Измерители интервалов времени

 

Интервал времени, определенный в § 5.1 как время, истекшее между моментами двух событий, характеризует в общем случае рас­стояние по оси времени между двумя характерными моментами одного или разных процессов. Это могут быть период гармониче­ских или близких к ним сигналов, период повторения импульсов, длительность импульса и его фронтов, интервал времени между различными импульсами (например, основным и задержанным) и т. п. Поэтому в технике измерения интервалов времени приходится сталкиваться с задачами измерения как очень малых значений Δt_x (единицы пикосекунд), так и весьма больших (например, 10⁵ с). Кроме того, измеряемые интервалы времени могут быть как повто­ряющимися, так и однократными. Поэтому приборы подгруппы Ч лишь частично решают задачу измерения Δt_x, и необходимы спе­циализированные измерители интервалов времени (ИИВ), образу­ющие, как уже указывалось, вид И2 и называемые иногда хроно­метрами.

При измерении Δt_x, как и при измерении f_x, могут быть реализо­ваны методы прямого преобразования и сравнения. Однако если при измерении f_x метод прямого преобразования, реализуемый с по­мощью ЦЧ, является доминирующим, то при измерении Δt_xчасто используется и метод сравнения.

 

Измерение Δ t_x методом прямого преобразования

 

При измерении Δ t_x реализуются две модификации метода пря­мого преобразования: метод осциллографических разверток и ме­тод преобразования Δt_xв цифровой код. Метод осциллографических разверток будет рассмотрен в главе 7, а метод преобразования Δt_xв цифровой код уже рассмотрен в § 5.3.1 как один из режимов ра­боты ЦЧ. Одним из основных ограничений, препятствующих прямо­му применению ЦЧ в качестве ИИВ, является погрешность дискрет­ности, требующая для своей минимизации, согласно (5.9), выполне­ния соотношения Δt_x>> T₀. При повторяющихся интервалах это можно обеспечить за счет увеличения времени счета в 10™ раз и последующего усреднения результатов измерений. В случае же од­нократных интервалов этот путь неприемлем. Поэтому в ИИВ реализуются дополнительные методы расширения диапазона изме­ряемых At_x в сторону малых значений. Основными из них являют­ся стробоскопический (см.гл. 11) и нониусный.

Стробоскопический метод обеспечивает временное разрешение порядка пикосекунд. Нониусный метод заимствован из техники из­мерения линейных размеров и основан на сравнении абсолютных значений двух монотонных функций времени, скорости изменения которых отличаются на небольшую величину. Рассмотрим в качест­ве примера структурную схему ИИВ, показанную на рис. 5.7, кото­рая дополнена по сравнению с базовой схемой рис. 5.2 генератором нониусных импульсов (ГНИ), вторым селектором и нониусным счетчиком.

Опорный импульс Δt_x,сформированный ФУ1, запускает ГСчИ и открывает через триггер Т1 селектор 1. Начинается счет импульсов ГСчИ, следующих с периодом Т_о. Интервальный импульс Δt_x,сфор­мированный ФУ2, возвращает Т1 в исходное положение. Селектор 1 закрывается, и основной счетчик фиксирует число N, равное целому числу периодов Т_о. Кроме того, интервальный импульс запускает ГНИ и через Т2 открывает селектор 2. Начинается счет нониусных импульсов, которые, кроме того, вместе со счетными импульсами поступают на входы СС. Если период следования нониусных импульсов Г_н выбрать равным Т_н=α Т_о, где α <1, то с течением време­ни интервал между соседними импульсами счетной и нониусной по­следовательностей уменьшается и наступает момент совпадения их на входах СС. Схема срабатывает, и ее выходной импульс возвра­щает Т2 в исходное состояние. Селектор 2 закрывается, и нониусный

Рис. 5.7. Структурная схема ИИВ с нониусным счетчиком.

 

счетчик фиксирует число п. Благодаря связи ОУ с обоими счетчи­ками значение N фиксируется в старших разрядах ОУ, а п — в младших.

Описанный процесс наглядно поясняется временными диаграм­мами, приведенными на рис. 5.8. Видно, что погрешность дискрет­ности в данном примере равна 0,8 Т_о, и для ее устранения (опреде­ления дробной части Δt_x) потребовалось 9 нониусных импульсов, следующих с периодом Т_н=0,9 Т_о. Этому соответствует цена деле­ния нониуса С_н= (1 - 0,9) Т_о = 0,1 Т_о. Таким образом, в общем случае

Δt_x = NТ_о +(n - 1)С_н (5.10)

Рис. 5.8. Временные диаграммы, характеризующие работу ИИВ с нониусным счетчиком.

где (n - 1) - число интервалов между нониусными импульсами, определяемое дробной частью Δt_x, а С_н=(1- α)Т_o. Для десятичной системы счисления C_н=T_о/10^k , где k — число дополнительных деся­тичных разрядов, получаемых с помощью нониуса. Поэтому соотно­шение (5.10) может быть записано окончательно как

Δt_x =(N+(n-1)/10^k) (5.11)

Из (5.11) видно, что к параметрам импульсов ГНИ и ГСчИ должны предъявляться весьма жесткие требования. Если, например, k = 2, то С_н=0,01 Т_о и а=0,99. Нестабильность Т_о может привести при большом числе п к появлению ложных совпадений. Ложные совпадения могут появиться и при длительности импульсов ГНИ и ГСчИ больше Т_о /10^k.

 

Измерение Δt_xметодом сравнения

 

Для реализации метода сравнения необходимо иметь образцо­вую меру—источник временных сдвигов (ИВС) Δt_o, с которыми сравнивается измеряемое значение Δt_х. Наиболее распространен при измерении Δt _x нулевой метод, базирующийся на применении в качестве ИУ осциллографа. Таким образом, с помощью осциллографических разверток можно реализовать как метод прямого преоб­разования, так и метод сравнения. Ограничимся в связи с этим рассмотрением одного из распространенных вариантов построе­ния ИВС.

 

Рис. 5.9. Структурная схема ИВС.

Как видно из структурной схемы рис. 5.9, ИВС позволяет полу­чить два импульса с регулируемым временным сдвигом Δt_о между ними. Первым (запускающим) импульсом запускается исследуемое устройство, а вторым (задержанным) импульсом — ждущая развертка осциллографа. Оба импульса формируются из колебаний кварцевого генератора с помощью делителя частоты, трех блоков задержки и двух селекторов. Коэффициент деления определяет период следова­ния выходных импульсов ИВС. С помощью селектора 1 осуществ­ляется дискретная задержка первого импульса Δt_о, а с помощью селектора 2 - задержка второго импульса Δt_о. Задержка произво­дится путем выбора нужных импульсов из опорной последователь­ности импульсов генератора в соответствии с установленными значениями τ_з1, и τ_з2. Для дальнейшего уменьшения дискретности (например, до 1 не) и плавного изменения Δt_о в этих пределах предназначен третий блок задержки, имеющий τ_з3 = var.