Измерение частоты периодического сигнала

Применение тех или иных средств и методов измерения частоты определяется прежде всего требуемой точностью и диапазоном измеряемой частоты. При измерении частоты в узком диапазоне (45-55; 450-550 Гц;… до 2500 Гц) рекомендовано применять электродинамические и электромагнитные частотомеры. Класс точности таких частотомеров 1; 1,5; 2; 2,5. Для измерения низкой и высокой частоты в узких диапазонах применяют резонансные частотомеры, различного конструктивного исполнения. Погрешность измерения в этом случае можно снизить до (0,05-0,1)%. Для измерения частот в широком диапазоне (10Гц-10 МГц) могут применяться электронные аналоговые частотомеры.

Цифровой (дискретного счета) метод измерения частоты реализован в цифровых частотомерах. Принцип действия цифрового частотомера основан на измерении частоты в соответствии с ее определением, т. е. на счете числа импульсов за интервал времени , именуемым временем счета. Данные приборы удобны в эксплуатации, имеют широкий диапазон измеряемых частот (от нескольких герц до сотен мегагерц) и позволяют получить результат измерения с высокой точностью (относительная погрешность измерения частоты ). Погрешность измерения частоты цифровым частотомером сопровождается систематической и случайной погрешностью. Систематическая погрешность в основном обусловлена долговременной нестабильностью кварцевого генератора и не превышает величины . Ее можно уменьшить путем термостатирования кварца и за счет введения в схему кварцевого резонатора системы автоподстройки частоты. Случайная погрешность определяется погрешностью дискретизации.

Суммарная относительная погрешность измерения частоты с помощью цифрового частотомера может быть пронормирована в процентах согласно формуле

(1)

где -измеряемая частота, Гц.

- время счета, с.

Отсюда следует, что суммарная относительная погрешность измерения из-за погрешности дискретизации увеличивается по мере уменьшения измеряемой частоты . При достаточно малой частоте она может превзойти допустимое значение даже при максимальном времени счета , которое в цифровых частотомерах обычно не превышает 1 или 10 с. В этом случае целесообразно измерить период , а затем вычислить искомую частоту .

Косвенное измерение частоты (через период ) позволяет значительно уменьшить погрешность по сравнению с прямым измерением частоты . Диапазон измеряемых частот цифровыми частотомерами колеблется от 0,01 ГЦ до 200МГц и ограничивается снизу погрешностью дискретизации, а сверху конечным быстродействием используемых счетчиков-делителей.

Для измерения частоты электрических сигналов широко применяются электронно-лучевые осциллографы (ЭЛО), позволяющие визуально наблюдать форму исследуемого сигнала. Полоса пропускания современных универсальных осциллографов составляет 300-400 МГц. В универсальном осциллографе возможна реализация двух методов измерения частоты и периода электрического сигнала,с помощью линейной и круговой развертках. При линейной развертке периодического сигнала используют известные значения коэффициента развертки . Наблюдая на экране осциллографа устойчивое изображение сигнала измеряют линейный размер (в делениях) изображения по оси X, соответствующий измеряемому периоду, а затем определяют его по формуле

(2)

Частота определяется выражением . Погрешность измерения частоты и периода при этом определяется по формуле

(3)

где - погрешность коэффициента развертки;

- погрешность нелинейности развертки;

- визуальная погрешность измерения длительности.

Для осциллографа С1-77 можно принять ; ; а (в процентах) определяется выражением

, (4)

где – толщина линии изображения на экране осциллографа, дел.

При круговой развертке периодического сигнала на электронном осциллографе его частота может быть измерена путем наблюдения неподвижных фигур Лиссажу, по форме которых можно определить неизвестную частоту , сравнивая ее с известной частотой . При подаче напряжения неизвестной (измеряемой) частоты на вход У осциллографа, а напряжения известной частоты - на вход X, получают неподвижную или медленно меняющуюся фигуру Лиссажу, проводят через нее две касательные (горизонтальную и вертикальную) и подсчитывают значение измеряемой частоты по формуле

, (5)

где и - число точек касания фигуры с горизонтальной и вертикальной касательной соответственно.

Погрешность измерения частоты при этом способе определяется стабильностью генератора известной частоты .