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. Процесс измерения интервалов времени можно осуществить многими методами. Рассмотрим некоторые из них.

1) Метод последовательного счета. Измерение заключается в сравнении измеряемого интервала времени Дtx с дискретным интервалом, воспроизводящим единицу времени. Для этого измеряемый интервал Дtx заполняется импульсами с известным образцовым периодом следования Tобр<

Для аппаратурного осуществления описанного метода необходимы генератор счетных импульсов и счетчик, между которыми должна быть включена схема, открывающая счетчик на время Дtx. 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 Дtx, счетчик считает импульсы генератора. Число импульсов, зафиксированное счетчиком и наблюдаемое с помощью цифрового отображающего устройства - дисплея, однозначно соответствует измеряемому интервалу Дtx.

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

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

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. фстр = Дtx. За время действия стробирующего импульса фстр генератор вырабатывает пакет импульсов, число p которых - однозначная функция частоты генерируемого сигнала и длительности стробирующего импульса: p = фстр · 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 Й и ЙЙ 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 Й и ЙЙ. 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 Й и ЙЙ 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 ЙЙЙ). 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..

Мирский Г. Я. Электронные измерения 4-е изд перераб. и доп. М. Радио и связь, 1986. 440 с. ил. А. С. 9711527328 RU 2127445 C1 кл. G04F1004 РФ Быстродействующий нониусный измеритель временных интервалов Гурин Е. И Дятлов Л. Е Конов Н. Н Назаров В. М. опубликовано 10.03.1999 А. С. 9711527328 RU 97115273 А кл. G04F1004 РФ

1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЯ ВРЕМЕННЫХ ИНТЕРВАЛОВ

1.1. Принцип действия измерителей

Временные интервалы могут задаваться различными способами, однако в радиоэлектронике они чаще всего задаются длительностью одного прямоугольного импульса или же ограничиваются короткими начальным и конечным (стартовым и стоповым), которые могут поступать на вход измерителя по одному или двум каналам. В связи с этим изменяется характер входного устройства, структурная же схема измерителя, как и метод измерения, практически одинаковы для всех случаев цифрового измерения интервалов времени. На рис. 1.1 показана структурная схема измерителя временных интервалов, ограниченных короткими импульсами начала и конца, поступающими на вход измерителя по двум каналам.

Интервал времени , заданный любым способом, разбивается на элементарные интервалы (кванты), образуемые с помощью высокостабильного генератора импульсов. Число этих элементарных интервалов подсчитывается счетчиком.

Таким образом, измеряемый интервал времени равен

(1.1)

где - период следования импульсов генератора стабильной частоты .

Результат измерения временного интервала получается с погрешностью, которая может быть определена на основании (1.1).

Предельное значение относительной погрешности равно

,

где – относительная погрешность дискретности;

Относительная погрешность, вызванная нестабильностью частоты генератора импульсов.

Так как , то погрешность дискретности составит

,

а предельное значение общей погрешности измерения интервала будет равно

(1.2)

Описанный метод измерения осуществляется с помощью измерителя, структурная схема которого показана на рис. 1.1.

Поступившим старт-импульсом триггер Т переводится в единичное состояние, что обусловливает открытие вентиля для прохождения импульсов от генератора стабильной частоты на счетчик СТ. Через время стоп-импульсом вентиль закрывается, доступ импульсов от на счетчик прекращается. Если старт- и стоп-имлульсы поступают по одному каналу, то они подаются на счетный вход триггера.

Если измеряемый интервал задан длительностью прямоугольного импульса, то последний поступает на специальное формирующее устройство, с помощью которого получаются короткие импульсы, ограничивающие временной интервал.

Используя формирующие устройства, можно с помощью измерителя временных интервалов измерять период электрических колебаний или период следования импульсов. В первом случае формирующее устройство должно преобразовать период колебаний в интервал времени, равный этому периоду и ограниченный двумя короткими импульсами. При этом формирующее устройство может явиться источником погрешности, вызванной нестабильностью уровня формирования интервала, равного периоду . При измерении периодов электрических колебаний в формирующем устройстве обычно имеется амплитудный дискриминатор (например, триггер Шмитта), с помощью которого период преобразуется в импульсы начала и конца интервала, равного . При наличии помех, в частности импульсных, возможно изменение момента срабатывания этого дискриминатора, что приведет к искажению длительности формируемого интервала . Полученная погрешность тем меньше, чем больше амплитуда исследуемого сигнала.

Как показано в , предельное значение погрешности, вызванной формирующим устройством из-за помех, искажающих уровень формирования, определяется выражением

,

где и - амплитуды помехи и сигнала соответственно.

При соотношении сигнал - помеха, равном 40 дБ, возможная погрешность может составить около 0,3%. При измерении периода следования импульсов погрешность обычно не учитывается. Вообще чем больше крутизна импульсов, ограничивающих измеряемый интервал, тем меньше погрешность из-за помех в формирующем устройстве.

С целью уменьшения погрешности дискретности при измерении периодов электрических колебаний, а также периодов следования импульсов производят измерение среднего из периодов. Это осуществляется путем счета импульсов образцовой частоты в течение периодов с последующим делением показаний счетчика на . Для этого в структурную схему измерителя добавляется счетчик числа периодов и устройство деления показаний на . Обычно число делают равным 1, 10, 100 и т. д. Поэтому деление осуществляется переносом запятой в показаниях счетчика. Понятно, что при этом емкость счетчика увеличивается также в раз.

При измерении среднего из периодов относительная погрешность измерения (предельная) составит :

а) для синусоидального сигнала

;

б) для импульсного сигнала при достаточной крутизне фронтов импульсов

,

где - число периодов, выбранных для усреднения;

Измеряемый период;

Частота заполняющих счетных импульсов;

Погрешность, вызванная нестабильностью формирующего устройства.

Погрешность дискретности, возникающая при измерении интервалов времени (а также периодов синусоидальных сигналов или следования импульсов) является следствием несовпадения импульсов генератора образцовой частоты и импульсов начала и конца интервала. Она равна ± 1 ( ), чему соответствует время . Для уменьшения этой погрешности применяют различные способы, один из которых заключается в принудительной синхронизации генератора образцовой частоты с импульсом начала интервала. На рис. 1.2 показана схема измерителя периодов электрических колебаний с синхронизацией генератора.

Пуск прибора производится с помощью одновибратора , служащего для формирования импульсов с необходимыми параметрами, и триггера . Формирующее устройство формирует импульсы одной полярности, соответствующие началу и концу измеряемого периода . Первым импульсом через открытый вентиль и триггер со счетным входом запускается генератор ударного возбуждения , и импульсы начинают поступать на счетчик . Импульсом конца периода триггер возвращается в исходное состояние, что приводит к запиранию вентиля и срыву генерации . Счетчик отсчитывает число импульсов , пропорциональное .

Обеспечить каким-либо способом синхронизацию с импульсом, конца интервала не представляется возможным.

Другим способом уменьшения погрешности дискретности при измерении интервалов времени является использование нониусной шкалы. Нониусные шкалы, образуемые импульсами дополнительных генераторов ударного возбуждения, дают возможность уменьшить погрешности, вызванные несовпадением начала и конца интервала с импульсами генератора образцовой частоты .

1.2. Пример расчета измерителя временных интервалов

Приступая к проектированию, разработчик должен иметь в качестве исходных следующие основные требования к измерителю временных интервалов:

1) диапазон измеряемых интервалов и ;

2) основная погрешность измерения или класс точности;

3) характеристика отсчетного устройства.

Кроме того, должно быть известно, как поступают па вход измерителя интервалы (однократно или повторяются с определенной частотой), а также как задаются или ограничиваются измеряемые интервалы.

Если интервалы задаются импульсами начала и конца, то должны быть указаны характеристики этих импульсов (амплитуда и полярность, длительность и крутизна переднего и заднего фронтов). Если интервал задан в виде прямоугольного импульса, то должны быть также заданы амплитуда, полярность и крутизна фронтов. При измерении периода электрических колебаний должна быть известна амплитуда этих колебаний. Должны быть также известны или заданы условия эксплуатации прибора. Могут быть также заданы его габариты и масса, источники питания и т.д. В задании может быть указана степень автоматизации прибора (выбор пределов измерения, выход на печатающее устройство и т. д.).

Пусть заданы:

1) диапазон измеряемых интервалов времени, задаваемых импульсами начала и конца интервала - 1 × 10 –3 до 10 с;

2) погрешность измерения - не более 0,1% от измеряемого интервала.

Результат измерения следует представить в десятичном коде с помощью цифрового отсчетного устройства.

В результате расчета мы должны получить необходимую частоту генератора импульсов , а также емкость десятичного счетчика и число знаков в цифровом отсчетном устройстве.

Посмотрим сначала, что получится, если диапазон временных интервалов не разбить на поддиапазоны (пределы). Частоту генератора можно получить, исходя из (1.2) и заданной допустимой погрешности.

При измерении не очень коротких интервалов времени (порядка нескольких миллисекунд и более) основной погрешностью является погрешность дискретности . Погрешность , обусловленную нестабильностью генератора, можно сделать малой (менее 1 × 10 –5), если генератор стабилизирован кварцем. Поэтому этой погрешностью во многих случаях можно пренебречь по сравнению с погрешностью дискретности. Если же погрешностью пренебречь нельзя, то можно принять с некоторым запасом =(0,5 ¸ 0,7) , где - допустимая погрешность, равная в нашем примере 0,1%. Так как наибольшая относительная погрешность дискретности имеет место при измерении самого короткого интервала времени, то мы должны обеспечить

,

откуда, приняв , будем иметь

Гц.

Полученное значение Гц является минимальной частотой, при которой погрешность измерения не выходит за пределы допустимой. Если нет ограничений по частоте сверху, например из-за недостаточного быстродействия первых ячеек счетчика или других элементов, то окончательно частота генератора может быть выбрана несколько большей. Правда, при этом увеличивается также емкость счетчика импульсов.

Число разрядов в счетчике определяется из заданной погрешности измерения, точнее из заданной погрешности дискретности. Для десятичного счетчика число разрядов (декад) равно

Имея в виду, что

,

а также приняв получим

,

т.е. для обеспечения заданной точности в счетчике и отсчетном устройстве должны иметься три полные и одна неполная декада. При измерении минимального интервала () на счетчик поступит 2000 импульсов. Однако при измерении наибольшего интервала , равного 10 с, на счетчик может поступить импульсов:

Для того чтобы записать это число, необходимо более 7 десятичных разрядов (декад).

Конечно, относительная погрешность дискретности при измерении больших интервалов будет меньше, чем при измерении малых интервалов. Однако не следует забывать, что общая погрешность измерения складывается из суммы погрешностей: методической (погрешности дискретности) и инструментальной. Инструментальная погрешность, в которую входит и другие возможные составляющие, от числа разрядов (уровней дискретизации) не зависит. Следовательно, увеличивая число разрядов, необходимого увеличения точности можно и не получить. Поэтому не имеет смысла увеличивать емкость счетчика, на что требуется дополнительное оборудование. Кроме того, при большом числе знаков в отсчетном устройстве создается иллюзия высокой точности, хотя на самом деле несколько последних цифр являются сомнительными.

Соображения, изложенные выше, являются причиной тому, что при измерении какой-либо величины, изменяющейся в широком диапазоне, последний для удобства отсчета разбивают на ряд поддиапазонов (пределов) с коэффициентом перекрытия, равным 10, хотя основанием для выбора числа пределов служит другой критерий - допустимое возрастание относительной погрешности к началу каждого поддиапазона.

Разобьем весь диапазон измеряемых интервалов на 4 предела с соответствующим делением частоты образцового генератора , как оказано в таблице.

Теперь в каждом диапазоне максимальное число импульсов, поступающих на счетчик, будет не более 2 × 10 4 . Следовательно, счетчик должен иметь четыре полные и одну неполную декады. Максимальное число, которое может быть установлено в отсчетном устройстве, будет равно 19999. Старшая (неполная) декада должна содержать только лишь один элемент с двумя устойчивыми состояниями («0» и «1»). ,

При проектировании измерителей временных интервалов, кроме генератора образцовой частоты, расчету подлежит также входное формирующее устройство. Остальные узлы и элементы обычно выбираются по их характеристикам с соответствующим согласованием параметров. Что же касается генератора образцовой частоты, то для его подробного расчета необходимо задать номинальную частоту и ее стабильность , а также амплитуду, форму и длительность выходных импульсов. Такой расчет можно произвести по известным методам .

В заключение следует отметить, что измерители временных интервалов редко выпускаются промышленностью в виде отдельных приборов. В целях более эффективного использования дорогостоящих узлов (например, кварцевого генератора) промышленность выпускает измерительные установки, которые при соответствующих переключениях могут использоваться как измерители частоты, периода, временных интервалов, длительности импульсов и т.д.

Существуют следующие методы электронного измерения интервалов времени по способу отображения информации:

Осциллографические;

Цифровые.

К цифровым методам измерения интервалов времени относятся:

Метод последовательного счёта;

Метод задержанных совпадений;

Нониусный метод;

Методы с промежуточным преобразованием.

Рассмотрим особенности каждого из перечисленных методов измерения.

Сущность метода последовательного счёта заключается в представлении измеряемого интервала ф изм в виде последовательности некоторого количества импульсов, следующих друг за другом с определённым интервалом времени ф о. По количеству импульсов этой последовательности, называемой квантующей, судят о длительности интервала. Количество импульсов квантующей последовательности является цифровым кодом интервала времени ф изм. На рисунке 1.1 приведена временная диаграмма при методе последовательного счёта.

Рисунок 1.1 - Временная диаграмма при методе последовательного счёта

а) импульсы квантующей последовательности;

б) импульсы определяющие начало и конец измеряемого интервала времени;

в) управляющий импульс;

г) импульсы на входе селектора

Устройство, реализующее этот метод, называют преобразователем последовательного счёта. Функциональная схема устройства приведена на рисунке 1.2. Алгоритм его работы следующий. На временной селектор поступают импульсы с генератора квантующей последовательности. Временной селектор управляется прямоугольным импульсом, длительность которого равна измеряемому интервалу ф изм. Управляющий импульс формируется блоком формирования.

Рисунок 1.2 - Функциональная схема преобразователя последовательного счёта

При наличии управляющего импульса через селектор проходят импульсы квантующей последовательности, которые затем регистрируются счетчиком.

Недостатком метода является недостаточная во многих случаях точность. Для повышения точности необходимо уменьшать промежуток ф о или каким-либо образом учитывать интервалы Дф 1 и Дф 2 . Уменьшение промежутка ф о требует повышения быстродействия пересчётных схем, что трудноосуществимо. Интервал Дф 1 можно свести к нулю, если выполнить синхронизацию импульсов квантующей последовательности стартовым импульсом. Для учёта интервала Дф 2 существуют различные методы.

Нониусный метод . Нониусный метод нашел широкое применение в технике измерения интервалов времени как в качестве средства уменьшения погрешности преобразователей последовательного счета, так и в качестве самостоятельного метода построения некоторых измерительных устройств.

На рисунке 1.3 приведена функциональная схема измерителя интервалов времени с нониусным методом уменьшения погрешности Дф 2 и с синхронизацией стартового импульса (Дф 1 =0).

Рисунок 1.3 - Функциональная схема измерителя временных интервалов по нониусному методу

Схема работает следующим образом. Импульсы с генератора квантующей последовательности поступают на входы схем совпадения и на вход делителя частоты. Делитель частоты формирует импульсы, синхронные с квантующей последовательностью и служащие для запуска исследуемых устройств. Одновременно импульсы делителя открывают схему совпадения, выходные импульсы которого регистрируются счетчиком грубого отсчета.

Генератор нониусных импульсов запускается стоповым импульсом. Генерируемые им импульсы с периодом

ф и = (n-1)/n,

где n - целое число, поступают на другой вход схемы совпадений и одновременно регистрируются счетчиком точного отсчета.

Через некоторый промежуток времени, зависящий от длительности участка ф 0 -Дф 2 , произойдет совпадение импульсов квантующей и нониусной последовательностей. Импульс схемы совпадения блокирует генератор нониусных импульсов. Очевидно, что количество импульсов, зарегистрированных счетчиком, пропорционально длительности участка ф 0 -Дф 2 .

Измеренный интервал ф изм можно выразить в виде

Ф изм =(N-N н) ф 0 + N н Дф н, (1.1)

где N - показания счетчика грубого отсчета;

N н - показания счетчика точного отсчета;

Дф н - шаг нониуса, равный ф 0 /n.

Таким образом, нониусный метод позволяет свести абсолютную погрешность измерений к величине ф 0 /n. При этом величина n может достигать достаточно больших значений (несколько десятков и даже сотен), что и обусловливает широкое распространение метода.

Использование нониусного метода при больших значениях n предъявляет к узлам схемы ряд требований, наиболее существенными из которых являются:

высокая стабильность частоты нониусной последовательности;

высокая стабильность параметров импульсов обеих последовательностей;

высокая разрешающая способность схем совпадений.

Существенным недостатком нониусного метода является неудобство отсчета результатов измерений по нескольким табло с последующими вычислениями.

К методам с промежуточным преобразованием относят метод преобразования время-амплитуда а также метод преобразования масштаба времени.

Метод преобразования время-амплитуда применяется для учёта участка Дф 2 в преобразователе последовательного счёта. На рисунке 1.4 приведена функциональная схема измерительного устройства.

Алгоритм работы устройства следующий. Импульсы квантующей последовательности с генератора поступают на первые входы схем совпадения 1 и 2, которые по вторым входам управляются триггером.

С приходом стартового импульса триггер опрокидывается, при этом открывается схема совпадения 2 и закрывается схема совпадения 1. Начинает работать схема грубого измерения времени, состоящая из схемы совпадения 2 и счетчика.

Рисунок 1.4 - Функциональная схема измерителя временного интервала по методу преобразования время-амплитуда

Стоповый импульс возвращает триггер в исходное положение, закрывается схема совпадения 2 и открывается схема совпадения 1. Стоповый импульс одновременно поступает на преобразователь время - амплитуда и запускает его. Первый импульс с выхода схемы совпадения 1 прекращает работу преобразователя. На выходе преобразователя при этом возникает импульс, амплитуда которого пропорциональна длительности интервала между двумя импульсами - стоповым и первым импульсом с выхода схемы совпадения 1, т. е. пропорционально участку Дф 2 . В качестве преобразователя время - амплитуда наиболее часто используется генератор линейного пилообразного напряжения, управляемый двумя импульсами - запускающим и останавливающим.

Далее импульс с выхода преобразователя поступает на вход n-канального амплитудного анализатора. В простейшем случае амплитудный анализатор может быть выполнен в виде n параллельно соединенных интегральных дискриминаторов с равноотстоящими друг от друга порогами дискриминации. В зависимости от амплитуды импульса на выходе преобразователя на выходе анализатора получится сигнал того или иного вида (вид сигнала зависит от типа используемого анализатора), несущий информацию о длительности интервала Дф 2 . Этот сигнал поступает на блок дешифрирования и индикации.

Метод преобразования масштаба времени состоит в том, что длительность измеряемого интервала ф изм преобразуется в импульс длительностью kф изм, которая измеряется с помощью преобразователя последовательного счета. Обычно преобразование масштаба времени осуществляется в два этапа. Первый из них заключается в преобразовании вида время-амплитуда, второй - в преобразовании вида амплитуда - время. На рисунке 1.5 приведена общая функциональная схема измерительного устройства. Стартовый и стоповый импульсы, интервал ф изм между которыми требуется измерить, поступают на преобразователь масштаба времени. Импульс на выходе преобразователя, имеющий длительность kф изм, управляет схемой совпадения, которая во время действия этого импульса пропускает квантующие импульсы с генератора на счетчик. Следовательно, генератор, схема совпадения и счетчик представляют собой преобразователь последовательного счета, с помощью которого осуществляется измерение интервала kф изм.

Рисунок 1.5 - Функциональная схема измерителя временного интервала по методу преобразования масштаба времени

Для измеряемого интервала можно записать

ф изм =Nф 0 /k,

где N - количество импульсов, зарегистрированных счетчиком.

Таким образом, рассматриваемый метод позволяет измерить малые интервалы времени, не прибегая к быстродействующим пересчетным схемам.

Погрешность метода преобразования масштаба времени определяется в основном значением и постоянством коэффициента преобразования k.

В данной статье было разработано устройство измерения временных интервалов. По заданию временной интервал может лежать в пределах 1мс- 32С.

Дляизмерения временного интервала между двумя событиями, необходимо измеряемыйинтервал «заполнить» импульсами, а затем сосчитать количество импульсов.

Применительнок микроконтроллеру это означает:

Поопределению события, соответествущего началу временного интервала, запустить«генератор», производящий последовательность импульсовопределеннойдлительности,

Организовать подсчет импульсов данной последовательности,

Пособытию, соответествущего концувременного интервала, остановить «генератор»,

-«выдать» значение количества импульсов в заданные порты,

-«обнулить» значение счетчика импульсов

Функциональная схема измерения временных интервалов

Описание алгоритма работы устройства.

В начале программы перечисляются все вектора прерываний этого процессора, первым прерываниемявляется вектор сброса (rjmp RESET ).

В этой подпрограммеинициализируются необходимые периферийные узлы микроконтроллера, а именно:

Порт А настраивается на вывод

Порт С настраивается на вывод

Порт D настраивается на ввод

Настраивается прерывание int 1 (прерывание по спаду импульса)

Настраивается прерывание int 0 (прерывание по фронту импульса)

Определяется вершина стека

Инициализирующая часть программы заканчивается командой SEI – разрешение работы прерываний

По пришествии фронта импульса (на выводе int 1(PD 3)), генерируется прерывание int 1, счетчик команд«уходит» их основного цикла в таблицу векторов прерываний на адрес $000 4, там находится команда перехода на обработчик прерывания EXT _ INT 1.

В подпрограмме обработки прерывания производитсянастройка таймера-счетчика Т0.

Таймеру задается число для сравнения (125), значениепредделителя (8), режим работы (сброс по совпадению). Это означает, что восемьтактов работы процессора значение в счетчике будет увеличиваться. Когда онодостигнет 125, (125*8=1000, при тактовой частоте в 1МГц, период тактовойчастоты достигнет 1 мкс, 1000 мкс - 1мсек) возникнет прерывание по совпадениюТ0. Таким образом, каждую 1мсек, Т0 будет вызывать прерывание. Командой reti , обработчик прерываниязаканчивается, счетчик команд возвращается в основной цикл (туда, где был допрерывания).

Каждую1мсекТ0 вызывет прерывание TIM0_COMP. Вэтом прерываниипроизводится однаоперация – увеличение регистровой пары Z на единицу. На этом прерывание изаканчивается.

По пришествии спада импульса(на выводе int0 (PD2)), генерируется прерывание int0. В этой подпрограммесодержимое индексного регистра Z копируется в порты (А и С), далее содержимое счетного регистра обнуляется.Следом останавливается таймер-счетчик Т0 (в управляющий регистр счетчиказаносится 0). На этом прерывание заканчивается.

Принципиальная электрическая схема

Как правило, в задачах управления необходимо обеспечивать режим реального времени, т.е. за определенный временной цикл контроллер должен обеспечить ввод входных сигналов, обработку и выдачу управляющих сигналов с ИМ.

Для максимальной разгрузки ЦПУ МК содержат таймеры, которые работают независимо от ЦПУ. Количество таймеров в контроллере 2-5.

запуск отдельных подзадач алгоритма управления, через требуемые интервалы времени ∆t, называемые метками реального времени;

формирование выходных управляющих сигналов требуемой длительности;

подсчет внешних импульсов, поступающих в контроллер;

формирование сигнала заданной частоты.

Все эти функции может выполнять и ЦПУ, но это приводило бы к его неэффективному использованию в системе. Ниже рассмотрим оба варианта.

Аппаратная реализация таймера. В основе таймера используется счетчик, в который поступают импульсы от генератора.

Нарис. показан таймер для формирования временного интервала.

ГТИ - генератор тактовых импульсов;

TF – сигнал завершения формирования временного интервала, продолжительность которого определяется частотой ГТИ и разрядностью счетчика.

Сигнал старт обеспечивает разрешение начала работы счетчика. Если счетчик 8-разрядный, то максимальный интервал при частоте ГТИ в 1МГц равен: TF = 1мкс * 2 8 = 256 мкс. Если требуется меньшая длительность, то необходимо вначале в счетчик загрузить константу.

Программная реализация таймера. Программное формирование временной задержки может быть реализовано при использовании любого регистра ЦПУ, например R2:

REP: DJNZ R2, REP ;программный цикл таймера

Временной интервал определяется как: T= 34* T DJNZ . Таким образом, константа 34 и время выполнения DJNZ R 2, REP определяет временной интервал. В этом случае ЦПУ выполняет функцию таймера, так как оно не может выполнять в этот момент другие команды. Рассмотрим пример формирования требуемой длительности импульса 40 мкс при условии, что T DJNZ = 5мкс.

REP: DJNZ R2, REP

Тема 9. Обработка прерываний в контроллере

В качестве сигналов прерывания, поступающих в контроллер прерывания, могут быть сигналы, формируемые модулями, входящими в контроллер (модуль таймера, последовательные и параллельные порты, АЦП и др.) и могут быть внешние сигналы, поступающие в контроллер из устройств, подключенных к нему. Первая группа сигналов называется – внутренними прерываниями, а вторая – внешними. Структурная схема контроллера прерываний приведена на рис.

IR 0 – IR n -1 - сигналы запросов прерываний, IR 0 – имеет высший приоритет;

IRR – регистр запросов прерываний. В этом регистре фиксируются поступившие запросы.

После поступления в КП одного или более запросов IR, КП выделяет самый приоритетный из них. Для назначения приоритетных запросов в КП имеется регистр приоритетов (IP).

IE – регистр разрешения запросов прерывания. Он позволяет временно запрещать поступление одного или более запросов IR. В некоторых контроллерах такие регистры обозначаются MR – маскирование.

После определения запроса с максимальным приоритетом контроллер прерывания формирует в ЦПУ сигнал прерывания INT. После получения сигнала прерывания INT ЦПУ завершает выполнение текущей команды, прерываемой программы и формирует сигнал подтверждения INTA. После получения INTA КП формирует команду вызова подпрограммы Call ADRi (i = 0… (n-1)). После этого она обрабатывается как обычная команда. Выполнение команды Call ADRi в ЦПУ обеспечит обращение соответствующему адресу памяти программ для вызова подпрограммы обработки запроса прерывания.

В базовом микроконтроллере MCS-51 имеется 5 входов запросов прерывания: два внешних (INT0, INT1) поступают через линии порта Р3 и три внутренних прерывания: TF0, TF1(от таймеров/счетчиков) и TI/RI – прерывание от последовательного адаптера.

С точки зрения приоритетов все 5 прерываний могут быть распределены только по двум уровням приоритетов (0 – высший приоритет и 1 – низший приоритет).

Имеется внутренняя схема, которая решает, как должны обрабатываться запросы с одним уровнем приоритета, пришедших одновременно:

Ранжирование приоритетов

Hi INT 0

Low TI/RI

Распределение областей РПП под определенные запросы прерываний показано на рис.

В резидентной памяти программ выделено 5 областей для каждого из 5 прерываний, каждая область - 8 байт для вектора прерывания. Таким образом, первые 43 байта программ имеют специальное назначение.

Подпрограммы обработки прерывания обязательно завершаются командой RETI, в соответствии с которой в программный счетчик из стека загружается адрес ранее сохраненный командой CALL, сохраненной в стеке, для возврата в прерванную программу. Команда RET также возвращает управление прерванной программе, но не снимает при этом блокировку прерываний.

Рис. Распределение прерываний