книги / Цифровые измерительные приборы
..pdfМомент 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
ние «1» импульсом измеряемой частоты, поступающим от форми |
||||||||||
рователя Ф через схему совпадения Сп1 после того,- как на дру |
||||||||||
гой вход ее поступает сигнал «1» |
|
|
|
|
|
|
||||
с триггера Тг1. |
|
|
|
В х о д |
|
|
|
|
|
|
Погрешность |
дискретности |
уд |
?xQ |
|
|
|
|
|||
для этой схемы может быть опре |
|
|
|
|
|
|
||||
делена из выражения |
(4-3), если |
|
|
|
| |
I |
|
|||
принять |
Д ^=0: |
I |
|
|
|
|
|
11 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Тд = — |
. |
(4 -5 ) З а п у с к |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
Выход |
|
08 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Гг 1 J |
И» |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
ГОИВ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Тг2 |
|
, |
г° |
, |
* |
|
|
|
|
|
|
1 |
||||
|
|
|
|
|
С ч |
! |
и-l hN1 |
* |
||
|
|
|
|
|
|
д |
м |
& |
||
|
|
|
|
|
|
|
| |
, |
||
|
|
|
|
|
С ч |
|
s* |
V>TX |
JH, { Д > |
t |
|
|
|
|
|
|
|
^ |
г N I| |
л/п ! |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- L _________ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
Рис. 4-3. |
Схема частотомера с син |
|
Рис. 4-4. Временная |
диаграмма |
||||||
хронизацией момента начала изме |
|
работы |
схемы |
частотомера с син |
||||||
|
рения |
|
|
хронизацией |
момента |
начала |
из |
|||
|
|
|
|
|
|
|
мерения |
|
|
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.
При малых fxmm величина Т0 может оказаться |
недопустимо |
большой. Например, при/*т т =0,1 и уд=0,05% |
Г0= 2 -1 0 1 сек. |
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
можность |
изменения |
Тс в число раз, кратное 10; для |
каждого |
||||||||||
из поддиапазонов отношение fx m a x lfx m in |
= Ю . |
|
|
|
|
||||||||
Структурная схема частотомера с переключением трех поддиа |
|||||||||||||
пазонов представлена на рис. 4-5. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Формирование в ней образцовых интервалов времени обеспе |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
чивается, как правило, с по |
|||||||
ВхоЗ |
. |
ф .- Сп1 |
- |
Сч |
мощью |
делителей |
частоты |
||||||
|
Д Ч . |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
с |
ДЧ посту |
|||
|
ГгЧ" |
|
|
Импульсы |
|||||||||
|
|
|
пают на один из входов схем |
||||||||||
гоив | |
гоч |
-- саг ■ |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
совпадения |
СпЗ, |
|
Сп4 |
или |
|||
|
|
|
|
СпЗ CnU Сп5 |
Сп5. В зависимости от вы |
||||||||
|
|
|
Гг |
бранного |
поддиапазона |
на |
|||||||
|
|
|
|
|
|||||||||
JantjU |
|
I г |
|
|
второй |
вход |
соответствую |
||||||
|
|
Сб- |
|
||||||||||
|
06 o |
u |
|
щей |
схемы |
совпадения |
от^ |
||||||
1 |
|
► Сброс |
|
|
устройства |
выбора |
пределов |
||||||
Iff предел |
|
общий |
|
|
подается разрешающий |
сиг |
|||||||
И предЯГ~ |
|
|
|
||||||||||
/ предм__ |
|
|
|
|
нал. |
Выходы |
схем |
совпаде |
|||||
|
|
|
|
|
|
ния |
СпЗ — Сп5 объединяют |
||||||
Рис. 4-5. Структурная |
схема частото |
ся собирательной схемой Сб, |
|||||||||||
мера с |
|
переключением |
поддиапазонов |
сигнал |
которой |
возвращает |
|||||||
стояние, прекращая |
|
триггер Тг в исходное со |
|||||||||||
процесс измерения. |
|
|
|
|
|
|
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
продолжается |
в |
течение времени |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
(4-7) |
|
|
|
|
|
|
На вычитающем |
счетчике пе |
|
|
|
|
|
||||
ред началом |
измерения |
устанав |
|
|
|
|
|
|||
ливается постоянное |
число |
|
|
|
|
|
|
|||
N0= 2Tlm}Klf0= %NifolfxB<mi |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
(4-8) |
Ряс. |
4-6. Структурная |
схема ча |
|||
щ е Г1Н0М определяется |
соотноше- |
етотомера |
|
|
****** |
|||||
нием (4-7) при Д = Д пом. |
|
|
|
|
|
|
||||
К концу измерения в вычитающем счетчике останется число |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(4-9) |
где 7\Д — число импульсов с |
частотой |
следования |
Д, |
которое |
||||||
поступает в СчВ за время Т±. |
|
|
|
|
|
|
||||
Нетрудно |
показать, |
что при небольших отклонениях fx от |
||||||||
Д ном число ЛД соответствует измеряемой частоте |
|
|
||||||||
|
|
|
|
fx —fxном — АД» |
|
|
|
|
||
С учетом (4-8) при положительном значении отклонения АД |
||||||||||
выражение (4-9) можно переписать в виде: |
|
|
|
|||||||
N.. _2ЛУо |
|
Ntfo |
Wifo |
|
|
|
(4-10) |
|||
|
fxном |
/зсном + Afx |
fxном |
Дном (l + г |
] |
|
||||
Е С Л И А Д / / * ном |
|
то |
|
|
|
\ |
/.г-ном/ |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
дг - |
2^,/р |
N jf ç Д |
__ |
A fx \ __N ,fo j |
|
|
(4-11) |
|||
1 |
fxном |
/.гном \ |
fxном/ |
f% |
* |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
'*пом |
|
|
|
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
мерения в |
процентах этого значения, называется процентным. |
На рис. |
4-7 приведена схема процентного частотомера [21]. |
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
Т2 = кгТ0. |
(4-13) |
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
сов будет |
|
N=('i\ - Г,) и = b ^ I i ^ To - HTx t |
(4.14) |
Пусть |
|
^1 —/жпом^г^о! |
(4-15) |
|
тогда |
|
|||
|
|
|
|
|
Д/ _^2^0 — /асНОМ |
0 Т X ____ JL ( л |
1 х п о и \ ___ |
|
|
Л |
Го |
“ М 1 |
Гх |
|
|
|
|
= кг (k--J*™A = к ^ . |
(4-16) |
Е сли к2= 1 0 0 1 то показание |
N счетчика численно будет равно |
|||
отклонению fx от номинального значения в процентах. |
|
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
N = TJT0 = Тsf0. |
(4-17) |
Иа рис. 4-8 представлена структурная |
схема измерителя |
периодов. |
|
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
ф, |
|
|
менная |
диаграмма работы схемы. |
|||||
|
|
|
Как |
видно из рисунка, |
в |
схеме |
|||
ЗййЦСКк |
|
|
производится измерение интервала |
||||||
тп |
|
|
времени между задними фронтами |
||||||
|
|
измеряемых импульсов. |
В |
неко |
|||||
|
|
|
торых |
случаях, |
например |
при |
|||
Сп1 |
|
|
переменной длительности импуль |
||||||
|
п |
|
сов, это является недопустимым. |
||||||
И1 |
и |
Так же как и при измерении ча |
|||||||
|
|||||||||
|
|
стоты, |
из-за отсутствия синхрони |
||||||
ТП |
|
зации начала и конца измеряемого |
|||||||
|
|
||||||||
|
|
|
временного интервала с |
образцо |
|||||
ГМ 1 - |
Д«гИ-H - |
T |
вой частотой при измерении ин |
||||||
|
1 |
тервалов времени |
появляется по |
||||||
Сч j |
|
грешность дискретности, |
обуслов |
||||||
|
'*£ |
ленная |
тем, что |
|
|
|
|||
! |
......... ilti'i1 iLL |
|
Т'Х= Т Х + Atx — At2=N/f0. |
||||||
Рпс. 4-9. Временная диаграмма |
Отсюда |
|
|
( 4 - l t |
|||||
работы схемы измерителя перло* |
|
|
N = faTx+ ^ ^ b , |
||||||
|
дов |
|
|
|
|
J О |
|
|
|
|
|
|
где |
и Д*2 изменяются от 0 до TQÇ |
|||||
Максимальное значение относительной погрешности будет опре: |
|||||||||
делиться выражением: |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
Т д = |
± 7 ^ |
= |
- ^ - |
|
|
(4"18Х |
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
7д = |
/оТя |
(4-20) |
Сдвигом импульсов образцовой частоты / 0 на половину перио-
жет^быть уменьшена до величины
|
(4-21) |
|
|
использовании |
|
|
|
в качестве |
генератора |
|
|
образцовой |
частоты |
|
|
кварцевого |
генератора |
Рпс. |
4-10, Структурная схема измерителя |
непосредственная син |
|||
хронизация |
последнего |
периодов с синхронизацией момента начала |
|
|
измерения |
||
невозможна ввиду боль- |
|
||
|
колебаний кварца. В этом случае |
||
шого времени установления |
частичная синхронизация может быть обеспечена использова
нием делителей частоты |
между ГОЧ |
Фк |
|
|
|
|
||||
и Сч, как будет показано ниже. |
|
|
|
|
||||||
Максимальное |
время |
измерения |
иг |
|
|
|
|
|||
в схеме на рис. 4-10 |
составляет |
Запускt=L |
|
|
|
|||||
^ИЗМ -- |
ЗГд. |
|
|
|
|
|
|
|
||
На рис. 4-12 представлена схема |
|
|
|
|
|
|||||
измерителя, которая может быть ис |
и |
— |
;---------------------- |
t |
||||||
пользована для |
измерения среднего |
ТГ1 |
||||||||
из п периодов» |
Это осуществляется |
cm |
|
|
|
|
||||
путем |
счета |
импульсов |
образцовой |
п |
|
|
|
|||
частоты / 0 в |
течение п периодов с |
М |
|
|
|
|||||
последующим |
делением |
показаний |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
||||||
•счетчика на п. Для этой цели в схе |
TrZi1 |
|
.. . . |
г : |
||||||
му добавляется счетчик числа перио |
-----------г — |
Л |
г |
|||||||
дов Сч п. Погрешность дискретности |
Сч |
|
|
|
|
|||||
в этом |
случае |
|
|
|
' т , \ г |
|
‘ |
|||
|
|
|
|
|
|
|
: |
П |
I I ________ |
|
Из |
сравнения выражений (4-19) |
Рлс. 4-11. Временная диаграм |
||||||||
ма работы измерителя |
перио |
|||||||||
и (4-22) следует, |
что при переходе |
дов с синхронизацией момента |
||||||||
к измерению п периодов при сохра |
|
начала измерения |
|
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.
Величина образцовой частоты измерителя временных интер валов определяется допустимой погрешностью измерения са мого короткого временного интервала.
Рлс. 4-12. Структурная схема пзмерптеля среднего из п пе
риодов
Пусть необходимо измерить период в диапазоне 1 мсек — 100 сек с по
грешностью, не превышающей 0,1 % измеряемой величины. Если принять погрешность дискретности уд.за одну из наибольших составляющих суммарной погрешности, например уд := 0,05%, то самому короткому интервалу времени будет соответствовать число импульсов
Nmin= lh a= 2№.
Тогда необходимая образцовая частота будет |
|
|
|
|||||
|
f0 = |
|
^ |
Мщ* |
|
|
|
|
Наибольшему |
измеряемому периоду |
Тх тах = |
100 |
сек |
Соответствует |
|||
N mSLXs = f 0T x max = |
2 - 10s |
импульсов. |
Это |
значит, |
что |
объем двоичного |
||
счетчика должен быть не менее 26 разрядов. |
достаточно |
И |
разрядов, что |
|||||
Для обеспечения же заданной точности |
||||||||
соответствует числу N = 2000; остальные |
15 |
разрядов |
являются избыточ |
|||||
ными. |
|
|
|
|
диапазон может быть разбит |
|||
Для уменьшения объема счетчика весь |
||||||||
на поддиапазоны с перекрытием, равным 10: |
|
|
|
|
||||
Поддиапа |
|
10—100 мсек |
100—1000 мсек 1—10 сек .10—100 сек |
|||||
зон . . ; . 1—10 мсек |
||||||||
Образцовая |
|
200 кгц |
20 кгц |
|
2 кгц |
0,2 кгц |
||
частота. . 2 |
М гц |
|
Вэтом случае потребуется двоичный счетчик, содержащий 15 разрядов
ипять образцовых частот. Йри этом целесообразно использовать один
кварцевый |
генератор, настроенный на наибольшую требуемую частоту, |
и делители |
частоты. |
Как отмечалось ранее, единственное отличие схемы измерителя длительности импульсов от схем измерителей периода состоит в устройстве управления,
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
времени выбора предела Т^ыб и в сравнении полученного |
числа |
|
с предельными числами для каждого |
из поддиапазонов, |
после |
чего производится установка предела |
измерения в зависимости |
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.