книги / Методы и устройства цифрового измерения низких и инфранизких частот
..pdfH . В . К И Р И А Н А К И , В . Б . Д У Д Ы К Е В И Ч
МЕТОДЫ И УСТРОЙСТВА
ЦИФРОВОГО ИЗМЕРЕНИЯ
НИЗКИХ И ИНФРАНИЗКИХ
ЧАСТОТ
ИЗДАТЕЛЬСКОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ «ВИЩА ШКОЛА»
ИЗДАТЕЛЬСТВО ПРИ ЛЬВОВСКОМ ГОСУДАРСТВЕННОМ УНИВЕРСИТЕТЕ
Л ь в о в — 1 9 7 5 -
6Ф6.5
К43
УДК 621.317+531.7
В данной монографии излагаются методы изме рения и преобразования низких и инфранизкнх частот, принципы построения различных типов аналоговых и цифровых умножителей частоты и измерителей частотно-временных параметров, от личающихся высоким быстродействием и точ ностью, представлением результатов непосред ственно в единицах измеряемых величин, полной автоматизацией всех операции процесса преобра зования.
Приводятся структурные и принципиальные схе мы оригинальных умножителей, частотомеров и их основных узлов, описывается методика иссле дования и расчета метрологических и динамиче ских характеристик этих приборов.
Книга (рассчитана на научных работников, аспи рантов и инженеров, работающих в области при боростроения и автоматизации процессов управ ления, и может быть использована студентами, специализирующимися в области автоматики, те лемеханики, информационно-измерительной и вы числительной техники.
30311-080 |
м п т _ |
К------------------ 219-75
*М225(04)-75
©ИЗДАТЕЛЬСКОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ сВИЩА ШКОЛА», 1975
ОТ А В Т О Р О В
Внастоящее время значительно расширился диапазон измерения не только вы соких, но и инфранизких частот. Требования к точности « скорости измерений все более возрастают. При измерении низких и инфранизких частот исследова тели встречаются со значительными трудностями, так как существующая циф ровая измерительная аппаратура не может обеспечить ни высокого быстродейстиия, ни получения результата измерения в единицах частоты или в других функционально связанных с частотой -величинах. В связи с этим в последние
годы интенсивно ведутся работы по созданию новых методов измерения низких н инфранизких частот. Однако многие из них требуют сложных схемных реше ний или решают только ограниченные задачи. Вопросы построения частотноцифровой измерительной аппаратуры для диапазона низких и инфранизких час тот освещены лишь в отдельных статьях различных авторов в периодических изданиях, причем предлагаемые методы и устройства часто приводятся без их сравнительной оценки.
В данной монографии авторы проанализировали ранее предложенные мето ды измерения низких и инфранизких частот, показали пути совершенствования
частотно-цифровой аппаратуры |
для данного |
диапазона |
и |
разработали |
методы |
|
и устройства, более |
полно удовлетворяющие |
требованиям |
повышения |
точности |
||
и быстродействия. |
|
|
|
|
|
|
В основу книги |
положены |
результаты ряда работ, |
выполненных на кафед |
ре автоматики и телемеханики Львовского политехнического института по тема тике сформировавшегося на кафедре нового научного направления «Методы и цифровые прямопоказывагощие устройства для частотно-временных измерении в области низких и инфранизких частот». Научное руководство работ по этому направлению и научное редактирование книги осуществлял Н. В. Кирианаки.
Введение, главы 1 и 4 написаны Н. В. Кирианаки, главы 2 и 3 — В. Б. Дудыкевичем.
Авторы выражают благодарность доктору технических наук Ю. А. Скрипнику и кандидату технических наук Н. И. Калашникову за ценные замечания, которые' были сделаны при рецензировании книги и способствовали улучшению ее содержания. Авторы выражают глубокую признательность доктору техниче ских наук, профессору П. П. Орнатскому за -поддержку и ценные замечания, а также коллективу кафедры автоматики и телемеханики Львовского политехни ческого института.
В В Е Д Е Н И Е
Увеличение объема и сложность экспериментальных исследований в различных областях науки и техники, интенсивность и сложность производственных процессов, большие масштабы комплексной автоматизации производства, которая во многом предопределяет рост производительности труда и развитие экономики страны, — все это требует широкого использования электронно-цифровых вы числительных (ЭЦВМ) и управляющих (УВМ) машин для обра ботки больших объемов информации. В связи с этим необходимо разработать устройства ввода результатов измерения непосред ственно в ЭЦВМ и УВМ. Расширение круга измеряемых величин (электрических и неэлектрических), рассредоточение контролируе мых или исследуемых объектов на поверхности и в пространстве, большая удаленность датчиков от устройства первичной обработ ки информации, невозможность использования во многих случаях проводных линий связи, высокий уровень помех — все это затруд няет или даже исключает использование в качестве унифицирован ного выходного параметра датчиков напряжения и тока, а также разработку быстродействующих высокоточных устройств ввода и их унификацию. Поэтому в настоящее время усилилась тенденция -использования частотных датчиков.
Существенные преимущества частоты как унифицированного выходного параметра датчиков — это возможность наиболее точно измерять и интегрировать величины сравнительно простыми сред ствами; отсутствие искажений при ее коммутации; высокая поме хоустойчивость; легкость изменения масштаба преобразования и получения любого кода, требуемого для ввода результата изме рения в -ЭЦВМ и УВМ, для его передачи по каналам связи и др. [59, 78, 114, 115].
Однако значительное количество процессов, которые исследу ются в настоящее время в различных областях науки и техники, протекают с частотами, лежащими в низком и инфранизком диа пазонах (сотни герц и ниже). Так, например, в США исследуется возможность создания скрытой связи для подводных лодок по ка налу «берег—корабль» в пределах всего земного шара на сверх низких частотах (ниже 100 гц) [83]. Электрохимические преобра
зователи информации, описанные в [13], имеют частотный диапа-! зон 0,0005— 100 гц. Передача сигналов по каналам связи с по мощью преобразователей, основанных на применении энергии сжатого воздуха, возможна только в пределах низких частот, из меряющихся долями герца [121]. Достаточно низкие скорости вра щения (от нескольких об/мин) измеряют в тахометрии, при управ лении вращением роликов в производственных линиях на предприя тиях черной металлургии, целлюлозно-бумажной промышленности, производстве искусственного шелка, в машиностроении и др. Более низкие скорости вращения (10“4—1 град/сек) необходимо измерять и регулировать при управлении астрономической аппаратурой [74]. Наибольшее количество тахометров имеют пределы измерения 5—150 000 об/мин и погрешности ±0,05—±3% [69]. Там же опи саны образцовые тахометрические установки TXI-60 класса точ ности 0,1 и ОТХЗ-150 класса точности 0,01 для проверки тахомет ров соответственно в диапазонах 5—60 000 об/мин и 5— 150 000 об/мин, а также устройства для измерения малых угловых скоростей в диапазоне 5• 10-4—25-10-1 град/сек.
Во многих областях современной техники, например в энерго машиностроении, часто возникает необходимость исследовать виб рации, спектр частот которых лежит в диапазоне 7—400 гц [77]. Поэтому нужно создать построители резонансных кривых, способ ные измерять каждый период колебаний механической конструк ции в диапазоне частот 1—10 гц} а графическое построение кривых производить в координатах «амплитуда колебаний—частота» [46].
Параметры биоэлектрических процессов занимают широкий частотный диапазон, а именно: биотоки желудка — 0,001—0,7 гц, мозга — 0,6—90 гц, сердца 0,7—700 гц, мышц — 10—1400. гц [94]..
Аппаратура, предназначенная для исследования систем авто матического регулирования, охватывает диапазон частот 10-4— 1000 гц [18]. В диапазоне низких и инфранизких частот лежат выходные частоты многих датчиков, значительное число которых в последнее время разработано у нас и за рубежом. Сохраняя в этом диапазоне свои неоспоримые преимущества перед другими носителями информации, частота во многих случаях является единственным носителем значения контролируемого объекта.
Многие зарубежные фирмы, стремясь уменьшить нижние зна чения измеряемых частот своих приборов, увеличивают время квантования. Так, например, из 150 моделей цифровых частото меров, которые выпускались фирмами США в 1967 г., 11 моделей имели время квантования 100 сек и более, а одна модель (частото мер 2240) — 1000 сек. Интервал квантования 100 сек имеют также частотомеры ВМ-354 (ЧССР), PFL-4 (Польша), 805BR, TF2401, TF7558 (Англия) и др. При этом минимальные значения частот, которые могут быть измерены, составляют единицы или даже десятые доли герц. Отечественный частотомер 43-14 имеет диа пазон, начинающийся с 1 гц, а частотомеры Ф552, Ф553, Ф571 и Ф599 — 0,1 гц [104]. Однако это не решает задачи измерения низких и инфранизких частот, так как получающиеся при этом
погрешности измерения велики. В связи с этим в последние годы
внашей стране и за рубежом интенсивно разрабатывались новые
исовершенствовались известные методы измерения низких и инфранизких частот, обладающие высокой точностью и высоким быстродействием.
Однако, несмотря на сравнительно большое число предложен ных методов и устройств, проблема повышения быстродействия при измерении этих частот и получения показания в единицах частоты или иной измеряемой величины еще не решена. Кроме того, производственная практика и практика научных исследова ний выдвинули новые задачи частотно-временных измерений. По этому необходимо было создать цифровые измерители абсолютных
иотносительных отклонений частоты от заданных значений, суммы
иразности частотно-временных параметров, способных обеспечить выполнение масштабных и других функциональных преобра зований.
Внастоящее время продолжается разработка новых методов,
измерительных приборов и преобразователей, способных обеспечи вать при высокой точности ,и быстродействии получение результата измерения более простыми средствами в единицах измеряемой величины без выполнения каких-либо дополнительных вычис лительных операций оператором и без существенных затрат вре мени на их выполнение после окончания квантования. Для объек тивной оценки методов и средств измерения частоты необходим также теоретический анализ, прежде всего их метрологических и некоторых технических характеристик. Особенности измерения низких частот, вопросы построения частотно-измерительных уст ройств для измерения этих частот и их сравнительный анализ в литературе освещены довольно слабо.
В данной монографии авторы попытались восполнить этот про бел. Она посвящена теоретическому анализу возможностей сущест вующих методов и устройств, теоретическому и экспериментально му исследованию новых, пригодных для работы в области низких и инфранизких частот и удовлетворяющих современным требова ниям. Большое внимание в работе уделяется также вопросам создания специализированных частотомеров для измерения угло вых скоростей, упрощенных частотомеров для работы в комплекте с частотными датчиками.
Монография написана на основе совместных оригинальных ра бот соавторов, а также содержит сведения о других работах, которые проводились в нашей стране и за рубежом.
Г л а в а 1
МЕТОДЫ И УСТРОЙСТВА и з м е р е н и я ч а с т о т ы ,
а н а л и з их б ы с т р о д е й с т в и я и т о ч н о с т и п ри и с п о л ь з о в а н и и в д и а п а з о н е н и з к и х и и н ф р а н и з к и х ч а с т о т
1.1. Основные методы измерения частоты к технический уровень современных цифровых частотомеров
В нашей стране и за рубежом, прежде всего в США, Англии, Японии, Франции, ФРГ, ГДР, Венгрии, Польше и Чехословакии, выпускается более 400 различных моделей цифровых приборов для выполнения частотно-временных измерений, а также произ водственных и научных измерений различных электрических и не электрических величин, предварительно преобразованных в часто ту или период синусоидальных, или импульсных напряжений, в ин тервал времени.
Подавляющее большинство цифровых частотомеров (ЦЧ), вы пускаемых у нас и за рубежом, являются электронно-счетными, то есть основанными на использовании метода совпадения [48] или сопоставления [80], при котором в процессе измерения сравнивают ся между собой измеряемая величина (частота, период или интер вал времени) и физически однородная с ней, принятая в качестве меры. Так как в качестве последней используется образцовая мера времени (ОМВ) или частоты (ОМЧ), представляющая собой сово купность генератора образцовой частоты (ГОЧ) п ряд последова тельно соединенных в цепочку друг за другом масштабных преоб разователей (делителей или умножителей частоты и периода), то ЦЧ, в отличие от других цифровых измерительных приборов, могут обеспечить самую высокую точность измерений, если в качестве ГОЧ применить кварцевые генераторы. Последние обладают наи большей временной и температурной стабильностью частоты и точностью первоначальной установки ее значения.
При измерениях по методу совпадения, в зависимости от того используется ли ОМВ или ОМЧ, происходит квантование и коди
рование значения измеряемой частоты /*, |
периода Гх= — или |
|
Тх |
интервала времени, в том числе и кратного периоду Г*. |
|
В первом случае ЦЧ измеряет за время Тк среднее значение |
|
частоты, равное |
|
R |
|
V АГ„Л*-' |
|
émâ |
|
Т . |
( 1 . 1 ) |
' |
т
а во втором — период этой частоты, равный
Я
( 1.2)
где NH= 0— (А — 1) — показание эс-го разряда счетчика ЦЧ\ R — число разрядов счетчика ЦЧ\ А — основание системы счисления, принятой при построении счетчика; nL — количество периодов Тх, в течение которых осуществляется подсчет числа квантующих им пульсов; Nf и NT — числа, записанные в счетчик ЦЧ, пропорцио нальные соответственно измеряемой частоте и ее периоду.
На рис. 1J1 показана упрощенная схема ЦЧ и временная диаграмма работы его узлов при разовых измерениях частоты. Структурная схема содержит фор мирователь Ф, схему совпадения И, многоразрядный счетчик импульсов МОИ,
Рис. 1-1. Структурная схема цифрового частото мера и временная диа грамма его работы.
т \
МСИ\ | ! |
| |
| |
1 |
1 |
|||
Л 41 |
— |
1 |
Тх |
— |
Л |
п |
образцовую меру времени ОМВ и блок автоматического управления БАУ, вклю-' чающий; а) элемент задержки D; б) схему ИЛИ; ъ) управляющий триггер УТг. Измерение выполняется в два этапа после подачи на вход БА У импульса «Пуск». На первом этапе, длительность которого определяется задержкой Д , подготав ливают все узлы ЦЧ к работе при помощи подачи на их входы импульса «Сброс», а на втором, который наступает сразу после перевода УТг из нулевого в единич ное состояние, — квантуют и кодируют значение /* в течение неизменного интер
вала времени квантования |
Тк, значение которого задает |
ОМВ. Затем триггер |
y j z переводится в исходное |
нулевое состояние импульсом |
с выхода ОМВ, а ре |
зультат измерения в единицах частоты указывается на ЦОУ. Во время измерения ф формирует из входного напряжения частоты /* последовательность импульсов
7 jr= J —МСИ кодирует путем счета в системе счисления А количество импульсов
fX
спериодом следования 7*. а схема И сравнивает между собой длительность
отрезка |
7,< с длительностью образующегося при квантовании отрезка времени |
N fT x. |
Следовательно, благодаря методу совпадения или сопоставления исполь |
зуют один самый простой элемент сравнения, роль которого выполняет схема совпадения на входе МСИ, кроме того, можно обойтись и без цифро-аналоговых преобразователей, что значительно упрощает схему. Отсутствие связей между входом и выходом прибора исключает возможность возникновения авто колебаний.
Из рис. 1-1 видно, что в общем случае можно записать следующее ра венство:
NfTx 7K+A /I—Д/г—Гк-ЬДи,
где Ah и Д/s — погрешности квантования по значению частоты Дк, которые равны части или целому значению периода 7* соответственно нулевого и N f+ 1 импульсов, не прошедших на вход МСИ. Поэтому
|
|
N,Tx=TK-±Tx, |
|
|
(1.3) |
а равенство (.1.1) выполняется с некоторой погрешностью, |
абсолютное |
значение |
|||
которой равно |
|
|
|
|
|
|
|
Ди = ±7*, |
|
|
(1.4) |
а относительное - |
|
|
|
|
|
/ |
Nf |
Ns \ |
|
|
|
\ 7 K=h7* |
та) 100 |
100 7* |
100 |
(1.5> |
|
6 н = - |
|
- — zb ----------- = rfc ---- %• |
|||
|
|
|
7 К± 7 * |
Nf |
|
|
|
7„ |
|
|
|
Другой составляющей погрешности измерения частоты является погрешность ôt используемой образцовой меры времени, обусловленная неточностью первона чальной установки значения Тн и ее последующими временными и температур ными изменениями.
На рис. 1-2 показана упрощенная структурная схема ЦП и временная диа грамма работы его узлов при осуществлении разовых измерений Тх. Кроме перечисленных выше узлов для схемы (рис. 1-1), она дополнительно содержит схему И и триггер со счетным входом, а вместо ОМВ—ОМЧ. При измерениях БАУ сначала подготавливает ЦЧ к работе, а затем дает разрешение на кванто вание и кодирование -периода, которые начинаются после включения Тг задним фронтом первого импульса на выходе Ф и заканчиваются после повторного включения Тг задним фронтом второго импульса, так как в этом случае возвра щается в исходное нулевое состояние ЬТг. Период 7* (равно, как и интервал' времени /*) квантуется последовательным заполнением МСИ квантующими импульсами ОМЧ, следующими с частотой /ч. Схема И сопоставляет между собой значения периода 7* и отрезка времени NTTot образующегося в процессе счета квантующих импульсов, то есть она по-прежнему выполняет функции элемента сравнения. Как видно из рис. 1-2, при измерении 7* можно записать такое равенство:
Л/т7о=7* + Д/1—Д /з~7 *±Д ц(.
Так как составляющие Д/i и Д/г абсолютной погрешности квантования значения одного периода AtK могут быть равны То, то
Поэтому и при измерении периода равенство (1.2) выполняется с некоторой погрешностью, абсолютное значение которой
Ai« = ± Г 0, |
|
(1.7) |
а относительно приведенное значение — |
|
|
NTU(TQ± \ ) - N TUTO |
100= |
100 |
ôiK= |
( 1.8) |
|
N-rnTo |
|
Ятн |
Значения этих погрешностей тем меньше, чем меньше Го и больше NT , то есть Тх. При заданных То и Г* значение ô jK можно уменьшить путем увеличения числа пх квантуемых периодов Г*. Для этого в схему ЦЧ необходимо ввести
Рис. 1*2. Структурная схема цифрового периодомера .и временная диа грамма его -работы.
устройство ЗУ |
для задания числа пи счетчик |
числа периодов Г*, |
инвертор |
и схему И (рис. |
1-3). Триггер Ггi, выполняющий |
функции Гг в схеме на рис. 1-2, |
|
имеет раздельные входы. Триггер Ггi включается |
импульсом с выхода |
схемы Я, |
а выключается импульсом СчП, который появляется после того, как иа его вход
поступит число импульсов |
с периодом |
следования Г*, |
равное |
заданному ni. |
|
В этом случае |
|
|
|
|
|
Д |
±7У |
6„ = |
— = ± - ^ - % |
, |
(1.9) |
ni iiiNt
аЦП измеряет среднее значение периода за интервал t=niTx.
ВЦП, кроме погрешности квантования 6К, возникает еще погрешность ôi, обусловленная неточностью первоначальной установки частоты ГОЧ, ее времен ной и температурной нестабильностью, а также погрешность 0г выделения пе-