Цифрового частотомера

Цифровые измерительные приборы широко применяются для измерения частоты, интервалов времени, напряжения, разности фаз и т. д. К их общим достоинствам относятся высокие чувствительность и точность, объективность отсчета показаний, возможность сопряжения с другими цифровыми устройствами для обработки результатов измерения, а к недостаткам — сложность изготовления и ремонта, высокая стоимость, а также утомление оператора при длительном наблюдении за цифровым индикатором.

Что же сдерживает более полное внедрение цифровых ЭВМ в радиотехнические системы? В первую очередь, ограниченность их быстродействия. Весьма часто обработка информации и управление должны осуществляться, как говорят, в реальном масштабе времени. Цифровая ЭВМ в отличие от аналоговой требует, как правило, значительно большего времени для обработки информации и, следовательно, принятия решения при управлении. Требуемое время возрастает с увеличением объема данных, т. е. по мере повышения точности, гибкости алгоритмов-и т. д. По мере совершенствования цифровых ЭВМ в направлении быстродействия, увеличения объема памяти, а также создания более эффективного математического обеспечения указанные сдерживающие факторы будут постепенно утрачивать свое значение. Таким образом, перспективные радиотехнические системы будут отличаться высоким уровнем автоматизации, насыщенностью цифровыми устройствами обработки информации и управления, а также способностью адаптации к складывающейся рабочей ситуации.

Цифровые измерительные приборы широко применяются для измерения частоты, интервалов времени, напряжения, разности фаз и т. д. К их общим достоинствам относятся высокие чувствительность и точность, объективность отсчета показаний, возможность сопряжения с другими цифровыми устройствами для обработки результатов измерения, а к недостаткам - сложность изготовления и ремонта, высокая стоимость, а также утомление оператора при длительном наблюдении за цифровым индикатором.

Микроэлектронные цифровые устройства, представляющие собой дискретные (цифровые) автоматы, служат для обработки информации, представленной цифровым кодом, и применяются в системах информационно-вычислительной и цифровой измерительной техники. Наиболее распространенными цифровыми устройствами являются счетчики, регистры и избирательные схемы (дешифраторы).

* В группе преобразователей приведены АЦП и ЦАП, так как они содержат цифровые узлы. Строго говоря, АЦП и ЦАП занимают промежуточное положение между аналоговыми и цифровыми устройствами.

АЦП — устройство, принимающее входные аналоговые сигналы и выдающее на выходе соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для работы с ЭВМ и другими цифровыми устройствами, т. е. АЦП дает представление аналоговой величины в код. Существует большое число АЦП, отличающихся схемной конфигурацией, используемыми элементами, последовательностью выполнения операций, конструктивными и технологическими особенностями.

Электрические сигналы, являющиеся объектом обработки в радиотехнических системах (РТС), по своей физической природе являются аналоговыми, т. е. представляют собой непрерывные функции напряжения или тока от времени. Поэтому в процессе формирования и обработки таких сигналов с помощью цифровых устройств важную роль играют операции преобразования в цифровую форму и обратно. Для выполнения этих операций служат аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи (АЦП и ЦАП). Первые обеспечивают сопряжение источников аналоговых сигналов (например, радиоприемных устройств) с цифровыми устройствами обработки, а вторые предназначены главным образом для сопряжения цифровых устройств формирования и обработки сигналов с аналоговыми потребителями информации (например, визуальными индикаторами).

АЦП являются устройствами, принимающими входные непрерывные сигналы от аналоговых устройств и выдающими на выходе соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для работы с ЭВМ и другими цифровыми устройствами.

* В группе преобразователей приведены АЦП и ЦАП, так как они содержат цифровые узлы. Строго говоря, АЦП и ЦАП занимают промежуточное положение между аналоговыми и цифровыми устройствами.

Импульсное и цифровое представление сигналов широко применяют в цифровой измерительной технике. Устройства, с помощью которых формируются и обрабатываются импульсные сигналы, работают, как правило, в ключевом (импульсном) режиме. Ключевой режим работы усилительных приборов имеет ряд существенных преимуществ перед активным режимом, применяемым в аналоговых схемах. Основное преимущество — высокий, близкий к 90. ..95%, КПД импульсных устройств. В ключевом режиме достигается достаточно большая мощность во время действия импульсов при малом значении средней мощности, расходуемой в схеме. Поэтому импульсные и цифровые устройства обладают меньшими массой и габаритами. Транзисторы в импульсных и цифровых схемах либо закрыты, либо полностью открыты (насыщены), поэтому на них рассеивается незначительная мощность и надежность устройств очень высока. При этом аналоговый сигнал, отражающий реальный физический процесс, преобразуется в последовательность импульсных сигналов, пригодных для обработки цифровыми устройствами.

Структурная схема цифрового частотомера показана на 9.16, а. Напряжение измеряемой частоты fx произвольной формы подается на вход усилителя-ограничителя УО, в котором оно преобразуется в прямоугольные импульсы напряжения той же частоты fx и подается на электронный ключ ЭК. Ключ ЭК. в нормальном состоянии

При постоянном и стабильном значении Т0 код N прямо пропорционален fx. Точность измерения частоты fx зависит от точности задания интервала То. Современные цифровые частотомеры в качестве датчика интервала времени содержат высокочастотный генератор, снабженный делителем частоты, на выходе которого и получают импульсы с периодом Т0. Стабильность частоты кварцевых генераторов очень высока —• изменение частоты после ее подстройки не превышает 10~5 % за 10 дней, поэтому цифровые частотомеры позволяют измерять частоту и связанные с ней величины с очень высокой точностью, а отсчетные устройства частотомеров содержат до семи декад. Однако изменение частоты кварцевого генератора — не единственный источник погрешности цифрового частотомера. Другой составляющей погрешности является дискретность преобразования интервала времени Т0 в код N. Эта погрешность проявляется в том, что при одних и тех же значениях Т0 и N значение fx может быть разным и находиться в некоторых пределах: на 9.17, а

Цифровые методы измерения частоты основаны на том, что частоту любого периодического процесса можно выразить числом периодов этого процесса в единицу времени. На 23-15 изображена общая структурная схема цифрового частотомера. На его вход поступает периодическое напряжение произвольной формы; усилитель-формирователь 1 превращает его в последовательность импульсов так, что на каждый период входного напряжения приходится по одному импульсу. Эти импульсы

Структурная схема цифрового частотомера универсального назначения в режиме измерения часто-ы показана на 23-18. Входной сигнал подается на усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, а с его выхода на триггер, формирующий напряжение прямоугольной формы. С выхода формирующего триггера сигнал, преобразованный дифференцирующей цепочкой в короткие импульсы, поступает на ключ.

погрешности цифрового частотомера в режиме

Умножители частоты. Для расширения рабочего диапазона цифрового частотомера в область низких измеряемых частот на его входе иногда включают умножители частоты. Эти устройства

ключа /С2, счетчика и управляющего устройства, полностью аналогична цепи цифрового частотомера.

и ФУ% преобразуются в идентичные импульсы одной полярности и поступают в блок вычитания БВ. Если на оба входа БВ одновременно поступают два импульса, что случается каждый раз, когда значение * (0 превышает уровень X + Дл, то они вычитаются и на выход БВ проходят импульсы U3, регистрируемые цифровым частотомером ЦЧ^, работающим в режиме счета импульсов. Число п подсчитанных импульсов совпадения за интервал времени Т пропорционально значению оценки плотности вероятности на данном уровне X. Число импульсов опроса N, т. е. число выборок, регистрируется за то же время измерения Т С ПОМОЩЬЮ цифрового частотомера ЦЧг. Ордината плотности вероятности pi (х) = n/(hXN).

18-13. Блок-схема цифрового частотомера.

ний: система стабилизации выходной амплитуды генератора ЧМ-ко-лебаний, блок частотных меток и т.п. Иногда применяются двухка-нальные индикаторы, устройства перемещающейся метки, предусматривается возможность подключения цифрового частотомера для точного определения частоты в произвольной точке АЧХ.

Функциональная схема цифрового измерителя периода изображена на 11.14. Отличие от ее схемы цифрового частотомера в том, что интервал времени, равный хх, определяется периодом измеряемой частоты, а короткие импульсы, заполняющие этот интервал, вырабатываются в приборе путем умножения частоты опорного кварцевого генератора, G1.