книги / Методы и устройства цифрового измерения низких и инфранизких частот

(положение 2) и режима счета числа импульсов (положение 3). Во всех этих режимах работы заторможенный многофазный муль­ тивибратор Д блока БАУ осуществляет все операции, требуемые для индикации нового результата измерения, подготовки к новому циклу работы и очередного запуска.

Работа прибора всегда начинается из исходного положения, в качестве которого при измерении частоты принято «00000, кгц», при измерении периода — «00,000 мсек» и при счете числа им­ пульсов — «00,000 к». В дальнейшем БАУ производит все необ­ ходимые переключения, требуемые для определения оптимального предела измерения без потери точности и быстродействия, указа­ ния единиц измерения и порядка полученного числа.

Режим измерения частоты. Перед началом очередного измере­ ния триггером Тг3 запускается Д, на выходе которого образуются четыре сдвинутых во времени импульса. Импульсом с выхода 1 производится установка триггеров УОП в исходное состояние, с выхода 2 — считывание нового результата измерения с триггеров МСИ и Тг, с выхода 3 — приведение всех узлов БАУ, указанных на схеме, в исходное состояние, с выхода 4 — запуск БАУ для выполнения очередного измерения. Импульс с выхода 4 включает Тг, УТг, 7г3 и Гг4. Первый импульс с выхода F прибора включает Тг и 7г3, включающий Я24. На вход ДЧ1 поступают импульсы ГОЧ. После подачи сотого импульса на выходе ДЧ2 появляется импульс, который включает 7г4 через Й2з. Так как Ив открыта, то с этого момента параллельно процессу деления с помощью ДЧi—ДЧэ идет процесс счета числа импульсов, сформированных с помощью F. Если к моменту появления импульса на выходе схемы И\ь> которая в исходном состоянии удерживается открытой потенциалом вклю­ ченной первой ячейки Р, схема И2 ни разу не включалась, то на вход МСИ прошло меньше 1900 импульсов. Поэтому выходной импульс ДЧ3 через И&, ИЛИи # 4 и поступает на вход распре­ делителя Р и переводит его в положение 2. Схема И\ь закрывается, И14 открывается, а интервал квантования увеличивается с 1 мсек до 10 мсек. Если к моменту появления импульса на выходе Я14 схема И2 по-прежнему не включилась, Р перейдет в положение 3, выключит # 14 и включит Иis, а интервал квантования вновь будет увеличен в десять раз и станет равным 100 мсек. Такое автомати­ ческое увеличение интервала квантования БАУ будет выполнять до тех пор, пока в МСИ не будет записано число 1900. В этот мо­ мент открывается Иъ и импульс с выхода схемы включит Тгi, который в свою очередь выключит Я4 и включит И5, а поэтому оче­ редной импульс ОМВ с выхода HJlHi вернет в исходное состояние 7г3 и Тгtu прекратит процесс квантования и произведет очередной

запуск Д.

Если до перехода Р в положение 7 схема И2 так и не откроется, то измерение fx будет проходить на самом нижнем пределе. Вслед­ ствие этого число знаков отсчета будет неполным, причем после перехода Р в положение 7 включится триггер Тг| и схема Я5, а # 4 выключится. Поэтому импульс переполнения ДЧ9, обозначающий-

конец интервала квантования Гк=1000 сек, проходит через ИЛИи Иъ и ИЛИ3 на установочные входы Тг3 и Тг4, процесс квантования автоматически прекращается, а Д запускается.

Если в течение минимального интервала квантования, равного 1 мсек, на вход МСИ пройдет более 19999 импульсов, то 20 000 импульс возвращает триггеры МСИ в исходное состояние, а им­ пульс с выхода Тг5 через П\ включит ТгП. Последний при считы­ вании результата измерения обеспечит указание переполнения с помощью, индикатора Л и заблокирует цепь питания цифровых индикаторов при одновременном запрещении считывания информа­ ции с МСИ в УОЛ. Включение индикатора Я указывает на то, что действительное значение частоты больше 19999 кгц и не может быть измерено данным прибором.

Процесс переключения пределов рассмотрим на примере изме­ рения значения частот 990 и 1010 гц. Сразу же после появления импульса на выходе ДЧ2 включается Тг4, открывается Я8, и МСИ начинает подсчет числа импульсов fx. Начиная с этого момента, через 1 мсек появится импульс на выходе ДЧ3, через 10 мсек — на выходе ДЧь через 100 мсек — на выходе ДЧъ и т. д. Количество импульсов, которое пройдет на вход МСИ, неодинаковое и будет изменяться так, как показано в табл. 1-3.

Т а б л и ц а 1-3

После перехода Р в положение 5 очередной импульс ОМВ при­ останавливает квантование измеряемой частоты и запускает Д. Нетрудно заметить, что в обоих случаях предел измерения один и тот же, а погрешность квантования близка к приведенной, рав­ ной ±0,01%.

Если не принимать предусмотренных на схеме мер, то при измерении 1010 гц к моменту прихода импульса об окончании интервала Гк—1000 мсек в МСИ будет зафиксировано прохожде­ ние 1000-го импульса, что исключит возможность дальнейшего уменьшения предела измерения. При измерении 990 гц распреде­ литель Р перейдет в пятое положение. Поэтому показание прибора в первом случае будет равно 01,010 кгц, а во втором — 0990,0 Отметим, что относительная погрешность квантования различна и в первом случае равна приблизительно ±0,1 %, а во втором — ±0,01%.

Режим измерения периода. Устанавливаем переключатель Л в положение 2. После приведения в исходное положение всех эле­ ментов прибора в момент проявления перепада напряжения на

выходе F включается Тг и Тг3. Первый открывает а второй — //24. Поэтому импульсы с периодом следования То поступают на

вход ДЧ1 и на вход МСИ через Я22, ИЛИг, Я7 и Яа. Счет импульсов МСИ начинается на минимальном пределе измерения. Поэтому до перехода Р в пятое положение Тгг будет оставаться в исходном состоянии, соответствующем длительности периода в мсек, а после этого — в сек. Счет импульсов с помощью МСИ продолжается до момента появления второго перепада напряжения на выходе F. В этот момент включается *УТг, который блокирует Тг и через ЯЛЯ3 приводит в исходное состояние 7г3, запускающий Д и вы­ ключающий Иг4- Вначале на вход МСИ поступают импульсы с пе­

риодом То, а после первого переполнения МСИ, которое наступает в момент поступления 20 000 импульса — с периодом 10 То, после второго — с периодом 100 То, после третьего — 1000 То и т. д. Чтобы исключить потерю быстродействия в этом режиме, каждый раз при переполнении МСИ импульсом с выхода Тгь одновременно переключается в очередное положение Р, и записывается в МСИ число 2000. В ранее рассмотренной схеме переполнение наступало после прохода 10 000 импульсов. Это приводило к тому, что погреш­ ность измерения величин, кратных десяти, но с положительным допуском, отличалась почти на порядок от погрешности измерения этих же величин, но с отрицательным допуском. Процесс пере­ ключения пределов рассмотрим на примере измерения Тх4 = ==980 мсек и 7*2=1020 мсек.

Измерения производятся так, как указано в табл. 1-4. Приведенные данные свидетельствуют о том, что в первых двух

случаях относительная погрешность квантования равна соответ­ ственно ±0,01% и ±0,09%, а в третьем случае при измерении 980 и 1020 мсек одинакова и равна ~ ±0,009%.

Режим счета числа импульсов N. Обеспечение этого режима происходит с помощью установки Пер. П в положение 3. Благо­ даря этому выход F оказывается подключенным ко входу И24,

а раздельные входы Тг3 — по входам «Пуск» и «Срыв». До подачи запускающего импульса на вход «Пуск» схема не работает, а пос­ ле подачи — работает, так как включается 7г3 и Я24. Однако в режиме счета импульсов на вход ДЧ\ будут подаваться не импуль­ сы ГОЧ, а импульсы с выхода формирователя F. Несмотря на это, МСИ, Р и все остальные узлы БАУ будут работать точно так, как и при измерении периода. Поэтому все сказанное о выборе преде­ лов остается справедливым и в этом случае. Подсчет импульсов прекращается после подачи импульса «Срыв», который выклю­ чит 7г3.

В описанном приборе предусмотрено семь пределов измерения, приведенных в табл. 1-5.

Из сопоставления схем 1-19 н показанных ранее видно, что существенные преимущества предложенного алгоритма выбора и переключения пределов получены ценою незначительных затрат: введением дополнительного триггера Тгъ, схемы И2 и других логи­ ческих схем.

Касаясь вопроса о метрологических возможностях многопре­ дельных ЦЧ, следует дополнить сказанное выше о погрешностях измерения. В таких приборах возникают и другие составляющие, которые могут увеличить результирующую погрешность, если не принять ряд мер.

• Одна из этих составляющих обусловлена задержкой импульса делителями частоты ОМВ. В рассмотренной схеме появление им­

пульса на выходе одного из ДЧ, например ДЧ9, который обеспечи­ вает окончание квантования значения частоты, происходит с за­ держкой тз' по отношению к 109 импульсу ГОЧ, являющемуся при­ чиной его появления при условии работы всех триггеров ДЧ из исходного нулевого положения. Величина этой задержки зависит от типа используемых элементов, схем ДЧ и двоично-десятичного кода. Например, в случае применения ДЧ, работающих в коде 1—2—4—2, максимальное значение

п'

где Xi — задержка триггера, вносимая триггером ДЧ; rï — число ДЧ. При использовании декад, работающих в коде 1—2—4—8, это значение может быть уменьшено вдвое. Средняя часть т3' имеет постоянный знак и является источником систематической состав­ ляющей погрешности. Изменения Лтз', в том числе и обусловлен­ ные изменением температуры, — источники случайной составляю­ щей погрешности измерения.

Другая составляющая погрешность измерения обусловлена временем т3", затрачиваемым на переключение ряда последова­ тельно включенных элементов, обеспечивающих выключение схемы совпадения на входе МСИ. В схеме на рис. 1-19 такие элементы — схемы #э, ИЛИи # 5, ИЛИз, триггер Гг4 и схема И%. Значение х" также имеет среднюю постоянную по знаку и величине составляю­ щую и случайную составляющую. Максимальное значение задерж­ ки тз, ведущей к увеличению интервала квантования Тк, равно

т3=т3'+ т 3"

Относительное значение погрешности, обусловленное наличием

Выбор соответствующей элементной базы позволяет сделать 03 пренебрежимо малой. Действительно, в случае использования эле­ ментов среднего и высокого быстродействия, у которых п состав­ ляет сотни и десятки нанасекунд, время задержки в нашем случае не будет превышать 600 нсек.

При работе прибора в режиме измерения периода или подсчета количества импульсов блок переключения пределов измерения не будет вносить погрешности измерения, если сделать меньше 5 Го интервал т3, равный сумме т3', определяемой длительностью за­ держки появления импульса переполнения МСИ, поступающего на вход Р, и т3", определяемой временем переключения Р из поло­ жения 1 в положение 2 и включения Иц, а время перевода МСИ в исходное положение импульсом переполнения тСб больше време­ ни выключения И&, то есть

В многопредельных ЦЧУкоторые на входе МСИ и ДЧ имеют схемы совпадения, управляемые общим триггерем, возникает еще одна составляющая вследствие отсутствия синхронизации момен­ тов появления на входе схемы совпадения, на входе ДЧ первого импульса ГОЧ и ее открытия. Абсолютное и относительное значе­ ния этой погрешности равны

100

(1.51)

Эта составляющая имеет постоянный знак, но в отличие от рас­ смотренных является случайной. Для ее уменьшения необходимо увеличивать fo или применять схемные решения, которые исклю­ чают возможность их появления или уменьшают их значения.

Впоказанных схемах эта составляющая практически исключена. Эти и другие методы были использованы при разработке много­

предельных ЦЧ и ЦУ низких и инфранизких частот в различных модификациях. В последующих главах будут изложены некоторые схемные варианты решения этих задач, представляющие наиболь­ ший интерес.

Г лава 2

МЕТОДЫ И УСТРОЙСТВА УМНОЖЕНИЯ НИЗКИХ И ИНФРАНИЗКИХ ЧАСТОТ

Предварительное умножение частоты — эффективное средство повышения быстродействия измерения низких и инфранизких час­ тот. На выходе умножителя частоты (УЧ) средняя частота коле­ баний либо частота импульсов в Ку раз превышает его входную

частоту. Эту умноженную частоту измеряют электронно-счетным ЦЧ. Вследствие этого при заданной погрешности квантования вре­ мя квантования Тк может быть уменьшено в Ку раз, что увеличи­

вает количество медленно изменяющихся параметров, которые можно контролировать с помощью одного измерительного устрой­ ства. При измерении же одного быстро изменяющегося параметра динамическая погрешность с заданной погрешностью квантования уменьшается в Ку раз [27]. Умножители частоты при заданном времени квантования Тк позволяют в Ку раз уменьшить погреш­

ность квантования. Они способствуют унификации выходных сиг­ налов частотных датчиков, приводя частотные шкалы различных, датчиков к единой шкале. Это особенно важно в том случае, когда в системе множественного контроля применяют большое количе­ ство разнотипных датчиков, информация от которых вводится в

ЭЦВМ. При этом желательно, чтобы выходные частоты всех или хотя бы части датчиков умножали одним ЦЧ. Для этого коэффи­

циент умножения последнего должен изменяться в достаточно широких пределах без потери быстродействия. Умножители часто­ ты могут также осуществлять функциональное преобразование входной частоты, что позволяет использовать их и для коррекции нелинейностей характеристик частотных датчиков.

Основные характеристики ЦЧ такие: коэффициент умножения,

быстродействие и рабочий диапазон частот. Умножители частоты,, выходные частоты которых измеряют цифровыми частотомерами, должны обеспечивать прежде всего больший коэффициент умно­ жения, высокое быстродействие и широкий рабочий диапазон час­ тот. Эти требования являются противоречивыми. Действительно, увеличение Ку сопровождается обычно сужением рабочего диапа­

зона частот, а расширение диапазона частот ведет к снижению быстродействия.

Наряду с тремя основными требованиями к умножителям мо­ гут предъявляться также и дополнительные. Это прежде всего возможность изменения коэффициента умножения в широких пре­ делах без потери быстродействия, возможность функционального преобразования входной частоты и др.

2.1. Основные методы и устройства умножения частоты

ивозможности их использования

вобласти низких и инфранизких частот

Внастоящее время получили распространение импульсные умножители низких частот, имеющие импульсную форму входного

ивыходного сигнала. Если форма входного сигнала иная, то долж­ но быть осуществлено его дополнительное формирование. Однако при наличии помех во время формирования импульсов умножаемой частоты из напряжения синусоидальной формы период умножае­ мой частоты выделяется с некоторой погрешностью. Величина этой погрешности определяет предельно достижимое значение коэффи­ циента умножения /СуОпределим это значение в случае равно­ мерного деления периода Тх на /Су частей. В установившемся режи­ ме работы УЧ деление каждого последующего периода, например ТХг, производится в соответствии с информацией о длительности предыдущего периода TXi. Допустим, что погрешность выделения TXl равна 6г тогда TXi будет разделен на равные части дли­ тельностью

К у

Если и период ТХг также выделяется с погрешностью ô2", то число импульсов Ni, которые появятся на выходе умножителя в течение периода Тх„ будет равно

7 4 ( 1 + s;>

( 2.2)

Имея ТХ,=ТХ,= ТХ после подстановки (2.1), получим

у 1 + s ; •

Абсолютная погрешность, возникающая вследствие наличия по­ грешностей ôz и Ô/', равна

Эта погрешность не должна превышать погрешности квантования при измерении умноженной частоты