Częstościomierz to urządzenie wykorzystujące przy pomiarze technikę cyfrową. Cyfrowe jest też jego wskazanie, przy czym maksymalna liczba cyfr wyświetlacza (świadcząca też o rozdzielczości wskazania) jest obok zakresu mierzonych częstotliwości najważniejszym parametrem każdego częstościomierza. Ma też duży wpływ na jego cenę. W artykule zostaną przedstawione funkcje typowych częstościomierzy laboratoryjnych zilustrowane tablicą ze zdjęciami i danymi technicznymi przyrządów tego typu produkcji kilku wybranych firm.

Funkcje częstościomierzy

- Bramkowanie
Metody pomiarowe wykorzystywane przez częstościomierze dostępne na rynku przyrządów pomiarowych przedstawiono dokładnie już w poprzednim numerze „Nowoczesnego Warsztatu”. Metody te to w skrócie: bramkowanie bezpośrednie i pośrednie. W częstościomierzach z bramkowaniem bezpośrednim okres bramkowania uzyskuje się przez podzielenie częstotliwości sygnału odniesienia wytwarzanego przez stabilny oscylator. Sygnał ten nazywany jest często podstawą czasu lub potocznie – zegarem.
Dokładność podstawy czasu, czyli wyznaczania czasu pomiaru (zliczania) ma zasadniczy wpływ na dokładność wskazań częstościomierza. Aby zwiększyć tę dokładność, stosuje się zewnętrzną podstawę czasu. Wiele częstościomierzy dostępnych na rynku ma osobne gniazdo montowane z tyłu obudowy, będące wejściem zewnętrznej podstawy czasu, którą wytwarza zwykle oscylator kwarcowy o wysokiej stabilności, np. 5 x 10-9. Dla porównania, stabilność wewnętrznej podstawy czasu typowego częstościomierza wynosi ok. 5 x 10-6, a więc w omawianym przypadku jest tysiąc razy gorsza od stabilności zewnętrznej podstawy czasu.
Przed pomiarem częstotliwości częstościomierzem użytkownik ustawia czas bramkowania („gate time”), wybierając go z kliku dostępnych wartości. Są też dostępne częstościomierze z płynną regulacją tego czasu.

- Kanały pomiarowe
Dobrze wyposażony częstościomierz ma trzy wejścia kanałów pomiarowych, które oznacza się zwykle literami: A, B i C. Kanały A i B mają najczęściej identyczne parametry, w tym pasmo z reguły nieprzekraczające 100 MHz. Z kolei wejście C jest przeznaczone do pomiaru dużych częstotliwości (od kilkudziesięciu kHz do nawet 3 GHz). Przy pomiarze w kanałach A i B przyrząd korzysta z kombinacji metod bramkowania bezpośredniego i pośredniego, przy pomiarze w kanale C wykorzystuje zaś metodę bramkowania bezpośredniego lub jej odmianę. Kanał ten jest całkowicie odseparowany od kanałów pozostałych za pomocą specjalnego ekranowania, co zwiększa jego odporność na zakłócenia w.cz.
Niektóre z częstościomierzy są wyposażone tylko w dwa kanały: A i B lub A i C. Można też spotkać wykonania jednokanałowe. Częstościomierz wyświetlający wartość ilorazu sygnałów (A/B) lub ich odstępu czasowego (A-B) musi mieć dwa kanały A i B o identycznych parametrach. Porównywane sygnały doprowadza się do wejść kanałów A i B. Ich wejścia w sprzęcie profesjonalnym są standardowo zakończone gniazdami typu BNC, a wejście kanału C – specjalnym, nieco większym gniazdem UHF.

- Impedancja i maksymalne napięcie wejściowe
Kanały A i B mają impedancję wejściową 1 MΩ. Impedancja wejściowa kanału C jest dużo mniejsza i wynosi standardowo 50 Ω. Różne są natomiast maksymalne napięcia, które można doprowadzić do wejść tych kanałów, bez obawy ich uszkodzenia. Do wejść kanałów A i B można doprowadzić napięcie przemienne, nieprzekraczające najczęściej 250 V, a do wejścia kanału C napięcie równe, co najwyżej 5 V, a nawet mniejsze. Parametrem określającym napięcie minimalne, które można doprowadzić do wejścia kanału, aby otrzymać wynik pomiaru o wyspecyfikowanej dokładności jest czułość, którą podaje się najczęściej w miliwoltach, a czasem w jednostkach poziomu dBm.

- Tłumik sygnału wejściowego i filtr dolnoprzepustowy
Zakłócenia zewnętrzne w.cz. przedostające się do wejścia układu pomiarowego częstościomierza powodują błędy zliczania. Błędy te eliminuje się stosując tłumiki i filtry sygnału wejściowego. Montuje się je wyłącznie w kanałach A i B.
Tłumik powodujący odpowiednie zmniejszenie amplitudy sygnału wejściowego pozwala w niektórych częstościomierzach zmniejszyć sygnał wejściowy nawet stukrotnie.
Filtr stosowany w typowym częstościomierzu jest filtrem dolnoprzepustowym o częstotliwości odcięcia ok. 100 kHz (przy spadku równym -3dB). Warto też, aby taki filtr miał przełączane pasmo przenoszenia.
Przy pomiarach częstotliwości napięcia sieci 50 Hz, sygnał mierzony ma dużą amplitudę i jest zwykle zakłócony, co może spowodować błędne wyniki pomiaru. Należy wtedy użyć sondy oscyloskopowej z ustawionym tłumieniem na x10, filtru dolnoprzepustowego lub tłumika.

- Wyzwalanie
Ważną funkcją każdego częstościomierza jest wyzwalanie. Lepiej wyposażone częstościomierze są wyposażone w wyzwalanie automatyczne i ręczne ze skokową lub płynną regulacją poziomu wyzwalania. Użytkownik takiego częstościomierza może też wybrać zbocze wyzwalania opadające lub malejące.
Z wyzwalania korzysta się mierząc odstęp czasowy dwóch sygnałów o różnych częstotliwościach, doprowadzanych do wejść kanałów A i B częstościomierza. Aby w takich warunkach otrzymać stabilne wskazanie, oba sygnały muszą spełniać pewne wymagania. Dobrze nadają się do tego dwa sygnały cyfrowe wyprowadzone z tego samego źródła sygnału zegarowego, nie nadają się natomiast dwa sygnały doprowadzane z wyjść oddzielnych generatorów funkcyjnych. Przy pomiarze odstępu czasowego wybiera się potrzebne zbocze sygnału doprowadzonego do wejścia kanału A (może to być zbocze opadające lub narastające) oraz zbocze opadające sygnału doprowadzanego do kanału B; ustawia się też odpowiedni poziom wyzwalania.
Mierząc stosunek częstotliwości dwóch sygnałów, doprowadzanych podobnie, jak w przypadku pomiaru odstępu czasowego A-B, sygnały te doprowadza się do wejść A i B. Częstotliwość sygnału doprowadzonego do wejścia A powinna być większa lub równa częstotliwości sygnału na wejściu B. Częstotliwości tych sygnałów powinny ponadto mieścić się w granicach podanych w danych technicznych częstościomierza użytego do pomiaru.

Dokładność pomiaru częstościomierzem zależy w dużym stopniu od wartości mierzonej częstotliwości i pogarsza się z jej wzrostem. Duże problemy z pomiarem zaczynają powstawać przy częstotliwościach wysokich, czyli radiowych. Istotna wtedy staje się jakość połączenia pomiarowego między źródłem sygnału a częstościomierzem. Niekorzystne czynniki wpływające na pogorszenie się dokładności pomiaru, a w skrajnym przypadku – uszkodzenie częstościomierza, to fale stojące i pojemności pasożytnicze przewodów pomiarowych. Fale stojące są efektem odbić sygnału i powstają, gdy przewód pomiarowy będący linią transmisyjną nie jest zakończony impedancją charakterystyczną.

Wpływ połączeń na wynik pomiaru
Dokładność pomiaru częstościomierzem zależy w dużym stopniu od wartości mierzonej częstotliwości i pogarsza się z jej wzrostem. Duże problemy z pomiarem zaczynają powstawać przy częstotliwościach wysokich, czyli radiowych. Istotna wtedy staje się jakość połączenia pomiarowego między źródłem sygnału a częstościomierzem. Niekorzystne czynniki wpływające na pogorszenie się dokładności pomiaru, a w skrajnym przypadku – uszkodzenie częstościomierza, to fale stojące i pojemności pasożytnicze przewodów pomiarowych. Fale stojące są efektem odbić sygnału i powstają, gdy przewód pomiarowy będący linią transmisyjną nie jest zakończony impedancją charakterystyczną. Ich oddziaływania wzrastają, gdy długość przewodu pomiarowego staje się równa 1/4 okresu mierzonego sygnału. Aby tego uniknąć, stosuje się krótkie przewody pomiarowe i właściwe zakończenia. Impedancja zakończenia i impedancja charakterystyczna przewodu pomiarowego powinna być równa impedancji źródła. Na przykład przy impedancji źródła 50 Ω należy używać kabla koncentrycznego o impedancji charakterystycznej 50 Ω zakończonego obciążeniem rezystancyjnym 50 Ω. Impedancja pasożytnicza przewodu użytego do pomiaru bocznikując przesyłany sygnał powoduje jego stłumienie, przy czym zjawisko to nasila się wraz z długością tego przewodu. Stąd, aby przy pomiarach sygnałów w.cz. impedancja pasożytnicza mieściła się w dopuszczalnym zakresie, długość przewodu nie powinna być większa niż 90 cm. Odbicia powodujące powstawanie fal stojących i wpływ impedancji bocznikującej minimalizuje się też stosując złącza BNC. Nie ma wtedy potrzeby stosowania zewnętrznej impedancji kończącej i dbania o jak najkrótsze przewody pomiarowe.

mgr inż. Leszek Halicki
Labimed Electronics Sp. z o.o.