книги из ГПНТБ / Ермолов Р.С. Цифровые частотомеры

чения

примерно от 1 до 2. Д л я

схемы

№ 2 в табл . 3-2

а~2—3.

Не

менее в а ж н ы м является

такой

параметр схем, ка к

время

включения

емкости. Так, например, д л я

схемы № 1 в

т а б л . 3-2

отношение

времени

паузы м е ж д у двумя последовательными запус ­

ками

схемы

ко времени з а д е р ж к и переднего фронта tn/t3^Q,2.

Д л я

схемы

№

2

в табл .

3-2 отношение времени паузы к длительности

ta сформированного

импульса

ijtam4.

Таким

образом,

д л я одной

и той ж е

формируемой

длитель ­

ности

в

схеме

№

1 требуется

б о л ь ш а я

величина

емкости,

чем

в схеме №

2. Н о время восстановления первой схемы

о к а з ы в а е т с я

значительно меньшим. Это обстоятельство

необходимо

учитывать

при выборе

вида

схемы на практике. Р а с с м а т р и в а е м ы е

схемы

( № 1

и 2) представляют

собой элементарные схемы, с помощью которых

конденсатор С подключен к расширительному входу

логического

элемента по И. Принципиально конденсатор

может

включаться

и

на обычный вход логического элемента

И — Н Е ,

но при этом

воз­

растает время восстановления и несколько уменьшается

коэффи ­

циент а,

что потребует использования больших

емкостей.

В схеме № 2 сопротивление R д о л ж н о выбираться

достаточно

большим, т а к чтобы падение

н а п р я ж е н и я

на нем от тока,

протекаю ­

щего через диод схемы И логического элемента в исходном

состоя­

нии, н а д е ж н о о т к р ы в а л о

транзистор элементов, но это

сопротивле ­

ние не д о л ж н о быть слишком большим,

чтобы

не увеличить

в р е м я

восстановления схемы. Обычно величина R = 4—7

ком.

Следует отметить,

что если на практике

не п р е д ъ я в л я е т с я

очень

жестких

ограничений

по величине емкости,

то лучше

использовать

ф о р м и р у ю щ и е и в р е м я з а д а ю щ и е схемы, построенные

на основе

эле ­

ментарной схемы

№

1. В этой схеме, помимо

малого

времени

вос­

становления, отсутствует

отрицательный

выброс

в момент

в ы к л ю ­

чения, что благоприятно

сказывается на долговечности

логического

элемента .

б

И з

двух схем

растягивания импульса

(№ 5, табл . 3-2)

схема

предпочтительнее, т а к ка к д л я нее а = 1-=-2, а д л я первой схемы

а —

коэффициент а = 0,34-0,6. Кроме того, время восстановления

первой

схемы

примерно в полтора

р а з а больше, чем у второй.

В

схеме одновибратора

( № 4, табл .

3-2)

потребуются

б о л ь ш и е

значения емкостей, чем в схеме № 6. Однако время

восстановле­

ния первой схемы более чем на порядок меньше.

П р и

выборе

схемы

на практике,

кроме

учета сказанного

выше,

следует

иметь

в виду,

что схема

№

4 неинвертирующая,

а

схема №

6 — инверти­

р у ю щ а я

и обеспечивает

непосредственно

на

выходе

единичный

импульс.

Схемы формирования з а д е р ж а н н о й

серии

импульсов

( №

8,

табл . 3-2) примерно равноценны. Схема

а

обеспечивает

независи­

мую

регулировку

величины

з а д е р ж к и

и

длительности

выходной

разно

использовать тогда,

когда требования к стабильности

пара ­

метров

выходных сигналов

не очень

жесткие . Д л я получения

ста­

бильных характеристик схем необходимо стабилизировать

питаю­

щие н а п р я ж е н и я , выбирать

стабильные навесные элементы и т. п.

В некоторых случаях

такие

меры могут привести к неоправданным

з а т р а т а м

(например,

с т а б и л и з а ц и я

н а п р я ж е н и й ,

питающих

логи­

ческие

узлы приборов) . Поэтому очень часто могут о к а з а т ь с я

по­

лезными

формирующие и

в р е м я з а д а ю щ и е схемы,

построенные

на

Рис. 3-20. Одновибратор

Рис. 3-21. Мультивиб­

ратор

Н а

рис. 3-20 представлена схема

одновибратора .

Достоинством

схемы

является возможность точного

з а д а н и я порога

с р а б а т ы в а н и я

(с точностью до величины смещения

усилителя) в широком диапа ­

ного запускающего, превышающего по амплитуде величину

напря ­

ж е н и я смещения . Изменением н а п р я ж е н и я смещения

U0

дости­

гается регулировка

порога с р а б а т ы в а н и я схемы.

Длительность выходного

импульса

можно

оценить

с помощью

в ы р а ж е н и я :

tSi

= (R2

+ R3)C1\n

AU°R*

.

(3-18)

и

v 2

^

3 /

Ua(R2

+ R3)

v

;

Резистор R3 используется д л я

уменьшения

времени

восстанов­

Если

в а ж н а стабильность порога с р а б а т ы в а н и я ,

то

сопротивле­

ния

Ri,

и R2 д о л ж н ы выбираться по возможности

меньшими, при­

чем

сумма Rz и выходного сопротивления источника

н а п р я ж е н и я

смещения д о л ж н а приблизительно равняться Ri.

ной

времени

Т !

І П (

—

^

^

если

принять, что н а п р я ж е н и е

USbix

при насыщении усилителя в по­

ложительной

области равно по абсолютной величине н а п р я ж е н и ю

на выходе при насыщении усилителя

в

отрицательной

области .

Время восстановления определяется постоянной времени

T ^ t f A l n f

^

^

Таким образом,

д л я уменьшения времени

восстановления

при

большом Ri необходимо в ы б р а т ь

Ri<^Ri.

Д л я уменьшения

влияния

на формируемую длительность

изменения

ид

от температуры

не­

обходимо выполнить

условие:

— — — - ^ в ы х ^ ^ д - Д л я

уменыле -

# 2

+ ^ 3

U вых

НИЯ

ВЛИЯНИЯ

На формируемую

ДЛИТеЛЬНОСТЬ

ИЗМенеНИЯ

от

температуры

необходимо выполнить условие:

- — • UBh[X

<^

UBblx.

теля н а п р я ж е н и я и формирующего

устройства. Н а и б о л е е

в а ж н ы м

элементом является ф о р м и р у ю щ е е устройство.

Основное требование,

п р е д ъ я в л я е м о е к ф о р м и р у ю щ е м у

устрой­

ству частотомера, — обеспечить

на

выходе

прямоугольные

им­

пульсы

с достаточно

крутыми

фронтами

той

ж е частоты,

что и

входное

напряжение .

К

формирующем у

устройству

измерителя

временных интервалов

добавляется

требование жесткой

фиксации

Формирующее устройство измерителя длительности импульса

дол­

ж н о обеспечивать формирование прямоугольного импульса с

дли­

100 ком (или согласованный

вход

д л я высоких частот) .

Коэффи ­

циент усиления

усилителя рассчитывается

из соотношения: £ / с п =

= f e a C / m m i n ,

где

( У с п — п о р о г с р а б а т ы в а н и я

спусковой схемы; k —

коэффициент усиления усилителя;

Vmraxn — минимальное

значение

амплитуды

входного

сигнала;

a — у р о в е н ь ,

на котором

произво­

дится формирование

входного

сигнала .

мость стабильности

порога

с р а б а т ы в а н и я

триггера

Шмитта .

Требования к ф о р м и р у ю щ и м

устройствам измерителей частоты,

периода и длительности импульса оказываются различными

и по

частотному

диапазону .

Полоса пропускания формирующего устройства измерителя ча­

стоты д о л ж н а обеспечить

передачу

напряжений в диапазоне

частот

от

минимальной

f x m i n

до

максимальной

fx

max ЧаСТОТЫ.

Полоса

пропускания

формирующего

устройства

измерителя периода

д о л ж н а

обеспечить

передачу

н а п р я ж е н и й

с пе­

риодом

ОТ Т х т і п

ДО Т х т а х ,

ГДЄ Т х т 1 п и

ТХтпах—минимальное

и

максимальное

значения измеряемых

периодов.

Д л я

удовлетворительной

передачи

импульсов

минимальной

длительности

Рис. 3-23.

Принципиальная

необходимо,

чтобы

время

установления

электрическая схема

вход-

формирующего

устройства

составляло

н о г о

У с т Р о и с т в

а

величину

порядка

T y C T ~ 0 , l W i ,

гд е

^тш — м и н и м а л ь н а я длительность входного

импульса. Тогда высо­

кочастотная

постоянная времени

формирующего

устройства

т в = - ^ - т у с т = 0,03^ ш і п ,

чему соответствует

верхняя граничная ча­

стота:

/ в = 1 / ( 2 я т в ) =

5 , 3 / / т , п .

(3-21)

Н и ж н я я граничная

частота составит:

/ н = 1 / П т а х -

(3-22)

Аналогичными в ы р а ж е н и я м и определяются верхняя

и н и ж н я я

тельности

импульса. П р и этом

в в ы р а ж е н и е (3-21) следует вместо

^min

ПОДСТаВЛЯТЬ Т ж т 1 п ,

а В в ы р а ж е н и е

(3-22)

ВМеСТО

Гостах—Тжтах,

где

Тжтіп и Тжтаж—минимальное и максимальное значения

измеряе­

мых длительностей импульсов.

Н а рис.

3-23 представлена

типичная

схема

формирующего

уст­

ройства,

в к л ю ч а ю щ а я

входной

усилитель А1 и триггер

Шмитта,

построенный

на дифференциальном усилителе А2. Входной

уси­

литель включен по схеме неинвертирующего

усилителя .

Коэффи ­

циент усиления его регулируется переменным

сопротивлением

Ri.

Входное

сопротивление

формирующего

устройства

определяется

входным

сопротивлением усилителя А1.

н а п р я ж е н и я

смещения UCM

на

неинвертирующем

входе усилителя .

П р и поступлении на вход устройства

сигнала положительной по­

лярности на выходе входного усилителя

появляется положительный

потенциал. В момент, когда

н а п р я ж е н и е на

инвертирующем входе

усилителя

А2 сравняется

с

напряжение м

на

неинвертирующем

обусловлено

положительной обратной связью, образованной ре­

зисторами

Ri

и Rb.

Порог

с р а б а т ы в а н и я

£ / с р

триггера

Шмитта

определяется соот­

ношением:

U ^ U ^

+

l U o ^ - U n ) — ^

-

,

(3-23)

где

t/omax — напряжение

на

выходе

усилителя

А2

при

положитель ­

ном

насыщении .

Д л я порога

отпускания

L' 0 T n можно

записать:

^ о п т = Uси

+

(Uomin-Uси)

^

- j

V

•

( 3 - 2 4 )

^ 4

+

Kb

где

f/omm — н а п р я ж е н и е

на

выходе

усилителя

А2

при

отрицатель ­

ном

насыщении .

Гистерезис триггера Шмитта равен разности:

AU0

= U c p - U o n

r

= (U0 ш

а х - U о m l l I )

.

(3-25)

гулировать пороги с р а б а т ы в а н и я

Ucp

и отпускания £ / О Т п,

а

тем са­

мым плавно изменять величину гистерезиса

AU0-

При измерении частоты или временных интервалов в присут­

ствии

помех

величина гистерезиса

д о л ж н а

быть

выбрана

такой,

чтобы

м а к с и м а л ь н а я

о ж и д а е м а я

помеха

не

п р е в ы ш а л а

его.

Д л я

уменьшения

влияния изменения

температуры

на

пороги

с р а б а т ы в а н и я

и отпускания необходимо

выполнять

условие:

менных

интервалов

является источник образцовых частот и вре­

менных

интервалов .

Погрешность приборов в значительной сте­

пени определяется

точностью

и стабильностью этого источника.

К а к

правило, источник включает генератор фиксиров'анной об­

разцовой частоты и

делители

(умножители) частоты. Д л я обеспе­

Кристаллический

кварц

представляет

собой

пьезоэлектрический

материал,

который

о б л а д а е т

свойством

взаимно

преобразовывать

электрическую и механическую энер­

гии. Это означает, что электрический

потенциал на кристалле вызывает ме­

ханическое напряжение, а приложен ­

ная

к

кристаллу

механическая

сила

создает

электрический

з а р я д .

Если к в ы б р а н н ы м граням кри­

сталла п р и л о ж и т ь переменное напря ­

жение, то в кварце возникают

меха­

нические

колебания .

Эти

колебания

изменяют

поверхностный

з а р я д

на

„

„ л .

„

ґ

,

v

Рис. 3-24.

Кварцевый гене-

кристалле, что может быть использо-

ратор

вано

в

качестве

сигнала

во

внешней

электромеханическая

связь и минимизируется энергия, необходи­

м а я д л я п о д д е р ж а н и я

генерации. П р а в и л ь н ы е срезка

и

установка

к в а р ц а обеспечивают

минимизацию температурного коэффициента

резонансной

частоты.

И тем не менее для уменьшения

влияния

температуры

на стабильность частоты образцового

генератора

схемой п о м е щ а ю т в термостат. В

термостате автоматически

под­

д е р ж и в а е т с я температура, обычно

п р е в ы ш а ю щ а я предельную

Тем­

нием кристалла . Н а

величину

этого д р е й ф а

существенное влияние

о к а з ы в а ю т чистота

м а т е р и а л а

кристалла, а

т а к ж е технология из­

вого резонатора

задается в относительных единицах за определен­

ный промежуток

времени.

Н а

рис.

3-24

представлена схема кварцевого генератора.

Поло­

ж и т е л ь н а я

о б р а т н а я связь осуществляется через кварцевый

резо­

натор

КР

к неинвертирующему

входу дифференциального

усили­

теля.

Р а б о ч а я точка усилителя

по постоянному току с помощью

печиваются условия с а м о в о з б у ж д е н и я .

Конденсатор Сі шунтирует резистор R2, чем убираетс я

отрица ­

тельна я о б р а т н а я связ ь на частоте генерации . Резистор R3

обеспе­

Д л я умножени я частоты, ка к правило ,

применяют

резонансные

усилители, настроенные на высшу ю гармонику

(вторую

или пя­

тую) . Пр и сочетании таких усилителей можн о

получить

умножи ­

тел ь с коэффициентом умножения , равны м

10.

3-8. Некоторые вопросы конструирования

цифровых

частотомеров

Цифровые частотомеры к настоящему времени

прошли

сложный

путь разви­

чения

(43-20,

Ф-519) имел

верхний предел по частоте

1 Мгц

и чувствительность

100 мв, то в настоящее время такие приборы (43-22,

Ф-571)

имеют

диапазон

частот

порядка

10—20 Мгц

при чувствительности 100 мв, а зарубежные

образцы

Первые трудности появляются

при разработке входного

устройства. Следует

отметить,' что

в настоящее

время

входное

сопротивление

цифровых частотоме­

ров не превышает сотни килоом.

С появлением дешевых полевых транзисторов

этот параметр

легко может

быть

улучшен

по крайней

мере

на порядок. Но при

этом входное

устройство окажется чувствительным к

помехам, особенно, если

устройству

как по полосе

частот, так и по общему коэффициенту усиления. Как

показано

в

§ 4-1, для увеличения

помехоустойчивости

цифрового

частотомера

(имеются

в

виду

помехи,

наложенные на сигнал) желательно, чтобы гистерезис

триггера

Шмитта

был как можно больше, что осуществимо при довольно высоком

уровне срабатывания его

(например,

1 в). Тогда, если

принять чувствительность

прибора

равной

10 мвЬфф,

(14 л ш а М п л . ) , потребуется

входной усилитель с коэф­

фициентом усиления не ниже 70.

Конструирование такого усилителя, построенного

на

дискретных

компонентах,

паразитные связи, которые

могут привести

к самовозбуждению усилителя, либо

к серьезным искажениям сигнала. Решение

этой проблемы следует искать на

пути создания интегрального

формирующего

устройства.

потребитель

получит возможность с наименьшими затратами

реализовать в при­

боре именно

те функции, которые

необходимы.

Важнейшей особенностью современных цифровых частотомеров является ши­

рокое использование в их конструкции интегральных схем.

Весьма

интенсивно

внедряются

интегральные схемы

в частотомеры за рубежом

[28].

Разработкой

частоты 125, 500 Мгц и выше.

В частотомере модели 6155 фирмы «Бекмен

Инструменте» применяется

около

70 сменных интегральных схем. Каждая схема

вставляется в

собственную

панель

без пайки. При выходе ИС из строя последняя

просто заменяется другой.

Среднее время наработки на отказ у

приборов

со сменными

ИС

примерно

на 30°/о меньше, чем у приборов с пайкой. Так, например, у частотомера

модели

6155 это время

составляет 39 000 ч, а у прибора модели 6148—61 000 ч.

На сменных ИС выполнен счетчик модели CF-60K фирмы «Анадекс Инстру­

менте инк.».

Приборы фирмы «Бекмен Инструменте» на интегральных

схемах

имеют в 8—

10 раз большие

сроки службы по сравнению с

частотомерами, выполненными на

дискретных компонентах.

Применение ИС позволило снизить стоимость приборов. Например, высоко­

частотные частотомеры, которые в 1965 г. стоили 3500 долл., в настоящее

время

стоят менее чем 1000 долл. Частотомер модели

1191

фирмы

«Дженерал

Рейдио»

стоит 1300 долл., а выпускавшаяся модель в

1967

г. на

электронных

лампах

стоила 3000 долл.

Намечается

переход к использованию

больших

интегральных

схем

(БИС),

что позволит еще больше повысить надежность

и уменьшить

стоимость

приборов.

управлением.

В частотомере модели 5360А фирмы «Хьюлет-Паккард» благодаря

встроен­

ному вычислительному устройству обеспечена возможность измерения

инфраниз-

ких частот

(диапазон частот у прибора

0,01 гц— 320 Мгц) с отсчетом

в

единицах

частоты.

Кроме того, предусмотрена

возможность производить

различную