Цифровой метод измерения интервалов времени

Решение многих радиотехнических задач связано с измерением интервалов времени. Обычно приходится измерять как очень малые (единицы пикосекунд) так и очень большие (сотни секунд) интервалы времени. Интервалы времени могут также быть не только повторяющимися, но и однократными. Различают два основных способа измерения интервалов времени: осциллографический и цифровой.

Измерение интервалов времени с помощью осциллографа проводится по осциллограмме исследуемого напряжения с использованием «линейной» развертки. Из-за нелинейности развертки, а также больших погрешностей отсчета начала и конца интервала общая погрешность измерения составляет единицы процентов. В последние годы интервалы времени в основном измеряются цифровыми методами.

Принцип измерения периода гармонического сигнала с помощью цифрового частотомера поясняет рис. 6.7, где приведены структурная схема устройства и соответствующие его работе временные диаграммы. Измерение интервала времени Т_х цифровым методом основано на заполнении его импульсами, следующими с образцовым периодом Т_о, и подсчете числа М_х этих импульсов за время измерения Т_х.

Основные элементы устройства и их действие были проанализированы в предыдущем разделе. В данном случае гармонический сигнал, период Т_х которого требуется измерить, после прохождения входного устройства ВУ (u₁ — выходной сигнал ВУ) и формирователя импульсов ФИ преобразуется в последовательность коротких импульсов u₂ с измеряемым периодом. В устройстве формирования и управления из них формируется строб-импульс u₃ прямоугольной формы и длительностью Т_х, поступаю щий на один из входов временного селектора ВС. На второй вход этого селектора подаются короткие импульсы u₄ с образцовым периодом следования Т_о, сформированные декадным делителем частоты ДДЧ из колебаний кварцевого генератора КГ. Временной селектор пропускает на счетчик СЧ число М_х счетных импульсов u₅ в течение интервала времени Т_х, равном длительности строб-импульса u₃.

Из рис. 6.7, б следует, что измеряемый период:

T_x=M_xT₀-Δ t_Д, (6.7)

где Δ t_Д = Δ t_H - Δ t_K — общая погрешность дискретизации (дискретности); Δ t_H и Δ t_K — погрешности дискретизации начала и конца периода Т_х.

Без учета в формуле (6.7) погрешности Δ t _д число импульсов, поступившее на счетчик,

М_х= Т_х /Т_о, а измеряемый период пропорционален М_х:

Т_х= М_ХТ_О. (6.8)

Выходной код счетчика, поступающий на цифровое отсчетное устройство, соответствует числу подсчитанных им счетных импульсов М_х, а показания ЦОУ — периоду Т_х, поскольку период следования счетных импульсов u₅ необходимо выбирать из соотношения Т_о= 10^-n (п — целое число). В частности, при п = 6, ЦОУ отображает число М_х, соответствующее периоду Т_х, выраженному в микросекундах.

Погрешность измерения периода Т_х, как и при измерении частоты, имеет систематическую и случайную составляющие. Систематическая составляющая зависит от относительной стабильности δ _КВ образцовой частоты кварцевого генератора, а случайная определяется в основном погрешностью дискретизации Δ t _д, рассмотренной в разд. 6.4. Максимальное значение этой погрешности удобно учитывать через эквивалентное изменение числа счетных импульсов М_х на ± 1. При этом максимальная абсолютная погрешность дискретизации может быть определена разностью двух значений периода Т_х, получаемых согласно формуле (6.8) при числах М_х ± 1 и М_х; при этом она равна Δ Т_Х = ± Т_о.

Соответствующая максимальная относительная погрешность δ = ± Δ Т_Х/Т_Х = ± 1/М_Х = ± 1/(T_xf₀), где f ₀ = 1/Т₀ — значение образцовой частоты кварцевого генератора.

На погрешность измерения влияют также шумы в каналах формирования строб-импульса u₃ и импульсов u₄ (см. рис. 6.7, а), вносящие в их положение временную модуляцию по случайному закону. Однако в реальных приборах с большим отношением сигнал/шум погрешность измерения за счет влияния шума пренебрежимо мала по сравнению с погрешностью дискретизации.

Суммарная относительная погрешность измерения периода определяется в процентах по формуле:

(6.9)

Из выражения (6.9) следует, что из-за погрешности дискретизации погрешность измерения периода Т_х резко увеличивается при его уменьшении. Повысить точность измерений можно за счет увеличения частоты f ₀ кварцевого генератора (путем умножения его частоты в К_у раз), т.е. путем увеличения числа счетных импульсов М_х. С этой же целью в схему после входного устройства вводят делитель частоты исследуемого сигнала с коэффициентом деления К (на рис. 6.8, а не показан). При этом выполняется измерение К исследуемых периодов Т_х и во столько же раз уменьшается относительная погрешность дискретизации.

Погрешность дискретизации можно уменьшить и способом измерений с многократными наблюдениями. Однако это значительно увеличивает время измерений. Поэтому разработаны методы, уменьшающие погрешность дискретизации с малым увеличением времени измерения. Одним из них является нониусный метод.

Нониусный метод. В измерителях интервалов времени применяют и дополнительные методы расширения рабочего диапазона в сторону малых значений Δ t. Одним из них является нониусный (нониус — указатель средства измерения в виде дополнительной шкалы). Этот метод позволяет снизить погрешность дискретизации, которая становится недопустимо большой при измерении коротких (десятки наносекунд) интервалов времени. С этим приходится иметь дело, например, при измерении длительности фронта импульсных сигналов. Практическая реализация нониусного способа обеспечивает временное разрешение порядка десятых долей наносекунды.

Современные измерительные приборы на основе микропроцессоров выполняют функции измерения интервалов времени и частоты на единой основе. Это связано с формированием и последующим измерением интервала времени, равного измеряемому интервалу (при измерении времени) или целому числу периодов измеряемого сигнала (при измерении периода и частоты). Сформированный интервал измеряется цифровым методом с интерполяцией для уменьшения погрешности дискретизации.