книги / Цифровые измерительные приборы

шается крутизна усилительной лампы и анодное напряжение ее возрастает. Тогда уменьшается крутизна и левой половины лампы. Ток через сопротивление R3 падает, что ведет к повыше­ нию положительного потенциала на сетке правой половины лампы и снижению анодного напряжения на ней до номиналь­ ного.

Особенностью рассматриваемого формирователя является воз­ можность регулирования уровня срабатывания спусковой схемы путем изменения напряжения смещения на сетке правой поло­ вины лампы Л1 с помощью потенциометра R6 и сопротивлений R7—R10. Это позволяет использовать для запуска как положи­ тельные, так и. отрицательные импульсы; причем оказывается возможным измерять длительность импульсов на уровне, уста­ навливаемом оператором. Выходной отрицательный импульс

кроме формирователя, аттенюатор и усилитель с полосой про­ пускания 10 гц— 10 Мгц. Порог срабатывания входного устрой­ ства составляет 0,04 в эфф.

По такому же принципу построены входные устройства и ряда других приборов, в частности 43-8 и ЧЭ-1.

На рис. 4-26 приведена схема усилителя входного устройства, используемого в частотомере Ф519.

Схема содержит составной эмиттерный повторитель на тран­ зисторах Т1 и Т2, обеспечивающий высокое входное сопротивле­ ние в широком диапазоне частот, и широкополосный усилитель на транзисторах ТЗ, Т4 с емкостным входом. Стабилизация ре­ жима обеспечивается отрицательной обратной связью как по току, так и по напряжению. Общий коэффициент усиления не ниже 20 в области частот от 10 гц до 1 Мгц и несколько меньше в

выходного сигнала около 4 в, его форма близка к прямоуголь­ ной*

Усилитель связан с пороговым устройством — триггером Шмитта — через емкость. Это позволяет снизить требования к стабильности выходного нулевого уровня усилителя.

Риб. 4-26. Принципиальная электрическая схема усилителя частотомера Ф519

На рис. 4-27 приведена принципиальная схема триггера Шмит­ та. В исходном состоянии транзистор Т1 закрыт, а транзистор Т2 открыт.

При подаче на вход отрицательного сигнала триггер сраба­ тывает, выдавая на коллекторе транзистора Т2 отрицательный

прибора, вырабатывая сигналы, определяющие вид и последовательность всех операций, необхо­ димых для выполнения измерений.

К числу таких операций относятся: сброс всех триггеров прибора перед измерением в исходное состояние; определение момента начала измерения; обеспечение пропускания импульсов измеряемой частоты с формирователя на счетчик в течение задан­ ного образцового интервала времени при измерении частоты; обес­ печение пропускания импульсов заданной образцовой частоты

с генератора образцовой частоты в течение измеряемого интер­ вала времени; задание времени индикации результата измерения.

На рис. 4-28 приведена структурная схема устройства управле­ ния, которое содержит селектор, реле времени, генератор импуль­

времени индикации вырабатывает импульсы, задающие цикл измерения.

.. Временные

Частота цнтербальТ

Рис. 4-29. Развернутая функциональная схема устройства управления

Развернутая функциональная схема устройства управления, используемого в рассмотренных ранее схемах частотомеров и из­ мерителей временных интервалов, показана на рис. 4-29.

В этой схеме функции селектора выполняют схемы совпадения СпЗ и Сп4ц собирательная схема Сб.При измерении частоты схема

совпадения Сп4 открывается триггером Tel на время, равное задан­ ному образцовому интервалу времени, и импульсы измеряемой частоты fx от входного устройства поступают через собирательную схему па вход счетчика. При измерении временных интервалов

Работа реле времени, включающего схемы совпадения Сп1, Сп2иСп5, инвертор //, триггеры Tel и Тг2, а также делитель, при каждом виде измерения подробно рассмотрена в § 4-1 и 4-2.

Генератор импульсов сброса включает устройство запуска УЗп и устройство задержки времени ЗВ.

Устройство запуска обеспечивает один из трех возможных ре­ жимов запуска прибора: разовый ручной, внешний, внутренний.

сочетание кварцевого генератора фиксированной частоты с дели­ телями и умножителями частоты.

Ккварцевому генератору предъявляются высокие требования

вотношении стабильности частоты. Обычно нестабильность состав­ ляет 10"° — 10~7 в течение двух недель.

Для устранения влияния окружающей среды на работу генера­ тора применяются вакуумные кварцевые резонаторы с возможно меньшим температурным коэффициентом частоты. Кроме того, кварцевый генератор помещается в термостат, обеспечивающий постоянство рабочей температуры.

Для устранения влияния нагрузки используются специальные согласующие каскады, обеспечивающие развязку генератора и нагрузки.

На рис. 4-30 приведена принципиальная схема кварцевого генератора на 5 Мгц.

Генератор выполнен по обычной трехточечной ЯС-схеме на

транзисторе 77. Для устранения влияния нагрузки на работу гене­ ратора использован эмиттерный повторитель на транзисторе Т2.

Амплитуда выходного сигнала составляет 2,5 в. В схеме исполь­ зован кварцевый резонатор типа ПР2М.

При замене резонатора другим, с более низкой или более высо­ кой частотой необходимо перестроить емкостный делитель СЗ, С4.

На рис. 4-31 показана схема кварцевого генератора на 200 кгц, используемого в частотомере Ф519. Собственно генератор выполнен на транзисторе Т1. Для развязки генератора и нагрузки использо­ ван эмиттерный повторитель на транзисторе Т2. Каскад на тран­ зисторе ТЗ выполняет функцию усилителя, но может быть исполь­ зован и в качестве ключа. Нормально транзистор ТЗ открыт напря­ жение»! на базе, примерно равном —0,4 в. Положительной полувол­ ной напряжения с эмиттерного повторителя Т2 транзистор ТЗ закрывается, выдавая на выходе отрицательные прямоугольные импульсы.

Каскад на транзисторе Т4 предназначен для согласования гене­ ратора с нагрузкой. В генераторе использован резонатор типа

РПК-2 на частоте 200 кгц. Амплитуда выходного импульса 7—9 в. Генератор термостатирован.

Вкачестве делителей частоты могут быть использованы счетные декады на триггерах, описанные ранее.

Импульс на выходе декады появляется только после десятого импульса на ее входе, т. е. декада понижает частоту входных им­ пульсов в 10 раз.

Вламповых частотомерах используются фантастронные дели­ тели частоты. Они представляют собой одноламповые реактивные схемы, в которых используется линейно изменяющееся напряже­ ние, вырабатываемое фантастроном.

Обычно для построения схемы фантастрона используется пен­ тод с большой крутизной анодной характеристики.

Одна из схем фантастронного делителя частоты показана на рис. 4-32.

В исходном состоянии лампа закрыта по аноду отрицательным относительно управляющей сетки напряжением на пентодной сетке, снимаемым с делителя R6, R7, R8. Напряжение на аноде при этом равно напряжению источника питания. Напряжение управляющей сетки положительно относительно катода.

Через участок лампы экранная сетка — катод течет значитель­ ный ток. Конденсатор С1 заряжен до напряжения источника питания Еа.

При поступлении на анод отрицательного импульса резко падает анодное напряжение и напряжение управляющей сетки, связанной с анодом конденсатором С1. Ток лампы резко уменьша­ ется, уменьшается и напряжение на катоде, и пентодная сетка оказывается положительной относительно катода. Происходит перераспределение токов лампы — большая часть тока течет через анод, а не через экранную сетку. Конденсатор С1 при увеличении анодного тока лампы начинает разряжаться через цепь: внутреннее сопротивление лампы, сопротивления R4— R8. Эта цепь опреде­ ляет постоянную времени, а следовательно,, и коэффициент деления

пентодной сетки относительно катода резко уменьшается, анод­ ный ток падает, большая часть тока лампы идет через экранную сетку. Анодное напряжение быстро растет. Процесс длится до полного закрывания лампы по аноду и повышения анодного напря­ жения до + Е а.

Диод Д1, пропустивший первый отрицательный импульс, закрывается и не пропускает следующих отрицательных импуль­ сов до тех пор, пока напряжение на аноде лампы не достигнет величины + Е а, т. е. пока схема не вернется в исходное состояние.

Период срабатывания схемы можно менять в некоторых преде­ лах регулировкой потенциометра R6.

Отрицательные импульсы с выхода схемы подаются на запуск следующего фантастронного делителя. Выходной сигнал обычно снимается с катода лампы. В случае высоких частот можно снимать сигнал с экранной сетки, где форма импульсов несколько лучше.

Помимо фантастронного делителя, в некоторых частотомерах используется триггерный делитель на одном триггере с коэффи­ циентом деления 2. Такие делители в сочетании с фантастронным делителем с коэффициентом деления 5 используются для высоких частот.

Для умножения частоты, как правило, применяют резонансные усилители, настроенные иа высшую гармонику (вторую или пятую). При сочетании таких усилителей можно получить умно­ житель с коэффициентом умножения, равным 10.

Счетчики импульсов, применяемые в рассмотренных приборах, аналогичны рассмотренным в гл. 2.

4-5. Основные характеристики

В настоящее время диапазон измерения частоты без дополни­ тельных преобразований составляет 10 гц — 100 Мгц.

Верхняя измеряемая частота у различных промышленных ча­ стотомеров различна. Как правило, эта частота составляет 100 кгц, 1 или 10 Мгц. При необходимости измерять частоты выше 10 Мгц используются специальные промежуточные преобразователи, понижающие верхнюю частоту до значения, не превышающего

10Мгц.

Диапазон измеряемых временных интервалов в промышленных

приборах в настоящее время составляет 0,1 мксек — 10* сек. Рас­ ширение диапазона в сторону уменьшения временных интервалов ограничивается быстродействием триггеров прибора, которое уже при 0,1 мксек должно быть не менее 10 Мгц. Необходимость расши­ рения диапазона в сторону увеличения временных интервалов определяется практической целесообразностью.

Погрешность измерения частоты принципиально может быть весьма малой. В основном она определяется погрешностью дискрет­ ности, которая обратно пропорциональна времени измерения, а точнее, образцовому интервалу времени. Так как наибольший образцовый интервал времени, требуемый для измерения низких частот, не может быть сколь угодно большим, то, очевидно, наи­ большую погрешность измерения следует ожидать при измерении низких частот.

В современных частотомерах нижние частоты диапазона измере­ ния лежат в пределах 10—100 гц. При этом в приборах предусмат­ ривается возможность получения образцовых интервалов времени 10 и 100 сек. При измерении низких частот погрешности у современ­ ных частотомеров составляют величину порядка 1%. При измере­ нии частот выше 100 гц погрешность уменьшается и в зависимости от выбранного для измерения образцового интервала времени мо­ жет измеияться и составлять величину, значительно меньшую 0,1% , и в частности сотые и тысячные доли процента.

Основной составляющей погрешности при измерении периода синусоидальных колебаний является погрешность, обусловленная нестабильностью порога срабатывания входного формирующего устройства. Причиной этой нестабильности являются как внутрен­ ние, так и внешние помехи.

Для обеспечения величины составляющей погрешности порядка 0,05%, обусловленной формирующим устройством, уровень помех

не должен превышать l t5 мв. Это весьма жесткое и практически трудно выполнимое требование.

Поэтому погрешность измерения одного периода синусоидаль­ ных колебаний в современных приборах составляют величину порядка 0,3%.

С целью повышения точности измерения, как правило, преду­ сматривается возможность измерения среднего из 10, 100 или 1000 периодов. В этом случае погрешность соответственно умень­ шится в 10, 100 или 1000 раз.

При измерении периода следования импульсов и временных интервалов, заданных двумя импульсами, погрешность в значи­ тельной степени зависит от формы импульсов, задающих измеряе­ мый интервал. При пологих фронтах к формирующему устройству предъявляются жесткие требования в отношении стабильности порога срабатывания и, следовательно, к уровню помех.

С увеличением крутизны переднего фронта импульсов погреш­ ность быстро уменьшается, и при определенной крутизне требова­ ния к уровню помех могут вообще не выдвигаться. Поэтому в тех­ нических описаниях приборов, как правило, оговаривается кру­ тизна фронтов импульсов, т. е. скорость нарастания (или спада) импульсов в вольтах в единицу времени.

Допустимая величина крутизны фронтов импульсов выбирается такой, чтобы погрешность измерения при этом не превышала опре­ деленной величины. Погрешность измерения периода следования импульсов и временных интервалов, заданных двумя импульсами, в приборах не превышает обычно 0,1%.

При измерении длительности импульсов следует иметь в виду, что говорить о вполне определенной величине погрешности изме­ рения имеет смысл только для трапецеидальных импульсов. Так как порог срабатывания формирующего устройства не может быть равен нулю, приходится оговаривать скорость нарастания и спада импульса.

При большой длительности переднего и заднего фронтов импуль­ са погрешность измерения будет возрастать по двум причинам: так же, как и при измерении периода следования импульсов, будет сказываться нестабильность порога срабатывания формирующего устройства; условная длительность импульса, измеряемая на уров­ не порога срабатывания формирующего устройства, будет значи­ тельно отличаться от безусловной, определяемой на нулевом уровне.

Поэтому в технических описаниях приборов оговаривается до­ пустимая крутизна фронтов импульсов — скорость нарастания (спада) импульса.

При измерении длительности трапецеидальных импульсов, удовлетворяющих рассмотренным выше требованиям, погрешность измерения во всех промышленных образцах приборов не превы­ шает 0,1% .

В большинстве практических случаев вполне достаточной вели­ чиной входного сопротивления цифровых частотомеров и измери­

телей временных интервалов является 100 ком. В ламповых прибо­ рах эта величина достигает 1 Мом.

При измерении частоты выше 100 кгц входное сопротивление в основном определяется входной емкостью, которая обычно сос­ тавляет величину 40—60 пф. При измерении частот выше 10 Мгц используются согласованные входы с сопротивлением 50—75 ом.

При измерении частоты синусоидальных колебаний во входном напряжении допускается наличие высших гармоник при условии, что в течение периода будет не более двух экстремальных значений. При этом в сигнале может содержаться помеха, достигающая 10— 20% номинального входного сигнала, составляющего обычнб вели­ чину порядка ОД в.

При измерении периода синусоидальных колебаний также до­ пускается наличие высших гармоник при условии не более двух экстремумов на период и жестко ограничивается наличие помех. Допустимая величина помех определяется заданной погрешностью измерения. Что касается импульсных сигналов, то обычно уровень их составляет не менее 1 в. Требования к крутизне фронтов опре­ деляются требуемой точностью измерения.

4-6. Приборы, выпускаемые в СССР

В качестве примера, иллюстрирующего изложенные принципы построе­ ния цифровых частотомеров и измерителей временных интервалов, рассмо­ трим схему цифрового преобразователя частоты и временных интерва­ лов Ф712.

Цифровой преобразователь Ф712 предназначен для преобразования

частоты и временных интервалов в двоичный код. Преобразователь Ф712 может быть использован для работы ,в измерительных информационных системах, системах автоматизированного контроля и управления, а также в качестве автономного прибора (цифрового частотомера п измерителя вре­ менных интервалов).

Прибор обеспечивает преобразование в двоичный код следующих видов входных сигналов: частоты синусоидального напряжения; периода синусои­ дального и импульсного напряжений; среднего из 10 значений периодов синусоидального и импульсного напряжений; длительности прямоугольных импульсов.

Диапазонпреобразуемых частот от 1 до 1000 кгц разбит на 3 под­ диапазона: 1—10 кгц (I); 10—100 кгц (II); 100—1000 кгц (III).

Диапазон преобразуемых временных интервалов от 100 мксек до 100 сек разбит па 5 поддиапазонов: 0,1—10 мсек (I); 10—100 мсек (II); 100—1000 мсек (III); 1—10 сек (IV); 1 0 -1 0 0 сек (V).

Диапазон преобразования среднего из 10 периодов находится в преде­ лах от 100 мксек до 10 сек и разбит па 4 поддиапазона, совпадающих с пер­

выми четырьмя поддиапазонами, приведенными выше.

Диапазон амплитуд преобразуемых напряжений 1—10 в. Основная

погрешность преобразования периода синусоидальных напряжений не пре­ вышает dz0,5% измеряемого значения.

Погрешность преобразования среднего из 10 периодов не превышает

±0,1%.

Основная погрешность преобразования периода следования импульсов при длительности переднего фронта, не большей 4% измеряемого периода, и основная погрешность преобразования длительности прямоугольного импульса при суммарной длительности фронтов, не большей 0,5% измеряе-