3.3.3. Использование нониусного метода для измерения длительности импульсов

Одним из наиболее распространенных способов измерения длительности коротких одиночных импульсов является нониусный метод. При этом в схему измерителя длительности вводится дополнительный нониусный генератор, для которого должно выполняться соотношение

где f_ОГ – частота основного генератора; f_НГ – частота нониусного генератора.

Выполнение условия f_ОГ/f_НГ = 0,9 равносильно введено в преобразование одной дополнительной декады. Следовательно, частоту основного генератора можно уменьшить в 10 раз по сравнению с частотой, рассчитанной для заданной погрешности квантования при использовании прямого метода.

Использование соотношения f_ОГ/f_НГ = 0,99 равносильно уменьшению частоты ГОЧ в 100 раз.

Вариант структурной схемы нониусного ЦИДИ приведен на рис. 3.12.

Работа схемы осуществляется следующим образом. По переднему фронту импульса _X с выхода ВФ разрешается работа селектора С. Если нет сигнала "запрет" с выхода блока управления БУ, импульсы ГОЧ частотой f_ОГ проходят через селектор на счетчик импульсов СИ1 и подсчитываются этим счетчиком.

Рис. 3.12. Структурная схема нониусного ЦИДИ

По заднему фронту импульса с выхода ВФ блок управления подает на селектор сигнал "запрет", а на регистр PГ1 посылает импульс "запись 1". По этому же заднему фронту импульса _X запускается нониусный генератор НГ, и импульсы частоты f_НГ проходят на схему совпадения СС, а также подсчитываются счетчиком импульсов СИ2. Как только фазы сигналов f_ОГ и f_НГ совпали, схема совпадения выдает на НГ короткий импульс "стоп". Этот импульс останавливает работу НГ и записывает данные с выхода СИ2 в PГ1 (сигнал "запись 2"). Данный сигнал служит для БУ признаком конца измерения. В ответ на него БУ сбрасывает счетчики СИ1 и СИ2, приводя схему в состояние готовности к измерению. На ЦОУ будут отображаться данные по основным и нониусным измерительным декадам.

Как только БУ снимет сигнал "запрет", процесс измерения будет повторен для следующего же импульса t_X.

Примечание. Для практической реализации нониусного ЦИДИ необходимо, чтобы импульсы с выходов ГОЧ и НГ были как можно короче. Поэтому включение каждого из генераторов следует производить, например, по схеме, приведенной на рис. 3.13.

Рис. 3.13. Выходные элементы ГОЧ и НГ

Длительность выходных импульсов этих триггеров равна времени задержки распространения сигналов по R-входу триггеров. Чем больше быстродействие триггеров, тем лучше, тем точнее работает схема совпадения.

Погрешности и методика расчета нониусного ЦИДИ такая же, как и для измерителя длительности, рассмотренного в п. 3.3.1.

3.3.4. Аналого-цифровой измеритель длительности одиночных импульсов

Принцип действия такого прибора заключается в преобразовании входного сигнала в напряжение, максимальное значение которого прямо пропорционально длительности входного импульса.

Структурная схема аналого-цифрового измерителя длительности импульсов (АЦИДИ) приведена на рис. 3.14.

Рис. 3.14. Структурная схема АЦИДИ

На рисунке обозначено: КАИ – калибратор амплитуды импульса. Представляет собой схему коммутатора, которая подключает напряжение U₀₁ к входу интегратора на время _X; ТЗ – триггер запрета. Запрещает работу схемы КАИ на время индикации показаний; И – интегратор. Преобразует напряжение U₀₁ на входе в линейно изменяющееся напряжение U_X, максимальное значение которого прямо пропорционально _X; ПД – пиковый детектор. Схема фиксирования максимального значения U_X к моменту окончания импульса _X; РГ – регистр результата; ФЗФ – формирователь импульса, работающий по заднему фронту. Производит запуск АЦП по заднему фронту импульса _X; ИОН – источник опорных напряжений U₀₁, U₀₂.

Работа схемы осуществляется следующим образом. По приходу переднего фронта импульса _X, КАИ подключает напряжение U₀₁ к входу интегратора, и на его выходе формируется линейно нарастающее напряжение U_X. Оно же повторяется и на выходе ПД.

По заднему фронту импульса _X на выходе КАИ устанавливается нуль. Схема ТЗ при этом установит сигнал "запрет", чтобы в процессе аналого-цифрового преобразования и индикации входной сигнал не произвел запуск схемы до завершения преобразования.

По заднему фронту импульса с выхода КАИ ФЗФ подает на АЦП сигнал "запуск". На выходе ПД в момент окончания импульса _X зафиксируется напряжение U_Xmax. Это напряжение преобразуется в цифровой код N_X = f(U_Xmax).

По окончании преобразования АЦП выдает сигнал "готов", по которому код N_X записывается в регистр РГ (сигнал "запись), а также происходят сброс ПД и разряд конденсатора в интеграторе (сигнал "сброс"). Сигнал "готов" поступает на ТЗ, который снимает сигнал "запрет". После этого схема готова к приему следующего входного импульса.

Вывод уравнения преобразования

Напряжение на выходе интегратора описывается выражением

Результат преобразования (код N_X) связан с выходным напряжением интегратора, а следовательно, ПД выражением

,

где n – разрядность АЦП.

Подставляя выражение для U_X в последнюю формулу, получим

,

где ₀ – постоянная времени интегратора; U₀₂ – опорное напряжение АЦП.

Если применить в схеме АЦП, имеющий внутри собственный источник опорного напряжения, или опорное напряжение на КАИ и АЦП подать одно и то же (U₀₁ = U₀₂), то на его выходе в конце преобразования будет присутствовать код

,

то есть схема будет обеспечивать логометрический способ измерения, и точность ИОН не окажет влияния на ее работу.

Достоинства АЦИДИ

1. Потенциально высокое быстродействие.

2. Сравнительно простая реализация.

Недостатки АЦИДИ

1. Необходимо очень точно подбирать постоянную времени интегратора ₀.

2. Существенное влияние аддитивных составляющих погрешностей КАИ, интегратора, ПД.

3. Необходимость использования быстродействующих аналоговых элементов (КАИ, интегратор, ПД, АЦП), что существенно увеличивает стоимость прибора.

В этой схеме максимальная длительность измеряемого импульса ограничена погрешностью интегратора

,

где k₀ – собственный коэффициент усиления ОУ интегратора; ₀ – постоянная времени интегратора.

Для обеспечения достоверности выходного кода следует выбрать

,

где _Xmax – предел измерения; k – любое целое число или нуль.

Так как k – чаще всего отрицательное число, то получается ₀ << _Xmax. Следовательно, погрешность _лИ может быть большой, а значит, коэффициент усиления k₀ ОУ должен быть очень большим, что не всегда возможно для быстродействующих ОУ.

Погрешности АЦИДИ

1. Погрешность квантования АЦП

.

2. Погрешность линейности АЦП

,

где _L – абсолютная погрешность линейности АЦП (паспортный параметр для интегральных АЦП).

3. Погрешность от дифференциальной нелинейности АЦП

,

где _LD – абсолютная погрешность от дифференциальной нелинейности АЦП (паспортный параметр для интегральных АЦП).

4. Погрешность от ЭДС смещения нуля е_0АЦП АЦП

,

где U_Xmax – максимальное выходное напряжение интегратора.

5. Погрешность от ЭДС смещения нуля е_0И интегратора

.

6. Погрешность от входных токов i_BX интегратора

,

где R – сопротивление резистора времязадающей цепи интегратора.

7. Погрешность линейности интегратора

8. Погрешности от неточности и нестабильности элементов времязадающей цепи интегратора.