ДВУХШКАЛЬНЫЙ НОНИУСНЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕННЫХ ИНТЕРВАЛОВ Российский патент 1997 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.п.

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 /1/. Запуск верньерных генераторов осуществляется с помощью входных сигналов, между которыми измеряется временной интервал T_х. Период входных импульсов генератора образцовой частоты T_o отличается от периодов выходных импульсов верньерных генераторов на относительно малую величину:

где: T_вн период выходных импульсов верньерного генератора начала измерения T_х;
T_вк период выходных импульсов верньерного генератора конца измерения T_х.

Измеряемый временной интервал T_х разбивается на три временных отрезка: отрезок t_хн от первого входного стартового сигнала до следующего за ним импульса генератора образцовой частоты длительностью τ_o отрезок T_хо от данного первого импульса τ_o до последнего импульса генератора образцовой частоты τ_o после которого следует второй входной стоповый сигнал, отрезок t_хк от последнего импульса о до второго входного стопового сигнала /1/.

В известном способе измерения временной отрезок T_хо определяется методом прямого счета импульсов генератора образцовой частоты с периодом T_о и умножением полученного числа N на период T_о. Временные отрезки t_нх и t_хк определяются верньерным методом путем подсчета чисел импульсов вн и вк верньерных генераторов до их совпадения во времени с импульсами генератора образцовой частоты и умножением полученных чисел на величины T_н и T_к. Измеряемый временной интервал определяется по формуле:
T_x=t_хн+T_хо+t_хк=n_вн•ΔT_н+N•T_o+n_вк•ΔT_к. (3)
Точность измерений верньерного способа ограничивается временной и температурной нестабильностью частот верньерных генераторов разных частот.

Цель изобретения повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в двухшкальном нониусном способе измерения временных интервалов формируют постоянную нониусную шкалу из частоты образцового кварцованного 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 прихода стартового импульса до момента совпадения во времени импульса этой шкалы с импульсом постоянной нониусной шкалы, одновременно считают импульсы постоянной нониусной шкалы с момента прихода стартового импульса до момента совпадения во времени импульса этой шкалы с импульсом основной шкалы счета, стартовым импульсом запускают верньерный генератор начала счета измеряемого временного интервала и считают импульсы верньерной шкалы начала счета до момента совпадения импульса этой шкалы с импульсом основной шкалы счета, одновременно считают импульсы основной шкалы счета с момента прихода стартового импульса 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, одновременно считают импульсы постоянной нониусной шкалы с момента прихода стартового импульса до момента совпадения во времени импульса этой шкалы с импульсом верньерной шкалы начала счета, стоповым импульсом запускают верньерный генератор конца счета измеряемого временного интервала и считают импульсы верньерной шкалы конца счета до момента совпадения во времени импульса этой шкалы с импульсом основной шкалы счета, одновременно считают импульсы основной шкалы счета с момента прихода стопового импульса до момента совпадения импульса этой шкалы с импульсом верньерной шкалы конца счета, а также считают импульсы верньерной шкалы конца счета до момента совпадения импульса этой шкалы с импульсом постоянной нониусной шкалы, одновременно считают импульсы постоянной нониусной шкалы с момента прихода стопового импульса до момента совпадения во времени импульса этой шкалы с импульсом верньерной шкалы конца счета, считают импульсы шкалы основного счета с момента прихода стопового импульса до момента совпадения во времени импульса этой шкалы с импульсом постоянной нониусной шкалы, одновременно считают импульсы постоянной нониусной шкалы с момента прихода стопового импульса до момента совпадения во времени импульса этой шкалы с импульсом основной шкалы счета, после чего рассчитывают длительность T_х временного интервала T_x(t_хн + T_хо -t_хн), причем длительность временного отрезка t_хн определяют по формуле:

а длительность временного отрезка t_хк по формуле:

где: T_o период следования импульсов основной шкалы счета;
T_н период следования импульсов постоянной нониусной шкалы;
N_нн число импульсов постоянной нониусной шкалы начала счета при измерении временного отрезка t_хн;
N_н число импульсов постоянной нониусной шкалы начала счета;
n_нн число импульсов верньерной шкалы начала счета;
n_он число импульсов верньерной шкалы начала счета;
N_он число импульсов шкалы основного счета начала счета;
N число импульсов шкалы основного счета при измерении временного отрезка T_хо;
N_нк число импульсов постоянной нониусной шкалы конца счета при измерении временного отрезка t_хк;
n_нк число импульсов верньерной шкалы конца счета;
n_ок число импульсов верньерной шкалы конца счета;
N_ок число импульсов шкалы основного счета конца счета;
n_o число импульсов шкалы основного счета конца счета.

Двушкальный нониусный способ измерения временных интервалов отличается от прототипа тем, что формируют постоянную нониусную шкалу из частоты образцового кварцевого генератора, период T_н следования импульсов которого отличается от периода T_о следования импульсов основной шкалы счета на определенную как угодно малую величину ΔT и одновременно считают импульсы основной шкалы счета τ_o и импульсы постоянной нониусной шкалы τ_н с момента прихода стартового или стопового импульса до момента совпадения импульсов τ_o и τ_н во времени, стартовым и стоповым импульсами запускают верньерные генераторы начала и конца счета соответственно и одновременно считают импульсы верньерного генератора начала счета τ_вн и τ_o и τ_н с момента прихода стартового импульса до момента совпадения во времени импульса τ_вн с импульсами τ_o и τ_н а также одновременно считают импульсы верньерной шкалы конца счета τ_вк и импульсы τ_o и τ_н с момента прихода столового импульса до момента совпадения во времени импульса τ_вк с импульсами τ_o и τ_н а далее измеряемый временной интервал T_х рассчитывается по приведенной выше формуле.

На фиг. 1 дана блок-схема устройства, реализующего способ измерения временных интервалов; на фиг. 2 временные диаграммы измеряемого временного интервала при соотношении периодов T_о < T_н < T_в; на фиг. 3 временные диаграммы измерения временного интервала при соотношении периодов T_о > T_н > T_в.

Устройство содержит генератор 1 образцовой частоты F_о для формирования шкалы основного счета с периодом следования импульсов T_о, для формирования постоянной нониусной шкалы с периодом следования импульсов T_н и обеспечения работы схем измерения t_хн и t_хк, схему 2 измерения T_хо, формирователь 3 входных сигналов: T_хн стартовый импульс и T_хк стоповый импульс, между которыми измеряется временной интервал T_х, формирователь 4 постоянной нониусной шкалы с периодом следования импульсов T_н, формирователь 5 нониусной шкалы T_вн, схему 6 измерения t_хн временного отрезка t_хн, формирователь 7 нониусной шкалы T_вк, схему 8 измерения временного отрезка t_хк и вычислительный блок 9.

Способ измерения временных интервалов реализуется следующим образом.

Для измерения временного отрезка t_хн подсчитывают число импульсной основной шкалы счета N_о и постоянной нониусной шкалы N_н с момента прихода стартового импульса τ_хн до момента совпадения во времени этих импульсов (фиг. 20, в), стартовым импульсом хн запускается верньерный генератор начала счета и одновременно считают число импульсов основной шкалы счета N_он и верньерной шкалы начала счета n_он до момента совпадения во времени импульсов τ_o и τ_вн (фиг. 2б, г), а также одновременно считают число импульсов постоянной нониусной шкалы N_нн и верньерной шкалы начала счета n_нн во времени импульсов τ_н и τ_вн (фиг. 2в, г).

По временной диаграмме на фиг. 2 составляется система уравнений:

где: t_хн временной отрезок между стартовым импульсом τ_хн и первым импульсом τ_o пришедшим после стартового импульса,
t_вн временной отрезок между первым импульсом τ_вн и первым импульсом τ_н пришедшим после стартового импульса τ_хн
t_нн временной отрезок между импульсами τ_o и τ_н пришедшими первыми сразу после импульса τ_хн,
T_о период следования импульсов τ_o
N_о число импульсов τ_o с момента прихода импульсов τ_хн до последнего импульса τ_o перед совпадением импульсов τ_o и τ_н
T_н период следования импульсов постоянной нониусной шкалы,
N_н число импульсов τ_н с момента прихода импульсов τ_хн до последнего импульса τ_н перед совпадением импульсов τ_o и τ_н
T_вн период следования импульсов верньерной шкалы начала счета,
n_он число импульсов τ_вн с момента запуска верньерного генератора начала счета до последнего импульса τ_вн перед совпадением импульсов τ_вн и τ_o
N_он число импульсов τ_o с момента прихода импульса τ_хн до последнего импульса τ_o перед совпадением импульсов τ_вн и τ_o
n_нн число импульсов τ_вн с момента запуска верньерного генератора начала счета до последнего импульса τ_вн после которого импульсы τ_вн и τ_н совпадают во времени,
N_нн число импульсов τ_н с момента прихода импульса τ_хн до последнего импульса τ_н после которого импульсы τ_вн и τ_н совпадают во времени.

Решая уравнение (6), получим:

Работа схемы измерения t_хн устройства (фиг. 1) происходит следующим образом.

На вход схемы постоянно поступают импульсы τ_o и τ_н с момента поступления с формирователя входных сигналов на вход схемы стартового импульса t_хн начинается подсчет импульсов τ_o и импульсов τ_н в момент их совпадения счет импульсов прекращается и первый счетчик фиксирует число N_о, а второй счетчик число N_н, импульс τ_хн запускает верньерный генератор начала счета и начинается подсчет импульсов τ_o и τ_вн в момент совпадения которых счет импульсов прекращается и третий счетчик фиксирует число N_он, а четвертый счетчик число n_он, а также начинается подсчет импульсов τ_н и τ_вн в момент совпадения которых счет импульсов прекращается и пятый счетчик фиксирует число N_нн, а шестой счетчик число n_нн. После окончания подсчета импульсов схемой измерения t_хн из импульсов τ_хн, τ_o, τ_н и τ_вн и τ_он формируется импульс τ_он который поступает на вход формирователя нониусной шкалы начала счета и прекращает работу верньерного генератора, одновременно импульс τ_o поступает на вход вычислительного блока 9 и по заданной программе вычисляется длительность временного отрезка t_хн.

Временной отрезок T_хо измеряется методом прямого счета (фиг. 2б) и вычисляется по формуле:
T_хо T_о • N, (8)
где N число импульсов основной шкалы счета τ_o
Работа схемы измерения T_хо устройства (фиг. 1) происходит следующим образом.

На вход схемы постоянно поступают импульсы τ_хн τ_o С поступлением на вход схемы 2 с выхода формирователя 3 входных сигналов стартового импульса τ_хн счетчик схемы 2 начинает подсчитывать целые периоды следования импульсов шкалы основного счета T_о, начиная с второго импульса τ_o после стартового импульса τ_хк и до первого импульса после поступления на вход схемы стопового импульса τ_хк счетчик схемы 2 фиксирует число N (фиг. 2а). Данные со счетчика поступают в вычислительный блок и по заданной программе вычисляется временной отрезок T_хо.

Для измерения временного отрезка t_хк подсчитывают число импульсов основной шкалы счета n_о и постоянной нониусной шкалы N_х с момента прихода стопового импульса τ_хк до момента совпадения этих импульсов (фиг. 2б, в), стоповым импульсом запускают верньерный генератор конца счета и одновременно считают число импульсов основной шкалы счета N_ок и верньерной шкалы конца счета n_ок до момента совпадения импульсов τ_o и τ_вк (фиг. 2б, г), а также одновременно считают число импульсов постоянной нониусной шкалы N_нк и верньерной шкалы конца счета n_нк до момента совпадения импульсов τ_н и τ_вк (фиг. 2в, д).

По временной диаграмме на фиг. 2 составляют систему уравнений:

где: t_хк временной отрезок между стоповым импульсом τ_хк и первым импульсом τ_o пришедшим после стопового импульса τ_хк
t_вк временной отрезок между импульсами τ_вк и τ_н первыми пришедшими после стопового импульса τ_нк
t_нк временной отрезок между импульсами τ_o и τ_н пришедшими первыми после импульса τ_хк
T_о период следования импульсов τ_o
n_о число импульсов τ_o с момента прихода импульса τ_хк до последнего импульса τ_o после которого импульсы τ_o и τ_н совпадают во времени,
T_н период следования импульсов τ_н
N_н число импульсов τ_н с момента прихода импульса τ_хк до последнего импульса τ_н после которого импульсы τ_o и τ_н совпадают во времени,
T_вк период следования импульсов верньерной шкалы конца счета τ_вк
n_ок число импульсов τ_вк с момента запуска верньерного генератора конца счета до последнего импульса τ_вк после которого импульсы τ_вк и τ_o совпадают во времени,
N_ок число импульсов τ_o с момента прихода импульса τ_хк до последнего импульса τ_o после которого импульсы τ_вк и τ_o совпадают во времени,
n_нк число импульсов τ_вк с момента запуска верньерного генератора конца счета до последнего импульса τ_вк после которого импульсы τ_вк и τ_н совпадают во времени,
N_нк число импульсов τ_н с момента прихода импульса τ_хк до последнего импульса τ_н после которого импульсы τ_вк и τ_н совпадают во времени.

Решая систему уравнений (9), получим:

Работа схемы измерения t_хк устройства (фиг. 1) происходит следующим образом.

На вход схемы постоянно поступают импульсы τ_o и τ_н С момента поступления с формирователя входных сигналов на вход схемы стопового импульса τ_хк начинается подсчет импульсов τ_o и τ_н в момент их совпадения счет импульсов прекращается и первый счетчик фиксирует число n_о, а второй счетчик число N_к. Импульсом τ_хк запускается верньерный генератор конца счета и начинается подсчет импульсов τ_o и τ_вк в момент совпадения этих импульсов их счет прекращается и третий счетчик фиксирует число N_ок, а четвертый счетчик число n_ок, а также начинается подсчет импульсов τ_н и τ_вк в момент совпадения этих импульсов счет импульсов прекращается и пятый счетчик фиксирует число N_нк, а шестой счетчик число n_нк. После окончания подсчета импульсов схемой измерения t_хк из импульсов τ_хк, τ_o, τ_н и τ_вк формируется импульс τ_ок который поступает на вход формирователя нониусной шкалы T_вк и прекращает работу верньерного генератора конца счета, одновременно импульс τ_ок поступает на вход формирователя входных сигналов и подготавливает устройство к следующему циклу измерения, импульс τ_ок также поступает на вход вычислительного блока 9 и по заданной программе вычисляется временной отрезок t_хк.

Измеряемый временной интервал T_х определяется по формуле:

В формулу (11) не входят величины периодов верньерных генераторов T_вн и T_вк, что повышает точность измерения временного интервала T_x.

При соотношении периодов T_о > T_н > T_в (фиг. 3) измеряемый временной интервал T_x рассчитывается также по формуле (11).

Использование двушкального нониусного способа измерения временных интервалов обеспечивает по сравнению с известными способами следующие преимущества:
формирование постоянной нониусной шкалы из частоты образцового кварцевого генератора позволяет уменьшить дискретность счета ΔT=T_н-T_o(ΔT=T_o-T_н) до сколь угодно малой наперед заданной величины и повысить точность измерения временных отрезков t_хн и t_хк, следовательно, и временного интервала T_x;
в формулу (11) входят величины периодов постоянной нониусной шкалы T_н и шкалы основного счета T_о, сформированные из частоты F_о, что приводит к уменьшению погрешности измерения за счет температурной нестабильности частоты.

Изобретение относится к электронному приборостроению и может быть использовано в современной технике: радиолокации, прецизионных измерителях временных интервалов, фазометрах, цифровых вольтметрах и т.д. Цель изобретения - повышение точности измерения. В двухшкальном нониусном способе измерения временных интервалов временные отрезки t_хн и t_хк измеряют с помощью основной шкалы счета и двух нониусных шкал: при измерении временного отрезка t_хн используются постоянная нониусная шкала с периодом следования импульсов T_н и нониусная шкала с периодом следования импульсов T_вн, а при измерении временного отрезка t_хк - постоянная нониусная шкала и нониусная шкала с периодом следования импульсов T_вн. Временной отрезок t_хн подсчитывается по формуле:

а временной отрезок t_нк - по формуле:

В формулы 1) и 2) не входят величины периодов нониусных шкал T_вн и T_вк, имеющие большую временную и температурную нестабильность, а периоды импульсов T_o и T_н формируются из частоты высокостабильного генератора F_o. Точность измерения временных интервалов T_к определяется величиной ΔT=T_н-T_o или ΔT=T_o-T_н , которая может быть какой угодно малой величиной. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. Двухшкальный нониусный способ измерения временных интервалов, заключающийся в формировании основной шкалы счета из частоты образцового кварцованного генератора и двух временных нониусных шкал при запуске соответствующих верньерных генераторов стартовым и стоповым импульсами, в подсчете импульсов шкал и вычислении измеряемого временного интервала на основе длительностей трех разделяющих его временных отрезков с использованием полученных результатов счета, отличающийся тем, что из частоты образцового кварцованного генератора формируют постоянную нониусную шкалу, период следования импульсов которой отличается от периода следования импульсов основной шкалы счета на заданную малую величину, и одновременно производят подсчет импульсов основной шкалы счета и постоянной нониусной шкалы с момента прихода стартового или стопового импульса до момента совпадения импульсов основной шкалы счета и постоянной нониусной шкалы, при запуске верньерных генераторов начала и конца счета соответственно стартовым и стоповым импульсами одновременно подсчитывают импульсы верньерной шкалы начала счета, основной шкалы счета и постоянной нониусной шкалы с момента прихода стартового импульса до момента совпадения импульса верньерной шкалы начала счета с импульсами основной шкалы и постоянной нониусной шкалы, а также одновременно подсчитывают импульсы верньерной шкалы конца счета, основной шкалы счета и постоянной нониусной шкалы с момента прихода стопового импульса до момента совпадения импульса верньерной шкалы конца счета с импульсами основной шкалы счета и постоянно нониусной шкалы, при этом с момента прихода стопового импульса импульсы основной шкалы счета подсчитывают до момента совпадения импульса этой шкалы с импульсом постоянной нониусной шкалы, импульсы которой одновременно подсчитывают до момента совпадения импульса этой шкалы с импульсом основной шкалы счета, после чего измеряемый временной интервал вычисляют на основе полученных значений счета импульсов шкал. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что подсчет периодов N основной шкалы счета для длительности временного отрезка T_x o N • T_о производят с второго импульса после прихода стартового импульса до первого импульса после прихода стопового импульса, а значения длительностей t_x н и t_x к в составе трех временных отрезков T_x o, t_x н и t_x к, разделяющих измеряемый временной интервал, и значение этого интервала T_x вычисляют по формулам
T_x t_x н + T_x o t_x к;

а длительность временного отрезка t_x к по формуле

где T_x измеряемый временной интервал;
T_o период следования импульсов основной шкалы счета;
T_н период следования импульсов постоянной нониусной шкалы;
N_н н число импульсов постоянной нониусной шкалы начала счета при измерении временного отрезка t_х н;
N_н число импульсов постоянной нониусной шкалы начала счета;
n_н н число импульсов верньерной шкалы начала счета;
n_о н число импульсов верньерной шкалы начала счета;
N_о н число импульсов шкалы основного счета начала счета;
N_о число импульсов шкалы основного счета начала счета;
N число импульсов шкалы основного счета при измерении временного отрезка Т_х о;
N_н к число импульсов постоянной нониусной шкалы конца счета при измерении временного отрезка t_x к;
N_к число импульсов постоянной нониусной шкалы конца счета;
n_н к число верньерной шкалы конца счета;
n_о к число импульсов верньерной шкалы конца счета;
N_о к число импульсов шкалы основного счета конца счета;
n_о число импульсов шкалы основного счета конца счета.