Цифровые частотомеры

Цифровые частотомеры

1. Методы определения частоты электрических сигналов

Особое внимание уделено процессу формирования электрического сигнала в зависимости от вида источника сообщения (речевое сообщение, электронно-лучевая трубка, факсимильный сигнал, телеграфия). Дана методика определения основных параметров этих сигналов, позволяющая определить мощность сигнала (среднюю, пиковую), а также пик-фактор сигнала и его динамический диапазон. Различают четыре вида сигналов: непрерывный сигнал непрерывного времени, непрерывный дискретного времени, дискретный непрерывного времени и дискретный дискретного времени.

Рис. 1 Непрерывный сигнал непрерывного времени (а), непрерывный сигнал дискретного времени (б), дискретный сигнал непрерывного времени (в), дискретный сигнал дискретного времени (г)

Все сигналы могут быть подразделены на периодические, значения которых повторяются через определённые промежутки времени, и непериодические. Простейшим периодическим сигналом является гармоническое колебание.

(t)=A∙Sin (ω∙t) (1)

где A, ω - амплитуда и угловая частота колебания.

Любой периодический сигнал состоит из гармоник. Значение амплитуд (А_k), частот (ω_k) и начальных фаз (φ_k) которых можно найти, посредством разложения в ряд Фурье:

Если изобразить амплитуду А_k и фазу φ_k каждой гармоники на рисунке, то получим спектральные диаграммы. Распределение амплитуд А_k гармоник по частоте называется спектром амплитуд сигнала, а распределение фаз φ_k - спектром фаз. На рисунке изображены временное и спектральное представления электрических сигналов.

Непериодический сигнал легко получить из периодического, увеличивая период вплоть до бесконечности. (на рисунке 3 показано последовательное двукратное увеличение периода).

Рис. 2. Временное и спектральное представления электрических сигналов

Рис. 3. Последовательное двукратное увеличение периода

2. Сигналы электросвязи. Ширина полосы частот сигнала

Практически все электрические сигналы, отображающие реальные сообщения содержат бесконечный спектр частот. Для неискажённой передачи таких сигналов потребовался бы канал с бесконечной полосой пропускания. С другой стороны, потеря на приёме хотя бы одной составляющей спектра приводит к искажению временной формы сигнала. Поэтому ставится задача передавать сигнал в ограниченной полосе пропускания канала таким образом, чтобы искажения сигнала удовлетворяли требованиям и качеству передачи информации. Таким образом, полоса частот - это ограниченный (исходя из технико-экономический соображений и требований к качеству передачи) спектр сигнала. Ширина полосы частот ΔF определяется разностью между верхней F_В и нижней F_Н частотами в спектре сообщения, с учётом его ограничения. Так, для периодической последовательности прямоугольных импульсов полоса сигнала ориентировочно может быть найдена из выражения

, (2)

где t_n - длительность импульса.

Первичный телефонный сигнал (речевое сообщение), называемый также абонентским, является нестационарным случайным процессом с полосой частот от 80 до 12000 Гц. Разборчивость речи определяется формантами (усиленные области спектра частот), большинство которых расположено в полосе 300…3400 Гц. Поэтому по рекомендации Международного консультативного комитета по телефонии и телеграфии (МККТТ) для телефонной передачи принята эффективно передаваемая полоса частот 300…3400 Гц. Такой сигнал называется сигналом тональной частоты (ТЧ). При этом качество передаваемых сигналов получается достаточно высоким - слоговая разборчивость составляет около 90%, а разборчивость фраз - 99%.

В вещательном телевидении принят метод поочередного преобразования каждого элемента изображения в электрический сигнал с последующей передачей этого сигнала по одному каналу связи. Для реализации такого принципа на передающей стороне применяются специальные электронно-лучевые трубки, преобразующие оптическое изображение передаваемого объекта в развернутый во времени электрический видеосигнал.

Рис. 5. Конструкция передающей трубки

Внутри стеклянной колбы, находящейся под высоким вакуумом, расположены полупрозрачный фотокатод (мишень) и электронный прожектор (ЭП). Снаружи на горловину трубки надета отклоняющая система (ОС). Прожектор формирует тонкий электронный луч, который под воздействием ускоряющего поля направляется к мишени. При помощи отклоняющей системы луч перемещается слева направо (по строкам) и сверху вниз (по кадру), обегая всю поверхность мишени. Совокупность всех (N) строк называется растром. На мишень трубки, покрытую светочувствительным слоем, проецируется изображение. В результате каждый элементарный участок мишени приобретает электрический заряд. Образуется так называемый потенциальный рельеф. Электронный луч, взаимодействуя с каждым участком (точкой) потенциального рельефа, как бы стирает (нейтрализует) ее потенциал. Ток, который течет через сопротивление нагрузки R_н, будет зависеть от освещенности участка мишени, на который попадает электронный луч, и на нагрузке выделится видеосигнал U_с. Напряжение видеосигнала будет изменяться от уровня «черного», соответствующего наиболее темным участкам передаваемого изображения, до уровня «белого», соответствующего наиболее светлым участкам изображения.

Рис. 6. Форма телевизионного сигнала на временном интервале, где отсутствуют кадровые импульсы

Если уровню «белого» будет соответствовать минимальное значение сигнала, а уровню «черного» - максимальное, то видеосигнал будет негативным (негативной полярности). Характер видеосигнала зависит от конструкции и принципа действия передающей трубки. Телевизионный сигнал является импульсным однополярным (так как он является функцией яркости, которая не может быть разнополярной) сигналом. Он имеет сложную форму, и его можно представить в виде суммы постоянной и гармонических составляющих колебаний различных частот.

Уровень постоянной составляющей характеризует среднюю яркость передаваемого изображения. При передаче подвижных изображений величина постоянной составляющей будет непрерывно меняться в соответствии с освещенностью. Эти изменения происходят с очень низкими частотами (0-3 Гц). С помощью нижних частот спектра видеосигнала воспроизводятся крупные детали изображения. Телевидение, равно как и световое кино, стало возможным благодаря инерционности зрения. Нервные окончания сетчатки глаза продолжают ещё какое-то время оставаться возбуждёнными после прекращения действия светового раздражителя. При частоте смены кадров F_к ≥ 50 Гц глаз не замечает прерывистости смены изображения. В телевидении время считывания всех N строк (время кадра - T_к) выбирается равным T_к =  с. С целью уменьшения мерцания изображения используется чересстрочная развертка. Вначале за время полукадра, равное Т_п/к =  =  с, считываются поочередно все нечетные строки, затем, за такое же время - все четные строки. Частота спектра видеосигнала получится при передаче изображения, представляющего собой сочетание светлой и темной половины растра. Сигнал представляет собой импульсы близкие по форме к прямоугольной. Минимальная частота этого сигнала при чересстрочной развертке частоте полей, т.е.

Рис. 7. К определению минимальной частоты спектра частот телевизионного сигнала

С помощью верхних частот передаются наиболее мелкие детали изображения. Такое изображение можно представить в виде чередующихся по яркости мелких черных и белых квадратов со сторонами, равными диаметру луча (рисунок 8, а), расположенными вдоль строки. Такое изображение будет содержать максимальное количество элементов изображения.

Рис. 8. К определению максимальной частоты видеосигнала

Стандарт предусматривает разложение изображения в кадре на N = 625 строк. Время прочерчивания одной строки (рис. 8, б) будет равно . Меняющийся по строке сигнал получится, когда чередуются чёрные и белые квадратики. Минимальный период сигнала будет равен времени считывания пары квадратов:

(3)

где n_пар - число пар квадратов в строке.

Число квадратов (n) в строке будет равно:

 (4)

где  - формат кадра

Факсимильные сигналы. Факсимильная (фототелеграфная) связь - это передача неподвижных изображений (рисунков, чертежей, фотографий, текстов, газетных полос и так далее). Устройство преобразования факсимильного сообщения (изображения) преобразовывает световой поток, отражаемый от изображения, в электрический сигнал.

Рис. 9. Функциональная схема факсимильной связи

Где 1 - канал факсимильной связи; 2 - привод, синхронизирующие и фазирующие устройства; 3 - передающий барабан, на который помещается оригинал передаваемого изображения на бумажном носителе; ФЭП - фотоэлектронный преобразователь отражённого светового потока в электрический сигнал; ОС - оптическая система для формирования светового луча.

F_рисmax = 1/(2τ_u) (5)

где τ_u - длительность импульса, равная длительности передачи элемента изображения, которую можно определить через параметры развертывающего устройства. Так, если π·D - длина строки, а S - шаг развертки (диаметр развертывающего луча), то в строке π·D/S элементов. При N оборотах в минуту барабана, имеющего диаметр D, время передачи элемента изображения, измеряемое в секундах:

,  (6)

Минимальная частота рисунка (при изменении по строке), Гц, будет при развертке изображения, содержащего по длине строки черную и белую полосы, равные по ширине половине длины строки. При этом

_{puс min} = N/60, (7)

Для выполнения удовлетворительной по качеству фототелеграфной связи достаточно передавать частоты от F_{рис min} до F_{рис max}. Международный консультативный комитет по телеграфии и телефонии рекомендует для факсимильных аппаратов N = 120, 90 и 60 об/мин; S = 0.15 мм; D = 70 мм. Из (5) и (6) следует, что при N = 120 F_{рис max} = 1466 Гц; F_{рис min} = 2 Гц; при N =60 F_{рис max} = 733 Гц; F_{рис min} = 1 Гц; Динамический диапазон факсимильного сигнала составляет 25 дБ. Телеграфные сигналы и сигналы передачи данных. Сообщения и сигналы телеграфии и передачи данных относятся к дискретным. Устройства преобразования телеграфных сообщений и данных представляют каждый знак сообщения (букву, цифру) в виде определённой комбинации импульсов и пауз одинаковой длительности. Импульс соответствует наличию тока на выходе устройства преобразования, пауза - отсутствию тока. Для передачи данных используют более сложные коды, которые позволяют обнаруживать и исправлять ошибки в принятой комбинации импульсов, возникающие от действия помех. Устройства преобразования сигналов телеграфии и передачи данных в сообщения по принятым комбинациям импульсов и пауз восстанавливают в соответствии с таблицей кода знаки сообщения и выдают их на печатающее устройство или экран дисплея. Чем меньше длительность импульсов, отображающих сообщения, тем больше их будет передано в единицу времени. Величина, обратная длительности импульса, называется скоростью телеграфирования: В = 1/τ_и, где τ_и - длительность импульса, с. Единицу скорости телеграфирования назвали бодом. При длительности импульса τ_и = 1 с скорость В = 1 Бод. В телеграфии используются импульсы длительностью 0.02 с, что соответствует стандартной скорости телеграфирования 50 Бод. Скорости передачи данных существенно выше (200, 600, 1200 Бод и более). При передаче двоичных сигналов достаточно зафиксировать только знак импульса при двуполярном сигнале либо наличие или отсутствие - при однополярном сигнале. Импульсы можно уверенно зафиксировать, если для их передачи используется ширина полосы частот, численно равная скорости передачи в бодах. Для стандартной скорости телеграфирования 50 Бод ширина спектра телеграфного сигнала составит 50 Гц. При скорости 2400 Бод (среднескоростная система передачи данных) ширина спектра сигнала равна примерно 2400 Гц.

3. Цифровые частотомеры

Частотомеры - сам принцип работы приборов основан на подсчете количества импульсов, сформированных входными цепями из периодического сигнала произвольной формы, за определенный интервал времени. Временной интервал измерения задается методом подсчета импульсов, взятых с внутреннего кварцевого генератора или из внешнего источника. Более простыми словами можно сказать что прибор является сравнивающим устройством, точность которого завистит от эталонной частоты и правильности задания её. Данное устройство отличается высокой точностью и широким диапазоном частот относитьтельно своих аналогов.

Среди измерительных приборов частотомеры занимают определенное почетное положение. Обычно частотомеры применяются для определения частоты переменного или импульсного тока для настройки радиоаппаратуры. А так же частотомер может быть пригоден на электростанциях для отслеживания частоты переменного тока, подающегося на линии электропередачи. Принцип любого частотомера одинаков и состоит в подсчете количества колебания за одну секунду времени.

Рис. 10. 2-7: Питание (220 B AС) 3-4: Выход реле  1-8: Измерительный вход

Как и все измерительные электрические приборы, частотомеры делятся на две большие группы: аналоговые и цифровые. Частотомеры и той, и другой группы имеют и преимущества и недостатки. Исторически аналоговые измерительные приборы, в том числе и частотомеры аналогового типа, появились первыми. К недостаткам аналоговых приборов следует отнести наличие чувствительной к тряскам и вибрациям механической части, требования к определенной ориентации и положения прибора, конечная погрешность частотомера. К положительным качествам аналоговых частотомеров относится легкая считываемость показаний при постоянном изменении измеряемой частоты. По расположению частотомеры разделяются на карманные, настольные, и щитовые. Щитовые частотомеры устанавливают на станциях подачи и распределения электроэнергии и на других предприятиях в служебных помещениях для отслеживания частоты переменного тока. И все же частотомер цифровой уже несколько десятков лет назад вытеснил аналогового собрата. Современный частотомер цифровой не имеет механических частей, и поэтому не критичен к способу установки. Ему не страшны вибрации, частотомер цифровой щитовой может быть установлен в одном из помещений производственного цеха завода без опасений за его точную и бесперебойную работу. Относительная погрешность, которую имеет частотомер цифровой щитовой, может быть очень малой. Точность работы цифрового прибора может достигать сотых долей процента. Измерительный прибор частотомер цифровой щитовой предназначен для точного измерения и отслеживания частоты переменного напряжения электрической сети. Цифровые частотомеры этого типа предназначены для стационарной установки в электроизмерительные щиты. Выпускаются стандартных габаритных размеров 120х120, 96х96, 80х80 и 96х48 мм. Класс точности выпускаемых цифровых частотомеров для установки в электрощиты 0,2 или 0,1. Щитовой частотомер имеет пределы измерения частот от 45 до 65 Гц с точностью 0.02 и 0.01 Гц. С указанной точностью частотомер цифровой щитовой способен измерять частоту переменного тока в сети с напряжением от 85 до 242В. Работоспособность прибора сохраняется в широком диапазоне температур от -50 до +50 градусов и до 80% влажности. Конструирование этого измерительного прибора (рис. 11) должно стать для вас обобщением, сведением воедино и практическим применением знаний и навыков по основам цифровой техники. Прибор позволит измерять синусоидальные гармонические и импульсные электрические колебания частотой от единиц герц до 10 МГц и амплитудой от 0,15 до 10 В, а также считать импульсы сигнала.

Рис. 11. Внешний вид цифрового частотомера

Его образуют: формирователь импульсов сигнала измеряемой частоты, блок образцовых частот, электронный ключ, двоично-десятичный счетчик импульсов, блок цифровой индикации и управляющее устройство. Питается частотомер от сети переменного тока напряжением 220 В через двухполупериодный выпрямитель со стабилизатором выпрямленного напряжения.

Действие прибора основано на измерении числа импульсов в течение определенного-образцового-интервала времени. Исследуемый сигнал подают на вход формирователя импульсного напряжения. На его выходе формируются электрические колебания прямоугольной формы, соответствующие частоте входного сигнала, которые поступают на электронный ключ. Сюда же через управляющее устройство, открывающее ключ на определенное время, поступают и импульсы образцовой частоты. В результате на выходе электронного ключа появляются пачки импульсов, которые далее следуют к двоично-десятичному счетчику. Логическое состояние двоично-десятичного счетчика, в котором он оказался после закрывания ключа, отображает блок цифровой индикации, работающий в течение времени, определяемого управляющим устройством. В режиме счета импульсов управляющее устройство блокирует источник образцовых частот, двоично-десятичный счетчик ведет непрерывный счет поступивших на его вход импульсов, а блок цифровой индикации отображает результат счета. Формирователь импульсного напряжения представляет собой усложненный триггер Шмитта, собранный на микросхеме К155ЛД1 (DD1). Резистор R1 ограничивает входной ток, а диод VD1 защищает микросхему от перепадов входного напряжения отрицательной полярности. Подбором резистора R3 устанавливают нижний (наименьший) предел напряжения входного сигнала. С выхода формирователя (вывод 9 микросхемы DD1) импульсы прямоугольной формы поступают на один из входов логического элемента DD11.1, выполняющего функцию электронного ключа. В блок образцовых частот входят: генератор на элементах DD2.1-DD2.3, частота импульсов которого стабилизирована кварцевым резонатором ZQ1, и семиступенный делитель частоты на микросхемах DD3-; DD9. Частота кварцевого резонатора равна 8 МГц, поэтому микросхема К155ИЕ5 (DD3) первой ступени делителя включена так, чтобы частота генератора делилась на 8. В результате частота импульсов на ее выходе (вывод 11) будет 1 МГц. Микросхема каждой последующей ступени делит частоту на 10. Таким образом, частота импульсов на выходе микросхемы DD4 равна 100 кГц, на выходе микросхемы DD5-10 кГц, на выходе DD6-1 кГц, на выходе DD7-100 Гц, на выходе DD8 - 10 Гц и на выходе всего делителя (вывод 5 микросхемы DD9) - 1 Гц. Участок измеряемых частот устанавливают переключателем SA1 «Диапазон». В крайнем правом (по схеме) положении этого переключателя трехразрядный блок цифровой индикации фиксирует частоту до 1 кГц (999 Гц), во втором от него положении-до 10 кГц (9999 ГцХ в третьем-до 100 кГц (99999 Гц) и далее до 1 МГц (999 кГц), до 10 МГц (9,999 МГц). Для более точного определения частоты сигнала приходится выбирать переключателем соответствующий поддиапазон измерения, постепенно переходят от более высокочастотного участка к низкочастотному. Так, например, чтобы измерить частоту звукового генератора, надо установить переключатель сначала в положение «х! 0 кГц», а затем переводить его в сторону меньших образцовых частот.

Управляющее устройство, работу которого иллюстрируют графики, приведенные на рис. 12, состоит из. В-тригге-ров DD10.1 и DD10.2, микросхемы DD10, инверторов DD11.3, DD11.4 и транзистора VT1, образующих усложненный ждущий мультивибратор. На вход С D-триггера DD10.1 поступают импульсы с блока образцовых частот. По фронту импульса образцовой частоты, установленной переключателем SA1, этот триггер, работающий в режиме счета на 2, переключается в единичное состояние и напряжением высокого уровня на прямом выходе (вывод 5) открывает электронный ключ DD11.1.

Литература

частотомер электрический спектральный сигнал

1.       Материал из РадиоВики - энциклопедии радио и электроники

.        Спектральное представления электрических сигналов, Издательство 1959 г.