Цифровой следящий частотомер с АВДИ

Интервал времени измерения ∆T формируется из частоты генератора с кварцевой стабилизацией, следовательно, ее нестабильность и неточность установки определяют погрешность измерения. Нестабильность генератора состоит из двух составляющих — долговременной нестабильности (за сутки, месяц, год) и кратковременной (за время измерения). Долговременная нестабильность вызывается в основном старением кварца, т. е. имеет систематический характер, следовательно, вносит систематическую погрешность в измерение частоты. Для ее уменьшения кварцевый резонатор и часть деталей генератора помещены в термостат, в котором поддерживается постоянная температура с точностью до десятых долей кельвина. Благодаря этому длительная нестабильность частоты не превышает 10-8—10-9. Периодическим корректированием частоты или поверкой генератора она может быть уменьшена еще на  порядок.

Одной из разновидностью метода дискретного счета является метод единичных приращений. Он в свою очередь делиться на следующие разновидности:

1) метод на основе счета  числа периодов измеряемой частоты  за известный калиброванный промежуток  времени (цифровой частотомер)

2) метод на основе счета  числа периодов известной калиброванной  частоты за один или несколько  периодов измеряемой частоты (цифровой  периодомер)

3) метод на основе компенсации  измеряемой частоты известной  калиброванной частотой, управляемой  накоплением их разности (следящий  цифровой частотомер)[1]

Мною в курсовом проекте используется следящий  метод измерения частоты. Его особенностью является то, что измерение осуществляется на основе компенсации измеряемой частоты управляемой калиброванной частотой, формируемой из образцовой под управлением интегрирования разности сравниваемых частот. Принцип этого метода описан в пункте «Разработка функциональной схемы».

2.Анализ погрешности измерения

Случайная погрешность измерения частоты в основном определяется погрешностью дискретности, т. е. погрешностью счета импульсов ∆N и кратковременной нестабильностью частоты ∆fкв. По правилам вычисления случайной погрешности косвенных измерений из формулы (3.2) можно написать выражение для абсолютной погрешности измерения частоты в виде

              (3.1)

Относительная погрешность:

     

                   (3.2)

Где — относительная погрешность дискретности;

— кратковременная нестабильность частоты генератора с кварцевой стабилизацией.

Абсолютная погрешность дискретного счета ∆N возникает вследствие несинхронности входною напряжения с напряжением  кварцевого  генератора, отчего начало и конец калиброванного импульса времени счета не совпадают с началом периода повторения импульсов на сигнальном входе временного селектора. Несовпадение приводит к возможности появления двух случайных независимых погрешностей и за счет потери части периода измеряемых импульсов Тх в начале и в конце времени счета ∆T. Каждая из них распределена по равновероятному закону, а их композиция в соответствии с теорией вероятностей дает треугольный закон распределения (закон Симпсона). Среднеквадратическое значение погрешности дискретности в этом случае . Если синхронизировать начало времени счета ∆T с началом импульса Тх, то останется одна погрешность , которая распределена по равновероятному закону, и тогда среднеквадратическое значение погрешности дискретности будет равно .

Рис.3.1

Максимальная погрешность дискретности возникает при потере одного периода измеряемых импульсов, т. е. одного импульса: ∆N = 1. Следовательно, максимальная относительная   погрешность  вычисляется  по  следующей формуле:

     

                (3.3)

Кратковременная случайная нестабильность частоты кварцевого генератора обычно очень мала, например 10-10 за секунду, и в большинстве практических случаев ею можно пренебречь. Тогда

 

               (3.4)

При измерении низких частот число импульсов N невелико и погрешность может быть значительной. Для ее уменьшения необходимо увеличивать время измерения ∆T, что не всегда целесообразно и возможно. Например, для измерения частоты 1 кГц с погрешностью  10-5 при частоте кварцевого генератора 1 МГц необходим коэффициент деления   10n = fкв/(δfx) = 108. Время счета   при таких условиях:  ∆T = 100 с.

 

 

 

 

 

3.Разработка структурной схемы

 

Рис. 4.1. Структурная схема разрабатываемого устройства

 

Схема устройства будет состоять из следующих структурных блоков:

1. Ф – Формирователь предназначен для формирования коротких импульсов, следующих с частотой, равной измеряемой частоте. В этом же блоке осуществляется регулирование значения входного сигнала.
2. РСч – Реверсивный счетчик позволяет вести подсчет импульсов. Данный счетчик может работать как в прямом, так и в обратном направлении счета.
3. ГОЧ – Генератор опорной частоты является источником высокостабильной опорной частоты, на основе которой получаются все остальные частоты.
4. ПДЧ – Переменный делитель частоты позволяет производить выбор диапазонов измерения.
5. ДУЧ – Двоичный умножитель частоты реализует функцию преобразования   ,

где - емкость счетчика, на базе которого построен ДУЧ.

6. МК – Микроконтроллер осуществляет перевод кода со счетчика из двоичной системы счисления в десятичную и подсчитывает измеренную частоту по формуле 
7. И – Индикатор является отображающим устройством.

 

4. Разработка функциональной схемы

Рис.5.1. Функциональная схема разрабатываемого устройства

 

Изначально на основной счетчик Сч1 поступают  сигналы с компаратора напряжения с частотой  . Этот счетчик осуществляет управление ДУЧ, который реализует функцию преобразования 

Нулевое состояние счетчика Сч2 пропускает вначале через мультиплексор S1 самую низкую образцовую частоту из набора , , , , которые формируются с помощью генератора ГОЧ и делителей частоты ДЧ. Поэтому, если измеряемая частота высокая, то реверсивный счетчик Сч1 быстро добирается почти до максимального кода 1111. Дешифратор DC «Много» фиксирует достижение этого кода. Импульс с него поступает на суммирующий вход счетчика Сч2, который, управляя мультиплексором S1, пропускает образцовую частоту на ДУЧ, в 4 раза большую первоначальной, одновременно перезаписывая в счетчике Сч1 в 4 раза меньший код, равный 001111. Из-за этого создается впечатление, что такая образцовая частота поступала на ДУЧ с самого начала. Этот процесс продолжается до тех пор пока значение образцовой частоты не окажется в диапазоне измеряемой. С этого момента начинается нормальное слежение за измеряемой частотой по формуле (5.1). В случае, если частота в поддиапазоне снизилась так, что код с счетчика Сч1 уменьшился до значения 00111 и меньше, то дешифратор DC «Мало» выдает импульс на вычитающий вход счетчика Сч2. Последний соответственно снижает образцовую частоту 4 раза с выхода мультиплексора S1, при этом одновременно перезаписывается код счетчика Сч1 на значение 111000, в результате чего частота с выхода ДУЧ в этот момент не меняется. Дальше снова идет процесс нормального слежения. Таким образом, обеспечивается такое слежение за измеряемой частотой, что код счетчика Сч1 находится в пределах 1111>N>00111, и обеспечивается высокая точность измерения во все диапазоне. Схемы совпадения И1 и И2 обеспечивают принцип конечного выключения, когда образцовая частота доходит до самой высокой из возможных в наборе или, наоборот, когда она доходит до самой низкой из возможных. Для этого вторые входы схем совпадения подключены к соответствующим выходам счетчика Сч2. Мультиплексор S2, управляемый триггером Т1, обеспечивает переключение установочного кода на входе предустановки D счетчика Сч1 в зависимости от сигналов с дешифраторов DC «много» или «мало». Для ликвидации переполнения и конфликтов кодов переключения их значения 1111 и 00111 выбраны чуть меньше максимальных и с определенным гистерезисом.

Процесс уменьшения периода будет происходить до тех пор, пока частоты на двух входах основного счетчика не примут  максимально одинаковые значения. При равных частотах значение счетчика стабилизируется.

Так как основной счетчик двоичный, то для корректного вывода информации, понятной оператору, я использую микроконтроллер.

 

5. Разработка и описание принципиальной схемы, выбор и обоснование применяемой элементной базы

5.1.Компаратор напряжения

        Формирователь предназначен для приведения входного напряжения прибора (который может быть любой формы) к уровню и форме, которые соответствуют применяемой при построении частотомера элементной базе.

В моем случае, в качестве формирователя я применяю компаратор напряжения - микросхема  MAX907. Компаратор сдвоенный, общего назначения. Логические уровни на выходе соответствуют логике ТТЛ и составляют 0,5В и 4,5В. Данный компаратор нормально функционирует при напряжении от 0В до 5В, поэтому опорное напряжение будет принимать данные значения напряжения.

Рис. 7.1. Компаратор MAX907

Назначение выводов:

1 – неинвертирующий выход. Устанавливается в логическую  единицу, когда напряжение на  инвертирующем входе меньше чем на неинвертирующем.

2 – инвертирующий аналоговый  вход

3 – неинвертирующий аналоговый  вход

4 – земля

8 – напряжение питания

 

5.2. Генератор опорной частоты

 

В качестве генератора опорной частоты я буду использовать кварцевый генератор 100.000 МГЦ (TTL).  При их изготовлении используется современная технология и оборудование, новейшая база и методы тестирования, отвечающие требованиям международных стандартов. Корпуса (в основном типа DIL-14 и DIL-8) соответствуют стандартам МЭК. 

 

Рис. 7.2. Условно-графическое обозначение кварцевого генератора.

 

Рис. 7.3. Назначение выводов

 

Все необходимые технические характеристики кварцевого генератора  100.000 МГц (TTL) представлены ниже, в таблице 7.1.

 

Таблица 7.1. Технические характеристики кварцевого генератора

Резонансная частота, МГц	100
Точн. настр. dF/F х10-6	100
Напряжение питания, В	5
Выход	TTL
Ток нагрузки, мА	20
Нагрузочная способность	10 TTL
Рабочая температура, С	0…70
Размеры корпуса LхW, мм	12.9x12.9

 

 

5.3. Счётчики

 

В своей работе я использую микросхему К155ИЕ7  двоичного реверсивного четырехразрядного счетчика, построенного на основе J-K триггеров. Условно-графическое изображение схемы счетчика приведено на рисунке 7.4.

 

Рис. 7.4.  Схема реверсивного счетчика и его временные диаграммы.

Особенностью счетчика является его построение по синхронному принципу, по которому все триггеры схемы переключаются одновременно от одного счетного импульса. Направление счета в счетчике определяется состоянием на счетных входах триггера. Установка их в 0 происходит при высок уровне на входе R. В счетчик можно записать число подав на выходы D1-D4 от 0 до 9. Для этого на вход S необходимо подать низкий уровень, на входах С1 и С2 высокий уровень, на входе R - низкий. Счет начнется с записанного числа по импульсам низкого уровня, подаваемым на вход С1 (в режиме сложения) или на С2 (в режиме вычитания). Информация на выходе изменяется по фронту счётного импульса. При этом на втором счетном входе и входе S должен быть высокий уровень, на входе R-низкий, а состояние входов D безразлично. Одновременно с каждым десятым (шестнадцатым) на входе С1 импульсом на выходе P1 повторяющий его выходной импульс, который может подаваться вход следующего счетчика. В режиме вычитания одновременно с каждым импульсом на входе С2, переводящим счетчик в состояние 9, (15), на выходе Р2 появляется выходной импульс.

Временная диаграмма работы счетчика К155ИЕ7 приведена на рисунке 6.2,б. На диаграмме в режиме параллельной записи (S=0) было записано число 6 (высокий уровень на входах D2 и D3).

Счетчики К155ИЕ7 (74193) потребляют ток 102 мА. Маломощные варианты этих микросхем с переходами Шотки имеют ток потребления 34 мА. Максимальная тактовая частота 25 МГц;

время задержки распространения сигнала от входа Сu до выхода _Тсu 26 нc, аналогичные задержки от входа РЕ до выхода Q3 составляют 40 нc. Время действия сигнала сброса (от входа R до выходов Q) 35 нc.

 

 

 

5.4 Мультиплексор

Микросхема 74F151N представляет собой селектор-мультиплексор из 8 в 1 и в зависимости от установленного на входах A, B, C кода разрешает прохождение сигнала на выходы У1 и У2 только от одного из восьми информационных входов D0-D7.

 

Рис. 7.5.  Мультиплексор 74F151N и назначение его выводов.

 

 

5.5 Двоичный умножитель частоты

 

В качестве ДУЧ в своей работе я использую микросхему К155ИЕ8.  Эта микросхема содержит шестиразрядный двоичный счетчик, элементы совпадения, позволяющие выделять не совпадающие между собой импульсы - каждый второй, каждый четвертый, каждый восьмой и т. д. и управляемый элемент И-ИЛИ, который позволяет подавать на выход часть или все выделенные импульсы, в результате чего средняя частота выходных импульсов может изменяться от 1/64 до 63/64 частоты входных импульсов. Графическое обозначение микросхемы приведено на рисунке 7.6, пример временной диаграммы ее работы - на рисунке 7.7.