ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 23.06.2024
Просмотров: 110
Скачиваний: 1
П о г р е ш н о с ть дискретности, |
р а в н а я отрицательной единице счета |
||||||||||||||||||
(—1), будет в том случае, когда |
выполняется условие: |
|
|
|
|
|
|||||||||||||
где |
to—длительность |
импульса |
на |
выходе |
генератора |
|
образцовой |
||||||||||||
частоты, |
Г, |
Тдел — з а д е р ж к а |
переключения |
делителя |
частоты |
ДЧ, |
|||||||||||||
Тз — з а д е р ж к а |
с р а б а т ы в а н и я |
триггера |
|
ТгЗ |
и |
схемы |
|
совпадения |
|||||||||||
СпЗ, |
т и — длительность |
импульса |
на |
выходе |
формирователя |
Ф. |
|||||||||||||
В противном |
случае первый импульс с выхода формирователя |
после |
|||||||||||||||||
н а ч а л а измерения поступит на вход счетчика, увеличив тем |
самым |
||||||||||||||||||
результат измерения на единицу счета. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Д л я |
получения |
постоянной |
погрешности |
дискретности, |
равной |
||||||||||||||
отрицательной |
единице |
счета, |
необходимо |
использовать |
схему |
||||||||||||||
управления, |
с р а б а т ы в а ю щ у ю |
по заднему |
фронту первого |
импульса |
|||||||||||||||
с выхода ф о р м и р о в а т е л я |
Ф. Д л я этого |
м е ж д у |
выходом |
Q |
триггера |
||||||||||||||
Тг2 |
(рис. 1-5) |
и схемой |
совпадения Сп2 |
достаточно включить |
до |
||||||||||||||
полнительный триггер, запускаемый через схему совпадения, |
на |
||||||||||||||||||
один вход которой подключен выход |
Q |
триггера |
Тг2, |
а |
на |
дру |
|||||||||||||
гой — инверсный выход |
ф о р м и р о в а т е л я |
|
Ф. Выход |
Q |
этого |
допол |
|||||||||||||
нительного |
триггера подключается |
к у п р а в л я ю щ е м у |
входу |
схемы |
|||||||||||||||
совпадения |
Сп2. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1-3. Частотомеры мгновенных значений
В частотомерах мгновенных значений измеряется период, а зна
чение частоты определяется |
к а к величина, о б р а т н а я измеренному |
|||
периоду. Полученное |
таким |
образом |
значение |
частоты относится |
к моменту времени, |
с о в п а д а ю щ е м у с |
концом |
периода. |
Время измерения д л я таких приборов образуется из времени измерения периода и времени преобразования результата в едини цах периода в результат в единицах частоты. К а к известно, время
измерения |
периода |
не |
превышает |
двух длительностей |
периода. |
Тогда |
|
|
|
|
|
|
|
|
* Н З Н = 2 7 \ - И п р , |
(1 - П) |
|
где Tx=l/fx— |
период |
измеряемой |
частоты, tnp — время |
преобра |
|
зования результата |
измерения . |
|
|
Таким образом, в частотомерах мгновенных значений, измеряю щих период, не требуется подсчитывать тысячи и десятки тысяч пе риодов измеряемой частоты, как в частотомерах средних значений. Поэтому общее время измерения мгновенных значений оказывается меньшим по сравнению со временем измерения средних значений. Это и предопределило основное назначение таких приборов — из мерение низких и инфранизких частот.
Все известные схемы цифровых частотомеров мгновенных зна чений, и з м е р я ю щ и х период, отличаются м е ж д у собой принципами
построения |
устройства преобразования |
результата |
измерения |
в единицах |
периода в результат в единицах |
частоты. |
Определение |
з н а ч е н и я измеряемо й частоты в |
обще м |
случа е |
производитс я |
пу |
|||||||||||
тем делени я некоторого постоянного числа JV0 на число |
NT, |
|
про |
||||||||||||
порционально е периоду исследуемого сигнала , |
что |
вытекае т |
и з |
||||||||||||
следующег о очевидного соотношения: fxTx=\, |
|
или |
в |
числе |
им |
||||||||||
пульсов: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N[NT |
= N0, |
|
|
|
|
|
|
|
(1-12) |
||
где |
Nf — число |
импульсов, |
пропорционально е |
частоте |
fx. |
|
|
|
|||||||
|
В работ е |
[3] |
предлагаетс я |
с у м м и р о в а т ь число |
NT |
|
сам о |
с |
собой |
||||||
до |
тех пор, |
пока |
в с у м м а т о р е |
не |
будет н а б р а н о |
з а р а н е е |
з а д а н н о е |
||||||||
постоянное |
число JVO. П р и |
этом |
число |
суммировани й |
подсчиты - |
||||||||||
вается счетчиком и представляе т собой число Nf, |
пропорциональ |
||||||||||||||
ное измеренной частоте . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Упрощенная структурная схема такого частотомера представлена на |
рис. 1-6. |
|||||||||||||
Измеряемая частота поступает на вход измерителя периода |
ИП со счетчиком Сч1 |
||||||||||||||
на выходе. Производится измерение |
периода так, как описано |
в § 2-2. |
Результат |
||||||||||||
измерения периода NT накапливается в счетчике Сч1. По команде конца изме |
|||||||||||||||
рения периода |
импульсом от измерителя |
периода |
ИП триггер |
|
Тг |
переключается |
|||||||||
в положение «1», в |
результате чего |
открывается |
ключ |
К1. Импульсы |
с |
генера |
тора Г через открытый ключ К1 начинают поступать на стробирующие входы ключей К2 и одновременно на счетчик Сч2. С приходом каждого импульса на стробирующий вход ключей К2 число NT записывается в сумматор См. Сумми рование производится до тех пор, пока не будет набрано число, превышающее No, после чего импульсом с выхода сумматора триггер Тг переключится в исходное состояние, закончив тем самым процесс преобразования отсчета в единицах пе
риода в отсчет в единицах |
частоты. |
Результат |
измерения |
накапливается |
||
в счетчике Сч2. |
|
|
|
|
|
|
Погрешность измерения частоты в рассмотренной схеме образуется из двух |
||||||
составляющих — погрешности |
измерения |
периода |
ут и |
погрешности преобразо |
||
вания YnpАнализируя работу схемы |
рис. 1-6, нетрудно |
заметить, что максималь |
||||
ное значение абсолютной погрешности |
преобразования |
составляет |
положитель |
ную единицу счета счетчиком Сч2. Следовательно, максимальное значение отно сительной погрешности преобразования составит величину
|
|
|
|
|
|
|
V n P = + l / W f . |
|
|
|
|
|
|
|
(1-13) |
||
Таким |
образом, |
общая погрешность |
измерения |
частоты |
в данной схеме |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
Y , = ±yT+l/Nr |
|
|
|
|
|
|
|
(1-14) |
|||
Подставляя |
в выражение |
(1-13) |
значение Nf |
из |
(1-12), |
получаем |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
Т п р = + Л у Л ? 0 . |
|
|
|
|
|
|
|
(1-15) |
|||
Число разрядов счетчика Сч1 определяется заданной погрешностью дискрет |
|||||||||||||||||
ности при измерении периода, равной, как и при измерении |
частоты, обратной ве |
||||||||||||||||
личине |
отсчета. |
Так, если |
задана |
погрешность |
дискретности |
при |
измерении |
||||||||||
периода |
удг = Ю - 3 , |
то NT |
= \03. |
Число |
разрядов |
сумматора |
См |
определяется, |
|||||||||
как это видно из выражения |
(1-15), |
допустимой |
погрешностью |
преобразования: |
|||||||||||||
/Уо=ЛГ г т а х/7пр, |
где |
JVrmai — максимальное значение периода |
на |
данном |
под |
||||||||||||
диапазоне |
измерения. Например, |
если у П р = 10 _ 3 и Л ^ г т а з ; = 1 0 4 , |
то |
Л Г |
0 = Ю 7 . |
||||||||||||
Время |
преобразования |
нетрудно |
определить |
из |
выражения: |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
f n p = ^ / / = W r O ' |
|
|
|
|
|
|
< М 6 > |
|||||
где f— частота генератора |
Г (рис. 1-6). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Из выражения (1-16) |
видно, |
что время преобразования |
определяется |
часто |
|||||||||||||
той / и может быть довольно малым. Так, при |
М>=107 , |
NT |
= 103 |
и |
f = 1 0 e гЦ |
||||||||||||
Имеем / n p = 1 0 - 2 |
сек=10 мсек. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Недостаток |
схемы —в |
ее |
сложности, что обусловлено |
использованием |
сум |
||||||||||||
матора, |
содержащего 7—8 |
декад |
при использовании |
двоично-десятичного |
кода. |
Сумматор является узлом, типичным для цифровых вычислительных устройств, и не характерен для цифровых частотомеров. Это не позволяет использовать его
в составе прибора для других целей, что снижает эффективность |
использования |
||||||||||||||||||
прибора в целом. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
В работ е [4] предлагаетс я дл я преобразовани я |
отсчета |
в |
еди |
|||||||||||||||
ница х период а в отсчет в единица х частоты использоват ь |
цифро - |
||||||||||||||||||
аналоговы й п р е о б р а з о в а т е л ь |
( Ц А П ) , |
о б л а д а ю щ и й |
множительно й |
||||||||||||||||
характеристико й |
вида: |
|
f/вых |
= |
mEnvnN, |
|
|
|
|
|
(1-17) |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
где |
и в |
ы х |
— выходное |
н а п р я ж е н и е |
цифро - аналоговог о |
преобразо |
|||||||||||||
вателя ; |
^пит — н а п р я ж е н и е |
питани я |
резистивной |
матриц ы |
Ц А П ; |
||||||||||||||
N— |
входной код; т — м а с ш т а б н ы й |
коэффициент . |
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
Вх. |
ип |
|
Сч1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
Nt |
|
|
|
|
Вх. |
Сч1 |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ИП |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
К2 |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
\РМ1 |
РМ2 |
|
CP |
h |
||
|
|
|
К1 |
|
См |
|
|
|
|
|
|
|
|
Сч2 |
-Вых. |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
Тг |
|
Сч2 |
|
Вых. |
|
|
|
Тг |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
I |
|
|
|
|
|
Рис. 1-6. Структурная схема час |
Рис. |
1-7. Структурная |
схема |
частото |
|||||||||||||||
тотомера |
мгновенных |
значений |
мера |
мгновенных |
значений с |
исполь |
|||||||||||||
|
с использованием |
сумматора |
|
|
|
зованием ЦАП |
|
|
|
|
|||||||||
|
Принцип работы |
устройства |
(рис. |
1-7), |
использующего |
ЦАП, |
следующий. |
||||||||||||
Вначале обычным способом измеряется период исследуемого |
сигнала. |
Получен |
|||||||||||||||||
ный |
в счетчике Сч1 |
измерителя |
периода |
код управляет |
резистивной |
матрицей |
|||||||||||||
РМ1 ЦАП, на выходе которой появляется напряжение: |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
U1 = m1EnmN1. |
|
|
|
|
|
|
(1-18) |
||||
|
Это напряжение является источником для резистивной матрицы |
РМ2 |
дру |
||||||||||||||||
гого |
ЦАП, управляемой |
от |
дополнительного |
счетчика |
Сч2. После |
окончания из |
|||||||||||||
мерения периода на вход дополнительного счетчика Сч2 начинают |
|
поступать |
|||||||||||||||||
импульсы от генератора Г. На выходе резистивной |
матрицы |
РМ2 |
появляется |
||||||||||||||||
напряжение |
|
|
|
|
|
[ / 2 |
= |
т ^ Л ^ , |
|
|
|
|
|
(1-19) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
где |
Nz — код, набираемый |
в |
счетчике Сч2; т2 — масштабный |
коэффициент. |
на |
||||||||||||||
|
Счетчик Сч2 подсчитывает импульсы от генератора Г до |
тех пор, пока |
|||||||||||||||||
пряжение U2 не станет равным некоторому фиксированному значению {/о, что |
|||||||||||||||||||
отмечается |
схемой сравнения |
Ср. После |
этого счет |
импульсов |
прекращается, |
||||||||||||||
и число N2, |
набранное |
в счетчике Сч2, оказывается пропорциональным |
измерен |
||||||||||||||||
ной частоте. Действительно, |
выражение |
(1-19) |
с учетом (1-18) |
можно |
переписать: |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
Ut |
= |
/ ^ т ^ Л ^ Е п и т = {/„• |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Но miNiEa^T—kTx, |
где k — коэффициент |
пропорциональности; Тх |
— измеренный |
||||||||||||||||
период исследуемого |
сигнала. Следовательно, |
km{TxN2=Uu |
или |
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
N2Tx=U0/(km2). |
|
|
|
|
|
|
|
(1-20) |
Подбирая |
значения величин |
Uo, k |
и т2, |
можно |
получить: |
N2Tx=lQn, |
где |
||||||
п = 0 , 1,2 |
откуда |
N2= l(y/Tx |
= fx-lOn. |
|
|
|
|
|
(1-21) |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Общее время измерения для схемы |
(рис. |
1-7), |
как |
и рис. 1-6, определяется |
|||||||||
выражением |
(1-11). Причем время преобразования |
г п р |
определяется быстродей- |
||||||||||
хтвием элементов в счетчике Сч2 и ключей в резистивной матрице |
РМ2. |
Так, при |
|||||||||||
Л?2=104 |
и частоте |
импульсов |
/ = 1 0 6 гц с |
генератора Г время преобразования со |
|||||||||
ставит |
г П р = 1 0 мсек. Следует |
отметить, |
что |
при |
использовании |
такой |
высокой |
||||||
частоты f к быстродействию ключей в резистивной |
матрице |
РМ2 |
предъявляются |
||||||||||
довольно жесткие |
требования. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Погрешность |
измерения для |
данной |
схемы образуется |
из погрешности |
изме |
рения периода и погрешности преобразования. Причем погрешность преобразо
вания определяется |
погрешностью цифро-аналоговых преобразователей и срав |
||
нивающего устройства, а также |
стабильностью источников напряжений |
£ п и т |
|
и Uo. Недостатком |
схемы является необходимость использования в ней аналого |
||
вых измерительных |
устройств. |
|
|
Д л я п р е о б р а з о в а т е л я |
отсчета в единицах периода в отсчет |
||
в единицах частоты м о ж е т |
быть использован цифровой интегратор . |
||
К а к известно |
[5], цифровой интегратор с последовательным |
пе |
реносом включает регистр интегрируемой функции со схемами
совпадения |
на выходе |
к а ж д о г о |
из р а з р я д о в , делитель частоты, им |
пульсами |
с выходов |
которого |
о п р а ш и в а ю т с я н а з в а н н ы е выше |
схемы совпадения, и счетчик результата интегрирования, на вход
которого подключены через собирательную схему |
выходы |
всех |
|||||||
схем совпадения. Считывание интегрируемой функции |
производится |
||||||||
путем последовательного опроса импульсно - потенциальных |
схем |
||||||||
совпадения импульсами |
с соответствующих р а з р я д о в |
делителя |
ча |
||||||
стоты. |
Причем |
выходы |
р а з р я д о в |
последнего комбинируются |
|
так, |
|||
чтобы |
ни |
одна |
пара импульсов с выходов |
л ю б ы х двух р а з р я д о в |
не |
||||
с о в п а д а л а |
во |
времени. В таком |
случае |
на выходе |
собирательной |
схемы формируется последовательность импульсов с плотностью, определяемой интегрируемой функцией, записанной в регистр,
частотой |
/, |
|
поступающей |
|
на |
вход |
делителя |
частоты, |
и |
коли |
||||||||||||
чеством |
р а з р я д о в |
последнего и |
регистра. С р е д н я я |
частота |
импуль |
|||||||||||||||||
сов на |
выходе |
собирательной |
схемы |
определяется |
|
в ы р а ж е н и е м : |
||||||||||||||||
/ с б = /ЛуЛ™, |
где |
Л^і — число, |
записанное |
в |
регистре; |
п — число |
раз |
|||||||||||||||
рядов регистра и делителя частоты; |
А — основание |
|
системы |
счис |
||||||||||||||||||
ления. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
З а |
время |
интегрирования |
t в счетчике |
н а к а п л и в а е т с я |
число |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(1-22) |
|
|
В |
[6] |
описывается |
метод |
цифрового |
измерения |
|
низких |
частот, |
|||||||||||||
в |
основу |
которого п о л о ж е н |
алгоритм |
|
деления |
постоянного |
числа |
|||||||||||||||
N0 |
на |
число |
NT |
|
путем последовательного |
вычитания |
из числа |
No |
||||||||||||||
з н а ч а щ е й ц и ф р ы |
старшего |
р а з р я д а |
числа |
NT |
с |
одновременным |
||||||||||||||||
изменением |
делимого |
N0 |
на |
величину, |
пропорциональную |
|
весу |
|||||||||||||||
остальных |
р а з р я д о в |
делителя |
JVx . Такой |
|
алгоритм |
реализуется |
||||||||||||||||
с |
помощью |
|
цифрового |
интегратора |
|
с |
последовательным |
пере |
носом.
Ч и с ло |
j V r < 1 0 4 м о ж н о |
представить так: |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
Afr |
= a-103 |
+ b-102 + c-101 |
+ d - 10 0 ) |
|
|
|
|
|
|||||||
где |
а, Ь, |
с, |
d |
— з н а ч а щ и е |
ц и ф р ы |
соответствующих |
р а з р я д о в . |
|
|||||||||||||
С учетом |
(1-12) м о ж н о |
записать |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
N 0 = |
Nfa |
• 103 |
+ |
Nfb |
• 102 |
+ Nfc- |
10і + |
Nfd |
• 10° |
|
|
|
|
|||||
или |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
NQ-\0-3 |
= Nfa + |
|
|
|
^Nfb+WoNfc |
1000 |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вх.. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Сч1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ї |
|
Сп5- |
Сп9- |
\K2-K5 |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ш |
Сп12 |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
Н |
|
^ |
С6&> |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
Г ' |
|
|
|
|
СчЗ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ш |
|
|
|
|
Сч2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
J |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Гг |
|
|
|
|
К1 |
|
|
сы |
|
ДЧ |
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 1-8. Структурная схема частотомера мгновенных |
зна |
|
|
||||||||||||||||
|
|
чений |
|
с |
использованием |
алгоритма |
деления |
постоянного |
|
|
|||||||||||
|
|
числа |
|
No |
на |
число |
NT, реализованного |
на цифровом |
|
ин |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
теграторе |
|
с |
последовательным |
переносом |
|
|
|
|
|
|||||||
|
Отсюда |
получаем |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
Nf[ = . |
a |
N0-10- ,—з |
— Nfb+—NfC-\ |
|
—Nfd |
|
|
|
(1-23) |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
io |
' |
mo |
' |
юоо |
' |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
В соответствии с |
в ы р а ж е н и е м |
(1-23) |
процесс |
деления |
следует |
|||||||||||||||
организовать |
следующим |
|
образом . |
И з |
числа |
N0-\0~3 |
|
необходимо |
|||||||||||||
последовательно |
вычитать |
число |
а, |
з а п и с ы в а я |
в специальный |
счет |
|||||||||||||||
чик |
Nf |
единицу |
после |
к а ж д о г о |
вычитания . |
К р о м е |
того, |
число |
|||||||||||||
JVO-ІО- 3 после к а ж д о г о |
10-го вычитания |
числа |
а следует |
уменьшать |
|||||||||||||||||
на |
величину |
Ь, |
после |
к а ж д о г о |
100-го — на |
величину |
с |
и |
после |
||||||||||||
к а ж д о г о |
1000-го — на величину |
d. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
На рис. 1-8 представлена упрощенная структурная схема частотомера, реали зующего описанный метод. Вначале измеряется период исследуемого сигнала, поступающего на вход измерителя периода ИП. Результат измерения NT накап-