СПОСОБ НОНИУСНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕННЫХ ИНТЕРВАЛОВ С ОПРЕДЕЛЯЕМЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ИНТЕРПОЛЯЦИИ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1999 года по МПК G04F10/04 

Изобретение относится к измерительной и вычислительной технике и может использоваться для массового измерения с высокой точностью неповторяющихся временных интервалов между импульсами.

Известен способ нониусного измерения временных интервалов, основанный на подсчете нониусных импульсов от момента поступления входного импульса до совпадения основного и нониусного сигналов [1]. Недостатком этого способа является жесткое требование к точности периода нониусного сигнала.

Наиболее близким к предлагаемому является способ нониусного измерения временных интервалов [2], при котором используются основной сигнал с периодом Т_о и нониусный сигнал с периодом T_н = Т_о + Т_q, что обеспечивает точность преобразования Т_q = T_о/K, где K - коэффициент интерполяции, задающий соотношение периодов основного и нониусного сигналов по формуле
В момент поступления границы временного интервала осуществляется запуск нониусного генератора, а окончание преобразования производится при совпадении нониусного сигнала с основным сигналом. Отрезок времени от момента поступления границы временного интервала до ближайшего импульса основного сигнала определяют по количеству импульсов нониусного сигнала, выработанных от момента запуска до совпадения с основным сигналом. Этот способ имеет высокую точность, однако при его использовании предъявляются жесткие требования к стабильности нониусного сигнала и соответственно к коэффициенту интерполяции. Для стабилизации периода нониусного сигнала используются различные методы: термостабилизация, использование запускаемых кварцевых резонаторов, фазовая автоподстройка частоты и др. Все эти способы имеют свои недостатки и усложняют схемы измерителей.

Изобретение направлено на снижение требований к точности периода нониусного сигнала.

Поставленная цель достигается тем, что при измерении множества неповторяющихся временных интервалов в момент поступления границы временного интервала запускают нониусный сигнал и подсчитывают количество импульсов нониусного сигнала до совпадения основного и нониусного сигналов, при этом при выполнении необходимого количества измерений фиксируют коды количества импульсов нониусного сигнала от момента запуска до совпадения основного и нониусного сигналов, после измерения определяют максимальное и минимальное значения зафиксированных кодов, а коэффициент интерполяции определяют как разность между максимальным и минимальным значениями зафиксированных кодов плюс единица или как максимальное значение зафиксированных кодов.

Кроме того, при измерении множества неповторяющихся временных интервалов в момент поступления границы временного интервала запускают нониусный сигнал и подсчитывают количество импульсов нониусного сигнала до совпадения основного и нониусного сигналов, при этом при выполнении необходимого количества измерений фиксируют коды количества импульсов нониусного сигнала от момента запуска до совпадения основного и нониусного сигналов, после измерения определяют максимальное и минимальное значения зафиксированных кодов, определяют среднюю частоту появления кодов, и если частота появления максимального кода меньше половины средней частоты, то коэффициент интерполяции определяют как разность между максимальным и минимальным значениями зафиксированных кодов, иначе коэффициент интерполяции определяют как разность между максимальным и минимальным значениями зафиксированных кодов плюс единица.

На фиг. 1 поясняется применение заявляемого способа для случая, когда T_н > T_о. На фиг. 2 поясняется применение заявляемого способа для случая, когда T_н < T_о. На фиг. 3 показано одно из возможных устройств, реализующее заявляемый способ. На фиг. 4 приведена временная диаграмма работы устройства, приведенного на фиг. 3.

На фиг. 1 изображено: 1, 4 - входной сигнал запуска; 2, 5 - опорный сигнал с периодом T_о; 3, 6 - нониусный сигнал с периодом T_н > T_о.

На фиг. 2 изображено: 7 - входной сигнал запуска; 8 - опорный сигнал с периодом T_о; 9 - нониусный сигнал с периодом T_н < T_о.

На фиг. 3 изображено: 10 - входное устройство; 11 - опорный генератор; 12 и 13 - первый и второй нониусные генераторы; 14 - блок выделения; 15 и 16 - первый и второй нониусные счетчики; 17 - основной счетчик; 18 - запоминающее устройство; 19 - вычислительный блок.

На фиг. 4 изображено: 20 - входной сигнал, задающий измеряемый интервал; 21 - сигнал на выходе опорного генератора 11 с периодом T_о, 22 - сигнал на выходе первого нониусного генератора; 23 - сигнал на выходе второго нониусного генератора.

Пусть требуется произвести измерение с точностью не хуже T_q для случая, когда T_н > T_о. В известном способе для обеспечения разрешающей способности T_q требуется устанавливать период нониусного сигнала T_н = T_о + T_q с точностью не хуже T_q/K, так как при определенных величинах измеряемого интервала от момента запуска до совпадения основного и нониусного сигналов может вырабатываться К нониусных импульсов. При использовании заявляемого способа требования к первоначальной установке T_н снижаются. Пусть схема генерации нониусного сигнала позволяет установить период T_н с точностью Δ T < T_q. До начала измерения T_н устанавливается так, чтобы выполнялось условие T_о + T_q - Δ T ≤ T_н ≤ T_о + T_q. Последнее условие является менее жестким, чем в известном способе, так как Δ T может превосходить T_q/K в несколько раз. Этот вариант задания длительности T_н является единственно возможным. В простейшем случае можно задавать T_н ≈ T_о + T_q с точностью, которую позволяет обеспечить схема генерации нониусного сигнала. В любом случае точность установки T_н не является определяющей, как в известном способе.

Как известно, длительность преобразования в нониусном генераторе, а следовательно и код n₁ зависит от момента прихода входного импульса, отмечающего границу измеряемого временного интервала, внутри периода T_о. На фиг. 1 показано, что при различных значениях T_X, количество n₁ импульсов нониусного сигнала будет отличаться.

При поступлении входного импульса (см. сигнал 1 на фиг. 1) и запуске нониусного сигнала в точке A (см. сигнал 3 на фиг. 1) совпадение основного и нониусного сигналов происходит в точке B. При этом вырабатывается n₁ = 8 импульсов нониусного сигнала. Если при тех же значениях T_о и T_н запуск нониусного сигнала происходит в точке C (см. сигнал 6 на фиг. 1), то до совпадения основного и нониусного сигналов в точке D вырабатывается n₁ = 4 импульса нониусного сигнала. При непрерывно работающем опорном генераторе входной импульс может поступать с равной вероятностью в любой момент времени, поэтому при многократных измерениях величина T_X, будет равномерно распределена на интервале [0 ... T_о]. В соответствии с этим, в случае, когда от момента запуска до совпадения основного и нониусного сигналов вырабатывается как минимум один импульс, распределение количества импульсов n₁ на выходе нониусного генератора будет близко к равномерному на интервале [1 ... K].

На фиг. 1 и в дальнейшем предполагается, что количество нониусных импульсов равно количеству периодов соответствующего сигнала. В реальных схемах, в том числе и в известных, это может обеспечиваться сдвигом подсчитываемых импульсов, их инверсией, началом счета со второго импульса и т.п.

Таким образом, производится необходимое количество измерений. Значения n₁, полученные в результате измерений, запоминают (фиксируют), и после цикла измерений проводится обработка этих значений. Сначала определяют максимальное значение n₁, которое используется в качестве коэффициента интерполяции K, а затем начинается вычисление значений T_X по формуле T_X = T_о•n₁/K для всех зафиксированных значений n₁.

На фиг. 2 показан случай, когда T_н < T_о. До начала измерения ориентировочно устанавливают период T_н. Затем производится необходимое количество измерений. При каждом измерении в момент поступления границы временного интервала производится запуск нониусного сигнала 9 (т.е. на фиг. 2). От момента запуска до момента совпадения основного и нониусного сигналов в т. F вырабатывается n₁ импульсов нониусного сигнала (на фиг. 1 n₁ = 8). Значения n₁, полученные в результате измерений запоминают, и после цикла измерений проводится обработка этих значений. Так же, как и в рассмотренном выше случае для T_н > T_о, при непрерывно работающем опорном генераторе входной импульс может поступать с равной вероятностью в любой момент времени. При многократных измерениях величина T_X, будет равномерно распределена на интервале [0 ... T_о], а распределение количества импульсов n₁ на выходе нониусного генератора будет близко к равномерному на интервале [1 ... K]. В связи с этим во время обработки сначала определяется максимальное значение n₁, которое используется в качестве коэффициента интерполяции K, а затем начинается вычисление значений T_X по формуле T_X=T_о-T_о•n₁/K= T_о•(K-n₁)/K.

В рассмотренных выше случаях в нониусном генераторе вырабатывается не менее одного импульса. В ряде схем из-за конструктивных особенностей вырабатывается не менее определенного значения импульсов нониусного сигнала, например не менее m, так как в течение первых m тактов блокируется работа схемы детектирования. Это исключает ложные срабатывания, которые могут возникать из-за искажения длительности нониусного сигнала в момент запуска. В результате нониусный генератор вырабатывает не менее m импульсов, и распределение количества нониусных импульсов будет лежать в интервале [m ... K+m-1]. Поэтому величина коэффициента интерполяции в этом случае при многократных измерениях может определяться как разность между максимальным и минимальным кодами n₁ плюс единица. Рассмотренные выше варианты отражены в п. 1 формулы изобретения.

В п. 2 формулы изобретения отражен достаточно распространенный на практике случай, когда при нестабильной работе схем совпадения при номинальном распределении n₁ на интервале [m ... K+m-1] при определенных условиях из-за помех может вырабатываться K+m импульсов нониусного сигнала, что является ошибочным преобразованием. Частота получения ошибочного кода K+m будет меньше, чем частоты появления остальных кодов.

Поэтому в этом случае после цикла измерения определяют среднюю частоту n_ср появления кодов количества импульсов нониусного сигнала до совпадения, а также определяют частоту появления кода n_1max, где n_1max - максимальное значение среди зафиксированных кодов. Если частота n_1max меньше половины средней частоты n_ср, то n_1max считают ошибочным и коэффициент интерполяции определяют как разность между максимальным и минимальным значениями зафиксированных кодов. В противном случае, если n_1max больше половины n_ср, n_1max не считается ошибочным, и коэффициент интерполяции определяют как разность между максимальным и минимальным значениями зафиксированных кодов плюс единица.

Предлагаемый способ может применяться как в чистом виде для измерения коротких интервалов времени, так и для интерполяции, когда код временного интервала грубо определяется импульсами опорного генератора, а отрезки между границами измеряемого интервала и ближайшим импульсом опорного генератора осуществляется нониусным методом.

На фиг. 3 приведена схема устройства, в котором используется заявляемый способ. Данное устройство работает следующим образом. Опорный генератор 11 непрерывно вырабатывает опорный сигнал с периодом Т_о (см. сигнал 21 на фиг. 4). До начала измерения ориентировочно устанавливают периоды T_н1 и T_н2 первого и второго нониусного сигналов. (На фиг. 4 рассмотрен случай, когда T_н1 > T_о и T_н2 > T_о). Затем производится измерение необходимого количества временных интервалов.

При измерении каждого временного интервала входной импульс, отмечающий начальную границу временного интервала T_и, проходя через входное устройство 10 на его первый выход, запускает первый нониусный генератор 12, на выходе которого начинают вырабатываться импульсы нониусного сигнала с периодом T_н1 (см. сигнал 22 на фиг. 4). Импульсы с выхода первого нониусного генератора 12 подсчитываются на первом нониусном счетчике 15. В момент совпадения основного и первого нониусного сигналов выработка импульсов на выходе первого нониусного генератора 12 прекращается. Таким образом, на первом нониусном счетчике 15 будет зафиксирован код n₁, равный количеству импульсов нониусного сигнала от момента запуска до совпадения основного и первого нониусного сигналов в точке G (см. фиг. 4). Импульс с первого выхода входного устройства 10 поступает также в блок выделения 14, который начинает пропускать на выход импульсы опорного генератора 11 на вход основного счетчика 17.

Входной импульс, отмечающий конечную границу временного интервала, запускает второй нониусный генератор 13, на выходе которого начинают вырабатываться импульсы нониусного сигнала с периодом T_н2 (см. сигнал 23 на фиг. 4). Импульсы с выхода второго нониусного генератора 13 подсчитываются на втором нониусном счетчике 16. В момент совпадения основного и второго нониусного сигналов в точке Н (см. фиг. 4) выработка импульсов на выходе второго нониусного генератора 13 прекращается. Таким образом, на втором нониусном счетчике 17 будет зафиксирован код n₂? равный количеству импульсов нониусного сигнала от момента запуска до совпадения основного и второго нониусного сигналов.

Импульс с второго выхода входного устройства 10 поступает также в блок выделения 14, который по этому импульсу прекращает пропускать на выход импульсы опорного сигнала на вход основного счетчика 17. Таким образом, на выходе основного счетчика будет зафиксирован код n₀ грубой оценки временного интервала T_и.

Коды n₁, n₂ и n₀ с выходов счетчиков 15 - 17 фиксируются в запоминающем устройстве 19, после чего измеритель начинает измерение следующего временного интервала.

Таким образом, выполняется серия (1000 и более) измерений, после которой в запоминающем устройстве 19 фиксируются массивы кодов n₁, n₂ и n₀. Затем определяется распределение кодов n₁ и n₂, по которым определяются коэффициенты интерполяции K₁ и K₂ для первого и второго нониусных генераторов 12 и 13 в соответствии с формулой изобретения, и начинается вычисление временных интервалов по формуле

В предлагаемом способе снижаются требования к стабильности нониусного сигнала без снижения точности нониусного метода. Это достигается тем, что в предлагаемом способе уточнение коэффициента интерполяции, а следовательно, и периода нониусного сигнала производится в реализующем данный способ устройстве по результатам многократных измерений.

Источники информации
1. Гитис Э.И., Пискулов Е.А. Аналого-цифровые преобразователи - М.: Энергоатомиздат, 1981, с. 147-149.

2. Карпов Н.Р. Нониусный измеритель временных интервалов. Измерительная техника. -1980, N 9, с. 44-46.

Предлагаемый способ предназначен для измерения множества неповторяющихся временных интервалов. В этом способе для достижения точности Т_q до начала измерения период нониусного сигнала Т_н устанавливают таким, чтобы разность периодов основного сигнала Т_о и Т_н не превышала по абсолютной величине Т_q. Затем выполняют необходимое количество измерений и фиксируют коды количества импульсов сигнала до совпадения основного и нониусного сигналов. Уточненный коэффициент интерполяции К, задающий период нониусного сигнала по формуле Т_н= Т_о(К±1)/K, определяют как разность максимального и минимального значений зафиксированных кодов плюс единица или как максимальное значение зафиксированных кодов. Определение коэффициента интерполяции позволяет снизить требования к стабильности периода нониусного сигнала без снижения точности нониусного метода. 2 с.п.ф-лы, 4 ил.

1. Способ нониусного измерения временных интервалов с определяемым коэффициентом интерполяции, основанный на том, что при измерении множества неповторяющихся временных интервалов в момент поступления границы временного интервала запускают нониусный сигнал и подсчитывают количество импульсов нониусного сигнала до совпадения основного и нониусного сигналов, отличающийся тем, что при выполнении необходимого количества измерений фиксируют коды количества импульсов нониусного сигнала от момента запуска до совпадения основного и нониусных сигналов, после измерения определяют максимальное и минимальное значения зафиксированных кодов, а коэффициент интерполяции определяют как разность максимального и минимального значений зафиксированных кодов плюс единица или как максимальное значение зафиксированных кодов. 2. Способ нониусного измерения временных интервалов с определяемым коэффициентом интерполяции, основанный на том, что при измерении множества неповторяющихся временных интервалов в момент поступления границы временного интервала запускают нониусный сигнал и подсчитывают количество импульсов нониусного сигнала до совпадения основного и нониусного сигналов, отличающийся тем, что при выполнении необходимого количества измерений фиксируют коды количества импульсов нониусного сигнала от момента запуска до совпадения основного и нониусных сигналов, после измерения определяют максимальное и минимальное значения зафиксированных кодов, определяют среднюю частоту появления кодов и если частота появления максимального кода меньше половины средней частоты, то коэффициент интерполяции определяют как разность максимального и минимального значений зафиксированных кодов, иначе коэффициент интерполяции определяют как разность максимального и минимального значений зафиксированных кодов плюс единица.