книги / Цифровые приборы с частотными датчиками

соответствующей некоторой частоте /01, несколько меньшей наимень­ шей возможной начальной частоты /г0. В начале каждого измеритель­ ного интервала импульсы входной частоты поступают не на основной счетчик, а на счетчик /01, и только после заполнения этого счетчика ключ К переключается и входные импульсы поступают в основной

счетчик / (на рис. 10-11 для ясности показан механический аналог

бесконтактного ключа).

В счетчик начальной частоты при таком построении прибора

должно быть записано число, соответствующее частоте /02 = fx0 — f01.

В то время, когда входные импульсы поступают в счетчик f01, в ос­

новной счетчик может быть произведена перепись числа /02 из счет­

чика начальной частоты. Таким образом, регистрация числа, запи­ санного в основном счетчике, и подготовка этого счетчика к очеред­

ному измерению должны производиться за время tu /01//Л.

10-3. Масштабирующие узлы частотно-цифровых приборов

При построении цифровых приборов целесообразно стремиться

к получению результата измерения, равного (или кратного) измеряе­ мой величине, выраженной в принятых единицах измерения. Напри­

мер, удобно, если прибор, измеряющий температуру, обеспечивает

цифровые показания непосредственно в градусах Цельсия, а прибор предназначенный для измерения скорости вращения вала, показы­

вает количество оборотов в минуту и т. д.

При измерении частоты путем счета импульсов масштабирование

может осуществляться либо изменением измерительного интервала /„ (т. е. изменением коэффициента деления делителя образцовой частоты),

либо умножением измеряемой частоты / на некоторый коэффициент ftNI

с помощью регулируемого делителя (kM< 1) или умножителя (fcM> 1)

частоты.

Управляемые делители частоты. Как в случае регулировки дли­ тельности измерительного интервала tu, так и в случае умножения измеряемой частоты на регулируемый коэффициент kn необходимо иметь управляемые делители частоты. В качестве таковых можно применять, например, счетчики с переключаемыми обратными свя­ зями. Возможно также использование двоичного счетчика с обратной связью на шину сброса [224 ]. Цепь обратной связи в этом случае пред­ ставляет собой диодную матрицу на определенные коды, выбираемые из условия получения требуемого набора заданных коэффициентов

деления. Изменение коэффициента деления осуществляется переклю­

чением выходов диодной матрицы на шину сброса счетчика. Каждый раз, как код в счетчике достигает значения, соответствующего воз­ буждению данной шины, происходит сброс счетчика на нуль.

Достоинствами подобных делителей являются равномерность сле­ дования импульсов на их выходах и широкий диапазон коэффициента

деления, существенным недостатком — возможность получения лишь

целых значений коэффициента деления (в предельном случае от 1 до

полной числовой емкости делителя ), что снижает плавность регули­

На приведенном рисунке изображен вариант схемы, в котором компоненты //2 и //22 входят в каждую комбинацию. Таким образом, регулировка коэффициента ftMв данном случае возможна в пределах 0,75 — 1 с погрешностью установки менее 0,05%. Такая регулировка

оказывается вполне достаточной для большинства частотно-цифровых приборов с погрешностью 0,1%.

Для удобства установки требуемого значения kMприменены три переключателя /, II и III. Каждый из переключателей управляет им­ пульсами с трех триггеров. Поскольку частоты импульсов соседних триггеров различаются в два раза, то, суммируя в различной комби­ нации импульсы с трех триггеров, можно получить восемь градаций

суммарной частоты. Соответственно каждый из переключателей /,

//, III имеет восемь положений. В первом положении, обозначенном цифрой 0, на выход не пропускается ни одна из частотных компонент

данной тройки триггеров. В последнем положении (цифра 7) на выход поступают все частотные компоненты.

Положение всех трех переключателей обозначается трехзначным числом в восьмеричной системе счисления. При положении переключа­

телей, обозначенном, например, числом 173, коэффициент пересчета делителя

При работе одного прибора с несколькими датчиками каждый раз

при смене датчика переключатели устанавливаются в новое положе­ ние, которое может быть заранее определено при градуировке датчика

и зафиксировано в его паспорте. Наличие масштабирующего блока

позволяет, кроме того, производить корректировку чувствительности прибора непосредственно перед началом измерения.

Необходимо иметь в виду, что при использовании масштабирую­ щего делителя данного типа возможно увеличение в два раза погреш­ ности дискретности вследствие неравномерной расстановки выходных

импульсов делителя. Это обусловлено тем, что импульсы младших

частотных компонент расставляются посредине между импульсами

выходе делителя усугубляется, кроме того, задержками в срабатыва­ нии триггеров. Этот факт заставляет применять в масштабных дели­ телях быстродействующие триггеры. Зная время срабатывания кон­ кретных триггеров, можно подсчитать максимальный объем масштаб­

ного делителя, исходя из предельного случая, когда задержка

импульса с последнего триггера делителя равна периоду входной ча­

стоты.

Наряду с масштабирующими узлами на основе двоичных перемиожителей могут быть построены и узлы с декадными перемножителями

[254], т. е. с использованием для образования частотных компонент

декадных делителей частоты.

Регулируемые умножители частоты практически могут быть вы­ полнены только с обратной связью (см. гл. 11). Для изменения ко­ эффициента умножения в таких умножителях достаточно выполнить регулируемым делитель обратной связи. Некоторая инерционность,

существующая у умножителей с обратной связью, в этом случае ока­

зывается даже полезной, так как способствует более равномерной расстановке выходных импульсов умножителя. В цепи обратной связи

такого умножителя, как правило, кроме управляемого делителя,

имеется неуправляемый делитель, который в значительной степени

уменьшает неравномерность импульсов обратной связи.

10-4. Методы и устройства линеаризации характеристик частотно-цифровых приборов

При конструировании частотного датчика обычно стремятся по­

лучить линейную характеристику, но это далеко не всегда удается сделать. Поэтому при построении частотно-цифрового прибора может возникнуть задача линеаризации. Линеаризация необходима как для индикации и регистрации данных измерения в физических единицах

измеряемого параметра, так и для упрощения последующей обработки

информации: суммирования, усреднения и осуществления других ариф­

метических операций.

Линеаризация может осуществляться либо путем обработки кода,

полученного в результате измерения частоты обычными методами, либо в процессе измерения частоты с помощью функциональных из­

мерительных устройств. Первый метод является универсальным, но

применение его целесообразно лишь в многоканальных измеритель­ ных системах и системах централизованного контроля с использова­ нием цифровых вычислительных машин. Применительно же к частот­

ным системам измерения с малым числом датчиков предпочтительным следует считать второй метод. Упрощая прибор, удается при этом сохранить и такие свойственные цифровым системам достоинства, как высокую точность и цифровую форму памяти исходных данных о ра­ бочей характеристике датчика, необходимых для осуществления ли­ неаризации.

Для получения линейной характеристики прибора требуется вос­

произведение измерительным устройством функции, являющейся об­ ратной по отношению к характеристике датчика. Так, если характе­

ристика датчика имеет вид f = <?(х) = а У х + 6, то частотно-измери­

тельное устройство должно воспроизвести функцию N = qT (/) = = р/а2 — Ь.

Следует заметить, что одновременно с линеаризацией часто произ­

водят также и масштабирование и вычитание начальной частоты. В дан­

ном параграфе описываются как методы собственно линеаризации,

так и функциональные частотно-измерительные устройства с масшта­ бированием и вычитанием начальной частоты.

Методы линеаризации. Воспроизведение измерительным устройст­ вом требуемой обратной функции возможно следующими методами:

]) путем точной реализации в измерительном устройстве требуемой функции с помощью моделирования; 2) путем приближенного вос­ произведения обратной функции на основе ее разложения в степен­ ной ряд и 3) путем приближенного воспроизведения обратной функ­ ции на основе ее кусочно-линейной аппроксимации.

Первый путь имеет ограниченные возможности и связан с построе­ нием так называемых импульсных моделей [232], основанных на число­ импульсном представлении информации в частотно-измерительных

системах. Импульсные модели обеспечивают сравнительно простыми средствами реализацию несложных операций и аналитически задан­

стоянство измеряемого параметра в течение всего времени измерения. При этом, чем выше требуемая точность воспроизведения, тем больше необходимое число измерений [253].

В настоящем параграфе речь пойдет главным образом об устройст­ вах линеаризации, основанных на кусочно-линейной аппроксимации требуемой функции [245], получивших на практике наиболее широкое применение.

Линеаризация путем начальной установки счетчиков измеряемой

и образцовой частот. Если перед измерением в счетчике импульсов

измеряемой частоты и делителе образцовой частоты сделать исходную установку некоторых чисел N01 и N02t то результат измерения будет

связан с частотой линейной зависимостью вида

N = N 01 + I - ( N S - N 02),

/ о

где /о — образцовая частота; ЛГ2 — числовая емкость делителя (счет­

чика) в блоке формирования измерительного интервала. Следова­ тельно, устройство может воспроизводить аппроксимирующую ло­

маную в пределах одного участка (рис. 10-13) при условии, что число

N01 равно значению Л^, отсекаемому на оси N продолжением отрезка

прямой данного участка, a N02 выбрано из условия равенства коэффи­

циента (N2 — N02)Jfo тангенсу угла наклона этой прямой. При от­ рицательном N01 в счетчик импульсов измеряемой частоты вводится число, являющееся дополнительным для Nou т. е. число N ± — N 01, где Nx — числовая емкость счетчика.

Недостатком такого простейшего варианта устройства линеариза­ ции является необходимость двух измерений. При первом измерении

определяется лишь номер i участка воспроизведения, по которому

из блока памяти констант производится ввод данных нелинейности

NQ\ и Nlo2- При втором измерении получается результат, линейно связанный с измеряемым параметром. Необходимым условием пра­

вильной работы является сохранение значения частоты в пределах

данного интервала /., f.+l в течение обоих этапов измерения. Следует,

однако, заметить, что поскольку первое измерение, определяющее лишь номер участка, может быть гораздо менее точным, чем основ­

ное измерение, то и время на это измерение может быть значительно меньше основного измерительного интервала.

Можно также определять номер участка с помощью аналоговой цепи (частотного демодулятора) [235].

Линеаризация путем изменения коэффициента деления делителя

в тракте измеряемой частоты производится в течение одного постоян­ ного по величине измерительного интервала. При этом запоминание

узлов интерполяции аппроксимирующей кривой осуществляется в

виде определенных значений получаемого в счетчике кода (N x, N 2, .), а задание наклонов — в виде дискретных значений коэффициентов

деления делителя, включаемого в тракт следования импульсов изме­ ряемой частоты.

Действительно, если каждый раз, когда число в счетчике возрастает

до значения, соответствующего очередному узлу интерполяции (N l9 No, .), изменять коэффициент деления делителя в тракте импульсов измеряемой частоты в соответствии с наклоном каждого последующего

участка, то устройство будет воспроизводить функцию преобразова­

ния в виде аппроксимирующей ломаной, последовательно переходя с участка на участок. При измерении частоты по периоду управляе­

мый делитель может быть включен в тракт импульсов образцовой ча­

стоты.

Наиболее широкое распространение в функциональных частотно­

измерительных устройствах получили делители типа двоичного пере-

множителя с изменением коэффициента пересчета путем соответствую­ щего набора частотных компонент в комбинации [248].

Особенность аппроксимации функций с применением дискретных

управляемых делителей частоты состоит в том, что в силу дискретно­ сти возможных значений коэффициентов деления наклон отрезков

прямых аппроксимирующей ломаной также может принимать лишь

ряд дискретных значений. Это является источником дополнительных

погрешностей и должно учитываться при разбивке аппроксимируе­ мых кривых на участки. Некоторые рекомендации по этому вопросу

Возможна и несколько иная реализация устройства — с использо­ ванием двоичного или декадного перемножителя. В этом варианте устройства первоначально записывают число, пропорциональное из­

меряемой частоте, в счетчик, управляющий ключами частотных компонет перемножителя. Затем измеряемая частота подается на вхоц

перемножителя, и импульсы с его выхода подаются в течение измери­

тельного интервала на основной счетчик прибора. Если принять во

внимание, что выходная частота перемножителя пропорциональна числу, записанному в счетчике, управляющем ключами частотных

компонент, то нетрудно увидеть, что показания прибора пропорцио­ нальны квадрату измеряемой частоты.

Для иллюстрации возможных вариантов применения описанного

квадратирующего частотно-измерительного устройства можно при­ вести пример его использования в схеме цифрового измерителя моле­

кулярного веса газов с электроакустическим резонатором (см. § 6-1). Для осуществления температурной коррекции в качестве образцовой

частоты используется выходная частота fT такого же датчика, но за­

полненного газом постоянного состава. Если измерить отношение

частот f7/f с помощью описанного выше устройства, то показания при­

бора будут

Я -гяе 4/?М, = *!• г-'и М = А,М,

где klt А3 — постоянные коэффициенты.

Таким образом, в данном случае частотно-измерительное устрой­ ство производит коррекцию температурной погрешности и выполняет

функциональные преобразования, необходимые для получения от­

счета, пропорционального молекулярному весу газовой смеси.

Способы воспроизведения обратно пропорциональной зависимости. В практике частотных измерений нередки случаи, когда датчик имеет характеристику f = ft/x или же линейную характеристику f = kxf но из соображений обеспечения необходимого быстродействия при­ меняется метод измерения частоты по периоду. Для получения про­ порциональной шкалы в этих случаях требуется дополнить измери­ тельное устройство блоком, который должен воспроизводить функцию вида х = \/kT

Как известно, операция деления в цифровой технике наиболее

сложна и требует специальной аппаратуры, применение которой оп­

равданно лишь в вычислительных машинах или системах централи­ зованного контроля, где одни и те же элементы используются для выполнения множества операций.

Несколько более простое решение и также с использованием средств цифровой техники предложено в работе [215]. Метод основан на том, что если число N T, пропорциональное периоду, суммировать с самим

собой до получения постоянной заданной величины NSf то число сло­

жений Nf и будет пропорционально частоте. Операция сложения вы­

полняется с помощью обычных накапливающих сумматоров. Не-

смотря на замену деления операцией сложения, метод остается до­ вольно громоздким и сложным в отношении схемного исполнения.

Дальнейшее упрощение схемы устройства воспроизведения об­ ратно пропорциональной зависимости возможно при использовании для этой цели средств импульсного моделирования [232].

Вариант устройства, реализующего алгоритм деления, основан­ ный на вычитании делителя из делимого до получения остатка, мень­ шего, чем делитель, предложен в работе [254].

10-6. Стабилизация показаний частотно-цифровых приборов

Частотно-цифровым приборам, в которых результат измерения

определяется количеством импульсов, поступивших в счетчик за из­ мерительный интервал, свойственна погрешность дискретности, рав­

ная одному импульсу. Эта погрешность обусловлена случайным рас­

положением во времени импульсов измеряемой частоты относительно

импульсов, определяющих измерительный интервал. Наличие по­

грешности дискретности приводит к неопределенности и неоднознач­ ности показаний, проявляющихся в том, что при неизменной изме­ ряемой величине результаты нескольких последовательных измерений

могут различаться на единицу младшего разряда счетчика. Синхронизация измерительного интервала и входных импульсов.

Для стабилизации показаний частотно-цифровых приборов иногда

можно применить синхронизацию счетных импульсов и импульсов

образцовой частоты. Например, можно производить ударное возбуж­

дение генератора образцовой частоты первым импульсом измеряемой частоты, пришедшим после сигнала на разрешение измерения. Если

образцовая частота, задающая измерительный интервал, много больше измеряемой частоты, то в некоторой мере можно также синхронизи­ ровать начало измерительного интервала с импульсами измеряемой

частоты путем построения схемы таким образом (рис. 10-15), чтобы

по сигналу «начало измерения» открывался ключ fÇlt пропускающий импульсы измеряемой частоты fx на вход счетчика, и первый же из этих импульсов разрешал начало отсчета измерительного интервала,

т.е. пропускал на делитель импульсы образцовой частоты /0. Стабилизация показаний путем введения дополнительной декады,

состояние которой не выводится на отсчетное табло (рис. 10-16). Если одновременно со сбросом на нуль основного счетчика производить установку дополнительной декады в состояние, соответствующее числу 4 или 5, то погрешность дискретности основного счетчика при этом уменьшается до половины единицы младшего отсчетного разряда и

исчезает неопределенность отсчета. Естественно, для того чтобы при

введении дополнительной декады сохранить прежнее показание на отсчетном табло прибора, необходимо увеличить в 10 раз измеритель­ ный интервал. В зависимости от того, сбрасывается ли дополнитель­ ная декада на 5 или на 4, производится округление в большую или меньшую сторону.

При введении дополнительной декады вероятность появления не­ однозначности отсчета уменьшается в 10 раз. Действительно, неодно­ значность проявляется теперь в дополнительной декаде, не выведен­ ной на отсчет, и только когда в дополнительной декаде перемежаются при последовательных измерениях числа 9 и 0, неоднозначность рас­ пространяется и на основной счетчик. Неоднозначность можно устра­

нить полностью, устанавливая в дополнительной декаде число 4, если

после предыдущего измерения в ней было число, большее четырех

(5, 6, 7, 8, 9) и устанавливая число 5, если в дополнительной декаде было число, меньшее пяти (0, 1, 2, 3, 4).

Возможна стабилизация показаний и при снижении быстродейст­ вия не в 10, а в 4 раза. В этом случае вместо дополнительной декады используется счетчик на 4 (два после­ довательно соединенных триггера) и в этом счетчике устанавливается перед измерением число 1, если в нем в ре-

устанавливается число 2, если были записаны числа 0 или 1.

Наконец, можно в качестве дополнительного счетчика использо­

вать всего один триггер. Однако для стабилизации показаний в этом

случае необходимо реализовать более сложный алгоритм, а именно:

после окончания измерительного интервала на вход дополнительного триггера подается один импульс, если младший триггер основного

счетчика после данного измерения оказался не в таком состоянии,

в каком он был после предыдущего измерения. Если же состояние младшего триггера основного счетчика не изменилось, то импульс не подается.

Дополнительный триггер, так же как и основной счетчик, перед

каждым очередным измерением устанавливается в состояние 0. В схему

прибора при реализации этого способа стабилизации показаний вво­ дится, кроме триггера, выполняющего роль дополнительного счетчика,

еще триггер памяти, хранящий информацию о состоянии младшего

триггера основного счетчика, в котором тот был после окончания пре­ дыдущего измерения.