7.3 Измерения временных характеристик сигналов

7.3.1 Измерение периода электромагнитных колебаний

Схема измерения периода электромагнитных колебаний и временные диаграммы, поясняющие принцип ее работы, изображены на рис. 7.9.

Рис. 7.9. К измерению периода электромагнитных колебаний

Как видно из рис. 7.9, а, исследуемый сигнал подается на входное устройство и с него – на формирующее устройство ФУ. ФУ преобразует его в прямоугольные импульсы, которые воздействуют на устройство управления УУ. УУ формирует прямоугольный импульс, длительность которого равна периоду исследуемого сигнала. Данный импульс открывает временной селектор ВС и через него начинают проходить так называемые счетные импульсы или метки времени. Метки времени получаются из напряжения кварцевого генератора Гкв. путем их умножения в умножителе частоты УЧ. Время счета при этом будет равно периоду повторения исследуемого сигнала Тх. Если через ВС на счетчик ЭСч прошло N меток времени при частоте кварцевого генератора fкв, то измеряемый период будет равен

Тх = N/ fкв (7.13)

или измеренная частота будет равна

fх = fкв/N (7.14)

Относительная погрешность измерения периода определится по формулам

(7.15)

или

(7.16)

или

δfx = = (7.17)

Из этих формул следует, что измерение периода вместо частоты целесообразно только тогда, когда на счетчик за время счета, равное измеряемому периоду Тх, поступает большое число меток времени, т.е. когда частота кварцевого генератора намного больше частоты измеряемого сигнала fкв » fх. Для выполнения этого условия и служит умножитель частоты УЧ с коэффициентом умножения 10^m. После умножения частоты кварц формула (7.14) примет вид

fх = 10^m fкв/N,

а формула (7.17) –

δfx = (7.18)

7.3.2 Измерение интервалов времени

Интервал времени (Δtx) – это время между моментами двух последовательных событий. На практике приходится измерять как очень малые так и очень большие интервалы времени (единицы пикосекунд – сотни секунд). Кроме того, интервалы времени могут быть и однократными.

Измерение интервалов времени может производиться с помощью цифровых частотомеров, которые обеспечивают их измерение в пределах от 10^-7 до 10^-5 с. Принцип измерения интервалов времени можно пояснить с помощью схемы, изображенной на рис.7.10.

Рис. 7.10. Схема измерения интервалов времени

Работает такая схема следующим образом. Напряжение Ux, интервал времени между определенными точками которого необходимо измерить, подается на вход 1 и с него на входное устройство 1 и 2. Входные устройства вместе с формирующими устройствами вырабатывают опорный (старт) и интервальный (стоп) импульсы, которые фиксируют начало и конец измеряемого интервала времени Δtx. Выбор характерных точек на исследуемом напряжении осуществляется изменением уровней напряжений, подаваемых на формирующие устройства. В свою очередь, импульсы, воздействуя на устройство управления, определяют время счета Тс кратковременных импульсов, формируемых из напряжения образцового генератора. Возможности применения цифровых частотомеров ограничены погрешностью дискретности. Высокая точность измерения имеет место лишь при условии Δtx » То,

где То – период импульсов образцового генератора.

Погрешность может быть снижена путем увеличения времени счета, что нельзя делать до бесконечности. В случае измерения параметров однократных импульсов этот путь неприменим. Поэтому в измерителях интервалов времени применяют дополнительные способы расширения рабочего диапазона в сторону малых значений. Основным из них является нониусный. Этот способ позволяет снизить погрешность дискретности, которая становится недопустимо большой при измерении коротких (десятки наносекунд) интервалов времени. Структурная схема, реализующая нониусный метод измерения временных интервалов, и временные диаграммы изображены на рис. 7.11.

Входные сигналы u1 и u2подаются на формирующие устройства, которые при этом вырабатывают два импульса (опорный и интервальный), соответствующие началу и концу интервала измерения Тх. Опорный импульс запускает основной генератор счетных импульсов (с периодам То) и одновременно через триггер запускает селекторный каскад 1. С этого момента начинается счет импульсов основного генератора. После прихода интервального импульса триггер закрывает селекторный каскад 1. Счетчик фиксирует при этом целое число импульсов Nx, пропорциональных временному интервалу Тх. Очевидно, что значение измеряемого интервала можно представить в виде

Тх = Nx То + Δt, (7.19)

где Δt – погрешность дискретности.

Для исключения дискретности интервальный импульс одновременно с закрытием временного селектора 1 запускает генератор нониусных импульсов и открывает селекторный каскад 2. В результате начинается счет нониусных импульсов. которые вместе с основными счетными импульсами поступаю на схему совпадений

Рис. 7.11. Нониусный способ измерения интервалов времени

Так как период следования нониусных импульсов выбран из условия

Тн = To, то спустя некоторое время произойдет совпадение импульсов нониусного и основного генераторов. При этом сработает схема совпадений, и ее импульс сброса зафиксирует число импульсов nx, поступивших на нониусный счетчик и вернет всю схему в исходное состояние. Зная число nx, погрешность дискретизации определим из следующего соотношения

Δt = nx To – nx Тн = nx To – nx To = (7.20)

Следовательно, результат измерения интервала времени

Тх = (Nx + )То (7.21)

Показания счетчиков объединяются в отсчетном устройстве. При этом Nx фиксируют в старших разрядах, а nx – в младших.