ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2007, № 2, с. 78-83
_ ЭЛЕКТРОНИКА
- И РАДИОТЕХНИКА
МИКРОПРОЦЕССОРНЫМ ПРЕЦИЗИОННЫМ ТРЕХКАНАЛЬНЫИ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ЧАСТОТОМЕР БЕЗ "МЕРТВОГО ВРЕМЕНИ"
© 2007 г. А. М. Гончаренко, В. А. Жмудь, А. А. Воевода*, С. А. Авилов
Институт лазерной физики СО РАН Россия, 630090, Новосибирск, просп. Акад. Лаврентьева, 13/3
E-mail: vadim@laser.nsc.ru *Новосибирский государственный технический университет Поступила в редакцию 05.06.2006 г. После доработки 03.07.2006 г.
Описан микропроцессорный частотомер без "мертвого времени". Приведены основные характеристики сигналов, полученные обработкой результатов измерений в реальном времени с помощью авторской программы FreqLab. По сочетанию характеристик - малой погрешности (10-9/Гизм), быстродействию (1 кГц), многоканальности (3 с перспективой до 6 ) и низкой себестоимости - новый частотомер выгодно отличается от аналогов.
PACS: 84.37.+q, 06.30.Ft, 07.50.-e, 39.90.+d, 84.30.Sk
Развитие лазерной метрологии требует повышения точности и быстродействия многоканальных частотомеров непрерывного действия, т.е. необходимы приборы, работающие без "мертвого времени" и без ограничения сверху на длительность измерительного интервала. Авторами разработан высокоскоростной трехканальный прецизионный частотомер, представляющий собой приставку к персональному компьютеру и программное обеспечение [1-5]. Частотомер предназначен для измерения частот от одного до трех входных сигналов гармонической или импульсной формы. Он работает совместно с персональным компьютером, обрабатывающим первичные данные, и использует внешний стандарт частоты (для обеспечения требуемой точности) или встро-
енный генератор (не метрологический режим). Измерение частоты осуществляется непрерывно во времени в «-канальном режиме (где п = 1, 2, 3). Относительная погрешность обратно пропорциональна времени усреднения с коэффициентом 10-9 с (но не меньше погрешности стандарта частоты, составляющей ~10-10).
Аппаратная часть частотомера выполнена на микросхеме "система на кристалле" Triscend CSoC с памятью на АШе1 АТ4900, как показано на рис. 1. В кристалл загружено программное обеспечение "Частотомер", представляющее собой описание связей отдельных элементов в соответствии с функциональной схемой, показанной на рис. 2. Без изменений аппаратной части количество каналов может быть увеличено до шести.
Рис. 1. Структура программно-аппаратной части частотомера и его взаимодействие с внешними устройствами - стандартом частоты и персональным компьютером.
Рис. 2. Упрощенная функциональная схема программного комплекса "Частотомер".
Оценка частоты Е^) осуществляется одновременно на всех возможных интервалах усреднения % ~ N ■ 10-3 с N - целое число), начиная от 1 мс до длительности эксперимента. Для N = 1 оценка формируется аппаратно, для N > 1 она вычисляется программно, но интервалы следуют без "мертвого времени", благодаря непрерывной работе счетчиков [1-4]. В результат входят лишь краевые погрешности начала и конца измерительного интервала т№ а погрешности определения промежуточных границ интервалов времени взаимно компенсируются. Поэтому ошибка определения частоты равна постоянной величине (статистической сумме погрешностей на начале и конце итогового измерительного интервала), деленной на увеличивающуюся величину длительности измерительного интервала. В итоге относительная погрешность падает пропорционально 1/% до тех пор, пока не достигнет погрешности применяемого эта-
лона частоты, т.е. до величины порядка 5 ~ 10 10, как показано на рис. 3.
В большинстве выпускаемых частотомеров (например, в Ч3-64) время усреднения ограничено аппаратно (чаще всего, до 100 с, реже до 1000 с). Значение на интервале большей длительности может быть вычислено лишь усреднением результатов на составляющих интервалах. Но поскольку между составляющими интервалами присутствует "мертвое время", необходимое для перезапуска частотомера, погрешность измерения на каждом таком интервале независима от погрешностей на соседних интервалах, поэтому осреднение результата дает снижение разброса значений
пропорционально 1А[тн (см. рис. 3).
В описываемом частотомере счетчики опрашиваются без остановки счета чаще, чем переполняются, недостающие старшие разряды реализуются программно, а ограниченная длина счет-
чиков позволяет осуществлять достаточно частый опрос счетчиков "на лету" (через каждую 1 мс). Время эксперимента ограничено лишь объемом памяти и может быть увеличено до времени бесперебойной работы компьютера (несколько суток).
Обработка результатов и отображение их на экране монитора осуществляются в темпе эксперимента (обновление результатов в цикле 1 мс). Это сделано для выявления ошибочных и нештатных измерений, например, неверной настройки стандарта частоты.
Погрешность определения начала и конца измерительных интервалов снижена до 1 нс за счет формирования импульса ошибки, его растяжки и измерения получаемой длительности в канале уточнения, как описано в [3, 4].
Аттестация стандартов частоты (включая лазерные) требует вычисления специальных показателей стабильности частот, называемых двух-выборочной дисперсией Аллена [6]:
52(2, т) = 2 ((уг + 1(т) -у(т))2>, (1)
где yi (т), yi + 1 (т) - средние значения частоты на смежных временных интервалах длительностью т секунд каждый, с нулевым "мертвым временем" тм = 0 между ними. Угловыми скобками обозначено статистическое среднее по ансамблю пар измерений, которое в эксперименте заменяется усреднением во времени. Получение последовательности отчетов yi (т), i = 0, ..., imax (где верхнее значение imax ограничено лишь длительностью эксперимента Тэ), позволяет вычислять оценку величины (1) до значений Vax = 0.5 i'max ■ 10-3 = Тэ/2.
Специальная программа FreqLab, работающая под Windows'98 и последующими модификациями, позволяет вычислять и отображать в реальном времени частоту в различных режимах, а также статистические характеристики частоты - гистограмму распределения частот по интервалам и дисперсию Аллена (1).
Частотомер обладает следующими характеристиками, подтвержденными аттестацией [2]: три канала измерения частоты или временного интервала (периода); программный выбор рабочего режима; диапазон измеряемых частот входного сигнала в частотном режиме 5 кГц-50 МГц, в режиме измерителя периода 1Гц-16 кГц; входной сигнал - TTL-уровень или гармонические колебания с амплитудой >0.5 В и шумом <50 мВ; скорость получения отсчетов - 1000 измерений/канал ■ с; погрешность определения времени фронта импульса (разрешение по времени) ~1 нс; "мертвое время" равно нулю; связь с компьютером через COM-порт RS-232; питание от источника +9 В - от адаптера сети 220 В х 50 Гц; входное сопротивление измерительных входов 50 Ом; преду-
смотрен программный выбор внешнего стандарта частоты 5 МГц или 10 МГц; программное обеспечение - авторская программа FreqLab - гарантирует все функции с применением среды Windows'98 на компьютере класса не ниже Рейшт-500 МГц.
Погрешность А/ измерения частоты / на интервале т [с] определяется соотношением А/ = 5/ ■ /., где
5/ = Л/^ог + - абсолютная погрешность, (2)
сог - абсолютная погрешность образцового генератора,
ссч = 10-9/т - абсолютная погрешность счета. (3)
В режиме измерения периода погрешность АТ измерения периода Тх на интервале т [с] определяется соотношением АТ = 5/' Тх. В случае применения режима измерений от внутреннего генератора величину сог при расчете следует принять равной 10-7.
Пользовательский интерфейс программы позволяет принять в реальном времени файл, получаемый во время измерений, а также просмотреть ранее полученные файлы в режиме, имитирующем получение данных в реальном времени.
Интерфейс имеет строчное меню, область графического отображения информации, управление масштабом шкалы, прокрутку по оси времени.
Предусмотрено три режима работы прибора: измерение частоты по одному, двум или трем каналам; измерение периода по одному каналу; измерение разности фаз по двум каналам.
Кроме того, можно установить следующие режимы работы для вычисления функций и отображения соответствующих графиков: а) осциллограф, б) самописец, в) спектр, г) функция Аллена (на коротких, средних или длинных интервалах) [5].
В режиме осциллографа программа FreqLab вычисляет и отображает на мониторе величину V = К1 ■ + К2 ■ ¥2 + К3 ■ Здесь - частота сигнала, поданного на]-й вход. Значение измеренной частоты V может быть представлено в реальном времени графически по всем трем каналам. Для каждого графика можно задать индивидуальные установки коэффициентов К1, К2, К3. Можно также наблюдать в реальном времени в трех масштабах три графика функции (вариации) Аллена одного и того же сигнала для выбранного канала. Вид экрана монитора при этом напоминает вид обычного осциллографа (рис. 4). Вертикальная линия на графике - это интерактивная линейка времени для чтения отдельных значений величины. В этом режиме временное "окно обзора" малое, как у осциллографа, что позволяет детально рассматривать высокочастотные изменения измеряемой величины (частоты, фазы).
Погрешность, Гц
Рис. 3. Сравнительные погрешности описываемого частотомера (1) и отечественного частотомера Ч3-64 (2).
В режиме самописца программа FreqLab рисует график в большом окне обзора (панорамное изображение).
В режиме спектра на графике можно наблюдать текущий спектр частотных девиаций (аналог быстрого преобразования Фурье).
В режиме вычисления функций Аллена отображается величина (1), причем пользователь может выбрать в меню один из трех вариантов сжа-
81
тия графика по оси времени, или все три, как показано на рис. 5.
В режиме измерения периода частотомер измеряет точное время прихода каждого импульса поступающей на вход частоты. В этом режиме работает только один измерительный канал.
В режиме измерения фазы может быть вычислена и отображена любая линейная комбинация фаз трех входных сигналов.
В режиме получения графического изображения гистограммы пользователь в отдельном окне получает трехмерную гистограмму распределения частот по интервалам (рис. 6). При этом весь диапазон измеренных ча
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.