7.6 Мікропроцесорний частотомір

При побудові приладів часто виникає необхідність у реаліза­ції функції вимірювання частотно-часових параметрів сигналів (період, частота).

При безпосередньому (прямому) вимірюванні частоти періодичного сиг­налу найвагомішими є дві складові похибки - міри і порівняння. Похибка міри зумовлена нестабільністю частоти кварцового генератора. Ця складова похибки може бути відчутною при вимірюванні дуже високих частот. Похибка порівняння головним чином визначається похибкою квантування . При вимірюванні низьких частот похибка квантування є визначальною складовою похибки вимірювання. Наприклад, якщо вимірюється частота Гц при с, то максимальна похибка квантування

, що неприпустимо.

Таким чином, через великі похибки квантування низькі частоти без­посередньо вимірюються цифровим частотоміром із невисокою точністю. Тому розв’язання завдання зменшення впливу похибки квантування на резуль­тати вимірювання завжди було одним із важливих напрямів розробки цифро­вої частотовимірювальної техніки. Перед тим як розглядати мікропроцесорний частотомір, який радикально розв’язує вказане завдання, зупинимось на чотирьох способах зменшення похибки квантування при вимірюванні частоти:

1. Збільшення тривалості зразкового часового інтервалу t, тобто часу вимірювання. Але можливості такого способу обме­жені, оскільки для одержання малої похибки квантування (наприклад, = 0,01%; 10 Гц) потрібний дуже великий час вимірювання:

2. Збільшення числа імпульсів, які квантують зразковий часовий інтервал , що досягається множенням вимі­рюваної частоти . Виконання даного способу поєднано із застосуван­ням додаткового блока помножувача частоти, що ускладнює і підвищує вар­тість апаратурної частини.

3. Врахування випадкової природи похибки квантуван­ня. Забезпечується проведення багаторазових вимірювань і усереднення їх результатів. Це ефективний шлях зменшення впливу випадкової похибки на результат вимірювання.

4. Безпосереднє вимірювання періоду досліджуваного сигналу з наступним обчисленням частоти . Цей шлях дозволяє різко зменшити похибку квантування при вимірюванні низь­ких частот.

Щоб побачити ефект, який досягається, скористаємось наведеним раніше прикладом. Перейдемо до вимірювання періоду. Частота 10 Гц. Відповідний період = 0.1 с. Сформуємо стробувальний імпульс тривалістю, що дорівнює періоду , і проквантуємо його імпульсами, час­тота проходження яких = 10 МГц (що звичайно має місце в цифро­вих частотомірах). У цьому разі похибка квантування

Можна зробити висновок, що непряме вимірювання частоти у даному випадку дозволило різко підвищити точність порівняно з прямим вимірюванням частоти: похибка квантування зменшилась у 100000 разів.

Однак при вимірюванні високих частот (наприклад, 10⁶ Гц, t₀ = 1 с, f₀ = 10 Гц) похибка квантування цифрового частотоміра

а похибка квантування цифрового періодоміра надмірно зросте:

Таким чином, при дослідженнях періодичних процесів у широкому діапазоні частот для досягнення заданої точності доцільно в діапазоні високих частот застосовувати цифровий частотомір, а в діапазоні низьких частот переходити до вимірювання періоду (рис.7.4).

Похибка квантування вимірювача періоду
Похибка квантування вимірювача частоти

Рисунок 7.4

Алгоритм роботи мікропроцесорного частотоміра, що дозволяє досліджувати періодичні процеси у широкому діапазоні, наведено на рис.7.5.

Рисунок 7.5

Спочатку настроюють програму на режим періодоміра. Встановлюють коефіцієнт подільника частоти К=1 і проводять вимірювання невідомої частоти . Вимірювана частота подається на вхід аналогового компаратора. Аналоговий компаратор вибраний з тієї причини, що він має досить гнучку програмну обробку інформації: програміст може вибрати пряму програмну обробку або обробку за перериванням. За переднім фронтом імпульсу на вході AIN0 аналогового компаратора запускають таймер на рахування імпульсів . За наступним переднім фронтом імпульсу на вході AIN0 аналогового компаратора (після закінчення періоду Т_х) таймер мікроконтролера зупиняють і підраховують кількість імпульсів .

Якщо (частота недостатня для спрацювання періодоміра), то задають за допомогою таймера часовий інтервал t₀ (наприклад, t₀=1 сек) і переходять в режим вимірювання частоти. Частоту обчислюють за формулою .

Якщо , то перевіряють переповнення таймера мікроконтролера. При невиконанні цієї умови обчислюють частоту, інакше збільшують коефіцієнт подільника частоти і повертаються до вимірювання періоду. Частоту обчислюють за формулою .

Структурна схема мікропроцесорного частотоміра, яка дозволяє реалізувати наведений алгоритм, подана на рис.7.6.

Рисунок 7.6

7.7 Мікропроцесорний фазометр

Принцип дії мікропроцесорного фазометра грунтується на перетворенні різниці фаз двох електричних сигналів у часовий інтервал з його наступним квантуванням імпульсами зразкової частоти (цифровий фазометр середніх значень, розділ 4).

На рис.7.7 наведено структурну схему мікропроцесорного фазометра, а на рис.7.8 - алгоритм його роботи.

Основними елементами фазометра є блоки узгодження сигналів u₁ і u₂, мікроконтролер MCU, кварцовий резонатор частотою f₀ і пристрій індикації.

Перед початком вимірювань встановлюють час вимірювань t_В і коефіцієнт подільника частоти К=1.

Рисунок 7.7

У момент переходу напруги u₁ через рівень нуля запускають таймер на рахування імпульсів . Рахування проходить до переднього фронту імпульсу напруги u₂. При цьому робота таймера зупиняється, і підраховують кількість імпульсів . Кількість імпульсів усереднюється в проміжку часу .

При виникненні переповнення таймера збільшують коефіцієнт подільника частоти і повертаються на початок вимірювань.

Фазовий зсув обчислюють за формулою

. (7.7)

Рисунок 7.8