АНАЛОГОВЫЙ ЧАСТОТОМЕР
Радио, 1979, №8
Хороший частотомер незаменим во многих областях народного хозяйства н в радиолюбительской праактике. В настоящее время используются как цифровые, так и аналоговые методы измерения частоты. Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки. В цифровых прибоpax подсчитывают количество периодов измеряемой частоты за единицу времени при помощи счетчика, показания которого выводятся затем на цифровой индикатор. В аналоговой аппаратуре из сигнала измеряемой частоты сначала формируют импульсы тока или напряжения, амплитуда н форма которых неизменны, а затем измеряют постоянную составляющую тока или напряжения этих импульсов стрелочным прибором магнитоэлектрической системы. Постоянная составляющая прямо пропорциональна частоте импульсов, поэтому можно пользоваться равномерной (линейной) шкалой измерительного прибора.
Цифровые частотомеры обеспечивают более высокую точность измерения, однако аналоговые частотомеры существенно проще, дешевле и доступнее цифровых. В некоторых случаях, например, при плавной подстройке частоты, следить за показаниями по цифровому частотомеру неудобно, тогда как аналоговый частотомер позволяет наблюдать динамику процесса.
Основным недостатком большинства конструкций аналоговых частотомеров является возрастание абсолютной погрешности измерения при расширении частотного диапазона в сторону высоких частот. Так, на базе стрелочного прибора класса точности 1.0, шкала которого имеет 100 делений, можно изготовить частотомер, обладающий в диапазоне 0-10 кГц погрешностью измерения 100 Гц, но в диапазоне 0...10 МГц тот же частотомер будет иметь погрешность, уже в 1000 раз большую, т. е 100 кГц. Класс точности прибора заставляет нас ограничиваться при отсчете частоты всего двумя верными цифрами, что гораздо хуже, чем у цифровых частотомеров. Для решения этой проблемы можно использовать преобразование частоты, заменяя измерение неизвестной частоты измерением разности между ней н близкой к ней опорной частотой. Такое решение, однако, приводит к значительному усложнению конструкции частотомера В нем появляются селектор гармоник опорной частоты, преобразователи частоты и фильтры нижних частот. Все эти узлы содержат моточные изделия и требуют настройки. Стрелочный прибор при этом необходимо градуировать заново. При переходе с одного поддиапазона на другой измерительный прибор испытывает значительные токовые перегрузки.
Избежать указанных недостатков можно, если для смешения частоты опорного генератора с измеряемой применить широко распространенный в вычислительной технике синхронный D-триггер с динамическим управлением записью. Значение сигнала на его вы ходе повторяет значение сигнала, сущствовавшее на информационном входе D в момент прихода на вход С управляющего сигнала. Если на вход D подать прямоугольные импульсы с частотой следования f1, а на вход С — прямоугольные импульсы с частотой следования f2, на выходе можно получить импульсы, частота которых f3 отличается от f1 и f2. Таким образом. D-триггер может работать как смеситель. Интересно, что частота следования импульсов на выходе f3 равна абсолютному значению разности между частотой f1 и ближайшей гармоникой частоты f2, причем это достигается без использования сложного переключаемого селектора гармоник с полосовыми фильтрами и фильтра нижних частот на выходе смесителя. Зависимость f3 от f1 при фиксированном значении f2 приведена на рис 1:
Если в качестве f1 взять измеряемую частоту f2 — стабильную опорную частоту, а частоту f3 измерять аналоговым частотомером со стрелочным прибором, то диапазон измерении окажется автоматически разбитым на поддиапазоны одинаковой ширины: 0...f2, f2...2f2, 2f2...3f2 и т. д.
В пределах каждою поддиапазона при увеличении измеряемой частоты f1 частота на выходе смесителя f3 сначала линейно возрастает, достигая значения 0.5f2, а затем также линейно уменьшается от этого значения до нуля. При дальнейшем увеличении частоты происходит плавный переход на следующий поддиапазон, не требуюшнй каких-либо переключений в схеме.
Цена деления шкалы и абсолютная погрешность измерения определяются шириной поддиапазона и величиной опорной частоты. Уменьшая опорную частоту, скажем, в 10 раз. можно "растянуть" шкалу прибора в то же число раз, причем такую растяжку можно выполнять многократно, получая все более и более точный результат, не уступающий точности отсчета в цифровом частотомере.
Описываемый частотомер рассчитан на работу в диапазоне частот от 100 Гц до 10 МГц. Форма входного сигнала может быть любой, амплитуда — 0.5...5 В. Входное сопротивление прибора около S0 Ом. Максимальная погрешность измерения — 100 Гц. При питании от сети переменного тока потребляемая мощность не превышает 2 Вт.
Сигнал измеряемой частоты поступает на входной преобразователь, где он преобразуется в прямоугольные импульсы (рис. 2). Он собран на элементах D1.1, D1.2 и D1.3. Элемент D1.1 включением резистора R1 переведен в режим усилителя, а на элементах D1.2 и D1.3 выполнен пороговый элемент. Для четкого срабатывания порогового элемента при синусоидальном входном сигнале между входами 4 н 5 элемента D1.2 включен диод V1. На элементах D2, D6, D7 собран блок делителей частоты, причем в зависимости от выбранного поддиапазона измерений делители включаются либо в цепь измеряемой частоты, либо в цепь опорной, так что на вход триггера D4.1, выполняющего роль смесителя, поступают сигналы частот одного порядка, что исключает неоднозначность измерений (см. рис.1 и текст выше). Для устойчивой работы смесителя необходимо, чтобы на его вход поступали импульсы со скважностью 2. Формирователем таких импульсов служит триггер D3.1. На триггере D4.2 и элементе D5.4 выполнен формирователь прямоугольных импульсов калиброванной амплитуды и длительности, необходимых для нормальной работы конденсаторного частотомера.
На элементах D5.1 и D5.2 собран кварцевый генератор, элемент D5.3 — буферный. Конденсаторами С4 и С5 частота генерации устанавливается точно равной 100 кГц. Конденсаторы С3 и С7 подавляют гармоники высших частот. Функции формирователя D7 выполняют элементы D4.2 и D5.4. Резисторами R4 и R5 устанавливают полное отклонение стрелки измерительного при бора при максимальной для данного поддиапазона частоте. Схема индикации прямой и обратной шкалы стрелочного индикатора выполнена на элементах D9.1 - D9.4, D8.1, D8.2. D10.1, D10.2 и D11.1. Непосредственно индикация осуществляется с помощью светодиодов VЗ и V4.
Работа с прибором имеет некоторые особенности. Перед началом измерений проверяется его калибровка, для чего нажимают на кнопку S1, переводя триггер D4.1 в режим деления частоты на два, и переменным резистором R5 устанавливают стрелку на последнее деление шкалы. Однажды откалиброванный частотомер практически не требует калибровки при последующих измерениях. Напряжение измеряемой частоты полают на вход прибора, Последовательно нажимая на кнопки «Х100», «Х10», «Х1» и X0.1», отсчитывают на стрелочном приборе сначала единицы мегагерц, затем сотни килогерц, десятки килогерц и, наконец, единицы килогерц и сотни герц.
В. ГАВРИЛЕНКО, И. ШАРОВ, Б. ЩЕРБАКОВ
г. Новосибирск.