книги / Методы и устройства цифрового измерения низких и инфранизких частот

В другом упрощенном варианте ОМВ вместо КГЧ использован камертонный генератор частоты в 1000 гц.

ЦЧ по схеме 4-24 — это четырехдека-диый прибор, который имеет только, режим измерения среднего значения частоты в пределах от 10 до 2 '10е гц с при­ веденной погрешностью измерения ±0,01% и режим счета числа импульсов. Уровень входного сигнала — 0,1—100 в. Запуск происходит либо автоматически, либо с помощью электрического импульса -или кнопки. Прибор максимально, упрощен и осуществляет измерения в два приема, как и простейший ВЦП. Дли­ тельность индикации может регулироваться в пределах от 0,1 до 5 сек. Управ­

и Тг| — в единичное. Первым же импульсом ОМВ после импульса сброса УС* триггер Тгi возвращается в нулевое. Образующийся при этом перепад напря­ жения на выходе Тги включает Тгг, который открывает схему И и обеспечи­ вает поступление сформированных импульсов частоты fx на ее импульсный вход. Импульс, определяющий конец интервала Ги, возвращает Тгг в нулевое состоя­ ние, а поэтому запускает Хр, закрывает И и прекращает счет импульсов.

Аналогично измеряется fx в режиме разовых измерений. Режимы переключаются переключателем /7|.

Для перевода ЦЧ в режим счета числа последовательности сформированных импульсов необходимо перевести тумблер Пг в положение 2 и отсоединить вход- /о от ОМВ.

ЦЧ по -схеме па рис. 4-25 отличается от описанного тем, что при прежнем четырехдекадном МСИ позволяет получать при измерении высоких частот семь достоверных знаков. Такой эффект достигнут благодаря использованию двух­ тактного режима работы. После выполнения первого такта измерения на ЦОУ воспроизводится четыре старших разряда, из которых только три первые досто­ верны, а после выполнения второго, на котором значение Ги в 1000 раз больше, чем на первом, достоверны четыре последних знака.

Этот ЦЧ работает следующим образом. В -режиме циклических измерений мультивибратор МВ после окончания индикации результата запускает одновибратор (ОВ). Передний фронт ОВ включает УС и триггер Тгз, осуществляя тем самым сброс предыдущего показания МСИ и открытие И. Благодаря этому им­ пульсы ОМВ, следующие с частотой /о, значение которой определяется положе­ нием Я 1, через Иг, усилитель У2 и П$ поступят па схему формирования интер­ вала Tu -в составе триггеров Тгi и Тгг. Задний фронт’ОВ подготовит к работе Тг{. С этого момента Тг\ и Тгг выделят период частоты Го и на это время от­ кроют Mi. Подсчитанное за Го число импульсов fx представляет собой результатизмерения на первом такте. Время индикации первых четырех разрядов задается длительностью прямого хода МВ. На втором такте работы все описанные выше процессы повторяются, но при этом благодаря повторному включению Гг3 вместо Иг открывается Ия и поэтому интервал Гк увеличивается в 1000 раз. После окончания этого такта работы на ЦОУ воспроизводятся четыре последних знака отсчета. Индикация порядка десятичных разрядов иа первом и втором тактах

в положение 2, в котором вход схемы ИЛИ подключается к единичному выходу- Тгз и благодаря этому МВ тормозится на втором такте работы. Запуск может быть осуществлен лишь с помощью электрического импульса или кнопки Ят.

Переключатель Я 2 обеспечивает двухтактный режим работы ЦЧ только в положении 2. В положении / он переводит прибор в .режим измерения стар­ ших разрядов, а в -положении 3 — в режим измерения четырех младших. В двух последних случаях Тгз устанавливается и удерживается в единичном н нулевом состояниях, хотя на его счетный .вход по-прежнему поступают импульсы. Поэтому-

Рис. 4-27. Структурная схема универсального четырехдекадного цифрового частотомера.

Для упрощения прибора, учитывая специфику производственных измерении, требуемый предел в нем выбирают вручную переключателями П2 и /7з в полном соответствии с табл. 4-4, 4-5, в которых для режима измерения f u указан диапа­ зон измерения при данном положении переключателя, а для других режимов — только верхний предел измерения.

Рассмотрим работу ЦЧ в режиме измерения низкой и инфраннзкой частоты. На первом этапе запускается OBi либо кнопкой пуска при разовых измере­ ниях, либо МВ при периодических измерениях. OBi включает УСь переводящий

счетчика числа NB поступают импульсы КГЧ, частота следования которых пред­ варительно уменьшена декадным делителем ДД.

Следовательно, на этом этапе работы ЦЧ счетчик Сч. ЧП выполняет функ­ цию делителя образцовой частоты. С окончанием импульса сброса OBi направ­ ляет сигнал на схему формирования строб-импульса (Тг\ и Тгг), открывающую на время одного периода измеряемой частоты Тх, в течение которого на вход счетчика Сч.П поступают импульсы образцовой частоты, с периодом следова­ ния определяемым -положением П0. После окончания первого этапа работы в

счетчике фиксируется значение Тх-

сброса импульсы начала вычисления нового значения Nf. Одновнбратор ОВг включает Tes, а, следовательно, И к. Поэтому начинается преобразование N T-+Nft при котором импульсы К ГЧ , используемые в качестве тактовых после деления их частоты в два раза, заполняют счетчик Сч. ЧП. Образующиеся при этом импуль-

Рис. 4-28. Результаты моделирования на ЭЦВМ «Мир» предельного зна­ чения погрешности вычисления от значения.

сы с выхода И Л И схем Ий—Иго поступают на вход счетчика Сч.ЧП (СД9—СДц). Импульс переполнения на его выходе после поступления Ns импульсов вы­ ключает Tes, который прекращает подачу импульсов, так как (выключает Я*. В счетчике фиксируется искомый результат Nf, отображающийся на ЦОУ. Время вычисления ?в мало и определяется значением тактовой частоты /г и числа Nf.

во времени с некоторым сдвигом операции квантования Г* и индикации его предыдущего значения Nf. Это стало возможным без использования дополни­ тельных регистров только благодаря тому, что счетчик Сч.Ч не принимал участия в первом этапе измерения Т х.

Хотя преобразование Nr-^Nf выполняется в начале каждого последующего периода Т к, разработанный Ц Ч может измерять значения каждого периода. Для этого предусмотрен ОВз и ФИ. При помощи одновибратора ОВл создается нор­ мированная задержка выдачи строб-импульса несколько большая, чем fD, а с по­ мощью формирователя импульсов Ф И — запись в счетчик Сч.П числа, соответ­ ствующего этой задержке. Необходимые переключения в схеме обеспечиваются переключателем /7«. «Время индикации» в положение 7, который в остальных положениях, кроме первого, задает длительность индикации 5 сек (положение 2);

а в диапазоне 10—2-106 гц — fx. Результат в обоих случаях воспроизводится только в единицах частоты. Погрешность измерения низких и инфранизких частот наибольшая, так как к указанным погрешностям ôi, ô9 и <5к добавляется погрешность вычисления ôn. Последняя обусловлена отмеченной в первой главе неравномерностью следования импульсов на выходе интегратора с последова­ тельным переносом и дискретностью представления результата вычисления числа Nÿ. Чтобы уменьшить ее значение, необходимо уменьшить каждую из составляющих. Для точного определения значения Ôu и выяснения ее зависимо­ сти от структурной схемы прибора и числа NT работа интегратора была промо­ делирована на ЭЦВМ «Мир». При моделировании принималось, что счетчики

Рис. 4-2Э. Зависимость погрешности квантова­ ния: а — вычисления; б — результирующей;

в — от Nf.

Сч. П и Сч. Ч имеют четыре декады, а Сч. ЧП — три. Значение числа N T изме­ нялось в пределах от 1000 до 9999 через каждую единицу и на каждом из отрезков в 50 единиц определялось предельное значение ô». Результаты модели­ рования на рис. 4-28 показывают, что предельное значение 6В находится в пре­ делах +0,16------ 0,23% и в большинстве случаев больше ôK. Поэтому пренебре­ гать ею по сравнению с би нельзя [113]. Исследования на ЭЦВМ других вариан­ тов структурной схемы ЦЧ показали, что увеличение емкости счетчиков Сч. Ч и Сч. чП соответственно до 105 и 104 уменьшает примерно на порядок составляю­ щую погрешности бв, обусловленную неравномерностью следования импульсов на выходе интегратора, а вторая составляющая будет преобладающей, если результат Nf считывать только по четырем старшим декадам. Однако при преж­ нем значении / г =500 кгц время U увеличится с 20 до 200 мсек. Поэтому описанный вариант схемы ЦТ более удобный. На рис. 4-29 показан график зависимости погрешности бк (кривая a), ôB (кривая б) и предельной результи­ рующей погрешности измерения (без погрешности выделения периода Г*).

Приведенное значение погрешности измерения частоты в диапазоне 10— 2 -«10е гц равно 0,01% и определяется значением 6К.

4.3. Приставки к цифровым вольтметрам и омметрам для частотных измерений

Наряду с разработкой ВЦП и упрощенных ЦЧ целесообразно создать приставки, которые, работая с промышленными цифровы­ ми вольтметрами (ЦВ), обеспечивали бы без существенных капи­ тальных затрат измерения низких и инфранизких частот.

Наиболее просты приставки, использующие ЦВ время-импульс- ного преобразования. ЦЧ, образованный ЦВ и такой приставкой, измеряет частоту в два этапа. На первом производится квантова­ ние и кодирование интервала времени, равного или кратного пе­

риоду Тк, а на втором, преобразование полученного при этом числа А/г в число Nft пропорциональное частоте f*. Для упрощения схемы приставки максимальное число узлов ЦВ должно принимать учас­ тие в измерении частоты.

Часть принципиальной схемы приставки к цифровым приборам В7-8, Ф480 и ВК7-10*, при помощи которой можно измерять час­ тоты в диапазоне 0,01—10 гц с достаточной для технических изме­ рений точностью, показана на рис. 4-30. Приставка содержит: F, ОМВ в составе кварцоваиного ГОЧ и трех делителей ДЧ1—ДЧз, блок релейной памяти (БРП), цифровой магазин мер (МП), ста­ билизатор тока (СТ) и устройство управления (УУ). Формирова­ тель F, ОМВ, ключ и счетчик ЦВ образуют цифровой периодомер ЦП. Чтобы упростить и удешевить приставки, БРП выполнен на одноконтактных реле типа РЭС-10, делители частоты — на мульти­ вибраторах, а для повышения стабильности коэффициента их де­ ления использованы мостовые импульсные элементы.

Приставка соединяется с ЦВ через разъем вывода на цифропечать (ЦПМ) и работает в режиме разовых измерений. После запуска ЦВ на первом этапе работает ЦП. При этом открывается ключ К на время Тх, в течение которого импульсы ГОЧ после деления их частоты на 10, 100 и 1000 с помощью ДЧ1—ДЧ3 в зави­ симости от положения переключателя пределов измерения П по­ даются на вход МОИ вольтметра через выход «/» разъема ЦПМ и в МСИ фиксируется число NTt пропорциональное Тх. После окончания первого начинается второй этап. При этом сначала число NT в двоично-десятичном коде переписывается в БРП и за­ поминается до начала нового цикла измерения. Контакты реле БРП заземляют соответствующие резисторы МП, если триггеры МСИ, управляющие транзисторными ключами этих реле, включе­ ны и блокируют их обмотки в противном случае. Поэтому резуль­ тирующая проводимость У магазина равна

где у0 — проводимость самого младшего разряда МП. Так как через набор параллельно включенных резисторов МП протекает ток I стабилизатора СТ, то

После установления напряжения УУ подключает выход МП ко входу ЦВ, приведенного предварительно в исходное состояние, и повторно запускает ЦВ. В результате измерения U на ЦОУ вос­ производится значение измеренной на первом этапе частоты f*.

Максимальное значение погрешности измерения такого ЦЧ равно сумме погрешности ôn7 преобразования Tx-+U и погрешно­ сти бн измерения напряжения ЦВ

Рис. 4-30. Принципиальная схема приставки к цифровому вольтметру время-импульсного преобразования.

Значение б / определяется числом разрядов ЦП, точностью выде­ ления периода Тх, изготовления резисторов МП, задания тока и частоты /о и их последующей временной и температурной неста­ бильностью. Принимая соответствующие меры, получим

Значение du определяется классом ЦБ. Поэтому

Следовательно, результирующая погрешность определяется двумя составляющими, одна из которых прямо пропорциональна, а дру­ гая, — обратно пропорциональна /х. Исследования функции (4.37) показали, что значение бч достигает минимума, равного

ГГX мин

при измерении частоты /, равной

п Ô. Одновременно от этого соотношения зависит и местоположе­ ние минимума функции (4.37). В зависимости от этого возможны три основных варианта построения ЦЧ. Оптимальным является вариант, когда погрешности измерения в начале и конце рабочего диапазона максимальны и равны между собой, а минимум нахо­ дится внутри рабочего диапазона /х макс—fx мин. Поэтому

а погрешность измерения частоты в этом диапазоне изменяется незначительно. Если4 пренебречь погрешностью бг (например, при измерении частоты импульсных сигналов), то 6if=6Kи в ЦЧ мож­ но ограничиваться только счетчиком ЦБ, а число зарядов БРП должно быть равно числу его разрядов.

Если ЦБ может измерять также и сопротивление (ВК.7-10, Ф480 и др.), то схема приставки может быть дополнительно упро­ щена возможным изъятием СТ При этом

(,4,>

Для удобства работы целесообразно обеспечить /Ci=l, выбрав соответствующие сопротивления резисторов МП. Однако точность измерения частоты в этом случае уменьшается, так как точность измерения сопротивлений этими приборами ниже. Максимальная

погрешность измерения частоты импульсных сигналов для В7-8 равна ±0,2%, для BK7-10AI — ±0,2% в режиме измерения напря­ жения и ±1,1% в режиме измерения сопротивления, для Ф480 — 1,1% в обоих режимах. Измеряя частоту синусоидальных сигналов, указанные значения увеличиваются на величину погрешности вы­ деления периода Тх.

Для измерения fx в ЦВ необходимо внести незначительные изменения, которые не повлияют ни на его точность, ни на работо­ способность. Они сводятся к введению двух диодных схем ИЛИ на два входа. У одной из них входы подключены к выходу генера­ тора и разъему ЦПМ для связи с выходом ключа приставки, а вы­ ход — ко входу МСИ, у другой, входы присоединены к выходу узла сброса и разъему ЦПМ, а выход — к шине сброса триггеров МСИ. На разъем ЦПМ необходимо ввести также вход ЦВ и внеш­ ний пуск. При измерениях переключатель пределов ЦВ должен быть установлен в положение «10 в», если измеряется напряжение

и инфранизких частот [118]. Аналогичные приставки могут быть построены для цифровых мостов.

В заключение следует сказать, что для обеспечения более вы­ соких метрологических характеристик целесообразно построение таких комбинированных цифровых приборов, как цифровые часто­ томеры-омметры. При работе в режиме измерения Тх они смогут воспроизводить результат измерения непосредственно в единицах частоты, благодаря наличию цифрового автоматического моста [55]. На втором этапе, после считывания числа NT, образования резуль­ тирующей проводимости (4.33) и подключения ко входу моста выхода МП, будет измеряться величина этого сопротивления. Пос­ ле окончания измерения схема моста будет уравновешена, так как

можно воспроизводить значение измеряемой частоты непосред­ ственно в единицах частоты. В этом случае точность измерения будет, в основном, определяться только точностью измерения пе­ риода Тх, так как можно пренебречь погрешностью измерения со­ противления МП.