Методы измерения периода и временных интервалов — КиберПедия 

Историки об Елизавете Петровне: Елизавета попала между двумя встречными культурными течениями, воспитывалась среди новых европейских веяний и преданий...

История создания датчика движения: Первый прибор для обнаружения движения был изобретен немецким физиком Генрихом Герцем...

Методы измерения периода и временных интервалов

2017-12-13 1773
Методы измерения периода и временных интервалов 0.00 из 5.00 0 оценок
Заказать работу

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 Tx цифровым методом основано на заполнении его импульсами, следующими с образцовым периодом То, и подсчете числа Мх 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.

а)

б)

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

 

Гармонический сигнал, период Tx которого требуется измерить, по­сле прохождения входного устройства ВУ (u1 выходной сигнал ВУ) и формирователя импульсов Ф2 преобразуется в последовательность ко­ротких импульсов u2 с аналогичным периодом. В устройстве фор­мирования и управления УФУ из них формируется строб-импульс из прямоугольной формы и длительностью Tx, поступающий на один из входов временного селектора ВС. На второй вход этого селектора по­даются короткие импульсы u4 с образцовым периодом следования То, созданные формирователем Ф1 из колебаний генератора опорной частоты ГОЧ.

Временной селектор ВС пропускает на счетчик СЧ Мх счетных импуль­сов u4 в течение времени Tx, равном длительности строб-импульса из. Измеряемый период Tx, как следует из рис. 17.1, б,

Tx = Мх То + Δtд,(3.6)

где Δtд = Δtк – Δtн — общая погрешность дискретизации; Δtн и Δtк — погрешности дискретизации начала и конца периода Тх.

Без учета в формуле (17.1) погрешности Δtд число импульсов, поступившее на счетчик Мх = Tx / То, а измеряемый период пропорционален Мх

Tx = Мх То. (3.7)

Выходной код счетчика СЧ, выдаваемый на цифровое отсчетное уст­ройство ЦОУ, соответствует числу подсчитанных им счетных импульсов Мх, а показания ЦОУ— периоду Tx, поскольку период следования счет­ных импульсов и5 выбирается из соотношения То = 1- n, где п — целое число. Так, например, при п = 6 ЦОУ отображает число Мх, соот­ветствующее периоду Tx, выраженному в мкс.

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

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

При этом максимальная абсолютная погрешность дискретизации может быть определена разностью двух значений периода Tx, получаемых по формуле (17.2) при Мх ± 1 и Мх и равна Δ Tx = ± То.

Соответствующая мак­симальная относительная погрешность

δ = ± Δ Tx /Tx = ± 1/ Мх = ±1/(Tx fо),

где fо = 1/ То — значение образцовой частоты генератора ГОЧ.

На погрешность измерения влияют также шумы в каналах форми­рования строб-импульса и3 и счетных импульсов и4 (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 Tx резко увеличивается при его уменьшении.

Повышения точности измерений можно добиться за счет увеличения частоты fо генератора ГОЧ (путем умножения частоты его кварцевого генератора в Ку раз), т.е. за счет увеличения числа счетных импульсов Мх. 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 Тх 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 Тх, начало и конец которого заданы двумя импульсами ин и ик, 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 (Δtн и Δtк) в начале и конце интервала Тх, 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 τ1 = 2 То - Δtн и τ2 = 2 ТоΔtк (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 ик1 и ик2, определяющие конец расширенных интервалов, а собственно расширен­ные интервалы обозначены через к1τ1 и к2τ2.

Расширенные интервалы, а также интервал τо между концами им­пульсов τ1 и τ2 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

к1τ1 = N1То+ Δtк1; к2τ2 = N2То+ Δtк2; τо = NoТо, (3.9)

где к1 и к2 коэффициенты расширения; No, N1 и N2 числа счетных импульсов, заполнивших отмеченные интервалы, а Δtк1 и Δtк2 — по­грешности дискретизации измерения расширенных интервалов.

Из рис. 17.2 также видно, что искомый интервал

Тх = τо + τ1 - τ2.

Под­ставляя в это выражение параметры τо, τ1 и τ2, вычисляемые по (17.4), находим, что

Тх = NoТо + (N1То+ Δtк1)/ к1 – (N2То+ Δtк2)/ к2. (17.5)

При идентичности коэффициентов расширения (к1 = к2 = к), получим

Тх = То [ No +(N1N2)/ к +(Δtк1Δtк2)/ к ]. (3.10)

Погрешности дискретизации Δtк1 и Δtк2 имеют равномерное распре­деление с пределами 0… То, а их разность Δtк1Δtк2 распределена по тре­угольному закону с пределами ± То. Поэтому максимальная погрешность дискретизации при измерении интервала Тх равна То / 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 ин 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 То. Под действием импульса ик 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

Тн = (п — 1)То/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

Тх = о + Δtк, (3.11)

где

Δtк = он Δtкн = kТо /пΔtкн, (3.12)

Δtкн — погрешность из-за неточного совпадения фронтов счетных и нониусных импульсов.

Подставив (17.8) в (17.7), получим

Тх = о + о /пΔtкн, (3.13)

Число k характеризует длительность интервала Δtк, выраженную в долях периода То. Величина То /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 = 10m, где m == 1 или 2, тогда с младших разрядов отсчетного устройства отсчитывается значение Δtк в де­сятых или сотых долях То.

Пусть, например То = 100 нc, Тн = 99 нc, a Тх = 1813 нc. Отсчет старших разрядов отсчетного устройства будет равным 18, а интервал Δtк 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 То и Тн. 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.

 

Вопрос №3

3.1


Поделиться с друзьями:

История развития пистолетов-пулеметов: Предпосылкой для возникновения пистолетов-пулеметов послужила давняя тенденция тяготения винтовок...

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций...

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰)...

Наброски и зарисовки растений, плодов, цветов: Освоить конструктивное построение структуры дерева через зарисовки отдельных деревьев, группы деревьев...



© cyberpedia.su 2017-2024 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав. Мы поможем в написании вашей работы!

0.033 с.