4. Методические указания по разработке структурной схемы

4.1. Измерители временных параметров сигнала

Работа устройств, измеряющих частоту и период сигнала, длительность импульсов и временной интервал между ними, основана на подсчете количества импульсов за определенный промежуток времени. Например, в частотомере производится подсчет входных импульсов за время образцового импульса большей длительности, а в измерителе интервала времени – подсчет числа образцовых импульсов за время действия измеряемого интервала. Для этого используется схема временной селекции и блок суммирующих счетчиков. Для считывания измеренного значения используется блок индикации, который обычно состоит из дешифраторов и индикаторов.

В схеме на рис.4.1 на один вход схемы временной селекции подан высокочастотный сигнал (образцовые импульсы), а на второй вход – импульсы, имеющие существенно больший период – период измерения. С выхода схемы временной селекции импульсы подаются на счетный вход счетчика, на выходах счетчика формируется код числа импульсов, поступивших на счетный вход.

Если в схеме применить двоичные счетчики, то перед подачей кода числа на блок индикации необходимо осуществить преобразование двоичного кода в двоично-десятичный код. Для этого можно использовать одну из схем, описанных в разделе 6.9, включив ее перед входом блока индикации. Если же в схеме используются десятичные счетчики, то можно выходы счетчиков соединить с блоком индикации и число сосчитанных импульсов будет высвечиваться на индикаторе.

Это число определяет частоту высокочастотного сигнала в герцах, если длительность разрешающего импульса 1 с. При длительности в 1 мс фиксируется частота в кГц. Таким образом осуществляется измерение частоты.

Измерение длительности низкочастотного сигнала, подаваемого на второй вход схемы стробирования (временной селекции), возможно, если известна частота сигнала на первом входе. При частоте 1 МГц результат будет измеряться в микросекундах, при 1 кГц – в миллисекундах.

Рис.4.1. Структурная схема измерителя временных параметров

Генератор образцовых импульсов вырабатывает сигналы определенной частоты, которая задана или определяется по техническому заданию. Для частотомера – это низкочастотные импульсы, для измерителя периода и временных интервалов – импульсы высокой частоты. В общем случае генератор образцовых импульсов состоит из задающего генератора и счетчика-делителя.

Разрядность счетчика, подключаемого к выходу схемы временной селекции, и количество используемых микросхем счетчиков определяется диапазоном изменения измеряемой величины и количеством значащих цифр в блоке индикации.

Когда на входе схемы временной селекции присутствует уровень, запрещающий прохождение образцовых импульсов от генератора на счетный вход, счетчик не изменяет своего состояния и оператор может считывать показания цифровой шкалы индикатора. Если этот промежуток времени удобен для наблюдения (0,5 – 3 с), то в схеме достаточно лишь осуществить сброс счетчика перед новым измерением, применив для этого, например, формирователь коротких импульсов (см. раздел 6), который работает по требуемому перепаду измеряемого интервала. На вход формирователя подается низкочастотный импульс, который используется как разрешающий для схемы стробирования.

Так как блок индикации непосредственно соединен с выходами счетчиков, показания индикатора в течение времени измерения будут быстро изменяться, а в остальное количество времени будет фиксироваться подсчитанное количество импульсов. В случае, когда запрещающий сигнал на входе схемы временной селекции имеет неподходящую для наблюдения результатов измерения длительность, в схеме может понадобиться регистр для хранения информации об измеренной величине в течение следующего периода измерения. Регистр памяти включается между выходами счетчиков и входами блока индикации так, как это показано на рис. 4.2. Информация заносится в него перед тем, как обнулить счетчики для нового измерения. В такой схеме на индикаторе число подсчитанных импульсов высвечивается постоянно и обновляется после каждого измерения.

Рис.4.2. Включение регистра памяти в схему измерителя временных параметров

Обнуление счетчиков перед каждым новым измерением необходимо, чтобы в них не суммировались результаты предыдущего и последующего измерений. Установка в ноль может производиться по фронту или срезу низкочастотного импульса или вручную, с помощью кнопки. Способ выбирается в зависимости от требований схемы. Если измеряется длительность одиночного импульса или интервал времени между двумя событиями (импульсами), то может быть выбран ручной сброс счетчиков.

Кроме перечисленных узлов, схема должна содержать входной формирователь, т.е. устройство, которое будет приводить уровень измеряемого сигнала к уровням ТТЛ-схем. При амплитуде входного сигнала в несколько вольт в качестве такого формирователя удобно использовать триггер Шмитта (микросхемы К155ТЛ1, ТЛ2).