Недостатки частотомера непрерывного действия

1. Если частота входного сигнала меняется, то время измерения его становится сопоставимым со временем измерения частотомера среднего значения, т.к. задержка Т₀ определяется из условия

2. Поскольку это прибор непрерывного действия, то все сбои в работе РСИ будут накапливаться, приводя к погрешности, которую невозможно учесть. Поэтому в практическом исполнении такие частотомеры необходимо снабжать БУ, который будет периодически сбрасывать РСИ и счетчики цифрового блока задержки.

3. Если входной сигнал по каким-либо причинам имеет девиацию относительно основной частоты, то есть f_X = f_X0 ± Df_X, то данный частотомер не пригоден для использования, так как выполняет функцию интегрирования за бесконечный промежуток времени с вычитанием двух интегралов. Следовательно, влияние Df_X невозможно устранить, подобрав соответствующее время измерения, как это можно сделать в частотомерах средних значений.

3.1.2. Цифровой частотомер средних значений

Данный прибор предназначен для преобразования средней частоты f_X входного сигнала за время преобразования T₀ в цифровой код N_X.

Обобщенная структурная схема частотомера средних значений (ЧСЗ) представлена на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Обобщенная структурная схема ЧСЗ

На рисунке обозначено: ВФ – входной формирователь, предназначенный для формирования на своем выходе импульсов прямоугольной формы с параметрами, обеспечивающими надежную работу цифровой части схемы. Частота этих импульсов равна частоте входного сигнала; С – селектор импульсов, пропускающий на выход импульсы, поданные на один из его входов, при наличии разрешающих сигналов, поданных на другие его входы; ГОЧ – генератор образцовой частоты, вырабатывающий импульсы, период которых равен времени преобразования T₀. Схема ГОЧ снабжается делителем частоты на два. Таким образом, длительность каждого импульса, поступающего на селектор с выхода ГОЧ, равна времени преобразования, т.е. T₀; БУ – блок управления, вырабатывающий сигналы, необходимые для управления измерительной процедурой прибора; СИ – счетчик импульсов, подсчитывающий количество прошедших с выхода селектора импульсов частоты f_X за время T₀; ЦОУ – цифровое отчетное устройство, в простейшем случае дешифратор с подключенным к нему индикатором.

Работа структуры осуществляется следующим образом. При отсутствии сигнала "запрет" от БУ разрешается работа ГОЧ. При этом предварительно на селектор подается разрешающий сигнал "строб". Как только на выходе ГОЧ появится импульс T₀, импульсы с выхода ВФ поступают на СИ, который преобразовывает их число в цифровой код N_X.

Задний фронт импульса T₀ служит для БУ сигналом "конец измерения", БУ снимает сигнал "строб" и подает на ГОЧ сигнал "запрет", который сбрасывает все имеющиеся в схеме ГОЧ делители частоты и удерживает их в этом состоянии на время, требующееся для считывания показаний с индикаторов ЦОУ. Это время называется временем индикации. Оно отсчитывается, как правило, микросхемой одновибратора, входящего в состав БУ.

По окончании времени индикации БУ выдает на СИ короткий импульс "сброс", устанавливает сигнал "строб" и снимает сигнал "запрет". Далее повторяется описанный выше процесс.

Принцип расчета такого частотомера сводится к определению времени измерения T₀ и емкости счетчика N_Xmax. Это то, что можно сделать на структурном уровне. Расчет ведется из предположения, что схема имеет лишь две составляющие погрешности: d_КВ – погрешность квантования, d_ГОЧ – погрешность от неточности и нестабильности частоты ГОЧ.

Прежде всего необходимо определить время преобразования T₀ . Для этого общую погрешность d_S, равную d_S = d_КВ + d_ГОЧ, предварительно разбивают на составляющие так: d_КВ» 0,9d_S; d_ГОЧ» 0,1d_S.

В ряде случаев принимают, что d_КВ = d_S, и пренебрегают погрешностью d_ГОЧ. Для определения точного значения d_КВ пользуются формулой

,

в которую подставляют заданные значения f_Xmax и d_КВ.

Абсолютное значение D_КВ выбирается равным 10ⁿ, где n – целое число или нуль. При этом D_КВ выбирается меньшим или равным расчетному значению.

Выбранное значение D^'_КВ подставляется в формулу

После того как определено истинное значение погрешности квантования d_КВ, корректируется значение погрешности d_ГОЧ:

d_ГОЧ = d_S – d_КВ.

Емкость счетчика СИ определяется по формуле

.

По этому значению находится число декад СИ:

n = Ent[lg(N₀)].

Время преобразования T₀ определяется по формуле

.

Отсюда частота ГОЧ

.

В качестве примера рассмотрим работу функциональной схемы
4-предельного ЧСЗ, приведенную на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Функциональная схема 4-предельного ЧСЗ

 

Предел измерения (время измерения Т₀) выбирается с помощью ключа S1 подключением соответствующего выхода (Т₀₁ – Т₀₄) к тактовому входу триггера DD1.1.

В результате сигнал с частотой поступает на вход "С" триггера DD1.1. Первым импульсом этого сигнала триггер устанавливается в "1", разрешая прохождение импульсов fx с выхода ВФ через селектор DD2 на счетчик СТ. По второму импульсу f_0i триггер DD1.1 сбрасывается, селектор закрывается, и импульсы на счетчик не идут. При этом на его выходе зафиксирован код: Nx=f_X ×T_0i.

При сбросе триггера DD1.1 на его инверсном выходе формируется перепад из "0" в "1", по которому:

1) код N_X c выхода СТ переписывается в регистр "RG", с выхода которого поступает на дешифратор Дш и в виде десятичного числа отображается на индикаторе;

2) устанавливается в "1" триггер DD1.2, с прямого выхода которого на ГОЧ делители частоты 1, 2, 3 и счетчик СТ идет сигнал "сброс".

Этот сигнал удерживает в нулевом состоянии счетчик "СТ", три делителя частоты и выход ГОЧ, на время t_СБР = R₂ × C₂ . В принципе, это время может служить временем индикации. Зачастую, если частота f_X не меняется быстро, этого времени не требуется, т.к. данные в регистре сохраняются от конца предыдущего до конца следующего измерения, т.е. в течение времени 2/T_0i, чего чаще всего достаточно для считывания показаний.

По окончании времени t_сбр сигнал "0" с инверсного выхода DD1.2 поступит на его R вход. При этом на прямом выходе этого триггера устанавливается "0", разрешающий работу счетчику СТ, делителям частоты и ГОЧ. Далее повторится описанный выше процесс преобразования.

Коэффициенты деления ДЧ1 – ДЧ3 задаются, как правило, следующим образом: К_ДЧ1 = 10, К_ДЧ2 = 100, К_ДЧ3 = 1000. Это определяется соотношением времени преобразования T_0i между собой.

Достоинства ЧСЗ

1. Высокая точность измерения в области средних и высоких частот.

2. Малое число источников погрешностей.

3. Возможность получения результата измерения, инвариантного к девиации частоты входного сигнала.

Недостатки ЧСЗ

1. Большое время преобразования в области низких частот.

2. Большая динамическая погрешность при измерении изменяющейся во времени частоты.

Примечание. Если требуется измерить низкую частоту за малое время, следует использовать схему частотомера мгновенных значений, т.е. производить измерение периода сигнала и цифровое преобразование (например, табличное) кода периода N_Tx в код частоты N_fx. Для этого можно использовать микросхемы ПЗУ, на адресные входы которых поступает код N_Tx, а в соответствующих ячейках памяти расположен код N_fx, появляющийся на выходах данных ПЗУ. При этом емкость счетчика определяется выражением

N₀ = f_Xmini ×T_0i,

где f_Xmini – минимальная измеряемая частота на i-том пределе измерения; T_0i – время измерения на i-том пределе измерения.

 

3.1.3. Цифровой частотомер номинальных значений

Такие приборы предназначены для точного измерения частоты электрического сигнала, значения которой меняются в незначительных пределах.

Частотомеры номинальных значений (ЧНЗ) при этом обеспечивают малое время измерения. Они используются на ГЭС и АЭС в системах управления турбинами, а также в системах контроля качества электроэнергии.

Обобщенная функциональная схема ЧНЗ приведена на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Обобщенная функциональная схема ЧНЗ

 

На рисунке обозначено: ВФ – входной формирователь; СИ – счетчик импульсов с коэффициентом пересчета n₁; СТ – счетчик импульсов с предустановкой в код n₂.

Принцип действия такого прибора основан на том, что если на графике изменения гиперболической функции, связывающей частоту и период, выбрать некоторый малый участок, то его можно аппроксимировать прямой линией. То есть, реально измеряя период, можно получить цифровой отсчет в значениях входной частоты.

Работа схемы осуществляется следующим образом. При включении питания БУ устанавливает "0" на выходе "пуск", обнуляя СИ и триггер DD2, и "1" – на выходе "запись n₂", устанавливая счетчик СТ в значение кода n₂. Затем БУ снимает сигнал "запись n₂" и устанавливает "1" на выходе "пуск". В результате импульсы с выхода ФВ проходят на СИ, и при первом его переполнении на прямом выходе триггера DD2 установится "1", разрешающая прохождение выходного сигнала ГОЧ с частотой f₀ через селектор DD3 на счетчик СТ. При этом содержимое СТ начинает убывать. При следующем переполнении СИ через интервал времени t_И, пропорциональный периоду входного сигнала, на прямом выходе триггера установится "0", закрывающий DD3 для прохождения выходного сигнала ГОЧ на счетчик СТ. На инверсном выходе триггера установится "1", производящая запись результата измерения N_X в Pг.

При переходе сигнала на прямом выходе триггера из "1" в "0", БУ снимает сигнал "пуск" установкой на этом выходе "0" и вырабатывает сигнал "запись n₂", записывая код n₂ в СТ. Таким образом, схема готова к следующему измерению.

Результат измерения:

N_X = n₂ – t_И × f₀.

Значение кода n₂, для обеспечения достоверности отсчета и возможности измерения частоты в пределах ±Df от номинальной, следует выбирать из условия

где f_H – номинальная измеряемая частота.

Результат преобразования ЧНЗ определяется выражением

Представим измеряемую частоту в виде f_X = f_H ± Df. Тогда получим

Умножим числитель и знаменатель последнего выражения на (1 – Df_X/Df_H). В результате

 

Так как подобные приборы работают при малых Df_X, то Df_X << f_H. Следовательно:

А значит:

 

Второе слагаемое в этом уравнении определяет изменяемую часть выходного кода. С учетом того, что n₂/2 – величина постоянная, получаем:

Это и есть уравнение преобразования прибора, связывающее изменяемую часть выходного кода N_X и измеряемую частоту f_X.

Методика расчета схемы та же, что и у частотомера средних значений. Исходными данными являются:

1) номинальная частота f_H;

2) время измерения t_И;

3) погрешность квантования d_КВ.

 

Погрешности ЧНЗ

Обратите внимание, что в ЧНЗ помимо погрешности квантования всегда имеется методическая погрешность, возникающая из-за представления гиперболической функции T_X = 1/f_X ее линейной аппроксимацией на участке Df_X:

Эту погрешность обязательно следует учитывать в расчетах.

Остальные погрешности определяются так же, как и у ЧСЗ.

Достоинство ЧНЗ –возможность измерения низких частот за малое время.

Недостаток ЧНЗ –узкий диапазон изменения измеряемой частоты, обусловленный резким ростом погрешности d_М при увеличении значения измеряемой частоты свыше 1 % от номинального значения.