книги / Цифровые измерительные приборы

В преобразователях частоты с одновременным выбором пре­ делов выбор предела осуществляется непосредственно в процессе измерения. Принципиально процесс определения предела может проходить в течепие как фиксированного интервала времени, не зависящего от предела, так и переменного интервала времени в зависимости от предела.

На рис. 4-15 приведена структурная схема, построенная по первому способу.

После начала измерения счетчик Сч начнет подсчитывать число периодов измеряемой частоты. В процессе выбора предела схемы

Рис. 4-15. Структурная схема преобразователя частоты С автомати­ ческим выбором пределов за фиксированный интервал времени *

сравнения Ср1 и Ср2 открыты напряжением с единичного выхода триггера Тг4. Входы схем сравнения подключены к разрядам счетчика, составляющим предельные числа п\ и Лц.

Выбор пределов производится в течение времени, равного об­ разцовому интервалу для III предела Т0ш . После появления им­ пульса с выхода делителя частоты Т0ш триггер Тгёунаходившийся до сих пор в исходном единичной состоянии, переключается в нулевое, блокируя тем самым схемы сравнения Ср1 и Ср2. Если за время Т0щ в счетчике Сч будет набрано число, меньшее предельного для I предела, то на вход счетчика пределов, соб­ ранного на триггерах Тг2 и ТгЗлимпульс не поступит и счетчик останется в исходном состоянии. Это соответствует I пределу; при этом оказывается подготовленной к работе схема совпадения Сп5, через которую па сброс триггера Tel поступит импульс с выхода делителя Г01 -

Если же за время Г0 ш в счетчике Сч будет набрано число, большее пц, то на выходе схем сравнения Ср1 и Ср2 последо-

вательйо появятся два ймпульса, которые переведут счетчик пределов в состояние «10». Такое состояние счетчика пределов будет соответствовать III пределу. При этом будет подготовлена

теля частоты с автоматическим выбором пределов за переменный интервал времени в зависимости от предела.

После начала преобразования на выходах делителей Т0ш , То и п Т0 1 последовательно будут появляться, импульсы, соот­ ветствующие концу образцовых временных интервалов поддиапа-

Рпс. 4-16. Структурпая схема преобразователя частоты С автоматическим выбором пределов за переменный интервал времени

зонов, начиная с III. Импульсы с выходов Т0щ и Го и поступают на один из входов схем совпадения СпЗ и Сп4 соответственно. В исходном состоянии схемы СпЗ и Сni закрыты, так как выход­ ное напряжение схемы сравнения Ср1 равно нулю, что соответст­ вует включению первого предела. Импульс с выхода делителя частоты Г0 1 непосредственно поступает на один из входов со­ бирательной схемы С61, с помощью которой осуществляется сброс триггера Тг1 в исходное состояние. Схема сравнения Ср1 выполняет операцию выявления неравенства N~>n, где п — предельное число, определяемое выражением:

t t — f x т 1 п {Г „{*

Из этого выражения следует, что при выбранных значениях частоты и времени определения предела произведение этих вели­ чин для каждого из поддиапазонов будет постоянной величиной^ равной первому отсчету на каждом из поддиапазонов,

Вместо схемы сравнения Cpl (N^>n) может быть использо­ вана схема, состоящая из схемы сравнения Ср2, выполняющей операцию выявления равенства АГ=/г, и триггера ТгЗ (на рис.4-16 показаны пунктиром).

Если измеряемая частота находится в III поддиапазоне, счет­ чик Сч до появления импульса с выхода делителя Т0га наберет число N —п и схема сравнения Cpl выдаст сигнал, кото­ рый разблокирует схему совпадения СпЗ и Сп4. И теперь, как только на выходе Г0ш появится импульс, он пройдет через схе­ му совпадения СпЗ на один из входов собирательной схемы С61, через которую триггер Тг1 вернется в исходное состояние.

При этом на вход триггеров ТгЗ и Тг4 импульсы не подаются,

и"триггеры остаются в исходном состоянии. Состояние же этих триггеров указывает предел.

Если fx находится во II или в I поддиапазоне, то к моменту появления импульса на выходе делителя частоты Т0ш в счетчике будет набрано число N<^n, сигнал на выходе Cpl будет отсутст­ вовать, схемы совпадения СпЗ и Сп4 останутся заблокированными

иизмерение будет продолжаться. Импульс, появившийся на выходе Т0 ni, переключает триггер Тг2, который до конца из­ мерения заблокирует схему совпадения СпЗ для всех следующих импульсов на этом выходе.

Если к моменту появления импульса на выходе делителя Т0ц в счетчике будет набрано число N>n, то сигналом от Cpl схема совпадения Сп4 окажется открытой, и поэтому импульсом

свыхода Т0п закончится измерение. Этот же импульс переклю­ чит триггер ТгЗ в положение, которое будет соответствовать II поддиапазону.

Если к моменту появления импульса на выходе Т0ц в счет­ чике Сч будет набрано число N<^nf то это будет означать, что ос­

танется подключенным I предел. Импульс- с выхода Т0х закон­

при определении предела используется не фиксированный вре­ менной интервал, а переменный, равный для каждого предела соответствующему образцовому.

Принцип автоматического выбора пределов при измерении вре­ менных интервалов заключается в подсчете числа периодов опре­ деленной частоты / вЫб за преобразуемый интервал н в сравнении полученного числа импульсов с предельными числами для каж­ дого из поддиапазонов. Установка предела измерения произ­ водится в зависимости от результата сравнения.

Под предельным числом i-то поддиапазона понимается число импульсов частоты / ВЫб, зарегистрированное на интервале време­ ни, равном максимальной величине Тхтах \для данного поддиапазонал т. е.

В результате сравнения выбирается тот поддиапазон, для которого разность щ—N, во-первых, положительна, а во-вторых, минимальна.

Как и в случае преобразования частоты, преобразователи временных интервалов с автоматическим выбором пределов можно разделить на две группы: с предварительным выбором предела

ис одновременным выбором предела.

Впреобразователях первой группы выбор предела в течение интервала времени, предшествующего измеряемому, может при­ вести к ошибкам, если интервал довольно быстро изменяется

Рве. 4-17. Структурная схема преобразователя временных интервалов с автоматическим выбором пределов

во времени; кроме того, время измерения значительно увеличи­ вается.

В преобразователях второй группы выбор предела измерения

рис. 4-17.

Синусоидальные колебания или импульсные сигналы, период которых Тх подлежит измерению, подаются на вход формирова­ теля Ф. В обоих случаях на выходе формирователя Ф будут пря­ моугольные импульсы, период следования которых равен преоб­ разуемому периоду Тх.

По команде «запуск» производится общий сброс схемы и через время задержки, задаваемое схемой ЗВ, триггер Tel переклю­ чится в единичное состояние, подготовив тем самым к работе

схему совпадения Cnl. Первый импульс с выхода формирователя Ф через схему совпадения Cnl и инвертор И1 поступает на вход триггера Тг2, переключая его в единичное состояние. В резуль­ тате схема СпЗ оказывается открытой и импульсы образцовой частоты ГОЧ начинают поступать на вход делителя частоты ДЧ. Второй импульс с формирователя Фвернет триггер Тг2 в исходное состояние, после чего схема совпадения СпЗ закрывается и посту­ пление импульсов образцовой частоты от ГОЧ прекращается.

При возвращении триггера Тв2 в исходное состояние импуль­ сом с его единичного выхода возвращается в исходное состоя­ ние триггер Tel, схема совпадения Cnl блокируется и преобра­ зование заканчивается.

Образцовые частоты /оГ, /он, /ои ь /опт и т. д. подключаются на вход счетчика Сч через схемы совпадения Сп4—Сп7 с помощью счетчика пределов на триггерах ТгЗ, Тг4. В зависимости от состоя­ ния этого счетчика включена та или иная схема совпадения. В исходом состоянии «00» счетчика пределов открыта схема совпа­ дения Сп4, соответствующая I поддиапазону, т. е. в первый мо­ мент частота /ВЫ{j = / 01 . Тогда предельное число, для первого поддиапазона

Если измеряемый временной интервал находится в I поддиа­ пазоне {N<n), его измерение закончится. Если же измеряемый интервал лежит во II или в других поддиапазонах, число импуль­ сов N, зарегистрированных счетчиком, превысит щ и на выходе схемы сравнения Cpl (.N—n), входы которой подключены к раз­ рядам счетчика Сч, составляющим число щ, появляется импульс. Здесь может быть использована схема сравнения, выполняющая логические операции выявления как равенства N =n, так и не­ равенства N>n.

Импульс от Cpl поступает на счетчик пределов, который подключает образцовую частоту следующего поддиапазона / 0 ц, и сбрасывает счетчик Сч так, чтобы в нем осталось число импуль­ сов, пропорциональное уже преобразованной части временного интервала на II поддиапазоне.

Если диапазон измеряемых временных интервалов разбит на поддиапазоны так, что Тхт^г/Тхтш= ^ 1 то промежуточный сброс счетчика Сч должен перевести его в состояние, когда

При таком разбиении диапазона измеряемых интервалов на поддиапазоны будет справедливо равенство:

щ= п ц ^ п ^ п ,

т.е. для всех поддиапазонов предельное число остается постоян­

ным. Измерение на II поддиапазоне будет происходить до тех пор, пока либо не закончится интервал, либо счетчик Сч снова не наберет предельное число п, после чего точно так же, как и в предыдущем случае, произойдет переключение на III поддиапазон и т. д.

4-4. Основные узлы

•Схемы частотомеров и измерителей временных интервалов, по существу, содержат одни и те же узлы, из которых можно составить обобщенную блок-схему (рис. 4-18).

Отличие схемы частотомера от схемы измерителя временных интервалов состоит в связях элементов устройств управления. При этом генератором образцовых мер в частотомере является

важным элементом входного устройства является формирователь. Основным требованием, предъявляемым к формирователю час­ тотомера, является обеспечение на выходе прямоугольных им­ пульсов с достаточно крутыми фронтами той же частоты, что и входное напряжение. К формирователю измерителя временных интервалов добавляется требование жесткой фиксации во вре­ мени выходных импульсов относительно входного сигнала. Фор­ мирователь измерителя длительности импульса должен обеспе­ чивать равенство выходного и входного (измеряемого) импуль­

сов.

Следует заметить, что длительность импульса при произволь­ ной его форме — понятие условное и определяется как неко­ торая величина тй (условная длительность) на уровне а относитель­ но амплитуды импульса Uт(рис. 4-19).. Обычно величина а прини­ мается равной 0,5 или 0,1.

Для трапецеидального импульса относительная погрешность измерения длительности импульса тй будет равна нулю при условии Ucр = а , где UCJ>— порог срабатывания входного фор­

мирователя.

Это условие справедливо и для любых других форм импульса. Однако его практическая реализация затруднена в связи с тем,

где Ummin — минимальное значение амплитуды входных импуль­ сов.

Vm

aUm

Рис. 4-19. Разновидности форм импульсов: а — прямо­ угольная; б — трапецеидальная; в — экспоненциаль­ ная; г — колокольная

Допустимый уровень помех на входе формирователя при за­ данной погрешности измерения длительности импульса с фрон­ тами Тф (рис. 4-196) будет

a U e *> Тф 2 Тф-

Для формирователя при измерении периода, как уже отмеча­ лось ранее, необходимо обеспечение фиксации во времени перед­ него фронта выходного импульса относительно входного. Изме­ нение положения во времени выходного импульса может быть следствием внутренних помех и шумов прибора, определяющих нестабильность порога срабатывания формирователя, а также наличия внешних помех.

Наибольшая погрешность от нестабильности имеет место при синусоидальном входном напряжении.

Для случая синусоидальной кривой (рис. 4-20) максимальная погрешность, обусловленная нестабильностью порога срабаты­ вания AU,ср формирователя,

будет

роком диапазоне частот за­ труднительно. Поэтому выпускаемые приборы имеют сравнительно большую погрешность измерения периода при весьма высокой точности измерения частоты.

Уменьшение погрешности ут<ф может быть достигнуто "путем измерения среднего из п периодов. При этом

Для случая измерения временного интервала между трапе­ цеидальными импульсами (рис. 4-21) можно показать, что пог-

Рис. 4-21. Период следования трапецеидальных им­ пульсов

решность, обусловленная нестабильностью порога срабатывания Д£7Ср формирователя, будет

Наибольший частотный диапазон должны иметь формирователи измерителей частоты и длительности импульса; причем послед­ ние могут иметь очень низкую нижнюю граничную частоту.

Обычно формирователь состоит из широкополосного уси­ лителя и спусковой схемы типа триггера Шмитта.

На рис. 4-22 приведена принципиальная электрическая схе­ ма формирователя, используемого для измерения частоты в час­ тотомере 43-9. формирователь состоит из широкополосного усилителя, собранного на лампе Л1Ли триггера Шмитта — на лампе Л2.

Усилитель имеет коэффициент усиления порядка 15—-20 в диапазоне частот 10 aif—10,5 Мгц и служит для повышения чувст-

Рпс. 4-22. Прпнцшшальная электрическая схема формирова­ теля в частотомере 43-9

вительности прибора до 0,1 в эфф. и для обеспечения устойчивой работы спусковой схемы. Посредством спусковой схемы (триггер Шмитта) исключается влияние цепи нагрузки на работу схемы и тем самым улучшаются условия получения крутых фронтов выходного импульса.

Особенностью схемы является наличие гистерезиса, т. е. разницы уровней сеточного напряжения, при которых происхо­ дят переходы схемы из одного состояния равновесия в другое.

В начальном положении схема может находиться в одном из двух, но вполне'определенном состоянии, определяемом напряже­ нием смещения на управляющей сетке. Предположим, что левая половина лампы Л2 закрыта, а правая открыта и на сетку ле­ вой половины подан сигнал, который необходимо сформировать. Нарастание напряжения на сетке закрытой половины Л2 при­ водит к тому, что в момент ^ (рис. 4-23) напряжение на сетке достигает уровня Ux и левая половина лампы открывается, а