Измерение интервалов времени

ДОКЛАД

ПО ПРЕДМЕТУ «Вычислительные средства»

НА ТЕМУ «Измерение интервалов времени»

ВВЕДЕНИЕ

Решение многих научных и технических проблем связано с измерением интервалов времени, разделяющих два характерных момента какого-либо процесса.

Измерения интервалов времени необходимы при разработке и испытании всевозможных схем задержки и синхронизации, при исследовании цифровых систем, многоканальных систем с временным разделением каналов, применяемых в технике связи и радиотелеметрии, устройств телеуправления и автоматической коммутации, аппаратуры, используемой в ядерной физике, вычислительной технике и т. д. Подобные измерения особенно нужны в приборостроении, поскольку во многих случаях используемые в ней преобразования аналоговых величин в цифровой код осуществляются в результате промежуточного преобразования измеряемой физической величины в интервал времени.

Методы измерения интервалов времени разнообразны. К числу наиболее известных относятся методы дискретного счета (преобразования интервала времени в цифровой код), временных разверток, нулевой и совпадения.

ИЗМЕРЕНИЕ ИНТЕРВАЛОВ ВРЕМЕНИ

Процесс измерения интервалов времени можно осуществить многими методами.

Рассмотрим некоторые из них.

1) Метод последовательного счета [1]. Измерение заключается в сравнении измеряемого интервала времени ?t_x с дискретным интервалом, воспроизводящим единицу времени. Для этого измеряемый интервал ?t_x заполняется импульсами с известным образцовым периодом следования T_обр<<t_x, т. е. интервал преобразуется в отрезок периодической последовательности импульсов, число m которых, пропорциональное ?t_x, подсчитывается. Импульсы, заполняющие интервал ?t_x, принято называть счетными и обозначать период их следования T_сч. Таким образом, ?t_x = m ·T_сч.

Для аппаратурного осуществления описанного метода необходимы генератор счетных импульсов и счетчик, между которыми должна быть включена схема, открывающая счетчик на время ?t_x. Эту функцию выполняет временной селектор, представляющий собой логический элемент И (рисунок 1).

Счетные импульсы, непрерывно поступающие на вход 1 временного селектора, могут проходить в счетчик только тогда, когда на входе 2 селектора действует стробирующий импульс. Он формируется из исследуемого сигнала устройством, содержащимся в блоке формирования и управления. За время действия стробирующего импульса, длительность которого равна измеряемому интервалу ?t_x, счетчик считает импульсы генератора. Число импульсов, зафиксированное счетчиком и наблюдаемое с помощью цифрового отображающего устройства – дисплея, однозначно соответствует измеряемому интервалу ?t_x.

В измерительной технике импульс, вырезающий участок импульсной последовательности или задающий продолжительность счета, принято называть временными воротами.

Если период следования счетных импульсов генератора T_сч (частота следования F_сч), то за интервал ?t_x через временные ворота пройдет

m = ?t_x / T_сч = ?t_x · F_сч

импульсов и, следовательно, измеряемый интервал

?t_x = m · T_сч = m / F_сч

Измерения оказываются косвенными. Для получения прямого показания в приборах, построенных по схеме с жесткой логикой (без микропроцессора), частота следования импульсов выбрана равной F_сч = 10^k Гц, где k = 1; 2; 3… Тогда ?t_x = m · 10 ^-k с.

Таким же способом можно измерить и длительность прямоугольного импульса ?_и. В этом случае исследуемый импульс подается непосредственно на вход 2 селектора. Временные ворота получаются равными длительности ?_и.

Интервал времени можно преобразовать в пропорциональное число импульсов и с помощью генератора ударного возбуждения. Для этого на вход последнего нужно подать стробирующий импульс, длительность которого равна измеряемому интервалу времени, т. е. ?_стр = ?t_x. За время действия стробирующего импульса ?_стр генератор вырабатывает пакет импульсов, число p которых – однозначная функция частоты генерируемого сигнала и длительности стробирующего импульса: p = ?_стр · F.

Следовательно, ?t_x = p / F.

.

2) Измерение методом сравнения временных интервалов

Измеритель временных интервалов (ИВИ) предназначен для измерения временных интервалов периодических процессов микросекундного диапазона длительностей. В основу работы прибора положен компенсационный метод измерения временных интервалов. Измеряемый интервал сравнивается с известным; при этом известный временной интервал задается источником временных сдвигов (ИВС), а момент компенсации измеряемого временного интервала образцовым фиксируется с помощью осциллографического индикатора. Процесс измерения временных интервалов сводится к следующему: начало измеряемого интервала, подаваемого на вход системы вертикального отклонения индикатора, совмещают с визирной отметкой на экране ЭЛТ. Затем изменением задержки задержанного импульса ИВС, запускающего развертку индикатора, конец временного интервала совмещают с той же отметкой. Измеряемый интервал равен значению изменения задержки. Источник временных сдвигов позволяет получить два импульса с регулируемым временным сдвигом между ними: запускающий импульс – для запуска исследуемого устройства; задержанный импульс – для запуска ждущей развертки электронно-лучевого индикатора ИВИ. Принцип действия поясняется структурной схемой (рисунок 3).

Кварцевый генератор предназначен для создания опорной импульсной последовательности. Делитель частоты вырабатывает импульсы, определяющие период следования выходных импульсов. С помощью блоков переменной задержки ? и ?? осуществляется задержка дискретно через 100 нс запускающего и задержанного импульсов в диапазонах соответственно 0 – 900 нс и 0 – 999900 нс путем выбора нужных импульсов опорной последовательности 10 МГц. Переменная задержка предназначена для перекрытия диапазона временных сдвигов 0-100 нс задержанного импульса. Причем дискретные сдвиги по 10 нс создаются с помощью кабельной линии задержки, а сдвиги дискретно через 1 нс и плавно с помощью электронной схемы задержки. Селекторы предназначены для исключения нестабильности работы блоков переменной задержки ? и ??. Блоки взаимодействуют следующим образом. Период следования выходных импульсов после делителя определяет период следования выходных импульсов ИВС (запускающего и опорного). Этим импульсы открывают входы блоков задержки ? и ?? в каналах запускающего и задержанного импульсов, на которые подаются опорные импульсы. Блоки отсчитывают нужное количество импульсов, соответствующее установленной задержке, и открывают селекторы. Происходит выбор нужных опорных импульсов, которые в канале запускающего импульса поступают непосредственно на выходной формирователь, а в канале задержанного импульса – предварительно на электронную схему задержки (задержка ???). Описанный метод измерения временных интервалов реализован в измерителе И2-26, который обеспечивает измерение задержки между одинаковыми сигналами на одном уровне в диапазоне от 10·10^-9 до 10·10^-3 с.

3) Нониусный метод. Для измерения временных интервалов с субнаносекундным разрешением широко применяются нониусные измерители. Наиболее распространены комбинированные измерители, в которых временной интервал «грубо кодируется» импульсами опорного генератора, а интерполяция отрезков между границами интервала и фронтами импульсов опорного генератора производится нониусным методом. Для таких измерителей актуальна задача обеспечения точной стыковки основной и интерполирующей шкал, решаемая довольно сложными техническими приемами.

Эта проблема отсутствует при использовании «модифицированного» нониусного метода, в котором подсчет импульсов опорного генератора производится между моментами совпадения фаз опорного и нониусного сигналов. Его основное преимущество – значительное снижение погрешности ?_2..

Использование «модифицированного» нониусного метода существенного улучшает дифференциальную линейность, а также позволяет снизить требования к точности запуска нониусных генераторов, поскольку на точность измерения влияет разность задержек запуска, которая определяется при калибровке и учитывается при измерении.

На рисунке 3 показана структура быстродействующего нониусного измерителя, построенного на основе «модифицированного» метода. В состав прибора входят опорный генератор ОГ с частотой fо, два нониусных генератора НГ₁ и НГ₂ с коэффициентом K и частотами fн1 и fн2, нониусные счетчики НС₁ и НС₂, основной счетчик С₀, входное устройство ВУ, блок управления БУ, блок вычисления кодов БВК, регистр Р, буферное запоминающее устройство БЗУ, управляет измерителем персональная э. в. м.

Преобразователь работает в двух режимах – калибровки и измерения.

Входные сигналы Вх1 и Вх2, фронты которых отмечают границы временных интервалов, проходя через входное устройство, запускают нониусные генераторы НГ₁ и НГ₂. На выходах последних вырабатываются нониусные импульсы НИ1 и НИ2, которые подсчитываются нониусными счетчиками НС₁ и НС₂. В моменты совпадения фронтов опорного и нониусных сигналов в НГ₁ и НГ₂ вырабатываются сигналы С1 и С2 и прекращается выработка НИ1 и НИ2. Между моментами совпадения на выходе блока управления БУ вырабатываются импульсы НИ0 с частотой fо, которые подсчитываются счетчиком С₀.

По окончании преобразования в обоих нониусных генераторах по фронту сигнала ЗПРГ данные с выходов счетчиков записываются в Р, после чего производится вычисление в БВК.

После вычисления код результата L фиксируется на выходе БВК по фронту сигнала готовности результата Готов. Одновременно с вычислением производится сброс всех счетчиков и установка нониусных генераторов в исходное положение по сигналу Сброс, после чего прибор готов к следующему измерению. По сигналу ЗПЗУ код с выхода БВК фиксируется в БЗУ, которое может работать в двух режимах – инкрементном и режиме фиксации. В первом режиме осуществляется формирование гистограммы временных интервалов, во втором – регистрация до 4096 мгновенных значений временных интервалов.

В режиме калибровки, в котором определяются разности задержек нониусных генераторов, преобразователь работает аналогично. Отличие состоит в том, что оба нониусных генератора запускаются от одного входного импульса. Результаты калибровки запоминаются, а затем учитываются при вычислении временных интервалов.

Нониусный генератор (рисунок 4) обеспечивает выработку нониусных импульсов НИi от момента запуска до момента совпадения передних фронтов опорного (ОГ) и нониусного сигналов, а также выработку сигналов совпадения Сi в момент окончания преобразования.

При отсутствии запускающих сигналов подстраиваемый генератор вырабатывает сигнал с частотой fн в соответствии с формулой (2). Частота fн стабилизируется с помощью системы автоподстройки частоты (ф. а. п. ч.) по известным методам. Совпадение фронтов опорного и нониусного сигналов фиксируется в смесителе.

В этот момент на выходе смесителя сигнал переходит из нулевого состояния в единичное, в результате чего триггер совпадения переходит в нулевое состояние, и на выходе Сi вырабатывается сигнал, свидетельствующий об окончании преобразования. На выходе НИi вырабатываются нониусные импульсы от момента запуска до момента совпадения фронтов опорного и нониусного сигналов.

Основные отличия этих схем состоят в следующем:

- смеситель построен на двух D – триггерах, что позволяет использовать серийно выпускаемые микросхемы;

- в начальный момент смеситель (M_4-1 и M_4-2) и триггер совпадения (элемент M_5-1) устанавливаются в единичное состояние, что позволяет несколько упростить схему;

- используется фазовый детектор с релейной характеристикой, что позволяет реализовать его на D - триггере.

Использование фазового детектора с релейной характеристикой несколько сужает полосу захвата системы ф. а. п. ч., поэтому в схеме генератора предусмотрен режим поиска, который осуществляется следующим образом.

Опорное напряжение выбирается из соотношения:

(U₁ – U₀)/2 < Uоп< U₁,

где U₁ и U₀ - напряжения логической единицы и логического нуля. Если частота fн находится вне полосы захвата, то напряжение на выходе фильтра медленно уменьшается. При начальном включении сигналом Поиск устанавливается максимальное напряжение, по окончании сигнала вследствие медленного уменьшения напряжения частота fн стремится к номинальному значению. При попадании fн в полосу захвата уменьшение прекращается и система ф. а. п. ч. переходит в режим удержания.

Цифровые микросхемы эмиттерно-связной логики (ЭСЛ) имеют наибольшее быстродействие, достигшие в настоящее время субнаносекундного диапазона. Особенность ЭСЛ в том, что схема логического элемента строится на основе интегрального дифференциального усилителя (ДУ), транзисторы которого могут переключать ток и при этом никогда не попадают в режим насыщения.

Быстродействующий нониусный измеритель временных интервалов выполнен на цифровых логических элементах, за исключением операционных усилителей, и не требует тщательной настройки. Входное устройство, нониусные генераторы выполнены на элементах серии К500. Пятиразрядные счетчики на микросхемах серии К561ИЕ19. В качестве счетчика на восемь разрядов используем 14-разрядный двоичный счетчик-делитель с последовательным переносом, выполненный на микросхеме 564ИЕ16 (имеет два входа: счетный Т и установки нулей R и 12 выходов). Блок управления выполнен на микросхеме К500ЛП129, регистр Р – на элементах серии К1500ИР141, БВК – на элементах серии К1500, БЗУ на элементах серии К1500ЛП122, представляющие собой буферные вентили.

В состав нониусного генератора (рисунок 4) входят подстраиваемый генератор на микросхеме M₂, смеситель, содержащий два двухступенчатых D - триггера M_4-1 и M_4-2 , триггер совпадения M_5-1, схема запуска M_3-1 и M₁, фазовый детектор M_5-2, четырехразрядный счетчик M₆, логическая схема M₇, фильтр M₈. При этом М₁ – К500ЛМ102, М₂ – К500ЛМ101, М₃, М₅ – К500ТМ131, М₄ – К500ТМ231, М₆ – К500ЕИ136, М₇ – К500ЛМ105, М₈ – К140УД7; Д₁ – КВ104В, Д₂ – КД510А.

В реальной схеме измерения [1] непосредственно фиксируется число попавших во временные ворота счетных импульсов, а не число периодов их следования и поэтому, вообще говоря, округление может производиться в сторону как большего, так и меньшего значения. Максимальное значение абсолютной погрешности дискретности (при правильно выбранной схеме стробирования) составляет плюс-минус один период следования счетных импульсов T_сч. Это иллюстрирует рисунок 2, на котором отражены две экстремальные ситуации.

а) б)

Если равенство (1) выполняется точно, то это означает, что измеряемый интервал ?t_x точно «вырезает» m периодов следования счетных импульсов (для данного примера m = 5). В случае, показанном на рисунке 6,а, когда ?t_x? ? ?t_x, но ?t_x? чуть больше ?t_x, т. е. интервал ?t_x? практически равен m периодам T_сч, счетчик сосчитает m? = m + 1 = 6 импульсов. При этом значение ?t_x? измеряемого интервала времени определится из соотношения ?t_x? = m? · T_сч и показание прибора будет А_п? = (m + 1) · T_сч. Если принять ?t_x = m · T_сч за действительное значение, то абсолютная погрешность дискретности составит

А_п? – ?t_x = (m + 1) · T_сч – m · T_сч = + T_сч .

Аналогично рассуждая для ситуации, показанной на рисунке 6,б, когда ?t_x?? ? ?t_x, но ?t_x?? чуть меньше ?t_x, получаем, что хотя интервал ?t_x?? практически равен mT_сч, счетчик сосчитает m? = m - 1 = 4 импульса. Тогда интервал ?t_x??= m?·T_сч, показание прибора будет А_п?? = (m - 1) · T_сч и абсолютная погрешность дискретности составит

А_п?? – ?t_x = (m - 1) · T_сч – m · T_сч = - T_сч .

Таким образом, максимальное значение абсолютной погрешности дискретности при измерении интервалов времени

?_Д = ± T_сч.

Абсолютная погрешность дискретности не зависит от значения измеряемого интервала времени: она определяется единицей дискретизации, т. е. T_сч. Наибольшая относительная погрешность дискретизации составляет:

?_Д = ±(T_сч / ?t_x) = ± 1/ m

и, конечно, зависит от значения ?t_x.

Максимальная абсолютная погрешность дискретности ?_Д=T_сч определяет разрешающую способность цифрового измерителя интервалов времени.

Предел абсолютной допускаемой основной погрешности цифрового измерителя интервалов времени:

?_пред = ± [?_кв ·?t_x + ?_зап · ?t_x + T_сч] = ± [?_кв ·?t_x + ?_зап · ?t_x +1/ F_сч],

где ?_кв – относительная нестабильность частоты напряжения кварцевого генератора; ?t_x – измеряемый интервал; T_сч – период следования счетных импульсов; ?_зап – среднеквадратическая относительная погрешность запуска.

Соответственно, предел допускаемой основной относительной погрешности, выраженной в процентах от измеряемого значения ?t_x:

?_пред = ± 100(?_кв + ?_зап +1/m),

где m – число счетных импульсов, заполняющих интервал времени ?t_x.

Из приведенных формул следует, что измерения малых интервалов времени могут сопровождаться значительными погрешностями дискретности. Ее можно уменьшить несколькими способами. Наиболее распространённый способ, называемый интерполяцией, состоит в том, что помимо целого числа периодов счетных импульсов, заполняющих измеряемый интервал времени, учитываются и дробные части периода, заключенные между опорным импульсом и первым счетным импульсом, а также между последним счетным импульсом и интервальным. Принцип осуществления этого способа иллюстрирует рисунок 7.

На рисунке показаны опорный и интервальный импульсы, задающие измеряемый интервал ?t_x, на рисунке 3,б – счетные импульсы, следующие с периодом T_сч (частотой F_сч). Эти импульсы заполняют временные ворота ?t_x. Число импульсов m_o. Первый счетный импульс, попавший в ворота, запаздывает относительно их фронта на время ?t₁, а срез ворот и очередной счетный импульс, появляющийся после среза, разделяет интервал ?t₂. Следовательно, измеряемый интервал времени определяется соотношением

?t_x = m_о · T_сч + ?t₁ – ?t₂.

Поэтому если бы удалось точно учесть отрезки ?t₁ и ?t₂, то погрешность дискретности была бы исключена. Задача измерения интервалов ?t₁ и ?t₂ решается следующим образом.

За время ?t₁ линейно заряжается конденсатор, который затем разряжается в 1000 раз медленнее, т. е. время разряда составляет 1000 ?t₁. Этот интервал заполняется теми же счетными импульсами (период следования Т_сч), и подсчитывается их число m_1. Аналогичным образом «растягивается» отрезок ?t₂. Полученный интервал 1000?t₂ также заполняется счетными импульсами, число которых составляет m₁. Так как m₁ = 1000 ?t₁/ Т_сч и m₂ = 1000 ?t₂/ Т_сч, то подстановка значений ?t₁ = m₁ Т_сч /1000 и ?t₂ = m₂ Т_сч /1000 в (7) дает:

?t_х = Т_сч (1000· m_о + m₁ – m₂) / 1000 = (1000· m_о + m₁ – m₂) / 1000 ·F_сч.

Обозначим 1000· m_о - m₁ + m₂ = m и 1000 ·F_сч = F_сч? .

Тогда ?t_х = m /F_сч?.

Из полученного выражения видно, что интервал времени ?t_х измеряется с абсолютной погрешностью дискретности Т_сч? =Т_сч/1000, что равносильно заполнению его счетными импульсами с частотой, в 1000 раз большей F_сч. Теперь уже интервал времени ?t_х = 0,5 мкс при F_сч = 10 МГц будет измеряться с относительной погрешностью дискретности ? = 0,0002, т. е. 0,02%, а не 20%. Для получения такой точности при прямом способе измерения понадобились бы счетные импульсы с частотой следования 10 ГГц и счетчик с еще более высоким быстродействием.

---------------------------------------------------------------

• Мирский Г. Я. Электронные измерения: 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Радио и связь, 1986. – 440 с.: ил.

• А. С. № 97115273/28 RU 2127445 C1 кл. G04F10/04 / РФ Быстродействующий нониусный измеритель временных интервалов / Гурин Е. И., Дятлов Л. Е., Конов Н. Н., Назаров В. М. – опубликовано 10.03.1999

• А. С. № 97115273/28 RU 97115273 А кл. G04F10/04 / РФ Быстродействующий нониусный измеритель временных интервалов / Гурин Е. И., Дятлов Л. Е., Конов Н. Н., Назаров В. М. – опубликовано 20.04.1999