Цифрові фазометри

.

Побудова електронно-лічильних частотомірів (ЕЛЧ) ґрунтується на використанні єдиного методу дискретної лічби. Як правило, сучасні ЕЛЧ, виконують універсальними, що забезпечує вимірювання частоти і періоду електричних сигналів, суми і різниці двох частот, відношення двох частот, інтервали часу, а також використання їх як лічильники імпульсів. На низьких (приблизно до 100 Гц) частотах цифрові частотоміри безпосередньо вимірюють період, на високих (понад 100 Гц) –період і частоту сигналів.

Цифрові частотоміри

На рис.7.9 відображені часові діаграми, які пояснюють сутність методу вимірювання частоти. Синусоїдна напруга частоти (- період змінювання напруги) (рис. 7.9, а) перетворюється в послідовність коротких імпульсів тієї ж частоти (рис.7.9, б).

Рис. 7.9. Часові діаграми методу вимірювання частоти

Вони підраховуються протягом інтервалу часу вимірювання або часу лічби (рис. 7.9, в). Кількість імпульсів частоти , зафіксованих за цей час (без урахування похибки квантування),

N_f = Т_л / T_x = Т_л f_x , (7.5)

звідки вимірювана частота

, (7.6)

де - код значення частоти ; - дискретність ії вимірювання. Час лічби вибирають з умови Т_л=10^sс (s =0; ±1; ...), тому Гц. Число імпульсів пропорційне середньому значенню вимірюваній частоті за час лічби . Тому ЕЛЧ цього типу має назву частотоміра середніх значень. У сучасних ЕЛЧ час лічби задаєтьсяв діапазоні від с до 100 с.

Структурна схема такого частотоміра наведена на рис. 7.10.

Рис. 7.10. Структурна схема цифрового частотоміра середніх значень

Вимірюваний сигнал частотою (рис. 7.9, а) через вхідний пристрій подається на формувач імпульсів. Він генерує імпульси з періодом у моменти переходу напруги через одне з нульових значень (рис. 7.9, б). Ці імпульси надходять на перший вхід часового селектора, який в початковому положенні затулений. Селектор відкривається подачею на другий вхід керуючого сигналу тривалістю (рис.7.9, в) від блока формування.Протягом часу імпульси вимірюваної частоти в кількості потрапляють до блока індикації, підраховуються і відображаються на цифровому відліковому пристрої. Час лічби задається блоком керування в складі генератора опорної частоти , подільника частоти міток часу і формувачем часу лічби . Коефіцієнт ділення подільника визначається з умови

. (7.7)

З урахуванням (7.7) рівняння (7.6) перетворюється до виду

; .

Залежно від вибраного піддіапазону вимірювань потрібні значення задаються відповідними значеннями коефіцієнта ділення подільника частоти міток часу за допомогою перемикача ЧАС ЛІЧБИ (або ЧАС ВИМІРЮВАНЬ) на передній панелі приладу. Блок керування забезпечує також завдання розрядності, одиниці вимірювання, тривалості індикації і скидання показів блока індикації на нуль.

Нормована основна відносна похибка ЕЛЧ має 2 складові, які обумовлені квантуванням і формуванням часу лічби .Максимальне (граничне) значення відносної похибки квантування

, (7.8)

а абсолютної похибки квантування , яка визначає роздільну здатність цифрових частотомірів. Згідно з (7.7) відносна похибка формування часу лічби при : . Границя допустимої основної відносної похибки вимірювання частоти дорівнює

Згідно (7.8), відносна похибка квантування зменшуються з підвищенням часу лічби і вимірюваної частоти . Збільшення часу лічби еквівалентне збільшенню часу вимірювання, що допустимо в певних межах. Підвищення обмежується швидкодією мікросхем, що використовуються в приладі. Тому для розширення частотного діапазону використовуються перетворювачі частоти, наприклад типу Я34. Вонивиконані у вигляді змінних модульних блоків і забезпечують перенесення високих і надвисоких частот синусоїдних сигналів у діапазон низьких робочих частот. Гармонічний сигнал частоти , де L - номер гармоніки, - частота першої гармоніки, змішується з досліджуваним сигналом частоти і виділяється сигнал різницевої частоти . Збільшення номера гармоніки продовжується доти, доки різницева частота не потрапить у робочий діапазон частотоміра. Результат вимірювання подається у вигляді

, (7.9)

- покази за лімбом перетворювача.

Від схеми ЦВІЧ (рис. 7.6) схема каналу вимірювання періоду (рис. 7.11)

вхідного сигналу ЕЛЧ відрізняється наявністю подільників частоти вхідного сигналуі частоти міток часу.

Рис. 7.11. Структурна схема цифрового періодоміра

Перший подільник забезпечує установлення тривалості керуючого сигналу на виході блока керування рівним або кратним вимірюваному періоду , де n = 1; 10; . Другий подільник призначається для змінювання частоти лічильних імпульсів f_ліч в разів: f_ліч , де кратний 10. Коефіцієнти ділення подільників n і задаються відповідно перемикачами МНОЖНИК і МІТКИ ЧАСУ, розташованими на передній панелі приладу.

Часовий селектор відкривається блоком керування на час і через нього до блока індикації потрапляють лічильні імпульси, число яких дорівнює , звідки , де - дискретність вимірювання періоду .

Відносна похибка вимірювання періоду має ті самі складові, що й похибка вимірювання інтервалів часу методом дискретної лічби: похибки квантування , запуску і нестабільності опорної частоти .

Максимальне значення відносної похибки квантування дорівнює

. (7.10)

Граничне відносне значення похибки запуску при синусоїдному вхідному сигналі є

, (7.11)

де - максимальна (гранична) абсолютна похибка запуску або виділення вимірюваного інтервалу часу ;- амплітуда вхідного синусоїдного сигналу;- еквівалентний поріг спрацювання формувача імпульсів, який враховує обидві його складові (на початку і в кінці інтервалу ). Границя допустимої основної відносної похибки вимірювання періоду дорівнює

. (7.12)

У серійних частотомірах об’єднуються частотоміри як низьких, так і високих частот. Вимірюваний параметр – період або частота вибирається залежно від діапазону частот вхідного сигналу. Суттєвий недолік вимірювання періоду – це додаткові розрахунки при переході до частоти. Він ліквідований в ЕЛЧ на мікропроцесорах, наприклад типу Ч3-64, в яких указані розрахунки виконуються автоматично.

Мікропроцесорні частотоміри можуть працювати зі змінними блоками для розширення їх функціональних можливостей і частотного діапазону і мають вихід на КЗК для сполучення з іншими системними приладами. Мікропроцесорі дозволяють автоматизувати завдання програм роботи залежно від ВВ і керувати процесами вимірювання, виконання окремих вимірювальних і обчислювальних операцій, статистичного усереднення результатів вимірювань, а також проводити контроль працездатності і калібрування, корекцію результатів вимірювань та відображення їх у зручній формі, керувати інтерфейсом.

У мікропроцесорних частотомірах для вимірювання усіх величин використовується метод дискретної лічби (рис. 7.5). Від класичних ЕЛЧ їх відрізняють дві особливості: перша - частота в усьому робочому діапазоні вимірюється опосередковано: спочатку методом дискретної лічби визначається період, за яким потім автоматично обчислюється частота, що дає приблизний результат вимірювання; друга - вимірювання похибки квантування , яка враховується потім у вигляді поправкидо приблизного результату вимірювання періоду. Згідно з виразом (7.2) уточнений результат вимірювання

, (7.13)

де - приблизний результат вимірювання інтервалу часу .

Складові і похибки квантування вимірюють інтерполяційним методом. Оскільки вони досить малі, то виділяють інтервали часу ; , - інтервал часу між старт-імпульсом та другим, відраховуючи від нього, лічильним імпульсом, - інтервал часу між стоп-імпульсом та другим, відраховуючи від нього, лічильним імпульсом. З урахуванням цих рівнянь вираз (7.13) має вигляд

.

На рис. 7.13 відображена спрощена структурна схема мікропроцесорного частотоміру.

Рис. 7.13. Структурна схема мікропроцесорного частотоміра

Вхідний блок забезпечує підсилення, формування і ділення частоти вхідних сигналів, комутації кіл керування тощо. Часовий селектор формує вимірюваний інтервал часу (рис. 7.12,а), здійснює вимірювання його методом дискретної лічби, а також виділяє інтервалі часу , і формує прямокутні імпульсі тієї самої тривалості, які надходять до двоканального інтерполятора.

Числовий еквівалент інтервалу часу , що дорівнює , запам’ятовується у мікропроцесорному контролеру. В інтерполяторі відбувається розширення інтервалів , в k_t разів (у частотомірі Ч3‑64 k_t = 128) і вимірювання розширених інтервалів k_t, k_tза методом дискретної лічби шляхом їх заповнення імпульсами тієї самої опорної частоти Пакети імпульсів, кількість яких ; , з інтерполятора надходять до мікропроцесорного контролера і алгебраїчно підсумовуються з записаним раніше значенням :

. (7.14)

Блок ЦАП призначений для вимірювання, формування і видачі напруги запуску на формувач імпульсів вхідного блока приладу. У дистанційному режимі роботи рівень запуску програмується через КЗК.

В частотомірі передбачена поправка, яка враховує взаємне неузгодження двох інтерполяторів. Тривалість одиничного вимірюваного часового інтервалу обчислюється мікропроцесорним контролером за формулою

,

де - калібрувальне число, що має фізичний зміст цій поправки і визначається в процесі калібрування частотоміра. Калібрування виконується за підпрограмою, яка задається або вручну, натисканням відповідних кнопок на передній панелі приладу, або автоматично після вмикання приладу.

У режимі статистичних вимірювань здійснюється усереднення певної кількості n результатів вимірювань часових інтервалів, причому при кожному вимірюванні проводиться інтерполяційне уточнення часових інтервалів k_t, k_tі калібрування інтерполяторів (усього n разів).

Мікропроцесорний контролер забезпечую керування процесом вимірювання і обчислення результату вимірювання з урахуванням поправок. Склад його: керуючий обчислювальний пристрій, оперативний і програмований запам’ятовуючий пристрої, блок керування і інтерфейс. Він має модульний принцип побудови. модулів, Зв’язок між модулями відбувається через приладову магістраль, що має чотири шини - даних, адреси, керування і живлення. В мікропроцесорному контролері розміщений інтерфейс сполучення з КЗК. Інтерфейс працює у режимах приймання та передавання інформації. Швидкість обміну даними через інтерфейс коливається в межах від 100 до 1000 байт за секунду залежно від режиму роботи.

До найбільш точних цифрових фазометрів належать цифрові час-імпульсні та компенсаційні фазометри.