С целью определения частот периодических сигналов, а также для выявления гармонических компонентов спектров, применяют специальные радиоизмерительные и электроизмерительные приборы, называемые частотомерами. Эти приборы позволяют не только измерять основную частоту сигнала, но и анализировать его спектральный состав, что важно для оценки качества и характеристик электрических и радиоэлектронных систем.
На сегодняшний день частотомеры классифицируются по методу измерения на два основных типа: аналоговые и приборы сравнения.
Аналоговые частотомеры предназначены для непосредственной, непрерывной оценки частоты сигнала, и чаще всего используются для анализа синусоидальных колебаний малого диапазона частот.
Приборы сравнения, к которым относятся электронно-счетные частотомеры, гетеродинные (супергетеродинные), резонансные и вибрационные, основаны на принципе сравнения измеряемой частоты с эталонной или опорной частотой. Они обеспечивают более высокую точность и позволяют работать с более широким диапазоном сигналов и частот.
Аналоговые частотомеры чаще всего применяются для измерения сигналов с плавно изменяющейся частотой и с относительно низкой точностью.
Гетеродинные и резонансные частотомеры специализируются на обнаружении и измерении гармонических составляющих сигналов, что делает их эффективными при спектральном анализе и диагностике сложных колебательных процессов.
Электронно-счетные частотомеры, а также конденсаторные частотомеры, наиболее пригодны для определения частот дискретных событий, импульсных и прямоугольных сигналов, благодаря высокой точности и скорости измерений.
По типу конструкции частотомеры могут быть щитовыми, переносными и стационарными.
Щитовые частотомеры обычно устанавливаются в стационарных лабораторных или производственных условиях, где необходима высокая точность и надежность.
Переносные приборы предназначены для использования в полевых условиях и отличаются компактностью, автономностью и удобством эксплуатации.
Стационарные частотомеры, в свою очередь, оптимизированы для долгосрочной работы в условиях постоянного контроля технологических процессов или научных исследований.
Аналоговый стрелочный частотомер
Стрелочный аналоговый частотомер относится к электромеханическим измерительным приборам, и работает по принципу магнитоэлектрической, электромагнитной или электродинамической системы.
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 для измерения частот токов в диапазоне от 900 до 1100 Гц в цепях передвижных и стационарных объектов. Потребляемая прибором мощность — 7 Вт.
Язычковый вибрационный частотомер
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.
Частотомер гетеродинный
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.
Частотомер резонансный
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.
Частотомер электронно-счетный
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.
Электронно-счётные частотомеры нашли широчайшее применение в различных областях науки, техники и промышленности.
Они незаменимы при наладке, контроле и ремонте радиоэлектронного оборудования, измерительных систем, а также при эксплуатации и производстве сложной аппаратуры связи и радиолокации.
С их помощью осуществляется измерение частоты и периода как синусоидальных, так и импульсных сигналов, контроль длительности и интервалов между импульсами, а также вычисление отношения частот двух электрических сигналов или простое считывание числа импульсов за выбранный интервал времени.
Современные приборы отличаются развитой автоматикой, наличием различных интерфейсов для передачи данных (USB, RS-232, GPIB), возможностью хранения настроек, программируемыми логическими блоками, расширенным диапазоном рабочих температур и высокой помехоустойчивостью.
Благодаря универсальности и удобству современные электронно-счётные частотомеры часто применяются в автоматизированных измерительных комплексах, научных лабораториях, при испытаниях и сертификации электронных узлов и органов управления технологическими процессами.
В заключение, быстрое развитие цифровых технологий способствует постоянному совершенствованию электронно-счётных частотомеров: появляются новые функции, повышается точность и надёжность измерений, а также расширяются сферы их применения.
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.
Разнообразие типов и конструктивных особенностей частотомеров позволяет подобрать оптимальное решение для конкретной задачи измерения частоты и анализа сигналов в самых разных областях — от радиотехники и телекоммуникаций до промышленной автоматики и научных экспериментов.
Андрей Повный