Меню

Измерение частоты следования импульсов



Частота следования импульсов — Pulse repetition frequency

Частота повторения импульсов ( PRF ) — это количество импульсов повторяющегося сигнала в определенной единице времени, обычно измеряемое в импульсах в секунду . Этот термин используется в ряде технических дисциплин, в частности в радиолокации .

В радаре включается и выключается радиосигнал определенной несущей частоты ; термин «частота» относится к несущей, в то время как PRF относится к количеству переключателей. Оба измеряются в циклах в секунду или в герцах . PRF обычно намного ниже частоты. Например, типичный радар времен Второй мировой войны, такой как радар Type 7 GCI, имел базовую несущую частоту 209 МГц (209 миллионов циклов в секунду) и частоту повторения импульсов 300 или 500 импульсов в секунду. Связанная мера — это ширина импульса , время, в течение которого передатчик включается во время каждого импульса.

PRF — одна из определяющих характеристик радиолокационной системы, которая обычно состоит из мощного передатчика и чувствительного приемника, подключенных к одной антенне. После создания короткого импульса радиосигнала передатчик выключается, чтобы приемные устройства могли слышать отражения этого сигнала от удаленных целей. Поскольку радиосигнал должен идти к цели и обратно, требуемый период молчания между импульсами является функцией желаемой дальности действия радара. Для сигналов большего диапазона требуются более длительные периоды, требующие более низких значений PRF. И наоборот, более высокие частоты повторения импульсов производят более короткие максимальные дальности, но передают больше импульсов и, следовательно, радиоэнергии в заданное время. Это создает более сильные отражения, облегчающие обнаружение. Радиолокационные системы должны уравновешивать эти два конкурирующих требования.

Используя более старую электронику, PRF обычно фиксировались на определенном значении или могли переключаться между ограниченным набором возможных значений. Это дает каждой радиолокационной системе характерный PRF, который может использоваться в радиоэлектронной борьбе для определения типа или класса конкретной платформы, такой как корабль или самолет, или, в некоторых случаях, конкретного подразделения. Приемники радиолокационных предупреждений в самолетах включают библиотеку общих PRF, которые могут идентифицировать не только тип радара, но в некоторых случаях режим работы. Это позволяло, например, предупреждать пилотов, когда батарея ЗРК SA-2 «заблокировалась». Современные радиолокационные системы обычно способны плавно изменять свою частоту повторения импульсов, ширину импульса и несущую частоту, что значительно затрудняет идентификацию.

У сонарных и лидарных систем также есть PRF, как и в любой импульсной системе. В случае эхолота термин частота повторения импульсов ( PRR ) более распространен, хотя он относится к той же концепции.

СОДЕРЖАНИЕ

Вступление

Электромагнитные (например, радио- или световые) волны являются концептуально чистыми одночастотными явлениями, в то время как импульсы математически можно представить как составленные из ряда чистых частот, которые суммируются и обнуляются во взаимодействиях, которые создают последовательность импульсов определенных амплитуд, PRR, базовых частот, фазовые характеристики и т. д. (см. анализ Фурье ). Первый термин (PRF) чаще встречается в технической литературе по устройствам ( электротехника и некоторые науки), а последний (PRR) чаще используется в военно-аэрокосмической терминологии (особенно терминологии вооруженных сил США) и спецификациях оборудования, таких как обучение и технические руководства на радиолокационные и гидроакустические системы.

Взаимными из PRF (или ПРР) называется время повторения импульсов ( PRT ), повторения импульсов интервала ( PRI ), или период между импульсами ( ИПП ), который является время , прошедшее от начала одного импульса к началу следующий импульс. Термин IPP обычно используется для обозначения количества периодов PRT, подлежащих цифровой обработке. Каждый PRT имеет фиксированное число вентилей диапазона, но не все из них используются. Например, радар APY-1 использовал 128 IPP с фиксированными 50 стробами диапазона, создавая 128 доплеровских фильтров с использованием БПФ. Различное количество ворот на каждом из пяти PRF меньше 50.

В радиолокационной технологии PRF важен, поскольку он определяет максимальную дальность до цели ( R max ) и максимальную доплеровскую скорость ( V max ), которые могут быть точно определены радаром. И наоборот, высокий PRR / PRF может улучшить распознавание целей более близких объектов, таких как перископ или быстро движущаяся ракета. Это приводит к использованию низких PRR для поисковых радаров и очень высоких PRF для радаров управления огнем. Многие многоцелевые и навигационные радары, особенно военно-морские конструкции с переменными PRR, позволяют опытному оператору настраивать PRR для улучшения и прояснения радиолокационной картины — например, в плохих условиях моря, когда действие волн вызывает ложные отражения, и в целом для уменьшения помех. или, возможно, лучший ответный сигнал от видного объекта ландшафта (например, обрыва).

Определение

Частота повторения импульсов (PRF) — это количество раз, когда импульсная активность происходит каждую секунду.

Это похоже на цикл в секунду, используемый для описания других типов сигналов.

ЧСС обратно пропорциональна периоду времени, который является свойством импульсной волны. Т <\ Displaystyle \ mathrm >

Т знак равно 1 PRF <\ displaystyle \ mathrm = <\ frac <1><\ text >>>

PRF обычно ассоциируется с интервалом между импульсами, который представляет собой расстояние, которое проходит импульс до появления следующего импульса.

Интервал между импульсами знак равно Скорость распространения PRF <\ displaystyle <\ text <Интервал между импульсами>> = <\ frac <\ text <Скорость распространения>> <\ text >>>

Физика

PRF имеет решающее значение для выполнения измерений определенных физических явлений.

Например, тахометр может использовать стробоскоп с регулируемой частотой повторения импульсов для измерения скорости вращения. PRF для стробоскопа регулируется в сторону увеличения от низкого значения до тех пор, пока вращающийся объект не будет казаться неподвижным. Тогда PRF тахометра будет соответствовать скорости вращающегося объекта.

Другие типы измерений включают расстояние с использованием времени задержки для отраженных эхо-импульсов от света, микроволн и передачи звука.

Измерение

PRF имеет решающее значение для систем и устройств, измеряющих расстояние.

Различные PRF позволяют системам выполнять очень разные функции.

Радиолокационная система использует радиочастотный электромагнитный сигнал, отраженный от цели, для определения информации об этой цели.

PRF требуется для работы радара . Это скорость, с которой импульсы передатчика отправляются в воздух или космос.

Неопределенность диапазона

Радиолокационная система определяет дальность действия через временную задержку между передачей и приемом импульса по соотношению:

Классифицировать знак равно c τ 2 <\ displaystyle <\ text > = <\ frac <2>>>

Для точного определения дальности импульс должен быть передан и отражен до того, как будет передан следующий импульс. Это приводит к максимальному однозначному пределу диапазона:

Максимальный диапазон знак равно c τ PRT 2 знак равно c 2 PRF < τ PRT знак равно 1 PRF <\ displaystyle <\ text > = <\ frac >> <2>> = <\ frac <2 \, <\ text > >> \ qquad <\ begin \ tau _ <\ text > = <\ frac <1><\ text >> \ end >>

Максимальная дальность также определяет неопределенность дальности для всех обнаруженных целей. Из-за периодической природы импульсных радиолокационных систем для некоторых радиолокационных систем невозможно определить разницу между целями, разделенными целыми кратными максимальной дальности, с использованием одного PRF. Более сложные радиолокационные системы позволяют избежать этой проблемы за счет использования нескольких PRF одновременно на разных частотах или на одной частоте с изменяющимся PRT.

Процесс разрешения неоднозначности диапазона используется для определения истинного диапазона, когда PRF превышает этот предел.

Читайте также:  Методика изучения площади единицы измерения площади

Низкий PRF

Системы, использующие PRF ниже 3 кГц, считаются низкой PRF, потому что прямая дальность действия может быть измерена на расстоянии не менее 50 км. Радиолокационные системы, использующие низкий PRF, обычно обеспечивают однозначную дальность.

Однозначная доплеровская обработка становится все более сложной задачей из-за ограничений когерентности, поскольку PRF падает ниже 3 кГц.

Например, радар L-диапазона с частотой следования импульсов 500 Гц выдает неоднозначную скорость выше 75 м / с (170 миль / час) при обнаружении истинной дальности до 300 км. Эта комбинация подходит для радаров гражданских самолетов и метеорологических радаров .

Дальность 300 км знак равно C 2 × 500 <\ displaystyle <\ text <300 км>> = <\ frac <2 \ times 500>>> Скорость 75 м / с знак равно 500 × C 2 × 10 9 <\ displaystyle <\ text <скорость 75 м / с>> = <\ frac <500 \ times C><2 \ times 10 ^ <9>>>>

РЛС с низкой частотой повторения импульсов имеют пониженную чувствительность при наличии низкоскоростных помех, которые мешают обнаружению самолетов вблизи местности. Индикатор движущейся цели обычно требуется для приемлемых характеристик вблизи местности, но при этом возникают проблемы с зубчатостью радара, которые усложняют приемник. РЛС с низкой частотой повторения импульсов, предназначенные для обнаружения самолетов и космических аппаратов, сильно страдают от погодных явлений, которые невозможно компенсировать с помощью индикатора движущейся цели.

Средняя PRF

Дальность и скорость можно определить с помощью средней частоты повторения импульсов, но ни один из них не может быть идентифицирован напрямую. Средняя частота повторения импульсов составляет от 3 до 30 кГц, что соответствует дальности действия РЛС от 5 до 50 км. Это неоднозначный диапазон, который намного меньше максимального диапазона. Разрешение неоднозначности дальности используется для определения истинной дальности в радаре со средней частотой повторения импульсов.

Средняя частота повторения импульсов используется с импульсным доплеровским радаром , который необходим для наблюдения / сбивания в военных системах. Обратный сигнал доплеровского радара обычно не является неоднозначным до тех пор, пока его скорость не превысит скорость звука.

Для определения истинной дальности и скорости требуется метод, называемый разрешением неоднозначности . Доплеровские сигналы находятся в диапазоне от 1,5 кГц до 15 кГц, что является слышимым, поэтому аудиосигналы от радарных систем со средней частотой повторения импульсов можно использовать для пассивной классификации целей.

Например, радиолокационная система L-диапазона, использующая частоту повторения импульсов 10 кГц с рабочим циклом 3,3%, может определять истинную дальность до 450 км (30 * C / 10 000 км / с). Это инструментальный диапазон . Однозначная скорость составляет 1500 м / с (3300 миль / час).

450 км знак равно C 0,033 × 2 × 10 , 000 <\ displaystyle <\ text <450 км>> = <\ frac <0,033 \ times 2 \ times 10 000>>> 1500 м / с знак равно 10 , 000 × C 2 × 10 9 <\ displaystyle <\ text <1 500 м / с>> = <\ frac <10 000 \ times C><2 \ times 10 ^ <9>>>>

Однозначная скорость радара L-диапазона, использующего частоту повторения импульсов 10 кГц, составит 1500 м / с (3300 миль / час) (10000 x C / (2 x 10 ^ 9)). Истинная скорость может быть найдена для объектов, движущихся со скоростью менее 45 000 м / с, если полосовой фильтр пропускает сигнал (1 500 / 0,033).

Средняя частота повторения импульсов имеет уникальные проблемы с зубчатостью радара, которые требуют избыточных схем обнаружения.

Высокий PRF

Системы, использующие частоту повторения импульсов выше 30 кГц, работают более известные как радар с непрерывной непрерывной волной (ICW), поскольку прямая скорость может быть измерена до 4,5 км / с в диапазоне L , но разрешение по дальности становится более трудным.

Высокая частота повторения импульсов ограничена системами, требующими работы вблизи, такими как бесконтактные предохранители и радар правоохранительных органов .

Например, если во время фазы покоя между импульсами передачи отбирается 30 выборок с использованием PRF 30 кГц, то истинный диапазон может быть определен максимум до 150 км с использованием 1 микросекундных выборок (30 x C / 30 000 км / с). Отражатели за пределами этого диапазона могут быть обнаружены, но истинный диапазон не может быть идентифицирован.

150 км знак равно 30 × C 2 × 30 , 000 <\ displaystyle <\ text <150 км>> = <\ frac <30 \ times C><2 \ times 30 000>>> 4500 м / с знак равно 30 , 000 × C 2 × 10 9 <\ displaystyle <\ text <4500 м / с>> = <\ frac <30 000 \ times C><2 \ times 10 ^ <9>>>>

Становится все труднее брать несколько выборок между импульсами передачи на этих частотах импульсов, поэтому измерения дальности ограничиваются короткими расстояниями.

Сонар

Гидролокаторы работают так же, как радары, за исключением того, что среда является жидкостью или воздухом, а частота сигнала — звуковая или ультразвуковая. Как и радар, более низкие частоты распространяют относительно более высокие энергии на большие расстояния с меньшей разрешающей способностью. Более высокие частоты, которые затухают быстрее, обеспечивают повышенное разрешение близлежащих объектов.

Сигналы распространяются со скоростью звука в среде (почти всегда в воде), а максимальная частота повторения импульсов зависит от размера исследуемого объекта. Например, скорость звука в воде составляет 1497 м / с, а толщина человеческого тела составляет около 0,5 м, поэтому частота повторения импульсов для ультразвуковых изображений человеческого тела должна быть меньше примерно 2 кГц (1497 / 0,5).

Другой пример: глубина океана составляет примерно 2 км, поэтому звук возвращается с морского дна за секунду. По этой причине сонар — очень медленная технология с очень низким PRF.

Лазерный

Световые волны можно использовать в качестве радиолокационных частот, и в этом случае система известна как лидар. Это сокращение от «LIght Detection And Ranging», аналогичное первоначальному значению инициализма «RADAR», которое было RAdio Detection And Ranging. С тех пор оба слова стали широко используемыми английскими словами и поэтому являются скорее сокращениями, чем инициализмами.

Лазерный дальномер или другие дальномеры светового сигнала работают так же, как радар, на гораздо более высоких частотах. Нелазерное обнаружение света широко используется в автоматизированных системах управления машинами (например, электрические глаза, управляющие воротами гаража, сортировочными воротами конвейера и т. Д.), А те, которые используют обнаружение частоты пульса и ранжирование, по сути, являются системами того же типа, что и радар — без наворотов человеческого интерфейса.

В отличие от более низких частот радиосигнала, свет не огибает изгиб Земли и не отражается от ионосферы, как сигналы поисковых радаров C-диапазона, поэтому лидар полезен только в приложениях прямой видимости, таких как высокочастотные радарные системы.

Источник

Измерение частоты и периода повторения сигнала

Основной единицей измерения частоты сигнала является герц, но ввиду его малости в электронике используют кратные единицы:

• килогерц (1 кГц = 10 3 Гц);

• мегагерц (1 МГц = 10 6 Гц);

• гигагерц (1 ГГц = 10 9 Гц).

Частота сигнала измеряется электронными и электромеханически­ми частотомерами.

В каталоговой классификации электронные частотомеры обозна­чаются следующим образом: Ч1 — образцовые (стандарты частоты и времени), Ч2 — резонансные, Ч3 — электронные, Ч4 — гетеродин­ные волномеры (сняты с производства), Ч5 — преобразователи часто­ты, Ч6 — синтезаторы, делители, умножители частоты.

Электромеханические частотомеры независимо от используемой системы преобразования обозначаются по единице измерения — Гц (международное обозначение — Hz).

В практике электротехнических измерений в большинстве случаев измеряют линейную частоту, которую исторически в радиоэлектронике обозначают буквой f (высокие частоты) или буквой F (низкие частоты). Гармонические сигналы характеризуются также угловой (кру­говой) частотой ω:

Угловая частота равна изменению фазы сигнала φ(t)в единицу вре­мени. Для низких частот угловая частота записывается как Ω F, для высоких — как ω = 2πf.

Читайте также:  Формы изменчивости ощущений измерение ощущений

При непостоянстве частоты используется понятие мгновенной угловой частоты:

,

где f (t) мгновенная циклическая частота.

При описании методов измерения частоты будем подразумевать ее среднее значение за время измерения.

Под линейной частотой понимают число колебаний в единицу времени

(5.2)

Наряду с частотой на ВЧ и СВЧ часто используют длину волны электромагнитных колебаний λ , которая связана с линейной частотой зависимостью

, (5.3)

где с — скорость света: с = 3 • 10 8 м/с.

Реже измеряют период электромагнитных колебаний Т,связанный с линейной частотой обратной зависимостью:

(5.4)

Таким образом, параметры F, T и λсвязаны между собой и при не­обходимости можно измерить любой из них.

Приборы, измеряющие частоту сигнала, называются частотомера­ми, длину волны — волномерами, период — периодомерами.

Так как все три параметра электрических сигналов являются важ­нейшими в электронных и телекоммуникационных системах, то при­боры, используемые для частотно-временных измерений, образуют единый комплекс аппаратуры, позволяющей проводить измерения с непосредственной их привязкой к Государственному эталону часто­ты и времени, что гарантирует высокую точность измерений.

Наряду с названными в соответствии с каталоговой классификацией приборами, частоту можно измерять осциллографическими (косвен­ными) методами, которые были рассмотрены ранее.

Спектр частот электромагнитных колебаний, используемый в электронике, простирается от долей герца до десятков гигагерц. Этот спектр условно можно разделить на два диапазона:

· низкие частоты, к которым относятся инфразвуковые — ниже 20 Гц, звуковые — 20 Гц. 20 кГц, ультразвуковые — 20 . 200 кГц;

· высокие частоты, к которым относятся собственно высокие — 200 кГц. 30 МГц, ультра- или сверхвысокие — выше 30 МГц.

В зависимости от участка спектра частот электромагнитных коле­баний применяются различные методы измерения, которые подразде­ляются на низко- и высокочастотные. Приборы для измерения низких и высоких частот также называются низко- и высокочастотными.

При измерении низких (промышленных) частот (до 1000 Гц) ши­роко используются электромеханические частотомеры на основе элек­тромагнитной, электродинамической, ферродинамической, выпрями­тельной, вибрационной систем.

Электромеханические частотомеры имеют малые габаритные раз­меры, не требуют источников питания, недороги, однако имеют су­щественный недостаток — ограниченный диапазон измерения частот, поэтому используются в основном как контролирующие приборы.

Для измерения низких частот применяют осциллографические методы (методы сравнения), используемые чаще для градуировки шкал генераторов различных измерительных приборов. При реали­зации этого метода требуется генератор образцовой частоты более высокой точности и осциллограф. К осциллографическим методам относятся метод фигур Лиссажу, метод яркостной модуляции и ме­тод использования калиброванной линейной развертки осциллогра­фа. Все названные методы рассмотрены достаточно подробно ранее. Погрешность измерения третьим методом зависит от нелинейности развертывающего напряжения, а также от погрешности отсчета ли­нейных размеров периода и качества фокусировки и яркости луча на экране осциллографа.

В настоящие время для измерения низких частот широко исполь­зуются электронные цифровые частотомеры (Ч3), практически вытес­нившие конденсаторные частотомеры.

Цифровые частотомеры, в основу измерения которыми положен метод дискретного счета, характеризуются очевидными достоинства­ми:

высокой точностью измерений, т.е. малой относительной погрешностью измерения частоты (10 -6 . 10 -9 );

возможностью успешного использования на низких и на высоких частотах (от десятых долей герц до сотен мегагерц);

исключением субъективной ошибки оператора;

возможностью обработки результатов измерения с помощью микропроцессора и персонального компьютера;

возможностью наряду с измерением частоты измерения периода повторения сигнала, отношения частот, длительности импульсов.

На рисунке 5.1 приведена упрощенная структурная схема цифро­вого частотомера и временные диаграммы, поясняющие его работу в режиме измерения частоты.

Рис. 5.1. Упрощенная структурная схема цифрового частотомера (а) и временные диаграммы, поясняющие его работу в режиме измерения частоты сигнала (б)

При измерении частоты сигнала методом дискретного счета иссле­дуемый сигнал с частотой Fx подается на входное устройство, в котором усиливается или ослабляется до значения, необходимого для ра­боты блока формирования сигнала.

Поступающий в блок формирования 1 гармонический сигнал U1 преобразуется в последовательность коротких однополярных импульсов U2 со счетным периодом повторения Тх= . Передние фронты счетных импульсов практически совпадают с моментом пе­рехода сигнала U1 через нулевое значение на оси времени при его воз­растании.

Затем счетные импульсы поступают на один из входов временного селектора (электронного ключа), а на другой его вход с выхода кварце­вого генератора подаются импульсы прямоугольной формы, калибро­ванные по длительности, с периодом повторения T > Tx для последую­щего их формирования в блоке формирования 2. Временной селектор открывается импульсом U3 и в течение времени его действия пропу­скает пакет импульсов U2 на вход счетчика. В результате на счетчик импульсов поступает п импульсов напряжением U4. To есть метод дис­кретного счета состоит в подсчете числа периодов измеряемой частоты Fx за известный высокостабильный интервал времени T0. В результате измерения получим

,

(5.5)

В счетчике число прошедших импульсов фиксируется в виде элект­рического кода, который затем преобразуется в десятичный код, вы­свечиваемый на цифровом индикаторе.

Действительная относительная погрешность измерения частоты определяется формулой

(5.6)

Из анализа формулы (5.6) следует, что чем ниже значение измеряе­мой частоты Fx, тем больше должна быть погрешность. Поэтому для получения меньшей погрешности измерения низких частот увеличи­вается время измерения T. Следовательно, измерение низких частот требует большего времени измерения.

Для варьирования Т в составе делителя кварцевого генератора имеется декадный делитель частоты с коэффициентом kд(каждая де­када уменьшает частоту кварца F в десятки раз). Период импульсов на выходе блока формирования 2 и длительность строб импульса равны периоду сигнала на выходе делителя частоты, т.е.

и выражение (5.5) можно представить в виде

(5.7)

Отношение изменяют варьированием kдт.е. за счет изменения числа декад делителя.

Погрешность измерения частоты имеет систематическую и слу­чайную составляющие. Систематическая составляющая обусловлена главным образом долговременной нестабильностью частоты кварце­вого генератора F, которую уменьшают термостатированием кварца или применением в генераторе термокомпенсирующих элементов. Погрешность за счет неточности установки частоты F уменьшают калибровкой генератора по сигналам эталонных значений частоты, пере­даваемых по радио или с помощью мобильных квантовых стандартов частоты. Относительная погрешность калибровки кварцевого генера­тора не превышает (1. 5) • 10 -10 .

В ряде случаев требуемая стабильность частоты достигается введе­нием в генератор фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).

Рассмотрим пример подсчета частоты сигнала цифровым частото­мером.

Частота кварцевого генератора F = 1 МГц, что соответствует Т =1 / F= 1 мкс.

Предположим, что на счетчик за это время прошло 10 импульсов, тогда в соответствии с формулой (5.5) Fх = п / Т = 10 /10 -6 с = 10 7 Гц =10 МГц.

Диапазон измеряемых цифровым прибором частот ограничивается снизу погрешностью дискретизации, а сверху — быстродействием ис­пользуемых счетчиков-делителей. Верхний предел измерения в коли­чественном выражении не превышает 200 МГц. Расширения верхнего предела добиваются переносом измеряемой частоты в область более низких частот (гетеродинное преобразование).

В состав цифрового частотомера обязательно входит схема автома­тического регулирования усиления (АРУ) и схема подавления внеш­них помех. Для обеспечения устойчивой работы частотомера в пас­порте прибора приводится важный параметр — чувствительность (минимальное значение напряжения, при котором частотомер уже может измерить частоту). При меньшем значении напряжения изме­рение прекращается и показания счетчика (следовательно, и цифрово­го индикатора) обнуляются. Уровень значения напряжения входного сигнала также ограничивается максимальным значением, превышать которое нельзя. В противном случае частотомер «зависает», т.е. надол­го перестает измерять. В связи с этим в приборе предусмотрены меры защиты от перегрузок.

Читайте также:  Единица типографского измерения пять букв

Наличие в последних моделях цифровых частотомеров синтезато­ров частот позволяет получать сигналы с дискретной сеткой частот. Программное управление синтезаторами частот и введение встроен­ных микропроцессоров открывает новые возможности таких приборов в части уменьшения погрешности измерения, расширения диапазона измеряемых частот и упрощения включения их в автоматизированные измерительные системы. Цифровые частотомеры способны измерять частоту гармонических и импульсных сигналов.

Измерение периода повторения сигнала методом дискретного счета рассмотрим на примере гармонического (синусоидального) сигнала.

В основу измерения периода Tx положен принцип заполнения его импульсами, следующими с известным периодом Т , задаваемым об­разцовым кварцевым генератором, и подсчет количества этих импуль­сов nx .

На рисунке 5.2 приведена упрощенная структурная схема цифро­вого частотомера и временные диаграммы его работы в режиме изме­рения периода повторения сигнала.

Исследуемый синусоидальный сигнал U1 с периодом Тх после про­хождения через входное устройство поступает на блок формирова­ния 1, где преобразуется в последовательность коротких импульсов U2 (с тем же периодом), поступающих на устройство управления. В устройстве управления из поступивших импульсов формирует­ся стробимпульс U3 прямоугольной формы с длительностью, равной измеряемому периоду Тх. Далее стробимпульс поступает на один из входов электронного ключа, на второй вход которого от кварцевого генератора подаются короткие импульсы (U4 с известным высокостабильным образцовым периодом повторения Т для последующего пре­образования сигнала но форме в блоке формирования 2.

Рис. 5.2. Упрощенная структурная схема цифрового частотомера (а) и временные диаграммы его работы в режиме измерения периода повторения сигнала (б)

Электронный ключ в течение времени длительности стробимпульса пропускает на счетчик пх счетных импульсов с напряжением U4. Очевидно, что изме­ряемый период прямо пропорционален количеству счетных импуль­сов пх и образцовому периоду повторения Т.

(5.8)

tн — погрешность дискретизации начала периода Тх ;

tk — погрешность дискретизации конца периода Tx .

Без учета погрешности ∆tд в формуле (5.8) число поступивших на счетчик импульсов nx = Тх / T , а измеряемый период прямо пропор­ционален пx ,т.е.

(5.9)

Число прошедших импульсов фиксируется в виде электрического кода, поступающего на цифровой индикатор, в котором показание со­ответствует измеряемому периоду Тх .

Погрешность измерения периода повторения сигнала зависит от стабильности частоты кварцевого генератора и от погрешности диск­ретизации.

Резонансный метод измерения частоты сигнала относится к вы­соко- и сверхвысокочастотным методам и заключается в сравнении измеряемой частоты fx с собственной резонансной частотой измери­тельной колебательной системы, в качестве которой используется ко­лебательный контур или резонатор.

Приборы, принцип работы которых основан на этом методе, назы­ваются резонансными волномерами (реже — частотомерами), так как в большинстве случаев они измеряют длину волны.

На рисунке 5.3 представлена упрощенная структурная схема резо­нансного волномера, которая состоит из входного устройства, колеба­тельного контура с градуированным механизмом настройки и индика­тора резонанса.

Рис. 5.3. Упрощенная структурная схема резонансного волномера

В зависимости от диапазона частот конструкция колебатель­ной системы различна: на частотах 1 ГГц применяются контуры с распределенными параметра­ми — отрезки коаксиальной, волноводной линий или объемные резонаторы.

Связь измерительного контура с источником измеряемой частоты должна быть слабой (рис. 5.4, а), что обеспечивает большую симмет­рию резонансной кривой и делает ее более острой, так как уменьшает вносимое в измерительный контур волномера затухание. При сильной связи (рис. 5.4, б) в контур частотомера вносится также добавочное реактивное сопротивление, что вызывает расстройку контура, и резо­нанс получается уже на другой частоте.

Рис.5.4. Резонансные кривые при слабой (a) и сильной (б) связи измерительного контура с источником измеряемой частоты

Рассмотрим работу резонансного волномера. Сигнал с измеряемой частотой fx возбуждает перестраиваемый колебательный контур через входное устройство и при резонансе fx = f резко увеличивает интенсивность и амплитуду колебаний. Момент резонанса регистрируется по индикатору резонанса, который связан с колебательным контуром, а значение измеряемой частоты отсчитывают по градуированной шка­ле механизма настройки.

Погрешность измерения составляет 10 -3 . 10 -4 % и зависит от точности настройки колебательного контура в резонанс, чувствительности индикатора, степени связи частотомера с источником измеряемой частоты, а также от температуры и влажности окружающей среды. Для уменьшения влияния параметров внешней среды колебательный контур помещают в термостат и герметизируют.

В качестве индикатора резонанса применяются механизм выпрямительной системы или электронный индикатор.

Достоинство резонансных волномеров — их простое устройство и удобство эксплуатации, а недостаток — трудоемкость измерения (продолжительность настройки колебательного контура в резонанс).

Последние разработки измерительных приборов на основе микро­процессорных контроллеров позволяют проводить измерения частоты сигнала, периода его повторения и других параметров на единой осно­ве. Рассмотрим принцип работы измерителя частоты сигнала и интер­валов времени со встроенным микропроцессором (рис. 5.5).

Центральным узлом структурной схемы является микропроцес­сорный контроллер (МПК), состоящий из вычислительного управля­ющего устройства, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), постоянного (программируемого) запоминающего устройства (ПЗУ).

Селектор прибора из входного сигнала формирует измеряемый ин­тервал времени, а из сигнала образцовой частоты от кварцевого генератора — эталонный интервал времени, равный измеряемому с точно­стью до длительности периода сигнала образцовой частоты.

Рис.5.5. Структурная схема измерителя частоты сигнала и интервалов времени со встроенным микропроцессором

Интерполятор предназначен для расширения импульсов, отражаю­щих погрешности дискретизации, и последующего измерения методом счета числа колебаний образцовой частоты и содержит два одинако­вых канала. Формирователь готовности включает в себя дешифратор управления, селектор и счетчики числа импульсов и вырабатывает специальный сигнал, определяющий время работы селектора.

Блок регистров содержит основную часть счетчиков, дешифратор управления, который вырабатывает сигнал сброса регистров, установ­ки в исходное состояние селектора, приема и выдачи информации. Схе­ма совпадения выдает сигнал в момент переполнения счетчика. Сигнал с выхода схемы совпадения подготавливает окончание времени счета прибора. В данной схеме узел ЦАП предназначен для измерения уровня запуска прибора в режиме ручного управления и для установки требуе­мого уровня запуска в режиме дистанционного управления прибором.

Блок управления и индикации предназначен для управления ра­ботой блока индикатора и преобразования командных сигналов, по­ступающих с МПК, в управляющие сигналы прибора. Он содержит цифровой индикатор и клавиатуру для ввода данных. Интерфейс обе­спечивает работу прибора в системах с каналом общего пользования (КОП). Блок питания вырабатывает необходимые питающие напряжения. Синтезатор частоты с кварцевым генератором является источ­ником стабильных гармонических колебаний разной частоты.

Технические характеристики МПК определяются параметрами стандартных современных отечественных или иностранных микро­процессоров и КМОП интегральных микросхем, на которых построе­но большинство устройств сопряжения. МПК подключается к устрой­ству памяти непосредственно через приборную магистраль, а к другим устройствам измерительного прибора — иногда через приборную ма­гистраль и блок управления.

В приборе предусмотрен режим самоконтроля путем измерения частоты или периода собственного образцового сигнала с частотой 100 МГц от кварцевого генератора. Для обеспечения внутренних связей и подключения к внешним устройствам (например к компью­теру) в описываемом приборе имеются цифровые магистрали трех видов: шина управления (ШУ), адресная шина (ША) и шина данных (ШД).

К основным метрологическим характеристикам частотомеров, которые необходимо знать при выборе прибора, относятся следующие:

· диапазон измерения частот;

· чувствительность — минимальное напряжение (мощность), при котором может работать прибор;

Источник