книги из ГПНТБ / Ермолов Р.С. Цифровые частотомеры

с выходов Гоз и

Тог поступают

на один из входов схем

совпадения

СпЗ,

Сп4

соответственно. В исходном состоянии схемы

СпЗ и

Сп4

закрыты,

так как выходное

напряжение схемы сравнения

Cpl

равно нулю, что соответствует включению первого предела.

И м ­

пульс

с

выхода

делителя частоты Т м непосредственно

поступает

ществляется сброс триггера Тгі

в

исходное

состояние.

Схема

сравнения

выполняет

операцию

установления неравен­

ства N>n,

где

n = T0ifxmini.

(1-58)

Как следует из (1-58), при выбранных

значениях частоты

и

времени

определения

предела для

к а ж д о г о

из поддиапазонов

их

вому отсчету на

к а ж д о м из

поддиапазонов.

Вместо схемы

сравнения

Cpl

(N>n)

может

быть

использовано

устройство, состоящее из схемы сравнения Ср2,

устанавливающей

равенство

N = n,

и триггера

Тг5

(на рис.

1-16 показаны штриховой

линией) .

Если

и з м е р я е м а я частота находится

в третьем

поддиапазоне,

число

N = n, и

на выходе

схемы сравнения Cpl

появится

сигнал,

который разблокирует

схемы совпадения

СпЗ

и

Сп4. К а к

только

после

этого на

выходе

Т03

появится

импульс,

он пройдет

через

схему

совпадения СпЗ

на один из входов собирательной схемы

С61,

через

которую

триггер

Тг1

вернется

в

исходное

состояние.

При

остаются в исходном состоянии, которое указывает

предел.

Если fx

находится

во 2-м или 1-м

поддиапазонах,

то к

моменту

появления импульса на выходе делителя

частоты Гоз

в

счетчике

будет

набрано

число

N<n,

и сигнал

на

выходе

Cpl

отсутствует,

отчего

останутся заблокированными схемы совпадения

СпЗ и Сп4,

т. е. измерение

будет

продолжаться .

Импульс

ж е ,

появившийся

на выходе

7"03,

переключает

триггер Jz2,

который

до

конца

измере­

Если к

моменту появления

импульса

на выходе

делителя

Т02

в счетчике

будет

набрано число

N>n,

то сигналом

от

Cpl

схема

совпадения

Сп4

открывается,

и

поэтому

импульсом

с

выхода

Т02

измерение

закончится. Этот

ж е

импульс

переключит

триггер

ТгЗ,

что будет

соответствовать 2-му поддиапазону.

Т02

Если к

моменту появления импульса на выходе

в счетчике

Сч будет набрано число N<n,

то останется подключенным

1-й

пре­

дел. Импульс с выхода Т0І

закончит

измерение. При

этом

на вход

стояние,

что

соответствует 1-му пределу. К а к следует

из изложен ­

ного, в

схеме

на

рис. 1-16 при определении предела

используется

не фиксированный

временной интервал, а переменный,

равный для

к а ж д о г о

предела

соответствующему образцовому .

никает

з а д а ч а

счета числа некоторых событий (например, количе­

ство изделий,

выходящих с конвейера,

дозирование

изделий на

определенных

этапах

технологического процесса, счет элементар ­

ных частиц в ядерной

физике и т. п.).

Эта

з а д а ч а

весьма просто может

быть решена

с помощью

зволяет

подсчитывать

число

событий,

представленных

в

виде

импульсов

напряжения .

Д л я этого

достаточно

предусмотреть

в устройстве

управления

частотомера

возможность подачи

сигнала

Вых. I

BX.I

ф

Сп!

Сч

Сброс

УЗ

Тг

Ср

Спч У+- Вых. її

ЗВ

Сб

Рг

Сп2

СпЗ

~^Сброс]^

£

2п

Smon

Вх.П

Ш

У2

Рис. 1-17. Структурная

схема

универсального

счетчика

с выхода формирователя непосредственно на вход счетчика

по

командам,

подаваемым

либо

вручную

от

оператора,

либо

автома­

тически

от

некоторого

синхронизирующего устройства.

Очень часто счетчики, особенно для

производственных

целей,

выполняются

в виде

автономных

приборов. В

таких приборах

основными из которых являются: 1) суммирование; 2)

суммиро­

вание с выдачей сигналов к а ж д ы й

раз при

поступлении

некото­

рого числа импульсов; 3) счет до

заданного

числа

с

выдачей

сигнала о

наборе его

и установкой

в исходное

нулевое

состояние.

Н а рис.

1-17 представлена упрощенная структурная

схема

уни­

версального

счетчика.

Импульсы,

п о д л е ж а щ и е

счету,

подаются

на вход Вх.1.

По команде «Запуск»,

подаваемой

на вход

Зп

вруч­

ную либо

от

синхронизирующего устройства,

производится

сброс

определяемое элементом временной з а д е р ж к и

ЗВ и

достаточное

для сброса

счетчика, переключается триггер Тг в единичное со­

стояние. В

результате оказывается открытой

схема

совпадения

Cnl,

и импульсы с выхода ф о р м и р о в а т е л я

начинают поступать на

вход

счетчика Сч. В р е ж и м е суммирования

на у п р а в л я ю щ и е входы

В режиме суммирования с

выдачей сигналов к а ж д ы й раз

при

поступлении

некоторого

числа

импульсов

на у п р а в л я ю щ и е

входы

У2 и УЗ подаются

единичные

сигналы,

р а з б л о к и р у ю щ и е

схемы

совпадения

СпЗ и

Сп4.

Необходимое число записывается

в

запо ­

минающий

регистр

Рг

(Вх.П).

В процессе

счета схема сравнения

счетчиком Сч, с числом, записанным в регистре Рг.

В момент

ра­

венства этих чисел на выходе схемы сравнения Ср

формируется

сигнал,

поступающий через

схему

совпадения Сп4

на

выход Вых.II

и через

схему совпадения

СпЗ на

сброс счетчика

в

исходное

со­

ГЛАВА ВТОРАЯ

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ

ИЗМЕРИТЕЛЕЙ

ВРЕМЕННЫХ

ИНТЕРВАЛОВ

2-1. Временной интервал как сигнал

Временной

интервал

как

сигнал

отличается

многообразием

форм

его

представления . Так,

временной

интервал

может

быть

з а д а н

в

виде

периода синусоидальных

или

близких

к ним

коле­

баний, периода следования импульсов, интервала

м е ж д у двумя

импульсами н а ч а л а и конца, в

виде длительности импульса.

носительно амплитуды .

В

радиотехнике,

например,

чаще всего

принимается

а = 0,5 или

а = 0,1.

На рис. 2-1 приведены импульсы различной формы: прямоугольный, трапе­

цеидальный,

колокольный

и с экспоненциальными фронтами. Сопоставляя раз­

личные формы

импульсов,

можно

сделать следующие выводы:

1. Для

прямоугольных

импульсов, условная длительность импульса совпа­

дает с безусловной Та/, определяемой на уровне а = 0.

2. Для

трапецеидальных

импульсов (с линейными фронтами) также может

быть введено

понятие о

безусловной длительности

импульса Ті ,

соответствую-

щей

уровню а = 0.

При этом связь между условной и безусловной длительно­

стями

определится

выражением:

хх = *'х - а Ы\ + т ф2 ) = х'х 0 -

°ФЬ

(2-1)

где

ft

— Т Ф 1

" j ~ Т Ф 2 ,

Т ф і , Т ф 2 — длительности

переднего

и

заднего фронтов

соот­

ветственно.

3.

Для

импульсов с экспоненциальными

фронтами

и колокольных, так же,

понятие условной

длительности.

Рассмотрим трапецеидальный импульс, приведенный на рис. 2-1,6. Если ус­

ловная длительность определяется

на уровне aUm,

то измерение фактически

производится на

уровне 0 с р , где

£ / с р — порог

срабатывания формирующего

тельность

хх". При этом относительная погрешность измерения

безусловной дли­

тельности

определится выражением:

« ' = ( * ; - = - д т ' / v

<2 -2 )

Дт' =

Дт! + Дт2 ,

(2-3)

где

Дт! = (/ С рТф1/ £ / т

и

Д т 2 = С / с р Т ф 2 / ^ т . Если

принять

т ф 1 = Т ф з = Т с Р ,

то

выра­

жение

(2-3)

принимает вид:

Дт* =

24UcvIUm

(2-4)

и, так как

Тф = Р т х / 2 ,

то окончательно

Дт' =

fcVjUm.

(2-5)

При

этом, согласно (2-2):

6' =

- №ср/ит.

(2-6)

Относительная

погрешность измерения условной длительности

рассчитыва­

ется

по выражению

ДТу — абсолютная

ey

= K-*,)/ T *=

A V v

<2"7)

где

погрешность измерения

условной

длительности

Для

аб­

солютной

погрешности Дту имеем:

А

\

- 2

7 Г

("ср -

«"«) = К

U т

-

«) •

<2-8>

U т

I

Тогда выражение

(2-7) с учетом

(2-1) принимает вид:

о у

=

E - ^ ( £ £ E - a V

(2-9)

1 — aB I U,

Как

видно из

(2-9), при

и 6 = 1

имеем

6 У = ° ° . По

определению

a ^ l

и

6 ^ 1 ,

т. е. а В = 1 при условии

а = 1

и 8 = 1 . Для треугольного импульса

6 = 1 .

Если

при этом измерять длительность

на уровне Um, то безусловно

погрешность

ного

импульса

равна

нулю, и,

следовательно,

не

произойдет

никакого изме­

рения.

Из выражения (2-9) видно,

что

относительная

погрешность

измерения ус­

ловной длительности может равняться

нулю, если

Ucp/Um

= a.

(2-10)

Нетрудно заметить, что это условие справедливо

и для любых других форм

импульсов. Однако ввиду

того,

что выполнение

этого условия при переменном

Um

требует изменения

(УСр, практическое

осуществление его затруднено.

Сравнивая

выражения

(2-6)

и (2-9),

можно

заметить, что если уменьшение

конца

интервала , а

т а к ж е в

виде длительности импульса .

Все пе­

речисленные виды

временных интервало в измеряютс я по

одному

и тому

ж е принципу. Отличие

схем, предназначенных д л я

их изме ­

рения,

заключаетс я

только в

устройстве управления . Исключением

Принцип действия цифрового измерителя временных

интерва­

лов

заключается

в подсчете

числа

периодов

Т0

образцовой ча­

стоты /о, в ы р а б а т ы в а е м о й

в

самом

измерителе,

у к л а д ы в а ю щ и х с я

на

измеряемом

временном

интервале Тх. Результатом

измерения

является число

N =

TJT0 =

TJ0.

(2-11)

Измерение

периода. Н а

рис. 2-2, а представлена

структурная

схема измерителя

периодов.

Н а п р я ж е н и е синусоидальных

колеба­

ний

или импульсный сигнал,

период

которых

Тх

подлежит

измере-

гоч\

6)

Вх

I

Ф

Ф

U Сп1\Л HI \ATrZ

ИСп2

Зп

Е

Trt

ТгІ

Сч

Спї

а

Зп

г

1

Вых

Ш

ОТІ

1

Г

> j | OB

- Сброс

Тг2

Рис. 2-2. Структурная

схема

rov

(а)

и

временная диаграмма

(б)

работы схемы измерителя

пе­

Сч

риодов

которых

равен

измеряемому

периоду

Тх.

По

команде

«Запуск»

схема

приводится в исходное состояние

и

через

время

з а д е р ж к и ,

з а д а в а е м о е одновибратором

ОВ,

триггер

Тг1

переключится

в

со­

стояние

«1»,

подготовив

тем

самым

к

работе

схему

совпадения

Cnl.

Первый

импульс с

выхода

формирователя

Ф через

схему

совпадения Cnl

и инвертор

И1

поступает

на

счетный

вход

триг­

гера

Тг2,

переключая его

в состояние

«1».

В

результате

схема

Сп2

стояние, после чего

схема совпадения

Сп2

закрывается,

и

счет

импульсов образцовой частоты прекращается .

При

возвращении

триггера Тг2

в исходное

состояние импульсом

с его единичного выхода возвращается в исходное состояние

триг­

гер Тг1,

блокируя тем самым схему совпадения Cnl

и п р е к р а щ а я

измерение.

Н а

рис. 2-2, б

представлена

временная

д и а г р а м м а

работы

схемы.

В схеме производится измерение

интервала

времени,

нахо-

меряемый

период

Т'х = Тх

+ Att

— At2

— N/fQ.

Отсюда

Atj, — д/ 2

(2-12)

где Ati и А/г изменяются

от 0 до

Т0.

Ф

0)

ВХ

Ф НИ2 ЫСШ

Тг2

Ф

И2

Тг1

Сч ]Рых

Зп

гоч

овi T T J

Гг1

Сброс

Cnl

П

I

I

И1

Рис. 2-3. Структурная схема

(о)

Тг2

и временная

диаграмма

(б)

рабо­

ты измерителя периодов с син­

хронизацией

момента

начала

из­

Сч

мерения

М а к с и м а л ь н а я

относительная

погрешность

будет

определяться

выражением:

Уд=1/(7Уо) =

1/#.

(2-13)

Погрешность дискретности

уд можно

уменьшить,

синхронизи­

ровав начало

работы генератора

образцовой частоты

ГОЧ

с

нача­

лом измеряемого интервала . Н а

рис. 2-3, а приведена

схема

такого

измерителя;

временная

д и а г р а м м а

ее

работы

показана

на

рис. 2-3,

б. Схема

обеспечивает

измерение

интервалов

времени

гается

с

помощью

инвертирования входного

сигнала

инверто­

ром И2.

Д л я синхронизации

генератор

образцовой

частоты ГОЧ

работает

в ж д у щ е м

р е ж и м е

и запускается

с началом

измеряемого

интервала

триггером

Тг2. Время At\ = 0,

а

погрешность

дискрет­

ности

определяется

в ы р а ж е н и е м

у д = - 1 / ( 7 у 0 ) .

(2-14)

Сдвигом

импульсов

образцовой частоты

fo на

половину

периода

погрешность

у д может

быть

уменьшена

до

величины

уя=±

1/(27у 0 ) .

(2-15)

печена путем

использования

делителей

частоты

между

Г04

и Сч,

как будет показано ниже.

(рис. 2 - 3 )

М а к с и м а л ь н о е

время измерения

в

схеме

составляет

7изм =

27 х -

Cnl

З а д е р ж к и , возникающие

в

схеме

совпадения

и

триггере

Тг2

(рис. 2 - 2, а,

2 - 3, а),

не

вносят

погрешности,

та к

к а к

они

остаются

постоянными

д л я

переднего и заднего

фронтов

импульса

на выходе триггера Тг2 и приводят

л и ш ь

к

параллельному

смеще­

нию вправо импульса Тх.

рис. 2 - 2, а

Схема

совпадения

Сп2

на

может

внести

погреш­

ность, которая

определяется

разностью з а д е р ж е к

в

закрывании

Вх.

ф

из

Сп2

И2

Счп

*

Cnl

И1

Тг2

~ t

Сп

Сч

Вых.

Trt

ГОЧ

Зп

ов Ц П

-+~ Сброс

Рис. 2-4. Структурная

схема

измерителя среднего

из п

периодов

и открывании этой схемы.

Однако

обычно

эта

з а д е р ж к а

весьма

мала и ею можно

пренебречь.

Счетный триггер Тг2

в схемах (рис. 2-2, а и 2-3,

а)

может

быть

заменен

схемой,

состоящей

из

триггера

с

раздельным

запуском

и двух схем совпадения.

Н а

рис. 2-4 представлена

схема такого измерителя. Он а может

быть

использована д л я

измерения

среднего

из

п

периодов,

что

чение

п измеряемых периодов с последующим делением

показа ­

ний счетчика на

п.

Д л я этой

цели

в схему

добавляется

счетчик

числа

периодов

Счп.

В этом

случае

погрешность

дискретности

Т д п

= 1/(/г7у0 ).

(2-16)

Из

сравнения

выражений

(2-13)

и (2-16)

следует, что

при пе­

реходе

к измерению

п периодов при сохранении

той ж е частоты /о

нако

при этом необходимо увеличивать и емкость счетчика

в п р а з .

При

сохранении

ж е емкости

счетчика постоянной необходимо

в п

ра з уменьшить частоту f0.

В результате погрешность

дискрет­

ности останется

неизменной.

В схеме

с измерением

среднего из п периодов максимальное

время измерения

Твзк=(п+\)ТХ.

Величина

образцовой

частоты измерителя временных интерва­

короткого

временного

интервала .

Пусть необходимо измерить период в диапазоне

1 жекч - 100 сек с погреш­

ностью, не превышающей 0,1% от

измеряемой

величины.

Если

принять

по­

грешность

дискретности,

как

одну

из

наибольших

составляющих

суммарной

погрешности,

уа

— 0,05%,

то

самому

короткому

интервалу

времени

будет соот­

ветствовать

число

импульсов

Nmin=

1Д>д=2000. Тогда

необходимая

образцовая

частота

будет

fo=/Vmm/7'xmin = 2

Мгц.

Наибольшему

измеряемому

периоду

а)Вх

ИЗ

Сп2

Н2

тиТг2

Сч

-Вых

С6

ЧСп!

ИІ 1 Г

I

Сп5

Спб

Сп7

Сп8

Зл

Trl

08

\гоч

СпЗ

ДЧ

Сброс

общий

А

А

А

А

А

/

й

ш

ш

б)

At,

гоч

п п п

*

Рис.

2-5.

Структурная

схема

(а)

и

| | ' | Ц

Вых. Wi

JL

временная

диаграмма

(б)

работы

1

2

N1

измерителя

периодов

с

переключе­

нием поддиапазонов

7"*тах = Ю0

сек

соответствует

W m

a x

= 7"x m axfo = 2-108

импульсов. Это

значит,

что

двоичный счетчик должен иметь не менее 26 разрядов.

Для обеспечения заданной точности достаточно

11

разрядов,

что соответст­

вует

числу

=2000;

остальные 15 разрядов

являются

избыточными.

Для уменьшения объема счетчика весь диапазон может быть разбит на

поддиапазоны с перекрытием,

например,

равным

10.

Схема, с помощью которой может быть выполнено

измерение

периода

с

переключением

поддиапазонов,

показана

на

рис. 2-5.

Ее работа

подобна

работе

схемы,

представленной на рис.

2-2,

а.

поступать

различные образцовые

частоты

в

зависимости от

пре­

дела . Эти частоты коммутируются схемами совпадения

Сп4—Сп8.

Временная

д и а г р а м м а работы

схемы

приведена

на

рис.

2-5, б

и соответствует случаю, когда частота импульсов

на входе

счет­

чика

меньше

в &д

р а з

частоты

импульсов

генератора

ГОЧ.

И з

рис.

2-5, б

видно,

что

'

— Atx + At2,

причем

Ati=

т

+Ati'.

Тх = Тх

—