метрология. Учебное пособие метрология в вопросах и ответах
 Скачать 1.48 Mb.
|
|
Раздел 6 ЦИФРОВОЙ ЧАСТОТОМЕР 6.1. Схема частотомера в режиме измерения частоты Принцип действия цифрового частотомера основан на методе дискрет- ного счета, который заключается в подсчете количества импульсов за опре- деленный интервал времени. Для реализации данного метода счета имеется два канала: в одном канале формируется импульсы, во втором – интервал времени. В зависимости от того, к какому каналу подведен исследуемый сигнал в частотомере, может быть реализовано измерение частоты, периода или от- ношения частот. Выбор режима измерение определяется соответствующей коммутацией блоков в канале формирования импульсов и канале формиро- вания интервала времени. Упрощенная структурная схема цифрового (электронно-счѐтного) час- тотомера в режиме измерения частоты изображена на рис. 6.1 Входное устройство Форми- рователь Временной селектор Счетчик Кварцевый генератор Делитель Устройство управления к ЦОУ fx fx t To Дешифратор Цифровой индикатор Рис. 6.1. Структурная схема цифрового частотомера при измерении частоты В режиме измерения частоты входной сигнал через входное устройст- во, осуществляющее необходимое усиление и фильтрацию, запускает фор- мирующее устройство. На его выходе образуется последовательность корот- ких счетных импульсов с частотой следования, равной измеряемой частоте «fx». Эта последовательность импульсов подается на один из входов времен- ного селектора, представляющий собой собой управляемый ключ, который пропускает на электронный счетчик счетные импульсы только при наличии на втором управляющем входе разрешающего стробирующего импульса, длительность которого «То» определяет время измерения. Стробирующий импульс вырабатывается устройством управления с помощью делителей час- тоты из сигнала опорного кварцевого генератора. Число импульсов «N», от- считанное счетчиком, будет пропорционально частоте входного сигнала. fx = (1/To)N Относительная погрешность измерений частоты частотомером не пре- вышает суммарную: δ = ±(δo+1/(fx*To)), где δo – относительная погрешность формирователя частоты кварцевым генератором (вследствие малости ей часто пренебрегают): 1/(fx*To) – относительная погрешность дискретности счета: fx – значение измеряемой частоты, кГц: То – время измерения, мс. 6.2. Схема частотомера в режиме измерения периода Упрощенная структурная схема цифрового частотомера в режиме из- мерения периода изображена на рис. 6.2 В режиме измерения периода входной сигнал через входное устройст- во, осуществляющее необходимое усиление и фильтрацию, поступает на формирующее устройство, которое формирует из него прямоугольный им- пульс, длительность которого «Тх» определяет время открытого состояния временного селектора. Входное устройство Форми- рователь Временной селектор Счетчик Кварцевый генератор Умно- житель Устройство управления к ЦОУ t fo Tx Tx Дешифратор Цифровой индикатор Рис. 6.2 Структурная схема цифрового частотомера при измерении периода В это время через селектор на счетчик проходят счетные импульсы частотой fo, сформированные устройством управления в умножителе часто- ты из сигнала опорного кварцевого генератора, называемые иногда метками времени. Число импульсов «N», отсчитанное счетчиком, будет пропорцио- нально периоду входного сигнала: Tx = (1/fo)N Относительная погрешность измерения периода не превышает суммар- ную: а) при синусоидальном сигнале δ = ± (δо+δ1/n+1/(nfo*Tx)) б) при импульсном сигнале δ = ±(δo+1/(nfo*Tx)) δо – относительная погрешность формирования частоты кварцевым генера- тором (вследствие малости ей часто пренебрегают); δ1 - относительная погрешность формирования периода. При отношении U сигнала/U помехи ≥ 40 дБ имеем δ1 = ± 0,003: 1/(nfo*Tx) - относительная погрешность дискретности счета: n – множитель периода (коэффициент усреднения): fo – частота заполнения, кГц: Тх – значение измеряемого периода, мс. 6.3. Схема частотомера в режиме измерения отношения частот Упрощенная структурная схема цифрового частотомера в режиме из- мерения отношения частот изображена на рис. 6.3 Входное устройство Кварцевый генератор Форми- рователь Временной селектор Счетчик Форми- рователь Устройство управления Тн к ЦОУ t f в f н Дешифратор Цифровой индикатор Рис. 6.3 Структурная схема цифрового частотомера при измерении отношения частот При измерении отношения частот кварцевый генератор отключается. Из высшей частоты «fв» в канале формирования импульсов формируются импульсы образцовой частоты. Из низшей частоты в канале формирования интервала времени формируется интервал времени счета «Тн». Число им- пульсов, сосчитанное счетчиком, будет равно отношению частот N = Тн*fв = fв/fн. Относительная погрешность измерения отношения частот не превыша- ет суммарную: а) при синусоидальном сигнале δ = + (δ1/n+fн/(fв*n)); б) при импульсном сигнале δ = + fн/(fв*n); где δ1 - относительная погрешность формирования периода. При отноше- нии U сигнала/U помехи ≥ 40 дБ имеем δ1 = ± 0,003: fн/fв - относительная погрешность дискретности счета: n - множитель периода (коэффициент усреднения) сигнала низкой частоты: fв – значение высшей из сравниваемых частот: fн – значение низшей из сравниваемых частот. 6.4. Вопросы и ответы по цифровому частотомеру 6.1. На структурной схеме цифрового частотомера отсутствующий блок представляет… 1. дешифратор 2. АЦП 3. детектор 4. усилитель 6.2. На структурной схеме цифрового частотомера отсутствующий блок представляет… 1. АЦП 2. детектор 3. делитель частоты 4. усилитель 6.3. На структурной схеме цифрового частотомера отсутствующий блок представляет… 1. усилитель 2. АЦП 3. детектор 4.цифровой индикатор 6.4. На структурной схеме цифрового частотомера отсутствующий блок представляет… 1. усилитель 2. счетчик 3. детектор 4. АЦП 6.5. На структурной схеме цифрового частотомера отсутствующий блок представляет… 1. временной селектор 2. АЦП 3. детектор 4. усилитель входное уст- ройство счетчик формирователь импульсов устройство формирования и управления цифровой индикатор дешифратор временной селектор генератор счетных им- пульсов Раздел 7 Автоматизация измерений 7.1. Общие сведения Усложнение современных объектов исследований, рост числа и диапа- зонов измеряемых параметров, повышение требований к точности измерений и их быстродействию (при ограниченных возможностях оператора в воспри- ятии и обработке больших объемов информации) приводят к необходимости автоматизации электрорадиоизмерений и, следовательно, к снижению загру- женности и роли оператора в процессе измерений. Разработка новых телекоммуникационных систем с использованием современных технологий, усложнение их производства, широкое развитие научных исследований, а также повышение требований к точности измере- ний и их быстродействию привели к необходимости одновременно измерять и контролировать множество различных физических величин. Сейчас средства измерений достигли достаточно высокого уровня раз- вития и в большинстве имеют наивысшие точности. Естественная физиологическая ограниченность возможностей человека в восприятии и обработке больших объемов измерительной информации ста- ла одной из основных причин появления таких средств измерений, как ин- формационно-измерительные приборы (виртуальные приборы) и измери- тельные системы (ИС). Структура современных ИС чрезвычайно разнообразна, быстро разви- вается и существенно зависит от решаемых задач, а их деление в настоящее время еще не имеет достаточно полного и четкого толкования. Переход к построению цифровых средств измерений привел к созда- нию автоматизированных измерительных систем с использованием микро- процессоров. Автоматизированными средствами измерений считают авто- номные непрограммируемые приборы и гибкие измерительные системы, по- строенные на базе цифровой техники. Автономные непрограммируемые приборы работают по жесткой про- грамме и предназначены для измерений определенных параметров сигналов и характеристик цепей. В этих приборах автоматически выполняется только часть измерительных операций, например, определение полярностей входно- го сигнала и установка пределов измерений. Гибкие интегральные системы позволяют программным способом пе- рестраивать систему для измерения различных физических величин и менять режим измерений. При этом аппаратная часть измерительной системы не из- меняется. По структурному построению они подразделяются на интерфейс- ные, микропроцессорные и компьютерно-измерительные. Наиболее мощные – измерительно-вычислительные комплексы (ИВК) – создаются путем объединения с помощью соединительной много- проводной магистрали в одну измерительную систему компьютера, измери- тельных приборов и устройств отображения информации. Связь между ком- пьютером и всеми остальными узлами и их совместимость обеспечивается с помощью совокупности аппаратных, программных и конструктивных средств. Устройство сопряжения компьютера со средствами измерений или лю- быми другими внешними системами называют интерфейсом. При этом для решения новой метрологической задачи достаточно сменить часть модулей, используемых в качестве источника или приемника информации, и про- граммное обеспечение. В микропроцессорных измерительных системах все узлы подключают- ся непосредственно к магистрали микропроцессора. Встроенные микропро- цессоры осуществляют сервисные операции, обеспечивают различные режи- мы измерений и определяют ряд параметров сигнала или цепи. Работа таких приборов выполняется в соответствие с программами, заложенными в запо- минающем устройстве. Функциональные возможности традиционных измерительных приборов задаются при производстве и перестроить их или изменить число каналов измерения и анализа достаточно проблематично. И поскольку произ- водитель не в состоянии охватить все многообразие реальных исследователь- ских задач, это в значительной степени затрудняет подбор оптимального комплекта оборудования с требуемыми параметрами и его настройку. Изме- рительные системы и виртуальные приборы снимают данное ограничение. Информационные технологии вывели измерительную технику на но- вый уровень, позволяющий быстрее и с меньшими затратами разрабатывать информационно-измерительные приборы и системы различной сложности: от измерения параметров до ввода и обработки видеоизображений с переда- чей результатов через внешнюю сеть на любые расстояния. Появление измерительных информационных комплексов и систем, а также приборов с применением специализированных микропроцессорных, компьютерных и виртуальных технологий вызвано следующими аспекта- ми: • широким распространением специализированных многофункциональ- ных микропроцессоров и персональных компьютеров, имеющих высокое бы- стродействие, большие объемы памяти, стандартные интерфейсы (см. далее), практически неограниченные графические возможности, позволяющие соз- дать функционирующие в реальном масштабе времени виртуальные измери- тельные устройства, с высокой степенью подобия воспроизводящие поведе- ние тех или иных физических приборов и систем; • созданием автоматизированных информационно-измерительных систем различного назначения, таких как автоматизированные системы научных ис- следований и комплексных испытаний, физические и космические объекты и пр.; • возможностью реализации в весьма компактной форме измерительных приборов и модулей; • появлением измерительного программирования, под которым понима- ется программирование для информационно-измерительной техники и сис- тем, позволяющее ей проводить измерение, контроль, диагностирование или распознавание образов, включая функции сбора, передачи, обработки, пред- ставления измерительной информации и управления измерительным экспе- риментом. 7.2. Измерительные системы Назначение любой измерительной системы, ее необходимые функцио- нальные возможности, технические параметры и характеристики в решаю- щей степени определяются объектом исследования, для которого она созда- на. Из-за разнообразия структур современных ИС, динамичного развития и перечня решаемых задач, классификация ИС в настоящее время еще полностью не завершена. В зависимости от выполняемых функций измерительные системы можно условно разделить на три основных вида: - измерительные системы измерения и хранения информации (условно называемые измерительными системами прямого назначения); - контрольно - измерительные (автоматического контроля); - телеизмерительные системы. К измерительным системам относят также системы распознава- ния образов и системы технической диагностики, которые в курсе, отно- сящемся к радиоизмерениям, не изучаются. По числу измерительных каналов измерительные системы подразделя- ются на одно-, двух-, трех- и многоканальные (многомерные). Для совмест- ных и совокупных измерений часто используют многоканальные, аппрокси- мирующие системы. Наиболее бурно в настоящее время разрабатываются и внедряются ИС прямого назначения, основной особенностью которых является возможность программным способом перестраивать их для измерений различных физиче- ских величин и менять режим измерений. Изменений в аппаратной части при этом не требуется. Измерительные системы прямого назначения условно делят на: - информационно-измерительные системы (часто их называют терми- ном измерительные информационные системы; аббревиатура одинакова — ИИС); - измерительно-вычислительные комплексы (ИВК); - виртуальные информационно-измерительные приборы (устоявшееся у специалистов название — виртуальные приборы; или компьютерно- измерительные системы — КИС). Информационно-измерительные системы Измерительно-информационная система – это совокупность средств из- мерений, соединенных между собой каналами связи и предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для авто- матической обработки. Назначение ИИС определяют как целенаправленное оптимальное ве- дение измерительного процесса и обеспечение смежных систем высшего уровня достоверной информацией. Основные функции ИИС,— получение измерительной информации от объекта исследования, ее обработка, переда- ча, представление информации оператору или/и компьютеру, запоминание, отображение и формирование управляющих воздействий. Информационно-измерительная система должна управлять измеритель- ным процессом или экспериментом в соответствии с принятым критерием функционирования; выполнять возложенные на нее функции в соответствии с назначением и целью; обладать требуемыми показателями и характеристи- ками точности, помехоустойчивости, быстродействия, надежности, пропуск- ной способности, адаптивности, сложности; отвечать экономическим требо- ваниям, предъявляемым к способам и форме представления информации, размещения технических средств; быть приспособленной к функционирова- нию с измерительными информационными системами смежных уровней ие- рархии и другими ИИС. Основной функцией ИИС, как и любой другой технической системы является целенаправленное преобразование входной информации в выход- ную. Это преобразование выполняется либо автоматически с помощью аппа- ратуры технического обеспечения, либо совместно — оперативным персона- лом и аппаратурой технического обеспечения в сложных ИИС, ИВК и вирту- альных приборах. Применение современных средств цифровой схемотехники коренным образом изменило принципы построения ИИС. Кроме того, методы обосно- ванного распределения и направления информационных потоков дают воз- можность уменьшить их избыточность. Это позволяет ставить задачу о воз- можно максимальном переносе обработки измерительной информации к месту ее формирования, т.е. перейти к конвейерной обработке измеритель- ной информации в распределенной ИИС. В целом такая система состоит из следующих основных частей: системы первичных преобразователей (датчи- ков), устройств сбора и первичной обработки информации, средств вторич- ной обработки информации, устройств управления и контроля, устройств связи с другими системами объекта, накопителей информации. По организации алгоритма функционирования различают следую- щие виды ИИС: - заранее заданным алгоритмом работы, правила функционирования ко- торых не меняются, поэтому их можно использовать только для исследова- ния объектов, работающих в постоянном режиме; - программируемые, в которых изменяют алгоритм работы по програм- ме, составляемой в соответствии с условиями функционирования объекта ис- следования; - адаптивные, алгоритм работы которых, а часто и структура изменяют- ся, приспосабливаясь к изменениям измеряемых величин и условной работы объекта; - интеллектуальные, обладающие способностью к перенастройке в соот- ветствии с изменяющимися условиями функционирования и иные выполнять все функции измерения и контроля в реальном и масштабе времени. Математическое, программное и информационное обеспечение входит в состав лишь ИИС с вычислительными комплексами. Математическое обеспечение — аналитические (математические) моде- ли объекта исследования (измерения) и вычислительные алгоритмы. В математическую модель объекта измерения входит описание взаимо- действия между переменными входа и выхода для установившегося и пере- ходного состояний, т.е. модель статики и динамики, а также граничные усло- вия и допустимые изменения переменных процесса. Форма записи математи- ческой модели может быть различна: алгебраические и трансцендентные уравнения, дифференциальные уравнения и уравнения в частных производ- ных. Могут использоваться переходные и передаточные функции, частотные и спектральные характеристики и пр. различают 3 основных метода получе- ния математических моделей исследования ИИС: аналитические, экспери- ментальные и экспериментально-аналитические. В последние годы при создании большинства ИС наиболее часто ис- |