1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЯ ВРЕМЕННЫХ ИНТЕРВАЛОВ

1.1. Принцип действия измерителей

Временные интервалы могут задаваться различными способами, однако в радиоэлектронике они чаще всего задаются длительностью одного прямоугольного импульса или же ограничиваются короткими начальным и конечным (стартовым и стоповым), которые могут поступать на вход измерителя по одному или двум каналам. В связи с этим изменяется характер входного устройства, структурная же схема измерителя, как и метод измерения, практически одинаковы для всех случаев цифрового измерения интервалов времени. На рис. 1.1 показана структурная схема измерителя временных интервалов, ограниченных короткими импульсами начала и конца, поступающими на вход измерителя по двум каналам.

Интервал времени , заданный любым способом, разбивается на элементарные интервалы  (кванты), образуемые с помощью высокостабильного генератора импульсов. Число  этих элементарных интервалов подсчитывается счетчиком.

Таким образом, измеряемый интервал времени равен

                                                            (1.1)

где  — период следования импульсов генератора стабильной частоты .

Результат измерения временного интервала получается с погрешностью, которая может быть определена на основании (1.1).

Предельное значение относительной погрешности равно

,

где  – относительная погрешность дискретности;

 — относительная погрешность, вызванная нестабильностью частоты  генератора импульсов.

Так как , то погрешность дискретности составит

,

а предельное значение общей погрешности измерения интервала будет равно

                                           (1.2)

Описанный метод измерения осуществляется с помощью измерителя, структурная схема которого показана на рис. 1.1.

Поступившим старт-импульсом триггер Т переводится в единичное состояние, что обусловливает открытие вентиля для прохождения импульсов от генератора стабильной частоты  на счетчик СТ. Через время  стоп-импульсом вентиль закрывается, доступ импульсов от  на счетчик прекращается. Если старт- и стоп-имлульсы поступают по одному каналу, то они подаются на счетный вход триггера.

Если измеряемый интервал  задан длительностью прямоугольного импульса, то последний поступает на специальное формирующее устройство, с помощью которого получаются короткие импульсы, ограничивающие временной интервал.

Используя формирующие устройства, можно с помощью измерителя временных интервалов измерять период электрических колебаний или период следования импульсов. В первом случае формирующее устройство должно преобразовать период колебаний  в интервал времени, равный этому периоду и ограниченный двумя короткими импульсами. При этом формирующее устройство может явиться источником погрешности, вызванной нестабильностью уровня формирования интервала, равного периоду  [11, 32, 34]. При измерении периодов электрических колебаний в формирующем устройстве обычно имеется амплитудный дискриминатор (например, триггер Шмитта), с помощью которого период  преобразуется в импульсы начала и конца интервала, равного . При наличии помех, в частности импульсных, возможно изменение момента срабатывания этого дискриминатора, что приведет к искажению длительности формируемого интервала . Полученная погрешность тем меньше, чем больше амплитуда исследуемого сигнала.

Как показано в [32], предельное значение погрешности, вызванной формирующим устройством из-за помех, искажающих уровень формирования, определяется выражением

,

где  и  — амплитуды помехи и сигнала соответственно.

При соотношении сигнал — помеха, равном 40 дБ, возможная погрешность  может составить около 0,3%. При измерении периода следования импульсов погрешность  обычно не учитывается. Вообще чем больше крутизна импульсов, ограничивающих измеряемый интервал, тем меньше погрешность из-за помех в формирующем устройстве.

С целью уменьшения погрешности дискретности при измерении периодов электрических колебаний, а также периодов следования импульсов производят измерение среднего из  периодов. Это осуществляется путем счета импульсов образцовой частоты в течение  периодов с последующим делением показаний счетчика на . Для этого в структурную схему измерителя добавляется счетчик числа периодов и устройство деления показаний на . Обычно число  делают равным 1, 10, 100 и т. д. Поэтому деление осуществляется переносом запятой в показаниях счетчика. Понятно, что при этом емкость счетчика увеличивается также в  раз.

При измерении среднего из  периодов относительная погрешность измерения (предельная) составит [11, 32, 34]:

а) для синусоидального сигнала

;

б) для импульсного сигнала при достаточной крутизне фронтов импульсов

,

где    — число периодов, выбранных для усреднения;

 — измеряемый период;

 — частота заполняющих счетных импульсов;

 — погрешность, вызванная нестабильностью формирующего устройства.

 

 


Погрешность дискретности, возникающая при измерении интервалов времени (а также периодов синусоидальных сигналов или следования импульсов) является следствием несовпадения импульсов генератора образцовой частоты и импульсов начала и конца интервала. Она равна ±1 (), чему соответствует время . Для уменьшения этой погрешности применяют различные способы, один из которых заключается в принудительной синхронизации генератора образцовой частоты с импульсом начала интервала. На рис. 1.2 показана схема измерителя периодов электрических колебаний с синхронизацией генератора.

Пуск прибора производится с помощью одновибратора , служащего для формирования импульсов с необходимыми параметрами, и триггера . Формирующее устройство  формирует импульсы одной полярности, соответствующие началу и концу измеряемого периода . Первым импульсом через открытый вентиль и триггер со счетным входом  запускается генератор ударного возбуждения , и импульсы начинают поступать на счетчик . Импульсом конца периода триггер  возвращается в исходное состояние, что приводит к запиранию вентиля и срыву генерации . Счетчик отсчитывает число импульсов , пропорциональное .

Обеспечить каким-либо способом синхронизацию  с импульсом, конца интервала не представляется возможным.

Другим способом уменьшения погрешности дискретности при измерении интервалов времени является использование нониусной шкалы. Нониусные шкалы, образуемые импульсами дополнительных генераторов ударного возбуждения, дают возможность уменьшить погрешности, вызванные несовпадением начала и конца интервала с импульсами генератора образцовой частоты [11, 34].

1.2. Пример расчета измерителя временных интервалов

Приступая к проектированию, разработчик должен иметь в качестве исходных следующие основные требования к измерителю временных интервалов:

1)   диапазон измеряемых интервалов  и ;

2)   основная погрешность измерения или класс точности;

3)   характеристика отсчетного устройства.

Кроме того, должно быть известно, как поступают па вход измерителя интервалы (однократно или повторяются с определенной частотой), а также как задаются или ограничиваются измеряемые интервалы.

Если интервалы задаются импульсами начала и конца, то должны быть указаны характеристики этих импульсов (амплитуда и полярность, длительность и крутизна переднего и заднего фронтов). Если интервал задан в виде прямоугольного импульса, то должны быть также заданы амплитуда, полярность и крутизна фронтов. При измерении периода электрических колебаний должна быть известна амплитуда этих колебаний. Должны быть также известны или заданы условия эксплуатации прибора. Могут быть также заданы его габариты и масса, источники питания и т.д. В задании может быть указана степень автоматизации прибора (выбор пределов измерения, выход на печатающее устройство и т. д.).

Пусть заданы:

1)   диапазон измеряемых интервалов времени, задаваемых импульсами начала и конца интервала — 1×10–3 до 10 с;

2)   погрешность измерения — не более 0,1% от измеряемого интервала.

Результат измерения следует представить в десятичном коде с помощью цифрового отсчетного устройства.

В результате расчета мы должны получить необходимую частоту  генератора импульсов , а также емкость десятичного счетчика и число знаков в цифровом отсчетном устройстве.

Посмотрим сначала, что получится, если диапазон временных интервалов  не разбить на поддиапазоны (пределы). Частоту  генератора можно получить, исходя из (1.2) и заданной допустимой погрешности.

При измерении не очень коротких интервалов времени (порядка нескольких миллисекунд и более) основной погрешностью является погрешность дискретности . Погрешность , обусловленную нестабильностью генератора, можно сделать малой (менее 1×10–5), если генератор стабилизирован кварцем. Поэтому этой погрешностью во многих случаях можно пренебречь по сравнению с погрешностью дискретности. Если же погрешностью  пренебречь нельзя, то можно принять с некоторым запасом =(0,5 ¸ 0,7) , где  — допустимая погрешность, равная в нашем примере 0,1%. Так как наибольшая относительная погрешность дискретности имеет место при измерении самого короткого интервала времени, то мы должны обеспечить

,

откуда, приняв , будем иметь

Гц.

Полученное значение Гц является минимальной частотой, при которой погрешность измерения не выходит за пределы допустимой. Если нет ограничений по частоте сверху, например из-за недостаточного быстродействия первых ячеек счетчика или других элементов, то окончательно частота генератора может быть выбрана несколько большей. Правда, при этом увеличивается также емкость счетчика импульсов.

Число разрядов в счетчике определяется из заданной погрешности измерения, точнее из заданной погрешности дискретности. Для десятичного счетчика число разрядов (декад)  равно

.

Имея в виду, что

,

а также приняв  получим

,

т.е. для обеспечения заданной точности в счетчике и отсчетном устройстве должны иметься три полные и одна неполная декада. При измерении минимального интервала () на счетчик поступит 2000 импульсов. Однако при измерении наибольшего интервала , равного 10 с, на счетчик может поступить  импульсов:

Для того чтобы записать это число, необходимо более 7 десятичных разрядов (декад).

Конечно, относительная погрешность дискретности при измерении больших интервалов будет меньше, чем при измерении малых интервалов. Однако не следует забывать, что общая погрешность измерения складывается из суммы погрешностей: методической (погрешности дискретности) и инструментальной. Инструментальная погрешность, в которую входит  и другие возможные составляющие, от числа разрядов (уровней дискретизации) не зависит. Следовательно, увеличивая число разрядов, необходимого увеличения точности можно и не получить. Поэтому не имеет смысла увеличивать емкость счетчика, на что требуется дополнительное оборудование. Кроме того, при большом числе знаков в отсчетном устройстве создается иллюзия высокой точности, хотя на самом деле несколько последних цифр являются сомнительными.

Соображения, изложенные выше, являются причиной тому, что при измерении какой-либо величины, изменяющейся в широком диапазоне, последний для удобства отсчета разбивают на ряд поддиапазонов (пределов) с коэффициентом перекрытия, равным 10, хотя основанием для выбора числа пределов служит другой критерий — допустимое возрастание относительной погрешности к началу каждого поддиапазона.

Разобьем весь диапазон измеряемых интервалов на 4 предела с соответствующим делением частоты образцового генератора , как оказано в таблице.

 

Поддиапазоны, с

1×10–3-1×10-2

1×10-2-1×10-1

0,1-1

1-10

Образцовая частота, Гц

2×106

2×105

2×104

2×103

 

Теперь в каждом диапазоне максимальное число импульсов, поступающих на счетчик, будет не более 2×104. Следовательно, счетчик должен иметь четыре полные и одну неполную декады. Максимальное число, которое может быть установлено в отсчетном устройстве, будет равно 19999. Старшая (неполная) декада должна содержать только лишь один элемент с двумя устойчивыми состояниями («0» и «1»).

Функциональная схема измерителя интервалов, имеющего четыре предела, показана на рис. 1.3.

Измеряемый интервал, заданный двумя импульсами («Старт» и «Стоп») поступает по двум каналам, на формирующие устройства , с помощью которых устанавливаются соответствующие амплитуда, длительность и крутизна входных импульсов. После нажатия на кнопку «Пуск» происходит общий сброс. Одновременно с помощью одновибратора  триггером  открывается вентиль . Схема готова к измерению. Импульсом начала интервала («Старт») с помощью триггера  вентиль  открывается для пропуска счетных импульсов от генератора образцовой частоты  на счетчик . В зависимости от длительности интервала  измерение осуществляется на одном из выбранных пределов (I, II, III и IV), переключаемых вручную или автоматически. Делитель частоты состоит из трех пересчетных декад , с помощью которых частота генератора (2 МГц) делится соответственно на 10, 100 и 1000. Счетные импульсы после делителя проходят через соответствующие вентили (, , , ) и схему сборки  на счетчик импульсов .

Приход импульса конца интервала («Стоп») запирает вентиль , прекращая тем самым доступ счетных импульсов к счетчику. Одновременно с помощью триггера  запирается вентиль . На этом заканчивается цикл измерения. В схеме не показаны многие вспомогательные узлы и элементы (переключатели, инверторы, усилители входных сигналов и т.д.), которые необходимы для нормальной работы прибора.

 

 

 



При проектировании измерителей временных интервалов, кроме генератора образцовой частоты, расчету подлежит также входное формирующее устройство. Остальные узлы и элементы обычно выбираются по их характеристикам с соответствующим согласованием параметров. Что же касается генератора образцовой частоты, то для его подробного расчета необходимо задать номинальную частоту  и ее стабильность , а также амплитуду, форму и длительность выходных импульсов. Такой расчет можно произвести по известным методам [3, 21, 23, 25].

В заключение следует отметить, что измерители временных интервалов редко выпускаются промышленностью в виде отдельных приборов. В целях более эффективного использования дорогостоящих узлов (например, кварцевого генератора) промышленность выпускает измерительные установки, которые при соответствующих переключениях могут использоваться как измерители частоты, периода, временных интервалов, длительности импульсов и т.д.

 

Теория | Практикум | Контроль знаний | Об авторах