ДВУХШКАЛЬНЫЙ НОНИУСНЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕННЫХ ИНТЕРВАЛОВ Российский патент 1996 года по МПК G04F10/04 

Изобретение относится к электронному приборостроению и может быть использовано в современной технике: радиолокации, измерителях временных интервалов, фазометрах, частотомерах, цифровых вольтметрах и т.д.

Известен верньерный способ измерения временных интервалов с помощью временной шкалы, формируемой из частоты образцового кварцевого генератора и двух временных нониусных шкал, формируемых верньерными генераторами ударного возбуждения. Запуск верньерных генераторов ударного возбуждения осуществляется с помощью входных сигналов, между которыми измеряется временной интервал Т_х. Период выходных импульсов генератора образцовой частоты Т_о отличается от периодов выходных импульсов верньерных генераторов на относительно малую величину:
Δ Т_н=Т_вн-Т_о (1),
Δ Т_к=Т_вк-Т_о (2), где Т_вн период выходных импульсов верньерного генератора начала измерения Т_х;
Т_вк период выходных импульсов верньерного генератора конца измерения Т_х.

Измеряемый временной интервал Т_х разбивается на три временных отрезка: отрезок t_xн от первого входного стартового сигнала до следующего за ним импульса генератора образцовой частоты длительностью τ_o; отрезок Т_хо от данного первого импульса генератора образцовой частоты τ_o до последнего импульса генератора образцовой частоты τ_o, после которого следует второй входной столовый сигнал; отрезок t_xк от последнего импульса генератора образцовой частоты τ_o до второго входного столового сигнала [1]
В известном способе измерения временных интервалов временной отрезок Т_хо определяется методом прямого счета импульсов генератора образцовой частоты с периодом Т_о и умножения полученного числа N_o на период колебаний Т_о. Временные отрезки t_xн и t_xк определяются верньерным методом путем подсчета чисел импульсов n_вн и n_вк верньерных генераторов до их совпадения во временных с импульсами генератора образцовой частоты и умножения полученных чисел на величины Δ Т_х и Δ Т_к. Измеряемый интервал определяется по формуле:
Т_х=t_хн + Т_хо + t_xкn_вн ·Δ Т_н + N_oT_o +
+ n_вк · Δ Т_к. (3)
Точность измерения временных интервалов верньерного способа ограничивается временной и температурной нестабильностью частот верньерных генераторов разных знаков.

Цель изобретения повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в двухшкальном нониусном способе измерения временных интервалов стартовым импульсом запускают верньерный генератор начала счета измеряемого временного интервала и одновременно считают импульсы временной шкалы основного счета τ_o, а также подсчитывают импульсы верньерной шкалы начала счета τ_вн до момента совпадения во времени импульса этой шкалы с импульсом шкалы основного счета τ_o, стопорным импульсом запускают верньерный генератор конца счета измеряемого временного интервала и производят подсчет импульсов верньерной шкалы конца счета τ_вк до момента совпадения во времени импульса этой шкалы с импульсом шкалы основного счета τ_o. До прихода стартового импульса формируют постоянную нониусную шкалу из частоты образцового кварцевого генератора, период следования импульсов которой Т_н отличается от периода следования импульсов основной шкалы счета Т_о на определенную малую величину ΔТ в ту или другую сторону и считают импульсы основной шкалы счета с момента совпадения во времени импульса этой шкалы до первого импульса после прихода стартового импульса или до следующего совпадения. После запуска верньерного генератора начала счета считают импульсы шкалы основного счета, начиная со второго после стартового импульса и до момента совпадения во времени импульса этой шкалы с импульсом верньерной шкалы начала счета τ_вн, а также считают импульсы постоянной нониусной шкалы τ_н, начиная c соответствующего началу отсчета импульсов по основной шкале счета и до момента совпадения во времени импульса этой шкалы с импульсом верньерной шкалы начала счета. Далее считают импульсы верньерной шкалы начала счета до момента совпадения во времени импульса этой шкалы с импульсом постоянной нониусной шкалы, после этого считают импульсы основной шкалы счета τ_o с момента совпадения во времени импульса этой шкалы с импульсом постоянной нониусной шкалы τ_н до первого импульса после прихода стопового импульса или до следующего совпадения. После запуска верньерного генератора конца счета считают импульсы шкалы основного счета τ_o, начиная со второго после стопового импульса и до момента совпадения во времени импульса этой шкалы с импульсом верньерной шкалы конца счета τ_ок. Далее считают импульсы постоянной нониусной шкалы τ_н, начиная с соответствующего началу отсчета импульсов по основной шкале счета после стопового импульса и до момента совпадения во времени импульса этой шкалы с импульсом верньерной шкалы конца счета τ_вк, а также считают импульсы верньерной шкалы конца счета τ_вк, до момента совпадения во времени импульса этой шкалы с импульсом постоянной нониусной шкалы τ_н, а после чего рассчитывают длительность временного интервала Т_х по формуле.

Предлагаемый двухшкальный нониусный способ измерения временных интервалов отличается от прототипа тем, что формируют постоянную нониусную шкалу из частоты образцового кварцевого генератора, период следования импульсов которого Т_н отличается от периода следования импульсов основной шкалы счета Т_о на определенную, как угодно малую величину ΔТ, и считают импульсы основной шкалы счета τ_o с момента совпадения во времени импульса этой шкалы с импульсом постоянной нониусной шкалы τ_н до момента импульса после прихода стартового импульса. После запуска верньерного генератора начала счета считают импульсы шкалы основного счета τ_o, начиная со второго после стартового импульса, а также считают импульсы постоянной нониусной шкалы τ_н. Далее считают импульсы верньерной шкалы начала счета τ_вн, после этого считают импульсы основной шкалы счета с момента совпадения во времени импульса этой шкалы с импульсом нониусной шкалы до первого импульса после прихода стопового импульса, после запуска верньерного генератора конца счета считают импульсы шкалы основного счета τ_o, начиная со второго после стопового импульса, далее считают импульсы постоянной нониусной шкалы τ_н, а также считают импульсы верньерной шкалы конца счета τ_вк.

На фиг.1 представлены временные диаграммы измерения временного интервала для случая Т_о<Т_н<Т_в; на фиг.2 временные диаграммы измерения временного интервала для случая Т_о>Т_н> Т_в; на фиг.3 блок-схема устройства, реализующего предла- гаемый способ измерения временного интервала;
Устройство содержит генератор 1 образцовой частоты Т_о для формирования шкалы основного счета с периодом следования импульсов Т_одля формирования постоянной нониусной шкалы с периодом следования импульсов Т_н и для обеспечения работы схем измерения t_хн и t_хк, формирователь 2 входных сигналов Т_хн стартовый импульс и Т_хк стоповый импульс, между которыми измеряется временной интервал Т_х,формирователь 3 нониусной шкалы с периодом следования импульсов Т_н, формирователь 4 нониусной шкалы Т_вн, схему 5 измерения t_хн для измерения временного отрезка t_хн, формирователь 6 нониусной шкалы Т_вк, схему 7 измерения t_хк для измерения временного отрезка t_хк и схему измерения 8 и вычислительное устройство 9.

Способ измерения временного интервала реализуется следующим образом.

Для измерения временного отрезка t_хн подсчитывается число импульсов n_н шкалы основного счета от момента последнего совпадения импульсов этой шкалы длительностью τ_o и импульса постоянной нониусной шкалы длительностью τ_н перед стартовым импульсом Т_хн до первого импульса τ_oпосле стартового импульса (фиг. 1б), подсчитывается число импульсов N_оншкалы основного счета, начиная со второго после стартового импульса и до момента совпадения импульса шкалы основного счета и импульса верньерной шкалы τ_вн (фиг. 1б), подсчитывается число импульсов n_он верньерной шкалы τ_вн (фиг.1г), подсчитывается число импульсов N_нн нониусной шкалы, начиная со второго после стартового импульса и до момента совпадения импульса постоянной нониусной τ_н и верньерной τ_вн шкал (фиг.1в), подсчитывается число импульсов N_нн верньерной шкалы (фиг.1г).

По временной диаграмме на фиг.1 можно составить систему уравнений:
(4), где t_вн сдвиг во времени начала верньерной шкалы и начала отсчета числа импульсов N_нн по нониусной шкале;
t_нн сдвиг во времени начала отсчета числа импульсов N_нн по нониусной шкале и начала отсчета числа импульсов N_он по основной шкале.

Решая систему уравнений (4) получим:
t_хн (5)
Работа схемы измерения t_хн устройства (фиг.3). На вход схемы постоянно поступают импульсы τ_o и τ_н, с момента их совпадения во времени счетчиком схемы начинается подсчет импульсов τ_o, с поступлением с формирователя входных сигналов стартового импульса Т_хн счет импульсов τ_o прекращается и в счетчике фиксируется число n_н. Одновременно стоповый импульс Т_хн запускает верньерный генератор формирователя нониусной шкалы Т_вн, с выхода формирователя импульсы τ_вн поступают на вход схемы измерения t_хн и подсчитываются вторым счетчиком до момента совпадения одного из этих импульсов с импульсом τ_o, и в счетчике фиксируется число n_он, а в третьем счетчике в этот момент фиксируется число N_он импульсов τ_o. Одновременно со вторым счетчиком четвертый счетчик схемы измерения t_хн подсчитывает импульсы до момента совпадения одного из этих импульсов с импульсом τ_н, и в счетчике фиксируется число n_нн. В пятом счетчике в этот момент фиксируется число N_нн импульсов τ_н, из импульсов τ_вн,τ_o и τ_н, совпавших во времени, схемой измерения t_вх формируется импульс, который поступает на вход формирователя нониусной шкалы Т_вн и срывает работу верньерного генератора. Данные со счетчиков поступают в вычислительное устройство и по заданной программе вычисляется временной отрезок t_хн.

Временной отрезок Т_хо определяется методом прямого счета (фиг.1б):
T_xo=N_oT_o (6), где N_o число импульсов шкалы основного счета.

Работа схемы измерения Т_хо устройства (фиг.3). На вход схемы постоянно поступают импульсы τ_o, с поступлением на вход с формирователя входных импульсов стартового импульса Т_хн счетчик схемы измерения начинает подсчитывать импульсы τ_o, с поступлением на вход схемы стопового импульса Т_хк счет импульсов прекращается, и в счетчике фиксируется число N_o. Данные со счетчика поступают в вычислительное устройство.

Для измерения временного отрезка t_хк подсчитывается число импульсов n_к шкалы основного счета от момента последнего совпадения импульса этой шкалы длительностью τ_o и импульса постоянной нониусной шкалы τ_н перед стоповым импульсом Т_хк до последнего импульса шкалы основного счета τ_oперед стоповым импульсом Т_хк (фиг.1б), подсчитывается число импульсов N_ок шкалы основного счета, начиная со второго после стопового импульса и до момента совпадения импульса этой шкалы и импульса верньерной шкалы τ_вк (фиг.1б), подсчитывается число импульсов n_ок верньерной шкалы τ_вк(фиг.1д), подсчитывается число импульсов N_нк нониусной шкалы, начиная со второго после стопового импульса и до момента совпадения импульсов шкалы τ_н и верньерной шкалы τ_вк (фиг.1в), подсчитывается число импульсов n_нкверньерной шкалы (фиг.1д).

По временной диаграмме на фиг.1 можно составить систему уравнений:
(7) где t_вк сдвиг во времени начала верньерной шкалы и начала отсчета числа импульсов N_нк по нониусной шкале;
t_нк сдвиг во времени начала отсчета числа импульсов N_нк по нониусной шкале и начала отсчета числа N_ок по шкале основного счета.

Решая систему уравнений (7) получим:
t_хк (8)
Работа схемы измерения t_хк устройства (фиг.3). На вход схемы постоянно поступают импульсы τ_o и τ_н, с момента их совпадения во времени счетчиком схемы начинается подсчет импульсов τ_o, с поступлением с формирователя входных сигналов стопового импульса Т_хк счет импульсов τ_o прекращается и в счетчике фиксируется число n_к. Одновременно стоповый импульс Т_xк запускает верньерный генератор формирователя нониусной шкалы Т_вк. С выхода формирователя импульсы τ_вк поступают на вход схемы измерения t_хк и подсчитываются вторым счетчиком до момента совпадения одного из них с импульсом τ_o, и в счетчике фиксируется число n_ок, а в третьем счетчике в этот момент фиксируется число N_ок импульсов τ_o.

Одновременно со вторым счетчиком четвертый счетчик схемы измерения t_хк подсчитывает импульсы τ_вк до момента совпадения одного из этих импульсов с импульсом τ_н и в счетчике фиксируется число n_нк, а в пятом счетчике в этот момент фиксируется число N_нк импульсов τ_н, из импульсов τ_вк,τ_o и τ_н, совпавших во времени, схемой измерения t_хн формируется импульс, который поступает на вход формирователя нониусной шкалы Т_вк и срывает работу верньерного генератора.

Данные со счетчиков поступают в вычислительное устройство и по заданной программе вычисляется временной отрезок t_хк и измеряемый временной интервал Т_х.

Измеряемый временной интервал Т_х определяется по формуле:
T_x + N_oT_o+
+
(9)
В формулу (9) не входят величины периодов верньерных шкал Т_вн и Т_вк, чем и уменьшается погрешность изменения временного интервала Т_хдвухшкальным нониусным способом.

Если соотношение периодов временных шкал Т_о>Т_н>Т_в (фиг.2), то Т_хопределяется также по формуле (9).

Использование двухшкального нониусного способа измерения временных интервалов обеспечивает формирование постоянной нониусной шкалы из частоты образцового кварцевого генератора позволяет уменьшить дискретность счета Δ Т Т_н-Т_о (Δ Т= Т_о-Т_н) до какой угодно малой наперед заданной определенной величины и повысить точность измерения временных отрезков t_хн и t_хк, а значит, и временного интервала Т_х.

В формулу (9) входят величины периодов постоянной нониусной шкалы Т_н и шкалы основного счета Т_о, сформированные из частоты F_o, что приводит к уменьшению погрешности измерения за счет температурной нестабильности частоты.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения временных интервалов. Устройство для двухшкального нониусного способа измерения временных интервалов содержит генератор 1 образцовой частоты, формирователь 2 входных сигналов, формирователи нониусной шкалы 3, 4, 6, , схемы измерения 5, 7, 8, вычислительное устройство 9. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. ДВУХШКАЛЬНЫЙ НОНИУСНЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕННЫХ ИНТЕРВАЛОВ, заключающийся в том, что формируют постоянную нониусную шкалу из частоты образцового кварцевого генератора, период следования импульсов которой отличается от периода следования импульсов основной шкалы счета на определенную малую величину, считают импульсы временной шкалы основного счета с момента совпадения во времени импульса этой шкалы с импульсом постоянной нониусной шкалы и до первого импульса после прихода стартового импульса или до следующего совпадения этих импульсов, одновременно считают импульсы временной шкалы основного счета с момента совпадения импульса этой шкалы с импульсом постоянной нониусной шкалы и до первого импульса после прихода стопового импульса или до следующего совпадения этих импульсов, стартовым импульсом запускают верньерный генератор начала счета измеряемого временного интервала и считают импульсы верньерной шкалы начала счета начиная с второго, до момента совпадения во времени импульса этой шкалы с импульсом основной шкалы счета, одновременно считают импульсы основной шкалы счета, начиная с второго импульса после прихода стартового импульса и до момента совпадения импульса этой шкалы с импульсом верньерной шкалы начала счета, а также считают импульсы постоянной нониусной шкалы, начиная с соответствующего началу отсчета импульсов по основной шкале счета и до момента совпадения во времени импульса этой шкалы с импульсом верньерной шкалы начала счета, далее считают импульсы верньерной шкалы начала счета, начиная со второго до момента совпадения во времени импульса этой шкалы с импульсом постоянной нониусной шкалы, стоповым импульсом запускают верньерный генератор конца счета измеряемого временного интервала и считают импульсы верньерной шкалы конца счета, начиная с второго до момента совпадения во времени импульса этой шкалы с импульсом основной шкалы счета, одновременно считают импульсы основной шкалы счета, начиная с второго импульса после прихода стопового импульса и до момента совпадения во времени импульса этой шкалы с импульсом верньерной шкалы конца счета, а также считают импульсы постоянной нониусной шкалы, начиная с соответствующего началу отсчета импульсов по основной шкале счета и до момента совпадения во времени импульса этой шкалы с импульсом верньерной шкалы конца счета, далее считают импульсы верньерной шкалы конца счета, начиная с второго до момента совпадения во времени импульса этой шкалы с импульсом постоянной нониусной шкалы. 2. Способ по п.1, заключающийся в том, что измеряемый временной интервал T_х определяется суммой временных отрезков T_х о, t_х н, t_х к, причем длительность временного отрезка T_х о подсчитывается по формуле T_х о=NТ_о, отличающийся тем, что длительность временного отрезка t_х н подсчитывается по формуле

а длительность временного отрезка t_х к - по формуле

где T_х - измеряемый временной интервал;
T_о - период следования импульсов основной шкалы счета;
T_н - период следования импульсов постоянной нониусной шкалы;
N_н н - число импульсов постоянной нониусной шкалы начала счета;
n_н - число импульсов шкалы основного счета начала счета временного интервала T_х;
n_о н - число импульсов верньерной шкалы начала счета; N_о н - число импульсов шкалы основного счета;
N_он - число импульсов шкалы основного счета;
n_н и - число импульсов верньерной шкалы начала счета;
N_о - число импульсов шкалы основного счета при измерении временного отрезка T_х о;
n_о к - число импульсов верньерной шкалы конца счета;
N_н к - число импульсов постоянной нониусной шкалы конца счета;
n_к - число импульсов шкалы основного счета конца счета временного интервала T_х;
N_о к - число импульсов шкалы основного счета конца счета временного интервала T_х;
n_н к - число импульсов верньерной шкалы конца счета.