Семейное консультирование 

Прибор измеряющий частоту колебаний. Измерение частоты. Смотреть что такое "Частотомер" в других словарях

С целью определения частот периодических сигналов, а также для выявления гармонических компонентов спектров - применяют специальные радиоизмерительные (и электроизмерительные) приборы, называемые частотомерами.

На сегодняшний день частотомеры существуют двух типов по методу измерения: аналоговые (для непосредственной оценки частоты) и приборы сравнения (к коим относятся: электронно-счетные, гетеродинные, резонансные и т.д.).

Аналоговые подходят для исследования синусоидальных колебаний, гетеродинные, резонансные и вибрационные - для измерения гармонических составляющих сигнала, электронно-счетные и конденсаторные - для определения частот дискретных событий.

По типу конструкции частотомеры могут быть щитовыми, переносными или стационарными, - тип конструкции зависит от области применения конкретного прибора.

Стрелочный аналоговый частотомер относится к электромеханическим измерительным приборам, и работает по принципу магнитоэлектрической, электромагнитной или .

Работа такого прибора основывается на зависимости модуля полного сопротивления составной измерительной цепи от параметров проходящего через нее тока. Измерительная цепь прибора состоит из частотозависимого и частотонезависимого сопротивлений.

Итак, на плечи логометра подаются разные сигналы: на одно плечо измеряемый ток подается через частотонезависимую цепь, на другое - через частотозависимую цепь. В итоге стрелка прибора устанавливается в такое положение, в котором магнитные потоки токов через два плеча найдут равновесие.

Пример частотомера, работающего по такому принципу - советский М800, предназначенный в диапазоне от 900 до 1100 Гц в цепях передвижных и стационарных объектов. Потребляемая прибором мощность - 7 Вт.

Язычковый вибрационный частотомер имеет на своей шкале набор пластинок в форме упругих стальных язычков, причем каждый из язычков обладает собственной резонансной частотой механических колебаний. Резонансные колебания язычков возбуждаются посредством действия переменного магнитного поля электромагнита.

При прохождении анализируемого тока через цепь электромагнита, язычок с наиболее близкой резонансной частотой к частоте тока, начинает колебаться с наибольшей амплитудой. Частота резонансных колебаний каждого язычка отражена на шкале прибора. Так что визуальная индикация весьма отчетлива.

Пример вибрационного язычкового частотомера - прибор В80, который применяется для измерения частоты в цепях переменного тока. Диапазон частот - от 48 до 52 Гц, потребляемая мощность частотомера - 3,5 Вт.

Конденсаторный частотомер

Сегодня можно встретить конденсаторные частотомеры на диапазоны, входящие в интервал от 10 Гц до 10 МГц. Принцип работы этих приборов базируется на чередовании процессов заряда и разряда конденсатора. Конденсатор заряжается от батареи, затем разряжается на электромеханическую систему.

Частота повторений заряда-разряда совпадает с частотой исследуемого сигнала, ибо сам измеряемый сигнал задает импульс на переключение. Мы знаем, что заряд CU протекает за один рабочий цикл, следовательно протекающий через магнитоэлектрическую систему ток пропорционален частоте. Таким образом амперы пропорциональны герцам.

Пример конденсаторного частотомера с 21 диапазоном измерения - прибор Ф5043, применяемый для настройки низкочастотной аппаратуры. Минимальная измеряемая частота - 25 Гц, максимальная - 20 кГц. Потребление прибора в рабочем режиме - не более 13 Вт.

Для настройки и обслуживания приемопередающих устройств, для измерений несущих частот модулированных сигналов - полезны частотомеры гетеродинные. Частота исследуемого сигнала сравнивается с частотой сигнала гетеродина (вспомогательного перестраиваемого генератора) до достижения нулевых биений.

Нулевые биения свидетельствуют о совпадении частоты исследуемого сигнала с частотой гетеродина. Пример проверенного временем гетеродинного частотомера - ламповый «Волномер Ч4-1», используемый для градуировки передатчиков и приемников, работающих с незатухающими колебаниями. Рабочий диапазон прибора - от 125 кГц до 20 МГц.

Частота перестраиваемого резонатора сравнивается с частотой исследуемого сигнала. Резонатором служит колебательный контур, объемный резонатор или четвертьволновой отрезок линии. Исследуемый сигнал поступает к резонатору, с выхода резонатора сигнал идет на гальванометр.

Максимальные показания гальванометра свидетельствуют о наилучшем совпадении собственной частоты резонатора с частотой исследуемого сигнала. Оператор регулирует резонатор при помощи лимба. В некоторых моделях резонансных частотомеров применяются усилители для повышения чувствительности.



Пример резонансного частотомера - прибор Ч2-33, предназначенный для настройки приемников и передатчиков с частотами непрерывных и импульсно-модулированных сигналов от 7 до 9 ГГц. Потребление прибора не более 30 Вт.

Электронно-счетный частотомер просто считает количество импульсов. Считаемые импульсы формируются входными цепями из периодического сигнала произвольной формы. При этом интервал времени счета задается с опорой на кварцевый генератор прибора. Таким образом, электронно-счетный частотомер является прибором сравнения, точность которого зависит от качества эталона.

Электронно-счетные частотомеры являются приборами весьма универсальными, отличаются широкими диапазонами измерения частоты и высокой точностью. Например, диапазон измерений прибора Ч3-33- от 0,1 Гц до 1,5 ГГц, а точность составляет 0,0000001. Доступные измеряемые частоты повышаются до десятков гигагерц благодаря применению делителей в современных приборах.


В общем и целом, электронно-счетные частотомеры являются на сегодняшний день наиболее распространенными и востребованными профессиональными приборами данного назначения. Они позволяют не только измерять частоты, но позволяют также находить и длительности импульсов, и интервалы между ними, и даже вычислять отношения между частотами, не говоря о подсчете количества импульсов.

Лабораторная работа № 4

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННО-СЧЕТНОГО ЧАСТОТОМЕРА

Цель работы: Изучить метрологические характеристики, принципы работы, структурную схему, источники погрешностей электронно-счетного частотомера. Научиться оценивать погрешности результатов измерения частоты, обусловленные погрешностями частотомера. Получить практические навыки работы с частотомером.

Используемые приборы: электронно-счетный частотомер (ЭСЧ) Ч3-34А, генератор низкочастотных сигналов Г3-109.

Краткие теоретические сведения

Измерение частоты, частотомеры. Измерения частоты – наиболее точный и быстро развивающийся вид измерений. Во-первых, единица времени (частоты) является основной единицей системы СИ; во-вторых, определение секунды связано с пересчетом событий, а пересчет является самым точным методом измерений; в-третьих, повышение точности измерений частоты необходимо для прикладного использования в телекоммуникациях, навигации, космической отрасли. За последние 50 лет суммарная относительная погрешность первичных государственных эталонов на основе цезиевых реперов частоты уменьшилась с ± 1×10 -10 до ± 1,5×10 -15 , то есть точность возрастала на порядок за каждые 10 лет. Никакой другой вид измерений не имеет такого значительного прироста, ведь возрастание точности в 2–3 раза за 10 лет уже считается отличным показателем. Государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для средств измерений времени и частоты” можно разделить на 3 сегмента:

    рабочие средства измерения частоты с погрешностью не более ± 1×10 -7 ;

    рабочие эталоны частоты с погрешностью не более ± 1×10 -12 ;

    национальные и вторичные эталоны частоты с погрешностью менее ± 1×10 -13 .

Частотомер - измерительный прибор для определения частоты периодического процесса или частот гармонических составляющих спектра сигнала.

Классификация частотомеров

    По методу измерения- приборы непосредственной оценки (напр. аналоговые) и приборы сравнения (напр. резонансные, гетеродинные, электронно-счетные).

    По физическому смыслу измеряемой величины - для измерения частоты синусоидальных колебаний (аналоговые), измерения частот гармонических составляющих (гетеродинные, резонансные, вибрационные) и измерения частоты дискретных событий (электронно-счетные, конденсаторные).

    По исполнению (конструкции) - щитовые, переносные и стационарные.

    По области применения частотомеры включаются в два больших класса средств измерений - электроизмерительные приборы и радиоизмерительные приборы. Следует заметить, что граница между этими группами приборов весьма прозрачна.

В группу электроизмерительных приборов входят аналоговые стрелочные частотомеры различных систем, вибрационные, а так же, отчасти, конденсаторные и электронно-счетные частотомеры. В группу радиоизмерительных приборов входят резонансные, гетеродинные, конденсаторные и электронно-счетные частотомеры.

Резонансные частотомеры

Принцип действия резонансных частотомеров основан на сравнении частоты входного сигнала с собственной резонансной частотой перестраиваемого резонатора. В качестве резонатора может быть использован колебательный контур, отрезок волновода (объемный резонатор) или четвертьволновой отрезок линии. Контролируемый сигнал через входные цепи поступает на резонатор, с резонатора сигнал через детектор подается на индикаторное устройство (гальванометр). Для повышения чувствительности в некоторых частотомерах применяются усилители. Оператор настраивает резонатор по максимальному показанию индикатора и по лимбу настройки отсчитывает частоту. Их назначение - настройка, обслуживание, контроль работы приемопередающих устройств, измерение несущей частоты модулированных сигналов.

Конденсаторные частотомеры

Электронные конденсаторные частотомеры применяются для измерения частот в диапазоне от 10 до 1000Гц. Принцип таких частотомеров основывается на попеременном заряде конденсаторов от батареи с последующим его разрядом через магнитоэлектрический механизм. Этот процесс осуществляется с частотой, равной измеряемой частоте, поскольку переключение производится под воздействием самого исследуемого напряжения. За время одного цикла через магнитоэлектрический механизм будет протекать заряд Q = CU, следовательно, средний ток, протекающий через индикатор, будет равен I_ср = Qf_x = CUfx. Таким образом, показания магнитоэлектрического амперметра оказывается пропорциональны измеряемой частоте. Основная приведенная погрешность таких частотомеров лежит в пределах 2-3%. Их назначение - настройка и обслуживание низкочастотной аппаратуры

Аналоговые стрелочные частотомеры

Аналоговые частотомеры по применяемому измерительному механизму бывают электромагнитной, электродинамической и магнитоэлектрической систем. В основе работы их лежит использование частотозависимой цепи, модуль полного сопротивления которой зависит от частоты. Измерительным механизмом, как правило, является логометр, на одно плечо которого подается измеряемый сигнал через частотонезависимую цепь, а на другое - через частотозависимую, ротор логометра со стрелкой в результате взаимодействия магнитных потоков устанавливается в положение, зависящее от соотношений токов в обмотках. Бывают аналоговые частотомеры работающие на других принципах. Применяются для контроля сети электропитания.

Электронно-счетные частотомеры

Принцип действия электронно-счетных частотомеров (ЭСЧ) основан на подсчете количества импульсов, сформированных входными цепями из периодического сигнала произвольной формы, за определенный интервал времени. Интервал времени измерения также задается методом подсчета импульсов, взятых с внутреннего кварцевого генератора ЭСЧ или из внешнего источника (например стандарта частоты). Таким образом ЭСЧ является прибором сравнения, точность измерения которого зависит от точности эталонной частоты.

Принципы измерения частоты

Среди цифровых приборов частотно-временной группы электронно-счетные частотомеры (в дальнейшем цифровые частотомеры - ЦЧ) являются наиболее распространенными, что объясняется, их универсальностью, высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками.

В основу построения ЦЧ положены общие принципы, позволяющие реализовать ряд режимов работы прибора для измерения нескольких величин. Функционально полные ЦЧ позволяют измерять следующие величины: частоту, период, отношение двух частот (иногда выраженное в процентах), длительность импульса или интервала времени, задаваемого пользователем; предусматриваются также режим счета событий (импульсов) и использование ЦЧ как источника сигналов с известными (калиброванными) частотами. Режимы работы задаются и выбираются положением ряда переключателей (механических или электронных) и других органов управления. В более простых вариантах исполнения ЦЧ используются для измерения меньшего числа величин (например, одной или двух).

В любом режиме часть структуры ЦЧ остается неизменной и в ней происходит счет числа импульсов
, пропорционального измеряемой величине. Эти импульсы проходят через электронный ключ ЭК, находящийся в замкнутом состоянии, на счетчик импульсов СИ. Код числа, образующийся в СИ, поступает на цифровое отсчетное устройство ЦОУ. В состав ЦОУ входит многодекадный цифровой индикатор с перемещающейся, запятой и, как правило, индикатор с обозначением единиц измерения.

Время замкнутого состояния ЭК, называемое временем счета Т СЧ, определяется родом измеряемой величины, а его конкретное значение рядом соображений, о которых будет сказано ниже.

Структурная схема ЦЧ в этом режиме работы приведена на рис.1а.

Напряжение измеряемой частоты f x (рис.1б ) подается на вход формирующего устройства (ФУ), назначение которого - формирование сигнала стандартной формы при достаточно произвольной форме входного сигнала. Обычно в состав ФУ входят усилитель-ограничитель, обеспечивающий заданную амплитуду своего выходного сигнала, и формирователь для обеспечения малой длительности фронта и среза импульсов на выходе ФУ. Частота этих импульсов равна частоте входного сигнала (рис. 1в). Эти импульсы проходят через ЭК на СИ в течение времени счета Т с , которое задается генератором опорной частоты ГОЧ и делителем частоты ДЧ. Частота ГОЧ стабилизирована кварцевым резонатором. Необходимое Т с выбирается переключателем ВРЕМЯ СЧЕТА. При каждом запуске прибора на выходе ДЧ появляется один импульс (рис. 1в), под действием которого замыкается ЭК.

Число импульсов N x , прошедшее на СИ, определяется приближенной формулой

а значение измеряемой частоты


Измерение частоты при помощи вольтметра

Наиболее простым является косвенный способ измерения частоты, основанный на зависимости сопротивления реактивных элементов от частоты, протекающего по ним тока. Возможная схема измерений представлена на рис. 1.

Рис. 1.

К источнику колебаний частоты Fx подключается цепочка из безреактивного резистора R и конденсатора С с малыми потерями, параметры которых точно известны. Высокоомным вольтметром переменного тока V с пределом измерения, близким к значению входного напряжения, поочерёдно измеряются напряжения UR и UC на элементах цепочки. Поскольку

где I - ток в цепи, то отношение

UR/UC = 2рFxRC,

Fx = 1/(2рRC) * UR/RC

Входное сопротивление вольтметра V должно, по крайней мере, в 10 раз превышать сопротивление каждого из элементов цепочки. Однако влияние вольтметра можно исключить, если использовать его лишь в качестве индикатора равенства напряжений UR и UC, достигаемого, например, плавным изменением сопротивления R. В этом случае измеряемая частота определяется простой формулой:

Fx = 1/(2рRC) ? 0,16/(RC),

и при неизменной ёмкости конденсатора С переменный резистор R можно снабдить шкалой с отчётом в значениях Fx.

Оценим возможный порядок измеряемых частот. Если резистор R имеет максимальное сопротивление RM = 100 кОм, то при С = 0,01 мкФ, 1000 и 100 пФ верхний предел измерений составит соответственно 160, 1600 и 16000 Гц. При выборе RM = 10 кОм и тех же значениях ёмкостей эти пределы окажутся равными 1600 Гц, 16 и 160 кГц.

Эффективность метода зависит от точности подбора номиналов и качества элементов RС-цепочки.

Ёмкостные частотомеры

Для практических целей наиболее удобны прямопоказывающие частотомеры, позволяющие вести непрерывные наблюдения за частотой исследуемых колебаний по шкале стрелочного измерителя.

К ним относятся, прежде всего, ёмкостные частотомеры, действие которых основано на измерении среднего значения тока заряда или разряда опорного конденсатора, периодически перезаряжаемого напряжением измеряемой частоты f x . Эти приборы применяются для измерения частот от 5-10 Гц до 200-500 кГц.

При допустимой погрешности измерений примерно 3-5% они могут быть выполнены по простым схемам, один из вариантов которых представлен на рис. 2. Здесь транзистор Т1, работающий в ключевом режиме, управляется напряжением частоты f x , которое подводится к его базе с входного потенциометра R1. В отсутствие входного сигнала транзистор Т1 открыт, поскольку его база через резисторы R3 и R2 соединена с отрицательным полюсом источника питания.

При этом на резисторе R5 делителя R5, R2 создаётся падение напряжения U; последнее благодаря наличию конденсатора большой ёмкости С2 фиксируется в качестве напряжения питания транзисторного каскада и при быстрых периодических изменениях режима транзистора почти не меняется. При установке переключателя В в положение «U-» измеритель И, включённый последовательно с добавочным резистором R6, образует вольтметр, измеряющий постоянное напряжение U на конденсаторе С2, которое с помощью подстроечного резистора R2 поддерживается на определённом уровне, например 15 В.


Рис. 2.

В положительный полупериод входного напряжения частоты f x транзистор Т1 закрывается и напряжение на его коллекторе резко возрастает до значения U; при этом происходит быстрый заряд до напряжения, близкого к U, одного из конденсаторов С, зарядный ток которого протекает через измеритель И и диод Д2. В отрицательный полупериод транзистор Т1 открывается, его сопротивление становится очень малым, что приводит к быстрому и почти полному разряду конденсатора С током, протекающим через диод Д1. За один период измеряемой частоты количество электричества, сообщаемое конденсатору при заряде и отдаваемое им при разряде, q ? CU. Поскольку процесс заряда - разряда повторяется с частотой f x , то среднее значение I зарядного тока, регистрируемое измерителем И , оказывается пропорциональным этой частоте:

I = q*f x ? C*U*f x

Электронно-счётные (цифровые) частотомеры

Электронно-счётные частотомеры по своим возможностям являются универсальными приборами. Их основное назначение - измерение частоты непрерывных и импульсных колебаний, осуществляемое в широком частотном диапазоне (примерно от 10 Гц до 100 МГц) при погрешности измерений не более 0,0005%. Кроме того, они позволяют измерять периоды низкочастотных колебаний, длительности импульсов, отношения двух частот (периодов) и т. д.

Действие электронно-счётных частотомеров основано на дискретном счёте числа импульсов, поступающих за калиброванный интервал времени на электронный счётчик с цифровой индикацией. На рис. 4 приведена упрощённая функциональная схема прибора. Напряжение измеряемой частоты f x в усилительно-формирующем устройстве преобразуется в последовательность однополярных импульсов, повторяющихся с той же частотой f x . Для этой цели часто используется система из усилителя-ограничителя и триггера Шмитта, дополненная на выходе дифференцирующей цепочкой и диодным ограничителем. Временной селектор (электронный ключ с двумя входами) пропускает эти импульсы на электронный счётчик лишь в течение строго фиксированного интервала времени Дt, определяемого длительностью прямоугольного импульса, воздействующего на его второй вход. При регистрации счётчиком m импульсов измеряемая частота определяется формулой:

Например, если за время Дt = 0,01 с отмечено 5765 импульсов, то f x = 576,5 кГц.

Колебания выбранной (посредством переключателя В2) частоты f 0 (числовое значение последней является множителем к отсчёту по счётчику) с помощью триггера Шмитта преобразуются в прямоугольные колебания с частотой повторения f 0 . Под их действием в управляющем устройстве формируется интервальный импульс длительностью строго прямоугольной формы.

Дt = Т 0 = 1/f 0

Этот импульс вызывает сброс предыдущих показаний счётчика, а затем (с задержкой на несколько микросекунд) поступает на селектор и открывает его на время Дt для пропускания импульсов с частотой повторения f x .

После закрывания селектора число пропущенных им импульсов m фиксируется индикатором счётчика, а измеряемая частота определяется по формуле


Рис. 3. Упрощённая функциональная схема электронно-счётного (цифрового) частотомера

Кварцевые калибраторы

Из приборов повышенной точности, применяемых для измерения высоких частот, самыми простыми являются кварцевые калибраторы.

Они позволяют проверять шкалы радиоприёмных и радиопередающих (генераторных) устройств в ряде точек, соответствующих строго определённым (опорным) частотам.


Рис. 4.

Функциональная схема кварцевого калибратора приведена в наиболее полном варианте на рис. 4. Основным компонентом прибора является кварцевый генератор, работающий в таком режиме, что возбуждаемые им колебания имеют форму, резко отличную от синусоидальной, и потому содержат, кроме составляющей основной частоты f 0 , большое число гармоник, частоты которых равны 2f 0 , 3f 0 , 4f 0 и т. д., а амплитуды постепенно убывают с повышением частоты. Обычно удаётся использовать для измерений от десятков до нескольких сотен гармоник, которые имеют такую же высокую стабильность (обычно в пределах 0,01 - 0,001%), как и частота f 0) стабилизированная кварцевым резонатором (кварцем) в условиях отсутствия специальных устройств (например, термостатов), повышающих эффект стабилизации.

Колебания, возбуждаемые кварцевым генератором, подводятся к гнезду (или зажиму) связи Ан, который вместе с присоединённым к нему небольшим проводником или штырём играет роль приёмной или передающей антенны в зависимости от характера использования прибора. С целью экранировки прибор обычно помещают в металлический кожух.

Гетеродинные частотомеры

Гетеродинные частотомеры применяются для точных частотных измерений в плавном диапазоне высоких частот. В принципе гетеродинный частотомер отличается от кварцевого калибратора, лишь тем, что вместо кварцевого генератора в нем используется гетеродин, т. е. маломощный генератор с плавно регулируемой частотой настройки. Наличие смесителя позволяет использовать прибор не только для градуировки частотных шкал радиоприёмников, но и для измерения методом нулевых биений частоты генераторов. Индикация нулевых биений осуществляется телефонами, осциллографическими и электронно-световыми индикаторами, а также стрелочными измерителями.

Погрешность измерений гетеродинного частотомера в основном определяется стабильностью частоты гетеродина и погрешностью её установки. Поэтому часто предпочитают гетеродины выполнять на электронных лампах. Повышению стабильности частоты способствуют правильный выбор схемы и конструкции гетеродина, применение в нем деталей с малым температурным коэффициентом, включение буферного каскада между гетеродином и выходными цепями, стабилизация напряжений питания, длительный прогрев прибора под током перед измерениями. Для повышения плавности регулировки и точности установки частоты управление конденсатором настройки гетеродина обычно осуществляют через верньерный механизм с большим замедлением (до 100-300 раз). Непосредственный отсчёт частоты по шкале конденсатора переменной ёмкости производят лишь в самых простых конструкциях; в большинстве приборов шкала выполняется равномерной с очень большим числом делений (до нескольких тысяч), а отсчёт по ней переводится в частоту при помощи таблиц или графиков.

Резонансные частотомеры

Особенностями резонансных частотомеров, применяемых для измерения высоких и сверхвысоких частот, являются простота конструкции, быстрота функционирования и однозначность результатов измерений; погрешность измерений составляет 0,1-3%.

Принцип действия резонансных частотомеров основан на сравнении частоты входного сигнала с собственной резонансной частотой перестраиваемого резонатора. В качестве резонатора может быть использован колебательный контур, отрезок волновода (объемный резонатор) или четвертьволновой отрезок линии. Контролируемый сигнал через входные цепи поступает на резонатор, с резонатора сигнал через детектор подается на индикаторное устройство (гальванометр). Для повышения чувствительности в некоторых частотомерах применяются усилители. Оператор настраивает резонатор по максимальному показанию индикатора и по лимбу настройки отсчитывает частоту.

Измерение частоты с помощью осциллографа

Измеряемая частота может быть определена сравнением её с известной опорной частотой f o . Такое сравнение чаще всего производится с помощью электроннолучевого осциллографа или методами биений.

Электроннолучевые осциллографы применяются для измерения частот колебаний главным образом синусоидальной формы в диапазоне частот примерно от 10 Гц до значения, определяемого верхней границей полосы пропускания каналов отклонения; погрешность измерений практически равна погрешности калибровки источника колебаний (генератора) опорной частоты f 0 . Чаще всего измерения проводят при выключенной развёртке осциллографа, пользуясь схемой соединений, показанной на рис. 5. Напряжения измеряемой и известной частот подводят непосредственно или через усилители к различным парам отклоняющих пластин ЭЛТ (в зависимости от того, на какой вход осциллографа эти напряжения воздействуют, будем обозначать их частоты через f x и f y). Если эти частоты относятся друг к другу как целые числа, например 1:1, 1:2, 2:3 и т. п., то перемещение электронного луча приобретает периодический характер и на экране наблюдается неподвижное изображение, называемой фигурой Лиссажу. Форма этой фигуры зависит от соотношения амплитуд, частот и начальных фаз сравниваемых колебаний.


Рис. 5.

Рис. 6. Фигуры, наблюдаемые на экране при различных отношениях частот f x /f y

Определив отношение f x:f y и зная одну из частот, например f y , легко найти вторую частоту.

Предположим, что при известной частоте f y = 1000 Гц на экране получена фигура, изображённая на рис. 5. Из приведённого на чертеже построения видно, что эта фигура соответствует отношению частот f x = 3:4, откуда f x = 750 Гц.

T t или частотой fзап = 1/T.

Измеряемый сигнал (допустим синусоидальной формы, рис. 4.3, а ) подается на вход А и через регулируемый аттенюатор АT поступает на вход формирователя Ф а . На его выходе образуется последовательность коротких импульсов с частотой следования, равной измеряемой частоте fx.

Эта последовательность импульсов поступает на один из входов временного селектора ВС. На другой его вход через блок автоматики БА поступает последовательность прямоугольных управляющих импульсов, длительность которых определяет счетный интервал времени Tсч.

Эти импульсы формируются из напряжения опорного кварцевого генератора КГ путем деления его частоты в делителе частоты ДЧ (рис. 4.3, г). При коэффициенте деления n значение счетного интервала

Прошедшие за время счета через временной селектор N отсчитываются счетчиком импульсов Сч . В блоке индикации БИ определяется измеряемая частота

,

и полученное значение отображается на блоке индикации.

15. Принцип работы электронного частотомера при измерении периода

В основу метода дискретного счета заложено определение (подсчет) числа циклов периодического сигнала в течение некоторого счетного устанавливаемого интервала времени. Этот метод позволяет решить и обратную задачу, т. е. измерение временных интервалов путем определения числа специально сформированных счетных импульсов на измеряемом интервале времени.

Допустим, имеется интервал времени T , последовательность коротких импульсов с периодом следования t или частотой fзап = 1/T

Эти импульсы называют заполняющими, а частоту – частотой заполнения fзап. Число импульсов, попавших во временной интервал, равно N.

Соответствие между этими параметрами можно записать в виде выражения:

Сигнал со входа Б через аттенюатор А Т подается на формирователь Ф Б , где формируется последовательность импульсов где формируется последовательность импульсов с периодом, равным измеряемому периоду Tx , а на выходе блока автоматики БА – управляющий импульс длительностью Tx. При этом переключатель на входе БА находится в положении ТБ.

Путем умножения или деления частоты опорного кварцевого генератора КГ в базе времени БВ образуется последовательность коротких счетных импульсов с периодом . Эти импульсы также называют метками времени с периодом (частотой ).

Прошедшие за время счета через временной селектор N счетных импульсовпересчитываются в значение измеряемого периода , и результат отображается в отсчетном устройстве. Значение периода счетных импульсов (меток времени) может устанавливаться соответствующим дискретным переключателем.

Если переключатель на входе блока автоматики установить в положение Т Б 10, то в процессе измерения периода может осуществляться
усреднение серии измеренных его значений, что достигается путем дополнительного деления частоты измеряемого сигнала (или соответственно умножения измеряемого периода) в k раз. Тогда при отсчитанном числе счетных импульсов N и периоде t сч значение измеряемого периода будет.

16. Общие сведения о приборах для исследования формы, спектра нелинейных искажений сигнала

Осциллограф - это электронное устройство, имеющее канал y - вертикального отклонения, канал x – (ось времени) горизонтального отклонения и вспомогательный канал z - канал подсветки луча.

Анализатор спектра (АС) – это чувствительный селективный прибор, предназначенный для определения частотных составляющих сигнала т.е. спектра амплитуд.

Измеритель модуляции - измерительный прибор, предназначенный для определения характеристик модулированного радиосигнала - коэффициента амплитудной модуляции и (или)девиации частоты.

17. Структурная схема универсального осциллографа


Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) определяет принцип действия прибора, и от ее характеристик в значительной мере зависят параметры и возможности применения осциллографа в целом. В осциллографах используют главным образом ЭЛТ с электростатическим управлением лучом.

Принцип отображения формы напряжения на экране осциллографической трубки в общих чертах можно представить следующим образом.

Исследуемое напряжение является функцией времени, отображаемой в прямоугольных координатах графиком u = f (t ). Две пары пластин ЭЛТ отклоняют электронный луч в двух взаимно перпендикулярных направлениях, которые можно рассматривать как координатные оси. Поэтому для наблюдения на экране ЭЛТ исследуемого напряжения необходимо, чтобы луч отклонялся по горизонтальной оси пропорционально времени, а по вертикальной оси - пропорционально исследуемому напряжению (в каждый момент времени).

С этой целью к горизонтально отклоняющим пластинам подводят пилообразное напряжение, которое заставляет луч перемещаться по горизонтали с постоянной скоростью слева направо и быстро возвращаться обратно. Расстояние, проходимое лучом вдоль горизонтальной оси, получается пропорциональным времени.

Исследуемое напряжение подается на вертикально отклоняющие пластины, и, следовательно, положение луча в каждый момент времени однозначно соответствует значению исследуемого сигнала в этот момент. За время действия пилообразного напряжения луч вычерчивает кривую исследуемого сигнала. Наблюдаемое на экране изображение называют осциллограммой .

Канал вертикального отклонения Y , или канал сигнала, предназначен для передачи напряжения источника исследуемого сигнала на вход вертикально отклоняющих пластин ЭЛТ.

Канал горизонтального отклонения X , или канал развертки, служит для создания и передачи напряжения, вызывающего горизонтальное перемещение луча, преимущественно пропорционально времени.

Канал управления яркостью Z предназначен для передачи со входа Z на управляющий электрод ЭЛТ сигналов, модулирующих яркость свечения.

18. Назначение канала Y универсального осциллографа, основные параметры канала

Входное устройство (Аттенюатор) – масштабирует сигнал до уровня обозначенного в технических условиях, производит масштабирование сам оператор.

Предварительный усилитель(Эмиттерный повторитель) :

1. Усиливает сигнал

2. С приходом сигнала формирует синхроимпульс

3. Согласует Rвыхода с низкоомным входом линии задержки

Линия задержки задерживает сигнал до 140мкс, что обеспечивает получение на экране неискаженного сигнала.

Усилитель вертикального отклонения (УВО) который усиливает сигнал до установленной величины.

Канал Y служит для развертывания исследуемого сигнала по амплитуде (предназначен для передачи напряжения источника исследуемого сигнала на вход вертикально отклоняющих пластин ЭЛТ.)

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Частотомер - назначение и виды приборов

Частотом е р (неправ. частотометр) -- измерительный прибор для определения частоты периодического процесса или частот гармонических составляющих спектра сигнала.

Этот восьмиразрядный прибор может измерять частоту синусоидального и импульсного сигнала от 1 ГЦ до 50 МГц. Время измерения - 1 и 10 с. Частотомер построен на светодиодах с общим катодом. Особенностью данного частотомера является то, что в нем может быть использован любой кварц на частоты от 10 до 20 МГц. При этом в программе изменяются значения только двух регистров.

Собираясь сделать частотомер на PIC-контроллере, автор проверил схемы и программы, опубликованные в журналах. Оказалось, что только одна схема и программа были рабочими: это «Частотомер на PIC-контроллере» Д. Яблоков и В. Ульрих . Но этот частотомер имеет 3 разряда индикации с указанием их порядка. Такой точности в повседневной практике радиолюбителей явно недостаточно.

В частотомере применен микроконтроллер PIC16F873, который имеет 28 выводов. Это позволило использовать 16 выходов для непосредственного управления сегментами и разрядами светодиодов. Кроме того, этот микроконтроллер имеет три таймера с предделителями. Восьмиразрядный таймер TMR0 и его восьмиразрядный предделитель вместе с двумя дополнительными регистрами используются для подсчета измеряемой частоты. Извлечение значения предделителя выполняется известным способом, заключающимся в досчитывании значения предделителя до нуля, с одновременным подсчетом числа импульсов досчета. Таким образом, максимальная разрешающая способность счетчика составляет 32 двоичных разряда.

Таймер TMR1 имеет 16 разрядов и 3 разрядный предделитель. Этот таймер используется для формирования интервалов времени 0,1 секунды, а два последующих регистра-делителя на 10 формируют время измерения в 1 секунду и 10 секунд. При использовании кварцевых резонаторов на любую частоту достаточно сделать программную предварительную установку двух регистров таймера TMR1. При этом отпадает необходимость в точной подстройке частоты самого кварца.

Поскольку эти два таймера могут работать одновременно без участия АЛУ микроконтроллера, то появилась возможность использовать в качестве индикаторов светодиоды с динамической индикацией. На время прерываний по переполнению таймеров программа прекращает индикацию. Время, за которое выполняется прерывание, незначительно, поэтому визуально не отслеживается (видно только при частотах резонатора ниже 5 МГц).

Алгоритм работы программы частотомера показан на рис. 1, а расширенный алгоритм работы блоков: проверка кнопок, пуск измерения, досчитывание показан на рис. 1.1, 1.2, 1.3 соответственно.

После пуска и инициализации регистров микроконтроллера программа переходит к поразрядному выводу значений регистров индикации. После загрузки значения любого регистра индикации в порт выдерживается пауза в 2 миллисекунды. В каждом цикле отработки паузы декрементируется регистр паузы и проверяется значение флага 1 секунды. Если флаг равен единице, т.е. 1 секунда прошла, выполняется проверка состояния кнопок (рис. 1.1). При этом сбрасывается флаг 1 секунды. Далее проверяется состояние кнопки «Пуск». Если кнопка нажата, то проверяется флаг пуска. Если флаг пуска включен, т.е. пуск уже был, то он сбрасывается (запрещается счет). Если флаг пуска нулевой, то он устанавливается в единицу (разрешается счет). В этом цикле отработки паузы проверка кнопок прекращается. В следующих циклах, если кнопка «Пуск» не нажата, проверяется состояние кнопки времени измерения. Если кнопка времени измерения нажата, то изменяется флаг времени измерения на противоположный (1 сек. или 10 сек.).

После проверки кнопок проверяется значение флага пуска. Если частотомер в состоянии пуска, то проверяется флаг измерения. Если флаг единичный, то начался отсчет времени измерения, и программа переходит к пуску измерения (рис. 1.2). Но если пуск уже был выполнен и установлен флаг счета, то включение нового счета не производится. Если же счет не начат, то устанавливается флаг счета, обнуляются регистры досчета, разрешаются прерывания по переполнению TMR0 и открывается счетный вход. Счетный вход открывается установкой единицы на выходе RA5. От команды, открывающей счетный вход, и до команды, которая его закрывает, должно пройти время, равное времени измерения. Это время в зависимости от частоты выбранного кварцевого резонатора подбирается предварительной установкой регистров таймера TMR1.

В последующих циклах отработки паузы постоянно проверяется состояние флага счета. Как только флаг счета станет равным нулю, что говорит о прекращении времени измерения, начинается процесс извлечения значения предделителя таймера TMR0 (досчитывание, рис. 1.3). Дело в том, что непосредственная запись и считывание значения предделителя невозможно, но легко реализуется программно. Для этого на вход RA4 с выхода RA5 подаются импульсы, которые сформированы программно. При каждом импульсе значение предделителя увеличивается на единицу и одновременно с этим увеличивается значение младшего регистра счета L_B. Предварительно младший регистр счета обнуляется. Значение таймера TMR0 непосредственно переписывается в старший регистр счета H_B. После каждого сформированного программно импульса на предделитель проверяется изменение значения таймера. Если значение таймера изменилось, то досчитывание заканчивается. Таким образом осуществляется досчитывание значений предделителя до нуля, тем самым определяется значение предделителя, которое было после окончания прохождения измеряемых импульсов. Значение предделителя будет равно инвертированному значению младшего регистра счета L_B.

Программа переходит к перекодировке 32 разрядов двоичного числа в 9 разрядов двоично-десятичного числа. Девять разрядов для индикации не используются, но желательны для правильного отображения старшего разряда в режиме времени измерения 10 секунд. Например, если в режиме измерения 1 секунда три старших разряда будут равны 278, то в режиме 10 секунд двойка уйдет за пределы индикатора, а число 78 будет высвечиваться в старших разрядах индикатора. Таким образом можно точнее определить значение измеряемой частоты.

После окончания перекодировки сбрасываются все флаги. На время досчитывания запрещаются прерывания по переполнению таймера TMR1, а после окончания досчитывания выполняется новая установка регистров таймера, и разрешаются прерывания. После заполнения регистров индикации программа начинает новый цикл индикации с нулевого разряда.

Как было сказано выше, прерывания по переполнению таймера TMR1 происходят через 0,1 секунду и используются для формирования интервалов времени измерения. Алгоритм работы прерывания показан на рисунке 1.4.

После сохранения значений регистров инкрементируется регистр секунды и включается флаг выполнения измерения. Если регистр секунды еще не равен десяти, то выполняется установка регистров таймера и завершается прерывание. Установка младшего и старшего регистров таймера выполняется так, чтобы время досчитывания таймера TMR1 до нуля машинными циклами равнялось 0,1 секунды.

Если значение регистра секунды равно десяти, то проверяется флаг десяти секунд. Если флаг установлен, значит, включен режим измерения десяти секунд, поэтому обнуляется регистр секунды и инкрементируется регистр десяти секунд. Далее проверяется значение регистра десяти секунд на равенство десяти. Если значение регистра не равно десяти, то программа устанавливает регистры таймера и завершает прерывание. Если флаг десяти секунд не установлен, значит, закончилось время измерения, равное одной секунде, или если закончилось время измерения, равное десяти секундам, программа переходит к закрытию счетного входа. Обнуляются регистры времени измерения, сбрасывается флаг измерения, устанавливаются регистры таймера и прерывание завершается.

Во время счета измеряемой частоты прерывания по переполнению таймера TMR0 (рис. 1.5) возможны с любой точки программы. Если во время прерывания от TMR0 произошло прерывание по переполнению TMR1, то будет выполнено прерывание от TMR1, а после этого будет продолжаться выполнение прерывания от TMR0. Это необходимо для того, чтобы не увеличивать длительность времени измерения, следовательно, и погрешность счета.

Схема частотомера приведена на рис. 2.

Выходы порта В микроконтроллера используются для вывода значений сегментов светодиодов, а выходы порта С - для коммутации катодов разрядов. Выводы порта А RA0 и RA1 использованы как входы кнопок SB1 и SB2 соответственно «Время измерения» и «Пуск». Вывод RA5 соединен непосредственно со счетным входом RA4. С выхода RA5 на счетный вход подаются логический ноль, закрывающий вход для прохождения счетных импульсов и импульсы досчитывания.

Для превращения этого частотомера в полноценный измерительный прибор его необходимо снабдить широкополосным формирователем импульсов.

В частотомере применены две матрицы светодиодов с общим катодом фирмы «Kingbright» СС56-12GMR. Каждая матрица содержит четыре светодиода, предназначенных для динамической индикации. То есть, все одноименные сегменты светодиодов соединены между собой внутри блока. Первый вывод матрицы маркируется единичкой, которую видно под слоем герметика. Эти светодиоды приятного желто-зеленого цвета свечения имеют малый ток потребления (потребляемый ток частотомера менее 50 мA) и большие размеры цифр (высота цифры 15 мм). Естественно, можно использовать любые цифровые светодиоды с общим катодом, но тогда, возможно, потребуется подстройка яркости свечения резисторами R8-R15.

Если сделать небольшие изменения в программе, то можно использовать и светодиоды с общим анодом. Для этого в третьем блоке подпрограмм «Таблица сегментов для общего катода» необходимо заменить данные для «Катода» данными для «Анода», которые расположены как комментарии через точку с запятой. В следующей, четвертой подпрограмме индикации, метка ZIKL должна выглядеть так:

CLRF KATOD; ОБНУЛЯЕМ РЕГИСТР КАТОДОВ.

BSF KATOD,0; УСТАНАВЛИВАЕМ НУЛЕВОЙ БИТ

BCF STATUS,0; УСТАНОВИМ В 0 БИТ ЗАЕМА.

После этих замен разряды светодиодов будут переключаться высоким уровнем напряжения.

Микроконтроллер PIC16F873 можно заменить микроконтроллером PIC16F876, который тоже имеет 28 выводов и отличается увеличенной до 8 К памятью программ. При этом если вы программируете программатором PonyProg, то необходимо правильно установить тип микроконтроллера. В программе никаких изменений делать не нужно. Необходимо заметить, что микроконтроллер PIC16F873 требует более аккуратного обращения, чем PIC16F84. Вставлять и вынимать микроконтроллер в программатор и плату частотомера необходимо при выключенном питании. При плохом контакте с микросхемной панелькой микроконтроллер тоже может выйти из строя. Для того чтобы легче было вставлять и вынимать микросхему в панельку программатора, необходимо удалить незадействованные контакты микросхемной панельки.

Печатная плата частотомера показана на рис. 3, а расположение элементов на ней -- на рис. 4.

Со стороны установки элементов на верхней части платы до выводов микросхемы фольга не удаляется. Она является экраном для усилителя и соединяется с минусом питания пайкой в местах обозначенных черными точками. Все остальные отверстия над экраном раззенковываются. Поскольку четвертый вывод микроконтроллера не используется, то отверстие под него не сверлится, а четвертый контакт из микросхемной панельки удаляется. Размеры печатной платы определены размерами платы светодиодов, которая показана на рис. 5. Плата частотомера располагается за платой светодиодов.

Частотомер задумывался для работы с резонатором частотой 20 мГц, но мне не удалось раскачать отечественные кварцы. Все они возбуждались на низких частотах. В фирменной документации при использовании высокочастотных кварцев (HS) рекомендуется установка последовательно кварцу от вывода OSC2 резистора номиналом до 10 килоом. Но отечественные кварцы возбуждаться на собственной частоте не хотели. Аналогичный результат был получен и при подключении высокоомного (10-30 мОм) резистора параллельно входам OSC1 и OSC2. Естественно, при более высокой частоте резонатора частота будет измеряться точнее, но импортного резонатора мне достать не удалось. Для проведения подобного рода экспериментов по возбуждению кварца на печатной плате имеются дополнительные отверстия.

Калибровка частотомера

После изготовления частотомера необходимо выполнить его калибровку. Для этого необходимо в шестом блоке подпрограмм установить значения младшего (TMR1L) и старшего (TMR1H) регистров таймера TMR1, величина которых будет зависеть от значения используемого кварцевого резонатора. Увеличение значений регистров уменьшает время измерения, следовательно, уменьшает значение измеряемой частоты.

MOVLW 0x54; ПРЕДУСТАНОВКА РЕГИСТРОВ

MOVWF TMR1H; ТАЙМЕРА ДО ЗНАЧЕНИЯ 0,1 СЕК. (500 000 ПРИ 20 МГц).

MOVLW 0x07; (ПРИ ТОЧНОМ КВАРЦЕ 14 МГц

MOVWF TMR1L; УСТАНОВКА ДОЛЖНА БЫТЬ 55 45).

Определим для примера, какая должна быть установка регистров для резонатора с частотой F=14 мГц. Период импульсов равен: T=1/F=7,14 x 10- 8 . Один машинный цикл равен: F osc =4T=2,86 x 10- 7 . Разделим интервал времени 0,1 секунды на машинный цикл и получим число 349650. Столько машинных циклов «поместится» в 0,1 секунде. С помощью компьютерного калькулятора переведем это число в двоичный код и получим число: 1010101010111010 010. Три младших выделенных бита отбросим, поскольку они попадают на трехразрядный предделитель, а его мы установить не можем. Полученное двоичное число переведем в восьмиричное и получим число: АА ВА. Таким числом импульсов должен быть досчитан таймер, чтобы произошло прерывание через 0,1 секунды. Следовательно, необходимо найти дополнение этого числа до нуля: FF FF-AA BA=55 45. Именно это число должно быть установлено в регистрах таймера 1. Но если установить это число, то прерывания будут происходить ровно через 0,1 секунды, а нам необходимо, чтобы счетный вход RA4 открывался и закрывался через 1 или 10 секунд. А если учесть, что частота резонатора редко соответствует номинальной, то становится ясно, что это число нуждается в коррекции.

Для этого необходимо измерять частотомером образцовую частоту и производить изменения младшего регистра таймера до тех пор, пока показания индикатора будут соответствовать значению образцовой частоты. Образцовую частоту можно взять с любого промышленного частотомера или собрать простейший генератор на кварце и определить его частоту промышленным частотомером. Если у вас нет промышленного частотомера, то есть еще один способ получить более-менее точную частоту. Для этого необходимо иметь кварцевый резонатор с номиналом частоты, имеющим 4-5 цифр. Собрав генератор на таком кварце можно получить номинальную частоту с точностью указанных цифр.

Установка регистров таймера 1 не дает «абсолютной» точности потому, что мы не учитываем разрядов предделителя. Для учета этих разрядов перед закрытием счетного входа установлены команды коррекции. Для предела 1 секунда коррекция выполняется в метке СЕКХ, а для предела 10 секунд - СЕКС.

; MOVLW .1;ЭТИ 4 СТРОЧКИ НУЖНЫ ДЛЯ ТОЧНОЙ

; ADDLW -1 ;ПОДГОНКИ ВРЕМЕНИ ИЗМЕРЕНИЯ.

; BTFSS STATUS,2 ;ДЛЯ 1 СЕКУНДЫ.

Изменением числа в второй строчке и подстановкой «пустых» команд NOP, производят подгонку измеряемой частоты в пределах единиц герц. Увеличение значения при коррекции увеличивает время индикации. Необходимо помнить, что значение коррекции секунд входит в коррекцию десятков секунд умноженное на десять. Показания индикатора на обоих пределах должны совпадать. После окончания калибровки желательно проверить его работу по всему пределу измерения от 1 Гц до 50 мГц.

Если измерить частоту собственного кварца через конденсатор 68 - 200 пф, как это показано на рис. 2 пунктирной линией, то при любом резонаторе (в авторском варианте программы), получится частота: 14007 кГц. Это связано с тем, что на вход пройдет столько импульсов, сколько поместится в сформированном интервале. При кварце на большую частоту время измерения будет меньше, значит и импульсов пройдет меньше. Вернее столько, сколько и при резонаторе с частотой в 14 мГц. Изменение частоты в любую сторону вызовет обратно пропорциональное изменение времени измерения, но показания не изменятся. Становится понятным, что измерять частоту собственного резонатора можно только после окончания калибровки, да и то с целью определения точной частоты вашего резонатора.

Работа с частотомером

При подаче напряжения на индикаторе высветятся нули и запятая в третьем разряде. Запятая в третьем разряде говорит о том, что установлен режим одной секунды, а индикация осуществляется в килогерцах. При нажатии кнопки «Время измерения» запятая переместится в четвертый разряд, и частотомер перейдет в режим десяти секунд.

При нажатии кнопки «Пуск» частотомер начнет измерение. На время измерения в нулевом разряде высвечивается запятая. При закорачивании входа на корпус на индикаторе должны быть нули. Повторное нажатие кнопки «Пуск» остановит процесс измерения, но индикация измеряемой частоты сохранится. Переключение режима времени измерения можно выполнять без остановки измерения.

Частотомер на PIC16F873 и семисегментных индикаторах

частотомер измерительный прибор калибровка

Этот восьмиразрядный прибор может измерять частоту синусоидального и импульсного сигнала от 1 Гц до 50 МГц. Время измерения -- 1 и 10 с. Дисплей частотомера выполнен на семисегментных светодиодных индикаторах с общим катодом. Особенностью данного частотомера является то, что в нем может быть использован любой кварцевый резонатор на частоту в диапазоне 10...20 МГц.

В разработанном частотомере применен микроконтроллер PIC16F873 , который имеет 28 выводов. Это позволило использовать 16 выходов для непосредственного управления сегментами и разрядами светодиодных индикаторов. Кроме того, этот микроконтроллер имеет три таймера с предделителями. Восьмиразрядный таймер TMR0 и его восьмиразрядный предделитель вместе с двумя дополнительными регистрами используются для подсчета измеряемой частоты. Извлечение значения предделителя выполняется известным способом, заключающимся в досчитывании до нуля с одновременным подсчетом числа импульсов досчета. Таким образом, максимальная разрешающая способность счетчика составляет 32 двоичных разряда.

Таймер TMR1 имеет 16 разрядов и трехразрядный предделитель. Этот таймер используется для формирования интервалов времени 0,1 с, а два последующих регистра-делителя на 10 формируют время измерения в 1 и 10 с. При использовании кварцевых резонаторов на любую частоту достаточно сделать программную предварительную установку двух регистров таймера TMR1. При этом отпадает необходимость в точной подстройке частоты самого резонатора.

Поскольку эти два таймера могут работать одновременно без участия АЛУ микроконтроллера, появилась возможность обеспечить динамический запуск индикаторов. На время прерываний по переполнению таймеров программа прекращает индикацию. Время, за которое выполняется прерывание, незначительно, поэтому визуально не отслеживается (видно только при частотах резонатора ниже 5 МГц).

Схема частотомера приведена на рис. 1. Выходы порта В микроконтроллера используются для управления сегментами индикаторов, а выходы порта С -- для коммутации их катодов. Выводы порта A RA0 и RA1 управляются кнопками SB1 и SB2 (соответственно «Время измерения» и «Пуск»). Вывод RA5 соединен непосредственно со счетным входом RA4. С выхода RA5 на счетный вход подается лог. О, закрывающий вход для прохождения счетных импульсов, и импульсы досчитывания.

Для превращения этого частотомера в полноценный измерительный прибор его необходимо снабдить широкополосным формирователем импульсов. В частотомере применены две матрицы семисегментных индикаторов с общим катодом фирмы Kingbright CC56-12GMR. Каждая матрица содержит четыре индикатора, их одноименные сегменты соединены между собой внутри блока. Первый вывод матрицы маркируется единичкой, которую видно под слоем герметика. Эти индикаторы желто-зеленого цвета свечения имеют большие размеры цифр (высота цифры 15 мм) и малый ток потребления, что обеспечивает потребляемый частотомером ток менее 50 мА. Естественно, можно использовать любые цифровые индикаторы с общим катодом, но тогда, возможно, потребуется подстройка яркости свечения подбором резисторов R8--R15.

Если сделать небольшие изменения в программе, то можно использовать и светодиоды с общим анодом. Для этого в третьем блоке подпрограмм «Таблица сегментов для общего катода» необходимо заменить данные для «Катода» данными для «Анода», которые расположены как комментарии через точку с запятой. В следующей, четвертой подпрограмме индикации метка ZIKL должна выглядеть так:

CLRF KATOD; обнуляем регистр катодов

BSF KATOD, 0; устанавливаем нулевой бит

В метке INDZIKL перед сдвигом регистра KATOD необходимо установить нулевой бит переноса/заема:

BCF STATUS, 0; установим в 0 бит заема

После этих замен разряды индикаторов будут переключаться высоким уровнем.

Микроконтроллер PIC16F873 можно заменить на PIC16F876, который также имеет 28 выводов и отличается увеличенной до 8 К памятью программ. При этом, если вы пользуетесь программатором PonyProg, необходимо правильно установить тип микроконтроллера. В программе никаких изменений делать не нужно. Следует заметить, что микроконтроллер PIC16F873 требует более аккуратного обращения, чем PIC16F84. Вставлять и вынимать микроконтроллер в программатор и плату частотомера необходимо при выключенном питании. При плохом контакте с микросхемной панелькой микроконтроллер тоже может выйти из строя. Для того, чтобы легче было вставлять и вынимать микросхему в программатор, необходимо удалить неиспользуемые контакты микросхемной панельки.

Частотомер задумывался для работы с резонатором частотой 20 МГц, но мне не удалось раскачать отечественные резонаторы, все они возбуждались на низких частотах. В фирменной документации при использовании высокочастотных резонаторов (HS) рекомендуется установка последовательно с резонатором от вывода OSC2 резистора номиналом до 10 кОм. Но отечественные резонаторы возбуждаться на собственной частоте не хотели. Аналогичный результат был получен и при подключении высокоомного (10...30 МОм) резистора параллельно входам OSC1 и OSC2. Естественно, при более высокой частоте резонатора частота будет измеряться точнее, но импортный резонатор мне достать не удалось. Для проведения подобного рода экспериментов по возбуждению резонатора на печатной плате имеются дополнительные отверстия.

После изготовления частотомера необходимо выполнить его калибровку. Для этого необходимо в шестом блоке подпрограмм установить значения младшего (TMR1L) и старшего (TMR1H) регистров таймера TMR1, величина которых будет зависеть от значения частоты используемого кварцевого резонатора. Увеличение значений регистров уменьшает время измерения, следовательно, уменьшает значение измеряемой частоты.

MONLW 0x54; предустановка регистров

MOVWF TMR1H; Таймера до значения 0,1 сек.(500000 при 20МГц)

MOVLW 0x07; при точном резонаторе 14МГц

MOVWF TMR1L; установка должна быть 55 45

Определим, для примера, какая должна быть установка регистров для резонатора с частотой F = 14 МГц. Период импульсов равен: Т = 1/F = 7,14 х 10(-8). Один машинный цикл равен 4Т = = 2,86 х 10(-7). Разделим интервал времени 0,1 с на машинный цикл и получим число 349650. Столько машинных циклов «поместится» в 0,1 с. С помощью компьютерного калькулятора переведем это число в двоичный код и получим число 1010101010111010 010. Три младших выделенных бита отбросим, поскольку они попадают на трехразрядный предделитель, а его мы установить не можем. Полученное двоичное число переведем в восьмеричное и получим число АА ВА. Таким числом импульсов должен быть досчитан таймер, чтобы произошло прерывание через 0,1 с. Следовательно, необходимо найти дополнение этого числа до нуля: FF FF - АА ВА = = 55 45. Именно это число должно быть установлено в регистрах таймера 1. Но если установить это число, то прерывания будут происходить ровно через 0,1 с, а нам необходимо, чтобы счетный вход RA4 открывался и закрывался через 1 или 10 с. А если учесть, что частота резонатора редко соответствует номинальной, то становится ясно, что это число нуждается в коррекции.

Для этого необходимо измерять частотомером образцовую частоту и производить изменение младшего регистра таймера до тех пор, пока показания индикатора не станут соответствовать значению образцовой частоты. Образцовую частоту можно взять с любого промышленного частотомера или собрать простейший кварцованный генератор и определить его частоту промышленным частотомером. Если у вас нет промышленного частотомера, то есть еще один способ получить более-менее точную частоту. Для этого необходимо иметь кварцевый резонатор с номиналом частоты, имеющим 4 или 5 цифр. Собрав генератор на таком резонаторе, можно получить номинальную частоту с точностью указанных цифр.

Установка регистров таймера 1 не дает абсолютной точности потому, что мы не учитываем влияние разрядов предделителя. Для учета этих разрядов перед закрытием счетного входа установлены команды коррекции. Для предела «1 с» коррекция выполняется в метке СЕКХ, а для предела «10 с» -- СЕКС.

; MOVLW 1; эти 4 строчки нужны для точной подгонки времени измерения

; BTFSS STATUS.2 ;для 1 с.

Изменением числа во второй строчке и подстановкой «пустых» команд NOP производят подгонку измеряемой частоты в пределах единиц герц. Увеличение значения при коррекции увеличивает время индикации. Необходимо помнить, что значение коррекции секунд входит в коррекцию десятков секунд, умноженное на десять. Показания индикатора на обоих пределах должны совпадать. После окончания калибровки желательно проверить его работу по всему диапазону измерения от 1 Гц до 50 МГц.

Если измерить частоту собственного резонатора через конденсатор 68...200пФ, как это показано на рис. 1 штриховой линией, то при любом резонаторе (в авторском варианте программы) получится частота 14007 кГц. Это связано с тем, что на вход пройдет столько импульсов, сколько поместится в сформированном интервале. При резонаторе на большую частоту время измерения будет меньше, значит и импульсов пройдет меньше. Вернее столько, сколько и при резонаторе с частотой в 14 МГц. Изменение частоты в любую сторону вызовет обратно пропорциональное изменение времени измерения, но показания не изменятся. Становится понятным, что измерять частоту собственного резонатора можно только после окончания калибровки, да и то с целью определения точной частоты вашего резонатора.

При подаче напряжения питания на частотомер на индикаторе высветятся нули и запятая в третьем разряде. Эта запятая говорит о том, что установлен режим «1 с», а индикация осуществляется в килогерцах. При нажатии кнопки «Время измерения» запятая переместится в четвертый разряд и частотомер перейдет в режим «10 с».

При нажатии кнопки «Пуск» частотомер начнет измерение. На время измерения в нулевом разряде высвечивается запятая. При замыкании входа на общий провод на индикаторе должны быть нули. Повторное нажатие кнопки «Пуск» остановит процесс измерения, но индикация измеряемой частоты сохранится. Переключение режима времени измерения можно выполнять без остановки измерения.

Частотомер Э8004

Предназначен для измерения частоты в цепях переменного тока.

Основным конструктивным узлом прибора является измерительный механизм, состоящий из подвижной системы, магнитопровода, блока. Прибор имеет наружный экран для уменьшения влияния внешних магнитных полей.

Частотомер FC-8037

Артикул производителя: 10002003654

· Диапазон измерения частоты:

· - вход A, B: 0.1 Гц до 100 МГц

· - вход C: 80 МГц до 3.7 ГГц

· 9 разрядный дисплей с высоким разрешением (1 нГц/ 1 пс)

· Измерение периода, частоты, числа оборотов в минуту

· Высокая стабильность частоты термостабильного опорного кварцевого генератора: 1 ppm/год

· Встроенный ФНЧ (100 кГц, -3 dB) для точности измерений в НЧ-области

· Входной аттенюатор 10:1

· Режим связи входа AC/DC

· Интерфейс RS-232C

· Габариты: 270x240x90 (мм), вес 2.5 кг

Ч астотомер FC-8037

Частотомер с высокими техническими характеристиками обеспечивает быстрые и точные измерения частоты при приемлемой цене. Частотомер FC-8037 оптимизирован для применения в области высоких частот, с разрешением 9 разрядов в секунду, измеряет частоту, период и число оборотов в минуту. Частотомер управляется микропроцессором, чем достигается высокая точность измерений, и разрешающая способность при малом времени измерения.

· Регулировка уровня синхронизации

· Режим измерения временных интервалов

· Вход для подключения внешнего опорного генератора, 9-разрядный цифровой дисплей

· Аттенюатор

· Автопроверка

· Измерение периода повторения сигналов

· Подсчет общего количества импульсов

· Фильтр низких частот

· Линейный фильтр

Т ехнические характеристики частотомера FC-8037

характеристика частотомера FC-8037

значение

Диапазон измерения частоты: вход A, B

0.1 Гц до 100 МГц

Диапазон измерения частоты: вход C

80 МГц до 3.7 ГГц

9 разрядный с высоким разрешением (1 нГц/ 1 пс)

Встроенный ФНЧ для точности измерений в НЧ-области

100 кГц, -3 dB

Входной аттенюатор

Режим связи входа

Интерфейс

Функция фиксации текущего показания

Высокая чувствительность для внешнего опорного генератора

Обратный метод для высокого разрешения при низких частотах

Режим самодиагностики

Габариты

270x240x90 (мм), вес 2.5 кг

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

    Цифровой частотомер с программным управлением, его применение, принцип действия и технические характеристики. Функционирование основных блоков цифрового частотомера. Описание и расчёт основных элементов схемы электрической принципиальной частотомера.

    курсовая работа , добавлен 27.02.2009

    Построение структурной, функциональной и принципиальной схемы цифрового частотомера. Измерение частоты электрических колебаний от единиц герц до 10 МГц и амплитудой от 0,15 до 10 В с ведением счета числа импульсов входного сигнала. Выбор элементной базы.

    курсовая работа , добавлен 26.01.2015

    Методы и средства определения частоты электрических сигналов. Временное и спектральное представление. Сигналы электросвязи. Ширина полосы частот сигнала. Конструкция передающей трубки. Графики, иллюстрирующие работу устройства цифрового частотомера.

    контрольная работа , добавлен 10.01.2014

    Принцип работы цифрового частотомера, собранного на отечественном микроконтроллере КР1878ВЕ1. Входная формирующая цепь. Внешний генератор тактовых импульсов и устройство индикации. Стабилизатор напряжения питания для входной цепи и устройства индикации.

    курсовая работа , добавлен 23.08.2011

    Разработка пространственной конструкции и компоновка декодера. Аналитическое обоснование конструктивных решений. Разработка технологии изготовления модуля частотомера и печатной платы в САПР. Расчет технико-экономических показателей поточной линии сборки.

    курсовая работа , добавлен 09.06.2010

    Проектирование электронного устройства в состав, которого входит электронный усилитель электрического тока, устройство усиления частоты усиливаемого им сигнала. Расчет входной, выходной и промежуточной частей усилителя, электронно-счётного частотомера.

    контрольная работа , добавлен 28.12.2014

    Моделирование генератора с кварцевым резонатором, оценка его добротности и стабильности. Разработка электронно-счетного частотомера; расчет параметров его структурных компонентов (мультивибратора, индикатора, триггера). Конструирование блока питания.

    курсовая работа , добавлен 27.04.2011

    Высокочастотные амперметры, виды разверток и синхронизация в универсальном электронно-лучевом осциллографе. Электронно-счетный частотомер при измерении частоты СВЧ сигналов. Аналоговые измерители спектральной плотности мощности случайного сигнала.

    контрольная работа , добавлен 27.01.2010

    Рассмотрение конструкции реостатного измерительного преобразователя и принципа его работы. Изучение структурной схемы преобразования аналогового сигнала с измерительного регулятора в цифровую форму. Исследование принципа работы параллельного АЦП.

    контрольная работа , добавлен 15.01.2012

    Рассмотрение устройства, принципа действия и погрешностей импульсных и селективных вольтметров, универсальных электролучевых осциллографов, серийных цифровых частотомеров, измерителей индуктивности, емкости и корреляционной функции случайного сигнала.