Измерительные системы временных параметров

В качестве математической модели основного параметра электрической сети переменного тока принята синусоидальная функция u (или i) = U_m(или I_m) sin (w t +j). Частота w, период Т = 1 / w и угол сдвига фаз являются временными параметрами.

Фундаментом для частотно-временных измерений служит группа государственных стандартов частоты – высокоточных мер частоты и времени, объединяющая рубидиевый, цезиевый, водородный и кварцевый стандарты.

Привязку к ним практических измерений осуществляют при помощи приемников сигналов эталонных частот – меток времени.

Метки точного времени (МТВ) передаются регулярно каждый час по программам центрального радиовещания РФ и Республики Казахстан. Они задаются эталоном времени и частоты.

Сигналы МТВ состоят из шести прямоугольных радиоимпульсов, заполненных гармоническим сигналом частотой 1000 Гц. Длительность каждого радиоимпульса составляет 100 мс, период повторения – 1 с (см. рисунок 10.1, а).

В основу аппаратуры автоматического периодического допускового контроля АДК положено использование сигналов меток точного времени (МТВ).

а) б)
Рисунок 9.1 – Сигналы меток точного времени (а) и их примерная форма при использовании в аппаратуре АДК (б)

В аппаратуре АДК первый сигнал МТВ используется для запуска устройства формирования и для подачи команды начала контроля. Второй сигнал используется для контроля коэффициента гармоник, третий, четвертый и пятый сигналы – для контроля АЧХ тракта.

Для контроля АЧХ в сигналы МТВ автоматически подмешиваются сигналы дополнительных частот, уровень которых примерно на 20 дБ меньше уровня сигнала основной частоты 1000 Гц. В этом случае, хотя форма сигналов МТВ и искажается (см. рисунок 9.1,б), слуховое восприятие такого суммарного сигнала не существенно отличается от восприятия не преобразованных сигналов МТВ.

Современное измерение частоты электрических колебаний методом непосредственной оценки выполняется электронно-счетным методом (методом дискретного счета).

Принцип измерения неизвестной частоты виден из рисунка 10.2.

а) б)
Рисунок 9.2 – Упрощённая структурная схема измерения частоты (а) и
временная диаграмма импульсов (б)

Напряжение с неизвестной частотой преобразуется усилителем ограничителем УО (в сущности формирующим устройством ФУ) (см. рисунок 9.2,а) в короткие импульсы постоянной амплитуды с длительностью t_x = 1 / f _x, т.е. период этих импульсов такой же, как у исходного колебания. Электронный ключ ЭК в нормальном состоянии разомкнут. Только при поступлении прямоугольного импульса с длительностью Т_о (см. рисунок 10.2,б) значительно больше, чем t_x, ЭК замыкается и исходные импульсы числом N поступают на счётчик импульсов. На выходе будет зафиксировано N = Т_о / t_x, или N = Т_о f _x, т.е. неизвестная частота f _x пропорциональна числу импульсов, так как Т_о величина стабильная. Рассмотрим принцип получения стабильного интервала То.

Частота сигнала определятся количеством периодов за одну секунду. Следовательно, измерив число периодов в интервале времени, равном 1 с, можно определить частоту сигнала. На рисунке 10.3 показана подобная схема выполнения таких измерений .

Рисунок 10.3 – Схема для измерения частоты f_с

В данном случае интервал измерения То определён в 1 с. Он установлен делителем частоты. Делитель частоты – устройство, которое делит (уменьшает) частоту 1 МГц (или 10 МГц) образцового генератора счётных импульсов ГСИ (или тактового генератора).

Импульсы, которые считает счётчик есть по существу единичный код (см. рисунок 9.4)

Рисунок 9.4 – Последовательность импульсов – единичный код

Электронный ключ ЭК представляет логическую схему (см. рисунок 9.5,а), выполняющую логическую операцию конъюнкции (логического умножения) – И. На выходе схемы будет 1 тогда и только тогда, когда на её обоих входах присутствует 1. Как видно из рисунка 10.4,б, на выходе будет 1, когда на первом входе действует импульс 3.

а) б)

Рисунок 9.5 - Условное обозначение (а) и временные диаграммы
электронного ключа (временного селектора) (б)

На рисунке 9.6 показано каким образом импульсы ЭК заполняют установленный интервал Т (или Т_о).

Рисунок 9.6 – Временная диаграмма работы электронного ключа

Рассмотрим схемы измерения частотно-временных параметров гармонических сигналов (см. рисунок 9.7).

Рисунок 9.7 – Измерение временных параметров с применением
метода дискретного счёта (соответственно, сверху вниз: частота,
период, периода с усреднением

Во всех трёх схемах усилитель - ограничитель преобразует гармонический сигнал с измеряемой частотой ¦_х в импульсы, сдвинутые по времени на интервал t_х = 1/ ¦_х. Опорный генератор – генератор образцовых импульсов (счётных) с частотой ¦_о = 1 МГц. Делитель частоты ДЧ делит исходную частоту ¦_о в к раз, кратное 10 (10¹… 10⁷ ), т.е. тем самым увеличивает время счёта Т_о = Т_сч. Например, ¦_о = 1 МГц и к = 10² имеем частоту ¦_сч = 1×10⁶/ 10² = 10⁴ Гц и, соответственно, счётный период (интервал) Т_сч =1/ 10⁴ =10^-4= 100 мс. При ¦_х = 50 Гц или Т_х = 1/50 =0,02 с = 20 мс вентиль (ключ) открывается ДЧ на время Т_сч = 100 мс; за это время через вентиль на счётчик импульсов пройдёт число импульсов N =100 / 20 = 5 с периодом 20 мс, что по точности явно недостаточно. Относительная погрешность в процентах такого устройства составляет d_¦ = ±100 [d₀ + 1/ (¦_х Т_сч)],%, где d₀ = 10^-7…10^-9 – относительная погрешность установки частоты ГИ; ¦_х – частота измеряемого сигнала. Если принять допустимую относительную погрешность измерения частоты d_¦д = 0,1%, то нужно установить время счёта Т_сч³100/( d_¦д¦_х ) = 100/ (0,1×50) = 20 с.

Измерение периода – обратный процесс измерения частоты, поэтому в периодометре вентиль открывается преобразованными импульсами измерительного сигнала, сдвинутыми по времени на t_х. ДЧ вырабатывает импульсы, которые играют роль меток времени и имеют частоту заполнения интервала t_х ¦_з =¦₀/к. Например, при ¦₀ = 1 МГц и к=10³ имеем ¦_з = 10⁶ / 10³ Гц = 10³ имеем длительность меток времени t =1 / 10³ =10^-3 с. При измерении периода Тх = 0,02 с счётчик импульсов сосчитает число импульсов N =0,02 / 10^-3=20 импульсов.

Суммарная относительная погрешность измерения периода нормируется в процентах и определяется по формуле

δ_т = ± 100 [δ_кг + Т_о/Т_х].

Ориентировочно, погрешность равна δ_т = ± 100 10^-3 / 0,02 = 5 %.

Одним из основных параметров электрического гармонического колебания, определяющих состояние колебательного процесса в любой заданный момент времени, является фаза. Наряду с фазой одного колебания используется соотношение фаз двух колебаний. В этом случае используется понятие фазового сдвига. На рисунке 10.7 приведены схема и диаграммы, поясняющие принцип работы цифрового фазометра.

Цифровой фазометр (ЦФ) работает следующим образом.

Преобразователь Dφ ®Dt (разность фаз - время) из подаваемых на его входы синусоидальных сигналов u₁ (измеряемого) и u₂ (вспомогательного, опорного) формирует последовательность прямоугольных импульсов u₃ с фазовым сдвигом, имеющих длительность Dt и период повторения Т, равные соот-ветственно сдвигу фаз во времени и периоду повторения входных сигналов. Импульсы u₃, а также счётные импульсы u₄, вырабатываемые формирователем счётных импульсов и имеющие период повторения То, подают на входы временного селектора ВС. ВС открывают на время , равное длительности t импульсов u₃, и в течение этого интервала пропускает на вход счётчика импульсы u₄. На выходе селектора формируются пакеты импульсов u₅, следующие с периодом Т.

За один период исследуемых сигналов на счётчик поступит число импульсов, равное n = Dt / T_o. Фазовый сдвиг пропорционален числу счётных n импульсов, поступивших на счётчик, т.е.

φ =360⁰ n То / Т.

а)

б)

а – структурная схема; б – временные диаграммы

Рисунок 9.8 – Цифровой фазометр для измерения значении фазы