книги / Методы и устройства цифрового измерения низких и инфранизких частот

на самом младшем. При этом в первом случае при переходе от конца к началу каждого предела измерения погрешность кванто­ вания по значению будет изменяться в десять раз, а на втором — от значения приведенной погрешности до максимального значения 100% в зависимости от количества значащих цифр в результатеизмерения [53—55].

Выполнение второго требования обеспечивает ЦЧ и АЦП вы­ сокое быстродействие, а третьего — незначительное увеличениесложности многопредельного прибора или преобразователя. С уче­ том этих требований авторами в разное время были разработаны методы и устройства автоматического выбора и переключения пре­ делов измерения применительно к ЦИП, основанным на исполь­ зовании методов уравновешивания и совпадения, а также пол­ ностью автоматические многопредельные ЦИП и АЦП для изме­ рения и преобразования напряжения, тока, сопротивления, часто­ ты и др. [9, 41, 52—55].

В работах [52, 53] предложен основной метод и устройство для ЦИП следящего уравновешивания, у которого эта операция авто­ матизируется наиболее сложно в связи с тем, что измерения начи­ наются из любого положения, занимаемого его декадными пере­ ключателями или счетчиками. Выбор и переключение основаны на сравнении измеряемой величины X или ее части Х/М (после деле­ ния) с уравновешивающей величиной (или наоборот), значение* которой автоматически устанавливают декадные переключатели равным (10R_1/*o или (10л—1/х0 в зависимости от знака разности сравниваемых величин (Х/М — Хур или X—Хур/М). Пределы выби­ раются и переключаются дополнительным переключателем, кото­ рый работает либо в направлении увеличения, либо уменьшения, предела до тех пор, пока знак этой разности не изменится на про­ тивоположный. Выбранный таким образом предел измерения обес­ печивает получение результата измерения с максимальным числом значащих цифр до тех пор, пока выполняется неравенство (1.45). Этот метод и устройство для его реализации исключительно просты и могут быть использованы в цифровых вольтметрах, омметрах* частотомерах, периодомерах и других приборах не только следя­ щего уравновешивания, но и в приборах, работающих по методу развертывающего уравновешивания и совпадения, в которых эта операция автоматизируется наиболее просто в связи с односторон­ ним изменением уравновешивающих или сопоставляемых величин.. В настоящее время известно много методов и устройств для выбо­ ра и переключения пределов измерения [9, 41, 44—45, 54—55, 62—64, 86, 120 и др.]. В любом из них всегда выполняется преждевсего первое требование, так как только в этом случае может быть обеспечена высокая точность измерений. Два других требования

выполняются по-разному. Поэтому можно выделить методы и уст­ ройства, в которых оптимальный предел выбирается до начала измерения или одновременно с ним, с участием декадных переклю­ чателей или счетных декад МСИ или без них, в течение неизмен­ ного или переменного по длительности интервала времени [45, 55].

В ЦЧ и АЦП, предназначенных для измерения не только вы­ соких, но и низких частот, должны применяться методы, обеспе­ чивающие наибольшее быстродействие при максимальной простоте -схемы. Такими являются те методы, при которых оптимальный предел выбирается и переключается параллельно процессу кван­ тования fx или Тх. Рассмотрим эти методы на примерах автомати­ ческих ЦЧ, разработанных авторами.

Автоматический многопредельный ЦЧ, работающий в режиме квантования значения измеряемой частоты как при разовых, так и при циклических измерениях должен работать из одного и того же исходного положения, в котором в МСИ записывается чаще всего число A f/= 00 ...0 . При квантовании значений частот, лежа­ щих в верхней части диапазона, с заданной ôK время Тк меньше, чем при квантовании значений частот нижней части диапазона. Следовательно, для обеспечения высокого быстродействия ЦЧ, определение оптимального предела должно начинаться всегда с самого высокого, а переключение пределов производиться в на­ правлении самого младшего, то есть точно так же, как и в описан­ ном выше ЦИП следящего уравновешивания, когда XJM>Xyn. Для получения оптимального предела минимальное значение Тк должно определяться только после того, как в старшую декаду МСИ будет записано число Nf= 10й-1, а для упрощения схемы в образовании этого числа должны участвовать декады МСИ, а не дополнительного счетчика. Следовательно, в этом случае при переключениях пределов схема сравнения будет сопоставлять ряд значений мер времени на выходе ОМВ со значением образующе­ гося отрезка времени, равного t = NfTx= W R- i'>Tx. Квантование бу­ дет заканчиваться путем возвращения УТг в исходное положение первым импульсом на выходе многозначной ОМВ, который появит­ ся вслед за импульсом на выходе декады (R—1).

На рис. 1-14 показана принципиальная схема автоматического многопредель­ ного ЦЧ, обеспечивающего высокое быстродействие, высокую точность и авто­ матизацию всех без исключения операций измерительного процесса без значи­ тельного ее усложнения, разработанная в полном соответствии с указанными выше положениями. В ЦЧ предусмотрено устройство памяти (УОП) в составе регистров декад РД^—РДь и триггеров светящихся тел, указывающих на раз­ мерность и порядок числа N/, благодаря которому операция квантования с авто­ матическим выбором оптимального предела измерения и кодирования совме­ щается во времени с операцией воспроизведения предыдущего результата изме­ рения [55, 58—59J. ОМВ выполнена многозначной и содержит ГОЧ, делители частоты Д Ч1—ДЧъ, на выходах которых образуются импульсы, отстоящие во времени от первого импульса ГОЧ после подачи на вход схемы Ящ импульса пуска на величину КРГо, \01То, 102Го, 1037V 10'*7<ь 1057о. В состав БАУ допол­

появляются сдвинутые во времени импульсы, обеспечивающие вначале «Сброс» УОП, затем считывание в УОП с МСИ нового значения Nf, подготовку к из­ мерению всех узлов ЦЧ и запуск для выполнения очередного измерения. После запуска открывается Ию и первый импульс ГОЧ включает УТг, который, в свою очередь, включает схемы //i и Ид. С этого момента параллельно во времени про­ текают два процесса — процесс квантования /* и деления образцовой частоты fo ГОЧ. Благодаря этому в МСИ записывается число Nf, а на выходах ОМВ поочередно появляются импульсы через время То, 107о и так далее до оконча-

Рис. 1-14. Принципиальная схема автоматического многопредельного циф­ рового частотомера.

кия измерения. Так как в исходном состоянии Тгу подготовлен к включению схем Из—И5, то импульсы ОМВ через эти схемы подаются на вход ИЛИ1, а затем непосредственно на лход Р, а через схему И i2 — на вход выключения включенного УТг. Очередностью подачи этих импульсов управляет Р, управ­ ляющий также и включением триггеров УОП при считывании результата изме­ рения, а следовательно, и соответствующими светящимися телами, указываю­ щими на порядок числа и единицы измерения. Первым, через время То, появля­ ется импульс на выходе Ио, а после этого Р переходит из положения 1 в по­ ложение 2, благодаря чему закрывается Из и открывается Th. Если до его по­ явления Тгз остается в исходном состоянии, что свидетельствует о недостаточ­ ности времени То для записи в МСИ числа Nj = \On~ \ то этот импульс не мо­ жет изменить состояния УТг. Вторым, через время ЮТо, появляется импульс на выходе ИЛИ 1, который подается на вход Р и схемы Ип- Распределитель пере­

ходит в положение 3, а У Тг может либо оставаться во включенном состоянии, если за время ЮГо не было записано в МСИ число N f =10R~1, либо выключиться, то есть возвратиться в исходное состояние, если до появления второго импульса ОМВ в МСИ было записано это число, вследствие чего на выходе третьей дека­

включения светящегося тела, обозначающего «кгц», и обеспечивает возможность включения при считывании Nt тела, обозначающего «гц». Так будет продол­ жаться до тех пор. пока на выходе СДз не появится импульс выключения Гг*. Если этого не произойдет, то значение частоты f* будет меньше 1 гц, поэтому

ние импульсом с выхода # 12. Поэтому схемы И\ и Я» закрываются, процесс кван­ тования прекращается и включается элемент задержки Д, представляющий со­ бой заторможенный многофазный мультивибратор, обеспечивающий выполнение перечисленных выше операций в указанной последовательности. Если на стар­ шем пределе после выключения Тгз до прихода импульса ОМВ наступит пере­ полнение МСИ, то сработает ТгП , который укажет, что значение измеряемой частоты превышает измеряемое. Поэтому этот триггер запрещает считывание числа Nf, записанного в МСИ в этом случае, в УОП.

Диапазон измерений такого Ц Ч заключен в пределах 1,000 гц—9999 кгц. При этом на всех пределах обеспечивается приведенная погрешность 0,01%.

осуществляется без затраты времени, так как происходит одновре­ менно с квантованием частоты, а в операции по созданию меры N f T x принимают непосредственное участие счетные декады М С И .

Благодаря этому схема упрощена и очень гибка. Неправильный выбор предела измерения, то есть предела, не обеспечивающего требуемого чис-ла знаков отсчета, невозможен, потому что пере­ ход на меньшие пределы выполняется при показании старшей декады N j = \ Q Ii~ i [52, 53].

На базе этой схемы были разработаны другие, которые при том же числе разрядов позволяют измерять fx со значительно бо­ лее высокой точностью. Это достигается поочередным выполнением нескольких измерений — одного на выбранном пределе, а других — на двух, трех или четырех последующих. Благодаря этому можно вручную или автоматически просматривать все цифры числа Nf — вначале первые четыре, а затем остальные с перекрытием в один, два, три и четыре знака. В зависимости от этого время измерения будет различным. Для автоматизации этого процесса несколько усложняем схему БАУ, которая выполнит первое изме­ рение на выбранном оптимальном пределе измерения, а затем, уве­ личивая различными ступенями значение TIO— повторные измере­ ния на других пределах. Например, если первое измерение было

выполнено при 7^= 1,0 мсек., а в результате измерения были полу­ чены первые четыре числа N6, Мъ. Nk, N2 кгц, то после увеличения Ти до 1000 мсек будут получены остальные четыре знака числа Мз, Nъ Ni, No гц. Если предусмотреть перекрытие знаков для обес­ печения преемственности отсчета, то количество измерений долж­ но быть увеличено в два, три и более раза в зависимости от коли­ чества перекрываемых знаков отсчета (рис. 1-15).

Автоматический многопредельный ЦЧ, работающий в режиме

чинать измерение с минимального значения периода или кратного ему интервала времени tx, то есть с самого младшего предела из­ мерения, и переключаться в сторону старшего. Чтобы обеспечить выбор оптимального предела, изменение частоты, квантующей Тх или tx, должно происходить только после того, как в МСИ будет записано максимальное число Nr =10R—1 [52, 53, 55], а чтобы пре­ делы переключались без потерн быстродействия, необходимо на­ ряду с переводом переключателя пределов в следующее положение обеспечить запись числа N'T =10л-1 в МСИ, что эквивалентно чис­

лу NT = Н)л на предыдущем младшем пределе. В противном слу­ чае ЦЧ будет начинать отработку на каждом пределе из исходно­ го положения [120]. Таким образом, в этом случае схема работает так, как и схема ЦИП следящего уравновешивания в режиме сле­ жения, когда Xf M>Xур [52, 53, 55].

С учетом сказанного «а рис. 1-16 представлена принципиальная схема мно­ гопредельного автоматического четырехдекадного ЦЧ. ОМВ по-прежнему вы­ полняется многозначной и содержит ГОЧ с делителями частоты ДЧХ—ДЧЪ. БАУ дополнен переключателем пределов, представляющим кольцевой раопре-

'За

делитель на четыре положения с замкнутым кольцом через вторую ячейку и триггером Tzi на выходе, конъюнкторами Из—И9 с дизъюнктором ИЛИj на выходе, конъюнкюрами Я гиЯ ю , триггером Тг2 и ранее описанной задержкой Д. Данный ЦЧ работает аналогично предыдущему. Рассмотрим его работу. При измерениях после приведения всех узлов ЦЧ в исходное состояние импульсом с четвертого выхода Д включается УТг, который открывает И». С приходом импульса измеряемой частоты включается Тг и схема И. Так как сначала кван­ туются самые малые значения Тх, то квантующая частота ОМЧ должна быть самой высокой. Подачу импульсов этой частоты обеспечивает распределитель

Рис. 1-16. Принципиальная схема автоматического многопредельного цифрового периодомера.

переключателя пределов Р и схема И3. Если при этом переполнение МСИ на­ ступает до окончания Г*, то импульс переполнения с выхода СД* переводит переключатель пределов Р из положения 1 в положение 2 и одновременно че­ рез схему ИЛИ в СД4 записывается /. После перехода Р в положение 2 за­

то Р будет последовательно переходить в положения 3, 4, а затем вновь в поло­ жение 2 и т. д. При этом поочередно будет включаться каждая последующая схема И и выключаться предыдущая. Кроме того, при переходе Р из четвер­ того положения во второе одновременно выключится Tzi, который закроет все схемы Из—Ис и подготовит к открытию схемы Я 7—Ио. Эти схемы, как и Из—Я«, будут открываться поочередно переключателем предела Р.

Итак, параллельно процессу квантования значения периода Тх идет про­ цесс поиска оптимального предела измерения. Сравниваются между собой дли­ тельности периода Тх или импульса tx и образцовая длительность, образованная

Устройство для определения предела измерения в специализированных ЦЧ

в которых эта задача решается без участия МСИ, за .время, равное одному пе риоду измеряемой частоты, укажет оператору предел, который он должен вклю чить, чтобы обеспечить дальнейшее измерение. Такие устройства могут приме няться как при измерении напряжния, тока, сопротивления, так « при измере нии других величин. В цифровых вольтметрах эта задача решается с помощьн амплитудных анализаторов, пороги срабатывания которых отличаются друг о- друга на порядок [55], а в ЦЧ — с помощью специализированных временны; анализаторов.

Рис. 1-18. Структурная схема устройства для определения оптимального предела измерения цифрового частотомера за время одного периода измеряемой частоты.

Структурная схема ЦЧ для выполнения разовых измерений с устройством определения и включения требуемого предела измерения за время одного пе­ риода измеряемой частоты без участия МСИ представлена на рис. 1-18. Она состоит из триггера со счетным входом Тг, триггеров переключателя пределов Тг\—Гг* с дизъюнкторами ИЛИi—ЯЛЯ* иа входах выключения и дифцепочками на входах включения, конъюнкторов ИХ—Иь, одни входы которых подклю­ чены к выходу Тг, а другие — к выходам ОМВ. Определение требуемого пре­ дела измерения осуществляется следующим образом. После запуска включается

УТг, подготавливающий схему И, первый импульс измеряемой частоты, про­ ходящий на вход МСИ, одновременно включает Тг, запускающий после опро­ кидывания ОМВ и открывающий Hi— на которые через отрезки времени Го, 10Г0 и т. д. будут поступать импульсы ОМВ и триггер переключателя Tzi. Им­ пульс ОМВ, пришедший через время Го, возвращает Тгi в исходное выключен­ ное состояние, вследствие чего включается Тгг, импульс ОМВ, пришедший через 10 Го, выключает Тгг и включает Ггs и т. д. Этот процесс продолжается до тех пор, пока второй импульс измеряемой частоты не возвратит Гг в исходное со­ стояние. Тогда закроется Иi—Иь, прекращая тем самым процесс опрокидывания триггеров переключателя пределов. Из всех триггеров включенным всегда оста­ ется только один — тот, после включения которого закрываются схемы Hi—# 4. Этот триггер подключает ко входу схемы ИЛИ выход соответствующего дели­ теля частоты ОМВ и включает индикаторы, указывающие порядок числа Nf и единицы измерения. Квантование значения частоты продолжается до тех пор, пока на выходе подключенного делителя частоты не появится импульс, свиде­ тельствующий об окончании интервала квантования. Импульс возвращает в ис­ ходное состояние УТг, и поэтому процесс квантования заканчивается. Аналогично работает ЦП, представленный в [87], в котором впервые реализован этот метод выбора предела. Однако в таком ЦЧ труднее обеспечить получение результата измерения с полным числом знаков отсчета.

Перейдем к рассмотрению специальных случаев выбора преде­ лов [54]. На практике очень часто приходится измерять величин^, значения которых лежат в следующих пределах:

На всех пределах М эти величины будут измеряться с минималь­ ной точностью, хотя желательно, чтобы они измерялись прибором данного класса более точно. Кроме того, при проверке многих ве­ личин, равных XQM 10r-1± (10R_3-T- 10r“7), точность измерения так­ же будет различной. Например, при проверке сопротивлений рези­ сторов, частот, кратных десяти, с плюсовым допуском погрешность измерения будет намного больше, чем при проверке этих же ве­ личин с минусовым допуском (рис. 1-17). Это неудобно и неже­ лательно. Исследования показали, что при измерении величин, удовлетворяющих неравенству (1.48), значение бк можно умень­ шить, если перейти на следующий меньший предел измерения [54, 55]. Рассмотренные методы, устройства и ЦЧ не обеспечивают та­ кого выбора. В таких случаях выбор предела измерения в ЦИП должен проходить так, чтобы при измерении величин, меньших чем 2xoM-№R~l, предел, на котором измеряются другие величины, меньшие или равные этому значению, уменьшался бы на порядок. Измерения этих значений на таком пределе обеспечиваются уве­ личением емкости самой старшей декады в два раза. Это автома­ тически приведет к увеличению диапазона измеряемых величин в два раза и к возможности измерения величин, значения которых лежат на стыке двух пределов. Реализация этого метода также осуществляется на базе рассмотренных схем.

Рассмотрим практическую реализацию описанного выше алго­ ритма выбора и переключения пределов измерения в многопре­ дельном автоматическом приборе. Схема такого прибора показана на рис. 1-19. Она обеспечивает с помощью перевода в одно из трех положений одного двенадцатиплатного переключателя (пер. П) выбор режима измерения частоты (положение 1), периода

Рис. 1-19. Структурная схема многопредельного автоматического цифрового прибора.