22 Измерительные преобразователи интервалов времени в цифровой код

Типовая структурная схема преобразователя

Типовая структурная схема преобразователя представлена на рисунке 4.1. Она содержит функциональные узлы, уже описанные выше. В связи с этим охарактеризуем схему (см. рисунок 1), рассмотрев ее работу в режиме преобразования частоты в цифровой код.

Преобразование частоты

При преобразовании f_x сигнал подается на вход 1, а блок образцовой частоты (БОЧ) подключается к формирующему устройству (ФУ2). Формирующие устройства ФУ1 и ФУ2 необходимы для преобразования гармонических сигналов в короткие импульсы, соответствующие моментам перехода сигналов через нуль в одну сторону. Благодаря этому образуются периодическая последовательность импульсов с периодом T_Х ФУ1, которые удобно считать при измерении f_Х, и импульсы, с помощью которых ФУ2 формирует интервал времени T_И (метки времени). В качестве БОЧ применяется кварцевый генератор с системой делителей и умножителей частоты, позволяющих выбрать требуемый коэффициент деления или умножения при формировании T_И. Само формирование T_И осуществляется с помощью устройства управления (УУ). Управление работой преобразователя может быть ручным или автоматическим.

Р исунок 1 - Типовая структурная схема преобразователя

Процесс преобразования наглядно поясняется временными диаграммами, приведенными на рисунке 2. Импульсы U₁ поступают на вход селектора, который открыт во время действия напряжения U₃, сформированного из колебаний БОЧ U₂. Это напряжение может иметь вид прямоугольного импульса длительностью T_И, называемого стробирующим импульсом (строб-импульсом) или меткой времени.

Р исунок 2 - Временные диаграммы, характеризующие работу преобразователя частоты в цифровой код

Таким образом, счетчик фиксирует число импульсов N (диаграмма U₄), связанное с T_Х и T_И очевидным соотношением

Т_И = N T_Х,

Откуда

Преобразование интервалов времени

При преобразовании Δt_Х необходимо сформировать опорный (старт) и интервальный (стоп) импульсы, которые фиксируют интервал времени измерения. Эти импульсы формируются с помощью ФУ3 и ФУ4, включенных на входах 3 и 4 цифрового преобразователя. Счету подвергаются импульсы, сформированные по аналогии с режимом измерения T_Х.

Основные параметры преобразователей

Номенклатура параметров ЦЧ соответствует комплексу общих параметров СИ. Специальные пояснения необходимо сделать только в отношении погрешностей измерения f_Х, T_Х, f₁/f₂ и Δt_Х, так как они характеризуют возможности преобразователя в каждом из рассмотренных режимов работы и позволяют уточнить принципиальные особенности, имеющие место при преобразовании низких и высоких частот в цифровой код.

Относительная погрешность преобразования f_Х нормируется величиной

, (5)

где δ₀ = k10ⁿ  составляющая, определяемая относительной погрешностью по частоте опорного генератора БОЧ, причем k = 1,0; 1,5; 2,0; 2,5 или 5,0, а n = = -4, -5 и т.д.

Значение δ₀ должно нормироваться для интервалов времени из следующего ряда: 10, 15, 80 мин; 1, 2, 8, 24 ч; 10, 15, 30 сут; 6 и 12 мес.

Второе слагаемое в формуле (4.5) характеризует погрешность дискретности. Действительно, абсолютное значение этой погрешности нормируется в общем случае как ±1 младшего разряда счета, т.е. относительное значение, определяемое как 1/N, оказывается равным, согласно (4.1), второму слагаемому в формуле (4.5). Возникновение погрешности дискретности иллюстрируется рисунком 4.2 и обусловлено несинфазностью сигналов U_x и U₂. При T_И = const эта погрешность обратно пропорциональна f_Х, т.е. точное преобразование низких частот сопряжено с ростом T_И. В ряде случаев требуемое значение T_И может оказаться непомерно большим. Например, преобразование частоты f_Х = 10 Гц с погрешностью дискретности 10^-5 требует, согласно (4.5), значения T_И = 10⁴ с, что нереально. На высоких частотах эта погрешность уменьшается, но возникают другие факторы, ограничивающие максимальное значение f_Х.

Относительная погрешность преобразования T_Х нормируется отдельно для гармонического и импульсного сигналов. В качестве примера рассмотрим импульсный сигнал, для которого с учетом (4.5)

. (6)

Второе слагаемое в формуле (4.6) также характеризует погрешность дискретности и определяет границы измеряемых с требуемой точностью значений T_Х. Эта же формула справедлива для оценки относительной погрешности измерения Δt_Х, но в случае, если Δt_Х - длительность импульса, появляется дополнительная составляющая δ_Δt, обусловленная крутизной фронта и спада импульса.

Относительная погрешность измерения f₁/f₂ не содержит в отличие от формул (4.5) и (4.6) составляющей δ₀, так как БОЧ в этом режиме исключается из работы. Если при измерении f₁/f₂ производится усреднение результатов измерений, то в соответствии с (4.5) и (4.6)

.