Цифровые приборы для измерения частоты (периода) и фазы электрических сигналов

Цифровые приборы для измерения частоты (периода) и фазы строятся на основе метода последовательного отсчета. Измеряемый параметр предварительно преобразуется во временной интервал Т, определение которого производят методом заполнения квантующими импульсами частотой f и периодом Т , число которых N количественно характеризует результат измерения.

Цифровые фазометры-частотомеры разделяют на измеряющие средние (за некоторый фиксированный интервал времени) и мгновенные (за один период) значения. Последние часто называют периодомерами и применяют в исследованиях низкочастотных сигналов. Это объясняется тем, что при измерении параметров низкочастотных сигналов погрешность дискретности становится определяющей, ограничивая точность и быстродействие таких приборов. Упрощенная функциональная схема и временные диаграммы периодомера приведены на рис. 7.

а) б)

Рис.7. Периодомер:

а – структурная схема; б – временные диаграммы работы

Переменное напряжение U , период которого Т необходимо измерить, поступает на формирователь Ф прямоугольного импульса, длительность которого характеризует моменты перехода U через нуль из отрицательных значений в положительные. Передним и задним фронтами этого импульса управляется ключ Кл, через который в течение Т на счетчик Сч проходят импульсы ГИ генератора стабильной частоты ГИ. Число импульсов, фиксируемое счетчиком

N = = Т f . (19)

На рис. 8 приведена структурная схема цифрового фазометра-частотомера и его временные диаграммы, поясняющие работу.

а)

б

в)

)

Рис. 8. Структурная схема цифрового фазометра-частотомера и его временные диаграммы,

поясняющие работу

Значения частоты f целесообразно выбирать из ряда значений, определяемых равенством: f = 10 Гц, где m – положительное целое число. При таком выборе N совпадает со значением Т , выражаемого в секундах или долях секунды.

Цифровой фазометр-частотомер состоит из двух функциональных блоков: блока БП преобразования входных параметров в коды чисел «n » и «N » импульсов, формируемых за временные интервалы и Т , соответствующие фазовому сдвигу исследуемых напряжений U и U , и периоду напряжения U , а также информационно-измерительного блока ИИБ, реализованного на основе многофункциональной мостовой потенциометрической схемы, осуществляющего преобразование цифровых эквивалентов измеряемых параметров в их именованные значения.

Работа блока БП основана на преобразовании с помощью формирователей Ф и Ф параметров и f во временные интервалы, величины которых определяют заполнением этих интервалов квантующими импульсами с периодом t генератора ГИ, числовые значения которых n и N подсчитываются счетчиком Сч и фиксируются в регистрах Рег1 и Рег2. Особенностью работы формирователей является то, что Ф2 при срабатывании вырабатывает один, а Ф2 – два коротких по длительности импульса, сдвинутых относительно друг друга на время меньшее, чем длительность периода t (рис. 8, в).

Работа блока ИИБ основана на свойствах нулевой мостовой схемы постоянного тока, уравновешиваемой резисторами декодирующей сетки аналого-цифрового преобразователя (АЦП), плечи которой образуют резисторами цифро-аналоговых преобразователей R и R и весовыми резисторами R и R . В диагонали мостовой схемы включены компаратор К и источник питания ИП. Последовательность измерений и f обеспечивается переключениями ключей Кл1 и Кл2.

При измерении , когда плечами мостовой схемы являются R , R , R и R , уравнение баланса имеет вид:

R = R . (20)

Так как

R = R U , R = R n , R = R m,

где N - код числа импульсов ГИ за интервал Т ;

n - код числа импульсов ГИ за интервал ;

m – код числа АЦП при измерении ;

R - величина сопротивления младшего разряда АЦП и ЦАПов, то уравнение баланса примет вид

R m = R (21)

или

m = . (22)

И, полагая, что R = R M, где градуировочный множитель M = 360 10 (i = 0, 1, 2, …), получим результат измерения в угловых единицах, т. е. в градусах.

При измерении частоты f плечами мостовой схемы будут являться R , R , R , R , уравнение баланса которой будет

R = . (23)

Учитывая, что N = , а также R = R m; R = R N , уравнение (23) примет вид:

R m = (24)

или

m = . (25)

И справедливо полагая, что = f , а числовое выражение = const = M (градуировочный множитель) получим результат измерения в частотных единицах, т.е. герцах.

Как следует из вышеприведенных рассуждений класс точности и разрешающая способность фазометра частотомера при его работе в широком диапазоне частот и сдвигов фаз сигналов будет определяться величиной частоты импульсов с ГИ.

Фазометр-частотомер работает следующим образом. При включении питания Сч, Рег1, Рег2, ЦАП1, ЦАП2 и R устанавливаются в нулевые положения, при этом состояние триггера Тг характеризуется нулевым выходом. Импульсы с выхода ГИ не проходят на Сч, так как отсутствует команда разрешения с формирователя Ф на их прохождение. В ИИБ ключи Кл1 и Кл2 будут включены таким образом, что плечами схемы будут являться R , R , R и R .

Исследуемые сигналы U и U , характеризующиеся одинаковой частотой f (периодом следования Т ) и некоторым углом сдвига фаз (который соответствует временному интервалу , рис. 6, б) одновременно поступают на Ф и Ф , которые фиксируют только моменты перехода из отрицательной области значений напряжений входных сигналов в положительную. При этом Ф вырабатывает один короткий, а Ф - два коротких по длительности импульса. При срабатывании Ф первый из двух формируемых им импульсов с его второго выхода поступит на второй вход Рег1 в качестве команды переписи в него кода из счетчика Сч. Поскольку в момент включения Сч, Рег1, Рег2, ЦАП1 и ЦАП2 находились в нулевых состояниях, то этот импульс не изменит их состояний. Одновременно этот же импульс единичным сигналом поступит на второй вход схемы «U», на первом входе которой будет присутствовать нулевой уровень с Тг. Такая ситуация исключает запуск АЦП в момент включения фазометра-частотомера. Далее, второй импульс Ф с первого выхода поступит на первый вход Сч в качестве команды сброса предыдущей записи и начала нового счета импульсов, поступающих на его второй вход от ГИ. Одновременно этот же импульс поступит на вход Тг для изменения его выхода на единичный и подготовки к запуску АЦП.

Заполнение Сч импульсами ГИ будет происходить в течение одного полного периода Т опорного сигнала, при этом в момент перехода из отрицательной в положительную область значений напряжения входного сигнала U сработает формирователь Ф и сформирует на своем выходе один короткий импульс, используемый в качестве команды на разрешение переписи из Сч в Рег2 кода числа импульсов «n», зафиксированного к этому моменту от начала счета. Поскольку момент начала счета соответствует начальной фазе напряжения U , а момент переписи результата счета в Рег2 соответствует начальной фазе напряжения U , то число импульсов «n », фиксируемое Сч, за этот интервал времени будет соответствующим образом отображать разность фаз напряжений входных сигналов. Далее, код числа «n » с выхода Рег2 поступит на вход ЦАП2, где преобразуется в величину сопротивления, соответствующую коду этого числа. По окончании первого периода Т опорного сигнала импульсом с первого выхода Ф производится перепись кода числа N , зафиксированного Сч в Рег1 с последующим его преобразованием ЦАП1 в соответствующую величину сопротивления. Этим же импульсом через схему «U» производится включение АЦП для уравновешивания мостовой схемы при определении . Вторым импульсом с второго выхода Ф (сразу же после переписи кода в Рег1) производится сброс Сч и его новое начало счета.

АЦП уравновесив мостовую схему и зафиксировав на своем первом выходе результат измерения , сигналом с второго своего выхода через Кл1 и Кл2 произведет выключение ЦАП2, весового резистора R и включение в мостовую схему двух резисторов R и R . Далее, произведя второе уравновешивание и зафиксировав результат измерения f на своем первом выходе, АЦП сигналом с второго выхода через Кл1 и Кл2 возвратит мостовую схему в исходное состояние для проведения следующего цикла измерений, данные для которого, начиная с момента включения АЦП, начали формироваться узлами БП.