Частотомер - назначение, типы, особенности; Школа инженеров-электриков: электротехника и электроника - услуги электромонтажа, строительства и ремонта

Нулевые биты означают, что частота тестируемого сигнала совпадает с частотой гетеродина. Примером проверенного на практике гетеродинного частотомера является трубка типа “Волномер Ч4-1”, используемая для калибровки передатчиков и приемников, работающих с незатухающими колебаниями. Рабочий диапазон устройства составляет от 125 кГц до 20 МГц.

Содержание

Частота – назначение, типы, характеристики

Для определения частоты периодических сигналов, а также для выявления гармонических составляющих спектра – используются специальные радио- (и электро-) приборы, которые называются частотомерами.

В настоящее время существует два типа частотомеров в зависимости от метода измерения: аналоговые (для прямой оценки частоты) и приборы сравнения (к которым относятся: электронный счетчик, гетеродин, резонанс и т.д.).

Аналоговые измерители подходят для измерения синусоидальных колебаний, гетеродинные, резонансные и вибрационные – для измерения гармоник сигнала, а электронные и конденсаторные – для определения частоты дискретных событий.

По конструкции частотомеры могут быть панельными, переносными или стационарными – тип конструкции зависит от области применения прибора.

Аналоговый регистратор частоты

Аналоговый частотомер – это электромеханический прибор, работающий по принципу магнитоэлектрической, электромагнитной или электродинамической системы.

Работа основана на модуле импеданса сложной измерительной цепи как функции протекающего через нее тока. Измерительная цепь состоит из резистора, зависящего от частоты, и резистора, не зависящего от частоты.

Таким образом, на плечи логометра подаются разные сигналы: на одно плечо подается измеряемый ток по частотно-независимой схеме, на другое – по частотно-зависимой. В результате игла прибора перемещается в положение, при котором магнитный ток, протекающий через оба плеча, находится в равновесии.

Примером частотомера, работающего по этому принципу, является советский М800, предназначенный для измерения частоты тока в диапазоне от 900 до 1100 Гц в цепях движущихся и неподвижных объектов. Потребляемая мощность устройства составляет 7 Вт.

Герконовый измеритель частоты вибрации

Частотомер вибрации Reed имеет набор резонансных стальных пластин в форме геркона на шкале, каждая из которых имеет свою резонансную частоту. Резонансные колебания язычков возбуждаются переменным магнитным полем электромагнита.

Когда анализируемый ток проходит через цепь электромагнита, язычок с резонансной частотой, наиболее близкой к частоте тока, начинает вибрировать с наибольшей амплитудой. Резонансная частота каждого язычка показана на шкале. Поэтому визуальная индикация очень четкая.

Примером частотомера с колебаниями геркона является измеритель B80, который используется для измерения частоты в цепях переменного тока. Диапазон частот – от 48 до 52 Гц, потребляемая мощность – 3,5 Вт.

Сейчас можно найти конденсаторные частотомеры для диапазона частот от 10 Гц до 10 МГц. Принцип работы основан на попеременной зарядке и разрядке конденсатора. Конденсатор заряжается от батареи, а затем разряжается с помощью электромеханической системы.

Частота повторений заряда-разряда совпадает с частотой тестируемого сигнала, поскольку измеряемый сигнал определяет сам импульс переключения. Мы знаем, что заряд ТС протекает за один рабочий цикл, следовательно, ток, протекающий через магнитоэлектрическую систему, пропорционален частоте. Поэтому амперы пропорциональны герцам.

Примером конденсаторного частотомера с 21 диапазоном измерения является F5043, используемый для настройки низкочастотных устройств. Минимальная измеряемая частота составляет 25 Гц, максимальная – 20 кГц. Потребляемая мощность в режиме реального времени не превышает 13 Вт.

Гетеродинные частотомеры полезны для настройки и обслуживания приемо-передающего оборудования, для измерения несущих частот модулированных сигналов. Частота тестируемого сигнала сравнивается с частотой сигнала гетеродина (перестраиваемый вспомогательный генератор) до получения нулевого гула.

Нулевые биты означают, что частота тестируемого сигнала совпадает с частотой гетеродина. Примером проверенного временем гетеродинного частотомера является Volnomer Ch4-1, прибор на основе трубки, используемый для калибровки передатчиков и приемников, работающих с незатухающими колебаниями. Рабочий диапазон прибора составляет от 125 кГц до 20 МГц.

Частота настроенного резонатора сравнивается с частотой тестируемого сигнала. Резонатор представляет собой колебательный контур, объемный резонатор или сегмент четвертьволновой линии. Тестируемый сигнал подается на резонатор, а с выхода резонатора сигнал поступает на гальванометр.

Максимальное показание гальванометра указывает на наилучшее совпадение собственной частоты резонатора с частотой тестируемого сигнала. Оператор настраивает резонатор с помощью лимба. Некоторые модели резонансных частотомеров используют усилители для повышения чувствительности.

Примером резонансного частотомера является прибор Ch2-33, предназначенный для настройки приемников и передатчиков с частотами непрерывного и импульсно-модулированного сигнала в диапазоне от 7 до 9 ГГц. Потребляемая мощность устройства не превышает 30 Вт.

Электронный счетчик частоты просто подсчитывает количество импульсов. Счетные импульсы генерируются входной схемой из периодического сигнала произвольной формы. Интервал счета задается кварцевым генератором устройства. Таким образом, электронный счетчик является сравнительным прибором, точность которого зависит от качества эталона.

Электронно-счетные частотомеры – это очень универсальные приборы с широким диапазоном измерения частоты и высокой точностью. Например, диапазон измерения Ch3-33 составляет от 0,1 Гц до 1,5 ГГц, а точность – 0,0000001. Доступные частоты измерений увеличиваются до десятков гигагерц за счет использования разветвителей в современных приборах.

В целом, профессиональные частотомеры являются наиболее распространенными и популярными. Они могут не только измерять частоты, но и определять длительность импульсов и расстояние между ними, и даже вычислять соотношения между частотами, не говоря уже о подсчете количества импульсов.

Если вам понравилась эта статья, пожалуйста, поделитесь ссылкой на нее в своих социальных сетях. Это очень поможет в развитии нашего сайта!

Работа резонансного частотомера основана на сравнении измеренной частоты с собственной частотой электрической цепи (или микроволнового резонатора), настроенной в резонанс с измеряемой частотой. Гетеродинные частотомеры сравнивают измеренное значение с известной частотой (или ее гармониками) гетеродина (эталонного генератора). Принцип работы цифровых частотомеров заключается в подсчете количества периодов колебаний, измеренных за определенный период времени.

Классификация частотомеров

Частотомеры классифицируются по следующим параметрам:

В соответствии с методом измерения:

Частотомеры для прямого измерения (например, аналоговые)
Сравнительные частотомеры (гетеродин, резонанс, электронный счетчик)

Что касается физического смысла измеряемой величины, то измерители частоты мощности разработаны

Измерение синусоидальной частоты (аналоговое)
для измерения гармонических частот (резонанс, гетеродин, осциллятор)
для измерения дискретных событий (конденсатор, счетчик электронов)

В зависимости от конструкции они подразделяются на

встраиваемый в панель
портативный
стационарный

По области применения:

Электрические измерения (аналоговые стрелочные и резонансные частотомеры и частично конденсаторные и электронно-счетные частотомеры)
Измерители радиочастот (гетеродин, резонанс, конденсатор, электронный счетчик)

Крутящий момент создается за счет взаимодействия тока I резонансного контура с током I1, протекающим через каркасную катушку W1, подключенную последовательно с добавочным сопротивлением R2 к шунтирующим клеммам R1. Конденсатор C2 включен в цепь движущейся рамки W1, так что ток рамки I1 опережает напряжение сети на 90°.

Крутящий момент устройства пропорционален произведению токов неподвижной и подвижной катушек на косинус угла между этими токами. На резонансной частоте угол между токами I и I1 равен 90°, косинус угла равен нулю, следовательно, вращающий момент устройства также равен нулю.

Что такое частотомер. Как работает частотомер

Для измерения частоты переменного тока Ферродинамический частотомерЧастотомер имеет шкалу от 45 до 55 Гц и состоит из двух частей: измерительного блока и устройства, которое его дополняет. Принципиальная схема показана на рисунке 1.

Основными компонентами схемы являются стационарный резонансный контур, подвижная рамка, создающая крутящий момент, и подвижная рамка, создающая реактивный момент (“электрическая пружина”).

Резонансный контур Состоит из четырех S-образных катушек, закрепленных на магнитопроводе (на схеме не показан), дросселя переменной индуктивности L1, двух конденсаторов C1 и резисторов R4, R5 и R6. Эта схема настроена на частоту 50 Гц. Ток I в неподвижных индукторах на резонансной частоте находится в фазе с напряжением сети.

Крутящий момент создается за счет взаимодействия тока I резонансного контура с током I1, протекающим через каркасную катушку W1, подключенную последовательно с добавочным сопротивлением R2 к шунтирующим клеммам R1. Конденсатор C2 подключен к подвижной катушке W1, поэтому ток в катушке I1 опережает сетевое напряжение на 90°.

Крутящий момент устройства пропорционален произведению токов в неподвижной и подвижной катушках на косинус угла между этими токами. На резонансной частоте угол между токами I и I1 составляет 90°, косинус угла равен нулю, поэтому вращающий момент устройства также равен нулю.

При изменении частоты резонанс нарушается, угол между токами I и I1 изменяется, и появляется вращающий момент. Подвижная часть устройства вращается и тянет за собой рамку W2, которая прикреплена к ней, и указатель устройства.

Рамка W2 подключена к дросселю L2 через резистор R3. Когда обмотка рамки пересекает переменное магнитное поле, в ней возникает ток І2. Взаимодействие этого тока с магнитным потоком приводит к возникновению вращающего момента, противодействующего вращению рамки. Когда крутящий момент и контрмомент равны, достигается равновесие. Каждое значение частоты соответствует четко определенной точке на шкале прибора.
Дополнение имеет пять клемм: две для подключения к двум фазам сети и три для подключения к счетчику.

Это означает, что вы не установили опцию millis()/micros() в качестве TCA0, как обсуждалось выше.

Использование системы событий

Я мог бы использовать RTC для генерации прерывания каждую секунду, а затем захватить значение счетчика из TCD0 через обработчик прерывания. Однако новейшие процессоры AVR имеют систему событий, которая позволяет делать это более эффективно.

Можно генерировать внутренний сигнал от RTC и использовать его для прямой активации захвата. Преимущество этого заключается в том, что вызов обработчика прерывания не требует лишней обработки, и в результате ответ возвращается почти сразу.

Частотомеры предназначены для получения информации о величине временных колебаний и являются неотъемлемой частью в радиоэлектронике, ядерной физике и навигации. Широкий диапазон характеристик и типов измерений делает эти приборы универсальными и позволяет проводить экономически эффективные измерения.

Классификация частотомеров

Частотомеры делятся на категории в зависимости от метода измерения:

Аналоговые – устройства, оценивающие частоту периодического сигнала. Основным компонентом прибора этого типа является частотно-зависимая схема, которая сама определяет частоту. К нему прилагается логометр, который посылает сигнал через себя.

Электронные счетчики, резонансные и гетеродинные приборы – это устройства, выполняющие сравнительную функцию.

Частотомеры классифицируются в зависимости от их конструкции как:

Крепится на панели.
Портативный.
Стационарный.

Измерение синусоидальной частоты. Эту задачу выполняют аналоговые частотомеры.
Измерение частоты дискретных колебаний.
Измерение гармонических частот. Гетеродинные, резонансные и вибрационные частотомеры могут выполнять эту задачу.

По способу использования частотомеры также делятся на:

Электрические счетчики (включая аналоговые счетчики и измерители частоты вибрации).
ВЧ-измерения (включая конденсатор и т.д.).

Частотомер имеет возможность обрабатывать сигнал тремя способами:

Взаимное измерение.

Этот метод измерения характеризуется простотой, скоростью и хорошей производительностью, что делает его самым популярным видом измерения.

Обычное измерение

Это самый простой и наименее эффективный метод. Гораздо реже.

Непрерывное измерение

Полученные через него данные проходят цифровую обработку, что улучшает качество работы частотомера.

Частотомер – один из основных инструментов радиолюбителя. Не зря этому популярному устройству посвящено так много статей. Схемы радиолюбительских самописцев на любой вкус. Однако почти все они используют метод прямого счета, хотя существует довольно простой, но гораздо более совершенный метод обратного счета. FC-510 является приятным исключением, и есть еще один прибор, который использует почти такой же метод – Simple Frequency Calibrator / Frequency Tester / Sampling Clock. Однако из-за небольшого диапазона измеряемых частот и неудобного времени измерения он малопригоден в качестве частотомера. Кстати, я построил один из них и очень им доволен. И FC-510, и калибратор используют метод обратного отсчета. Основное преимущество этого метода заключается в том, что относительная погрешность измерения не зависит от значения входной частоты. В целом у автора FC-510 получилась отличная статья о методах измерения частоты, хотя она и не закончена, но для начинающего радиолюбителя я не видел лучшего изложения этой темы. У этого частотомера есть только один недостаток: он немного сложен для начинающего или даже среднего радиолюбителя. К сожалению, я не смог найти в Интернете ничего похожего, но более простого. Объявление о конкурсе привлекло мое внимание и заставило задать вопрос: почему бы не создать нечто подобное, но более простое, и условия конкурса не растянули бы процесс, как это обычно бывает, на неопределенное время. Поскольку я долго думал над этим, я не слишком много думал о компоновке, а также о выборе микропроцессора. Блок-схема показана на рисунке 1.

Классификация частотомеров

Частотомеры классифицируются по следующим параметрам:

В соответствии с методом измерения:

Частотомеры с прямой оценкой (например, аналоговые)
Сравнительные частотомеры (гетеродин, резонанс, электронный счетчик)

В соответствии с физическим смыслом измеряемой величины, частотомеры проектируются

для измерения синусоидальных колебаний (аналог)
для измерения гармонических частот (резонанс, гетеродин, колебания)
для измерения дискретных событий (конденсатор, счетчик электронов)

В зависимости от конструкции они подразделяются на

встраиваемый в панель
портативный
стационарный

в зависимости от области их применения:

Электрические измерения (аналоговые частотомеры, резонансные и частично конденсаторные частотомеры и электронно-счетные частотомеры)
Радиочастотные измерения (гетеродинные, резонансные, конденсаторные, электронно-счетные частотомеры).

Добавить ссылку на обсуждение статьи на форуме

RadioCat >Конкурсы >Получите кошку гуманным способом 2021! >

Теги статьи:

Добавить метку

Автор: mig958 Опубликовано 05.09.2017 Создано с помощью CotoRed. Участник конкурса “Поздравь кошку гуманно 2021!”.

Ты самый умный и талантливый, Один из лучших среди нас! Желаю тебе в день рождения – Чтобы в жизни все было легко – Класс!

Частотомер – один из основных инструментов радиолюбителя. Не зря этому популярному устройству посвящено так много статей. Схем радиолюбительских частотомеров, кажется, огромное количество на любой вкус. Однако почти все они используют метод прямого счета, хотя существует довольно простой, но гораздо более совершенный метод обратного счета. Приятным исключением является FC-510. Есть еще один прибор, который использует почти такой же метод – простой калибратор частоты / тестер частоты / часы выборки. Однако из-за небольшого диапазона измеряемых частот и неудобного времени измерения он малопригоден в качестве частотомера. Кстати, я построил один из них и очень им доволен. И FC-510, и калибратор используют метод обратного отсчета. Основное преимущество этого метода заключается в том, что относительная погрешность измерения не зависит от значения входной частоты. В целом, у автора FC-510 получилась отличная статья о методах измерения частоты, хотя она и не закончена, но для начинающего радиолюбителя я не видел лучшего изложения темы. Единственным недостатком этого частотомера является то, что он слишком сложен для начинающего или даже среднего радиолюбителя. К сожалению, я не смог найти в сети ничего похожего, кроме более простого и практически ничего другого. Объявление о конкурсе привлекло мое внимание и заставило задать вопрос: почему бы не создать нечто подобное, но более простое, и условия конкурса не растягивали бы процесс, как это обычно бывает, на неопределенное время. Поскольку я долго думал над этим, я не слишком много думал о компоновке, а также о выборе микропроцессора. Блок-схема показана на рисунке 1.

Рисунок 1: Схема

Микропроцессор создает управляющий сигнал для входа D триггера (строба), но сам подсчет импульсов начинается и останавливается при приходе фронта измеряемого сигнала. Кстати, название Fregat происходит от созвучия со словом free gate, что и является сутью метода. А затем подсчитать входную и опорную частоты и вычислить результат. Параметры схемы определяют возможности кварцевого генератора (VCTCXO), микропроцессора и простоту использования устройства.

Основные характеристики частотомера:

Диапазон измеряемых частот: 1 Гц – 100 МГц (1 ГГц с предустановкой на 64);
Амплитуда измеряемого сигнала: 0,1 – 10 В;
Опорная частота: 20 МГц;
Время измерения: 5 сек; – Время измерения: 5 сек: 5 сек;
Количество значащих цифр: 8;
Погрешность измерения* не более 10-7;
До 2 МГц измерение путем обратного отсчета, выше – путем обратного отсчета;
Потребление тока: 50 (80 с подсветкой) ма;
Модульная конструкция с дистанционным подключением кондиционеров сигналов.

* Когда ошибка опорной частоты меньше 2*10-8.

Частотомер чрезвычайно прост в эксплуатации – нет никаких органов управления.

Принципиальная схема измерительного блока показана на рисунке 2.

Рис. 2 Принципиальная схема измерительного блока.

Входной сигнал с кондиционера поступает на триггер Schmidt DD1. В принципе, вы можете обойтись и без него, он просто помогает избавиться от шума. Затем схема стробирования: микропроцессор создает точный 5-секундный интервал, который поступает на D-вход DD2.1 и, с первым фронтом входной частоты, переключает его, позволяя входным импульсам считаться таймером TMR1 DD3.1, а опорной частоте – таймером TMR0 DD3.2. DD2.2 делит входную частоту на 2, что позволяет поднять измеряемую частоту до 100МГц (известно, что таймеры PIC работают до 50-60МГц). Через 5 секунд первый фронт входной частоты переключит триггер и закончит счет. Микропроцессор контролирует формирование ворот, чтобы иметь возможность проводить измерения с частотой 1 Гц (период ожидания может составлять до 1,5 с) и избегать нештатных ситуаций. Если ворота сформированы правильно, происходит подсчет импульсов от предварительных детекторов, выполняемый DD3.3 и DD3.4. Поскольку время измерения достаточно велико, оно отображается на шкале ожидания измерения. Затем выполняется расчет и отображение. Имеется 5-битный измеритель уровня входного сигнала. Напряжение с входного выпрямителя около 1-1,5 В подается на вход RA0. Резистор R5 регулирует чувствительность. Вход RA2 определяет наличие предусилителя (0 предусилитель включен).

Измеряемый диапазон частот разделен на 3 части (удаленные модули):

1 Гц – 1 МГц:
1 кГц – 100 МГц:
70 МГц – 1 ГГц.

Главный модуль: 1 кГц – 100 МГц. Он собран по проверенной схеме и доказал свою высокую производительность: реальная полоса пропускания с увеличенными проходными конденсаторами в диапазоне 0,1-10В от 100МГц до 150МГц. Схема показана на рисунке 3.

Рисунок 3: Принципиальная схема формирователя 1кГц – 100МГц.

Я не делал модели следующих модулей из-за отсутствия микросхем у меня дома и в магазинах. Я заказал их на Ali Express. Но поскольку они разработаны не мной и широко используются, я думаю, что проблем быть не может. Однако компоновка внешних модулей, разделение частот и дизайн (внешний или внутренний) могут сильно отличаться. При измерении сигналов TTL-уровня можно обойтись вообще без них.

Рисунок 4: Принципиальная схема формирователя 70 МГц – 1 ГГц.

Рисунок 5: Принципиальная схема формирователя 0МГц – 1МГц.

Схема питания не показана (трансформатор, 4 диода и электролит, можно добавить 7809 или 7812 или …).

Дизайн и детали:

Поскольку мне нравятся SMD-компоненты (от остальных я давно избавился), конструкция получилась довольно компактной. Я прекрасно понимаю, что репликация один к одному маловероятна. Поэтому мой проект – это лишь один из примеров возможного решения. Благодаря низкому энергопотреблению (при отсутствии термостата) его можно даже сделать пинцетом, работающим от батареек. Особых требований к конструкции нет. Единственные рекомендации: из-за высокой чувствительности к шуму пути прохождения сигнала должны быть как можно короче, следует избегать использования стабилизаторов и импульсных преобразователей.

Возможна замена PIC16F876A на 877, 886, 887 в любом корпусе: DIP, SOIC, TQFP. Основным компонентом, более важным, чем процессор, является кварцевый генератор, который в конечном итоге определяет погрешность измерений. К сожалению, невозможно использовать другую частоту без влияния на точность, погрешность и время измерения. Генератор может быть типа VCTXCO (с термокомпенсацией напряжения) или TXCO (с термомеханической компенсацией). Выходной сигнал генератора должен быть сигналом TTL или CMOS. Если это синусоида, вам понадобится триггер Шмидта, поскольку сигнал идет не только на МК, но и на логику. Также можно использовать самодельный термостатический генератор с простым кристаллом на логике или транзисторе (на выходе нужен триггер Шмидта). Если очень желательно, можно использовать кварцевый генератор с другой частотой (с некоторым ухудшением погрешности), например, 10 МГц. В этом случае, конечно, необходимо провести коррекцию программы. Вместо 74AC74 и 74AC00 могут быть использованы другие серии, такие как F, ACT, VHC, с соответствующим изменением максимальной частоты. Также могут быть использованы серии K1554, K1594, K1531. Вместо 74LVC1G14 можно использовать любой триггер Шмидта из соответствующей серии, опять же обратите внимание на частоту. Любой силовой трансформатор мощностью от 2 до 5 Вт и выпрямленным напряжением от 7 до 12 В.

Частота кристаллического генератора может быть настроена двумя способами:

Измерив известную точную частоту и настроив осциллятор с помощью R4, пока на индикаторе не появится та же частота.
Путем измерения частоты опорного генератора частотомером с требуемой погрешностью и соответствующей подстройки частоты опорного генератора точно до 20 МГц.

Поскольку работа над программой была выполнена в сжатые сроки, очевидно не все вопросы были тщательно продуманы, тем более это мой первый опыт программирования на языке С для PIC, буду благодарен за конструктивную критику, указание на ошибки и неточности, другие недостатки, а также предложения по улучшению устройства.

В конце видео работающего чипа после отладки программы. И несколько фотографий готового устройства. Извините за качество.

Читайте далее: