3.4.2. Цифровые измерительные приборы для измерения временных параметров

В измерительной технике при дистанционных измерениях широко используют синусоидальные или импульсные сигналы, модулированные по временным признакам (частоте, фазе, длительности).

Преимущество таких сигналов заключается

- в их высокой помехоустойчивости,

- малом влиянии на точность измерения параметров канала связи,

- в возможности подключения большого числа измерительных преобразователей, удаленных на значительные расстояния,

- в простоте преобразования в цифровую форму.

Точность измерения частотных и временных сигналов принципиально может быть весьма высокой и обеспечена простыми средствами.

Поэтому цифровые частотомеры и измерители временных интервалов составляют одну из самых многочисленных групп ЦИП.

3.4.2.1. Цифровые измерители временных интервалов

Предназначены для измерения периода гармонических или импульсных сигналов и длительности импульсов.

В основе измерения временных интервалов положен принцип подсчета числа периодов Т₀ импульсного сигнала u_N(t) с образцовой частотой f₀, заполняющих измеряемый интервал (период) T_x.

На рисунке представлена структурная схема ЦИП для измерения периода.

.Рис. Структурная схема (а) и временная диаграмма работы (б) ЦИП для измерения периода

Исследуемый периодический сигнал u_х(t) поступает на вход усилителя-формирователя УФ, выходной сигнал u_T(t) которого представляет собой прямоугольные импульсы длительностью Т_x, равной периоду измеряемого сигнала.

Этот импульс открывает ключ К, и импульсы с периодом Т₀ от генератора импульсов ГИ поступают в счетчик Сч.

Количество импульсов, подсчитанных Сч за время Т_х,

N = T_x/T₀ = T_xf₀.

Период Т₀ образцовой частоты f₀ в данном случае является образцовой величиной, с которой сравнивается измеряемый временной интервал.

Код с выхода счетчика индицируется ЦСОИ.

Если пренебречь нестабильностью частоты f₀, которую можно сделать достаточно малой при использовании ГИ с кварцевой стабилизацией частоты, то основной составляющей результирующей погрешности является погрешность квантования временного интервала Т_х.

В том случае, когда начало интервала Т_х не совпадает с моментом появления импульса ГИ, погрешность квантования

∆_кв = T₀N - (∆t₁ + ∆t₂),

а её максимальное значение не превышает T₀.

Максимальная относительная погрешность квантования

δ_кв = T₀/T_x = 1/N.

Значение образцовой частоты f₀ определяется допустимой погрешностью измерения самого короткого временного интервала Т_х.

Если дальнейшее увеличение частоты f₀ невозможно из-за ограниченного быстродействия счётчика, то для повышения точности применяют синхронизацию начала временного интервала Т_х с импульсами опорной частоты (∆t₁ → 0) и одновременно дополнительную оценку значения интервала ∆t₂.

Для уменьшения погрешности квантования применяют усреднение результатов за n периодов, что осуществляется путем подсчёта импульсов образцовой частоты f₀ за временной интервал, равный n измеряемым периодам Т_х, с последующим делением показаний счетчика на n (n обычно равно 10^m, где m - целое положительное число; тогда операция деления сводится к перенесению запятой в отсчёте).

Для этой цели в схему добавляют счетчик числа периодов, сигнал с выхода которого останавливает измерение.

Погрешность квантования

δ_кв = 1/nT_xf₀

уменьшается в n раз, однако при этом необходимо увеличивать в n раз время измерения и ёмкость счетчика.

Измерение длительности импульса происходит аналогично измерению периода.