Различают два основных метода измерения периода и времен­ных интервалов:

Осциллографический;

Электронно-счетный.

Измерение временных интервалов с помощью осциллографа производится по осциллограмме исследуемого напряжения с ис­пользованием линейной развертки. Из-за значительных погреш­ностей отсчета начала и конца интервала, а также из-за нелиней­ности развертки общая погрешность измерения временных интер­валов составляет единицы процентов. Значительно меньшая по­грешность свойственна специализированным измерителям времен­ных интервалов со спиральной разверткой.

В настоящее время наиболее распространены электронно-счет­ные методы измерения периода и временного интервала. Основными из которых являются:

Цифровой метод измерения интервалов времени;

Метод интерполяции;

Нониусный метод.

Цифровой метод измерения интервалов времени

Принцип измерения периода гармонического сигнала цифровым ме­тодом с помощью цифрового частотомера поясняется рис. 17.1, где приве­дены структурная схема устройства в режиме измерения периода гармо­нического колебания и соответствующие его работе временные диа­граммы.

Измерение интервала времени T x цифровым методом основано на заполнении его импульсами, следующими с образцовым периодом Т о , и подсчете числа М х этих импульсов.

Все элементы устройства и их действие были проанализированы в вопросах, связанных с измерением частоты. Структурный состав генератора опорной частоты при измерении периода рассматривается ниже.

Рис. 3.6. Цифровой метод измерения интервалов времени: а - структурная схема; б - временные диаграммы

Гармонический сигнал, период T x которого требуется измерить, по­сле прохождения входного устройства ВУ (u 1 - выходной сигнал ВУ) и формирователя импульсов Ф2 преобразуется в последовательность ко­ротких импульсов u 2 с аналогичным периодом. В устройстве фор­мирования и управления УФУ из них формируется строб-импульс и з прямоугольной формы и длительностью T x , поступающий на один из входов временного селектора ВС. На второй вход этого селектора по­даются короткие импульсы u 4 с образцовым периодом следования Т о, созданные формирователем Ф1 из колебаний генератора опорной частоты ГОЧ.

Временной селектор ВС пропускает на счетчик СЧ М х счетных импуль­сов u 4 в течение времени T x , равном длительности строб-импульса и з . Измеряемый период T x , как следует из рис. 17.1, б,

T x = М х Т о + Δt д ,(3.6)

где Δt д = Δt к – Δt н - общая погрешность дискретизации; Δt н и Δt к - погрешности дискретизации начала и конца периода Т х.

Без учета в формуле (17.1) погрешности Δt д число импульсов, поступившее на счетчик М х = T x /Т о , а измеряемый период пропорционален М х

T x = М х Т о . (3.7)

Выходной код счетчика СЧ, выдаваемый на цифровое отсчетное уст­ройство ЦОУ, соответствует числу подсчитанных им счетных импульсов М х , а показания ЦОУ- периоду T x , поскольку период следования счет­ных импульсов и 5 выбирается из соотношения Т о = 1 - n , где п - целое число. Так, например, при п = 6 ЦОУ отображает число М х, соот­ветствующее периоду T x , выраженному в мкс.

Погрешность измерения периода T x , как и при измерении частоты, имеет систематическую и случайную составляющие .

Систематическая составляющая зависит от стабильности δ кв образ­цовой частоты ГОЧ (его кварцевого генератора), а случайная опреде­ляется в основном погрешностью дискретизации Δt д , рассмотренной выше. Максимальное значение этой погрешности удобно учиты­вать через эквивалентное изменение числа счетных импульсов М х на ±1.

При этом максимальная абсолютная погрешность дискретизации может быть определена разностью двух значений периода T x , получаемых по формуле (17.2) при М х ± 1 и М х и равна Δ T x = ± Т о .

Соответствующая мак­симальная относительная погрешность

δ = ±Δ T x /T x = ± 1/М х = ±1/(T x f о ),

где f о = 1/ Т о - значение образцовой частоты генератора ГОЧ.

На погрешность измерения влияют также шумы в каналах форми­рования строб-импульса и 3 и счетных импульсов и 4 (рис. 17.1, а), вно­сящие в их положение временную модуляцию по случайному закону. Однако в реальных приборах с большим отношением сигнал/шум по­грешность измерения за счет влияния шума пренебрежимо мала по срав­нению с погрешностью дискретизации.

Суммарная относительная погрешность измерения периода опре­деляется в процентах по формуле

(3.8)

Из выражения (17.3) следует, что из-за погрешности дискретизации по­грешность измерения периода T x резко увеличивается при его уменьшении.

Повышения точности измерений можно добиться за счет увеличения частоты f о генератора ГОЧ (путем умножения частоты его кварцевого генератора в Ку раз), т.е. за счет увеличения числа счетных импульсов М х. С этой же целью в схему после входного устройства вводят делитель частоты исследуемого сигнала с коэффициентом деления К (на рис. 17.1, а не показан). При этом выполняется измерение К периодов Т х и в К раз уменьшается относительная погрешность дискретизации.

Погрешность дискретизации можно уменьшить и способом из­мерений с многократными наблюдениями . Однако при этом зна­чительно увеличивается время измерений. В связи с этим разработаны методы, уменьшающие погрешность дискретизации с существенно меньшим увеличением времени измерения. К их числу относится: метод интерполяции, нониусный метод.

Метод интерполяции

Метод интерполяции состоит в том, что помимо целого числа периодов счетных импульсов, заполняющих измеряемый интервал времени, учитываются и дробные части периода, заключенные между опорным и первым счетным импульсами, а также между последним счетным импульсом и интервальным.

Измерение временных интервалов методом интерполяции поясняет рис. 17.2.

Рис. 3.7. Измерение временного интервала методом интерполяции а - измеряемый интервал, б - счетные импульсы, в - выходные импульсы расширителей, г - группы счетных импульсов отражающих расширенные интервалы

Пусть измеряется интервал времени Т х , начало и конец которого заданы двумя импульсами и н и и к, соответственно (рис. 17.2, а). Предпола­гается, что начало измеряемого интервала не связано синхронно со счетными импульсами, приведенными на рис. 17.2, а, б.

Для уменьшения составляющих погрешности дискретизации (Δt н и Δt к ) в начале и конце интервала Т х , соответствующие данным погрешно­стям, интервалы расширяют в К раз и каждый измеряют, заполняя счетными импульсами. Учитывая погрешности расширителей, на прак­тике расширяют интервалы большей длительности, например интервалы τ 1 = 2Т о - Δt н и τ 2 = 2Т о – Δt к (рис. 17.2, в). Расширители строят, используя обычно способ заряда и разряда конденсатора с разной скоростью.

На рис. 17.2, в приведены выходные импульсы расширителей и к1 и и к2 , определяющие конец расширенных интервалов, а собственно расширен­ные интервалы обозначены через к 1 τ 1 и к 2 τ 2 .

Расширенные интервалы, а также интервал τ о между концами им­пульсов τ 1 и τ 2 измеряют цифровым методом, используя каналы, содер­жащие временной селектор и счетчик. Счетные импульсы, поступившие на вход каждого счетчика при измерении расширенных интервалов, по­казаны на рис. 17.2, г. Измеряемые интервалы, как следует из рис. 17.2, можно представить в виде

к 1 τ 1 = N 1 Т о + Δt к1 ; к 2 τ 2 = N 2 Т о + Δt к2 ; τ о = N o Т о, (3.9)

где к 1 и к 2 - коэффициенты расширения; N o , N 1 и N 2 - числа счетных импульсов, заполнивших отмеченные интервалы, а Δt к1 и Δt к2 - по­грешности дискретизации измерения расширенных интервалов.

Из рис. 17.2 также видно, что искомый интервал

Т х = τ о + τ 1 - τ 2 .

Под­ставляя в это выражение параметры τ о , τ 1 и τ 2 , вычисляемые по (17.4), находим, что

Т х = N o Т о + (N 1 Т о + Δt к1 )/к 1 – (N 2 Т о + Δt к2 )/к 2 . (17.5)

При идентичности коэффициентов расширения (к 1 = к 2 = к ), получим

Т х = Т о [N o +(N 1 – N 2 )/к +(Δt к1 – Δt к2 )/к ]. (3.10)

Погрешности дискретизации Δt к1 и Δt к2 имеют равномерное распре­деление с пределами 0…Т о , а их разность Δt к1 – Δt к2 распределена по тре­угольному закону с пределами ±Т о . Поэтому максимальная погрешность дискретизации при измерении интервала Т х равна Т о /к и уменьшается по мере роста коэффициента расширения k. Однако на практике данный коэф­фициент выбирают равным 128 или 256, так как при его дальнейшем уве­личении существенно возрастает погрешность расширителей интервалов.

Нониусный метод

Одной из разновидностей метода интерполяции является нониусный метод, часто используемый в технике измерения линей­ных размеров. Нониусные измерители временных интервалов в прин­ципе позволяют уменьшить погрешности начала и конца счета. Однако в большинстве приборов счетные импульсы синхронизиро­ваны с началом временного интервала и уменьшается лишь погреш­ность конца.

Структурная схема измерителя временного интервала с нониусным счетом показана на рис. 17.3, а.

Импульс и н начала времен­ного интервала запускает генератор счетных импульсов с удар­ным возбуждением и воздействует на триггер 1 . Выходной импульс триггера отпирает селектор 1 и начинается счет импульсов с пе­риодом Т о. Под действием импульса и к конца интервала триггер 1 переходит в исходное положение и счет прекращается. Счетчик фик­сирует число N , кратное целому числу периодов счетных импуль­сов. В момент окончания временного интервала происходит запуск генератора нониусных импульсов , одновременно импульсом с триггера 2 открывается селектор 2. Нониусные импульсы с периодом

Т н = (п - 1)Т о /п ,

где п - некоторое целое число, поступают на счетчик нониусных импульсов и на схему совпадений .

Рис. 3.7. Нониусный метод измерения временных интервалов: а – структурная схема; б – временные диаграммы

С течением времени интервал между соседними импульсами счетной и нониусной последовательностей уменьшается, и при его минимальном зна­чении импульсы начинают перекрываться. Срабатывает схема сов­падений, импульс которой воздействует на селектор 2 и приводит к прекращению счета по нониусному каналу. Счетчик нониусных импульсов фиксирует число нониусных импульсов k.

Как видно из рис. 17.3, б, измеряемый временной интервал можно представить в виде суммы

Т х = NТ о + Δt к , (3.11)

Δt к = kТ о – kТ н – Δt кн = kТ о /п – Δt кн , (3.12)

Δt кн - погрешность из-за неточного совпадения фронтов счетных и нониусных импульсов.

Подставив (17.8) в (17.7), получим

Т х = NТ о + kТ о /п – Δt кн , (3.13)

Число k характеризует длительность интервала Δt к , выраженную в долях периода Т о . Величина Т о /п называется шагом нониуса.

Отсчетное устройство прибора связано с обоими счетчиками та­ким образом, что число N фиксируется в его старших разрядах, а k - в младших. Обычно п = 10 m , где m == 1 или 2, тогда с младших разрядов отсчетного устройства отсчитывается значение Δt к в де­сятых или сотых долях Т о .

Пусть, например Т о = 100 нc, Т н = 99 нc, a Т х = 1813 нc. Отсчет старших разрядов отсчетного устройства будет равным 18, а интервал Δt к составит 13 не. Совпа­дение импульсов произойдет при выполнении равенства 13 = k 100 – k 99 откуда отсчет младших разрядов k == 13. Общий отсчет равен 1813, что соответствует длительности измеряемого интервала в наносекундах.

Нониусные и счетные импульсы обычно формируются из сину­соидальных напряжений, вырабатываемых генераторами с кварце­вой стабилизацией. Из-за нестабильности уровней формирования периоды счетных и нониусных импульсов флуктуируют вокруг сред­них значений Т о и Т н. При большом числе п это может привести к ложным совпадениям. Такое же влияние оказывает нестабиль­ность начальной фазы генератора нониусных импульсов. Перечис­ленные факторы ограничивают точность измерений.

Различают два основных метода измерения периода и временных интервалов: осциллографический и электронно-счетный.

Измерение временных интервалов с помощью осциллографа производится по осциллограмме исследуемого напряжения с использованием линейной развертки. Из-за значительных погрешностей отсчета начала и конца интервала, а также из-за нелинейности развертки общая погрешность измерения временных интервалов составляет единицы процентов. Значительно меньшая погрешность свойственна специализированным измерителям временных интервалов со спиральной разверткой.

В настоящее время наиболее распространены электронно-счетные методы измерения периода и временного интервала. При измерении весьма малых временных интервалов удобны методы преобразования. На основе этих методов созданы умножители интервала - устройства, позволяющие расширить измеряемый интервал в заданное число раз. Умножители часто используются совместно с электронно-счетными приборами.

10.1 Электронно-счетный измеритель временного интервала

Структурная схема измерителя временного интервала показана на рис. 6.1, . Исследуемые напряжения U x 1 и U x 2 подводят по двум каналам к формирующим устройствам. Когда эти напряжения достигают опорных уровней U 01 и (U 02 , на выходе формирующих устройств возникают короткие импульсы U H и U K , соответствующие началу и концу измеряемого интервала времени Тх. Эти импульсы воздействуют на триггер, выходной импульс которого на время Тх отпирает селектор.

За время действия импульса счетные импульсы с известным периодом T 0 , поступающие с генератора, фиксируются счетчиком.

Их число N пропорционально измеряемому временному интервалу и считывается с отсчетного устройства,

Схема измерителя периода отличается от рассмотренной тем, что импульсы начала и конца интервала, равного периоду повторения исследуемого напряжения, формируются в одном канале, а вторая схема формирования отсутствует.

Период счетных импульсов Т 0 выбирается кратным 10 - k , с, где k - целое число.

Систематиескую составляющую нестабильности счетных импульсов можно уменьшить, периодически корректируя частоту генератора.

Погрешность дискретности, для ее уменьшения следует увеличивать частоту генератора, максимальное значение которой ограничено быстродействием используемого счетчика. В настоящее время лучшие серийно выпускаемые счетчики работают до частот в сотни мегагерц. Погрешность дискретности можно несколько уменьшить, применяя генератор счетных импульсов с ударным возбуждением, запускаемый импульсом UH.

Если прибор предназначен для измерения времени задержки в исследуемом устройстве, то импульс начала интервала можно синхронизировать со счетными импульсами. В состав измерителя временного интервала вводят делитель частоты, запускаемый счетными импульсами. Импульс с выхода -делителя запускает исследуемое устройство. Из-за нестабильности времени.задержки в делителе не удается полностью устранить погрешность начала.

Точность измерений можно значительно повысить, применяя специальные методы, рассмотренные далее.

Если измеряемый интервал повторяется, то погрешность дискретности можно снизить, увеличивая измеряемый интервал в целое число раз или проводя многократные измерения.

10.2 Измерение частоты

Измерение частоты является одной из важнейших задач, решаемых в радиотехнике. Частота может быть измерена с очень высокой точностью, поэтому получили широкое распространение методы измерения различных параметров с предварительным преобразованием их в частоту и измерением последней.

Существуют следующие основные методы измерения частоты; электронно-счетный, заряда и разряда конденсатора, сравнения измеряемой частоты с образцовой, а также с помощью избирательных пассивных цепей.

Электронно-счетный метод заключается в счете числа, периодов неизвестной частоты в течение образцового интервала времени электронным счетчиком, быстродействие которого ограничивает диапазон измеряемых частот 100...500 МГц. Большие частоты приходится преобразовывать, понижая их до указанных пределов. Цифровые измерители частоты позволяют получить относительную погрешность измерения частоты порядка 10 -11 и менее в. диапазоне до сотен гигагерц.

Метод заряда и разряда конденсатора состоит в измерении среднего значения тока заряда или разряда конденсатора, пропорционального частоте измеряемого колебания. Метод пригоден, для измерения частот до сотен килогерц с погрешностью порядка 1%.

Измерение частоты путем сравнения с образцовой может производиться в широком диапазоне частот, включая СВЧ. Погрешность измерения зависит главным образом от погрешности определения образцовой частоты и может составлять до 10 -13 .

Измерение частоты с помощью избирательных пассивных цепей: резонансных контуров и резонаторов-сводится к настройке цепи в резонанс, значение измеряемой частоты считывается со шкалы элемента настройки. Погрешность измерения составляет до 10 -4 .

Таким образом, наиболее точные результаты дают методы электронно-счетный и сравнения, что обусловлено наличием квантовых эталонов частоты, лучшие образцы которых характеризуются нестабильностью частоты до 10 -13 . Например, водородные стандарты частоты, выпускаемые промышленностью, позволяют получить образцовые частоты с нестабильностью 5 … 10 -13 за сутки.

Проведение точных измерений требует знания не только номинального значения образцовой частоты, но и некоторых других параметров, характеризующих ее нестабильность.

10.3 Электронно-счетный метод измерения частоты

Электронно-счетный метод основан на счете числа импульсов неизвестной частотой повторения fx на известном стабильном по длительности интервале времени. Упрощенная структурная схема частотомера (рис. 8,2, а) подобна схеме измерителя временного интервала.

Частота кварцевого генератора выбирается равной n*10 k Гц, где k - целое число, а значение коэффициента деления n бывает кратным десяти. Поэтому число зафиксированных счетчиком импульсов N соответствует значению измеряемой частоты в выбранных единицах. Значение f 0 считывается с отсчетного устройства прибора.

Измерение частоты путем заряда и разряда конденсатора

Этот метод положен в основу работы частотомера, схема которого показана на. рис. 8.4, а. Напряжение U г с частотой f x поступает на усилитель-ограничитель (рис. 8.4, б). Его выходное напряжение U 2 , имеющее форму прямоугольных импульсов, воздействует на цепь, состоящую из конденсатора С и диодов Д1 и Д2. Пусть в начальный момент времени напряжение на конденсаторе Uс = U2- Постоянную времени заряда выбирают много меньшей половины периода входного напряжения. Среднее значение тока заряда конденсатора, проходящего через диод Д1 и магнитоэлектрический прибор,

пропорциональна частоте fx, поэтому шкалу магнитоэлектрического прибора градуируют в значениях измеряемой частоты.

Частотомеры рассмотренного типа работают в диапазоне от десятков герц до единиц мегагерц. Этот диапазон частот перекрывается несколькими поддиапазонами с разными пределами измерений Переход с предела на предел достигается сменой емкости, которая выбирается такой, чтобы на предельных частотах поддиапазонов средний ток прибора был достаточным для отклонения стрелки на всю шкалу.

Измерение частоты путем сравнения с образцовой

При этом методе измеряемая частота fx сравнивается о известной частотой f 0 генератора колебаний образцовой частоты. Перестраивая последний, добиваются выполнения равенства

где Δσp1 - погрешность сравнения частот.

Погрешность сравнения частот зависит от способа индикации равенства частот. В некоторых приборах для индикации равенства применяют смеситель и головные телефоны (рис. 8.5, а). Под действием колебаний образцовой и измеряемой частот в смесителе возникают колебания комбинационных частот вида mfx ±. nf 0 , где m и n - целые числа. Если сигнал разностной частоты попадает в полосу пропускания головных телефонов, то оператор слышит тон этой частоты. Изменяя f 0 следует добиться наиболее низкого тона, который для различных типов головных телефонов составляет десятки герц.

Поскольку при измерениях частота неизвестна, то метод неоднозначен и до измерений необходимо знать приближенное значение f x . Рассмотренный метод измерения частот иногда называют методом нулевых биений.

Измерения производят методом вилки. Погрешность сравнения при этом составляет 10...30 Гц.

10.4 Измерение частоты с помощью избирательных пассивных цепей

Измерение этим способом сводится к настройке избирательной цепи на частоту сигнала. Частоту отсчитывают по положению элемента настройки. Такими цепями могут быть мостовые схемы и колебательные контуры. В настоящее время мостовые измерители частоты, область применения которых ограничена низкими частотами, полностью вытеснены приборами других типов. Практическое применение нашли лишь измерители частоты с использованием резонансного контура, называемые резонансными волномерами. Эти простые приборы охватывают частотный диапазон от сотен килогерц до сотен гигагерц. Упрощенная схема резонансного волномера с контуром показанa рис. 8.8. Напряжение неизвестной частоты fx через катушку связи Lсв подводится к контуру, состоящему из образцовых катушки L и переменного конденсатора С Настройка контура производится изменением емкости, Состояние резонанса определяется магнитоэлектрическим прибором по максимуму напряжения на части катушки. Значение измеренной частоты считывается со шкалы конденсатора.

Погрешность измерения частоты с помощью резонансных волномеров определяется следующими основными факторами: погрешностью градуировки, нестабильностью резонансной частоты колебательной системы, влиянием связи с генератором и индикатором, неточностью фиксации резонанса. Погрешность градуировки может быть большой, если появляются неисправности в механизме настройки, который имеет довольно сложную конструкцию. Эта погрешность возрастает вследствие износа деталей механизма, появления перекосов и люфтов.

За счет связи с индикатором и источником измеряемой частоты в резонатор вносятся активные и реактивные сопротивления. Рост активных потерь уменьшает добротность, а непостоянство вносимых реактивных сопротивлений приводит к смещению резонанса. Уменьшение погрешностей, обусловленных влиянием индикатора и источника сигнала, достигается уменьшением связи. Но при этом уменьшается подводимое к детектору напряжение и в схему после детектора приходится вводить усилители.

Различают два основных метода измерения периода и времен­ных интервалов:

осциллографический;

электронно-счетный.

Измерение временных интервалов с помощью осциллографа производится по осциллограмме исследуемого напряжения с ис­пользованием линейной развертки. Из-за значительных погреш­ностей отсчета начала и конца интервала, а также из-за нелиней­ности развертки общая погрешность измерения временных интер­валов составляет единицы процентов. Значительно меньшая по­грешность свойственна специализированным измерителям времен­ных интервалов со спиральной разверткой.

В настоящее время наиболее распространены электронно-счет­ные методы измерения периода и временного интервала. Основными из которых являются:

цифровой метод измерения интервалов времени;

метод интерполяции;

нониусный метод.

Цифровой метод измерения интервалов времени

Принцип измерения периода гармонического сигнала цифровым ме­тодом с помощью цифрового частотомера поясняется рис. 17.1, где приве­дены структурная схема устройства в режиме измерения периода гармо­нического колебания и соответствующие его работе временные диа­граммы.

Измерение интервала времени T x цифровым методом основано на заполнении его импульсами, следующими с образцовым периодом Т о , и подсчете числа М х этих импульсов.

Все элементы устройства и их действие были проанализированы в вопросах, связанных с измерением частоты. Структурный состав генератора опорной частоты при измерении периода рассматривается ниже.

Рис. 3.6.Цифровой метод измерения интервалов времени: а -структурная схема; б -временные диаграммы

Гармонический сигнал, период T x которого требуется измерить, по­сле прохождения входного устройства ВУ (u 1 - выходной сигнал ВУ) и формирователя импульсов Ф2 преобразуется в последовательность ко­ротких импульсов u 2 с аналогичным периодом. В устройстве фор­мирования и управления УФУ из них формируется строб-импульс и з прямоугольной формы и длительностью T x , поступающий на один из входов временного селектора ВС. На второй вход этого селектора по­даются короткие импульсы u 4 с образцовым периодом следования Т о , созданные формирователем Ф1 из колебаний генератора опорной частоты ГОЧ.

Временной селектор ВС пропускает на счетчик СЧ М х счетных импуль­сов u 4 в течение времени T x , равном длительности строб-импульса и з . Измеряемый период T x , как следует из рис. 17.1, б,

T x = М х Т о + Δ t д , (3.6)

где Δ t д = Δ t к – Δ t н - общая погрешность дискретизации; Δ t н и Δ t к - погрешности дискретизации начала и конца периода Т х .

Без учета в формуле (17.1) погрешности Δ t д число импульсов, поступившее на счетчик М х = T x /Т о , а измеряемый период пропорционален М х

T x = М х Т о . (3.7)

Выходной код счетчика СЧ, выдаваемый на цифровое отсчетное уст­ройство ЦОУ, соответствует числу подсчитанных им счетных импульсов М х , а показания ЦОУ - периоду T x , поскольку период следования счет­ных импульсов и 5 выбирается из соотношения Т о = 1 - n , где п - целое число. Так, например, при п = 6 ЦОУ отображает число М х , соот­ветствующее периоду T x , выраженному в мкс.

Погрешность измерения периода T x , как и при измерении частоты, имеет систематическую и случайную составляющие .

Систематическая составляющая зависит от стабильности δ кв образ­цовой частоты ГОЧ (его кварцевого генератора), а случайная опреде­ляется в основном погрешностью дискретизации Δ t д , рассмотренной выше. Максимальное значение этой погрешности удобно учиты­вать через эквивалентное изменение числа счетных импульсов М х на ±1.

При этом максимальная абсолютная погрешность дискретизации может быть определена разностью двух значений периода T x , получаемых по формуле (17.2) при М х ± 1 и М х и равна Δ T x = ± Т о .

Соответствующая мак­симальная относительная погрешность

δ = ±Δ T x /T x = ± 1/М х = ±1/(T x f о ),

где f о = 1/ Т о - значение образцовой частоты генератора ГОЧ.

На погрешность измерения влияют также шумы в каналах форми­рования строб-импульса и 3 и счетных импульсов и 4 (рис. 17.1, а), вно­сящие в их положение временную модуляцию по случайному закону. Однако в реальных приборах с большим отношением сигнал/шум по­грешность измерения за счет влияния шума пренебрежимо мала по срав­нению с погрешностью дискретизации.

Суммарная относительная погрешность измерения периода опре­деляется в процентах по формуле

(3.8)

Из выражения (17.3) следует, что из-за погрешности дискретизации по­грешность измерения периода T x резко увеличивается при его уменьшении.

Повышения точности измерений можно добиться за счет увеличения частоты f о генератора ГОЧ (путем умножения частоты его кварцевого генератора в Ку раз), т.е. за счет увеличения числа счетных импульсов М х. С этой же целью в схему после входного устройства вводят делитель частоты исследуемого сигнала с коэффициентом деления К (на рис. 17.1, а не показан). При этом выполняется измерение К периодов Т х и в К раз уменьшается относительная погрешность дискретизации.

Погрешность дискретизации можно уменьшить и способом из­мерений с многократными наблюдениями . Однако при этом зна­чительно увеличивается время измерений. В связи с этим разработаны методы, уменьшающие погрешность дискретизации с существенно меньшим увеличением времени измерения. К их числу относится: метод интерполяции, нониусный метод.

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 . 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 , 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 :

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 .

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 × 10 6	2 × 10 5	2 × 10 4	2 × 10 3

Теперь в каждом диапазоне максимальное число импульсов, поступающих на счетчик, будет не более 2 × 10 4 . 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»). ,

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 .

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.