ЦИФРОВОЙ ЧАСТОТОМЕР Российский патент 1997 года по МПК G01R23/00 

Изобретение относится к устройствам информационно-измерительной техники и может быть использовано для измерения низких и инфранизких частот по методу функционального кодирования периода при воспроизведении гиперболической зависимости вида ,
где f_x, T_x измеряемая частота и соответствующий ей период.

Известен цифровой низкочастотный частотомер, содержащий генератор тактовых импульсов, ключи, вычитающий счетчик, формирователь импульсов, блок управления, группу импульсно-потенциальных элементов И, образцовую меру времени, управляющий триггер, делитель частоты, элементы И и счетчик [1]
Указанный частотомер имеет невысокую точность преобразования периода в частоту из-за неравномерности следования импульсов в цепи цифровой обратной связи.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является цифровое измерительное устройство, содержащее входной формирователь импульсов, формирователь измерительного интервала, выполненный из двоично-десятичного счетчика периодов с шиной предварительной уставки кода, одновибратора, блока выделения заднего фронта импульса измерительного интервала, Т-триггера, трехвходового элемента И, SR-триггера, блока выделения переднего фронта импульса измерительного интервала, элемента ИЛИ, вычитающего двоичного счетчика с шиной предварительной установки кода, двухвходового элемента И и кварцевого генератора, счетчик нечетных чисел, шину установки в единичное состояние, регистр памяти с шиной предварительной установки кода, кобминационный сумматор, накапливающий сумматор, состоящий из комбинационного сумматора и регистра памяти со знаковым разрядом и шиной предварительной установки кода, элемент И, двоично-десятичный счетчик результата с шиной предварительной установки кода и блок цифровой индикации [2]
Известное устройство может быть применено лишь для линеаризации характеристик измерительных трактов вибрационно-частотных датчиков, имеющих функцию преобразования вида y aTx² + btx + C, где y измеряемая физическая величина; t_x текущее значение периода электрических колебаний на выходе датчика; a, b, c градуировочные контакты задатчика, и не может измерять частоту.

Однако по своей структуре и средствам реализации алгоритма это устройство является наиболее близким.

Целью изобретения является необходимость измерения с большей точностью низких и инфранизких частот по методу функционального кодирования периода при воспроизведении гиперболической зависимости вида (1), где f_x, T_x измеряемая система и соответствующий ей период. Другими словами, целью изобретения является преобразование с большой точностью периода в частоту импульсов с погрешностью 0,5 единицы младшего разряда (± 0,5 ЕМР).

Цель достигается тем, что в известный цифровой частотомер, содержащий входной формирователь импульсов, подключенный к формирователю измерительного интервала, первый выход которого соединен с информационным входом первого двоичного счетчика и первым входом элемента И, подключенного к информационному входу двоично-десятичного счетчика, кодовый вход последнего соединен с первой шиной предварительной установки кода, а выход подключен к блоку цифровой индикации, выход формирователя измерительного интервала подключен к входам "сброс" первого двоичного счетчика, двоично-десятичного счетчика и регистра памяти, выходы последнего подключены к одним из входов первого комбинационного сумматора, другие входы которого соединены с выходами второго двоичного комбинационного сумматора, а выход с информационным входом регистра памяти, при этом выход первого двоичного счетчика подключен к первым входам второго двоичного комбинационного сумматора, а инверсный выход знакового разряда регистра памяти подключен к второму входу элемента И, снабжен вторым двоичным счетчиком, при этом формирователь измерительного интервала выполнен с возможностью формирования цифрового эквивалента измерительного интервала x_i ent[f₀(T_x T_min)]_i, первый выход которого подключен к информационному входу регистра памяти, кодовый вход первого двоичного счетчика подключен к шине предварительной установки кода 2ⁿ (x_min + 2), а его вход логического "нуля" соединен с инверсным выходом знакового разряда регистра памяти, кодовый вход второго двоичного счетчика подключен к шине предварительной установки кода y_max-1, вход "сброс" соединен с вторым выходом формирователя измерительного интервала, а информационный вход с выходом элемента И, а выход y_i 1 с входом второго слагаемого второго двоичного комбинационного сумматора, вход младших разрядов первого и второго слагаемых соединены соответственно с шиной логического "0" и шиной логической "1", Кодовый вход регистра памяти подключен к шине предварительной установки кода U₁ 2 y_max x_min 1, при этом входы "запись" и "сброс" блока цифровой индикации соединены соответственно с третьим и вторым входами формирователя измерительного интервала.

Кроме того, формирователь измерительного интервала выполнен из опорного генератора, подключенного к первым входам двухвходового элемента И и трехвходового элемента И, выход которого является первым выходом формирователя, второй вход двухвходового элемента И объединен с вторым входом трехвходового элемента И, с входом первого одновибратора и является входом формирователя, а выход двухвходового элемента И подключен к информационному входу вычитающего счетчика, кодовый вход которого подключен к установочной шине кода x_min 1 ent[f₀T_min] 1, а выход вычитающего счетчика соединен с первым входом элемента ИЛИ и с S-входом триггера, выход которого подключен к третьему входу трехвходового элемента И, R-вход триггера объединен с входом "сброс" вычитающего счетчика и выходом второго одновибратора и является вторым выходом формирователя, выход первого одновибратора подключен к входу второго одновибратора и второму входу элемента ИЛИ, выход которого является третьим выходом формирователя.

На фиг. 1 представлена реализуемая функция (1); на фиг. 2, 3 представлен алгоритм апроксимации гиперболы; на фиг. 4 представлен алгоритм работы частотомера; на фиг. 5 функциональная схема цифрового частотомера; на фиг. 6 временные диаграммы, поясняющие работу частотомера.

Выражение (1), представляющее собой уравнение гиперболы (фиг. 1) можно записать в следующей эквивалентной форме: (2),
где y_f kf_x цифровой эквивалент измеряемой частоты;
x_г T_xf₀ цифровой эквивалент периода;
N Kf₀ постоянная величина;
K масштабирующий коэффициент, определяющий разрядность представления частоты;
f_о частота опорного генератора.

Ассоциируя в дальнейшем y с частотой, а x с периодом и опустив в выражении (2) индексы f и T, произведем квантование оси аргумента x (см. фиг. 2), дающее основание записать (3),
где x_i дискретное значение непрерывного аргумента x;
y_н непрерывное (текущее) значение ординат точек, находящихся на гиперболе. Представляя (3) в неявном виде, т.е. в форме f(x_i, y_н)-N 0, получим x_iy_нN 0 (4). После квантования оси y и подстановки в выражение (4) вместо y_н ближайшего к нему дискретного значения y_i (см. фиг. 2) получим неравенство f(x_i, y_i) x_iy_i N ≠ 0. Введение новой переменной F_i f(х_i, y_c) позволяет записать
F_i x_iy_i N (5)
Если значение x_i и y_i выбирать произвольным образом и вычислять F_i для каждого набора, то окажется, что значение F_i является положительным (F_i > 0) для точек, находящихся над гиперболой (см. фиг. 2) и отрицательным (F_i <0) по другую сторону от нее. В точках, принадлежащих гиперболе, значения F_i тождественно равны нулю (F_i ≡ 0). Очевидно знак f_i может оказать помощь в выборе соответствующих шагов (единичных векторов V₁ или V₂), приближающих текущую точку S к искомой кривой. Для принятия альтернативного решения при выборе направления перемещения случай, когда F_i 0 необходимо объединить с одним из двух оставшихся возможных исходов (F_i <0 или F_i > 0), например с первым F_i ≅ 0.

Для получения дискретной траектории, наименее уклоняющейся от гиперболы, достаточно ограничиться двумя направлениями перемещения (см. фиг. 1) а именно вдоль оси x (вектор V₁) и вдоль обеих координатных осей одновременно (вектор V₂).

Как видно из графика (фиг. 1), для решения поставленной задачи требуется получить алгоритм, позволяющий двигаться вдоль гиперболы с помощью выполнения элементарных шагов (определяемых единичными векторами V₁ и V₂), не удаляющих от траектории теоретической кривой (2) более чем на ± 0,5 шага координатной сетки.

Выберем на гиперболе некоторую точку S (см. фиг. 2, 3) с координатами (x_i+1, y_н), расстояние от которой до точки Q (x_i+1, y_i-1) обозначим SQ q, а расстояние до точки R (x_i+1, y_i) соответственно SR r.

Рассмотрим, каким образом можно попасть из некоторой точки P (x_i, y_i), находящейся ближе других точек к гиперболе, в следующую точку координатной сетки, наименее удаленную от искомой траектории. Для определенности положим, что если значение F_i в точке P(x_i, y_i) больше нуля (т.е. если F_i > 0) и точка P(x_i, y_i) находится под гиперболой, то необходимо выполнить шаг по вектору v₂ в направлении искомой кривой. Шаг в направлении вектора v₂ выполняется при получении единичных приращений вдоль обеих координатных осей одновременно
x_i+1 x_i + 1
y_i-1 y_i 1
Значение F_i для этого случая с учетом (5) имеет следующий вид:
F(x_i+1, y_i-1)=(x_i+1)(y_i-1)-N=x_iy_i-x_i+y_i-1-N=F_i-x_i+y_i-1
Если результат вычислений таков, что в текущей точке F_i ≅ 0, т.е. точка находится в гиперболе или под ней, то необходимо совершить шаг по направлению вектора v₁, приближающий к ней следующую точку. Шаг в направлении вектора v₁ выполняется при получении единичного приращения вдоль оси x: x_i+1 x_i + 1.

Значение F_i после выполнения шага по вектору v₁ в этой точке будет равно

В итоге можно записать рекурентное уравнение, позволяющее определить направление перемещения от P_i-й точки P(x_i, y_i) к (i+1)-й R(x_i, y_i-1), а именно

Введем дополнительное условие, связанное с расстояниями q и r (см. фиг. 3). Если r-q > 0, выбираем шаг по вектору v₁, в противном случае (если r-q ≅0) выбираем шаг по вектору v₂.

С учетом (5) найдем значения q и r

Составим разность
Поскольку в первом квадранте величина x_i+1 всегда положительна, умножение на нее обеих частей последнего уравнения не изменит знак его левой части (r-q)(x_i + 1) 2F_i + 2y_i x_i-1.

Обозначив U_i (r q)(x_i + 1), назовем ее вспомогательной функцией после чего получим
U_i 2F_i + 2y_i x_i 1 (6)
Расположив начало шкалы цифрового частотомера в точке с координатами (x_min, y_max) и приняв ее за стартовую точку, после подстановки x₀ x_min, y₀ y_max в (5) и (6) получим выражение для определения направления при выполнении первого шага
U_i 2x_miny_max 2N + 2y_max x_min 1 2y_max x_min 1
Найдем выражение для вычисления вспомогательной функции U_i после выполнения шагов по векторам v₁ и v₂.

Для шага по вектору v₁ имеем

Для шага по вектору v₂ имеем

Объединяя три последних выражения, получим в окончательном виде алгоритм, воспроизводящий траекторию гиперболы

Этот алгоритм реализуется функциональной схемой цифрового частотомера, приведенной на фиг.5.

Цифровой частотомер содержит входной формирователь 1 импульсов, ограниченных во времени половиной периода измеряемой частоты, формирователь 2 измерительного интервала, содержащий опорный генератор 3, элемент И 4, вычитающий счетчик 5 с установочной кодовой шиной 6, RS-триггер 7, элемент И 8, первый одновибратор 9, второй одновибратор 10 и элемент ИЛИ 11, двоичный счетчик периодов 12 с установочной кодовой шиной 13, двоичный счетчик 14 частоты с установочной кодовой шиной 15, двоичный комбинационный сумматор 16 с шинами подачи логических нуля 17 и единицы 18, двоичный комбинационный сумматор 19, регистр памяти 20 с установочной кодовой шиной 21 и знаковым разрядом 22, (элементы 19, 20, 21 и 22 образуют двоичный накапливающий сумматор), элемент И 23, двоичный счетчик 24 результата с установочной кодовой шиной 25 и блок цифровой индикации 26.

В частотомере последовательно соединены входной формирователь 1 импульсов, ограниченных во времени половиной периода измеряемой частоты, вход которого является входом частотомера, формирователь 2 измерительного интервала, элемент И 23 и вычитающий счетчик 24 результата, кодовые входы которого связаны с первой кодовой шиной 25, а кодовые выходы подключены к входам блока цифровой индикации 26, вход управления записью информации которого соединен с вторым выходом формирователя 2 измерительных интервалов, счетный вход двоичного счетчика периода 12 соединен с первым /информационным/ выходом формирователя 2 измерительных импульсов и первым входом элемента И 23, кодовые входы подключены к кодовой шине 13, кодовые выходы к входам первого слагаемого двоичного комбинационного сумматора 16, младший разряд которого связан с шиной 17 подачи логического нуля, кодовые входы второго двоичного счетчика 14 подключены к кодовой шине 15, кодовые выходы к входам второго слагаемого первого десятичного комбинационного сумматора 16, младший разряд которого соединен с шиной 18 подачи логической единицы, а счетный вход второго двоичного счетчика 14 связан с выходом элемента И 23 и счетным входом двоичного счетчика 24 результата, выход суммы первого комбинационного сумматора 16 подключен к входам первого слагаемого второго комбинационного сумматора 19, выход суммы которого связан с информационными входами регистра памяти 20, кодовые выходы которого соединены с входами второго слагаемого второго сумматора 19, кодовые входы регистра памяти 20 подключены к четвертой кодовой шине 21, а вход управления записью информации соединен с выходом элемента И 23, второй вход которого связан с выходом распознавания отрицательных чисел знакового разряда 22 регистра памяти 20, выход распознавания положительных чисел и нуля которого подключен к входу разрешения выдачи информации из первого двоичного счетчика 12, а третий выход блока 2 управления связан с входами установки исходных состояний первого 12 и второго 14 двоичных счетчиков, регистра памяти 20, счетчика 24 результата и входом обнуления блока цифровой индикации 26.

В формирователе 2 измерительного интервала последовательно соединены двухвходовой элемент И 4, вычитающий счетчик 5, кодовые входы которого связаны с кодовой шиной 6, RS-триггер 7 и трехвходовой элемент И 8, выход которого является информационным (первым) выходом формирователя 2 измерительного интервала, первый вход подключен к выходу генератора 3 опорной частоты и первому входу элемента И 4, второй вход которого является входом формирователя 2 измерительного интервала и связан с вторым входом трехвходового элемента И 8 и входом первого одновибратора 9, последний выходом подключен к входам второго одновибратора 10 и первому входу элемента ИЛИ 11, второй вход которого соединен с выходом переноса вычитающего счетчика 5 и S-входом RS-триггера 7, а выход является третьим выходом формирователя 2 измерительного интервала, причем выход второго одновибратора 10 подключен к установочному входу вычитающего счетчика 5, R-входу RS-триггера 7 и является вторым выходом формирователя 2 измерительного интервала.

Устройство реализует алгоритм (7) и работает следующим образом. Измерению предшествует установка на кодовых входах вычитающих счетчиков 5, 12, 14, 24 и регистра памяти 20 с помощью кодовых шин 6, 13, 15, 25, 21 кодов констант алгоритма (7): x_min ent[f_оT_min-1), 2ⁿ - (x_min + 2), y_max 1, y_max и U₁ 2y_max x_min 1.

На входах младших разрядов первого и второго слагаемых сумматора 16 с помощью шин 17 и 18 устанавливаются соответственно потенциалы логических нуля (лог. "0") и единицы (лог."1"). Благодаря этому на входах слагаемых сумматора 16 получаем следующие коды:
на входе первого слагаемого удвоенный (благодаря сдвигу на один разряд в направлении старших разрядов) дополнительный код числа 2ⁿ (x_i + 2), находящегося в вычитающем счетчике 12, соответствующий отрицательному числу -2(x_i + 2);
на входе второго слагаемого сумматора 12 код нечетного числа 2y_i - 1, получаемый за счет удвоения числа (y_i 1) (благодаря сдвигу на один разряд в направлении старших разрядов) и добавления единицы в младших разрядах, т.е. 2(y_i-1) + 1 2y_i-1.

Цикл измерения начинается с появления на втором выходе формирователя 2 импульса "Сброс", устанавливающего в исходные состояния все блоки устройства. Этот импульс вырабатывается на выходе одновибратора 10 (см. фиг.5б) при включении источника питания, а также в начале каждого нового цикла измерения. Импульс "Сброс" записывает код числа x_min 1 ent[f_оT_min]-1, подготовленного на установочной шине 6 в вычитающий счетчик 5, обнуляет RS-триггер 7, записывает коды констант алгоритма (7), подготовленные на кодовых шинах 13, 15, 25 и 21 соответственно в вычитающие счетчики 12, 14, 24 и регистр памяти 20, а также обнуляет блок цифровой индикации 26.

Вычитающие счетчики 12 и 14 имеют на один разряд меньше, чем входы слагаемых сумматоров 16 и 19, содержащих по n разрядов. Сумматоры 16 и 19 организованы по принципу работы в дополнительных кодах, при этом положительные числа кодируются нулем в знаковом разряде 22, а отрицательные и ноль - единицей. В целях обеспечения простоты реализации сумматоры 16, 19 и относящиеся к ним счетчики 12, 14 и регистр памяти 20 целесообразно выполнить, работающим в двоичных кодах. Кодовые выходы n-1 разрядов счетчиков 12 и 14 подключены соответственно к n-1 старшим разрядам кодовых входов первого и второго слагаемых первого сумматора 16.

Происходящие процессы иллюстрируются эпюрами (см. фиг.6). Устанавливают начало шкалы частотомера, т.е. располагают его в точке "А". Далее измеряемый сигнал с периодом T_x (фиг.6а), подаваемый на входной формирователь 1, преобразуется в нем в прямоугольные импульсы той же длительности (фиг.6в), которые поступают на элементы И 4, 8 и одновибратор 9. В исходном состоянии RS-триггер 7 установлен в ноль (фиг. 6г) и своим единичным выходом запирает элемент И 8. Поэтому импульсы генератора 3 образцовой частоты f_о (фиг.6д) через открытый элемент И 4 (фиг.6е) начинают поступать на вход вычитающего счетчика 5, в котором записано число x_min-1 ent[f_оT_min]-1.

После обнуления счетчика 5 импульс заема (x_min-й) (фиг.6ж) установит RS-триггер 7 в единичное состояние (фиг.6г), вследствие чего открывается элемент И8 (фиг.6и), разрешающий прохождение импульсов генератора 3 образцовой частоты f_о на входы счетчика 12 и элемента И 23.

Таким образом, на выходе элемента И8 формируется пачка импульсов x_i, в количестве равном x_i ent[f_о(T_x - T_min)]_i (фиг.6к). Дальнейшая логика работы устройства зависит от знака числа И₁, ранее установленного в регистр памяти 20. Если U₁≅ 0, то на инверсном выходе знакового разряда 22 регистра 20 возникает ноль, отключающий выходы вычитающего счетчика 12 от входа первого слагаемого сумматора 16 (что эквивалентно подаче на вход сумматора нулевого слагаемого) и запирающий элемент 23 на входе счетчика результата.

Таким образом, перед началом поступления счетных импульсов x_i новое значение вспомогательной функции U_i+1 будет скорректировано выходным кодом 2y-1 счетчика 14, поступающим через комбинационный сумматор 16 (при равенстве нулю второго слагаемого) на вход сумматора 19, и выходным кодом U₁ регистра памяти 20, поступающим на вход второго слагаемого сумматора 19. С выхода сумматора 19 новое значение вспомогательной функции U_i+1 U_i + 2y 1 поступает на входы регистра памяти 20, подготавливая его к записи. При этом реализуются вычисления по первой ветви алгоритма (7). При поступлении импульса x_i. когда функция U_i станет положительной, на инверсном выходе знакового разряда появится единица, которая воздействует на вход разрешения выдачи информации из счетчика 12 и открывает элемент И 23.

Изобретение относится к устройствам информационно-измерительной техники и может быть использовано для измерения низких и инфранизких частот по методу функционального кодирования периода при воспроизведения гиперболической зависимости вида f_x = 1. Это выражение можно записать в следующей эквивалентной форме:

Технический результат - повышение точности измерения низких и инфранизких частот по методу функционального кодирования. Устройство содержит входной формирователь 2 измерительного интервала, содержащий опорный генератор 3, элемент И4, вычитающий счетчик 5 с установочной кодовой шиной 6, RS-триггер 7, элемент И8, первый и второй одновибраторы 9, 10 элемент ИЛИ 11, первый двоичный счетчик 12 с установочной кодовой шиной 13, второй двоичный счетчик с установочной кодовой шиной 15, первый двоичный комбинационный сумматор 16 с шинами подачи логического нуля 17 и единицы 18, второй двоичный комбинационный сумматор, регистр памяти 20 с установочной кодовой шиной 21 и знаковым разрядом 22, элемент И 23, двоичный счетчик 24 результата с установочной кодовой шиной 25, блок цифровой индикации 26. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Цифровой частотомер, содержащий входной формирователь импульсов, подключенный к формирователю измерительного интервала, первый выход которого соединен с информационным входом первого двоичного счетчика и первым входом элемента И, подключенного к информационному входу двоично-десятичного счетчика, кодовый вход последнего соединен с первой шиной предварительной установки кода, а выход подключен к блоку цифровой индикации, второй выход формирователя измерительного интервала подключен к входам "Сброс" первого двоичного счетчика, двоично-десятичного счетчика и регистра памяти, выходы последнего подключены к одному из входов первого двоичного комбинационного сумматора, другие входы которого соединены с выходами второго двоичного комбинационного сумматора, а выход с информационным входом регистра памяти, при этом выход первого двоичного счетчика подключен к первым входам второго двоичного комбинационного сумматора, инверсный выход знакового разряда регистра памяти подключен к второму входу элемента И, отличающийся тем, что он снабжен вторым двоичным счетчиком, при этом с первого выхода формирователя измерительного интервала на информационный вход регистра памяти, первый вход элемента И и информационный вход первого двоичного счетчика поступает цифровой эквивалент измерительного интервала x_i ent[fo (T_x - T_m i n) J_i, кодовый вход последнего соединен с шиной предварительной установки кода 2ⁿ (X_min + 2), а выход (X_i + 2) с входом первого слагаемого второго комбинационного сумматора, вход младших разрядов первого слагаемого которого соединен с шиной установки логического "0", кодовый вход второго двоичного счетчика соединен с шиной предварительной установки кода Y_m a x 1, вход "Сброс" с вторым выходом формирователя измерительного интервала, информационный вход с выходом элемента И, а выход Y_i 1 c входом второго слагаемого второго комбинационного сумматора, вход младшего разрядов второго слагаемого которого соединен с шиной установки логической "1", а к входу второго слагаемого двоичного комбинационного сумматора поступает сигнал U_i с выхода регистра памяти, на входы первого слагаемого поступает сигнал 2y 1 - 2 (x_i + 2) с второго двоичного комбинационного сумматора, при этом на кодовый вход двоично-десятичного счетчика записан код J_m a x; а с кодовым входом регистра памяти соединена шина предварительной установка кода U₁ 2y_m a x - X_m i n 1, второй выход формирователя измерительного интервала соединен с входом "Сброс" блока цифровой индикации, вход "Запись" которого подключен к третьему выходу формирования измерительного интервала. 2. Частотомер по п.1, отличающийся тем, что формирователь измерительного интервала выполнен из опорного генератора, подключенного к первым входам двухвходового элемента И и трехвходового элемента И, выход которого является первым выходом формирователя, второй вход двухвходового элемента И объединен с вторым входом трехвходового элемента И с входом первого одновибратора и является входом формирователя, а выход двухвходового элемента И подключен к информационному входу вычитающего счетчика, кодовый вход которого подключен к установочной шине кода X_m i n 1 ent [f₀ T_m i n] 1, а выход вычитающего счетчика соединен с первым входом элемента ИЛИ и S-входом триггера, выход которого подключен к третьему входу трехвходового элемента И, R-вход триггера объединен с входом" Сброс" вычитающего счетчика и выходом второго одновибратора и является вторым выходом формирователя, выход первого одновибратора подключен к входу второго одновибратора и второму входу элемента ИЛИ, выход которого является третьим выходом формирователя.