книги / Цифровые измерительные приборы

Момент начала измерения можно синхронизировать с изме­ ряемой частотой. На рис. 4-3 представлена схема, на рис. 4-4 — временная диаграмма частотомера, в котором момент начала из­ мерения синхронизирован с измеряемой частотой fx. В схему введен дополнительный триггер Т г 2 . Он переключается в состоя­

Величина уд может быть уменьшена, если импульсы на вхо­ де схемы совпадения Сп2 принудительно сдвинуть на полпериода относительно импульсов, подаваемых для синхронизации ГОИВ (нижний график диаграммы). В этом случае Дti~TJ2, а пог­ решность дискретности будет

Очевидно, что при расчете величины образцового интервала времени по формуле (4-4) его максимальное значение будет опре­ деляться нижней частотой / * mtn диапазона измерения.

Поэтому для измерения низких частот применение .метода енота периодов нецелесообразно.

В целях сокращения времени измерения и необходимой ем!- кости счетчика, которая определяется отношением fx,max!fx mln, общий диапазон измерения разбивают на поддиапазоны. Для каждого из поддиапазонов принимается свой интервал Т0. В большинстве отечественных частотомеров предусматривается воз­

Верхний предел измерения частоты, которая у современных высокочастотных частотомеров достигает 100 Мгц, ограничивается быстродействием счетчика. При необходимости измерять более высокие частоты используются дополнительно делители и преоб­ разователи частоты.

Нижний предел измерения ограничивается допустимым вре­ менем измерения. Выпускаемые промышленностью высокочастот­ ные частотомеры позволяют измерять частоту, как правило* рт 10 гц. Однако при точности измерения 0,1% время изморенйя этой частоты составляет 100 сек.

Низкочастотные частотомеры. Частотомеры с отсчетом в еди­ ницах периода измеряют период— величину, обратную частоте. Недостатком таких частотомеров является необходимость вы­ полнения после измерения дополнительных расчетов для полу­ чения результата.

Частотомеры с отсчетом в единицах частоты, по существу, измеряют период. Однако результат измерения выдается в еди­ ницах частоты [191.

Частотомеры номинальных значений и процентные частото­ меры предназначены для точного измерения низких частот.

На рис. 4-6 представлена схема частотомера [201; который выдает результат измерения непосредственно в единицах частоты и может быть назван частотомером номинальных значений.

Измеряемая частота Д поступает на формирователь Ф и далее на вход суммирующего счетчика Сч.

Одновременно с этим импульсы образцовой частоты Д от ге­ нератора ГОЧ подаются на вход вычитающего счетчика СчВ через нормально открытый ключ К. Как только в суммирующем счетчике Сч накопится заранее заданное число Nt, сравниваю­ щее устройство СУ закрывает ключ К и импульсы образцовой частоты Д прекращают поступать на вход вычитающего счетчика

СчВ.

Таким образом, если период измеряемой частоты Тх, то счет

Как видно из последнего равенства, АД прямо пропор­ ционально частоте Д. Коэффициент при Д при определенной номинальной частоте Д ном является постоянным и определяет точность измерения.

ИЗ

Таким образом рассмотренная схема обеспечивает отсчет не­ посредственно в единицах частоты, однако точное измерение частоты возможно только при незначительных отклонениях ее от определенной номинальной.

Частотомер, который предназначен для измерения отклоне­ ния частоты от номинального значения и выдачи результата из­

Измеряемая частота /х поступает на формирователь Ф, на выходе которого получается последовательность импульсов с частотой fx. С помощью делителя частоты ДЧ1 с коэффициентом деления

Рис. 4-7. Структурная схема процентного частотомера

кх и генератора прямоугольных импульсов ГПИ1 генерируется импульс напряжения с длительностью

(4-12)

Одновременно с этим импульсы образцовой частоты / 0 пос­ тупают на делитель частоты ДЧ2 с коэффициентом деления /с2 и на генератор прямоугольных импульсов ГПИ2, с помощью которых генерируется прямоугольный импульс напряжения с длительностью

Оба импульса одновременно поступают на соответствующие входы ключа Я, который открывается для импульсов образцовой частоты / 0 на время, равное разности Т2 — Т±. В течение этого времени счетчик Сч производит счет.

Нетрудно показать, что число импульсов, подсчитанное счет­ чиком, может равняться отклонению измеряемой частоты в про­ центах от номинального значения / хН0М.

Действительно, зарегистрированное счетчиком число импуль­

4-2. Принципы построения измерителей временных интервалов

Измерители временных интервалов предназначены для изме­ рения периода синусоидальных колебаний; периода следования импульсов; временных ин­ тервалов, заданных им­ пульсами начала и конца; интервалов в виде дли­ тельности импульса.

Все перечисленные ви­ ды временных интервалов измеряются по одному и тому же принципу. Отли­ чие схем, предназначен­ ных для их измерения, заключается только в ус­ тройстве управления.

Принцип действия из­ мерителя временных ин­ тервалов заключается в подсчете числа периодов Т0

образцовой частоты /0, вырабатываемой в самом измерителе, укла­ дывающегося на измеряемом временном интервале Тх. Результатом измерения является число

Напряжение синусоидальных колебаний или импульсный сигнал, период которых Тх подлежит измерению, подается на вход формирователя Ф. С выхода формирователя снимаются пря­ моугольные импульсы, период повторения которых равен изме­ ряемому Тх.

По команде «запуск» схема приводится в исходное состояние и через время задержки, задаваемое одновибратором 0J3, триггер Tel переключится в состояние «1», подготовив тем самым к работе

схему совпадения Сп1. Первый импульс с выхода формирователя Ф через схему совпадения Сп1 и инвертор И1 поступает на счет­ ный вход триггера Тг2, переключая его в состояние «1». В ре­ зультате схема Сп2 оказывается открытой, и импульсы от гене­ ратора образцовой частоты ГОЧ начинают поступать на вход счетчика Сч. Второй импульс с формирователя Ф вернет триггер Тг2 в исходное состояние, после чего схема совпадения Сп2 закрывается и счет импульсов образцовой частоты прекращается.

При возвращении триггера Тг2 в исходное состояние импульсом с его единичного выхода возвращается в исходное состояние триг­ гер Tel, блокируя схему совпадения Сп2 и прекращая измерение.

На рис. 4-9 представлена вре­

Погрешность уд можно уменьшить, синхронизируя начало работы генератора образцовой частоты ГОЧ с началом измеряе­ мого интервала. На рис. 4-10 приведена схема такого измери­ теля; временная диаграмма его работы показана на рис. 4-11. Схема обеспечивает измерение интервалов времени между перед­ ними фронтами измеряемых импульсов, что достигается с помо­ щью инвертирования входного сигнала инвертором И2. Для синх­ ронизации генератор образцовой частоты ГОЧ работает в ждущем режиме и запускается в начале измеряемого интервала триггером Тг2. Время Д/х= 0 , а погрешность дискретности определяется

н е

выраженийи

Сдвигом импульсов образцовой частоты / 0 на половину перио-

жет^быть уменьшена до величины

частичная синхронизация может быть обеспечена использова­

нении той же частоты / 0 наблюдается уменьшение погрешности дискретности в п раз. Однако при этом

необходимо увеличить и емкость счетчика в п раз. Максимальное время измерения в схеме с измерением сред­

него из п периодов

Т * « = (и + 1)Г в.

На рис. 4-13 приведена схема измерителя периодов с перек­ лючением пределов.

Отличием измерения временного интервала, задаваемого двумя импульсами начала и конца интервала, следующими по одной цепи, от измерения периода является необходимость синхронизации момента запуска измерителя с началом измеряемого интервала.

Рпс. 4-13. Структурная схема измерителя периодов С переклю­ чением пределов

Для. измерения временного интервала, задаваемого двумя импульсами начала и Конца интервала, следующими по двум цепям, необходимо иметь два входа в приборе и, следовательно, два формирователя.

Схема устройства управления для этого случая приведена на рис. 4-14.

Импульс начала измеряемого ин­ тервала поступает на вход форми­ рователя Ф1 и далее на вход триг­ гера Тг, переключая его в состояние «1». В результате схема совпадения Сп оказывается открытой, и импуль­ сы образцовой частоты от генератора ГОЧ начинают поступать на вход

делителя частоты и далее на вход счетчика. Импульс конца измеряе­ мого интервала поступает на вход формирователя Ф2 и далее на другой вход триггера Га, возвращая его в исходное положение.

4-3. Автоматизация выбора пределов при измерении частоты и вре­ менных интервалов счетно-импульсным методом

В цифровых частотомерах выбор пределов, как при измерений частоты, так и при измерении временных интервалов, осуществ­ ляется вручную. При этом заранее необходимо энать порядок

измеряемой величины. Если же порядок неизвестен, то время измерения увеличивается из-за необходимости экспериментально установить подходящий предел измерения.

Еще более остро вопрос о выборе пределов встает в цифровых преобразователях частоты и временных интервалов, предназ­ наченных для использования в автоматизированных измери­ тельных информационных системах, где процесс сбора и об­ работки измерительной информации осуществляется без участия оператора.

В настоящее время известны способы автоматизации выбора пределов при измерении частоты и временных интервалов [22, 23].

Если весь диапазон измеряемых частот разбит на i поддиапа­ зонов, то, по существу, автоматический выбор пределов заклю­ чается в подсчете числа периодов измеряемой частоты за интервал

от результата сравнения. Под предельным числом i-ro поддиапа­ зона щ подразумевается число импульсов, зарегистрированное счетчиком в течение времени ТъЬ!б при частоте этих импульсов, равной одному из возможных на данном поддиапазоне значений fxii

В результате сравнения выбирается тот предел измерения, для которого справедливы два условия:

ni N = Ашш О,

где N — число импульсов, подсчитанное счетчиком за время Твыб. По результатам сравнении числа, набранного счетчиком за время выбора предела, с предельным числом для каждого поддиапазона установится предел, для которого разность щ—N положительна и минимальна.

Цифровые преобразователи частоты с автоматическим выбором пределов можно разделить на две группы: с предварительным выбором предела; с одновременным выбором предела.

В преобразователях с предварительным выбором предела" выбор необходимого предела измерения осуществляется до начала процесса измерения. По команде «запуск» преобразователь на­ чинает работать. При этом импульсы, соответствующие началу периода неизвестной измеряемой частоты, поступают в течение времени на счетчик. Далее производится сравнение полу­ ченного числа импульсов с предельными для каждого поддиапа­ зона числами и по результату сравнения устанавливается образцо­ вый интервал времени, соответствующий необходимому поддиа­ пазону частот. После этого начинается второй этап работы преоб­ разователя — измерение.

Нетрудно заметить, что недостатком такой схемы преобразо­ вателя является увеличение времени измерения.