, формируемым из напряжения, период Тx которого необходимо измерить, а длительность этого периода определяется подсчетом импульсов fсч, получаемых от высокостабильного генератора. Если на счетчик прошло N импульсов с частотой следования fсч, то измеряемый период
,
или частота
.
Составляющая относительной погрешности измерения периода при ошибке в подсчете числа импульсов за время счета ±1 импульс будет равна fx/f0.