Что такое частотомер?

Что такое частотомер?

Рисунок 1. Три параметра формы электрического сигнала

Частотомер — это цифровое устройство, используемое для измерения частоты, возникающей в электронной цепи.

Электрический сигнал можно выразить с помощью трех параметров: частоты, амплитуды и фазы. Также возможно определить период по обратной величине частоты. Измерение частоты является важным параметром в базовом измерении электрических сигналов.

В дополнение к частотомеру, те, которые имеют несколько дополнительных функций, таких как измерение рабочего цикла, времени нарастания импульса и временного интервала, называются универсальными счетчиками.

Применение частотомеров

Частотомеры используются в качестве основных измерительных приборов при измерении электрических сигналов, таких как амперметры и вольтметры. Хотя некоторые продукты доступны как автономные частотомеры, многие продукты были разработаны с функциями частотомера как частью функций устройств со многими функциями, таких как цифровые мультиметры, осциллографы и оптические анализаторы спектра.

Частотомеры характеризуются тем, что их принцип очень прост. Поскольку можно сделать свой собственный частотомер, доступны наборы. Наборы для частотомеров доступны от различных компаний на несколько десятков МГц. Причина этого в том, что частотомерам прямого типа свойственна их несложная работа.

Некоторые мультитестеры оснащены диапазоном измерения частоты, и эти типы особенно полезны на участках, куда нельзя привезти крупногабаритное измерительное оборудование, поскольку с ними легко обращаться. Однако, хотя их преимущество в простоте использования, их недостатком является то, что они не подходят для приложений, требующих высоких частот или большого количества значащих цифр.

Поскольку большинство наборов основаны на LSI, вы не можете изучить всю структуру, но вы можете почувствовать ее.

Принцип счетчика частоты

Рисунок 2. Принцип работы счетчика частоты (прямой метод)

Счетчик частоты состоит из схемы формирования формы сигнала, затвора, кварцевого генератора и счетной схемы.

1. Схема формирования формы сигнала

Преобразует входной сигнал в «последовательность импульсов».

2. Кварцевый генератор

Генерирует импульсы с фиксированной шириной по времени. Генерирует временное окно (время строба) для измерения последовательности импульсов, описанной ранее, а временное окно служит окном для измерения частоты.

3. Измерительная схема

Частота исходного сигнала измеряется путем подсчета количества импульсов во временном окне. Разрешение измерения частоты определяется временной шириной временного окна, генерируемого кварцевым генератором. Например, временное окно в 1 секунду позволяет отображать частоту в единицах 1 Гц, временное окно в 0,1 секунды — 10 Гц и т. д. Разрешение пропорционально обратной величине ширины временного окна.

В счетчиках частоты наибольшая ошибка возникает в точке, где генерируется последовательность импульсов, особенно если входной сигнал содержит шум, который может привести к нестабильности переднего фронта импульса или генерации дополнительных импульсов, которых не должно быть.

Метод, используемый для предотвращения генерации ошибок, заключается в выполнении повторных измерений и усреднении шумовых компонентов. Это уменьшает ошибки, возникающие при генерации последовательности импульсов.

Метод измерения счетчика частоты

Рисунок 3. Система счетчика частоты

Частотомер — это устройство, измеряющее частоту входного сигнала и отображающее результат. Существует два метода измерения: «прямой метод», который используется уже давно, поскольку его легко реализовать, и «обратный метод», который является дорогостоящим, но позволяет получить большое количество значащих цифр.

1. Прямой метод

Измерение пересечения нулевой точки
Частотомер прямого метода измеряет количество раз, когда частота входного сигнала пересекает нулевую точку. Если входной сигнал представляет собой синусоидальную кривую, он подсчитывает количество раз, когда он пересекает нулевую точку либо вниз, либо вверх. Преимущество частотомерного метода заключается в том, что его можно легко реализовать с использованием только аппаратного обеспечения. По этой причине этот метод используется уже давно, и его количество пересечений нулевой точки в секунду отображается как измерение частоты.

Частотомер прямого метода характеризуется тем, что внутри устройства создается точный опорный тактовый генератор, а количество пересечений нулевой точки измеряется путем открытия временного окна на это количество времени.

Количество значащих цифр при измерении
Количество значащих цифр в счетчике частоты прямого метода определяется шириной временного окна и входной частотой. Например, если входная частота составляет 1 ГГц, а временное окно составляет 1 секунду, измеренное значение составляет 1×10^9, а количество значащих цифр составляет 10. Если входная частота составляет 1 кГц, количество значащих цифр составляет 4, а разрешение для обоих составляет 1 Гц.

Например, если временное окно составляет 100 секунд, количество значащих цифр составляет 6 при 1 кГц, а разрешение составляет 0,01 Гц. Однако, взятие по крайней мере 100 секунд для одного измерения нереалистично и значительно снижает работоспособность. Его также следует использовать с пониманием того, что измеренное значение всегда будет иметь квантовую погрешность ±1.

Если вы измеряете только высокочастотные сигналы, вы можете использовать счетчик частоты прямого метода без каких-либо проблем, но для повышения точности с помощью прямого метода вам необходимо увеличить ширину временного окна. Однако прямой метод имеет недостаток в виде чрезвычайно низкой эффективности, поскольку чем длиннее временное окно, тем больше времени требуется для каждого измерения. Частотомер «обратного метода» является альтернативой в такой ситуации.

2. Обратный метод

Обратный частотомер считает входной сигнал таким, какой он есть, или делит его на внутреннюю опорную тактовую частоту. Преимущество этого метода в том, что можно получить большое количество значащих цифр, особенно при измерении низких частот. Количество значащих цифр в обратном счетчике частоты определяется внутренними опорными тактовыми сигналами и временем срабатывания и не зависит от входной частоты.

Например, если внутренние опорные тактовые сигналы составляют 10 МГц, а время срабатывания составляет 1 секунду, количество значащих цифр равно 7. Хотя обратный метод позволяет получить большое количество значащих цифр при измерениях в диапазоне счетчика низкой частоты, его недостатком является высокая стоимость, поскольку работа самого счетчика сложна.