книги из ГПНТБ / Ермолов Р.С. Цифровые частотомеры

из погрешности измерения периода и

погрешности

преобразо ­

вания.

Нетрудно

видеть

по

схеме, что

м а к с и м а л ь н а я

абсолютная

по­

грешность преобразования м о ж е т достигать величины

А п р = ± Л г т .

Тогда

м а к с и м а л ь н а я

относительная

погрешность

п р е о б р а з о в а н и я

Ynp = ±

NT/(TJ0)

= ± NT/{NfNT)

=

±

l/Nf.

(1-32)

И т а к ,

если

погрешность

дискретности

при

измерении

периода

уят=1/Мт,

то в ы р а ж е н и е

(1-31) принимает

вид:

7 , о = 1 / ( 7 д г 7 ^ о ) .

гц,

(1-33)

Пусть,

например,

7дг = 0,01%, у п Р = 0,1%

и

fo=10 7

то

7"0 =

= 1 сек.

К а к

видно

из рис. 1-10,

описанный

прибор

построен на

узлах,

типичных

д л я

цифровых

частотомеров .

Это

позволяет

выполнить

генераторов

/о и

То,

а т а к ж е

ключа

К могут

быть

использованы

соответствующие узлы цифрового измерителя периода ИП.

К

мо­

менту

н а ч а л а

преобразования отсчета

в единицах

периода в

отсчет

в

единицах

частоты

измеритель

периода

будет

свободен

и

его

узлы могут быть использованы д л я целей преобразования .

Кроме

того, в качестве счетчиков Сч2

и СчЗ могут быть использованы

соответствующие части делителей частоты измерителя

периода.

Устройство

ж е сравнения

кодов

УСр,

выполненное,

например, на

логических схемах, м о ж е т

быть очень

простым.

Недостатком

прибора

является

увеличенное

время

измерения .

О д н а к о

этот

недостаток

может

о к а з а т ь с я несущественным,

если

учесть

достоинства

схемы.

П р е ж д е

всего,

к а к

отмечалось,

схема

отличается

простотой.

К р о м е

того,

узлы

такого

прибора

могут

с

успехом

использоваться

в

составе

частотомера д л я решения

р я д а

з а д а ч ,

что

невозможно

в

рассмотренных

ранее

приборах .

Так, наличие счетчиков Сч1 и

Сч2,

м е ж д у которыми включено

устройство сравнения

кодов

УСр,

позволяет построить счетчик

со­

бытий

с

предустановленным

счетом. Д л я

этого

достаточно

в

при­

бор добавить

устройство

ввода

числа

в счетчик,

например

в

Сч2.

руемым

коэффициентом деления . Сочетание

этих ж е

узлов

позво­

л я е т осуществить деление некоторого числа

импульсов

на

з а д а н ­

ное число. К р о м е

того, рассмотренный

частотомер м о ж е т

исполь­

зоваться

в р е ж и м е

цифрового

к о м п а р а т о р а .

Все эти

возможности

прибора

д е л а ю т его особенно

удобным

д л я

использования

в со­

ставе информационно - измерительных систем,

а т а к ж е

в

исследо­

вательской практике .

примера рассмотрим

цифровой

следящий частотомер, разработанный в Пензен­

ском политехническом

институте

[10].

Каждая

из декад

включает

частотные

анализаторы

{ЧАЇ,

ЧА2

и ЧАЗ),

сдвигаю­

щий регистр

СРг,

который

управляет

индикаторами (И1, И2,

ИЗ)

и

ключами

К1—К9.

В младшей декаде

сдвигающий регистр отсутствует. Декады соеди­

няются между собой через смесители С/ и С2.

ЧД1—

Частотные

анализаторы

включают

в себя частотные

дискриминаторы

ЧД9 по

числу

единиц в декаде и корректирующие

дискриминаторы

ЧД10,

исклю­

Л- = (Л/т +

0 , 5 Д / ) - 1 0 - ' г Ч

(1-34)

где

і—порядковый

номер частотного

дискриминатора;

Л/ — дискретность

по

ча­

стоте в

старшей

декаде;

п — номер

оцениваемого разряда,

начиная

со

старшего;

/,• — порог срабатывания

1-го

частотного

дискриминатора.

Для младшей декады ЧАЗ пороги

срабатывания частотных

дискриминато­

ров определяются

выражением:

fi= Д / М ( Г П + 1 .

(1-35)

Источник

образцовых дискретных

частот

ИДЧ

должен

выдавать

N

образцо­

вых

частот,

причем

N=9(n—1).

Значения

частот

определяются

выражением

(1-35). Рассмотрим работу схемы на примере.

Пусть предел

измерения

равен

1 Мгц.

В

этом

случае

Af = 100

кгц

и

пороги

срабатывания

частотных

дискриминаторов

в

соответствии с

выражениями

(1-34),

(1-35) равны: 150, 250,

350

950

кгц

— для

старшей

декады

(ЧА1),

15,

25,

35, . . . , 95 кгц—

для средней декады

(ЧА2)

и

1, 2, 3,

9 кгц—для

младшей

декады

(ЧАЗ).

Порог срабатывания корректирующих дискриминаторов выбирается в преде­

лах

от

10Af - 10~ n + 1

до 2 0 A f - 1 0 - n + 1 . Таким

образом, порог

срабатывания

коррек­

тирующего дискриминатора

ЧД10

в

анализаторе

ЧА2

выбирается

в

пределах

100—200 кгц,

а в

анализаторе ЧАЗ

— в пределах

10—20 кгц.

Это

позволяет точно

не фиксировать

пороги

срабатывания,

а

задавать

их в

виде

полосы

частот

в пределах дискретности для данного разряда. Источник

образцовых

дискретных

частот ИДЧ

дложен обеспечивать частоты

100, 200,

300,

... , 900

кгц

и

10 20

30, , .. , 90 кгц.

кгц.

Пусть измеряемая частота равна,

например,

/* = 555

В

этом

случае

в частотном

анализаторе

ЧА1 срабатывает частотный дискриминатор, порог сраба­

тывания которого

близок

к измеряемой

частоте fx.

Таким

образом,

в

ЧА1

сраба­

вается ключ К5. С соответствующего выхода источника образцовых

дискретных

частот

ИДЧ

через ключ

К5 на вход

смесителя

С1

подается

частота,

равная

/о = 500

кгц.

Полученная

разность

частот f x —/„ = 55

кгц поступает

на

входы

частотного

анализатора

ЧА2, где

срабатывает

дискриминатор

ЧД5.

Далее

все

происходит

аналогично

изложенному

выше,

и

на

входы

анализатора

ЧАЗ

поступает с выхода смесителя С2 частота 5 кгц. В анализаторе

ЧАЗ

срабатывает

дискриминатор ЧД5. В результате

на индикаторах

будут высвечиваться цифры 5,

что образует отсчет 555 кгц.

Следует

отметить, что пороги

срабатывания

дискриминаторов

необходимо

задавать в

виде полосы

частот, равной примерно

дискретности на данном

раз­

значений, например ПО—210; 210—310 кгц

и т.

д. для

старшего разряда.

При

таком выборе

порогов

срабатывания возможны

срабатывания

дискриминаторов

с порядковым

номером,

соответствующим

правильному

отсчету

на данном

раз­

Пусть, например, в анализаторе ЧА1

при измерении

частоты

/*=515

кгц

сработал дискриминатор ЧД4. Тогда на

вход смесителя С1 будет подана образ­

цовая

частота /о = 400

кгц, и разностная

частота составит fx—

/ 0 = Ч 5

кгц.

Такая

частота, поступая на вход анализатора

ЧА2, приводит

к

срабатыванию

частот­

ного дискриминатора

ЧД10, у

которого

порог срабатывания лежит в пределах

от 100

до

200 кгц. Импульс с

выхода

этого дискриминатора

скорректирует

ре­

зультат

в

предыдущей декаде,

переместив

записанную

в

регистре

единицу

на

крывается ключ К5. После этого с выхода смесителя С1 на входы

анализатора

ЧА2 будет поступать разностная частота, равная

15 кгц. Далее

работа

происхо­

дит аналогично. При одновременном срабатывании двух частотных

дискримина­

торов происходит выключение

дискриминатора с

большим порядковым

номером

и сброс соответствующего ему

разряда сдвигающего регистра

в

нулевое со­

стояние.

дискриминатора ЧД1; 1,5—2,5 кгц для дискриминатора

ЧД2

и т. д.

В рассматриваемом частотомере отсчет, снимаемый

по

индикатору, пред­

Ч

а с т о т о м е ры номинальных

значений

и процентные предназна ­

чены

дл я точного измерения

частот в

некотором узком диапа ­

зоне.

Н а рис. 1-12 представлена

схема частотомера [11], который вы­

Вх

Вх

Ф

К

СчВ -*{^У"ПП

Ф

Сч

СУ

ГОЧ

СчВ

Рис. 1-12. Структурная

схема

час-

Рис.

1-13. Структурная

схема

часто-

тотомера

номинальных

значений

томера номинальных

значений

суммирующего счетчика Сч. Одновременно с этим импульсы

образ ­

цовой частоты /о от генератора

ГОЧ подаются на вход вычитаю­

щего счетчика

СчВ через нормально

открытый

ключ

К. К а к только

в суммирующем

счетчике

накопится

з а р а н е е

з а д а н н о е

число

Nit

с р а в н и в а ю щ е е

устройство

СУ з а к р ы в а е т

ключ

К,

и

импульсы

об­

разцовой

частоты

/о п р е к р а щ а ю т

поступать

на

вход

вычитающего

счетчика

СчВ.

Тх,

Таким

образом, если период

измеряемой частоты

то

счет

п р о д о л ж а е т с я

в течение

времени

Tx

=

N{Tx

= Nxlfx.

(1 - 36)

В вычитающем счетчике перед началом измерения

устанавли ­

вается постоянное

число

Л ^ = 2 Г 1 Н / 0

= 2 В Д / , Н ,

(1 - 37 )

где Г і н определяется

соотношением

( 1 - 3 6 )

при номинальном

зна­

чении частоты fx = fxa.

К концу измерения

в

вычитающем

счетчике

останется число

# я

= # 0 - 7 У о = # о - а д / , .

(1 - 38 )

где Tijo — число импульсов

с частотой следования

/о, которое

по­

ступает в СчВ з а время

Ті.

отклонениях fx

от fxn

Нетрудно

показать,

что

при

небольших

число Л'г соответствует

измеряемой частоте

fx=fxs±Afx-

С

учетом

импульсов, подсчитанное счетчиком, может равняться

отклонению

измеряемой частоты от номинального

значения

fXH

в

процентах.

Действительно,

зарегистрированное

счетчиком

число

импульсов

будет

N=

( Г 2

- Г О / о

=

^

^

-

= ^

=

А

^

-

(1-48)

' о

'

о

Пусть ki = fxlIk2T0,

тогда

N =

= k2T0-fxak2T0Tx

^ k t

( l

_ f x * \

=

k 3

fx-fx*

= f e a ^ / j L .

(1-49)

To

\

fx

I

fx

fx

Если

£ 2 = 100, то показание

счетчика

численно

равно

отклоне­

нию

от номинального

значения

в процентах.

Причем,

ка к

видно

из (1-49), отклонение частоты

относится не к

номинальному

зна­

чению, а к измеряемому . Это

вносит

методическую

погрешность,

определяемую аналогично тому,

ка к это было

сделано

выше.

1-6. Измерение

отношения

частот

Очень часто на практике оказывается полезным измерять не

абсолютные значения частот, а относительное значение

некоторых

двух частот. Обычный цифровой частотомер средних

значений

может быть легко трансформирован в измеритель отношения

двух

частот. Действительно,

з а д а в а я

интервал времени Т0 (1-1),

в

тече­

ние

которого подсчитывается

число периодов

измеряемой

частоты,

в виде

Т0 = пТ2,

(1-50)

где

7"2 =

1 //2 — период

колебаний

второго

из сравниваемых

сигна­

лов;

п= I0h; k = 0, 1, 2, 3, . . ., получаем

m = nT2f1

= nf1/f2,

(1-51)

где fi — первая из сравниваемых

частот.

Д л я

реализации измерителя

отношения

частот

на базе

цифро­

частоты

(рис. 1-3) вместо

образцовой

частоты /о

от

генератора

ГОЧ подключить

вторую

из

сравниваемых частот

f2-

Частота /і

при

этом

подается на вход fx.

Значение

коэффициента

п,

указы ­

вающего

порядок

отношения

частот, а

тем самым

и предел

изме­

рения, задается

выбором

соответствующего

выхода

с

делителя

частоты

точно та к ж е , ка к и

при измерении

абсолютного

значе­

ния

частоты.

числа периодов Ті первой из сравниваемых

При подсчете

частот

за

время

пТ2 из-за отсутствия

синхронизации

частот /ч и

/ 2

появ­

= ± 1 единица счета. Таким образом,

м а к с и м а л ь н а я относительная

погрешность

дискретности

при

измерении

отношения

двух

частот

у д 0

=

+ \lm=±hl{nh).

(1-52)

Кроме

погрешности

дискретности,

при

измерении отношения

двух

частот

появляется

с о с т а в л я ю щ а я

погрешности,

обусловлен­

ная

з а д е р ж к о й распространения

сигнала

в делителе частоты. Абсо­

лютное

значение

этой

составляющей

погрешности

А 3 = + й т д / і .

Тогда

относительная

погрешность,

обусловленная

з а д е р ж к а м и

в делителе частоты,

составит

Т з = =

Ыг

=

t

(1-53)

Л/1//2

"

где

т д

— з а д е р ж к а

распространения

на

одну декаду

делителя

ча­

стоты.

С у м м а р н а я

погрешность измерителя

отношения

частоты

определяется

выражением:

если

все

декады

делителя

частоты

одинаковы,

или

Yo = ^

±

^ .

(1-55)

k

п

nfi

где

т д е

л = 2 Т Д

/ '

i = l , 2,

3 , . . . , если

декады

делителя

частоты

раз ­

личны.

1-7.

Автоматизация выбора

пределов

измерения

зонов, то можно сформулировать способ автоматического

выбора

пределов при

измерении

частоты [14], з а к л ю ч а ю щ и й с я

в

подсчете

числа периодов измеряемой частоты за интервал времени

выбора

предела

Г в ы б

и сравнении полученного

числа

с предельными чис­

лами дл я каждого из

поддиапазонов,

после

чего

производится

установка предела измерения в зависимости от результата

сравне­

ния. П о д предельным числом і-го поддиапазона

и,

подразуме ­

вается

число

импульсов,

зарегистрированное

счетчиком

в

течение

можных на данном поддиапазоне

значений

Щ = Твыб!х1.

(1-56)

В результате сравнения выбирается тот предел измерения, дл я

которого

справедливы следующие

условия:

Щ — Л г > 0 ;

щ — N =

min,

(1-57)

где N — число импульсов, подсчитанное

счетчиком

за время Г в ь ,б .

Ц и ф р о в ы е преобразователи

частоты с автоматическим выбором

пределов

м о ж н о разделить на

две группы: 1)

преобразователи

временным выбором предела.

В преобразователях с предварительным выбором

предела

вы­

бор необходимого предела измерения

осуществляется

до

начала

процесса измерения. П о команде «Запуск» преобразователь

начи­

нает работать . П р и этом импульсы,

соответствующие

началу

пе­

мени

ГВ ыб

на счетчик. Д а л е е

производится сравнение

полученного

числа

импульсов с

предельными д л я

к а ж д о г о

поддиапазона чис­

л а м и ,

и по результату сравнения устанавливается

образцовый

интервал

времени,

соответствующий

необходимому

поддиапазону

частот. После этого начинается второй этап работы

преобразова ­

теля — измерение.

Нетрудно

заметить, что

недостатком

такой

схемы

преобразователя является увеличение времени измерения.

В

преобразователях частоты с одновременным выбором

преде­

симости от

предела. Н а

рис. 1-15 приведена структурная схема,

построенная

по первому

способу.

периодов

измеряемой

частоты. В процессе выбора предела

схемы

сравнения

Cpl

и Ср2

открыты напряжением с единичного выхода

триггера

Тг4.

Входы

схем сравнения подключены к р а з р я д а м

счет­

чика, с о с т а в л я ю щ и м

предельные числа n t и п%.

разцовому интервалу дл я

3-го предела

Гоз. После

появления им­

пульса с выхода делителя

частоты Г 0 3

триггер Тг4,

находившийся

руя тем самым

схемы

сравнения Cpl и

Ср2.

Если

за

время Т0з

в счетчике

Сч

будет

набрано

число,

меньшее предельного

дл я

1-го предела, то импульс

на вход счетчика пределов,

собранного

на триггерах Тг2 и ТгЗ, не поступит, и

он

останется

в

исходном

состоянии. Это

соответствует 1-му пределу, в

результате

чего

ока­

зывается подготовленной к работе схема совпадения

Сп5,

через

которую на сброс триггера Тг1 поступит импульс с выхода

дели­

теля Гоь Если ж е

за время

Гоз в счетчике Сч будет

н а б р а н о число,

большее пъ

то

на

выходе

схем

сравнения

Cpl

и

Ср2

последова-

ответствовать 3-му пределу,

и при этом будет подготовлена к ра­

боте схема совпадения СпЗ.

Вх

Вых.

ф

Сп1

Сч

интервал

времени

1х.

ф

Сп1

Сч

• Вых.

'

m—ггг

Ср1 ' Щ 1

VTrS

I

Тг1

ц=л

I

р!

v r -

t u СІЇ

Сброс

\ 1

СпЗ

1

общий

Тг2

ТгЗ

7rk

ТЕ

Г0Ч\

СМ

4И_