21 Измерительные преобразователи отношения частот

Опираясь на классификацию аналого-цифровых преобразователей, можно утверждать, что подавляющее большинство типов преобразователей частоты являются приборами прямого преобразования, осуществляющими счет числа идентичных событий за определенный интервал времени измерения. В зависимости от значения этого интервала (называемого иногда "временными воротами") можно выделить преобразователи мгновенных значений, измеряющие частоту f_Х за один период колебаний T_Х, и преобразователи средних значений, измеряющие частоту f_Х путем подсчета числа периодов T_Х за интервал времени измерения T_И > T_Х и деления полученного числа на T_И.

Типовая структурная схема преобразователя

Типовая структурная схема преобразователя представлена на рисунке 1. Она содержит функциональные узлы, уже описанные выше. В связи с этим охарактеризуем схему (см. рисунок 1), рассмотрев ее работу в режиме преобразования отношения частот.

Рисунок 1 - Типовая структурная схема преобразователя

Преобразование отношения частот

Формирующие устройства ФУ1 и ФУ2 необходимы для преобразования гармонических сигналов в короткие импульсы, соответствующие моментам перехода сигналов через нуль в одну сторону. Благодаря этому образуются периодическая последовательность импульсов с периодом T_Х ФУ1, которые удобно считать при измерении f_Х, и импульсы, с помощью которых ФУ2 формирует интервал времени T_И (метки времени). В качестве БОЧ применяется кварцевый генератор с системой делителей и умножителей частоты, позволяющих выбрать требуемый коэффициент деления или умножения при формировании T_И. Само формирование T_И осуществляется с помощью устройства управления (УУ). Управление работой преобразователя может быть ручным или автоматическим.

В этом режиме БОЧ исключается из схемы, сигнал большей частоты f₁ подается на вход 1, а сигнал меньшей частоты f₂  на вход 2 (см. рисунок 1). Процесс преобразования наглядно поясняется временными диаграммами, приведенными на рисунке 2. Импульсы U₁ поступают на вход селектора, который открыт во время действия напряжения U₃, поступающие из ФУ2. Это напряжение может иметь вид прямоугольного импульса длительностью T_И, называемого стробирующим импульсом (строб-импульсом) или меткой времени. Таким образом, интервал T_И формируется из сигнала частоты f₂, а счету подвергаются импульсы, сформированные из сигнала частоты f₁.

Итак, счетчик фиксирует число импульсов N (диаграмма U₄), связанное с T_Х и T_И очевидным соотношением

Т_И = N T_Х,

, (1)

т.е. с помощью такого преобразователя могут быть реализованы не только абсолютные, но и относительные измерения частоты.

Процесс преобразования наглядно поясняется временными диаграммами, приведенными на рисунке 2

Основные параметры преобразователей

Номенклатура параметров ЦЧ соответствует комплексу общих параметров СИ. Специальные пояснения необходимо сделать только в отношении погрешностей измерения f_Х, T_Х, f₁/f₂ и Δt_Х, так как они характеризуют возможности преобразователя в каждом из рассмотренных режимов работы и позволяют уточнить принципиальные особенности, имеющие место при преобразовании низких и высоких частот в цифровой код. Относительная погрешность преобразования f_Х нормируется величиной

, (5)

где δ₀ = k10ⁿ  составляющая, определяемая относительной погрешностью по частоте опорного генератора БОЧ, причем k = 1,0; 1,5; 2,0; 2,5 или 5,0, а n = = -4, -5 и т.д.

Значение δ₀ должно нормироваться для интервалов времени из следующего ряда: 10, 15, 80 мин; 1, 2, 8, 24 ч; 10, 15, 30 сут; 6 и 12 мес.

Второе слагаемое в формуле (4.5) характеризует погрешность дискретности. Действительно, абсолютное значение этой погрешности нормируется в общем случае как ±1 младшего разряда счета, т.е. относительное значение, определяемое как 1/N, оказывается равным, согласно (4.1), второму слагаемому в формуле (4.5). Возникновение погрешности дискретности иллюстрируется рисунком 4.2 и обусловлено несинфазностью сигналов U_x и U₂. При T_И = const эта погрешность обратно пропорциональна f_Х, т.е. точное преобразование низких частот сопряжено с ростом T_И. В ряде случаев требуемое значение T_И может оказаться непомерно большим. Например, преобразование частоты f_Х = 10 Гц с погрешностью дискретности 10^-5 требует, согласно (4.5), значения T_И = 10⁴ с, что нереально. На высоких частотах эта погрешность уменьшается, но возникают другие факторы, ограничивающие максимальное значение f_Х.

Относительная погрешность преобразования T_Х нормируется отдельно для гармонического и импульсного сигналов. В качестве примера рассмотрим импульсный сигнал, для которого с учетом (4.5)

. (6)

Второе слагаемое в формуле (4.6) также характеризует погрешность дискретности и определяет границы измеряемых с требуемой точностью значений T_Х. Эта же формула справедлива для оценки относительной погрешности измерения Δt_Х, но в случае, если Δt_Х - длительность импульса, появляется дополнительная составляющая δ_Δt, обусловленная крутизной фронта и спада импульса.

Относительная погрешность измерения f₁/f₂ не содержит в отличие от формул (4.5) и (4.6) составляющей δ₀, так как БОЧ в этом режиме исключается из работы. Если при измерении f₁/f₂ производится усреднение результатов измерений, то в соответствии с (4.5) и (4.6)

.