Измерение интервалов времени

Измерение интервалов времени осуществляется цифровой электроникой. Основу любого электронного секундомера составляет генератор опорных частот ГОЧ, который выполняет функцию электронного маятника. В состав ГОЧ входит электрический колебательный контур (рис. 23), включающий

Рис. 23. Колебательный контур

конденсатор С и катушку индуктивности L, к которым подведено напряжение U. Известно, что при этом пластины конденсатора быстро заряжаются. Затем они начинают периодически перезаряжаться через катушку L, меняя заряд конденсатора так, что напряжение на них будет изменяться по закону синуса.

Период Т собственных незатухающих колебаний в контуре определяется по формуле Томсона:

, [c] (2.14)

Частота собственных колебаний контура будет равна:

, [Гц] (2.15)

Таким образом, частота, с которой будет меняться напряжение U на пластинах конденсатора, зависит от его емкости С и величины индуктивности катушки L. Для того чтобы повысить стабильность частоты собственных колебаний контура, сделать её не зависимой от внешних факторов, параллельно колебательному контуру включают кристалл кварца К. Его подбирают так,

Рис. 24. Колебательный контур с кристаллом кварца

чтобы собственная частота колебаний электронов в кристаллической решетке кварца совпадала с частотой собственных колебаний контура (рис. 24). Как известно, при этом наступает явление резонанса, т.е. резкое возрастание амплитуды колебаний силы тока в колебательном контуре, а

вместе с ним происходит и стабилизация частоты  колебаний контура.

Теперь познакомимся с работой электронного секундомера, типовая схема которого представлена на рис. 25. Как уже было отмечено выше основой «маятником» электронного секундомера является генератор опорных частот (ГОЧ), содержащий кварцевый резонатор с колебательным контуром и кристаллом кварца К. Генератор опорных частот ГОЧ за одну секунду вырабатывает на своем выходе (точка А) 10000 стабильных по времени импульсов. Или другими словами, на своем выходе ГОЧ вырабатывает электрические импульсы с частотой 10000 Гц.

Рис. 25. Функциональная схема электронного секундомера

В состав электронного секундомера входят делительные декады ДД1 – ДД4. Принцип их работы заключается в том, что они циклически считают поступающие на вход импульсы до десяти, и каждый десятый импульс счетная декада отправляет на свой выход. Поэтому, если на вход первой делительной декады ДД1 (в точке А) поступает 10000 импульсов в секунду, то на её выход (в точку Б) отправляется в секунду уже 1000 этих импульсов.

Таким образом, каждая делительная декада делит входящую в неё последовательность электрических импульсов на десять, образуя на выходе второй делительной декады ДД2 (в точке В) частоту следования импульсов 100 Гц, на выходе третьей делительной декады ДД3 (в точке Г) – 10 Гц, и на выходе четвертой делительной декады ДД4 (в точке Д) – 1 Гц.

Еще одним важным элементом любого электронного секундомера являются счетные декады. В нашем примере (рис. 25) их четыре: СчД-1  СчД-4. Каждая счетная декада имеет вход, на который подаются электрические импульсы, выход, для каждого десятого электрического импульса, а также вход для обнуления счетной декады (показан кружочками в центре каждой счетной декады).

Эти декады соединены последовательно, справа налево, так, что выход каждой предыдущей счетной декады соединен со сходом следующей счетной декады. От делительных декад ДД счетные декады СчД отличаются тем, что они имеют дисплеи, на которых отображается результат счета поступивших в декаду импульсов от 0 до 9. Каждый десятый импульс СчД передается соседней (стоящей слева) счетной декаде, а эта СчД обнуляется и продолжает счет.

Для выполнения измерений интервалов времени необходимо выбрать нужную точность измерения, нажав на одну из кнопок Кн. «1000 Гц»  Кн. «1 Гц» и одновременно нажать на кнопку «Замер». Электрические импульсы начнут поступать от делителей ДД на вход счетных декад СчД.

Для измерения интервалов времени с точностью до 0,001 секунды необходимо нажать кнопку «1000 Гц». В этом случае на интервале времени равном 1 секунде на вход счетных декад поступит ровно одна тысяча импульсов, которая отобразится на дисплеях СчД.

Например, при включенной кнопке «1000 Гц» на дисплее счетных декад отображено число 3782. Это означает, что измеренный интервал времени составляет Т = 3,782 секунды. Если при включенной кнопке «100 Гц» на дисплее счетных декад отображено число 5293. Это означает, что измеренный интервал времени составляет Т = 52,93 секунды.

Абсолютная погрешность измерения интервалов времени зависит от того, какую частоту  импульсов вырабатывает на своем выходе генератор опорных частот ГОЧ и сколько в измеренном интервале времени секунд. В нашем примере, абсолютная погрешность измерения интервала времени равна:

Δt  T =  =0,0001 N с. (2.16)

где T – количество секунд в измеренном интервале времени

Из выражения (2.16) видно, что чем больше тактовая частота  генератора ГОЧ, тем точнее измерение интервала времени.

Относительную погрешность измерения интервала времени Т, [c] определим из формулы:

(2.17)

Обнуление результата измерения осуществляется нажатием кнопки «Сброс». При этом первый же импульс, поданный на вход для обнуления счетной декады (показан кружочками в центре каждой счетной декады), обнулит дисплеи всех счетных декад, подготовив их тем самым для проведения повторных измерений временных интервалов.