Основы метрологического обеспечения. Краткий исторический обзор развития метрологии. Нормативные документы, регламентирующие метрологическое обеспечение, страница 23

Как следует из рис. 9.2 гармонический сигнал u1, период  ТХ которого требуется измерить, после прохождения входного устройства и формирователя импульсов 1 преобразуется в последовательность коротких импульсов u2  c  аналогичным периодом. В устройстве формирования и управления из них формируется строб-импульс u3  прямоугольной формы и длительностью ТХ, поступающий на один из входов временного селектора. На второй вход этого селектора подаются короткие импульсы u4  с образцовым периодом следования Т0, созданные формирователем 2 из колебаний генератора опорной (образцовой) частоты.

Рис. 9.2 Временные диаграммы, поясняющие метод цифрового измерения интервалов времени

Временной селектор пропускает на вход счетчика МХ счетных импульсов u4  в течение времени ТХ, равном длительности строб-импульса u3.

Измеряемый интервал  ТХ, как следует из рис. 9.2, имеет значение

                                                 ТХ = МХ∙Т0 + ΔtД,                           

где  ΔtД  = ΔtH - ΔtKобщая погрешность дискретизации;

ΔtH иΔtK погрешности дискретизации начала и конца измеряемого интервала времени ТХ..

Число импульсов, поступивших на вход счетчика, при ΔtД  ≈ 0 в формуле (ТХ = МХ∙Т0 + ΔtД) равно

.             

Из этого выражения получаем искомое значение измеряемого интервала времени

ТХ = МХ ∙Т0.                     

Выходной код счетчика, выдаваемый на вход цифрового отсчетного устройства, соответствует числу подсчитанных им счетных импульсов МХ, а показания цифрового отсчетного устройства – измеряемому периоду ТХ, поскольку период следования счетных импульсов u5  выбирается из соотношения

Т0 = 10-п,       

где  п – целое число.

Так, например, при п = 6 в формуле (Т0 = 10-п), то цифровое отсчетное устройство отображает число МХ, соответствующее измеряемому периоду ТХ , выраженному в мкс.

Погрешности цифрового измерения интервала времени, как и цифрового измерения частоты, имеют систематическую и случайную составляющие.

Систематическая составляющая зависит от стабильности δКВ образцовой частоты кварцевого генератора, а случайная составляющая погрешности цифрового измерения интервала времени определяются погрешностью дискретизации (ТХ = МХ∙Т0 + ΔtД,) ΔtД.

Суммарная относительная погрешность цифрового измерения интервала времени определяется аналогично выражению (9.2) в процентах по формуле

.                 

Из этой формулы следует, что точность измерения можно повысить за счет увеличения частоты f0   генератора образцовой частоты, например, путем умножения частоты его кварцевого генератора в К – раз, то есть за счет увеличения числа счетных импульсов МХ.  С этой целью в схему (рис. 9.1) после входного устройства вводят делитель частоты исследуемого сигнала с коэффициентом деления К (на рис. 9.1 он не показан). При этом измеряется К периодов ТХ  и в К раз уменьшается относительная погрешность.

Погрешность дискретизации можно уменьшить путем измерений с многократными наблюдениями, что нежелательно увеличивает время измерения.

Существует интерполяционный способ уменьшения погрешности дискретизации с небольшим увеличением времени цифрового измерения интервала времени.

Сущность интерполяционного способа уменьшения погрешности дискретизации состоит в том, что помимо целого числа периодов счетных импульсов, заполняющих измеряемый интервал времени, учитываются и дробные части периода, заключенные между последним счетным импульсом и интервальным.

9.3. Цифровые фазометры

В гармоническом колебании u1(t) = Umsint + φ1)  величина φ1   называется начальной фазой.

Фазовым сдвигом Δφ двух гармонических сигналов одинаковой частоты u1(t) = Umsint + φ1)  и u2(t) = Umsint + φ2)  является модуль разности их начальных фаз:

                                                   Δφ = | φ1  - φ2|

Величина Δφ =  φ1  - φ2  называется разностью фаз.

Для измерения фазового сдвига используются фазометры. В качестве регулируемого и нерегулируемого средства сдвига фазы применяют фазовращатель, то есть четырехполюсник, у которого выходной сигнал задержан по фазе относительного входного.