- •4. Измерение мощности
- •4.1. Общие сведения и классификация методов и приборов для измерения мощности
- •4.2. Измерение мощности в цепях постоянного и переменного тока
- •4.3. Измерение поглощаемой мощности на высоких и сверхвысоких частотах
- •4.3.1. Тепловые методы
- •4.3.2. Электронные методы
- •4.4. Измерение проходящей мощности
- •4.4.1. Метод с использованием направленных ответвителей и зондов
- •4.4.2. Метод поглощающей стенки
- •4.4.3. Метод с использованием эффекта холла
- •4.4.4. Пондеромоторный метод
- •5. Измерение частоты и интервалов времени
- •5.1. Общие сведения и классификация приборов для измерения частоты и интервалов времени
- •5.2. Резонансные частотомеры
- •5.3. Цифровые частотомеры
- •5.3.1. Типовая структурная схема и основные параметры цифрового частотомера
- •5.3.2. Цифровые частотомеры низких и высоких частот
- •5.4. Измерители интервалов времени
5.4. Измерители интервалов времени
Интервал времени, определенный в § 5.1 как время, истекшее между моментами двух событий, характеризует в общем случае расстояние по оси времени между двумя характерными моментами одного или разных процессов. Это могут быть период гармонических или близких к ним сигналов, период повторения импульсов, длительность импульса и его фронтов, интервал времени между различными импульсами (например, основным и задержанным) и т. п. Поэтому в технике измерения интервалов времени приходится сталкиваться с задачами измерения как очень малых значений Δtx (единицы пикосекунд), так и весьма больших (например, 105 с). Кроме того, измеряемые интервалы времени могут быть как повторяющимися, так и однократными. Поэтому приборы подгруппы Ч лишь частично решают задачу измерения Δtx, и необходимы специализированные измерители интервалов времени (ИИВ), образующие, как уже указывалось, вид И2 и называемые иногда хронометрами.
При измерении Δtx, как и при измерении fx, могут быть реализованы методы прямого преобразования и сравнения. Однако если при измерении fx метод прямого преобразования, реализуемый с помощью ЦЧ, является доминирующим, то при измерении Δtx часто используется и метод сравнения.
Измерение Δtx методом прямого преобразования
При измерении Δtx реализуются две модификации метода прямого преобразования: метод осциллографических разверток и метод преобразования Δtx в цифровой код. Метод осциллографических разверток будет рассмотрен в главе 7, а метод преобразования Δtx в цифровой код уже рассмотрен в § 5.3.1 как один из режимов работы ЦЧ. Одним из основных ограничений, препятствующих прямому применению ЦЧ в качестве ИИВ, является погрешность дискретности, требующая для своей минимизации, согласно (5.9), выполнения соотношения Δtx>>T0. При повторяющихся интервалах это можно обеспечить за счет увеличения времени счета в 10™ раз и последующего усреднения результатов измерений. В случае же однократных интервалов этот путь неприемлем. Поэтому в ИИВ реализуются дополнительные методы расширения диапазона измеряемых Atx в сторону малых значений. Основными из них являются стробоскопический (см.гл. 11) и нониусный.
Стробоскопический метод обеспечивает временное разрешение порядка пикосекунд. Нониусный метод заимствован из техники измерения линейных размеров и основан на сравнении абсолютных значений двух монотонных функций времени, скорости изменения которых отличаются на небольшую величину. Рассмотрим в качестве примера структурную схему ИИВ, показанную на рис. 5.7, которая дополнена по сравнению с базовой схемой рис. 5.2 генератором нониусных импульсов (ГНИ), вторым селектором и нониусным счетчиком.
Опорный импульс Δtx, сформированный ФУ1, запускает ГСчИ и открывает через триггер Т1 селектор 1. Начинается счет импульсов ГСчИ, следующих с периодом То. Интервальный импульс Δtx, сформированный ФУ2, возвращает Т1 в исходное положение. Селектор 1 закрывается, и основной счетчик фиксирует число N, равное целому числу периодов То. Кроме того, интервальный импульс запускает ГНИ и через Т2 открывает селектор 2. Начинается счет нониусных импульсов, которые, кроме того, вместе со счетными импульсами поступают на входы СС. Если период следования нониусных импульсов Гн выбрать равным Тн=α То, где α <1, то с течением времени интервал между соседними импульсами счетной и нониусной последовательностей уменьшается и наступает момент совпадения их на входах СС. Схема срабатывает, и ее выходной импульс возвращает Т2 в исходное состояние. Селектор 2 закрывается, и нониусный
Рис. 5.7. Структурная схема ИИВ с нониусным счетчиком.
счетчик фиксирует число п. Благодаря связи ОУ с обоими счетчиками значение N фиксируется в старших разрядах ОУ, а п — в младших.
Описанный процесс наглядно поясняется временными диаграммами, приведенными на рис. 5.8. Видно, что погрешность дискретности в данном примере равна 0,8 То, и для ее устранения (определения дробной части Δtx) потребовалось 9 нониусных импульсов, следующих с периодом Тн=0,9 То. Этому соответствует цена деления нониуса Сн= (1 - 0,9) То = 0,1 То. Таким образом, в общем случае
Δtx = NТо +(n - 1)Сн (5.10)
Рис. 5.8. Временные диаграммы, характеризующие работу ИИВ с нониусным счетчиком.
где (n - 1) - число интервалов между нониусными импульсами, определяемое дробной частью Δtx, а Сн=(1- α)Тo. Для десятичной системы счисления Cн=Tо/10k , где k — число дополнительных десятичных разрядов, получаемых с помощью нониуса. Поэтому соотношение (5.10) может быть записано окончательно как
Δtx =(N+(n-1)/10k) (5.11)
Из (5.11) видно, что к параметрам импульсов ГНИ и ГСчИ должны предъявляться весьма жесткие требования. Если, например, k = 2, то Сн=0,01 То и а=0,99. Нестабильность То может привести при большом числе п к появлению ложных совпадений. Ложные совпадения могут появиться и при длительности импульсов ГНИ и ГСчИ больше То /10k.
Измерение Δtx методом сравнения
Для реализации метода сравнения необходимо иметь образцовую меру—источник временных сдвигов (ИВС) Δto, с которыми сравнивается измеряемое значение Δtх. Наиболее распространен при измерении Δtx нулевой метод, базирующийся на применении в качестве ИУ осциллографа. Таким образом, с помощью осциллографических разверток можно реализовать как метод прямого преобразования, так и метод сравнения. Ограничимся в связи с этим рассмотрением одного из распространенных вариантов построения ИВС.
Рис. 5.9. Структурная схема ИВС.
Как видно из структурной схемы рис. 5.9, ИВС позволяет получить два импульса с регулируемым временным сдвигом Δtо между ними. Первым (запускающим) импульсом запускается исследуемое устройство, а вторым (задержанным) импульсом — ждущая развертка осциллографа. Оба импульса формируются из колебаний кварцевого генератора с помощью делителя частоты, трех блоков задержки и двух селекторов. Коэффициент деления определяет период следования выходных импульсов ИВС. С помощью селектора 1 осуществляется дискретная задержка первого импульса Δtо, а с помощью селектора 2 - задержка второго импульса Δtо. Задержка производится путем выбора нужных импульсов из опорной последовательности импульсов генератора в соответствии с установленными значениями τз1, и τз2. Для дальнейшего уменьшения дискретности (например, до 1 не) и плавного изменения Δtо в этих пределах предназначен третий блок задержки, имеющий τз3 = var.