Автоматический контроль частоты преобразователей, определяе­мой значениями контролируемых параметров, осуществляется двумя способами. В допусковых системах контроля частота оценивается по критерию «норма — нет нормы» или «меньше — норма — больше». В более совершенных системах контроля с количественной оценкой параметров объекта в процессе контроля частоты формируется ее кодовый эквивалент, который впоследствии передается в запоми­нающее устройство ЦВМ или оценивается в цифровом сравниваю­щем устройстве.

Известны следующие основные методы контроля сигналов в ча­стотном диапазоне преобразователей:

1) контроль частоты на основе преобразования сигналов пере­менного тока в сигналы постоянного тока;

2) контроль частоты на принципе счета импульсов за эталонный интервал времени;

3) контроль частоты, основанный на заполнении периодов сле­дования импульсов контролируемой частоты импульсами эталонного высокочастотного генератора;

4) контроль частоты по сигналам гармонических биений;

5) контроль частоты путем синхронизации эталона и квантового датчика;

6) контроль частоты по сигналам импульсных биений.

Первый метод обладает низкой точностью и большим запазды­ванием из-за необходимости хорошей фильтрации сигнала на вы­ходе преобразователя.

Возможности метода счета импульсов контролируемой частоты за эталонный интервал времени хорошо известны [Л. И, 30]. Этот широко используемый на 'практике метод контроля обладает сравни­тельно низким быстродействием, что особенно наглядно проявляет­ся при контроле незначительных отклонений частоты квантовых преобразователей с высокой требуемой точностью. Пусть частота датчика равна 1 000 гц±0,01%, а частота эталонного генератора системы контроля равна 10 кгц. Методическая погрешность системы для надежной оценки ошибки, равной 0,01%, не должна превышать бея статистической обработки 0,001—0,003%. Примем в расчете Afx/fx равной 0,001% или 10-5. Полагая в первом приближении, что эталонный генератор абсолютно стабилен, найдем требуемое время контроля частоты }х:

. А/|»7Ух _ МО"4 __,А

к~ Afx 10-5 сеКу

так как методическая погрешность при счете импульсов контроли­руемой частоты прямо пропорциональна неточности измерения вре­менного интервала АпэТэ, где Апэ——'погрешность три счете им­пульсов эталонной частоты, Гэ=10-4 сек— период эталонной ча­стоты, и обратно пропорциональна времени контроля tK.

Нетрудно показать, что соответствующий двоичный счетчик должен. в этом случае состоять не менее чем из 17 триггеров. Дей­ствительно, число фиксируемых счетчиком импульсов равно:

N = - ф~= 10», (4-2)

Э

а объем двоичного счетчика определяется по округленному до це­лого значения логарифму N при основании 2.

Третий метод использовать для контроля при незначительных отклонениях частоты затруднительно. Если fx — 1 000 гц±0,01%, то длительность периода контролируемого напряжения будет равна 1 ООО мксек, а его допустимое изменение составит ±0,1 мксек. Эта ошибка должна быть оценена с погрешностью, не превышающей ±(0,01—0,03) мксек. Тогда частота эталонного генератора, опреде­ленная по этой погрешности, должна быть не менее 100 Мгц. По­добная частота, как указано выше, является нежелательной из-за сравнительно высокого быстродействия счетчика и слишком жестких требований к параметрам ключа на входе счетчика. Обычно этот метод применяется в системах контроля напряжений с промежуточ­ным преобразованием во временной интервал, где допустима мень­шая точность контроля, а сами интервалы могут быть выбраны бо­лее длительными.

Большее распространение на практике имеет метод контроля частоты, основанный на выделении сигнала разностной частоты и оценке его величины. Он известен как метод «нулевых биений». этому методу между собой сопоставляются сигналы близких частот, один из которых является эталонным, а второй — контролируемым. Можно также сравнивать между собой высшие гармонические со­ставляющие одного порядка, что позволяет придать системам кон­троля большую гибкость и универсальность.

Метод нулевых биений не имеет преимущества в быстродейст­вии перед изложенными выше методами, позволяющими произвести точную оценку частоты.

Принципиальные особенности метода синхронизации частот — высокое быстродействие и простота. Сущность этого метода доста­точно подробно описана в § 2-1. Использовать указанный метод удобно лишь в прецизионных измерителях малых угловых переме­щений.

Системы контроля частоты на принципе импульсных биений со­четают в себе достоинства дискретных допусковых систем контроля и высокое быстродействие, свойственное методу синхронизации ча­стот (Л. 30]. Разновидности этих систем позволяют оценить уровень отклонения параметров за время, недостижи-мое при использовании широко известного метода счета импульсов контролируемой частоты за определенный интервал времени.

В (Л. 30] показано, что для контроля прецизионных источников частоты со стабильностью порядка 0,01—0,001% и выше целесооб­разно использовать разновидность упомянутого выше метода кон­троля по величине периода сигнала биений. Для повышения быст­родействия в описываемой ниже схеме приняты меры к уменьшению длительности интервала наблюдения и одновременно исключены используемые в схемах, основанных на методе счета импульсов, сложные электронные счетчики. Принцип работы устройства состоит в автоматическом контроле интервала времени между двумя после­дующими совпадениями фронтов напряжений контролируемой и эта­лонной частоты. Совпадение фронтов контролируется по слиянию импульсных всплесков, соответствующих по времени исходным фронтам напряжений и получаемых посредством их дифференциро­вания. Время между двумя последующими совпадениями равно пе­риоду частоты биений. Для увеличения быстродействия можно по­высить частоту эталонного источника /э до 10—100 кгц и этим уменьшить время между последующими совпадениями фронтов.

Если на экране двухлучевого осциллографа наблюдать две по­следовательности импульсов с близкими периодами следования, то импульсы одной последовательности плавно смещаются относительно другой вправо или влево в зависимости от знака разности частот. При относительном движении имеются моменты времени, когда им­пульсы полностью совпадают; интервал времени между последую­щими совпадениями обратно пропорционален разности сравнивае­мых частот, а дополнительное и существенное увеличение скорости появления совпадений происходит при повышении частоты эта­лонного генератора.

Задание времени tK в схеме, построенной по этому методу (рис. 4-13), может производиться с невысокой точностью с помощью мультивибраторов, стабильность периода колебаний которых состав­ляет 5—10% при воздействии большого числа возмущений. Погреш­ность задания времени контроля сказывается лишь на точности из­мерения разности частот. Указанная выше стабильность периода ко­лебаний мультивибраторов легко достижима на практике.

В схеме в качестве эталонного источника частоты могут быть применены кварцевые генераторы, которые для диапазона частот от 10 до 100 кгц хорошо отработаны и обладают повышенными ста­бильностью и надежностью. Таким образом, при контролируемой частоте /ос = 1 ООО гц, частоте эталонного генератора /э=10 кгц и допустимой нестабильности частоты fx±0,1 гц, - или 0,01%, длитель-

ность интервала между совпадениями в соответствии с формулой (1-24) равна 1 сек. Для увеличения быстродействия здесь могут быть приняты дополнительные меры, например:

1. Предусмотрело устройство, выдающее сигнал «/ в норме», если длительность интервала времени от момента включения схемы контроля до первого совпадения между импульсами неизвестной и эталонной частот fx и /'э превышает для рассматриваемого приме­ра 1 сек. Это устройство представлено в схеме рис. 4-13 ждущим мультивибратором MBi.

2. Обеспечен автоматический сдвиг эталонной последовательно­сти импульсных всплесков /'э после первого совпадения дискретно на половину ее периода (см. график }"э). Это позволяет сократить в 2 раза время контроля, снизить требования к форме импульсов на входе схемы совпадения и устранить ложные импульсы на ее выходе, наблюдаемые кратковременно вслед за первым совпадением и объясняемые перекрытием импульсов до их полного расхождения. 94

Сдвиг импульсов в схеме осуществляется за счет того, что пос­ле образования первого совпадения вместо последовательности, соответствующей передним фронтам прямоугольных импульсов эта­лонного генератора, на схему совпадения подается последователь­ность, соответствующая задним фронтам его импульсов. Переклю­чение производится мультивибратором МВ2, имеющим длительность импульса, вдвое меньшую, чем у мультивибратора MB 1. Запуск мультивибратора МВ2 производится первым всплеском с выхода схемы совпадения.

Пусть в момент включения системы контроля срабатывает схе­ма совпадения, а одновременно с этим запускаются ждущие муль­тивибраторы. Первый из них MB і запускается программным устрой­ством, второй МВ2 — сигналом со схемы совпадения. Мультивибра­тор МВі открывает нормально закрытый (НЗ) ключ В3, соединяя выход схемы совпадения с входом мультивибратора МВ2, а мульти­вибратор МВ2 переключает нормально открытый (НО) ключ В и НЗ ключ Вч, после чего на вход схемы совпадения поступает по­следовательность всплесков эталонной частоты с фазовым сдвигом по отношению к исходной. Одновременно с этим открывается НЗ ключ Вь, подготавливающий к запуску ждущий мультивибратор МВ3, который запускается и сигнализирует о чрезмерном уходе ча­стоты, если второе совпадение фронтов напряжений произойдет раньше, чем закроется ключ £4.

Если частота находится в допуске, то второй импульс со схемы совпадения появится позже, чем закроется ключ В4. Тогда после возврата мультивибратора МВ2 в исходное состояние на выходе схемы появится сигнал «с/ в норме». Он будет продублирован при возврате в исходное состояние мультивибратора МВі. Информация об исправности проходит на выход схемы через НО ключи В5 и В6. В этом состоянии вентили находятся до тех пор, пока не запущен мультивибратор МВ3, сигнализирующий об отклонении частоты.

Схема правильно функционирует и в остальных случаях, т. е. когда:

1) в начале контроля запускается только мультивибратор МВи а затем появляется сигнал со схемы совпадения;

2) когда после включения схема совпадения не срабатывает вообще, т. е. частоты сравниваемых сигналов постоянны, а разность их фаз является отличной от нуля величиной.

В первом случае работа схемы протекает так же, как это по­яснено выше, т. е. сигнал с выхода схемы совпадения запускает второй мультивибратор, переключаются ключи Ві, В2, В4 и т. п. Во втором случае мультивибратор МВ2 не запускается вообще и сигнал «/ в норме» появляется при возврате первого мультивибра­тора в исходное состояние.

Принципиальная электрическая схема системы контроля часто­ты, построенная в соответствии с блок-схемой на рис. 4-13, показа­на на рис. 4-14[11]. Мультивибраторы МВі, МВ2, МВ3 здесь построены на триодах 7—Т6. Ключ В і представлен диодом Дз, который шун­тирует схему совпадения, образованную диодами Д4 и Дь, при за­пуске мультивибратора МВ2. Ключ В2 построен на диоде Д2, от­крытом в исходном состоянии второго мультивибратора и шунти­рующем по цепи С9Д2 вход мультивибратора МВ3 и выход триодов Тц и Т12. Ключ Вз построен на диоде Ди открывающемся в исход-

ном состоянии мультивибратора МВ. В' этом случае диод Д по цепи С2, Ди С4 и « + » источника питания шунтирует вход второго мультивибратора. При запуске первого мультивибратора диод Д закрывается и импульсы с выхода схемы совпадения на диодах Д4, Дъ могут запустить мультивибратор МВ2. Ключ В5 блок-схемы построен на триодах Т1 и Тв, ключ BQ — на триодах Г9 и Гю. В ис­ходном состоянии устройства триоды Г7 и Г9 открываются напря­жением, снимаемым с коллектора триода Т5 мультивибратора МВг при возврате в исходное состояние мультивибраторов МВі и МВ2 на резисторе R22 формируется импульс, соответствующий «/ в нор­ме» и передаваемый непосредственно на выход схемы. Сигнал «/ не 'В норме» снимается с коллектора триода Г6 мультивибратора МВ3, запускаемого после переключения мультивибратором МВ2 по­следовательностей импульсных всплесков /'э и /"э на входе схемы совпадения.

При использовании в качестве эталона генератора с частотой 100 кгц максимальное время контроля слагается из длительности импульсов мультивибраторов МВ і и МВ2 и составляет 0,15 сек, т. е. быстродействие устройства почти на два порядка превышает бы­стродействие схем, использующих метод контроля частоты по вели­чине периода частоты биений и обычный метод счета импульсов. Возможности используемых в устройстве высокочастотных транзи­сторов позволяют увеличить частоту следования импульсов эталон­ного генератора и при необходимости дополнительно повысить бы­стродействие системы контроля.

Невысокие требования, предъявляемые к параметрам используе­мых в схеме мультивибраторов, позволяют считать подобные систе­мы перспективными для автоматического контроля частоты кванто­вых и протонно-прецессионных преобразователей.