книги / Методы и устройства цифрового измерения низких и инфранизких частот

H . В . К И Р И А Н А К И , В . Б . Д У Д Ы К Е В И Ч

МЕТОДЫ И УСТРОЙСТВА

ЦИФРОВОГО ИЗМЕРЕНИЯ

НИЗКИХ И ИНФРАНИЗКИХ

ЧАСТОТ

ИЗДАТЕЛЬСКОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ «ВИЩА ШКОЛА»

ИЗДАТЕЛЬСТВО ПРИ ЛЬВОВСКОМ ГОСУДАРСТВЕННОМ УНИВЕРСИТЕТЕ

Л ь в о в — 1 9 7 5 -

6Ф6.5

К43

УДК 621.317+531.7

В данной монографии излагаются методы изме­ рения и преобразования низких и инфранизкнх частот, принципы построения различных типов аналоговых и цифровых умножителей частоты и измерителей частотно-временных параметров, от­ личающихся высоким быстродействием и точ­ ностью, представлением результатов непосред­ ственно в единицах измеряемых величин, полной автоматизацией всех операции процесса преобра­ зования.

Приводятся структурные и принципиальные схе­ мы оригинальных умножителей, частотомеров и их основных узлов, описывается методика иссле­ дования и расчета метрологических и динамиче­ ских характеристик этих приборов.

Книга (рассчитана на научных работников, аспи­ рантов и инженеров, работающих в области при­ боростроения и автоматизации процессов управ­ ления, и может быть использована студентами, специализирующимися в области автоматики, те­ лемеханики, информационно-измерительной и вы­ числительной техники.

К------------------ 219-75

*М225(04)-75

©ИЗДАТЕЛЬСКОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ сВИЩА ШКОЛА», 1975

ОТ А В Т О Р О В

Внастоящее время значительно расширился диапазон измерения не только вы­ соких, но и инфранизких частот. Требования к точности « скорости измерений все более возрастают. При измерении низких и инфранизких частот исследова­ тели встречаются со значительными трудностями, так как существующая циф­ ровая измерительная аппаратура не может обеспечить ни высокого быстродейстиия, ни получения результата измерения в единицах частоты или в других функционально связанных с частотой -величинах. В связи с этим в последние

годы интенсивно ведутся работы по созданию новых методов измерения низких н инфранизких частот. Однако многие из них требуют сложных схемных реше­ ний или решают только ограниченные задачи. Вопросы построения частотноцифровой измерительной аппаратуры для диапазона низких и инфранизких час­ тот освещены лишь в отдельных статьях различных авторов в периодических изданиях, причем предлагаемые методы и устройства часто приводятся без их сравнительной оценки.

В данной монографии авторы проанализировали ранее предложенные мето­ ды измерения низких и инфранизких частот, показали пути совершенствования

ре автоматики и телемеханики Львовского политехнического института по тема­ тике сформировавшегося на кафедре нового научного направления «Методы и цифровые прямопоказывагощие устройства для частотно-временных измерении в области низких и инфранизких частот». Научное руководство работ по этому направлению и научное редактирование книги осуществлял Н. В. Кирианаки.

Введение, главы 1 и 4 написаны Н. В. Кирианаки, главы 2 и 3 — В. Б. Дудыкевичем.

Авторы выражают благодарность доктору технических наук Ю. А. Скрипнику и кандидату технических наук Н. И. Калашникову за ценные замечания, которые' были сделаны при рецензировании книги и способствовали улучшению ее содержания. Авторы выражают глубокую признательность доктору техниче­ ских наук, профессору П. П. Орнатскому за -поддержку и ценные замечания, а также коллективу кафедры автоматики и телемеханики Львовского политехни­ ческого института.

В В Е Д Е Н И Е

Увеличение объема и сложность экспериментальных исследований в различных областях науки и техники, интенсивность и сложность производственных процессов, большие масштабы комплексной автоматизации производства, которая во многом предопределяет рост производительности труда и развитие экономики страны, — все это требует широкого использования электронно-цифровых вы­ числительных (ЭЦВМ) и управляющих (УВМ) машин для обра­ ботки больших объемов информации. В связи с этим необходимо разработать устройства ввода результатов измерения непосред­ ственно в ЭЦВМ и УВМ. Расширение круга измеряемых величин (электрических и неэлектрических), рассредоточение контролируе­ мых или исследуемых объектов на поверхности и в пространстве, большая удаленность датчиков от устройства первичной обработ­ ки информации, невозможность использования во многих случаях проводных линий связи, высокий уровень помех — все это затруд­ няет или даже исключает использование в качестве унифицирован­ ного выходного параметра датчиков напряжения и тока, а также разработку быстродействующих высокоточных устройств ввода и их унификацию. Поэтому в настоящее время усилилась тенденция -использования частотных датчиков.

Существенные преимущества частоты как унифицированного выходного параметра датчиков — это возможность наиболее точно измерять и интегрировать величины сравнительно простыми сред­ ствами; отсутствие искажений при ее коммутации; высокая поме­ хоустойчивость; легкость изменения масштаба преобразования и получения любого кода, требуемого для ввода результата изме­ рения в -ЭЦВМ и УВМ, для его передачи по каналам связи и др. [59, 78, 114, 115].

Однако значительное количество процессов, которые исследу­ ются в настоящее время в различных областях науки и техники, протекают с частотами, лежащими в низком и инфранизком диа­ пазонах (сотни герц и ниже). Так, например, в США исследуется возможность создания скрытой связи для подводных лодок по ка­ налу «берег—корабль» в пределах всего земного шара на сверх­ низких частотах (ниже 100 гц) [83]. Электрохимические преобра­

зователи информации, описанные в [13], имеют частотный диапа-! зон 0,0005— 100 гц. Передача сигналов по каналам связи с по­ мощью преобразователей, основанных на применении энергии сжатого воздуха, возможна только в пределах низких частот, из­ меряющихся долями герца [121]. Достаточно низкие скорости вра­ щения (от нескольких об/мин) измеряют в тахометрии, при управ­ лении вращением роликов в производственных линиях на предприя­ тиях черной металлургии, целлюлозно-бумажной промышленности, производстве искусственного шелка, в машиностроении и др. Более низкие скорости вращения (10“4—1 град/сек) необходимо измерять и регулировать при управлении астрономической аппаратурой [74]. Наибольшее количество тахометров имеют пределы измерения 5—150 000 об/мин и погрешности ±0,05—±3% [69]. Там же опи­ саны образцовые тахометрические установки TXI-60 класса точ­ ности 0,1 и ОТХЗ-150 класса точности 0,01 для проверки тахомет­ ров соответственно в диапазонах 5—60 000 об/мин и 5— 150 000 об/мин, а также устройства для измерения малых угловых скоростей в диапазоне 5• 10-4—25-10-1 град/сек.

Во многих областях современной техники, например в энерго­ машиностроении, часто возникает необходимость исследовать виб­ рации, спектр частот которых лежит в диапазоне 7—400 гц [77]. Поэтому нужно создать построители резонансных кривых, способ­ ные измерять каждый период колебаний механической конструк­ ции в диапазоне частот 1—10 гц} а графическое построение кривых производить в координатах «амплитуда колебаний—частота» [46].

Параметры биоэлектрических процессов занимают широкий частотный диапазон, а именно: биотоки желудка — 0,001—0,7 гц, мозга — 0,6—90 гц, сердца 0,7—700 гц, мышц — 10—1400. гц [94]..

Аппаратура, предназначенная для исследования систем авто­ матического регулирования, охватывает диапазон частот 10-4— 1000 гц [18]. В диапазоне низких и инфранизких частот лежат выходные частоты многих датчиков, значительное число которых в последнее время разработано у нас и за рубежом. Сохраняя в этом диапазоне свои неоспоримые преимущества перед другими носителями информации, частота во многих случаях является единственным носителем значения контролируемого объекта.

Многие зарубежные фирмы, стремясь уменьшить нижние зна­ чения измеряемых частот своих приборов, увеличивают время квантования. Так, например, из 150 моделей цифровых частото­ меров, которые выпускались фирмами США в 1967 г., 11 моделей имели время квантования 100 сек и более, а одна модель (частото­ мер 2240) — 1000 сек. Интервал квантования 100 сек имеют также частотомеры ВМ-354 (ЧССР), PFL-4 (Польша), 805BR, TF2401, TF7558 (Англия) и др. При этом минимальные значения частот, которые могут быть измерены, составляют единицы или даже десятые доли герц. Отечественный частотомер 43-14 имеет диа­ пазон, начинающийся с 1 гц, а частотомеры Ф552, Ф553, Ф571 и Ф599 — 0,1 гц [104]. Однако это не решает задачи измерения низких и инфранизких частот, так как получающиеся при этом

погрешности измерения велики. В связи с этим в последние годы

внашей стране и за рубежом интенсивно разрабатывались новые

исовершенствовались известные методы измерения низких и инфранизких частот, обладающие высокой точностью и высоким быстродействием.

Однако, несмотря на сравнительно большое число предложен­ ных методов и устройств, проблема повышения быстродействия при измерении этих частот и получения показания в единицах частоты или иной измеряемой величины еще не решена. Кроме того, производственная практика и практика научных исследова­ ний выдвинули новые задачи частотно-временных измерений. По­ этому необходимо было создать цифровые измерители абсолютных

иотносительных отклонений частоты от заданных значений, суммы

иразности частотно-временных параметров, способных обеспечить выполнение масштабных и других функциональных преобра­ зований.

Внастоящее время продолжается разработка новых методов,

измерительных приборов и преобразователей, способных обеспечи­ вать при высокой точности ,и быстродействии получение результата измерения более простыми средствами в единицах измеряемой величины без выполнения каких-либо дополнительных вычис­ лительных операций оператором и без существенных затрат вре­ мени на их выполнение после окончания квантования. Для объек­ тивной оценки методов и средств измерения частоты необходим также теоретический анализ, прежде всего их метрологических и некоторых технических характеристик. Особенности измерения низких частот, вопросы построения частотно-измерительных уст­ ройств для измерения этих частот и их сравнительный анализ в литературе освещены довольно слабо.

В данной монографии авторы попытались восполнить этот про­ бел. Она посвящена теоретическому анализу возможностей сущест­ вующих методов и устройств, теоретическому и экспериментально­ му исследованию новых, пригодных для работы в области низких и инфранизких частот и удовлетворяющих современным требова­ ниям. Большое внимание в работе уделяется также вопросам создания специализированных частотомеров для измерения угло­ вых скоростей, упрощенных частотомеров для работы в комплекте с частотными датчиками.

Монография написана на основе совместных оригинальных ра­ бот соавторов, а также содержит сведения о других работах, которые проводились в нашей стране и за рубежом.

Г л а в а 1

МЕТОДЫ И УСТРОЙСТВА и з м е р е н и я ч а с т о т ы ,

а н а л и з их б ы с т р о д е й с т в и я и т о ч н о с т и п ри и с п о л ь з о в а н и и в д и а п а з о н е н и з к и х и и н ф р а н и з к и х ч а с т о т

1.1. Основные методы измерения частоты к технический уровень современных цифровых частотомеров

В нашей стране и за рубежом, прежде всего в США, Англии, Японии, Франции, ФРГ, ГДР, Венгрии, Польше и Чехословакии, выпускается более 400 различных моделей цифровых приборов для выполнения частотно-временных измерений, а также произ­ водственных и научных измерений различных электрических и не­ электрических величин, предварительно преобразованных в часто­ ту или период синусоидальных, или импульсных напряжений, в ин­ тервал времени.

Подавляющее большинство цифровых частотомеров (ЦЧ), вы­ пускаемых у нас и за рубежом, являются электронно-счетными, то есть основанными на использовании метода совпадения [48] или сопоставления [80], при котором в процессе измерения сравнивают­ ся между собой измеряемая величина (частота, период или интер­ вал времени) и физически однородная с ней, принятая в качестве меры. Так как в качестве последней используется образцовая мера времени (ОМВ) или частоты (ОМЧ), представляющая собой сово­ купность генератора образцовой частоты (ГОЧ) п ряд последова­ тельно соединенных в цепочку друг за другом масштабных преоб­ разователей (делителей или умножителей частоты и периода), то ЦЧ, в отличие от других цифровых измерительных приборов, могут обеспечить самую высокую точность измерений, если в качестве ГОЧ применить кварцевые генераторы. Последние обладают наи­ большей временной и температурной стабильностью частоты и точностью первоначальной установки ее значения.

При измерениях по методу совпадения, в зависимости от того используется ли ОМВ или ОМЧ, происходит квантование и коди­

т

а во втором — период этой частоты, равный

Я

( 1.2)

где NH= 0— (А — 1) — показание эс-го разряда счетчика ЦЧ\ R — число разрядов счетчика ЦЧ\ А — основание системы счисления, принятой при построении счетчика; nL — количество периодов Тх, в течение которых осуществляется подсчет числа квантующих им­ пульсов; Nf и NT — числа, записанные в счетчик ЦЧ, пропорцио­ нальные соответственно измеряемой частоте и ее периоду.

На рис. 1J1 показана упрощенная схема ЦЧ и временная диаграмма работы его узлов при разовых измерениях частоты. Структурная схема содержит фор­ мирователь Ф, схему совпадения И, многоразрядный счетчик импульсов МОИ,

Рис. 1-1. Структурная схема цифрового частото­ мера и временная диа­ грамма его работы.

т \

образцовую меру времени ОМВ и блок автоматического управления БАУ, вклю-' чающий; а) элемент задержки D; б) схему ИЛИ; ъ) управляющий триггер УТг. Измерение выполняется в два этапа после подачи на вход БА У импульса «Пуск». На первом этапе, длительность которого определяется задержкой Д , подготав­ ливают все узлы ЦЧ к работе при помощи подачи на их входы импульса «Сброс», а на втором, который наступает сразу после перевода УТг из нулевого в единич­ ное состояние, — квантуют и кодируют значение /* в течение неизменного интер­

зультат измерения в единицах частоты указывается на ЦОУ. Во время измерения ф формирует из входного напряжения частоты /* последовательность импульсов

7 jr= J —МСИ кодирует путем счета в системе счисления А количество импульсов

fX

спериодом следования 7*. а схема И сравнивает между собой длительность

зуют один самый простой элемент сравнения, роль которого выполняет схема совпадения на входе МСИ, кроме того, можно обойтись и без цифро-аналоговых преобразователей, что значительно упрощает схему. Отсутствие связей между входом и выходом прибора исключает возможность возникновения авто­ колебаний.

Из рис. 1-1 видно, что в общем случае можно записать следующее ра­ венство:

NfTx 7K+A /I—Д/г—Гк-ЬДи,

где Ah и Д/s — погрешности квантования по значению частоты Дк, которые равны части или целому значению периода 7* соответственно нулевого и N f+ 1 импульсов, не прошедших на вход МСИ. Поэтому

Другой составляющей погрешности измерения частоты является погрешность ôt используемой образцовой меры времени, обусловленная неточностью первона­ чальной установки значения Тн и ее последующими временными и температур­ ными изменениями.

На рис. 1-2 показана упрощенная структурная схема ЦП и временная диа­ грамма работы его узлов при осуществлении разовых измерений Тх. Кроме перечисленных выше узлов для схемы (рис. 1-1), она дополнительно содержит схему И и триггер со счетным входом, а вместо ОМВ—ОМЧ. При измерениях БАУ сначала подготавливает ЦЧ к работе, а затем дает разрешение на кванто­ вание и кодирование -периода, которые начинаются после включения Тг задним фронтом первого импульса на выходе Ф и заканчиваются после повторного включения Тг задним фронтом второго импульса, так как в этом случае возвра­ щается в исходное нулевое состояние ЬТг. Период 7* (равно, как и интервал' времени /*) квантуется последовательным заполнением МСИ квантующими импульсами ОМЧ, следующими с частотой /ч. Схема И сопоставляет между собой значения периода 7* и отрезка времени NTTot образующегося в процессе счета квантующих импульсов, то есть она по-прежнему выполняет функции элемента сравнения. Как видно из рис. 1-2, при измерении 7* можно записать такое равенство:

Л/т7о=7* + Д/1—Д /з~7 *±Д ц(.

Так как составляющие Д/i и Д/г абсолютной погрешности квантования значения одного периода AtK могут быть равны То, то

Поэтому и при измерении периода равенство (1.2) выполняется с некоторой погрешностью, абсолютное значение которой

Значения этих погрешностей тем меньше, чем меньше Го и больше NT , то есть Тх. При заданных То и Г* значение ô jK можно уменьшить путем увеличения числа пх квантуемых периодов Г*. Для этого в схему ЦЧ необходимо ввести

Рис. 1*2. Структурная схема цифрового периодомера .и временная диа­ грамма его -работы.

а выключается импульсом СчП, который появляется после того, как иа его вход

ni iiiNt

аЦП измеряет среднее значение периода за интервал t=niTx.

ВЦП, кроме погрешности квантования 6К, возникает еще погрешность ôi, обусловленная неточностью первоначальной установки частоты ГОЧ, ее времен­ ной и температурной нестабильностью, а также погрешность 0г выделения пе-