Главная Измерительная установка - комплекс средств измерений



ции, как управление прибором, сбор информации о результатах измерений, обработка результатов измерений, выход на КОП и др., возлагаются на микропроцессорные средства вычислительной техники.

Классическим примером решения задачи автоматизации частотных измерений аппаратным методом является схема ЭСЧ непосредственного счта, приведенная на рис. 7.4, в которой функции управления возложены на формирующее устройство и формирователь времени счета, а функции обработки по-ступаюшей информации и отображения ее - на селектор и счетчик соответственно.

С расширением диапазона измеряемых частот (от 1000 МГц и выше) схема ЭСЧ непосредственного счета становится непригодной из-за ограниченных возможностей усиления частоты усилителем-формирователем, быстродействия временного селектора и первой декады счетчика импульсов. В связи с этим в ЭСЧ применяется преобразование частоты, а это приводит к необходимости определения в каждый момент времени частоты М, номера гармоники JV гетеродина, промежуточной частоты /„р и вычисления действительного значения измеряемой частоты по формуле

fx = MN + fnp. (7.87)

Автоматическое определение величин М, » /пр и решение уравнения (7.87) только аппаратными средствами, кроме определенных трудностей, приводит к значительному усложнению схемы ЭСЧ, поэтому для выполнения указанных операхщй стали применять микропроцессорные федсгва вычие-лительной техники.

Применение программного метода автоматизации измерений частоты ЭСЧ становится целесообразным также при использовании их в автоматизированных измерительных системах, так как в этом случае облегчается процесс управления работой прибора, снижаются затраты на математическое обеспечение АИС, упрощается вопрос совместимости ЭСЧ с АИС.

Действительно, в случае применения в АИС электронно-счетного частотомера без микропроцессорного контроллера (МПК) в памяти ЭВМ автоматизованной измерительной системы должна быть заложена логика работы многих узлов и блоков ЭСЧ (а у современных приборов их количество достигает 70 шт.), сами узлы и блоки должны иметь выход на КОП и обладать всеми видами совместимости с ним.

Если в ЭСЧ использовать МПК, то отпадает необходимость в управлении ЭВМ

узлами и блоками прибора, так как указанные функции берет на себя МПК (в соответствии с жесткой программой, заложенной в памяти МПК при выпуске прибора). Кроме того, в составе МПК, как правило, имеется интерфейс, позволяющий просто, удобно и экономически вьподно осуществлять связь, с одной стороны, прибора с КОП, а с другой - МПК с узлами и блоками прибора чфез КОП.

На рис. 7.62 приведена упрощенная структурная схема автоматического ЭСЧ с аппаратной и программной автоматизацией на диапазон частот до 40 ГГц, предназначенного для работы в составе АИС.

В схеме применен гетеродин с электронной перестройкой частоты, синхронизированной при помощи формирователя опорных частот и блока управления по кварцевому генератору.

Сигнал с частотой fx поступает на смеситель СМ I, на другой вход которого поступает сигнал частоты /гет от гетеродина. Сигнал промежуточной частоты /„рг поступает на УПЧ I и далее на смеситель СМ П, где смешивается с кварцованным сигналом /квя. Сигнал второй промежуточной частоты /при поступает на ШЧ и далее на счетчик. С выхода счетчика число импульсов, соответствующее значению частоты /прп, поступает на МПК и «записьшается» в его оперативном запоминающем устройстве ОЗУ.

Одновременно с УПЧ II сигнал частоты /прП поступает на детектор и далее на узкополосный усилитель и в решающее устройство, которое выдает команду блоку управления перестройкой частоты гетеродина на ее перестройку. Блок управления перестройкой частоты гетеродина осуществляет быструю ее перестройку с постоянной скоростью Ко, Гц/с

Моменту О настройки сигнала /прИ на середину полосы пропускания узкополосного усилителя соответствует сигнал на выходе СМ I частотой

/пр1 = /х-W/гет.

(7.88)

Соответственно на выходе СМ II (а следовательно, на выходе узкополосного усилителя и входе решающего устройства) получается сигнал частотой

/npn = /x-JVAerr-./™«. (7.89)

Через момент времени Г в результате настройки гетеродина со скоростью по зеркальному каналу на выходе СМ II получается сигнал частотой

/прП = /гетП-/х.

(7.90)



Гмпк

---1

fnpll

Формирователь опорных частот

Детектор

УПЧ И

fnpll

Счетчик

Узкополосный усилитель

Гетеродин


Блок управления гетеродином

Усилитель ФАПЧ


см 111

Формирователь

1+AF

Генератор смещенной частоты

Формиро-

ватель

Кварцевый генератор 5 МГц

Рис. 7.62. Структурная схема ЭСЧ с микропроцессорным контроллером

На выходе узкополосного усилителя получается сигнал частотой

/пр П = /кв « - (/х - -V/rex п). (7-91)

Подставляя в (7.91) значение /гет = = /гет11+ТКд, с учетом (7.89) получаем

/npll = JVrKo-/npn. (7.92)

Из (7.92) находим номер гармоники гетеродина:

;V = 2/npn/TFo, (7.93)

т. е. номер гармоники гетеродина обратно пропорционален временному интервалу Т (так как = const, а значения /прп являются одинаковыми при настройке гетеродина по прямому и зеркальному каналам). Ре-щающее устройство при работе ЭСЧ постоянно определяет интервалы времени Г, рещает уравнение (7.93) и передает значение N в МПК. Для этого в схеме прибора использован последовательный метод перестройки гетеродина по каждой гармонике до получения фиксированного интервала с запрограммированной длительностью. Кодирование интервала между двумя откликами

на выходе узкополосного усилителя и сравнение его с заранее выбранными интервалами производится в решающем устройстве, которое одновременно подсчитывает количество циклов перестройки гетеродина, начиная с первой гармоники.

При совпадении интервалов вырабатывается команда на реверс блоку управления перестройкой частоты гетеродина, и перестройка осуществляется в обратную сторону со скоростью, в 10 раз меньшей, но уже не во всем диапазоне, а только на величину 2/прП- При этом снова получаются два отклика на выходе узкополосного усилителя, но на расстоянии, в 10 раз большем. Это расстояние также сравнивается с запрограммированным, и при условии совпадения второй отклик останавливает перестройку гетеродина. В момент остановки срабатьшает ФАПЧ и происходит синхронизация гетеродина опорным сигншюм частотой 1 МГц, после чего гетеродин может принимать дискретные значения частоты, М, МГг;, где М - целое число.

Для определения числа М введен дополнительный канал преобразования, в котором



на смеситель СМ Ш подаются сигналы, МГц, с частотами М и 1 + AF. При смешении М-й гармоники частоты Ц- AF и частоты М на выходе смесителя получается сигнал частотой Л/AF, который поступает на счетчик числа М. Для получения частоты 1 + AF используется кварцованный сигнал, смещенный относительно основного на AF. Таким образом, на счетчик поступают MAF и AF. Счетчик в режиме измерения отношения частот измеряет отношение MAF/AF и в виде двоичного кода число М передает в МПК.

В итоге в МПК поступает информация в виде чисел М, N, /прп< в постоянном запоминающем устройстве МПК ранее было записано число, равное /кви-

Микропроцессорный контроллер обрабатывает юмерительную информацию по формуле

fx = MN + f„ + f„pii. 094)

Результат вычисления подается на дисплей, где высвечивается значение измеряемой величины.

Микропроцессорный контроллер в дан-

ной схеме прибора выполняет не только функции сбора, хранения, обработки измерительной информации, выход на КОП, но и функции управления. Центральный процессор (ЦП) микропроцессорного контроллера в определенной последовательности (в соответствии с зшюженной программой) опрашивает формирователь опорных частот, решающее устройство, оба счетчика прибора об их состоянии, выдает команды для запуска этих устройств, после обработки измерительной информации выдает команду на запуск индикатора дисплея.

Следует отметить, что в перспективе функции МПК могут быть расширеньь В частности, на него можно возложить функцию управления процессом самоконтроля ЭСЧ после каждого цикла измерений с выдачей отклонения в этот момент времени частоты кварцевого генератора от эталонной, заложенной в памяти МПК. В дальнейшем МПК может учитывать указанное отклонение для введения поправки в результат вычисления действительного значения измеряемой частоты. В этом случае точность измерения частоты ЭСЧ повысится.

РАЗДЕЛ ВОСЬМОЙ ИЗМЕРЕНИЕ ФАЗЫ

8.1. ОБЩИЕ СБВДЕНИЯ

К числу основных параметров электромагнитных колебаний, определяющих состояние колебательного процесса в заданный момент времени, относится фаза. Для гармонического колебания и = £/sin (<Dt-Кр) фаза Ф определяется аргументом синусоидальной функции, линейно зависящей от времени, т. е. Ф = rot + ф, где ф - начальная фаза. Если начальные фазы двух синусоидальных колебаний с частотой ю обозначить соответственно через ф, и то угол сдвига фаз будет равен ф1 - фг. Следовательно, на одинаковых частотах фазовый сдвиг является постоянной величиной и не зависит от момента отсчета.

Часто приходится рассматривать разность фаз гармонических колебаний при различных частотах = cos (го,t + ф,) и и, = = i;2COS(ro2t + Ф2), которая равна ф =(roi( +

+ Ф1) - (2t + Ф2) = («1 - «2) + (Ф1 - Фя)-При ш, = ГО2 = го разность фаз ф = ф, -

-Ф2-

Обозначив через ti и t2 моменты времени, когда переменное напряжение в обоих

случаях имеет одинаковую фазу, получим: rot, +ф, =ю12Ч-ф2; Ф = Ф1 - Фя = to(t2 - f,) = 2n(t2 - ti)/r,

или через угловые единицы

ф*" = 360(t2 - f,)/Г = 360Г,/Т,

где Т - период колебаний; Г, - интервал времени между моментами, когда колебания имеют одинаковую фазу.

Определение разности фаз можно распространить на два периодических сигнала сложной формы с одинаковыми периодами, если условно при одинаковых фазах сигналов напряжения в моменты перехода через нуль будут иметь одно направление, например из положительных значений в отрицательные.

Фазовый сдвиг измеряется в долях периода и выражается в дуговых или угловых единицах (радианах или градусах). Разность фаз между двумя гармоническими сигналами с равными частотами удобно изображается при помощи векторных диаграмм. Если ось



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 [97] 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168


0.0168