Частотомеры являются важнейшими измерительными приборами, позволяющими определять частоту периодических электрических сигналов. Их применение необходимо при настройке и регулировке разнообразной радиотехнической аппаратуры, а также в системах цифрового управления для контроля рабочих частот. Давайте подробно разберем структурную схему частотомера и функции его основных узлов.
Функциональное назначение частотомера
Частотомер - это измерительный прибор, предназначенный для определения частоты периодических электрических сигналов - синусоидальных, прямоугольных или импульсных. Основное функциональное назначение частотомера - измерение частоты исследуемых сигналов в заданном диапазоне и отображение результата измерения на цифровом табло или другом устройстве визуализации.
Частотомеры находят широкое применение:
- При настройке и регулировке различной радиотехнической аппаратуры - радиопередатчиков, генераторов сигналов, петлевых генераторов фазы и т.д.
- Для измерения частоты вращения в электроприводах
- В составе цифровых систем автоматического регулирования и управления технологическими процессами
- Для калибровки датчиков частоты вращения, тахогенераторов и других частотно-импульсных датчиков
Структурная схема частотомера
Структурная схема частотомера включает следующие основные функциональные узлы:
- Входной тракт
- Гетеродин (генератор опорного напряжения)
- Измеритель частоты
- Цифровая индикация
- Блок вторичного питания
Рассмотрим назначение и функции этих узлов подробнее.
Входной тракт частотомера
Входной тракт частотомера предназначен для подготовки входного сигнала перед подачей его на следующие каскады измерительного тракта. Основные требования к входному тракту:
- Высокое входное сопротивление, чтобы не нагружать и не искажать форму входного сигнала
- Ограничение амплитуды входного сигнала до стандартного уровня
- Формирование на выходе последовательности электрических импульсов стандартной формы
В зависимости от типа входного каскада различают частотомеры с усилительным, триггерным и компараторным входом.
Усилительный вход
Применяется для усиления слабых сигналов и формирования импульсов заданной амплитуды и формы. Недостаток - ограничение по максимальной частоте из-за инерционности усилителя.
Триггерный вход
Использует триггер Шмитта для формирования импульсов прямоугольной формы по фронтам входного сигнала. Позволяет измерять более высокие частоты.
Компараторный вход
Применяет высокоскоростной компаратор для сравнения входного напряжения с опорным. Обеспечивает измерение самых высоких частот.
Генератор опорного напряжения (гетеродин)
Генератор опорного напряжения (гетеродин) формирует высокостабильные электрические колебания, которые используются в качестве опорного сигнала для сравнения с входной частотой в процессе измерения.
К параметрам опорного генератора предъявляются следующие требования:
- Высокая частотная стабильность, не хуже \10^-6
- Высокая стабильность амплитуды выходного напряжения
- Малые фазовые шумы
В качестве опорного генератора чаще всего используется генератор на кварцевом резонаторе или схема ФАПЧ (фазовой автоподстройки частоты) на кварце.
Измеритель частоты
Измеритель частоты - основной функциональный узел частотомера, выполняющий сравнение частоты входного сигнала с опорной частотой гетеродина и определение значения входной частоты.
Измеритель частоты включает следующие основные узлы:
- Делитель частоты (преобразует высокие частоты в низкие)
- Счетчики импульсов
- Устройство управления (формирует импульсы управления счетчиком)
Принцип действия измерителя частоты заключается в подсчете количества периодов входного сигнала, укладывающихся в интервале времени, кратном периоду опорной частоты генератора. Зная опорную частоту и количество периодов входного сигнала, вычисляется значение входной частоты.
Цифровая индикация
Для отображения результатов измерения частоты в частотомерах используется цифровая индикация на электронно-лучевых трубках, светодиодах, жидкокристаллических индикаторах (ЖКИ) или других цифровых устройствах визуализации.
К достоинствам светодиодных индикаторов относятся:
- Низкое энергопотребление
- Высокая надежность
- Широкий выбор яркостных и цветовых характеристик
Недостатки светодиодов - ограниченный размер символов и необходимость в микросхемах дешифраторов.
ЖКИ обеспечивают возможность отображения буквенно-цифровой и графической информации, однако требуют подсветки и имеют ограниченный угол обзора.
Источник вторичного питания
Источник вторичного питания в составе частотомера вырабатывает стабилизированные напряжения для питания всех узлов схемы. К его параметрам предъявляются следующие требования:
- Низкий уровень пульсаций выходного напряжения
- Защита от перенапряжений и токов короткого замыкания
- Термокомпенсация для уменьшения температурного дрейфа
В качестве источника питания частотомеров чаще всего применяют импульсные преобразователи напряжения или линейные стабилизаторы напряжения с низким выходным сопротивлением.
Методы повышения точности частотомеров
Основными источниками погрешностей в частотомерах являются:
- Температурная нестабильность опорного генератора и других узлов
- Нестабильность частоты опорного генератора во времени
- Шумы и наводки в цепях частотомера
Для уменьшения температурной погрешности используют методы термокомпенсации - вводят в схему дополнительные элементы (терморезисторы, термоконденсаторы), значение параметров которых изменяется с температурой в противоположном ключевым элементам направлении.
Повышение стабильности опорного генератора достигается применением высокодобротных кварцевых резонаторов в термостатированных корпусах.
Для уменьшения влияния шумов применяют экранирование, фильтрацию, искрогасящие цепочки в питающих цепях.
Калибровка частотомеров
Даже при использовании всех методов термокомпенсации частотомеры со временем теряют точность из-за старения элементов схемы. Поэтому периодически требуется калибровка частотомера.
Процедура калибровки частотомера заключается в подаче на его вход сигналов с известными эталонными значениями частот от генератора эталонных сигналов и внесении корректировки показаний с помощью регулировки опорного генератора или ввода поправочных коэффициентов.
Цифровой частотомер на микроконтроллере
Современные цифровые частотомеры часто строятся на базе микропроцессорных контроллеров, что обеспечивает ряд преимуществ:
- Гибкость и универсальность за счет программной реализации различных алгоритмов обработки сигнала
- Высокая точность измерений благодаря вычислениям с плавающей точкой
- Расширенные сервисные возможности (связь с ПК, сохранение в память, самодиагностика)
Функциональная схема микропроцессорного частотомера включает:
- Входной тракт
- Микроконтроллер
- Генератор тактовой частоты
- Устройство индикации
- Блок питания
Программная реализация алгоритма работы частотомера осуществляется на языке Си или ассемблера и включает процедуры инициализации устройства, измерения частоты с использованием таймеров микроконтроллера, обработки результатов и их вывода на индикатор.
