ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 23.06.2024
Просмотров: 115
Скачиваний: 1
П о г р е ш н о с ть измерения в рассматриваемом приборе образуется
из погрешности измерения периода и |
погрешности |
преобразо |
|||||||||||||
вания. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Нетрудно |
видеть |
по |
схеме, что |
м а к с и м а л ь н а я |
абсолютная |
по |
|||||||||
грешность преобразования м о ж е т достигать величины |
А п р = ± Л г т . |
||||||||||||||
Тогда |
м а к с и м а л ь н а я |
относительная |
погрешность |
п р е о б р а з о в а н и я |
|||||||||||
|
|
Ynp = ± |
NT/(TJ0) |
= ± NT/{NfNT) |
|
= |
± |
l/Nf. |
|
(1-32) |
|||||
И т а к , |
если |
погрешность |
дискретности |
при |
измерении |
периода |
|||||||||
уят=1/Мт, |
то в ы р а ж е н и е |
(1-31) принимает |
вид: |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
7 , о = 1 / ( 7 д г 7 ^ о ) . |
|
|
|
|
гц, |
(1-33) |
||||
Пусть, |
например, |
7дг = 0,01%, у п Р = 0,1% |
и |
fo=10 7 |
то |
7"0 = |
|||||||||
= 1 сек. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
К а к |
видно |
из рис. 1-10, |
описанный |
прибор |
построен на |
узлах, |
|||||||||
типичных |
д л я |
цифровых |
частотомеров . |
Это |
позволяет |
выполнить |
|||||||||
его без существенного увеличения оборудования . Так, в качестве
генераторов |
|
/о и |
То, |
а т а к ж е |
ключа |
К могут |
быть |
использованы |
|||||||||||||
соответствующие узлы цифрового измерителя периода ИП. |
К |
мо |
|||||||||||||||||||
менту |
н а ч а л а |
преобразования отсчета |
в единицах |
периода в |
отсчет |
||||||||||||||||
в |
единицах |
|
частоты |
|
измеритель |
периода |
будет |
свободен |
и |
его |
|||||||||||
узлы могут быть использованы д л я целей преобразования . |
Кроме |
||||||||||||||||||||
того, в качестве счетчиков Сч2 |
и СчЗ могут быть использованы |
||||||||||||||||||||
соответствующие части делителей частоты измерителя |
периода. |
||||||||||||||||||||
Устройство |
ж е сравнения |
кодов |
УСр, |
выполненное, |
например, на |
||||||||||||||||
логических схемах, м о ж е т |
быть очень |
простым. |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
Недостатком |
прибора |
является |
увеличенное |
время |
измерения . |
|||||||||||||||
О д н а к о |
этот |
недостаток |
может |
о к а з а т ь с я несущественным, |
если |
||||||||||||||||
учесть |
достоинства |
схемы. |
П р е ж д е |
всего, |
к а к |
отмечалось, |
схема |
||||||||||||||
отличается |
простотой. |
К р о м е |
того, |
узлы |
такого |
прибора |
могут |
||||||||||||||
с |
успехом |
использоваться |
в |
составе |
частотомера д л я решения |
||||||||||||||||
р я д а |
з а д а ч , |
|
что |
невозможно |
в |
рассмотренных |
ранее |
приборах . |
|||||||||||||
Так, наличие счетчиков Сч1 и |
Сч2, |
м е ж д у которыми включено |
|||||||||||||||||||
устройство сравнения |
кодов |
УСр, |
позволяет построить счетчик |
со |
|||||||||||||||||
бытий |
с |
предустановленным |
счетом. Д л я |
этого |
достаточно |
в |
при |
||||||||||||||
бор добавить |
устройство |
ввода |
числа |
в счетчик, |
например |
в |
Сч2. |
||||||||||||||
П р и этом автоматически реализуется делитель частоты с регули
руемым |
коэффициентом деления . Сочетание |
этих ж е |
узлов |
позво |
|||||
л я е т осуществить деление некоторого числа |
импульсов |
на |
з а д а н |
||||||
ное число. К р о м е |
того, рассмотренный |
частотомер м о ж е т |
исполь |
||||||
зоваться |
в р е ж и м е |
цифрового |
к о м п а р а т о р а . |
Все эти |
возможности |
||||
прибора |
д е л а ю т его особенно |
удобным |
д л я |
использования |
в со |
||||
ставе информационно - измерительных систем, |
а т а к ж е |
в |
исследо |
||||||
вательской практике . |
|
|
|
|
|
|
|
||
1-4. Следящий частотомер
В следящих частотомерах производится непрерывное во времени измерение частоты. По существу все нецифровые (электронные и электромеханические) частотомеры — следящие. Достоинством таких приборов является возможность получения отсчетов в любой произвольный момент времени.
Принципиально следящие частотомеры могут быть и цифровыми. В качестве
примера рассмотрим |
цифровой |
следящий частотомер, разработанный в Пензен |
ском политехническом |
институте |
[10]. |
На рис. 1-11 представлена структурная схема следящего частотомера, позво ляющая получать трехзначный отсчет. Прибор построен по декадному принципу.
Каждая |
из декад |
включает |
частотные |
анализаторы |
{ЧАЇ, |
ЧА2 |
и ЧАЗ), |
сдвигаю |
|||
щий регистр |
СРг, |
который |
управляет |
индикаторами (И1, И2, |
ИЗ) |
и |
ключами |
||||
К1—К9. |
В младшей декаде |
сдвигающий регистр отсутствует. Декады соеди |
|||||||||
няются между собой через смесители С/ и С2. |
|
|
|
|
|
ЧД1— |
|||||
Частотные |
анализаторы |
включают |
в себя частотные |
дискриминаторы |
|||||||
ЧД9 по |
числу |
единиц в декаде и корректирующие |
дискриминаторы |
ЧД10, |
исклю |
||||||
чая старшую декаду.
Рис. 1-11. Структурная схема следящего частотомера
Измеряемая частота fx поступает на входы анализатора ЧД1 и смесителя С/. Пороги срабатывания частотных дискриминаторов выбраны в соответствии с выражением:
|
|
|
|
|
|
Л- = (Л/т + |
0 , 5 Д / ) - 1 0 - ' г Ч |
|
|
|
|
|
|
(1-34) |
|||||||||
где |
і—порядковый |
|
номер частотного |
дискриминатора; |
Л/ — дискретность |
по |
ча |
||||||||||||||||
стоте в |
старшей |
декаде; |
п — номер |
оцениваемого разряда, |
начиная |
со |
старшего; |
||||||||||||||||
/,• — порог срабатывания |
1-го |
частотного |
дискриминатора. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
Для младшей декады ЧАЗ пороги |
срабатывания частотных |
|
дискриминато |
|||||||||||||||||||
ров определяются |
выражением: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
fi= Д / М ( Г П + 1 . |
|
|
|
|
|
|
|
(1-35) |
||||||||
|
Источник |
образцовых дискретных |
частот |
ИДЧ |
должен |
выдавать |
N |
образцо |
|||||||||||||||
вых |
частот, |
причем |
N=9(n—1). |
Значения |
частот |
определяются |
|
выражением |
|||||||||||||||
(1-35). Рассмотрим работу схемы на примере. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
Пусть предел |
измерения |
равен |
1 Мгц. |
В |
этом |
случае |
Af = 100 |
кгц |
и |
пороги |
||||||||||||
срабатывания |
частотных |
дискриминаторов |
в |
соответствии с |
выражениями |
(1-34), |
|||||||||||||||||
(1-35) равны: 150, 250, |
350 |
950 |
кгц |
— для |
старшей |
декады |
(ЧА1), |
|
15, |
25, |
|||||||||||||
35, . . . , 95 кгц— |
для средней декады |
(ЧА2) |
и |
1, 2, 3, |
|
9 кгц—для |
|
младшей |
|||||||||||||||
декады |
(ЧАЗ). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Порог срабатывания корректирующих дискриминаторов выбирается в преде |
||||||||||||||||||||||
лах |
от |
10Af - 10~ n + 1 |
до 2 0 A f - 1 0 - n + 1 . Таким |
образом, порог |
срабатывания |
коррек |
|||||||||||||||||
тирующего дискриминатора |
ЧД10 |
|
в |
анализаторе |
ЧА2 |
выбирается |
в |
пределах |
|||||||||||||||
100—200 кгц, |
а в |
анализаторе ЧАЗ |
— в пределах |
10—20 кгц. |
Это |
позволяет точно |
|||||||||||||||||
не фиксировать |
пороги |
срабатывания, |
а |
задавать |
их в |
виде |
полосы |
частот |
||||
в пределах дискретности для данного разряда. Источник |
образцовых |
дискретных |
||||||||||
частот ИДЧ |
дложен обеспечивать частоты |
100, 200, |
300, |
... , 900 |
кгц |
и |
10 20 |
|||||
30, , .. , 90 кгц. |
|
|
|
|
|
|
кгц. |
|
|
|
|
|
Пусть измеряемая частота равна, |
например, |
/* = 555 |
В |
этом |
случае |
|||||||
в частотном |
анализаторе |
ЧА1 срабатывает частотный дискриминатор, порог сраба |
||||||||||
тывания которого |
близок |
к измеряемой |
частоте fx. |
Таким |
образом, |
в |
ЧА1 |
сраба |
||||
тывает дискриминатор ЧД5, записывая в сдвигающий регистр в соответствующий разряд единицу. В результате на индикаторе И1 высвечивается цифра 5 и откры
вается ключ К5. С соответствующего выхода источника образцовых |
дискретных |
|||||||||||
частот |
ИДЧ |
через ключ |
К5 на вход |
смесителя |
С1 |
подается |
частота, |
равная |
||||
/о = 500 |
кгц. |
Полученная |
разность |
частот f x —/„ = 55 |
кгц поступает |
на |
входы |
|||||
частотного |
анализатора |
ЧА2, где |
срабатывает |
дискриминатор |
ЧД5. |
Далее |
все |
|||||
происходит |
аналогично |
изложенному |
выше, |
и |
на |
входы |
анализатора |
|
ЧАЗ |
|||
поступает с выхода смесителя С2 частота 5 кгц. В анализаторе |
ЧАЗ |
срабатывает |
||||||||||
дискриминатор ЧД5. В результате |
на индикаторах |
будут высвечиваться цифры 5, |
||||||||||
что образует отсчет 555 кгц. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Следует |
отметить, что пороги |
срабатывания |
дискриминаторов |
необходимо |
||||||||
задавать в |
виде полосы |
частот, равной примерно |
дискретности на данном |
раз |
||||||||
ряде. Причем, полоса срабатывания должна быть смещена в сторону больших
значений, например ПО—210; 210—310 кгц |
и т. |
д. для |
старшего разряда. |
При |
|||
таком выборе |
порогов |
срабатывания возможны |
срабатывания |
дискриминаторов |
|||
с порядковым |
номером, |
соответствующим |
правильному |
отсчету |
на данном |
раз |
|
ряде, либо с порядковым номером, на единицу меньшим правильного. В послед нем случае результат должен быть скорректирован.
Пусть, например, в анализаторе ЧА1 |
при измерении |
частоты |
/*=515 |
кгц |
||||||||
сработал дискриминатор ЧД4. Тогда на |
вход смесителя С1 будет подана образ |
|||||||||||
цовая |
частота /о = 400 |
кгц, и разностная |
частота составит fx— |
/ 0 = Ч 5 |
кгц. |
Такая |
||||||
частота, поступая на вход анализатора |
ЧА2, приводит |
к |
срабатыванию |
частот |
||||||||
ного дискриминатора |
ЧД10, у |
которого |
порог срабатывания лежит в пределах |
|||||||||
от 100 |
до |
200 кгц. Импульс с |
выхода |
этого дискриминатора |
скорректирует |
ре |
||||||
зультат |
в |
предыдущей декаде, |
переместив |
записанную |
в |
регистре |
единицу |
на |
||||
один разряд, в результате чего на индикаторе И1 высвечивается цифра 5 и от
крывается ключ К5. После этого с выхода смесителя С1 на входы |
анализатора |
||||
ЧА2 будет поступать разностная частота, равная |
15 кгц. Далее |
работа |
происхо |
||
дит аналогично. При одновременном срабатывании двух частотных |
дискримина |
||||
торов происходит выключение |
дискриминатора с |
большим порядковым |
номером |
||
и сброс соответствующего ему |
разряда сдвигающего регистра |
в |
нулевое со |
||
стояние. |
|
|
|
|
|
Как видно из описания работы схемы, отсчет измеряемой частоты можно снимать непрерывно. При уменьшении частоты fx срабатывает устройство сброса УСб, импульсом с выхода которого осуществляется сброс сдвигающих регистров в исходное нулевое состояние, после чего установится отсчет, соответ ствующий новому значению частоты fx.
Рассмотренная схема наиболее эффективно работает при измерении довольно высоких частот — порядка сотен килогерц. При измерении низких частот, кроме увеличения времени измерения, появляются трудности при построении смесите лей и частотных дискриминаторов. В этом случае целесообразно использовать умножители частоты.
Пороги срабатывания частотных дискриминаторов младшей декады целесо образно задавать в виде полосы, равной величине дискретности, с центральным значением, равным соответствующему целому отсчету, например 0,5—1,5 кгц для
дискриминатора ЧД1; 1,5—2,5 кгц для дискриминатора |
ЧД2 |
и т. д. |
В рассматриваемом частотомере отсчет, снимаемый |
по |
индикатору, пред |
ставляет собой среднее значение частоты за время, определяемое постоянными времени усреднения в частотных дискриминаторах. Основной составляющей погрешности в данном приборе является погрешность дискретности. Для трехдекадного прибора погрешность измерения составит величину не менее 0,1%.
Недостатком прибора является необходимость формирования синусоидаль ных напряжений с выходов источника образцовых дискретных частот. Другим недостатком его является невозможность непосредственной связи прибора с циф-
ровыми регистрирующими и вычислительными устройствами, так как результат измерения не представлен в виде двоичного или двоично-десятичного кода. Для устранения этого недостатка необходимо введение в схему специальных коди рующих узлов, что усложняет прибор.
1-5. Частотомеры номинальных значений и процентные
Ч |
а с т о т о м е ры номинальных |
значений |
и процентные предназна |
чены |
дл я точного измерения |
частот в |
некотором узком диапа |
зоне. |
|
|
|
Н а рис. 1-12 представлена |
схема частотомера [11], который вы |
||
дает результат измерения непосредственно в единицах частоты и может быть назван частотомером номинальных значений. И з м е р я е мая частота fx поступает на формирователь Ф и д а л е е на вход
Вх |
|
|
|
|
|
|
|
Вх |
Ф |
|
К |
СчВ -*{^У"ПП |
|||||
Ф |
|
Сч |
|
СУ |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
ГОЧ |
|
|
|
СчВ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 1-12. Структурная |
схема |
час- |
Рис. |
1-13. Структурная |
схема |
часто- |
|||||||||||
тотомера |
номинальных |
|
значений |
томера номинальных |
значений |
|
|||||||||||
суммирующего счетчика Сч. Одновременно с этим импульсы |
образ |
||||||||||||||||
цовой частоты /о от генератора |
ГОЧ подаются на вход вычитаю |
||||||||||||||||
щего счетчика |
СчВ через нормально |
открытый |
ключ |
К. К а к только |
|||||||||||||
в суммирующем |
счетчике |
накопится |
з а р а н е е |
з а д а н н о е |
число |
Nit |
|||||||||||
с р а в н и в а ю щ е е |
устройство |
СУ з а к р ы в а е т |
ключ |
К, |
и |
импульсы |
об |
||||||||||
разцовой |
частоты |
/о п р е к р а щ а ю т |
поступать |
на |
вход |
вычитающего |
|||||||||||
счетчика |
СчВ. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Тх, |
|
|
Таким |
образом, если период |
измеряемой частоты |
то |
счет |
|||||||||||||
п р о д о л ж а е т с я |
в течение |
времени |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
Tx |
= |
N{Tx |
= Nxlfx. |
|
|
|
|
|
|
(1 - 36) |
||
В вычитающем счетчике перед началом измерения |
устанавли |
||||||||||||||||
вается постоянное |
число |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
Л ^ = 2 Г 1 Н / 0 |
= 2 В Д / , Н , |
|
|
|
|
|
(1 - 37 ) |
||||||
где Г і н определяется |
соотношением |
( 1 - 3 6 ) |
при номинальном |
зна |
|||||||||||||
чении частоты fx = fxa. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
К концу измерения |
в |
вычитающем |
счетчике |
останется число |
|||||||||||||
|
|
|
# я |
= # 0 - 7 У о = # о - а д / , . |
|
|
|
|
(1 - 38 ) |
||||||||
где Tijo — число импульсов |
с частотой следования |
/о, которое |
по |
||||||||||||||
ступает в СчВ з а время |
Ті. |
|
|
|
|
|
отклонениях fx |
от fxn |
|||||||||
Нетрудно |
показать, |
что |
при |
небольших |
|||||||||||||
число Л'г соответствует |
измеряемой частоте |
fx=fxs±Afx- |
|
С |
учетом |
||||||||||||
(1-37) |
при |
положительном |
отклонении |
Afx |
в ы р а ж е н и е (1-38) |
|||||||||
м о ж н о переписать |
в виде: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
N |
|
2NJ0 |
|
NJ0 |
|
= 2NJB |
|
^ |
0 . |
|
|
||
|
|
2 |
fxn |
|
fxH + |
bfx |
|
fxn |
|
fxn{\ + |
MxIfxYi) |
|
|
|
Е С Л И AfJfxH |
< |
1, |
TO |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
N2 |
= ^ |
~ |
4^ |
(1 - |
4 |
Ш |
Fxw |
(1-39) |
|||
|
|
|
|
|
|
fxu |
ІХН |
|
|
|
|
|
||
К а к |
видно |
из |
(1-39), |
N2 |
прямо |
пропорционально |
частоте |
fx. |
||||||
Коэффициент |
при |
fx |
д л я |
определенной |
номинальной |
частоты |
/ ж н |
|||||||
является постоянным и определяет точность измерения . |
|
|||||||||||||
Таким образом, |
|
рассмотренная |
схема |
обеспечивает |
отсчет |
не |
||||||||
посредственно в единицах частоты, однако, точное измерение ча стоты возможно только при незначительных отклонениях ее от определенной номинальной .
|
Известен [12] способ измерения частоты, близкой к номиналь |
|||||||||||||||||
ному |
значению, |
основанный |
на |
том, |
что если |
/ ж = / н ( 1 + « ) , |
где |
|||||||||||
а |
С |
1. то м о ж н о |
воспользоваться |
приближенным |
соотношением: |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
fx = Vn-fVfx- |
|
|
|
|
|
|
|
(1-40) |
|||
В |
соответствии |
с |
в ы р а ж е н и е м |
(1-40) |
построена |
схема |
частото |
|||||||||||
мера |
номинальных |
значений, |
представленная |
на |
рис. |
1-13. |
|
|||||||||||
|
И з м е р я е м а я |
частота |
fx |
поступает |
на |
вход |
ф о р м и р о в а т е л я Ф. |
|||||||||||
Перед началом измерения в вычитающем счетчике СчВ |
записы |
|||||||||||||||||
вается число 2NB, |
пропорциональное |
удвоенному значению |
частоты |
|||||||||||||||
/ н . Импульсы с выхода |
формирователя |
Ф периодически с |
частотой |
|||||||||||||||
fx |
з а к р ы в а ю т ключ |
К и |
одновременно |
переписывают |
|
ко д |
со |
счет |
||||||||||
чика |
СчВ |
в з а п о м и н а ю щ и й |
регистр |
Рг |
и сбрасывают |
счетчик |
через |
|||||||||||
элемент |
з а д е р ж к и |
3, |
обеспечивающий |
уверенную |
|
запись |
кода |
|||||||||||
в |
регистр, в исходное состояние. В п р о м е ж у т к е |
м е ж д у |
импульсами |
|||||||||||||||
с выхода формирователя на счетчик с генератора Г поступают
импульсы с частотой / г , численно равной |
|
/ н 2 . |
З а |
время м е ж д у |
|||||||||||
двумя импульсами с формирователя, равное |
периоду |
исследуемого |
|||||||||||||
сигнала |
Тх, |
на |
вход |
счетчика |
поступит Txfr |
импульсов. |
Следова |
||||||||
тельно, к |
концу |
к а ж д о г о |
периода |
в |
счетчике |
будет н а б р а н о число, |
|||||||||
определяемое |
в ы р а ж е н и е м |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
Nx |
= 2NH-TJr |
|
= 2NH-rH/fx, |
|
|
|
(1-41) |
|||
что соответствует |
в ы р а ж е н и ю |
(1-40). |
|
|
|
|
|
|
|||||||
В таком |
р е ж и м е |
работы, |
к а к |
изложено, |
частотомер |
измеряет |
|||||||||
мгновенное |
значение |
частоты, |
соответствующее |
моменту |
времени, |
||||||||||
с о в п а д а ю щ е м у |
|
с концом |
к а ж д о г о |
периода |
входного |
сигнала. Пре |
|||||||||
образуем |
п р а в у ю |
часть |
в ы р а ж е н и я |
(1-40), |
учитывая |
соотношение |
|||||||||
fx = fn + |
Afx, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2/ |
—fi/f |
= |
2f |
|
f2 |
|
2f |
|
|
f |
. |
|
||
|
|
- |
|
|
|
^ |
|
||||||||
In L I x U
f + д / |
In |
1+ Д / х / / н |
