Лекция №15. ИЗМЕРЕНИЕ ИНТЕРВАЛОВ ВРЕМЕНИ

Интервал времени ( ) – это время между моментами двух последовательных событий. Практически приходится измерять как очень малые (единицы пикосекунд), так и очень большие (сотни секунд) интервалы времени. Кроме того, интервалы времени могут быть не только повторяющимися, но и однократными.

Различают два основных способа измерения интервалов времени : 1) осциллографический; 2) цифровой.

Измерение с помощью осциллографа производится по осциллограмме исследуемого напряжения с использованием «линейной» развертки. Из-за нелинейности развертки, а также больших погрешностей отсчета начала и конца интервала общая погрешность измерения составляет единицы процентов. Погрешность измерения из-за нелинейности развертки можно исключить, применив цифровую приставку. При измерении оператор совмещает яркостные метки с характерными точками осциллограммы, после чего значение временного интервала считывается с цифрового отсчетного устройства приставки.

Измерение интервалов времени с помощью цифровых частотомеров. Серийные цифровые, частотомеры позволяют измерять интервалы времени в широких пределах. Так, например, частотомер Ч3-54 обеспечивает измерение от 10^-7 до 10^-5 с. Для этого в приборе (рисунок 42) предусмотрены устройства, формирующие опорный (старт) и интервальный (стоп) импульсы, которые фиксируют начало и конец измеряемого интервала времени . Выбор характерных точек на исследуемом напряжении осуществляется изменением уровней напряжений, подаваемых на формирующее устройство. В свою очередь, импульсы, воздействуя на устройство, управления, определяют время счета кратковременных импульсов, формируемых из напряжения образцового генератора.

Возможности применения цифровых частотомеров для измерения интервалов времени ограничены в основном из-за погрешности дискретности. Высокая точность имеет место лишь при условии . В случае повторяющихся интервалов погрешность может быть снижена увеличением в m раз времени счета импульсов. Для этого в приборах предусматривают делитель частоты. Однако и этот путь ограничен, а в случае однократных импульсов неприменим.

В измерителях интервалов времени применяют дополнительные способы расширения рабочего диапазона в сторону малых значений . Основным из них является нониусный. Этот способ позволяет снизить погрешность дискретности, которая становится недопустимо большой при измерении коротких (десятки наносекунд) интервалов времени. С этим приходится иметь дело, например, при измерении длительности фронта импульсных сигналов. Практическая реализация нониусного способа (рисунок 43) обеспечивает временное разрешение порядка десятых долей наносекунды.

Работу нониусного измерителя поясним на примере измерения интервала времени между двумя импульсами. Под воздействием входных сигналов и формирующие устройства прибора вырабатывают два импульса (опорный и интервальный), соответствующие началу и концу измеряемого интервала . Опорный импульс запускает основной генератор счетных импульсов (период T₀) и одновременно через триггер открывает селекторный каскад 1. С этого момента начинается счет импульсов основного генератора. Соответственно интервальный импульс, воздействуя на триггер, закрывает селекторный каскад 1, фиксируя тем самым целое число импульсов, поступивших на основной счетчик. Очевидно, что значение измеряемого интервала можно представить в виде

, (1)

где – погрешность.

Для исключения погрешности дискретности интервальный импульс одновременно с закрытием селекторного каскада 1 запускает генератор нониусных импульсов и открывает селекторный каскад 2. В результате начинается счет нониусных импульсов, которые вместе с основными счетными импульсами поступают на схему совпадений. Так как период следования нониусных импульсов выбран исходя из соотношения (обычно или 100), то спустя некоторое время произойдет совпадение импульсов нониусного и основного генераторов. При этом сработает схема совпадений, ее импульс «сброса» зафиксирует число импульсов , поступивших на нониусный счетчик, и вернет всю схему в исходное состояние. Зная число , погрешность дискретизации определяется из следующего соотношения:

. (2)

Следовательно, результат измерения интервала времени

. (3)

Показания счетчиков объединяют в отсчетном устройстве. При этом фиксируют в старших разрядах, а – в младших.

Погрешность измерения определяется длительностью нониусных и основных счетных импульсов, а также неполнотой их совпадения. Обычно нониусные и счетные импульсы формируют из синусоидального напряжения. Из-за случайных отклонений моментов формирования периоды счетных и нониусных импульсов флуктуируют относительно их средних значений. При большом числе это приводит к ложным совпадениям. Аналогичное влияние оказывает нестабильность начальной фазы генератора нониусных импульсов. Перечисленные факторы ограничивают предельную точность измерений.