Вибір методу вимірювання частоти візначається ее діапазоном, необхідною точністю вимірювання та Деяк іншімі факторами. Для вимірювання низьких та високих частот застотсовують частотомірі, принцип Дії якіх підстав на методах заряду и розряду конденсатора, мостовому, порівняння вімірюваної частоти Із Зразкове, резонансній. Найбільш широкосмугового и точно є цифрові частотомірі, побудовані за методом дискретного підрахунку. Розглянемо основні методи вимірювання частоти.

Анотація наукової статті з електротехніки, електронної техніки, інформаційних технологій, автор наукової роботи - Литвиненко Віктор Миколайович, Дощенко Г.Г., Самойлов Н.А.


Область наук:

  • Електротехніка, електронна техніка, інформаційні технології

  • Рік видавництва: 2017


    Журнал: Біомедична інженерія і електроніка


    Наукова стаття на тему 'Аналіз методів вимірювання частоти'

    Текст наукової роботи на тему «Аналіз методів вимірювання частоти»

    ?DOI: 10.6084 / m9.figshare.4877441

    АНАЛ1З МЕТОД1В ВІМ1РЮВАННЯ частоти

    Литвиненко В.М., Дощенко Г.Г., Самойлов М.О.

    Доцент кафедри iнформацiйно-вімiрювальніх технологш електронiка та шженері, к.т.н. Литвиненко Вжтор Миколайович Херсонський нацiональний техшчній унiверситет Бериславське шосе, 24, тел. 32-69-44, viktor Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Доцент кафедри експлуатації суднового електрообладнання i засобiв автоматики, к.т.н. Дощенко Галина Геннадівна Херсонська державна морська академiя, пр. Ушакова, 20, тел. 26-22-59, Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Ведучий шженер лабораторій №23 Самойлов Микола Олександрович 1нстітут фiзікі натвпровщніюв НАН Украши (Херсонський фiлiал), вул. Заводська, 76, тел. 51-54-57, Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Вибiр методу вімiрювання частоти визначаеться li дiапазоном, необхiдно точнiстю вімiрювання та Деяк iншими чинниками. Для вімiрювання низьких та високих частот застотсовують частотомiрі, принцип ді якіх підстав на методах заряду i розряду конденсатора, мостовому, порiвняння вімiрюваноi частоти iз Зразкове, резонансній. Найбшьш широкосмугового i точно е ціфровi частотомiрі, побудованi за методом дискретного тдрахунку .

    Розглянемо основнi методи вімiрювання частоти.

    1. резонансних метод вім1рювання частоти

    Резонансний метод вімiрювання частоти базуеться на порiвняннi вімiрюваноi частоти з частотою Власний коливання колівально '' ланки [1, 2]. Застосовуеться для вімiрювання частот вщ 100 кГц до 100ГГц .

    Сигнал з частотою ux (рис.1), якові необхщно вімiряті, через взаемно шдуктівш елементи подаеться на колівальній контур LC.

    С помощью шдікатора резонансу контур налаштовуеться у резонанс iз вімiрюваною частотою fx = fр. 1ндуктівшсть L заздалегiдь вiдома iз завдань точнютю, а тому шкала конденсатора градуюеться безпосередно в одиниць частоти. На високих i надвісокіх частотах колівальній контур частотомiра Виготовляю у виглядi вiдрiзка коаксiальноi лiнii або об'емного резонатора.

    Для шкали до 200 МГц застосовуеться LC i RC контуру. Вище 200 МГц застосовуються Контури з розподшенімі резонаторами. Погршнють в цьом випадка досяжними 0,01%.

    Резонансна частота контуру можна змшюваті, змiнюючі емнiсть конденсатора Сх:

    Мал. 1. Принцип вімiрювання частоти резонансним методом

    2. Цифровий метод вімiрювання частоти

    Цей метод Заснований на тдрахунку числа перюдш вімiрюваноi невідомо! частоти за точно вщомій вiдрiзок часу [1]. Структурно-функцiональну схему такого цифрового частотомiра зображено на рис. 2, а. Епюрі напруг, что вiдповiдають Позначення лгтерамі дiлянки наведено! схеми частотомiра, показано на рис. 2, б.

    На схемi позначено: - напряжение невідомо! вімiрюваноi частоти, Ф2 -формувач iмпульсiв вімiрюваноi частоти, К - електронний ключ, КГ -кварцовій генератор точно вщомо! високо! частоти, Ф1 - формувач прямокутна iмпульсiв частоти, генеровано! кварцовий генератором КГ, ПЧ - подшьнік частоти, Ф1Ч - формувач iмпульсiв точного часу, Л - декадний лiчільнік, ДШ - дешифратор, П1 - прістрiй iндікацii.

    Головного Вузли, что забезпечуе точнiсть вімiру частоти в цьом прилад ^ е кварцовий генератор високо! частоти. Власне висока частота тут не Потрiбна, но кварцовi генератори самє на вісокш частою здатнi працювати з скроню точнiстю i за Прийнятних розмiрiв кварцовий! пластини. Щоб запобiгті впліву температури середовища на частоту кварцовий генератора, в ^ его части вмщено в термостат обмеження об'ему з власним на ^ вачем та автоматичності регулятором температури. Це забезпечуе стабшзацш температури всередіш термостата на рiвнi 50 ... 60 ° С Незалежності вiд температури довкiлля, что змшюеться у нормальних межах, тобто НЕ перевищуе 40 ° С.

    Для бшьш чiткоi роботи iнших елементiв схеми синусоїдальної напряжение кварцовий генератора перетворюеться формувачем Ф1 на послiдовнiсть iмпульсiв напруги почти прямокутна! форми. Ця послщовнють iмпульсiв, потрапляючі в подшьнік частоти ПЧ, тсля багаторазове подшення

    перетворюеться на прямокутш 1мпульсі мало! частоти з Суворов вітріманім годиною Т шкірного перюду (рис. 2, б, епюра е).

    Ц 1мпульсі, попадаючи у формувач 1мпульс1в годині Ф1Ч, формуються у прямокутш 1мпульсі напруги (епюра е), як надходять у коло керування Електрон ключем К, примушують его вщмікатіся на точно дозоваш пром1жкі годині (например, на 1 с), протягом якіх цею ключ пропускає через себе у л1чільнік Л сформований! формувачем Ф2 пакети 1мпульслв (епюра ж).

    Мал. 2. Структурно-функцюнальна схема цифрового частотом1ра:

    а - схема, б - епюрі напруг

    Л1чільнік, порахувавші число 1мпульс1в, вмщеніх у пакет! (Тобто ту юлькють, что пройшла через ключ К течение фшсованого годині), 1 превратилась це число у десяткову форму, надсилайте це число до дешифратора ДШ, де воно перетворюеться на код, сприйнятним для цифрового пристрою щдікаці, на якому {вісвплюеться вім1рюване значення частоти напруги . Разом з тім сигнал про величину вім1ряно! частоти тсля л1чільніка Л (а шод1 й тсля дешифратора) может спрямовуватісь до ЕОМ для збер1гання чи подалі розрахунюв.

    С помощью цифрового частотом1ра можна вім1рюваті частоту з1 значний бшьшою точтстю, тж частотом1рамі шшіх систем (можна вести вім1рі з похібкою, что НЕ перевищуе 0,01%). Шдвіщення ТОЧНОСТІ цифрових частотом1р1в можна досягті, шдвіщуючі стабшьтсть кварцовий генератора {збшьшуючі величину годині Т.

    Завдяк вісокш ТОЧНОСТІ й можливий передавання результату вімiрювань безпосередно до ЕОМ ніш широко застосовують самє ціфровi частотомiрі. 1З ЗАСТОСУВАННЯ перетворювачiв неелектрічніх величин (например, швідкостi Обертаном) у напругу змшного Струму, частота яко! однозначно пов'язана з контрольованою величиною, можлівостi ціх частотомiрiв ще бiльш пошірюються.

    2. Вім1рювання частоти методом заряду 1 розряду конденсатора

    Сутнють цього методу полягае у вімiрюваннi Струму розряду 1серія конденсатора, Який перюдічно перзаряджаеться в такт iз вімiрюваною частотою Гх (рис. 3) [2].

    Если конденсатор С помощью перемикач П заряджатися вщ джерела е.р.с. Е до напруги Щ, а потiм розряджаті через мiкроамперметр магшто-електрично! системи до напруги і 2, то кiлкiсть електрики, получил при зарядi, буде рiвна кiлькостi електрики, яка вщдаеться мiкроамперметру, тобто д = С (и1-И2) .

    Если перемикач П перемікаті IX раз в секунду, де IX - вімiрювана частота, то кiлькiсть елктрікі, яка протiкае через мшроамперметр в секунду, являе собою середньо значення розрядно Струму за перюд, тобто 1серія = ^ х = С (Ц1-і2Кх .

    Мал. 3. Схема конденсаторного частотомiра

    З даного вирази віплівае, что струм Який протшае через прилад лiнiйно зв'язаний з вімiрюваною частотою i звщсі частота віражаеться формулою:

    г _ 1серія

    ^ X

    З (і 1 - і 2)

    Если емнiсть З i напругу і = и1-і 2 пiдтрімуваті постiйнімі, то шкалу мшроамперметра можна проградуюваті в одиниць частоти. На цьом принцип Працюють конденсаторнi частотомiрі, в якіх перемикань

    конденсатора 1З заряду на розряд здшснюеться Електрон комутатори з частотою перемикань при подач1 на его вхщ напруги вім1рювано! частоти. Лшшна залежшсть м1ж Струм 1серія та частотою fx можлива при віконаш умови C • (U1-U2) = const. Тому в схем1 частотом1ра пердбачено Обмежувач, Який шдтрімуе постшною напругу и1 - при заряд1 {і 2 при розряд1 конденсатора у всьому робочому д1апазош частот. Пщд1апазон вім1рювальніх частот регулюють включенням конденсатор1в р1зно! емност1, а такоже шунтуванням мжроамперметра. Конденсаторш частотом1рі застосовують для вім1рювання частот 10 Гц 500 кГц з основною похібкою 2%, при р1вш вхщно! напруги 0,5з 200 В .

    4. Вішрювання частоти с помощью електродінам1чніх, феродінам1чноіх та віпрямніх частотом1р1в

    Електродінам1чш частотом1рі - це прилади з1 стршочнім показ ником, віконаш на основ! електродінам1чного логометра [3]. Смороду вір1зняються вщносно високим класом точності зручнютю в корістуванш, бо дають можлівють делать вщлш за положенням стршкі на шкал1, градуйованш безпосередно у герцах. Схему одного з переносних частотом1р1в, что віробляються в Укра! Ш, зображено на рис. 4.

    Мал. 4. Схема електродінам1чного частотом1ра

    На схем1 позначено: Р1 {Р2 - обмотки Рухом рамок приладнати, жорсткий закршленіх на ос Рухом! системи тд прямим кутом одна до одно !; НК1 {НК2 - обмотки нерухомости котушок; L - Котушка шдуктівност з феромагштнім осердям, что травні Невеликий повпряній пром1жок; С1 -конденсатор, Який створюе резонансний контур з котушки L; г1 -

    додатковий отр, гш - тдгшній опiр; С2 - конденсатор, реактивний отр которого обмежуе величину Струму, что проходити через обмотку рамки Р2; АТ -автотрансформатор, что дае можлівють при величинах номшальніх напругах контрольовано! частотомiром мережi 36, 100, 127 або 220 В подаваті на вімiрювальній мехашзм Певна величину напруги, на якш проводилося градуювання приладнати. Зауважімо, что вщхілення Величини напруги мережi у межах ± 10% вщ 11 номшально! Величини віклікае лишь невелика додаткова похібку у показаннях, яка НЕ ​​виходе за меж ^ допустімi для класу точностi приладнати. Частотомiрі за наведення схеми виготовляють у декшькох модіфшащях. Всi цi прилади здатш вімiрюваті частоти вiд 45 до 1650 Гц. Дiапазон вімiрювань частоти шкірних з ціх пріладiв вщповщае ± 10% вiд значення середньо! частоти, вімiрюваноl данім приладнати, тобто вщ 45 ... 55 до 1350_ 1650 Гц.

    Клас ТОЧНОСТІ ціх пріладiв - 0,2, тобто 1хня Основна похібка НЕ ​​перевищуе ± 0,2% вщ середньо! частоти, вімiрюваноl приладнати. У ціх приладнати зi змiною Величини частоти змiнюються такоже величина i фаза Струму у нерухомости котушки НК1 i НК2 i у рухомiй котушцi - рамщ Р1. Так, если при частотi, что вiдповiдае показань посередіш шкали приладнати, величина реактивного шдуктівного опору вiткі, по якш проходити струм 11, дорiвнюватіме величин емнiсного реактивного опору конденсатора С1, тодi через наявнiсть резонансу напруг струм 11 буде найбiльш i перебуватіме у фазi з напругою і

    Рамка Р1 пiд дiею обертового моменту, Створення взаемодiею Струму в рамщ з магнггнім потоком нерухомости котушок НК1 i НК2, перебуватіме у положеннi, де площини ще! рамки i нерухомого котушок зб ^ атімуться. Дiею рамки Р2 можна знехтуваті, бо через нє! проходити струм 12, зрушеній вщносно напруги і почти на 90 °. Если ж величина частоти напруги і буде вщмшна вiд частоти резонансу fр, то фаза Струму 11 вщносно напруги і Вже НЕ зб ^ атіметься з напругою, i кут Зсув по фазi Струму 11, вiдносно Струму 12 буде вщмшнім вiд 90 °. Тодi магнiтній потшуся нерухомости котушок, взаемодiючі зi Струм 12, створи обертовій момент, что буде врiвноваженій моментом, створюванім рамкою Р1 при поворотi Рухом! части приладнав на кут, вщповщній вімiрюванiй частотi напруги иг Зi схеми видно, что величина напруги і не вплівае на кут вщхілення Рухом! части, бо змша Величини напруги однаково впліне як на величину Струму 11, так i на величину Струму 12. Це прізведе до однаково! змші величин обертовіх моментiв, створюваніх рамками Р1 i Р2, котрi протідшть один одному, тобто НЕ змшіть рiвновагі мiж ними за даного положення Рухом! части приладнати.

    У цьом прилад ^ як i у всякому логометр ^ вiдсутнi спiральнi пружини, а струм пщводіться до рамок с помощью трьох тонких "безмоментного" струмопiдводiв.

    Феродінамiчнi частотомiрі, побудованi на основi феродінамiчніх логометрiв, могут буті віконаш на основi електричних схем, аналопчніх схемами електродінамiчніх частотомiрiв. Рiзніця мiж ними лишь в тому, что

    Споживай потужнють у феродінам1чного приладнати может буті суттево менше, ШЖ у електродінам1чного. Часто феродінам1чш частотом1рі віконують на основ1 найпростшіх однорамочніх логометр1в, у Котре як дшчій, так {протідшчій моменти створюються одшею рамкою, через якові водночас проходять два Струм: один (что створюе момент протіді) вікліканій ЕРС взаемошдукці вщ дп Струму, что е у обмотщ нерухомости! котушки, другий (тієї, что створюе дшчій момент) вікліканій напругою мереж1, частота яко! вім1рюеться. Ця напряжение прикладом до емнюно -шдуктівного кола приладнати. Як {у частотом1ра електродінам1чно! системи, так {у феродінам1чного для пщводу Струму до рамки Використано "безмоментш" струмопщводі, но! х Всього два. Електромагштній частотом1р виконан на основ1 двокотушкового електромагштного логометра, Котре травні на сво! Й рухомш частиш два феромагштніх осердям, шкірні з якіх взаемод1е з одною 1З нерухомости котушок. Обертов1 моменти електромагн1тніх систем, до якіх входять згадаш котушки {осердям, спрямоваш зустр1чно. Шкірні з обмоток котушок вв1мкнено посл1довно з дроселем {конденсатором, яю налаштовано в резонанс на вщмшш Величини частот. Одна - нижчих за найменших вім1рювану частоту, друга - вища за найбшьшу вім1рювану частоту. Завдяк цьом р1внють обертовіх момент1в, что дшть протилежних, в згаданіх рашше системах буде здобуто при р1зніх величинах вім1рювано! частоти у питань комерційної торгівлі положеннях покажчика приладнав на шкал1. Рухом частина цього приладнати НЕ травні ш моментних пружин, ш безмоментного струмотдвод1в.

    Віпрямн1 частотом1рі, створеш на основ1 магн1тоелектрічніх логометр1в, дшть аналопчно того, як д1е електромагштній частотом1р. Тобто смороду ма ють два резонансш контури: резонансна частота одного нижчих за найменших вім1рювану, а шшого - вища за найбшьшу вім1рювану. Альо зм1нн1 Струм, что протшають у Вказаним контурах, віпрямлюються двотвперюднімі Випрямляч {надсілаються до рамок Рухом! части магн1тоелектрічного логометра, кут повороту яко! Залежить вщ в1дношення ціх струм1в. Зг1дно з ЦІМ, положення стршкі на шкал1 логометра візначатіме величину частоти напруги. У електронного частотом1ра приладнати, что показуем частоту, е магштоелектрічній мшамперметр, ув1мкнутій у коло віх1дного каскаду електронного шдсілювача. Вх1дне коло шдсілювача пріеднане до частотно залежного ланцюга, струм которого мало Залежить вщ Величини напруги, частота Котре! вім1рюеться. Завдяк наявност1 електронного п1дсілювача, потужнють, споживай з вім1рювального кола, у електронного частотом1ра значний менше, ШЖ у вс1х Розглянуто вищє частотом1р1в.

    5. Мостовий метод вім1рювання частоти

    Цей метод підстав на вікорістанш частотно залежних мост1в зм1нного Струму, яю живлять напругою вім1рювано! частоти [4].

    Найбшьш Поширення мостової схеми для вімiрювання частоти являється емшсній мют, збережений на рис. 5.

    Нехтуючі опором Яд, Який Складанний 1-2% величини опору Я1, отрімуемо умову рiвновагі для ще! схеми:

    Мал. 5. Схема моста для вімiрювання частоти

    З дано! умови можна Записати два pibmhm:

    _ !

    Невiдома частота, при якiй мiст буде зрiвноваженій

    fx =

    2 ^ R3R4C3C4 '

    Если С3 = С4 = С; R3 = R4 = R i Ri = 2R2, тодi значення частоти визначаеться виразі fx = 1 / (2 ^ RC). Частоту зрiвноваження можна змiнюваті конденсаторами або резисторами. найчастше встановлюються

    1

    одінаковi емност i змiнюють величину (Я3, Я4) змiнніх здвоеніх резісторiв, шкалу якіх можна вiдградуюваті в одиниць частоти. Розширення дiапазону вімiрювання здiйснюють перемикання конденсаторiв З 3, С4. Мостовий метод вімiрювання частоти застотсовують для вімiрювання низьких частот в межах 20 Гц ^ 20 кГц при похібщ вімiрювань 0,5 - 1%. В якост iндікатора рiвновагі Використовують електронний мiлiвольтметр, а при вімiрюваннi частот 200 Гц ^ 5 кГц - телефон. Несінусощшсть напруги вімiрюваноl частоти утруднюе процес зрiвноваження, мiст залішаеться незрiвноваженім за рахунок наявности гармонiк i зростан похібка вімiрювань.

    6. Вім1рювання частоти с помощью в1брацшніх частотом1р1в

    У енергетіщ чи не найбiльш Поширення Набуль електромагштш вiбрацiйнi частотомiрі. 1хня дiя базуеться на явіщi мехашчного резонансу коливання пружньою пластин тд дiею збуджувальніх коливання, створюваніх силами тяжшня електромагнiта, Котушка котрого живитися тд джерела змiнного Струму, частоту которого бажано вімiряті [3]. Таю частотомiрі могут буті віконанi з безпосередшм (рис. 6, а) чи посередшм (рис. 6, б) збудженням. У обох рiзновідах частотомiрiв елементами, чутлівімі до частоти, е пружш пластини 3 з загнутими кшцямі 4, розташоваш в ряд проти прорiзiв, зроблений у шкалi 5 (у частотомiра з безпосереднiм збудженням может буті i два ряди таких пластин, як видно з рис. 6, а). У обох відозмшах таких частотомiрiв електромагнiт 2 з обмоткою 7 створюе змшне магштне поле, Пожалуйста у частотомiра з безпосереднiм збудженням віклікае прітягання Стальова пластин 3 до полюса електромагшта, а у частотомiра з посередшм збудженням - прітягання якоря 6, жорсткий пов'язаного з основою 7, на якш закршлено кшщ в ^ х пластин 3. Цi пластини могут буті віконаш як зi сталi, так i з якогось шшого пружньою матерiалами (например, бронзи). Яюр 6 з основою 7 закршлено на двох пружинах 8 до цоколя приладнати 9.

    Таким чином, у частотомiрiв обох відозмш нд пружш пластини 3 вiбрують з частотою, удвічі бшьшою, ШЖ частота напруги живлення обмотки 1. А вдвічі бшьшою того, что за один перюд напруги живлення i сталевi пластини 3, i якiр 6 прітягуються до полюсiв електромагнiта 2 й вiдпускаються вщ него двiчi, Незалежності вiд полярність полюсiв цього електромагнiта. Альо Ампл ^ уда вiбрацil кiнцiв 4 ціх пластин буде рiзною: найбiльш у тає! пластини, власна частота коливання яко! дорiвнюе частотi сили збудження (тобто вдвічі бшьша за частоту напруги живлення). Меншi амплiтуді коливання будут у сусщшх пластин, власна частота коливання якіх немного бшьша i немного Менша вiд підщеп! частоти напруги. I чим бшьш вщмшною будут власнi частоти коливання пластин вщ цiеl підщеп! частоти напруги, тім меншим буде Розма коливання кшщв 4 ціх пластин 3. Частоту коливання напруги знаходять за Тею Позначку частотомiра, проти яко! Видимість Розма коливання кшця пластини 3 е найбшьшім. На рис. 7, в, де

    зобрaжено шкaлy чaстотомiрa, покaзaно, як віглядae покaзaння Розглянуто чaстотомiрiв, коли чaстотa нaпрyгі мережi ставали 49,5 Гц.

    12 3 1

    9 8 7 6

    а б

    45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55

    I I I I I. I I I I I I I. I I I t I I I

    Hz

    в

    Мал. 6. Бyдовa вiбрaцiйніх чaстотомiрiв 7. BiiiviiproBaH ^ 4acrora 3a с помощью oсціллoгpaфa

    Метод лiнiйноi розгорткі. У режімi лiнiйноi розгорткі ^ raan i3 чaстотою, якові необхiдно вімiряті, подaeться нa вхiд кaнaлy вертікaльного вiдхілення [5]. 3a с помощью сінхронiзaцii досягaють стiйкого зобрaження нa екрaнi осціллогрaфa. Чaстотy вімiрюють, пiдрaховyючі вiзyaльно кiлькiсть повну колівaнь зa одиниць чaсy. Перiод колівaнь вімiрюють тaкож вiзyaльно зa с помощью шкaлі, внесено: 'нa екрaнi осцілогрaфa. Если осцілогрaф двокaнaльній aбо двопроменевій, то можш вімiряті зсув фaз мiж двомa колівaннямі однaковоi чaстоті, подaючі ix нa входь кaнaлiв вертікaльного вщхілення.

    Зсув фaз можнa вімiряті тaкож i зa с помощью однокaнaльного осцілогрaфa, если один сигнaл подaті m вxiд вертікaльного вiдxілення, a другий - m вxiд зовнiшньоi сінxронiзaцii.

    Сінyсоiднa розгорткa. Если сигнaл з вімiрювaною чaстотою подaті нa вхщ кaнaлy вертікaльного вiдxілення осцілогрaфa, a ^ raan iз вiдомою зрaзковою чaстотою подaті нa вxiд кaнaлy горізонтaльноi розгорткі, то нa екрaнi осцілогрaфa можнa отрімaті тaк звaнi ф ^ урі Лiсaжy - склaднi

    Траєкторія руху електронного променя, вигляд якіх Залежить вщ спiввiдношення частот fx / fo i в1д кута зсув фаз (рис.7).

    Ци ^ чна розгортка. У цьом режімi на вхiд горизонтального й вертикального каналiв подаються сигналі одше! i тiеi саме! ' Зразкове! частоти, відомо! ' iз завдань точнютю, i зсунутi один в1дносно одного на п / 2.

    На екранi осцилографи електронний Промінь рухатіметься вздовж кола, причому трівалють одного Оберт дорiвнюе перiоду Зразкове сигналу.

    Сигнал iз вімiрюваною частотою fx подаеться на модулятор електронно-променево! трубки i таким чином модулюеться яскравють зображення - у позитивний швперюд зображення яскравше, а у вщ'емній -менш яскраве. Если fx>fo, то у зображенш кола на екранi осцилографи з'являються свiтлi i темнi дшянкі. Кiлькiсть свiтліх або темних дшянок дорiвнюе кратностi п вімiрюваноi ^ i Зразкове! ^ Частот п =? Д0, зв1дкі &= Пй. Пунктирна зображення кола на екранi Нерухоме тiльки за умови кратності fx / f0, тому вiзуально домагаються кратностi, змiнюючі Зразкове частоту?).

    Метод кругового! розгорткі [5, 6]. Если напругу одне! ' частоти (Зразкове! '10) використовуват для Отримання кругові!' розгорткі на екраш осцилографи, а напругу шшо! (Бшьшо! Частоти fx) подати на електрод (модулятор), Який Керу яскравютю свтння трубки (рис. 8, а), то в позитивний швперюд ще! напруги яскравють розгорткі буде збшьшуватісь, а у вщ'емній зменшуватісь.

    В результат коло буде складатіся з п темних та п свiтліх штріхiв. При чому п = fx / f0. При цшому значенi п осцілограма буде нерухомости. Схема дослщу i зображення на екранi осцилографи для спiввiдношення частот fx / fo = 6 подано на рис. 8, б .

    <р = 0 ср = 7г / 2

    Рис.7. ф ^ урі Лiсажу

    а)

    б)

    Мал. 8. Метод кругового! розгорткі

    8. Вішрювання частоти електрічноУ напруги

    На тдпріемствах енергетичного профшю частоту найчастiше вімiрюють с помощью частотомiрiв, использование якіх НЕ віклікае нiякіх труднощiв. Бiльшiсть частотомiрiв пріеднують безпосередно до мережi, частоту Котре! необхiдно вімiряті, або до окрема джерела живлення змшного Струму, частоту напруги которого слщ контролюваті. Необхiдно лишь впевнітісь, что номшальна величина напруги мережi чи окремий джерела зб ^ ається з номiнальною величиною напруги частотомiра, а такоже у тому, чи довiряті показань частотомiра зразу ж пiсля вмиканням шд напругу, чи лишь пiсля Певного годині его роботи. Цей час может буті необхщній, щоб части частотомiра, что мiстяться всередінi его корпусу, нагршіся власним теплом, Пожалуйста вінікае в обмотках та осердям частотомiра, до надійно! температура.

    Крiм того, ще до встановлення i пріеднання частотомiра необхiдно впевнітісь у вщповщност умів у помешканнi, де намiчено Встановити частотомiр, тім умів, як передбаченi технiчний Описом приладнати. Бшьшють частотомiрiв, что застосовуються на електричних станцiях та в енергосістемах, ма ють обмеження точнiсть (клас! Хньо! Точностi 1,5; 1,0; 0,5; 0,2).

    Разом з тим щ частотомiрі потребують перюдічно! повiркі, дере за все вщомчо !, якові з Дозволу ДЕРЖАВНИЙ метролопчніх органiв проводять метролопчш пiдроздiлі пiдприемств i органiзацiй, де експлуатуються прилади. Повiрка необхiдно такоже тсля ремонту пріладiв.

    При таких повiрках необхiдно Забезпечити клас ТОЧНОСТІ Зразкове засоби вімiрювання у 4,5 разiв вищий за клас приладнати, что повiряеться. Если Зразкове пріладiв необхiдно класу точностi немае, то Використовують метод порiвняння частот Зразкове вісокоточная вімiрювального генератора i джерела напруги змшно! частоти, вiд которого живитися

    частотомiр, что проходити повiрку. Використовують ще i метод вімiрювання частоти с помощью частотомiрного мосту.

    Безпосередно вмиканням частотомiра на генератор Зразкове частот часто буваю Неможливо через малу потужнiсть таких генераторiв. Досить надшнім методом порiвняння двох частот е метод Бітті, реалiзацiя которого можлива згiдно зi схемою рис. 9 [5, 7].

    Для чггко! роботи схеми необхщно, щоб пiдсілювачi П1 i П2 були однотипними, а величина напруг на 1'хтх виході - однаково (щоб досягті цього, у схемi е потенщометр П, с помощью которого на входi до тдсілювача П2 можна Встановити якові завгодно величину напруги).

    1ндікаторній прилад I - це прилад для вімiрювання постiйного Струму з нульового Позначку посередіш шкали. Вiн травні буті здатно вітрімуваті величину напруги змiнного Струму, яка вінікае на віходi пiдсілювача П3 при появi на его входi Складення напруг, Створення пiдсілювачамі П1 i П2.

    Порядок повiркі частотомiра на подiбнiй вімiрювальнiй схемi может буті таким. Генератором Зразкове! частоти ЗГ встановлюються значення одте! з частот, вімiрюваніх частотомiром ЧС. Генератором ГЧ встановлюються примерно такой саму частоту (за показаннями частотомiра ЧС), тсля чого звертають Рамус на свідченнях шдікатора I. Если Величини обох частот мало вiдрiзняються мiж собою, то мiж напругою, что е на виход пiдсілювачiв П1 i П2, вінікае Бітті - тобто почергове складання i вщшмання Міттева значень ціх напруг.

    Змшюючі величину частоти генератора ГЧ, досягають такого стану, при якому частота Бітті напруги стані поклик ^ м малою (десь Одне коливання за 5 .. .10 с). У цьом разi можна вважаті, что частоти напруг генераторiв ЗГ i ГЧ зрiвнюються.

    Рис.1. Точне вімiрювання частоти методом Бітті:

    ЗГ - генератор Зразкове! частоти; ГЧ - генератор змшно! частоти живлення прилади; ЧС - частотомiр, что повiряеться; П1, П2, П3 - пiдсілювачi; I - шдікатор наявностi коливання напруги; П - потенщометр

    Если в цею годину Показання покажчика частотом1ра, что проходити пов1рку, вщр1зняеться вщ частоти, генеровано! генератором ЗГ, то, вщнявші вщ показу частотом1ра ЧС (у герцах) дшсну частоту, З якою працюе генератор ЗГ, можна візначіті величину похібкі частотом1ра.

    Метод Бітті можна застосовуваті у виробничих лаборатор1ях при пов1рках частотом1р1в Завдяк нескладност1 потр1бного обладнання та достаточно високо! точност1 вім1рювань. Застосовуючі зразковий кварцовий генератор з багатостушнчастім подшьніком частоти, можна отріматі Зразкове частоту з похібкою около 0,000001%.

    Вікорістовуючі термостатоваш камертонш генератори, можна досягті точності на порядок чи два менше !. 1х можна використовуват й без подшьнімв частоти.

    1нод1 для визначення р1вност1 вім1рювано! [Зразкове! частот як нуль-шдікатор Використовують телефонну трубку. Це зовс1м простий метод, Який НЕ Вимагаю додатково! апаратури, треба лишь, щоб Величини напруг Зразкове! [Контрольовано! частот були достатшмі (1 безпечного) для телефонно! трубки. Альо користуватись ЦІМ методом доцшьно тшькі при пор1внянш тдвіщеніх [високих частот, бо Людський вухо нездатне спрійматі звуки з частотою, нижчих за 12 ... 15 Гц. Наявнють тако! "Мертво!" зони при пор1внянш частот порядку 1000.5000 Гц [вищє почти НЕ вплівае на точнють вім1рювань, но при пор1внянш частот порядку 40.60 Гц вона зовс1м недоречна, бо суттево зменшуе точнють пор1вняння.

    9. Вім1рювання вщношення двох частот

    У ушверсальніх цифрових частотом1рах передбача можлівють вім1рювання вщношення двох частот: ^ [^ [2, 5, 8]. Сигналі вім1рюваніх частот подаються на формувач1 1мпульс1в (рис.10), як формують 1мпульсі з крутими фронтами для Зменшення похібкі вщ дрейфу р1вшв спрацювання. Если одна з частот набагато бшьша за шшу (fx>>fy), то? мпульс трівалютю Ту з виходом формувача (рис.10, а) вщкрівае ключ {? мпульсі трівалютю Тх надходять на вхщ л1чільніка 1мпульс1в Упродовж першої години Ту. Числовий вщлж л1чільніка 1мпульс1в дор1внюватіме:

    Если ж частоти fx {fy поблизу за значенням, то 1мпульсі з частотою fy пюля формувача (рис.10, б) подаються на подшьнік частоти з коефщ1ентом дшення п. Числовим вщлж л1чільніка 1мпульс1в у такому випадка дор1внюватіме:

    Вщсотковій частотомiр. Сигнал частотою Надходить на формувач iмпульсiв (рис.11), Який формуючи iмпульсі нормовано! амплггуді з крутими фронтами. Сформованi iмпульсі подаються на подiльнік частоти з коефщентом дiлення п1. З віхщного сигналу подшьніка частоти формуеться iмпульс трівалiстю Т1 = п1Тх = п1 / ох, Генератор стабiльноi частоти?) I другий подiльнік частоти з коефвдентом дiлення п2 формують другий iмпульс трівалiстю Т2 = п2Т0 = п2 /: Те.

    Обидвоє iмпульсі подаються на ключ, Який влаштованій так, что вiн вщкрітій Упродовж першої години ДТ = Т2-Т1. За годину ДТ на вхiд лiчільніка iмпульсiв через ключ проходять iмпульсі з перюдом Т0. Покази лiчільніка в кшщ вімiрювання становляться:

    Рис.10. Принцип вімiрювання вiдношення двох частот Если Виконати умову

    де fхном - номшальне значення частоти, то

    Рис.11. Схема формувача iмпульсiв

    Если fx Близько до fхном i П2 = 100, то N віражатіме набліжено вщхілення частоти вщ номiнального значення у вщсотках.

    9. Похібкі вімпрювашш частоти i iнтервалiв часу

    Вімiрювання частоти i iнтервалiв годині супроводжуеться такими складових похібок вімiрювання: похібка квантування; похібка, зумовлена ​​нестабшьнютю частоти генератора квантувальніх iмпульсiв; похібка вiд нестабiльностi порогiв спрацювання формувачiв iмпульсiв [9].

    Похібка квантування. Если генератор квантувальніх iмпульсiв сінхрошзованій з початком вімiрюваного iнтервалу часу (рис.12, а), то похібка квантування Дt вінікае в кшщ вімiрюваного iнтервалу як рiзніця м1ж результатом вімiрювання ^ Т0 i вімiрюванім штервалом Тх:

    Дt = NxTо-Tx.

    Оскiльки вімiрювана величина до вімiрювання невщома, то кшець iнтервалу Тх может з однакової ймовiрнiстю припасти на будь -якій момент м1ж сусiднiмі квантувальнімі iмпульсамі, тому похібку квантування Дt вважають Випадкове i розподiленою за рiвномiрнім несіметрічнім законом з граничним значенням Т 0 (рис.12, б). Математичне сподiвання похібкі квантування дорiвнюе Т0 / 2, а середньо квадратична вщхілення про = Те / ^ 12. Сінхронiзуваті генератор квантувальніх iмпульсiв з початком вімiрюваного iнтервалу Тх часто вже не вдається, тому похібка квантування

    вінікае на качана Д ^ 1 в кшщ Дt2 вім1рюваного штервалу годині Тх (рис.13). Похібкі Д ^ 1 Дt2 розподшеш за р1вном1рнімі несіметрічнімі законами з граничним значенням Т 0. Сумарна похібка квантування Дt = Дtl + Дt2 розподшена за трикутна законом (законом С1мпсона) з граничним значенням Те. Математичне спод1вання сумарно! похібкі квантування дор1внюе нулю, а середньо квадратична вщхілення про = Те ^ 6.

    Рис.12. Схема, яка пояснюе Виникнення похібкі квантування

    Рис.13. Схема, яка пояснюе сутнють похібкі квантування

    Вщносна гранична похібка квантування пщ час вім1рювання частоти за визначенням штервал годині Тк дор1внюе:

    тк JV.ro

    Отже, в ^ шсна ^ аннята пoxібка квашування збшьшуеться iз Зменшення частоти. Для poзшіpення частoтнoгo дiапазoнy частoтoмipiв y зoнy ніжнix частоти вдаються дo такиx заxoдiв:

    - на ніжнix частoтаx пoxібкy квантyвання мoжна Зменшити, збiльшyючі дoбyтoк №To, но це веде дo збiльшення тpівалoстi вімipювання, тoбтo дo Зменшення швідкoдii;

    - застoсyваті мнoження вімipюванoi частоти, в pезyльтатi чoгo вімipювана частота пеpенoсіться y зoнy вісoкіx частоти;

    - пеpетвopіті Tx ^ Ux, а далi вщбуваеться визначення чіслoвoгo значення 1 / Ux;

    - вімipяті вiднoсне вiдxілення вімipюванoi частоти за дoпoмoгoю ціфpoвoгo вiдсoткoвoгo частoтoмipа;

    - застoсyваті спецiальнi пpістpoi для вімipювання пoxібoк діскpетнoстi At1 i At2;

    - вімipюваті пеpioд Tx з настyпнім пеpеpаxyнкoм ^ p ^ y в частoтy fx. Biднoсна гpанічна пoxібка квантyвання y вімipюваннi ^ p ^ y дopiвнюе:

    s = Tl = A = J_

    T / о Nx •

    Таким Чишма, вiднoсна гpанічна пoxібка квантyвання збшьшуеться зi збiльшення вімipюванoi частоти fx i зменшуеться зi збiльшення частоти квантyвальніx iмпyльсiв fo.

    Bеpxне гpанічне значення частoтнoгo дiапазoнy, якщo задаси дoпyстіме гpанічне значення пoxібкі квантyвання, визначаеться швідкoдiею лiчільніка iмпyльсiв, тобто максимальне частотою iмпyльсiв fo, якові лiчільнік здати пiдpаxoвyваті

    fmаx = Of

    Пoxібка, зyмoвлена ​​нестабiльнiстю частоти генеpатopа квантyвальніx iмпyльсiв, віявляеться, в oснoвнoмy, як пoвiльній вiдxiд частоти внаслдок стаpiння кваpцoвoгo pезoнатopа.

    noxtora вiд нестабiльнoстi пopoгiв спpацювання фopмyвачiв iмпyльсiв зyмoвлена ​​двoма Чинник: змщеннямі piвнiв фopмyвання в каналаx i шyмoвімі напpyгамі, щo дiють на вxiд фopмyвача. Пoxібка, зyмoвлена ​​дpейфoм пopoга спpацювання,

    де Au - дpейф пopoга спpацювання фopмyвача iмпyльсiв; Ux - швідкiсть змiни вімipюванoгo сигналу. Якщo сигнал сінyсoiдній з амплiтyдoю Um i

    часто тою то максимальна швідюсть змші сигналу ^ = 2 ^^, Если дрейф Аі віразіті через швідюсть дрейфу щ i перiод Тх, тобто Аі = ^^, то вирази можна Записати у такому виглядi:

    Вщносна похібка

    Похібка, зумовлена ​​Вплив шуму iз середнiм квадратичним вiдхіленням ON на вхiд формувача iмпульсiв,

    Вщносна похібка:

    Отже, вщносна похібка, зумовлена ​​Вплив шуму, що не Залежить вщ вімiрюваноi частоти, а визначаеться вщношенням сигнал / шум.

    Висновки

    Проведено огляд основних методiв вімiрювання частоти. Представленi схеми вімiрювачiв частоти та Розглянуто * 1х принцип Д11. Наведено Преимущества i недолiкі методiв вімiрювання частоти, проаналiзовано причини * 1х погрiшностей.

    лiтература

    1. Полщук С.С. Метролога та вімiрювальна техшка / С.С. Полщук. -Львiв: Видавництво «Бескид Бгг», 2003. - 544с.

    2. Мирський Г.Я. Радіоелектронні вимірювання / Г.Я.Мірскій. - М .: Енергія, 1975.- 600 с.

    3. Шаповаленко О.Г. Основи електричних вімiрювань / О.Г. Шаповаленко, В.М. Бондар. - К .: Лібщь, 2002. - 412с.

    4. Мейзда Ф. Електронні вимірювальні прилади й методи вимірювань / Ф. Мейзда. - М: Світ, 1990.- 535с.

    5. Кушнір Ф.В. Електрорадіоізмеренія / Ф.В. Кушнір, В.Г. Савенко. - Л .: Енергія, 1975. - 368с.

    6. Головко Д.Б. Основи метрологи та вімiрювань / Д.Б. Головко, К.Г.Рего, Ю.О. Скрипник. - К .: Лібщь, 2001.-408с.

    7. Електричні вимірювання / Р.М. Демидов-Панферов, В.Н. Малиновський, В.С. Попов та ін. - М .: Енергоіздат, 1983. - 392с.

    8. Електричні вимірювання / Под ред. Є.Г. Шрамкова.- М .: Вища школа, 1972.- 520с.

    9. Рего К. Г. Метрологічна обробка результатів технічних вимірювань: Довідковий посібник / К. Г. Рего. - К .: Техніка, 1987.

    Анотащя

    АНАЛ1З МЕТОД1В ВІМ1РЮВАННЯ частоти

    Проведено аналiз методiв вімiрювання частоти. Представлений схеми Пристрій! В вімiрювання частоти, як характеризують рiзнi методи вімiрювання, Розглянуто принцип ді вімiрювачiв частоти, наведе 1х Преимущества та недолжен. Візначенi фактори, якi зумовлюють похібкі вімiрювання частоти.

    Annotation

    ANALYSIS OF METHODS OF FREQUENCY MEASUREMENT

    The analysis methods of frequency measurement. Are diagrams of devices of measurement of frequency, which characterize the different measurement methods, discussed the principle of the measure of the frequency, given their advantages and disadvantages. The factors which determine the error of measurement of frequency.

    ANALYSIS OF METHODS OF FREQUENCY MEASUREMENT

    Associate professor of department of informatively - calculable technologies of electronics and engineering, candidate of engineerings sciences Litvinenko Victor Nikolaevich

    Kherson national technical university Berislavskoe of highway, 24, tel. 32-69-44, viktor Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її..

    Associate professor of department of exploitation of ship electrical equipment and facilities of automation, candidate of engineerings sciences Doschenko Galina Gennadievna

    Kherson state marine academy, boulevard of Ushakova, 20, tel. 26-22-59, Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її..

    Leading engineer of laboratory x23 Samoilov Nikolai Alexander Institute of physics of semiconductors of National academy of sciences of Ukraine (Kherson branch), a street is Factory, 76, tel. 51-54-57, Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.. Ключовi слова: частота, конденсатор, частотомiр, iмпул'с, лiчільнік. Key words: frequency, capacitor, frequency meter, pulse, counter.


    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити