книги / Электронные цифровые приборы

Рис. 3.2. С труктурная схема частотомера-интерваломера прямого счета

импульса (второй вход селектора 5). Результат подсчета передается на цифровой индикатор 7. Необходимая длительность строб-им- пульса определяется формирователем 8 по граничным сигналам (На­ чало строба, Конец строба), вырабатываемым узлом автоматики цикла измерения 9.

Автомат 9 является синхронизирующим узлом прибора; помимо строб-импульса, который вырабатывается по последовательности импульсов, поступающих из блока 11, автомат 9 вырабатывает соот­ ветствующие сигналы для сброса предыдущих показаний в счетчике

вход сигнала управления, направляет метки для формирования строба от блока 10 или от меток базы времени. Выбор режима работы и фор­ мирование сигналов управления выполняется вручную или автома­ тически в пульте 12. На базу времени 15 поступают сигналы через коммутатор 14 канала А или опорная частота Роп от встроенного кварцевого генератора 13 или от внешнего источника (переключа­ тель 5). В базе времени частота Роп снижается с помощью серии де­ кадных делителей (вплоть до 0,01 Гц) и умножается с помощью умно­ жителя частоты (например, до 100 МГц). Таким образом, имеется возможность с помощью коммутатора меток 16 выбрать метки с пери­ одом от 10 нс до 100 с. Для включения прибора в измерительную систему (выход счетчика 6 и вход сигналов дистанционного управле­ ния для связи с каналом общего пользования) требуется интерфейс­ ная карта, служащая для согласования управляющих и выходных кодов прибора.

Рассмотрим взаимодействие узлов. В режиме измерения частоты Р на селектор поступает последовательность импульсов, сформиро­ ванных в канале Б, а строб-импульс длительностью 1 с (при более высоких частотах 0,1 с; 0,01 с; ...) определяет интервал счета Тсч для счетчика 6 . В режиме измерения периода Т исследуемый сигнал подается на вход А, а строб-импульс вырабатывается в узлах 1 0 ,

узлы 4, 5. Подсчет последовательности импульсов (событий) выпол­ няется путем формирования строб-импульса вручную (последова­ тельное нажатие кнопки РП на входе узла 10) или от внутреннего строб-импульса, перекрывающего длительность пакета подсчиты­ ваемых событий, который поступает на узлы 4, 5, 6 . Остальные ре­ жимы работы не требуют дополнительных пояснений.

Погрешность измерения частотомеров прямого счета при измере­ нии частоты определяется, в основном, нестабильностью базы време­ ни и погрешностью квантования

Погрешность базы времени практически отождествляется с погоешностыо, вызванной нестабильностью источника опорной частоты

(кварцевого генератора); составляющая погрешности из-за неста­ бильности времени задержки в цепочке триггерных делителей начи­ нает сказываться на уровне десятков пикосекунд. Погрешность кван­ тования, пренебрежимая для частот выше 10 МГц, растет по мере снижения измеряемой частоты и может достигнуть недопустимого значения в области инфразвуковых частот. Известные меры, прини­ маемые для снижения погрешности квантования — предваритель­ ное умножение частоты Рх или использование весовых функций, связаны с усложнением прибора.

При измерении длительности периода необходимо учитывать также погрешность * формирования границ периода 6ф.г:

®"= ±К>+" Г О Г +-%1)•

где Рн — частота кварцевых меток; п — число усредненных перио­ дов Тх;

(/ш.в — уровень внутренних шумов в полосе частот прибора СКЗ; (/ш.с — уровень помех и составляющих высших гармоник в измеряе­ мом сигнале СКЗ; 5 — крутизна (В/с) сигнала в триггерной точке формирования.

При измерении временного интервала или длительности импульса погрешность определяется по формуле

Погрешность формирования границ интервала удваивается (Старт и Стоп), а погрешность, вызванная неточностью установки уровня, на котором определяется длительность, с учетом влияния ширины гистерезисной полосы формирователя определяется выражением.

Обычно неточности установки уровней на переднем и заднем фронтах принимаются равными (Д(/ур = 20...30 мВ); если одинаковыми счи­ тать крутизну переднего и заднего фронтов, то можно пользоваться формулой

бур = 2Д(/УР/8 ТЯ.

При измерении отношения частот приборами прямого счета исклю­ чается погрешность базы времени

* Здесь и в дальнейшем под погрешностью измерения подразумевается по­ грешность измерительного процесса, при котором учитывается вклад как измери­ тельного устройства, так и форыы^исследуемого сигнала.

Измерение этого интервала с помощью меток образцовой частоты показан на нижнем графике — Тсч —2 ^ 2 ^ о- Счетчики, в которых получены числа импульсов и Л^2, и операция деления, выполняе­ мая микропроцессором в интервале индикации Уннд» обеспечивают получение необходимого результата

Погрешность квантования, вызванная несинхронностыо последо­ вательностей Р0 и Рх,

Тсч = 1 с, б„в = ± 2 • 10“ 9 или при Р0 — 500 МГц, абсолютная погрешность квантования составляет Дкв = ± 2 нс во всем диапа­ зоне рабочих частот (0,1 Гц — 500 МГц).

Манипулированием импульсами РН и РК обеспечивают все оста­ льные режимы многофункционального электронно-счетного частото­ мера ЭСЧ. Из временных графиков (рис. 3.3) следует, что в вычисли­ тельном частотомере все режимы работы прибора сводятся к измере­ нию временного интервала. Это относится также и к режиму измере­ ния отношения частот. Вместо принятого в частотомерах прямого сче­ та простого приема, когда один сигнал используется в качестве интер­ вала времени счета, а второй — в качестве источника заполняющих, интервал счетных импульсов (кварцевый генератор исключается), проводится измерение частоты каждого сигнала и вычисляется и х отношение.

ЧАСТОТОМЕР ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ С ДВОЙНОЙ НОНИУСНОЙ ИНТЕРПОЛЯЦИЕЙ

Использование двойной нониусной интерполяции позволяет до­ биться дальнейшего снижения погрешности квантования или повы­ шения разрешающей способности прибора. Наука и техника выдвига­ ет немало задач, когда требуется измерить длительность одиночных событий с разрешающей способностью в единицы и десятки пико­ секунд: исследование элементарных частиц с малым временем жизни,, определение дрожания периодов серии импульсов, определение крат­ ковременной нестабильности генератора и дрейфа частоты генератора после включения, измерение времени задержки в линии, определе­ ние дальности с помощью радиолокационных и лазерных систем, установление длительности переключения быстродействующих мик­ росхем и др.

Сущность двойной нониусной интерполяции в дополнение к рас­ смотренному выше принципу действия вычислительного частотомера можно пояснить на примере одного из вариантов с помощью упро­ шенных временных графиков (рис. 3.4). Цикличность процесса зада­ на периодом между импульсами сброса, который согласуется с мак­ симально возможным измеряемым интервалом 1Х. Вслед за сбросом

измеряемого интервала) позволяет дополнительно уменьшить (по сравнению с погрешностью (3,3)) погрешность квантования в к раз:

Так, например, при Р0 — 100 МГц, Тсч — 1 с и к =* 1000 абсо­ лютная погрешность квантования при измерении однократных ин­ тервалов Дкв = ± 10 пс. К сожалению, вследствие неустранимых помех разрешающая способность прибора ниже погрешности кванто­ вания в несколько раз.

Структурная схема двухканального частотомера-интерваломет- ра, реализующего алгоритм (3.4), показана на рис. 3.5. Исследуе­ мый сигнал можно подвести ко входу канала с помощью коаксиаль­ ного разъема, расположенного на передней панели (вход усилителейформирователей У-Ф 3, 4). В случае когда необходимо обеспечить высокоомный вход, используется выносной активный пробник /, 2, обеспечивающий входное сопротивление около 1 МОм на низких частотах и малое выходное сопротивление, согласованное со входом широкополосного усилителя (50 Ом). Для расширения динамиче­ ского диапазона уровней входного сигнала используется делитель, выполненный в виде насадки к пробнику. Особенности проектиро­ вания подобных пробников рассматриваются далее (см. гл. 4).

В У-Ф 3, 4 входной сигнал преобразуется в парафазный (все последующие узлы измерительных трактов имеют дифференциаль­ ные входы и выходы), усиливается и формируется в последователь­ ность импульсов стандартной крутизны и амплитуды. Проектирова­ ние широкополосного (например, 0—500 МГц) с большим динамиче­ ским диапазоном (6 В — 10 мВ) У-Ф относится к непростым задачам. Отметим также, что должное внимание необходимо уделить выбору количества усилительных каскадов до и после каскада формиро­ вания, с тем чтобы обеспечить эффективную работу формиро­ вателя при указанных выше частотном и динамическом диапазонах. В настоящее время подобные У-Ф выполняются с помощью высоко­ скоростных дискретных элементов (транзисторы с граничной часто­ той Рт> 3 ГГц).

В практике частотно-временных измерений приходится встречать­ ся с измерением сигналов сложной формы. Пусть исследуемый сиг­ нал в результате высокочастотных помех и наводок имеет форму,

показанную на рис. 3.6, а. При полосе гистерезиса 1}г прибор пока­ жет неверный результат (рис. 3.6, б). Для исключения этого можно, как это сделано в частотомере типа РМ6654 фирмы РЬШрз (Голлан­ дия), ввести задержку (рис. 3.6, в), которая после первого срабаты­ вания формирователя блокирует его примерно до 0,75 длительности периода’исследуемого сигнала. Следовательно, следующее срабатыва­ ние формирователя произойдет в момент, при котором ложный счет будет исключен.

Узел задержки (на рис. 3.5 не показан) представляет собой, на­ пример, цифровой фильтр нижних частот с переменной задержкой 5 мкс — 200 мс, т. е. рассчитан на диапазон до 200 кГц. Второй спо­ соб исключения ложного счета связан с увеличением гистерезисной

полосы (IIг). Правильный счет обеспечен сформированными импуль­ сами, показанными на рис. 3.6, г штриховыми линиями. Поскольку обеспечить увеличенную ширину гистерезисного напряжения в широ­ кой полосе частот затруднительно, то целесообразно иметь формиро­ ватель с регулируемым гистерезисным напряжением. В этом случае увеличение гистерезисного напряжения осуществляется только в области невысоких частот (до 200 кГц), где помехи и наводки сказы­ ваются сильнее всего.

Рис. 3.5. Структурная схема вычислительного частотомера-

Усложнения встречаются при обработке импульсов и импульсных последовательностей. Так, на рис. 3.7, а показан импульс с неоди­ наковой крутизной переднего и заднего фронтов. Полагая, что пра­ вильное измерение длительности импульса, соответствующее уровню А — Б, равно т, получим ошибочное значение %' (рис. 3.7, б). Если значения 5, и $ 2 сигнала известны (или их удается определить), а также известна величина 1/Г, то вычислить поправку с помощью имеющегося в приборе микропроцессора несложно. На практике, однако, получить сведения о крутизне фронтов импульса и, в особен­ ности, однократного, затруднительно. Положение улучшается, если формирователь имеет регулируемую ширину гистерезиса (вплоть до нуля). Погрешность измерения, как это показано на рис. 3.7, в, уменьшается. Однако и в этом случае остается погрешность, вызван­ ная неточностью установки уровней срабатывания триггеров форми­

Нередко требуется обеспечить правильное измерение длитель­ ности импульса при наличии сильных помех, рассекающих импульс вблизи его фронта (рис. 3.8, а). Введение задержки после первого срабатывания (рис. 3.8, б) позволяет исключить «дребезг» (рис. 3.8, в) и обеспечить правильное измерение длительности импульса.

С помощью триггера-защелки можно из импульсной последова­ тельности (рис. 3.9, а) измерить длительность любого импульса.

интерваломера с двойной нониусной интерполяцией

Блокирующий уровень триггера-защелки открывает тракт перед инте­ ресующим нас импульсом (рис. 3.9, б); далее срабатывают узлы, гене­ рирующие сигналы Старт и Стоп, соответствующие краям изме­ ряемого импульса (рис. 3.9, в).

Следующим узлом в приборе является фазорасщепитель ФР5 (б), имеющий специфичные функции. Поскольку в настоящее время большинство интегральных микросхем имеют максимальное быстро­ действие около 125 МГц, то в приборе (рис. 3.5) применен своеобраз­ ный способ обработки входных сигналов, максимальная частота которых достигает 500 МГц. Фазорасщепитель 5 (б) служит для раз­ деления входного сигнала на четыре параллельных последователь­ ности, максимальная частота которых не превышает 125 МГц. При этом в сумме последовательностей сохраняются все фазы входного сигнала.

Расщепитель собран на базе высокочастотных интегральных делителей частоты.

При работе с сигналами ниже 150 МГц используют обходной ка­ нал без расщепления. Выбор необходимой последовательности из четырех фаз или работы с сигналами, поступающими по обходному каналу, происходит в коммутаторе каналов 8 . Управление и контроль работы узла обработки входных сигналов (блоки 3—5) выполняются центральным процессор с помощью блока сопряжения 7. В соот­ ветствии с программой цП направляет сигналы для установления необходимого уровня смещения входных сигналов в пробниках, выбирает соответствующую последовательность в каналах или вклю­

и Стоп, служащие для формирования крутых перепадов, необходи­ мых для процесса интерполяции.

В переключателе 9 под воздей­ ствием команды от ЦП выбирается

Рис. 3.7. К вопросу измерения длительности импульса при различной крутизне фронтов и значительном гистерезисном напряжении (а); неверный результат (б); уменьшение ошибки при нулевом гистереэиснс м напряжении (в)

режим измерения (сигналы входных каналов) или самоконтроль (стандартный сигнал от ГОЧ 100 МГц). Логический блок Л Б (13) вырабатывает сигналы управления трактами Старт и Стоп. После прихода начального фронта строб-импульса, вырабатываемого в блоке ФСИ 34, дается сигнал открытия тракта Старт (или Стоп),