Гурський А.П., Семенов А.О.

Вінницький національний технічний університет

Вимірювання частоти методом квантів

В останній час підвищується цікавість до перетворення частота-напруга, а отже і до методів її вимірювання.

Станом на сьогоднішній день відомо багато аналогових і цифрових методів визначення частоти, які характеризуються перевагами і недоліками. Але враховуючи високу інтеграцію мікропроцесорної техніки у сучасну електроніку можна зробити ставку на цифрові методи вимірювання.

У вимірювальній техніці, а особливо у напрямку перетворювачів напруга-частота, проблема полягає в тому, що треба за досить малий проміжок часу визначити частоту з високою точністю.

Цифрові методи вимірювання частоти в основному ґрунтуються на підрахунку кількості імпульсів за певний проміжок часу (метод прямого підрахунку), або на зворотному – підрахунок часу, за який пройде задана кількість імпульсів (метод періодоміру) [1]. Ці два методи є не досить досконалими, так як в першому випадку існує значна похибка підрахунку, що виникає внаслідок різниці фронту імпульсу і границею інтервалу часу вимірювання. Другий же метод, позбавлений великої похибки, але має недолік в тому, що якщо частота змінюється, то і час виміру змінюється, що створює незручності в обробці результатів і не забезпечує постійної дискретизації по вісі часу.

Для усунення вищезазначених недоліків, авторами пропонується метод, що об‘єднує метод прямого підрахунку і метод періодоміру і має назву метод квантів. Цей метод дає значне зменшення похибки та встановлення постійного часу вимірювання. Нижче описується структура роботи даного методу, структурна схема якого зображена на рис.1, а часова діаграма на рис.2.

За допомогою опорного генератора формуються первинні відліки з частотою повторення .

Нехай точка А буде моментом у який починається активна робота частотоміра, тобто в цей момент система запуску лічби подає сигнал старту, а отже можна вважати, що це є точкою відносного нуля, і саме в цей момент в таймері загального часу починає формуватися інтервал довжиною .

Рисунок 1 – Структурна схема запропонованого методу

В проміжку [0,] система запуску лічби налаштовується на один із фронтів (в даному випадку на зростаючий) і в момент приходу фронту подає сигнал запуску таймеру квантів. В свою чергу таймер квантів починає формувати внутрішній інтервал часу з затримкою що складає , тобто, інтервал внутрішнього часу починає формуватись у момент часу .

Рисунок 2 – Часова діаграма методу

У момент часу , лічильник імпульсів має переповнення, так як вже нарахував k імпульсів (в даному випадку 5), що складають один квант, і скидається на нуль. При цьому він формує один імпульс і подає його на лічильник квантів з затримкою, що складає . В цей самий момент, а саме в момент , система запису значення часу після кванта записує значення часу від початку формування інтервалу внутрішнього інтервалу часу, а отже записує значення що рівне .

Такий процес продовжується до моменту , тобто до моменту коли таймер загального часу завершить свою роботу. Це є сигналом до передачі даних ( – кількість квантів по k імпульсів, що підраховані лічильником квантів; - кількість імпульсів опорного генератора що складають інтервал загального часу і підраховані таймером загального часу; - кількість імпульсів опорного генератора, що складають внутрішній інтервал часу, і підраховані таймером квантів) з подальшою їх обробкою за формулою:

.

Відносна похибка в цьому випадку може бути обрахована:

,

де - кількість імпульсів опорного генератора, що відповідає часу затримки початку підрахунку ; - кількість імпульсів опорного генератора, що відповідає часу затримки запису значення часу після кванту ; - кількість імпульсів опорного генератора, що відповідає похибці підрахунку таймера квантів (має постійне значення ~(2-4) такти опорного генератора).

Література

1. Пронин Н.С. Основы метрологии: практикум по метрологии и измерениям. –М. изд. Логос, 362 с.

2. Кофанов В.Л., Семенов А.О., Новак О.М. Цифровий частотомір на ПЛІС. Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій та приладобудування (СПРТП-2007). Матеріали ІІІ МНТК. м. Вінниця, 31 травня – 2 червня 2007 року. – Вінниця: УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2007. – С.48-49.