3. Циу с квантованием по времени

К таким ЦИУ относятся частотомеры, периодомеры, измерители длительности импульсов и фазометры.

3.1. Цифровые частотомеры

Цифровые частотомеры относятся к приборам прямого преобразования и подразделяются на частотомеры непрерывного преобразования и частотомеры циклического преобразования. Последние, в свою очередь, делятся на частотомеры средних значений, частотомеры мгновенных значений и процентные частотомеры.

3.1.1. Частотомер непрерывного преобразования

Обобщенная структурная схема такого частотомера представлена на рис. 3.1.

Рис 3.1. Структурная схема частотомера непрерывного преобразования

На рисунке обозначено: ВФ – входной формирователь; РСИ – реверсивный счетчик импульсов; Т₀ – цифровой блок задержки.

Принцип действия такого частотомера следующий: на суммирующий вход РСИ, который предварительно сброшен при включении питания, с выхода ВФ начинает поступать сигнал измеряемой частоты f_X, который увеличивает значение РСИ. Этот же сигнал поступает на блок задержки и спустя время задержки T₀ приходит на вычитающий вход РСИ. Таким образом, содержимое счетчика будет меняться по следующему закону:

Это и есть уравнение преобразования такого частотомера.

Достоинства частотомера непрерывного действия

1. Малое время преобразования.

2. Простота схемы.

Недостатки частотомера непрерывного действия

1. Если частота входного сигнала меняется, то время измерения его становится сопоставимым со временем измерения частотомера среднего значения, т.к. задержка Т₀ определяется из условия

2. Поскольку это прибор непрерывного действия, то все сбои в работе РСИ будут накапливаться, приводя к погрешности, которую невозможно учесть. Поэтому в практическом исполнении такие частотомеры необходимо снабжать БУ, который будет периодически сбрасывать РСИ и счетчики цифрового блока задержки.

3. Если входной сигнал по каким-либо причинам имеет девиацию относительно основной частоты, то есть f_X = f_X0  f_X, то данный частотомер не пригоден для использования, так как выполняет функцию интегрирования за бесконечный промежуток времени с вычитанием двух интегралов. Следовательно, влияние f_X невозможно устранить, подобрав соответствующее время измерения, как это можно сделать в частотомерах средних значений.

3.1.2. Цифровой частотомер средних значений

Данный прибор предназначен для преобразования средней частоты f_X входного сигнала за время преобразования T₀ в цифровой код N_X.

Обобщенная структурная схема частотомера средних значений (ЧСЗ) представлена на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Обобщенная структурная схема ЧСЗ

На рисунке обозначено: ВФ – входной формирователь, предназначенный для формирования на своем выходе импульсов прямоугольной формы с параметрами, обеспечивающими надежную работу цифровой части схемы. Частота этих импульсов равна частоте входного сигнала; С – селектор импульсов, пропускающий на выход импульсы, поданные на один из его входов, при наличии разрешающих сигналов, поданных на другие его входы; ГОЧ – генератор образцовой частоты, вырабатывающий импульсы, период которых равен времени преобразования T₀. Схема ГОЧ снабжается делителем частоты на два. Таким образом, длительность каждого импульса, поступающего на селектор с выхода ГОЧ, равна времени преобразования, т.е. T₀; БУ – блок управления, вырабатывающий сигналы, необходимые для управления измерительной процедурой прибора; СИ – счетчик импульсов, подсчитывающий количество прошедших с выхода селектора импульсов частоты f_X за время T₀; ЦОУ – цифровое отчетное устройство, в простейшем случае дешифратор с подключенным к нему индикатором.

Работа структуры осуществляется следующим образом. При отсутствии сигнала "запрет" от БУ разрешается работа ГОЧ. При этом предварительно на селектор подается разрешающий сигнал "строб". Как только на выходе ГОЧ появится импульс T₀, импульсы с выхода ВФ поступают на СИ, который преобразовывает их число в цифровой код N_X.

Задний фронт импульса T₀ служит для БУ сигналом "конец измерения", БУ снимает сигнал "строб" и подает на ГОЧ сигнал "запрет", который сбрасывает все имеющиеся в схеме ГОЧ делители частоты и удерживает их в этом состоянии на время, требующееся для считывания показаний с индикаторов ЦОУ. Это время называется временем индикации. Оно отсчитывается, как правило, микросхемой одновибратора, входящего в состав БУ.

По окончании времени индикации БУ выдает на СИ короткий импульс "сброс", устанавливает сигнал "строб" и снимает сигнал "запрет". Далее повторяется описанный выше процесс.

Принцип расчета такого частотомера сводится к определению времени измерения T₀ и емкости счетчика N_Xmax. Это то, что можно сделать на структурном уровне. Расчет ведется из предположения, что схема имеет лишь две составляющие погрешности: _КВ – погрешность квантования, _ГОЧ – погрешность от неточности и нестабильности частоты ГОЧ.

Прежде всего необходимо определить время преобразования T₀ . Для этого общую погрешность _, равную _ = _КВ + _ГОЧ, предварительно разбивают на составляющие так: _КВ  0,9_; _ГОЧ  0,1_.

В ряде случаев принимают, что _КВ = _, и пренебрегают погрешностью _ГОЧ. Для определения точного значения _КВ пользуются формулой

,

в которую подставляют заданные значения f_Xmax и _КВ.

Абсолютное значение _КВ выбирается равным 10ⁿ, где n – целое число или нуль. При этом _КВ выбирается меньшим или равным расчетному значению.

Выбранное значение ^'_КВ подставляется в формулу

После того как определено истинное значение погрешности квантования _КВ, корректируется значение погрешности _ГОЧ:

_ГОЧ = _ – _КВ.

Емкость счетчика СИ определяется по формуле

.

По этому значению находится число декад СИ:

n = Ent[lg(N₀)].

Время преобразования T₀ определяется по формуле

.

Отсюда частота ГОЧ

.

В качестве примера рассмотрим работу функциональной схемы 4-предельного ЧСЗ, приведенную на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Функциональная схема 4-предельного ЧСЗ

Предел измерения (время измерения Т₀) выбирается с помощью ключа S1 подключением соответствующего выхода (Т₀₁ – Т₀₄) к тактовому входу триггера DD1.1.

В результате сигнал с частотой поступает на вход "С" триггераDD1.1. Первым импульсом этого сигнала триггер устанавливается в "1", разрешая прохождение импульсов fx с выхода ВФ через селектор DD2 на счетчик СТ. По второму импульсу f_0i триггер DD1.1 сбрасывается, селектор закрывается, и импульсы на счетчик не идут. При этом на его выходе зафиксирован код: Nx=f_X T_0i.

При сбросе триггера DD1.1 на его инверсном выходе формируется перепад из "0" в "1", по которому:

1) код N_X c выхода СТ переписывается в регистр "RG", с выхода которого поступает на дешифратор Дш и в виде десятичного числа отображается на индикаторе;

2) устанавливается в "1" триггер DD1.2, с прямого выхода которого на ГОЧ делители частоты 1, 2, 3 и счетчик СТ идет сигнал "сброс".

Этот сигнал удерживает в нулевом состоянии счетчик "СТ", три делителя частоты и выход ГОЧ, на время _СБР = R₂  C₂ . В принципе, это время может служить временем индикации. Зачастую, если частота f_X не меняется быстро, этого времени не требуется, т.к. данные в регистре сохраняются от конца предыдущего до конца следующего измерения, т.е. в течение времени 2/T_0i , чего чаще всего достаточно для считывания показаний.

По окончании времени _сбр сигнал "0" с инверсного выхода DD1.2 поступит на его R вход. При этом на прямом выходе этого триггера устанавливается "0", разрешающий работу счетчику СТ, делителям частоты и ГОЧ. Далее повторится описанный выше процесс преобразования.

Коэффициенты деления ДЧ1 – ДЧ3 задаются, как правило, следующим образом: К_ДЧ1 = 10, К_ДЧ2 = 100, К_ДЧ3 = 1000. Это определяется соотношением времени преобразования T_0i между собой.

Достоинства ЧСЗ

1. Высокая точность измерения в области средних и высоких частот.

2. Малое число источников погрешностей.

3. Возможность получения результата измерения, инвариантного к девиации частоты входного сигнала.

Недостатки ЧСЗ

1. Большое время преобразования в области низких частот.

2. Большая динамическая погрешность при измерении изменяющейся во времени частоты.

Примечание. Если требуется измерить низкую частоту за малое время, следует использовать схему частотомера мгновенных значений, т.е. производить измерение периода сигнала и цифровое преобразование (например, табличное) кода периода N_Tx в код частоты N_fx. Для этого можно использовать микросхемы ПЗУ, на адресные входы которых поступает код N_Tx, а в соответствующих ячейках памяти расположен код N_fx, появляющийся на выходах данных ПЗУ. При этом емкость счетчика определяется выражением

N₀ = f_Xmini T_0i,

где f_Xmini – минимальная измеряемая частота на i-том пределе измерения; T_0i – время измерения на i-том пределе измерения.