книги / Методы и устройства цифрового измерения низких и инфранизких частот
..pdf(положение 2) и режима счета числа импульсов (положение 3). Во всех этих режимах работы заторможенный многофазный муль тивибратор Д блока БАУ осуществляет все операции, требуемые для индикации нового результата измерения, подготовки к новому циклу работы и очередного запуска.
Работа прибора всегда начинается из исходного положения, в качестве которого при измерении частоты принято «00000, кгц», при измерении периода — «00,000 мсек» и при счете числа им пульсов — «00,000 к». В дальнейшем БАУ производит все необ ходимые переключения, требуемые для определения оптимального предела измерения без потери точности и быстродействия, указа ния единиц измерения и порядка полученного числа.
Режим измерения частоты. Перед началом очередного измере ния триггером Тг3 запускается Д, на выходе которого образуются четыре сдвинутых во времени импульса. Импульсом с выхода 1 производится установка триггеров УОП в исходное состояние, с выхода 2 — считывание нового результата измерения с триггеров МСИ и Тг, с выхода 3 — приведение всех узлов БАУ, указанных на схеме, в исходное состояние, с выхода 4 — запуск БАУ для выполнения очередного измерения. Импульс с выхода 4 включает Тг, УТг, 7г3 и Гг4. Первый импульс с выхода F прибора включает Тг и 7г3, включающий Я24. На вход ДЧ1 поступают импульсы ГОЧ. После подачи сотого импульса на выходе ДЧ2 появляется импульс, который включает 7г4 через Й2з. Так как Ив открыта, то с этого момента параллельно процессу деления с помощью ДЧi—ДЧэ идет процесс счета числа импульсов, сформированных с помощью F. Если к моменту появления импульса на выходе схемы И\ь> которая в исходном состоянии удерживается открытой потенциалом вклю ченной первой ячейки Р, схема И2 ни разу не включалась, то на вход МСИ прошло меньше 1900 импульсов. Поэтому выходной импульс ДЧ3 через И&, ИЛИи # 4 и поступает на вход распре делителя Р и переводит его в положение 2. Схема И\ь закрывается, И14 открывается, а интервал квантования увеличивается с 1 мсек до 10 мсек. Если к моменту появления импульса на выходе Я14 схема И2 по-прежнему не включилась, Р перейдет в положение 3, выключит # 14 и включит Иis, а интервал квантования вновь будет увеличен в десять раз и станет равным 100 мсек. Такое автомати ческое увеличение интервала квантования БАУ будет выполнять до тех пор, пока в МСИ не будет записано число 1900. В этот мо мент открывается Иъ и импульс с выхода схемы включит Тгi, который в свою очередь выключит Я4 и включит И5, а поэтому оче редной импульс ОМВ с выхода HJlHi вернет в исходное состояние 7г3 и Тгtu прекратит процесс квантования и произведет очередной
запуск Д.
Если до перехода Р в положение 7 схема И2 так и не откроется, то измерение fx будет проходить на самом нижнем пределе. Вслед ствие этого число знаков отсчета будет неполным, причем после перехода Р в положение 7 включится триггер Тг| и схема Я5, а # 4 выключится. Поэтому импульс переполнения ДЧ9, обозначающий-
конец интервала квантования Гк=1000 сек, проходит через ИЛИи Иъ и ИЛИ3 на установочные входы Тг3 и Тг4, процесс квантования автоматически прекращается, а Д запускается.
Если в течение минимального интервала квантования, равного 1 мсек, на вход МСИ пройдет более 19999 импульсов, то 20 000 импульс возвращает триггеры МСИ в исходное состояние, а им пульс с выхода Тг5 через П\ включит ТгП. Последний при считы вании результата измерения обеспечит указание переполнения с помощью, индикатора Л и заблокирует цепь питания цифровых индикаторов при одновременном запрещении считывания информа ции с МСИ в УОЛ. Включение индикатора Я указывает на то, что действительное значение частоты больше 19999 кгц и не может быть измерено данным прибором.
Процесс переключения пределов рассмотрим на примере изме рения значения частот 990 и 1010 гц. Сразу же после появления импульса на выходе ДЧ2 включается Тг4, открывается Я8, и МСИ начинает подсчет числа импульсов fx. Начиная с этого момента, через 1 мсек появится импульс на выходе ДЧ3, через 10 мсек — на выходе ДЧь через 100 мсек — на выходе ДЧъ и т. д. Количество импульсов, которое пройдет на вход МСИ, неодинаковое и будет изменяться так, как показано в табл. 1-3.
Т а б л и ц а 1-3
По- |
|
Число Л \ |
записанное |
|
ло- |
П редел измерения, кгц |
п М С И , кгц |
||
же- |
|
|
|
|
ние П , |
|
900 гц |
|
1010 гц |
|
|
|
||
1 |
01900,-19999, |
ООООО, |
|
00001, |
2 |
01900— 1999,9 |
0000,9 |
|
0001,0 |
3 |
019,00—199,99 |
000,99 |
|
001,01 |
4 |
01,900—19,999 |
00,990 |
гц |
01,010 |
|
0190,0—1999,9 гц |
0990,0 |
1010,0 гц |
После перехода Р в положение 5 очередной импульс ОМВ при останавливает квантование измеряемой частоты и запускает Д. Нетрудно заметить, что в обоих случаях предел измерения один и тот же, а погрешность квантования близка к приведенной, рав ной ±0,01%.
Если не принимать предусмотренных на схеме мер, то при измерении 1010 гц к моменту прихода импульса об окончании интервала Гк—1000 мсек в МСИ будет зафиксировано прохожде ние 1000-го импульса, что исключит возможность дальнейшего уменьшения предела измерения. При измерении 990 гц распреде литель Р перейдет в пятое положение. Поэтому показание прибора в первом случае будет равно 01,010 кгц, а во втором — 0990,0 Отметим, что относительная погрешность квантования различна и в первом случае равна приблизительно ±0,1 %, а во втором — ±0,01%.
Режим измерения периода. Устанавливаем переключатель Л в положение 2. После приведения в исходное положение всех эле ментов прибора в момент проявления перепада напряжения на
выходе F включается Тг и Тг3. Первый открывает а второй — //24. Поэтому импульсы с периодом следования То поступают на
вход ДЧ1 и на вход МСИ через Я22, ИЛИг, Я7 и Яа. Счет импульсов МСИ начинается на минимальном пределе измерения. Поэтому до перехода Р в пятое положение Тгг будет оставаться в исходном состоянии, соответствующем длительности периода в мсек, а после этого — в сек. Счет импульсов с помощью МСИ продолжается до момента появления второго перепада напряжения на выходе F. В этот момент включается *УТг, который блокирует Тг и через ЯЛЯ3 приводит в исходное состояние 7г3, запускающий Д и вы ключающий Иг4- Вначале на вход МСИ поступают импульсы с пе
риодом То, а после первого переполнения МСИ, которое наступает в момент поступления 20 000 импульса — с периодом 10 То, после второго — с периодом 100 То, после третьего — 1000 То и т. д. Чтобы исключить потерю быстродействия в этом режиме, каждый раз при переполнении МСИ импульсом с выхода Тгь одновременно переключается в очередное положение Р, и записывается в МСИ число 2000. В ранее рассмотренной схеме переполнение наступало после прохода 10 000 импульсов. Это приводило к тому, что погреш ность измерения величин, кратных десяти, но с положительным допуском, отличалась почти на порядок от погрешности измерения этих же величин, но с отрицательным допуском. Процесс пере ключения пределов рассмотрим на примере измерения Тх4 = ==980 мсек и 7*2=1020 мсек.
Измерения производятся так, как указано в табл. 1-4. Приведенные данные свидетельствуют о том, что в первых двух
случаях относительная погрешность квантования равна соответ ственно ±0,01% и ±0,09%, а в третьем случае при измерении 980 и 1020 мсек одинакова и равна ~ ±0,009%.
Режим счета числа импульсов N. Обеспечение этого режима происходит с помощью установки Пер. П в положение 3. Благо даря этому выход F оказывается подключенным ко входу И24,
а раздельные входы Тг3 — по входам «Пуск» и «Срыв». До подачи запускающего импульса на вход «Пуск» схема не работает, а пос ле подачи — работает, так как включается 7г3 и Я24. Однако в режиме счета импульсов на вход ДЧ\ будут подаваться не импуль сы ГОЧ, а импульсы с выхода формирователя F. Несмотря на это, МСИ, Р и все остальные узлы БАУ будут работать точно так, как и при измерении периода. Поэтому все сказанное о выборе преде лов остается справедливым и в этом случае. Подсчет импульсов прекращается после подачи импульса «Срыв», который выклю чит 7г3.
В описанном приборе предусмотрено семь пределов измерения, приведенных в табл. 1-5.
Из сопоставления схем 1-19 н показанных ранее видно, что существенные преимущества предложенного алгоритма выбора и переключения пределов получены ценою незначительных затрат: введением дополнительного триггера Тгъ, схемы И2 и других логи ческих схем.
|
|
|
|
Та б л и ц а |
1-4 |
|
Старый алгоритм выбора предела, мсек |
Новый алгоритм выбо |
|||||
|
|
|
|
ра предела, мсек |
||
ГХ1-9 8 0 |
|
|
|
7 ^ - 9 8 0 |
7 ^ - 1 0 2 0 |
|
Т 0=10-6 |
То |
|
То |
|
||
0.000 |
0,000 |
|
00,000 |
|
||
0,001 |
0,001 |
|
00,001 |
|
||
9,999 |
9,999 |
|
19,999 |
|
||
Ю То |
10 |
То |
|
10 |
То |
|
10,00 |
10,00 |
|
020,00 |
|
||
10,01 |
10,01 |
|
020,01 |
|
||
99,99 |
99,99 |
|
199,99 |
|||
100 То |
100 |
То |
|
100 |
То |
|
100,0 |
100,0 |
|
0200,0 |
|||
100,1 |
100,1 |
|
0200,1 |
|
||
979,8 |
999,9 |
|
0980,0 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
1000 V o |
|
0999,9 |
|||
979,9 |
1000, |
|
||||
1001, |
|
1000,0 |
||||
|
|
|||||
980,0 |
1019, |
|
1019,9 |
|||
1020, |
|
1020,0 |
||||
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а 1*5 |
|
Режим измерения |
|
|
|
|
|
!Ц |
периода Тх, мсек |
счета |
числа импульсов NXi к |
|||
|
|
|
|
|
|
|
01900,-19999, |
00,001— 19,999 |
|
|
00,001— 19,999 |
||
0190,0—1999,9 |
020,00— 199,99 |
|
|
020,00— 199,99 |
||
019,00—199,99 |
0200,0—1999,9 |
|
|
0200,0— 1999,9 |
||
01,900-19,999 |
0200,0—19999, |
|
|
02000,-19999, |
||
0190,0-1999,9 гц |
020,00—199,99 сек |
|
020,00— 199,99 М |
|||
019,00—199,99 гц |
0200,0—1999.9 сек |
|
0200,0-1999,9 М |
|||
00,001—19,999 гц |
02000,-19999 |
сек |
|
02000,-19999, М |
Касаясь вопроса о метрологических возможностях многопре дельных ЦЧ, следует дополнить сказанное выше о погрешностях измерения. В таких приборах возникают и другие составляющие, которые могут увеличить результирующую погрешность, если не принять ряд мер.
• Одна из этих составляющих обусловлена задержкой импульса делителями частоты ОМВ. В рассмотренной схеме появление им
пульса на выходе одного из ДЧ, например ДЧ9, который обеспечи вает окончание квантования значения частоты, происходит с за держкой тз' по отношению к 109 импульсу ГОЧ, являющемуся при чиной его появления при условии работы всех триггеров ДЧ из исходного нулевого положения. Величина этой задержки зависит от типа используемых элементов, схем ДЧ и двоично-десятичного кода. Например, в случае применения ДЧ, работающих в коде 1—2—4—2, максимальное значение
п'
где Xi — задержка триггера, вносимая триггером ДЧ; rï — число ДЧ. При использовании декад, работающих в коде 1—2—4—8, это значение может быть уменьшено вдвое. Средняя часть т3' имеет постоянный знак и является источником систематической состав ляющей погрешности. Изменения Лтз', в том числе и обусловлен ные изменением температуры, — источники случайной составляю щей погрешности измерения.
Другая составляющая погрешность измерения обусловлена временем т3", затрачиваемым на переключение ряда последова тельно включенных элементов, обеспечивающих выключение схемы совпадения на входе МСИ. В схеме на рис. 1-19 такие элементы — схемы #э, ИЛИи # 5, ИЛИз, триггер Гг4 и схема И%. Значение х" также имеет среднюю постоянную по знаку и величине составляю щую и случайную составляющую. Максимальное значение задерж ки тз, ведущей к увеличению интервала квантования Тк, равно
т3=т3'+ т 3"
Относительное значение погрешности, обусловленное наличием
этой задержки, равно |
|
î s= £-100•/,. |
(1.49) |
* К |
|
Выбор соответствующей элементной базы позволяет сделать 03 пренебрежимо малой. Действительно, в случае использования эле ментов среднего и высокого быстродействия, у которых п состав ляет сотни и десятки нанасекунд, время задержки в нашем случае не будет превышать 600 нсек.
При работе прибора в режиме измерения периода или подсчета количества импульсов блок переключения пределов измерения не будет вносить погрешности измерения, если сделать меньше 5 Го интервал т3, равный сумме т3', определяемой длительностью за держки появления импульса переполнения МСИ, поступающего на вход Р, и т3", определяемой временем переключения Р из поло жения 1 в положение 2 и включения Иц, а время перевода МСИ в исходное положение импульсом переполнения тСб больше време ни выключения И&, то есть
В многопредельных ЦЧУкоторые на входе МСИ и ДЧ имеют схемы совпадения, управляемые общим триггерем, возникает еще одна составляющая вследствие отсутствия синхронизации момен тов появления на входе схемы совпадения, на входе ДЧ первого импульса ГОЧ и ее открытия. Абсолютное и относительное значе ния этой погрешности равны
100
(1.51)
Эта составляющая имеет постоянный знак, но в отличие от рас смотренных является случайной. Для ее уменьшения необходимо увеличивать fo или применять схемные решения, которые исклю чают возможность их появления или уменьшают их значения.
Впоказанных схемах эта составляющая практически исключена. Эти и другие методы были использованы при разработке много
предельных ЦЧ и ЦУ низких и инфранизких частот в различных модификациях. В последующих главах будут изложены некоторые схемные варианты решения этих задач, представляющие наиболь ший интерес.
Г лава 2
МЕТОДЫ И УСТРОЙСТВА УМНОЖЕНИЯ НИЗКИХ И ИНФРАНИЗКИХ ЧАСТОТ
Предварительное умножение частоты — эффективное средство повышения быстродействия измерения низких и инфранизких час тот. На выходе умножителя частоты (УЧ) средняя частота коле баний либо частота импульсов в Ку раз превышает его входную
частоту. Эту умноженную частоту измеряют электронно-счетным ЦЧ. Вследствие этого при заданной погрешности квантования вре мя квантования Тк может быть уменьшено в Ку раз, что увеличи
вает количество медленно изменяющихся параметров, которые можно контролировать с помощью одного измерительного устрой ства. При измерении же одного быстро изменяющегося параметра динамическая погрешность с заданной погрешностью квантования уменьшается в Ку раз [27]. Умножители частоты при заданном времени квантования Тк позволяют в Ку раз уменьшить погреш
ность квантования. Они способствуют унификации выходных сиг налов частотных датчиков, приводя частотные шкалы различных, датчиков к единой шкале. Это особенно важно в том случае, когда в системе множественного контроля применяют большое количе ство разнотипных датчиков, информация от которых вводится в
ЭЦВМ. При этом желательно, чтобы выходные частоты всех или хотя бы части датчиков умножали одним ЦЧ. Для этого коэффи
циент умножения последнего должен изменяться в достаточно широких пределах без потери быстродействия. Умножители часто ты могут также осуществлять функциональное преобразование входной частоты, что позволяет использовать их и для коррекции нелинейностей характеристик частотных датчиков.
Основные характеристики ЦЧ такие: коэффициент умножения,
быстродействие и рабочий диапазон частот. Умножители частоты,, выходные частоты которых измеряют цифровыми частотомерами, должны обеспечивать прежде всего больший коэффициент умно жения, высокое быстродействие и широкий рабочий диапазон час тот. Эти требования являются противоречивыми. Действительно, увеличение Ку сопровождается обычно сужением рабочего диапа
зона частот, а расширение диапазона частот ведет к снижению быстродействия.
Наряду с тремя основными требованиями к умножителям мо гут предъявляться также и дополнительные. Это прежде всего возможность изменения коэффициента умножения в широких пре делах без потери быстродействия, возможность функционального преобразования входной частоты и др.
2.1. Основные методы и устройства умножения частоты
ивозможности их использования
вобласти низких и инфранизких частот
Внастоящее время получили распространение импульсные умножители низких частот, имеющие импульсную форму входного
ивыходного сигнала. Если форма входного сигнала иная, то долж но быть осуществлено его дополнительное формирование. Однако при наличии помех во время формирования импульсов умножаемой частоты из напряжения синусоидальной формы период умножае мой частоты выделяется с некоторой погрешностью. Величина этой погрешности определяет предельно достижимое значение коэффи циента умножения /СуОпределим это значение в случае равно мерного деления периода Тх на /Су частей. В установившемся режи ме работы УЧ деление каждого последующего периода, например ТХг, производится в соответствии с информацией о длительности предыдущего периода TXi. Допустим, что погрешность выделения TXl равна 6г тогда TXi будет разделен на равные части дли тельностью
^ = ^ ( i + s ; ) . |
(2 .1 ) |
К у
Если и период ТХг также выделяется с погрешностью ô2", то число импульсов Ni, которые появятся на выходе умножителя в течение периода Тх„ будет равно
7 4 ( 1 + s;>
( 2.2)
Имея ТХ,=ТХ,= ТХ после подстановки (2.1), получим
N , = K |
1 + К |
(2.3) |
у 1 + s ; •
Абсолютная погрешность, возникающая вследствие наличия по грешностей ôz и Ô/', равна
bN = K y - N l = Ky-*f - к |
(2.4) |
у 1 + 5 . |
• |
Эта погрешность не должна превышать погрешности квантования при измерении умноженной частоты
Ку |
— |
(2.5) |
1 4 - о,2 |
|
s
УМНОЖИТЕЛИ ЧАСТОТЫ
Рис. 2-1. Классификация методов умножения частоты.