Układy elektroniczne i technika pomiarowa/Moduł 12

Z Studia Informatyczne
Przejdź do nawigacjiPrzejdź do wyszukiwania

wersja beta


Moduł 12 - Cyfrowe pomiary częstotliwości i czasu


opis

Pomiary częstotliwości i czasu zajmują w miernictwie miejsce szczególne z uwagi na to, że są to pomiary bardzo dokładne. Stąd ogólna tendencja do przetwarzania sygnałów na przedział czasu i pomiar tego przedziału metodą cyfrową. Kwantowy (ziarnisty) charakter wielkości fizycznej jaką jest częstotliwość spowodował, że te pomiary jako pierwsze były realizowane w technice cyfrowej.

Współcześnie produkowane przyrządy realizują pomiar różnych parametrów czasowych sygnałów elektrycznych. Przyrządy przeznaczone do takich pomiarów są nazywane licznikami uniwersalnymi. Oprócz liczników uniwersalnych, w funkcje pomiaru częstotliwości i okresu, jest wyposażony niemal każdy multimetr cyfrowy. Istnieją również przyrządy specjalistyczne przeznaczone bardzo precyzyjnych pomiarów i analizy parametrów czasowych sygnałów (Frequency and Time Interval Analizer).


W wszystkich pomiarach w dziedzinie czasu występuje konieczność stosowania pewnego wzorcowego przedziału czasu. Tym czasem odniesienia jest okres generatora wzorcowego. Impulsy z generatora wzorcowego mogą wyznaczać czas otwarcia bramki lub być impulsami zliczanymi przez licznik. Dokładność i stabilność generatora mają istotny wpływ na błąd pomiaru parametrów czasowych sygnałów. W licznikach uniwersalnych jako generatory, powszechnie są stosowane oscylatory kwarcowe o częstotliwości 10MHz. Wyznaczanie odcinków czasu jest realizowane przez przetwarzanie tej częstotliwości podstawowej. Przetwarzanie może oznaczać zarówno podział za pomocą np. dzielników częstotliwości jak i powielanie za pomocą np. pętli fazowej. Dzielniki częstotliwości są dzielnikami dekadowymi co pozwala uzyskiwać wzorcowe odcinki czasu o wartościach od 0.1ms do 10s.

Podstawowym elementem stosowanym w cyfrowej aparaturze jest licznik impulsów.

Licznik zlicza tylko te impulsy, które zostały przepuszczone przez bramkę. Czas otwarcia bramki jest określony przez sygnały START i STOP. Przedstawiona struktura ma charakter ogólny, a realizowane przez nią funkcje pomiarowe zależą od tego, skąd pochodzą zliczane impulsy oraz co jest źródłem sygnałów START i STOP.


Zadaniem układów wejściowych jest przetworzenie sygnału z postaci analogowej do postaci impulsów o standardowych parametrach amplitudowych, odpowiadających poziomom logicznym „1” lub „0”. Do układów wejściowych należą:
  • układ eliminacji składowej stałej – sprzężenie AC/DC
  • dzielnik napięcia (zazwyczaj przez 10)
  • dyskryminator poziomu zabezpieczający wejście przyrządu przed uszkodzeniem
  • konwerter impedancji (zazwyczaj w postaci przełącznika umożliwiającego określenie impedancji wejściowej jako równej 50W lub 1MW)
  • przerzutnik Schmitta realizujący właściwe przetwarzanie sygnału do postaci impulsów



Bramka jest otwierana na czas stanowiący wielokrotność okresu generatora wzorcowego. Jeżeli czas ten wynosi 1s to liczba impulsów jest bezpośrednio miarą częstotliwości w hercach (dla czasu 1ms będzie to częstotliwość w kHz itp.). Zatem jeżeli w czasie 1s licznik zliczył 6453 impulsy to oznacza to, że częstotliwość wynosi 6453Hz. Jeżeli teraz bramka zostanie otwarta na 1ms to licznik zliczy tylko 6 impulsów co zostanie zinterpretowane jako 6kHz, otwarcie bramki na 10ms da wynik 64 impulsy lub 65 impulsów (zostanie to wyjaśnione dalej), co będzie oznaczać częstotliwość 6.4kHz lub 6.5kHz. Widać tutaj podstawową właściwość pomiaru częstotliwości – pomiar jest tym dokładniejszy im czas otwarcia bramki dłuższy. Gdyby bramka została otwarta na 100s licznik zliczyłby 645300 impulsy czyli częstotliwość można by odczytać z rozdzielczością równą 10mHz (6453.00Hz). Oczywiście sens tak długiego oczekiwania na wynik pomiaru jest wątpliwy, a ponadto zmierzona wartość częstotliwości jest wartością średnią za czas pomiaru.

Jeżeli częstotliwość przebiegu wynosiła by 100kHz to uzyskanie rozdzielczości 10ppm (czyli 1Hz) wymagało by otwarcia bramki na czas 100ms, ale uzyskanie takiej samej rozdzielczości przy przebiegu o częstotliwości 1Hz wymagało by otwarcia bramki na 105s (prawie 28 godzin).


Przy pomiarze okresu bramka jest otwierana na czas równy jednemu okresowi lub wielokrotności okresów przebiegu badanego. Impulsy zliczane przez licznik pochodzą z generatora wzorcowego. Jeżeli częstotliwość generatora wzorcowego wynosi 10MHz to okres impulsów wzorcowych jest równy 100ns. Ta wartość określa podstawową rozdzielczość przy pomiarze okresu oraz każdego innego odcinka czasu. Pomiar częstotliwości 6543Hz przy czasie otwarcia bramki 1s pozwalał na uzyskanie rozdzielczości równej 1Hz, przy czasie równym 1ms – 1kHz, a uzyskanie rozdzielczości 10mHz wymagało otwarcia bramki na 100s. Przy pomiarze okresu tego samego przebiegu licznik powinien zliczyć 1549 impulsów co będzie odpowiadało odcinkowi czasu o długości 154.9ms (na taki czas zostanie otwarta bramka).

Załóżmy, że dysponujemy licznikiem dziesiętnym 7-cyfrowym. Taki licznik może znajdować się w 107 stanach (od 0 do 9 999 999). Pomiar częstotliwości 50Hz przy 1 sekundowym czasie otwarcia bramki powoduje zliczenie 50 impulsów. Teoretyczna możliwa do uzyskania rozdzielczość to 1/107 czyli 10-7 = 0.00001% = 0.1ppm, w jednostkach częstotliwości odpowiada to 0.01mHz (wynik pomiaru 5 000 000), ale wymaga otwarcia bramki na 107s (ponad 3 lata). Zatem zmiana częstotliwości o np. 1mHz praktycznie nie jest możliwa do zarejestrowania. Przy pomiarze okresu licznik zapełni się po czasie 107 x 100ns = 1s. Jeżeli częstotliwość wzrosła do wartości 50.001Hz to przy pomiarze okresu otrzymamy wynik 0.0199996s, w którym najmniej znacząca cyfra odpowiada wartości 100ns. Ten wynik odpowiada częstotliwości 50.001Hz. Na zasadzie pomiaru okresu i wyznaczaniu częstotliwości na drodze obliczeniowej działają liczniki odwrotnościowe i większość współczesnych liczników uniwersalnych. Techniką poprawiającą dokładność i rozdzielczość pomiaru okresu jest wydłużenie czasu pomiaru, tzn. pomiar wielokrotności okresu. Sygnał wejściowy jest podawany wówczas na dekadowy dzielnik częstotliwości i dzielony przez 10N (standardowo N=1). Poprawia to rozdzielczość o N cyfr dziesiętnych.


Na rysunku przedstawiono układ do pomiaru odstępu czasu pomiędzy dwoma impulsami uformowanymi z przebiegów podanych na wejścia A i B. Układ ma charakter uniwersalny i może zostać wykorzystany do pomiaru dowolnego parametru czasowego, w tym okresu, czasu trwania dodatniej lub ujemnej części sygnału, czasu narastania lub opadania zboczy. Problem sprowadza się do określenia i identyfikacji poziomów wyzwalania. W układzie z rysunku można mierzyć przesunięcie fazowe pomiędzy dwoma przebiegami o równych częstotliwościach. Realizowane to jest w dwóch etapach. Najpierw trzeba zmierzyć okres jednego przebiegu, a następnie odstęp czasu pomiędzy identycznie usytuowanymi punktami na obu przebiegach.

Przy zwarciu wejść A i B oraz ustawieniu identycznych warunków wyzwalanie można wzorcować tory przetwarzania sygnałów (tzn. określić opóźnienia wprowadzane przez układy przetwarzające) co ma znaczenie dla dokładności wyznaczania odstępów czasu.


Warunkiem uzyskania wysokiej dokładności w pomiarach częstotliwości i czasu są dwa elementy: poprawna liczba impulsów zliczona przez licznik i precyzja w określeniu wzorcowego odcinka czasu. Przy wyznaczaniu błędu pomiaru znajdują one odzwierciedlenie w błędzie zliczania (błędzie dyskretyzacji) i w błędzie analogowym. Źródłami błędów zliczania są: brak synchronizmu między impulsami sterującymi bramką, a impulsami zliczanymi, skończone czasy otwierania i zamykania bramki, zakłócenia w sygnale mierzonym. Źródłami błędów analogowych są: niestabilność generatora wzorcowego i opóźnienia wprowadzane przez układy przetwarzania (np. dzielniki częstotliwości). Ponadto na oba błędy mają wpływ szumy i zakłócenia powstające w układach formujących impulsy. Znaczenie poszczególnych źródeł błędów może zmieniać się w zależności od tego co jest mierzone. Szczególne znaczenie, niezależnie od mierzonej wielkości, mają dwa źródła błędów: brak synchronizmu i generator wzorcowy.

W licznikach uniwersalnych jako generatory wzorcowe są powszechnie stosowane generatory kwarcowe. Błędy związane z generatorem wzorcowym wynikają z niedostrojenia tego generatora do częstotliwości znamionowej (najczęściej 10MHz) oraz zależności częstotliwości od temperatury, wahań napięcia zasilającego i czasu (dyft długo- i krótkookresowy). Generatory kwarcowe wymagają strojenia (za pomocą kondensatorów nastawnych) z uwagi na trudność wytworzenia rezonatorów kwarcu o ściśle określonej częstotliwości. Istotne znaczenie ma kompensacja wpływu temperatury na stabilność generatora. Stosowane są rozwiązania z siecią termistorów kompensacyjnych (oznaczane w dokumentacji licznika jako TCXO), termostatowaniem generatora kwarcowego (oznaczenie OCXO) lub kompensacją cyfrową (oznaczenie DCXO). Względne zmiany częstotliwości pod wpływem temperatury w warunkach użytkowych (tzn. od 0 do 50oC) są na poziomie 10-9. Eliminację dryftów czasowych uzyskuje się przez okresową kalibrację i dostrajanie generatora do częstotliwości znamionowej. Proces taki może być zrealizowany przez porównanie ze wzorcami częstotliwości (wzorzec cezowy, maserowy, rubidowy) lub z wykorzystaniem wzorcowych źródeł czasu (np. GPS).

Wpływ zakłóceń w sygnale mierzonym na wyniki pomiarów ma większe znaczenie przy pomiarach okresu i odstępu czasu (niż przy pomiarach częstotliwości) z uwagi na to, że impulsy otwierające i zamykające bramkę są formowane z przebiegu badanego. Poprawny pomiar wymaga prawidłowego usytuowania poziomu i szerokości okna wyzwalania. W licznikach uniwersalnych poziom wyzwalania jest zazwyczaj dobierany automatyczne, natomiast istnieje możliwość regulacji szerokości okna przez określenie większej (szersza histereza) lub mniejszej (węższa histereza) czułości w torze przetwarzania sygnałów wejściowych.


opis

opis

opis

opis

opis

opis

opis

opis

opis

opis

opis