Различают два основных метода измерения периода и временных интервалов: осциллографический и электронно-счетный.

Измерение временных интервалов с помощью осциллографа производится по осциллограмме исследуемого напряжения с использованием линейной развертки. Из-за значительных погрешностей отсчета начала и конца интервала, а также из-за нелинейности развертки общая погрешность измерения временных интервалов составляет единицы процентов. Значительно меньшая погрешность свойственна специализированным измерителям временных интервалов со спиральной разверткой.

В настоящее время наиболее распространены электронно-счетные методы измерения периода и временного интервала. При измерении весьма малых временных интервалов удобны методы преобразования. На основе этих методов созданы умножители интервала - устройства, позволяющие расширить измеряемый интервал в заданное число раз. Умножители часто используются совместно с электронно-счетными приборами.

10.1 Электронно-счетный измеритель временного интервала

Структурная схема измерителя временного интервала показана на рис. 6.1, . Исследуемые напряжения U x 1 и U x 2 подводят по двум каналам к формирующим устройствам. Когда эти напряжения достигают опорных уровней U 01 и (U 02 , на выходе формирующих устройств возникают короткие импульсы U H и U K , соответствующие началу и концу измеряемого интервала времени Тх. Эти импульсы воздействуют на триггер, выходной импульс которого на время Тх отпирает селектор.

За время действия импульса счетные импульсы с известным периодом T 0 , поступающие с генератора, фиксируются счетчиком.

Их число N пропорционально измеряемому временному интервалу и считывается с отсчетного устройства,

Схема измерителя периода отличается от рассмотренной тем, что импульсы начала и конца интервала, равного периоду повторения исследуемого напряжения, формируются в одном канале, а вторая схема формирования отсутствует.

Период счетных импульсов Т 0 выбирается кратным 10 - k , с, где k - целое число.

Систематиескую составляющую нестабильности счетных импульсов можно уменьшить, периодически корректируя частоту генератора.

Погрешность дискретности, для ее уменьшения следует увеличивать частоту генератора, максимальное значение которой ограничено быстродействием используемого счетчика. В настоящее время лучшие серийно выпускаемые счетчики работают до частот в сотни мегагерц. Погрешность дискретности можно несколько уменьшить, применяя генератор счетных импульсов с ударным возбуждением, запускаемый импульсом UH.

Если прибор предназначен для измерения времени задержки в исследуемом устройстве, то импульс начала интервала можно синхронизировать со счетными импульсами. В состав измерителя временного интервала вводят делитель частоты, запускаемый счетными импульсами. Импульс с выхода -делителя запускает исследуемое устройство. Из-за нестабильности времени.задержки в делителе не удается полностью устранить погрешность начала.

Точность измерений можно значительно повысить, применяя специальные методы, рассмотренные далее.

Если измеряемый интервал повторяется, то погрешность дискретности можно снизить, увеличивая измеряемый интервал в целое число раз или проводя многократные измерения.

10.2 Измерение частоты

Измерение частоты является одной из важнейших задач, решаемых в радиотехнике. Частота может быть измерена с очень высокой точностью, поэтому получили широкое распространение методы измерения различных параметров с предварительным преобразованием их в частоту и измерением последней.

Существуют следующие основные методы измерения частоты; электронно-счетный, заряда и разряда конденсатора, сравнения измеряемой частоты с образцовой, а также с помощью избирательных пассивных цепей.

Электронно-счетный метод заключается в счете числа, периодов неизвестной частоты в течение образцового интервала времени электронным счетчиком, быстродействие которого ограничивает диапазон измеряемых частот 100...500 МГц. Большие частоты приходится преобразовывать, понижая их до указанных пределов. Цифровые измерители частоты позволяют получить относительную погрешность измерения частоты порядка 10 -11 и менее в. диапазоне до сотен гигагерц.

Метод заряда и разряда конденсатора состоит в измерении среднего значения тока заряда или разряда конденсатора, пропорционального частоте измеряемого колебания. Метод пригоден, для измерения частот до сотен килогерц с погрешностью порядка 1%.

Измерение частоты путем сравнения с образцовой может производиться в широком диапазоне частот, включая СВЧ. Погрешность измерения зависит главным образом от погрешности определения образцовой частоты и может составлять до 10 -13 .

Измерение частоты с помощью избирательных пассивных цепей: резонансных контуров и резонаторов-сводится к настройке цепи в резонанс, значение измеряемой частоты считывается со шкалы элемента настройки. Погрешность измерения составляет до 10 -4 .

Таким образом, наиболее точные результаты дают методы электронно-счетный и сравнения, что обусловлено наличием квантовых эталонов частоты, лучшие образцы которых характеризуются нестабильностью частоты до 10 -13 . Например, водородные стандарты частоты, выпускаемые промышленностью, позволяют получить образцовые частоты с нестабильностью 5 … 10 -13 за сутки.

Проведение точных измерений требует знания не только номинального значения образцовой частоты, но и некоторых других параметров, характеризующих ее нестабильность.

10.3 Электронно-счетный метод измерения частоты

Электронно-счетный метод основан на счете числа импульсов неизвестной частотой повторения fx на известном стабильном по длительности интервале времени. Упрощенная структурная схема частотомера (рис. 8,2, а) подобна схеме измерителя временного интервала.

Частота кварцевого генератора выбирается равной n*10 k Гц, где k - целое число, а значение коэффициента деления n бывает кратным десяти. Поэтому число зафиксированных счетчиком импульсов N соответствует значению измеряемой частоты в выбранных единицах. Значение f 0 считывается с отсчетного устройства прибора.

Измерение частоты путем заряда и разряда конденсатора

Этот метод положен в основу работы частотомера, схема которого показана на. рис. 8.4, а. Напряжение U г с частотой f x поступает на усилитель-ограничитель (рис. 8.4, б). Его выходное напряжение U 2 , имеющее форму прямоугольных импульсов, воздействует на цепь, состоящую из конденсатора С и диодов Д1 и Д2. Пусть в начальный момент времени напряжение на конденсаторе Uс = U2- Постоянную времени заряда выбирают много меньшей половины периода входного напряжения. Среднее значение тока заряда конденсатора, проходящего через диод Д1 и магнитоэлектрический прибор,

пропорциональна частоте fx, поэтому шкалу магнитоэлектрического прибора градуируют в значениях измеряемой частоты.

Частотомеры рассмотренного типа работают в диапазоне от десятков герц до единиц мегагерц. Этот диапазон частот перекрывается несколькими поддиапазонами с разными пределами измерений Переход с предела на предел достигается сменой емкости, которая выбирается такой, чтобы на предельных частотах поддиапазонов средний ток прибора был достаточным для отклонения стрелки на всю шкалу.

Измерение частоты путем сравнения с образцовой

При этом методе измеряемая частота fx сравнивается о известной частотой f 0 генератора колебаний образцовой частоты. Перестраивая последний, добиваются выполнения равенства

где Δσp1 - погрешность сравнения частот.

Погрешность сравнения частот зависит от способа индикации равенства частот. В некоторых приборах для индикации равенства применяют смеситель и головные телефоны (рис. 8.5, а). Под действием колебаний образцовой и измеряемой частот в смесителе возникают колебания комбинационных частот вида mfx ±. nf 0 , где m и n - целые числа. Если сигнал разностной частоты попадает в полосу пропускания головных телефонов, то оператор слышит тон этой частоты. Изменяя f 0 следует добиться наиболее низкого тона, который для различных типов головных телефонов составляет десятки герц.

Поскольку при измерениях частота неизвестна, то метод неоднозначен и до измерений необходимо знать приближенное значение f x . Рассмотренный метод измерения частот иногда называют методом нулевых биений.

Измерения производят методом вилки. Погрешность сравнения при этом составляет 10...30 Гц.

10.4 Измерение частоты с помощью избирательных пассивных цепей

Измерение этим способом сводится к настройке избирательной цепи на частоту сигнала. Частоту отсчитывают по положению элемента настройки. Такими цепями могут быть мостовые схемы и колебательные контуры. В настоящее время мостовые измерители частоты, область применения которых ограничена низкими частотами, полностью вытеснены приборами других типов. Практическое применение нашли лишь измерители частоты с использованием резонансного контура, называемые резонансными волномерами. Эти простые приборы охватывают частотный диапазон от сотен килогерц до сотен гигагерц. Упрощенная схема резонансного волномера с контуром показанa рис. 8.8. Напряжение неизвестной частоты fx через катушку связи Lсв подводится к контуру, состоящему из образцовых катушки L и переменного конденсатора С Настройка контура производится изменением емкости, Состояние резонанса определяется магнитоэлектрическим прибором по максимуму напряжения на части катушки. Значение измеренной частоты считывается со шкалы конденсатора.

Погрешность измерения частоты с помощью резонансных волномеров определяется следующими основными факторами: погрешностью градуировки, нестабильностью резонансной частоты колебательной системы, влиянием связи с генератором и индикатором, неточностью фиксации резонанса. Погрешность градуировки может быть большой, если появляются неисправности в механизме настройки, который имеет довольно сложную конструкцию. Эта погрешность возрастает вследствие износа деталей механизма, появления перекосов и люфтов.

За счет связи с индикатором и источником измеряемой частоты в резонатор вносятся активные и реактивные сопротивления. Рост активных потерь уменьшает добротность, а непостоянство вносимых реактивных сопротивлений приводит к смещению резонанса. Уменьшение погрешностей, обусловленных влиянием индикатора и источника сигнала, достигается уменьшением связи. Но при этом уменьшается подводимое к детектору напряжение и в схему после детектора приходится вводить усилители.

Меньший размер и увеличенная производительность, чем у линейки измерителей предыдущего поколения – GT658, делают новый измеритель временных интервалов компании GuideTech пригодным для еще более широкого применения.

Измерители GuideTech легко расширяются и работают в составе модульных систем. Это позволяет использовать их в различных решениях CTIA на базе PCI, PCIe, PXI, PXIe, а также в составе интегрированных систем (ISS).

Разрешающая способность по времени:
Модель GT668-1 = 0.9 pS
Модель GT668-2 = 1.8 pS
Модель GT668-15 = 15 pS
Модель GT668-40 = 40 pS

Измеритель временных интервалов GT668 – настоящий прорыв в области высокоскоростного измерения времени и тестовых технологий. Благодаря мощной технологии непрерывных меток времени, исчезает необходимость в использовании вспомогательных триггеров, шаблонных маркеров и схем восстановления синхронизации.

При помощи измерителя временных интерваловGuideTech можно проверить работу последовательного интерфейса и провести полный анализ фазовых дрожаний за несколько миллисекунд, быстро, в автоматическом режиме измерять характеристики и проводить проверки в условиях высокоточного производства на любых платформах ATE, включая дешевые домашние измерительные приборы.

Карты GT668 PXI и PXIe можно расширить до 34 односторонних входных каналов, используя один корпус PXI & PXIe на 3U.

Измеритель GT668 позволяет измерять частоту, период, ширину импульсов, фазовый сдвиг, Tpd, время подъема/спада, погрешность временного интервала, 1 PPS, фазовое дрожание, дрожание в цепях фазовой синхронизации и тактовых генераторах, выполнять спектральную модуляцию и многое другое.

Корпус GuideTech GT668 PXI 3U представляет собой расширяемую платформу промышленного класса, которая обеспечивает высокую точность шкалы времени 100 МГц с контролируемой калибровкой NIST и позволяет создавать Оптимальные тестовые системы по низкой цене.

Область применения:
- Мониторинг 1 PPS
- Быстродействующий промышленный измеритель
- Лабораторные и научные исследования
- Изменение продолжительности импульса
- Цепи фазовой синхронизации и частотная модуляция
- Дисперсия Аллана
- Измерение частоты, фазовых дрожаний и сдвига по фазе
- Полупроводниковое ATE
- Синхронизация радаров, лазерных и ультразвуковых систем
- Передача данных о времени
- Реальное время, отметки времени

Программное обеспечние:
- Программные пакеты и API
- Windows 32-бит, 64-бит
- LINUX 32-бит, 64-бит
- NI LabVIEW
- Python
- Java
- Разработка/поддержка пользовательского программного обеспечения

Особенности:
- Очень низкий уровень шума
- Высокая точность, гибкость и скорость измерения (4М м/с на канал)
- Два программируемых выхода
- Синхронизация по UTC с 1 PPS
- Встроенная контролируемая шкала времени NIST
- Прямой переход от научной лабораторной системы к прибору, готовому для производства
- Легко расширяется для создания комплексных систем PXI/PXIe, в состав которых входит до 17 карт / 34 синхронизируемых каналов
- Легко согласуется с системами ATE

Различают два основных метода измерения периода и временных интервалов: осциллографический и электронно-счетный.

Измерение временных интервалов с помощью осциллографа производится по осциллограмме исследуемого напряжения с использованием линейной развертки. Из-за значительных погрешностей отсчета начала и конца интервала, а также из-за нелинейности развертки общая погрешность измерения временных интервалов составляет единицы процентов. Значительно меньшая погрешность свойственна специализированным измерителям временных интервалов со спиральной разверткой.

В настоящее время наиболее распространены электронно-счетные методы измерения периода и временного интервала. При измерении весьма малых временных интервалов удобны методы преобразования. На основе этих методов созданы умножители интервала - устройства, позволяющие расширить измеряемый интервал в заданное число раз. Умножители часто используются совместно с электронно-счетными приборами.

10.1 Электронно-счетный измеритель временного интервала

Структурная схема измерителя временного интервала показана на рис. 6.1, . Исследуемые напряжения U x 1 и U x 2 подводят по двум каналам к формирующим устройствам. Когда эти напряжения достигают опорных уровней U 01 и (U 02 , на выходе формирующих устройств возникают короткие импульсы U H и U K , соответствующие началу и концу измеряемого интервала времени Тх. Эти импульсы воздействуют на триггер, выходной импульс которого на время Тх отпирает селектор.

За время действия импульса счетные импульсы с известным периодом T 0 , поступающие с генератора, фиксируются счетчиком.

Их число N пропорционально измеряемому временному интервалу и считывается с отсчетного устройства,

Схема измерителя периода отличается от рассмотренной тем, что импульсы начала и конца интервала, равного периоду повторения исследуемого напряжения, формируются в одном канале, а вторая схема формирования отсутствует.

Период счетных импульсов Т 0 выбирается кратным 10 - k , с, где k - целое число.

Систематиескую составляющую нестабильности счетных импульсов можно уменьшить, периодически корректируя частоту генератора.

Погрешность дискретности, для ее уменьшения следует увеличивать частоту генератора, максимальное значение которой ограничено быстродействием используемого счетчика. В настоящее время лучшие серийно выпускаемые счетчики работают до частот в сотни мегагерц. Погрешность дискретности можно несколько уменьшить, применяя генератор счетных импульсов с ударным возбуждением, запускаемый импульсом UH.

Если прибор предназначен для измерения времени задержки в исследуемом устройстве, то импульс начала интервала можно синхронизировать со счетными импульсами. В состав измерителя временного интервала вводят делитель частоты, запускаемый счетными импульсами. Импульс с выхода -делителя запускает исследуемое устройство. Из-за нестабильности времени.задержки в делителе не удается полностью устранить погрешность начала.

Точность измерений можно значительно повысить, применяя специальные методы, рассмотренные далее.

Если измеряемый интервал повторяется, то погрешность дискретности можно снизить, увеличивая измеряемый интервал в целое число раз или проводя многократные измерения.

10.2 Измерение частоты

Измерение частоты является одной из важнейших задач, решаемых в радиотехнике. Частота может быть измерена с очень высокой точностью, поэтому получили широкое распространение методы измерения различных параметров с предварительным преобразованием их в частоту и измерением последней.

Существуют следующие основные методы измерения частоты; электронно-счетный, заряда и разряда конденсатора, сравнения измеряемой частоты с образцовой, а также с помощью избирательных пассивных цепей.

Электронно-счетный метод заключается в счете числа, периодов неизвестной частоты в течение образцового интервала времени электронным счетчиком, быстродействие которого ограничивает диапазон измеряемых частот 100...500 МГц. Большие частоты приходится преобразовывать, понижая их до указанных пределов. Цифровые измерители частоты позволяют получить относительную погрешность измерения частоты порядка 10 -11 и менее в. диапазоне до сотен гигагерц.

Метод заряда и разряда конденсатора состоит в измерении среднего значения тока заряда или разряда конденсатора, пропорционального частоте измеряемого колебания. Метод пригоден, для измерения частот до сотен килогерц с погрешностью порядка 1%.

Измерение частоты путем сравнения с образцовой может производиться в широком диапазоне частот, включая СВЧ. Погрешность измерения зависит главным образом от погрешности определения образцовой частоты и может составлять до 10 -13 .

Измерение частоты с помощью избирательных пассивных цепей: резонансных контуров и резонаторов-сводится к настройке цепи в резонанс, значение измеряемой частоты считывается со шкалы элемента настройки. Погрешность измерения составляет до 10 -4 .

Таким образом, наиболее точные результаты дают методы электронно-счетный и сравнения, что обусловлено наличием квантовых эталонов частоты, лучшие образцы которых характеризуются нестабильностью частоты до 10 -13 . Например, водородные стандарты частоты, выпускаемые промышленностью, позволяют получить образцовые частоты с нестабильностью 5 … 10 -13 за сутки.

Проведение точных измерений требует знания не только номинального значения образцовой частоты, но и некоторых других параметров, характеризующих ее нестабильность.

10.3 Электронно-счетный метод измерения частоты

Электронно-счетный метод основан на счете числа импульсов неизвестной частотой повторения fx на известном стабильном по длительности интервале времени. Упрощенная структурная схема частотомера (рис. 8,2, а) подобна схеме измерителя временного интервала.

Частота кварцевого генератора выбирается равной n*10 k Гц, где k - целое число, а значение коэффициента деления n бывает кратным десяти. Поэтому число зафиксированных счетчиком импульсов N соответствует значению измеряемой частоты в выбранных единицах. Значение f 0 считывается с отсчетного устройства прибора.

Измерение частоты путем заряда и разряда конденсатора

Этот метод положен в основу работы частотомера, схема которого показана на. рис. 8.4, а. Напряжение U г с частотой f x поступает на усилитель-ограничитель (рис. 8.4, б). Его выходное напряжение U 2 , имеющее форму прямоугольных импульсов, воздействует на цепь, состоящую из конденсатора С и диодов Д1 и Д2. Пусть в начальный момент времени напряжение на конденсаторе Uс = U2- Постоянную времени заряда выбирают много меньшей половины периода входного напряжения. Среднее значение тока заряда конденсатора, проходящего через диод Д1 и магнитоэлектрический прибор,

пропорциональна частоте fx, поэтому шкалу магнитоэлектрического прибора градуируют в значениях измеряемой частоты.

Частотомеры рассмотренного типа работают в диапазоне от десятков герц до единиц мегагерц. Этот диапазон частот перекрывается несколькими поддиапазонами с разными пределами измерений Переход с предела на предел достигается сменой емкости, которая выбирается такой, чтобы на предельных частотах поддиапазонов средний ток прибора был достаточным для отклонения стрелки на всю шкалу.

Измерение частоты путем сравнения с образцовой

При этом методе измеряемая частота fx сравнивается о известной частотой f 0 генератора колебаний образцовой частоты. Перестраивая последний, добиваются выполнения равенства

где Δσp1 - погрешность сравнения частот.

Погрешность сравнения частот зависит от способа индикации равенства частот. В некоторых приборах для индикации равенства применяют смеситель и головные телефоны (рис. 8.5, а). Под действием колебаний образцовой и измеряемой частот в смесителе возникают колебания комбинационных частот вида mfx ±. nf 0 , где m и n - целые числа. Если сигнал разностной частоты попадает в полосу пропускания головных телефонов, то оператор слышит тон этой частоты. Изменяя f 0 следует добиться наиболее низкого тона, который для различных типов головных телефонов составляет десятки герц.

Поскольку при измерениях частота неизвестна, то метод неоднозначен и до измерений необходимо знать приближенное значение f x . Рассмотренный метод измерения частот иногда называют методом нулевых биений.

Измерения производят методом вилки. Погрешность сравнения при этом составляет 10...30 Гц.

10.4 Измерение частоты с помощью избирательных пассивных цепей

Измерение этим способом сводится к настройке избирательной цепи на частоту сигнала. Частоту отсчитывают по положению элемента настройки. Такими цепями могут быть мостовые схемы и колебательные контуры. В настоящее время мостовые измерители частоты, область применения которых ограничена низкими частотами, полностью вытеснены приборами других типов. Практическое применение нашли лишь измерители частоты с использованием резонансного контура, называемые резонансными волномерами. Эти простые приборы охватывают частотный диапазон от сотен килогерц до сотен гигагерц. Упрощенная схема резонансного волномера с контуром показанa рис. 8.8. Напряжение неизвестной частоты fx через катушку связи Lсв подводится к контуру, состоящему из образцовых катушки L и переменного конденсатора С Настройка контура производится изменением емкости, Состояние резонанса определяется магнитоэлектрическим прибором по максимуму напряжения на части катушки. Значение измеренной частоты считывается со шкалы конденсатора.

Погрешность измерения частоты с помощью резонансных волномеров определяется следующими основными факторами: погрешностью градуировки, нестабильностью резонансной частоты колебательной системы, влиянием связи с генератором и индикатором, неточностью фиксации резонанса. Погрешность градуировки может быть большой, если появляются неисправности в механизме настройки, который имеет довольно сложную конструкцию. Эта погрешность возрастает вследствие износа деталей механизма, появления перекосов и люфтов.

За счет связи с индикатором и источником измеряемой частоты в резонатор вносятся активные и реактивные сопротивления. Рост активных потерь уменьшает добротность, а непостоянство вносимых реактивных сопротивлений приводит к смещению резонанса. Уменьшение погрешностей, обусловленных влиянием индикатора и источника сигнала, достигается уменьшением связи. Но при этом уменьшается подводимое к детектору напряжение и в схему после детектора приходится вводить усилители.

Различают два основных метода измерения периода и времен­ных интервалов:

осциллографический;

электронно-счетный.

Измерение временных интервалов с помощью осциллографа производится по осциллограмме исследуемого напряжения с ис­пользованием линейной развертки. Из-за значительных погреш­ностей отсчета начала и конца интервала, а также из-за нелиней­ности развертки общая погрешность измерения временных интер­валов составляет единицы процентов. Значительно меньшая по­грешность свойственна специализированным измерителям времен­ных интервалов со спиральной разверткой.

В настоящее время наиболее распространены электронно-счет­ные методы измерения периода и временного интервала. Основными из которых являются:

цифровой метод измерения интервалов времени;

метод интерполяции;

нониусный метод.

Цифровой метод измерения интервалов времени

Принцип измерения периода гармонического сигнала цифровым ме­тодом с помощью цифрового частотомера поясняется рис. 17.1, где приве­дены структурная схема устройства в режиме измерения периода гармо­нического колебания и соответствующие его работе временные диа­граммы.

Измерение интервала времени T x цифровым методом основано на заполнении его импульсами, следующими с образцовым периодом Т о , и подсчете числа М х этих импульсов.

Все элементы устройства и их действие были проанализированы в вопросах, связанных с измерением частоты. Структурный состав генератора опорной частоты при измерении периода рассматривается ниже.

Рис. 3.6.Цифровой метод измерения интервалов времени: а -структурная схема; б -временные диаграммы

Гармонический сигнал, период T x которого требуется измерить, по­сле прохождения входного устройства ВУ (u 1 - выходной сигнал ВУ) и формирователя импульсов Ф2 преобразуется в последовательность ко­ротких импульсов u 2 с аналогичным периодом. В устройстве фор­мирования и управления УФУ из них формируется строб-импульс и з прямоугольной формы и длительностью T x , поступающий на один из входов временного селектора ВС. На второй вход этого селектора по­даются короткие импульсы u 4 с образцовым периодом следования Т о , созданные формирователем Ф1 из колебаний генератора опорной частоты ГОЧ.

Временной селектор ВС пропускает на счетчик СЧ М х счетных импуль­сов u 4 в течение времени T x , равном длительности строб-импульса и з . Измеряемый период T x , как следует из рис. 17.1, б,

T x = М х Т о + Δ t д , (3.6)

где Δ t д = Δ t к – Δ t н - общая погрешность дискретизации; Δ t н и Δ t к - погрешности дискретизации начала и конца периода Т х .

Без учета в формуле (17.1) погрешности Δ t д число импульсов, поступившее на счетчик М х = T x /Т о , а измеряемый период пропорционален М х

T x = М х Т о . (3.7)

Выходной код счетчика СЧ, выдаваемый на цифровое отсчетное уст­ройство ЦОУ, соответствует числу подсчитанных им счетных импульсов М х , а показания ЦОУ - периоду T x , поскольку период следования счет­ных импульсов и 5 выбирается из соотношения Т о = 1 - n , где п - целое число. Так, например, при п = 6 ЦОУ отображает число М х , соот­ветствующее периоду T x , выраженному в мкс.

Погрешность измерения периода T x , как и при измерении частоты, имеет систематическую и случайную составляющие .

Систематическая составляющая зависит от стабильности δ кв образ­цовой частоты ГОЧ (его кварцевого генератора), а случайная опреде­ляется в основном погрешностью дискретизации Δ t д , рассмотренной выше. 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 T x , получаемых по формуле (17.2) при М х ± 1 и М х и равна Δ T x = ± Т о .

Соответствующая мак­симальная относительная погрешность

δ = ±Δ T x /T x = ± 1/М х = ±1/(T x f о ),

где f о = 1/ Т о - значение образцовой частоты генератора ГОЧ.

На погрешность измерения влияют также шумы в каналах форми­рования строб-импульса и 3 и счетных импульсов и 4 (рис. 17.1, 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

(3.8)

Из выражения (17.3) следует, что из-за погрешности дискретизации по­грешность измерения периода T x резко увеличивается при его уменьшении.

Повышения точности измерений можно добиться за счет увеличения частоты f о генератора ГОЧ (путем умножения частоты его кварцевого генератора в Ку раз), т.е. за счет 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. 17.1, а не показан). При этом выполняется измерение К периодов Т х и в К раз уменьшается относительная погрешность дискретизации.

Погрешность дискретизации можно уменьшить и способом из­мерений с многократными наблюдениями . Однако при этом зна­чительно увеличивается время измерений. В связи с этим разработаны методы, уменьшающие погрешность дискретизации с существенно меньшим увеличением времени измерения. К их числу относится: метод интерполяции, нониусный метод.

Как правило, в задачах управления необходимо обеспечивать режим реального времени, т.е. за определенный временной цикл контроллер должен обеспечить ввод входных сигналов, обработку и выдачу управляющих сигналов с ИМ.

Для максимальной разгрузки ЦПУ МК содержат таймеры, которые работают независимо от ЦПУ. Количество таймеров в контроллере 2-5.

запуск отдельных подзадач алгоритма управления, через требуемые интервалы времени ∆t, называемые метками реального времени;

формирование выходных управляющих сигналов требуемой длительности;

подсчет внешних импульсов, поступающих в контроллер;

формирование сигнала заданной частоты.

Все эти функции может выполнять и ЦПУ, но это приводило бы к его неэффективному использованию в системе. Ниже рассмотрим оба варианта.

Аппаратная реализация таймера. В основе таймера используется счетчик, в который поступают импульсы от генератора.

Нарис. показан таймер для формирования временного интервала.

ГТИ - генератор тактовых импульсов;

TF – сигнал завершения формирования временного интервала, продолжительность которого определяется частотой ГТИ и разрядностью счетчика.

Сигнал старт обеспечивает разрешение начала работы счетчика. Если счетчик 8-разрядный, то максимальный интервал при частоте ГТИ в 1МГц равен: TF = 1мкс * 2 8 = 256 мкс. Если требуется меньшая длительность, то необходимо вначале в счетчик загрузить константу.

Программная реализация таймера. Программное формирование временной задержки может быть реализовано при использовании любого регистра ЦПУ, например R2:

REP: DJNZ R2, REP ;программный цикл таймера

Временной интервал определяется как: T= 34* T DJNZ . Таким образом, константа 34 и время выполнения DJNZ R 2, REP определяет временной интервал. В этом случае ЦПУ выполняет функцию таймера, так как оно не может выполнять в этот момент другие команды. Рассмотрим пример формирования требуемой длительности импульса 40 мкс при условии, что T DJNZ = 5мкс.

REP: DJNZ R2, REP

Тема 9. Обработка прерываний в контроллере

В качестве сигналов прерывания, поступающих в контроллер прерывания, могут быть сигналы, формируемые модулями, входящими в контроллер (модуль таймера, последовательные и параллельные порты, АЦП и др.) и могут быть внешние сигналы, поступающие в контроллер из устройств, подключенных к нему. Первая группа сигналов называется – внутренними прерываниями, а вторая – внешними. Структурная схема контроллера прерываний приведена на рис.

IR 0 – IR n -1 - сигналы запросов прерываний, IR 0 – имеет высший приоритет;

IRR – регистр запросов прерываний. В этом регистре фиксируются поступившие запросы.

После поступления в КП одного или более запросов IR, КП выделяет самый приоритетный из них. Для назначения приоритетных запросов в КП имеется регистр приоритетов (IP).

IE – регистр разрешения запросов прерывания. Он позволяет временно запрещать поступление одного или более запросов IR. В некоторых контроллерах такие регистры обозначаются MR – маскирование.

После определения запроса с максимальным приоритетом контроллер прерывания формирует в ЦПУ сигнал прерывания INT. После получения сигнала прерывания INT ЦПУ завершает выполнение текущей команды, прерываемой программы и формирует сигнал подтверждения INTA. После получения INTA КП формирует команду вызова подпрограммы Call ADRi (i = 0… (n-1)). После этого она обрабатывается как обычная команда. Выполнение команды Call ADRi в ЦПУ обеспечит обращение соответствующему адресу памяти программ для вызова подпрограммы обработки запроса прерывания.

В базовом микроконтроллере MCS-51 имеется 5 входов запросов прерывания: два внешних (INT0, INT1) поступают через линии порта Р3 и три внутренних прерывания: TF0, TF1(от таймеров/счетчиков) и TI/RI – прерывание от последовательного адаптера.

С точки зрения приоритетов все 5 прерываний могут быть распределены только по двум уровням приоритетов (0 – высший приоритет и 1 – низший приоритет).

Имеется внутренняя схема, которая решает, как должны обрабатываться запросы с одним уровнем приоритета, пришедших одновременно:

Ранжирование приоритетов

Hi INT 0

Low TI/RI

Распределение областей РПП под определенные запросы прерываний показано на рис.

В резидентной памяти программ выделено 5 областей для каждого из 5 прерываний, каждая область - 8 байт для вектора прерывания. Таким образом, первые 43 байта программ имеют специальное назначение.

Подпрограммы обработки прерывания обязательно завершаются командой RETI, в соответствии с которой в программный счетчик из стека загружается адрес ранее сохраненный командой CALL, сохраненной в стеке, для возврата в прерванную программу. Команда RET также возвращает управление прерванной программе, но не снимает при этом блокировку прерываний.

Рис. Распределение прерываний