книги / Методы и устройства цифрового измерения низких и инфранизких частот

(1.23)

Как и на графике (рис. 1-12), значение /гр делит диапазон измеряе­ мых частот на две области, в одной из которых минимальную по­ грешность измерения получают квантованием /Гр(/х>/гр), а в дру­ гой — квантованием ее периода (fx<frP).

частот за время Тп и не совпадают с мгновенными в моменты времени считы­ вания результатов; вторая — при определении значений меняющихся частот в промежутках времени между моментами выдачи результатов измерения. Зна­ чение бду минимально, если результат измерения относят к середине интервала квантования Тк, и равно

Чем меньше значение частоты Й синусоидальной функции, модулирующей час­ тоту датчика, и Тк, тем меньше бДу.

Максимальное значение бда зависит от способа аппроксимации функции

Q применять регистры памяти [8, 9, 55, 58, 59], что позволит, результат преды­ дущего измерения воспроизводить одновременно с очередным квантованием зна­ чения частоты. Благодаря этому ие нужно дополнительное время на индикацию результата измерения Тп, требующееся при работе ЦЧ без регистров памяти.

Максимальное значение суммарной ошибки бд при кусочно-линейной аппрок­ симации функции между точками представления результата равно •

Так, например, при измерении с приведенной погрешностью 0,01% частоты, изменяющейся линейно со скоростью 100 гц[сек в диапазоне возможных значений 1000—10000 гц методом квантования частоты, время квантования должно быть равным 1 сек. Возникающая динамическая погрешность при отнесении резуль­ тата измерения к середине интервала квантования будет равна ±5% . Если ж е требуется, чтобы она была не более ±0,1% , то время квантования должно быть уменьшено не менее чем в 50 раз, что обеспечит только метод квантования

нескольких Г*. Дальнейшее уменьшение ô,< в раз может быть достиг­

нуто только в случае квантования значения Тх. Однако при этом возникает третья, порой значительная, составляющая динамической погрешности, обуслов­ ленная изменением положения по отношению к точкам, к которым относят ре­ зультат измерения [79], середины ntTx (интервала квантования) при изменениях коэффициента усреднения щ или частоты fк [79]. Кроме того, чтобы получить результат измерения в единицах частоты, необходимо выполнять дополнительные вычисления, делающие этот метод непригодным для измерения низких и инфранизких частот. Поэтому интенсивно разрабатываются новые методы и устрой­ ства [2, II, 16—17, 20, 23, 25, 29, 30, 38, 42, 66—68. 71, 79, 62, 84г-85, 89, 95—96, 103, 108, 112, 117—118. 120, 129— 130].

В настоящее время получили распространение методы измереия, основанные на квантовании:

1)значения измеряемой частоты fx с синхронизацией начала времени квантования с импульсом измеряемой частоты и учетом остаточного интервала [66, 80, 84, 95, 96 и др.];

2)значения интервала времени, кратного периоду Тх, с допол­ нительным преобразованием для получения показания в единицах частоты [17, 23, 51, 62 и др.];

3)значения предварительно умноженной частоты [25, 27, 29,

61, 72, 89, 111 и др.].

*Эти методы, получившие наибольшее распространение, будем называть основными. Рассмотрим их более подробно. В настоящей главе описаны методы первой группы, а в двух последующих — двух последних.

В первой группе уменьшение Гк достигается уменьшением бч. Наиболее

Уменьшение погрешности квантования при пренебрежимо малом значении ôt равносильно уменьшению значения Тк в-два раза. Применение ЧД, основанных на использовании симметричных мультивибраторов [114, 1*151, наиболее просторешает эту задачу. При измерениях после подачи импульса «Пуск» одновременно- с включением УТг переходит из заторможенного режима в режим автоколеба­ ния ЧД. Первый импульс, который проходит на вход МСИ, появляется чере* время Тх/2 после включения УТг и открытия элемента сравнения на входе МСИ" (рис. 1-1). В других случаях, как будет показано далее, это достигается услож­

нением БАУ и Ф (рис. i-13).

Дальнейшее уменьшение бк достигается синхронизацией начала времени квантования со счетным импульсом измеряемой частоты и учетом остаточногЬ временного интервала àt2. Тогда справедливо следующее соотношение:

откуда после деления на ТиГх и выполнения ряда преобразований получим

л /;+ ( д ч т х)

(1.30)

Следовательно, для уменьшения 6К остаточный временной интервал Д/г дол­ жен быть представлен рядом дополнительных разрядов, отображающих-его как некоторую часть периода Тж. Число этих разрядов определяется методом учета и временем измерения, выделенным для такого учета.

Синхронизация, обеспечивающая Д ^ = 0 , может быть достигнута различными способами. На рис. 1-13 показана структурная схема ЦЧ для разовых измере-

Рнс. 1-13. Структурная схема цифрового часто­ томера с синхронизацией момента начала кванто­ вания значения частоты с моментом прихода пер­ вого счетного импульса.

ний, реализующая один из способов синхронизации. В состав БАУ дополнитель­ но вводят триггер синхронизации ТгС со схемой ИЛИъ на входе выключения и элементом задержки на входе включения, схему Mi на входе включения УТг. Триггер ТгС включается после запуска через время т 3, определяемое элементом задержки Di, и открывает схему И С приходом первого импульса частоты fx включается УТг, открывающий схему сравнения И на входе МСИ, благодаря чему в счетчик пройдет только следующий импульс, отстоящий от момента на­

Если усложнить схему Ф н предусмотреть у нее элемент, формирующий две последовательности импульсов частоты /*, сдвинутые друг относительно друга на 180е, а на схему И подавать сигнал с выхода /, а не 2, то значение ôK умень­ шится в два раза. Аналогично решается задача уменьшения ôK в схеме на рис. 1-2. Для этого достаточно между Ф и И установить инвертор и обеспечить синхронизацию работы ОМЧ с работой УТг, тогда квантованию будет подвер-

Этот метод измерения имеет более оысокое быстродействие, чем два пер­ вых, однако он также сложен в схемной реализации и обладает меньшей поме­ хоустойчивостью. Известны и другие методы [47, 98], но они не получили ши­ рокого распросгранения.

Рассмотренные методы позволяют несколько уменьшить требуе­ мое количество периодов Тх измеряемой частоты, в течение кото­ рых производится ее измерение, но время измерения еще довольно велико. Например, при измерении [х с погрешностью дискретности, не превышающей 0,01%, более быстродействующим четвертым методом может потребоваться до 40 периодов Тх. Два первых метода, чтобы обеспечить указанную погрешность, потребуют зна­ чительно большего количества периодов Тх. Они не могут быть использованы для измерения инфранизких частот, так как не обес­ печивают высокого быстродействия.

Метод увеличения быстродействия, основанный на использо­ вании следящего уравновешивания с применением частотно-зави­ симых мостов [79, 103], также используется сравнительно редко, хотя и способен обеспечить высокую скорость измерений. Уступая по точности методу совпадения, он требует, чтобы питающее мост напряжение измеряемой частоты было строго синусоидальной формы.

1.3. Автоматический выбор и переключение пределов измерения ЦЧ и АЦП

Другой путь эффективного увеличения быстродействия и точ­ ности измерений, особенно при работе ЦЧ и АЦП в области низких

иинфранизких частот, состоит в автоматизации операции выбора

ипереключения требуемого предела измерения. Выпускаемые про­ мышленностью цифровые измерительные приборы (ЦИП) и, преж­ де всего, ЦЧ — многопредельные, так как применение однопре­ дельных приборов для измерения величин, значения которых мень­ ше одной десятой предела измерения, ограничено тем, что в результате измерения не обеспечивается полное число знаков отсче­ та. Многопредельный ЦИП и прежде всего ЦЧ способны заменить несколько однопредельных, что целесообразно также и с эконо­ мической точки зрения, учитывая высокую стоимость последних. Более того, многопредельные ЦЧ выполняют измерения с гаран­ тированной точностью на всех пределах, кроме самого младшего

[53, 55, 59].

В многопредельных ЦЧ (МЦЧ) выбор и включение предела, обеспечивающего получение максимальной точности измерения, определяемой его классом точности, может осуществляться вруч­ ную или автоматически. При ручном выборе затраты времени опе­ ратора могут превышать во много раз время, требуемое для вы­ полнения измерения на выбранном пределе, особенно в диапазоне низких и инфранизких частот. Действительно, диапазон измеряе­ мых частот чрезмерно широк (табл. 1 и 2), а порядок измеряемой частоты чаще всего неизвестен. Поэтому оператор многократно

повторяет измерения на различных пределах, пока не найдет иско­ мый', обеспечивающий полное число знаков, Потеря быстродейст­ вия и чрезмерная избыточность информации крайне нежелательна или даже недопустима при измерениях низких и инфранизких час­ тот, особенно в быстродействующих автоматических системах из­ мерения, в том числе и телеизмерениях, в которых используются

МЦЧ и АЦП.

Следовательно, в многопредельных ЦИП и АЦП целесообраз­ но обеспечить автоматический выбор и переключение пределов измерения [53—55], то есть перевести их из разряда полуавтома­ тических в разряд автоматических ЦИП. Ручной выбор пределов, за исключением специальных случаев, должен быть упразднен, что позволит упростить обслуживание ЦЧ за счет уменьшения чис­ ла ручек управления на его передней лицевой панели и схему ком­

мутации.

Автоматический выбор и переключение пределов измерения в МЦЧ и АЦП осуществляется БАУ. Хотя задача автоматизации этой операции требует своего самостоятельного решения для каж­ дой группы методов и ЦИП, учитывая общность выполняемых преобразований, требования, предъявляемые к БАУ, во всех слу­ чаях будут одинаковыми [53—54]:

1. БАУ должен всегда включать оптимальный предел, обес­ печивающий получение максимального числа значащих цифр в результате измерения, определяемого количеством декад МСИ.

2.Время, необходимое для выбора и переключения оптималь­ ного предела измерения, должно быть минимальным или равным нулю. В последнем случае выбор и переключение предела БАУ должен осуществлять параллельно процессу квантования.

3.БАУ многопредельного ЦЧ и АЦП должен быть простым и не вызывать значительного усложнения схемы однопредельного

ЦЧ или АЦП.

Выполнение первого требования необходимо, так как оно обес­

печивает получение гарантированной точности измерения каждый раз, когда выполняется неравенство

где X — значение измеряемой величины, например, напряжения, тока, частоты, периода и др„ а хп — единичное значение образцо­ вой величины на данном пределе измерения М. Следовательно, при автоматическом выборе пределов во всех случаях выполнения равенства (1.45) в сравнении с X должна участвовать хотя бы одна мера самой старшей декады. Поэтому выбор предела дол­ жен начинаться после того, как в регистр или МСИ будет записано число ‘« 1 0 ... 0». Благодаря этому на любом пределе М, кроме самого младшего, диапазон измеряемых величин X всегда будет начинаться ХоЛ4-10н_1 и заканчиваться значением, чаще всего рав­ ным XQM- (10R—1).

Таким образом, диапазон возможных X будет удовлетворять неравенству