ЦИФРОВОЙ ЧАСТОТОМЕР Российский патент 2003 года по МПК G01R23/10 

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в радиотехнике, электротехнике, метрологии и других отраслях промышленности для прецизионного измерения частоты сигналов, отклонений частоты от номинального значения, временных интервалов, а также для получения статистических параметров, характеризующих стабильность частоты сигналов за различные периоды времени.

Известны цифровые частотомеры различных конструкций. Например, известен частотомер, включающий: порт приема входного сигнала, содержащий входное средство и формирователь счетных импульсов, первый счетчик, селекторный каскад, формирователь измерительного периода, содержащий образцовый генератор, второй счетчик и средство управления, а также средство обработки и индикации [Электрорадиоизмерения. / В. И. Винокуров, С.И. Каплин, И.Г. Петелин - М.: "Высш. шк. ", 1986, с. 148-160]. Этот частотомер работает следующим образом (фиг.1). Входной сигнал поступает через порт приема входного сигнала и через селекторный каскад на первый счетчик. Порт приема входного сигнала, содержащий входное средство и формирователь счетных импульсов, преобразует измеряемый сигнал в последовательность прямоугольных счетных импульсов F_I, фронт которых совпадает со временем прохождения входного сигнала через нулевую фазу в заданном направлении (например, в положительном). Первый счетчик подсчитывает количество этих импульсов за время, определяемое формирователем измерительного периода. С этой целью формирователь измерительного периода формирует импульс F_G, открывающий селекторный каскад на время измерительного периода, и через некоторое время формирует импульс "сброс", обнуляющий первый счетчик для начала нового измерения. Формирователь измерительного периода содержит последовательно соединенные образцовый генератор, второй счетчик и средство управления. Частота с выхода образцового генератора делится вторым счетчиком. В результате формируется импульс заданной длительности. Селекторный каскад открыт только на время существования импульса F_G, при этом на первый счетчик поступают счетные импульсы, полученные из входного сигнала. Первый счетчик подсчитывает их количество за период измерения. Выход данных первого счетчика связан со средством обработки и индикации, содержащим дешифратор с цифровым индикатором, позволяющим наблюдать код, насчитанный в результате счета, и интерфейс для подключения ЭВМ. По окончании периода чтения, который отмечается командой "сброс", счетчики приводятся в исходное состояние, и начинается новый измерительный период, т.е. период, в течение которого происходит подсчет счетных импульсов F_I за время существования нового импульса F_G.

Период между окончанием импульса F_G и началом импульса "сброс" необходим для чтения второго счетчика. Он называется "мертвым" временем, поскольку в это время селекторный каскад не пропускает счетные импульсы и измерение частоты прерывается. Этот недостаток не позволяет усреднять несколько измерений и результат усреднения приписывать объединенному интервалу. Кроме того, это увеличивает погрешность измерения статистических характеристик стабильности частоты.

Другой недостаток этого частотомера состоит в том, что при близости во времени начала или конца импульса F_G и начала одного из счетных импульсов F_I (формируемых от входного сигнала) этот импульс может быть либо посчитан, либо не посчитан, что порождает неоднозначность результата измерения.

Известен также другой цифровой частотомер [Патент США 4984254, фиг.1], содержащий: порт приема импульса измерительного периода, порт приема образцового сигнала, схему синхронизации, счетчик, регистр чтения (фиг.2). Измерение частоты осуществляется подсчетом количества фронтов входного сигнала за время длительности импульса измерительного периода. Схема синхронизации формирует измененный импульс измерительного периода F_G1, фронты которого смещены во времени таким образом, чтобы совпадать с фронтами счетных импульсов F_I, формируемых из входного сигнала. В этом цифровом частотомере неоднозначности результата счета нет, поскольку время счета и время считывания у него разделены с помощью схемы синхронизации. Однако между импульсами измерительного периода работа частотомера, также как и вышеописанного, прерывается для чтения результатов, т.е. наступает "мертвое время". Этот частотомер является ближайшим аналогом предлагаемого по наибольшему числу сходных признаков и принят за прототип изобретения. Недостатком его является наличие "мертвого времени".

Задача, на решение которой направлено изобретение, является создание частотомера, способного работать непрерывно, без "мертвого времени".

Поставленная задача решается тем, что предлагается цифровой частотомер, включающий порт приема входного сигнала, преобразующий входной сигнал в последовательность счетных импульсов, первый счетчик, снабженный первым регистром чтения, порт приема импульса измерительного периода и первую схему синхронизации, через которую выход порта приема импульса измерительного периода соединен с входом управления первым регистром чтения, образцовый генератор, формирующий образцовые импульсы, второй счетчик, снабженный вторым регистром чтения, средство обработки и индикации, а также инвертор и вторую схему синхронизации, при этом порт приема входного сигнала соединен через вторую схему синхронизации с тактовым входом первого счетчика, образцовый генератор соединен: с тактовым входом второго счетчика, с тактовым входом второй схемы синхронизации и через инвертор с тактовым входом первой схемы синхронизации, вход управления вторым регистром чтения соединен с выходом первой схемы синхронизации, а выходы каждого счетчика соединены через регистры чтения счетчиков со средством обработки и индикации. Схемы синхронизации выполнены таким образом, что в ответ на каждый входной импульс вырабатывают выходной импульс, фронт которого совпадает с передним фронтом импульсов, подаваемых на их тактовые входы (фиг.3).

Работа цифрового частотомера происходит следующим образом.

Порт приема входного сигнала преобразует измеряемый сигнал F_BX в последовательность счетных импульсов F_I, фронты которых совпадают со временем прохождения входного сигнала F_ВХ через нулевую фазу в каждом направлении. Входной сигнал поступает через порт приема входного сигнала и через первую схему синхронизации на первый счетчик. Образцовый генератор формирует образцовые импульсы F_О заданной частоты, величина которой больше частоты входного сигнала F_ВХ. Первая схема синхронизации от каждого счетного импульса F_I формирует синхронизованный импульс F_IS, фронт которого совпадает с передним фронтом ближайшего следующего образцового импульса F_O от образцового генератора. Первый счетчик увеличивает накопленный код с приходом каждого синхронизованного импульса F_IS, а второй счетчик увеличивает код с приходом каждого образцового импульса F_O. Порт приема импульса измерительного периода принимает импульсы F_G, фронты которых отмечают подготовку конца текущего измерительного периода и начала следующего. Эти импульсы поступают на вторую схему синхронизации, которая формирует по заднему фронту ближайшего образцового импульса F_O, образуя сигнал точных границ WR, который управляет чтением кодов с обоих счетчиков в их регистры чтения. Таким образом, передние фронты импульсов WR отмечают точные границы измерительного периода. Коды К_1(i) и k_2(i), считанные в моменты t_i из счетчиков в их регистры, поступают на вход средства обработки и индикации, который реализован на ЭВМ. В этом средстве определяется средняя частота за каждый измерительный период как произведение известной образцовой частоты F_О и отношения приращения кода второго счетчика ΔK₂ = K_2(i+1)-K_2(i) к приращению кода первого счетчика ΔK₁ = K_1(i+1)-K_1(i):

По окончании каждого измерительного периода, то есть с приходом нового фронта импульсов точных границ WR, счетчики не останавливаются и не обнуляются, а продолжают считать. Это не препятствует чтению данных из них в регистры, поскольку процессы счета и чтения разделены во времени на половину периода образцовой частоты F_O. Это достигается тем, что, благодаря первой схеме синхронизации, фронты импульсов F_IS и F_O, подаваемых на тактовые входы первого и второго счетчиков, привязаны во времени к передним фронтам образцовых импульсов F_O, а, благодаря второй схеме синхронизации с инвертором на тактовом входе, фронты импульсов точных границ WR привязаны во времени к задним фронтам образцовых импульсов F_O. На входе второго счетчика схема синхронизации не требуется, поскольку на его вход поступают сами образцовые импульсы F_O.

Разрядность каждого счетчика выбрана такой, чтобы он во время измерительного периода не переполнялся. Результат счета по каждому счетчику определяется вычитанием из последующего значения кода предыдущего значения кода. В случае переполнения счетчика результат вычитания становится отрицательным. Тогда к этой отрицательной величине добавляется значение емкости счетчика, что восстанавливает его истинное значение в данном цикле измерения.

Каждая из двух схем синхронизации может быть выполнена, например, в виде сдвигового триггера, D-вход которого является основным входом устройства, а С-вход - тактовым входом (фиг.4). В моменты прихода переднего фронта импульса на С-входе выходной сигнал становится таким же, как сигнал, подаваемый на D-вход. Если в эти моменты выходной сигнал совпадает с сигналом на D-входе, то он не меняет своего значения. Диаграммы работы схемы синхронизации показаны на фиг.5. Как следует из описания, частотомер может работать непрерывно, без остановок для чтения результатов, т.е. без "мертвого времени".

Формирователь счетных импульсов частотомера может быть выполнен, например, как описано в книге Электрорадиоизмерения. / В.И. Винокуров, С.И. Каплин, И.Г. Петелин - М.: Высшая школа, 1986, cтр. 148-160. Если уровень шумов мал, то формирователем счетных импульсов может служить компаратор или триггер Шмитта.

Счетчики могут быть выполнены, например, на специализированной микросхеме КР1810ВИ1, которая содержит все необходимые элементы и включается по стандартной схеме.

Средством обработки и индикации может служить, например, ЭВМ.

Порт приема импульса измерительного периода может быть выполнен, например, как повторитель либо как триггер Шмитта, а также может быть заменен формирователем импульса измерительного периода, например электронными часами, в том числе часами, входящими в состав ЭВМ.

Образцовым генератором может быть любой генератор, точность которого достаточна для требуемой точности измерения, например обычный кварцевый генератор, а для более высокой точности - водородный или рубидиевый стандарт частоты. Образцовый генератор может иметь дополнительный выход, инвертированный. В этом случае для получения инвертированного сигнала не требуется дополнительный инвертор.

Дополнительно предлагаемый частотомер может решить задачу повышения точности измерений при измерении за малые интервалы времени. Обычно в цифровом частотомере погрешность измерений равна величине, обратно пропорциональной произведению измеряемой частоты на измерительный интервал.

Количество импульсов ΔK₁ = K_1(i+1)-K_1(i) при подсчете всегда выражается целым числом, в то время как истинное значение количества периодов измеряемой частоты на протяжении измерительного интервала всегда дробное число, поскольку частоты F_I и F_О не кратны. Отсюда следует, что всегда имеется погрешность определения количества счетных импульсов F_I за время между последующими передними фронтами импульсов WR на величину в пределах единицы. Эта погрешность, отнесенная к общему количеству сосчитанных импульсов, называется ошибкой дискретности. Эта величина возрастает с уменьшением измерительного периода. Так, если частота F (Гц) измеряется счетным способом за измерительный период τ (с), то относительная погрешность δF_% измерения средней частоты равна:

Измерение кратковременных девиаций частоты F требует уменьшения измерительного периода до τ≤10^-3 с, что приводит к недопустимому росту ошибки дискретности δF_% при F≈10⁶ Гц. Для снижения δF_% требуется не только измерять целое число импульсов, но и определять дробное число импульсов измеряемой частоты, попавшее в измерительный период.

Точность измерений частотомера может быть повышена путем определения интервала между передними фронтами импульсов точных границ WR и передними фронтами счетных импульсов F_I.

С этой целью в частотомер введены последовательно включенные формирователь импульса ошибки, преобразователь масштаба времени и канал измерения длительности, причем входы этого формирователя соединены с выходами порта приема входного сигнала и второй схемы синхронизации, а выход канала измерения длительности соединен с входом средства обработки и индикации (фиг.6).

Простейший вариант формирователя импульса ошибки - это, например, триггер с раздельным запуском, как показано на фиг.7. Фронт импульсов точных границ WR устанавливает выходной сигнал ER в активное состояние, а следующий за этим счетный импульс F_I возвращает его в исходное состояние, формируя, таким образом, длительность импульса ER. Диаграммы работы формирователя импульса ошибки показаны на фиг.8.

Преобразователь масштаба времени преобразует короткий импульс в протяженный импульс с заданным коэффициентом преобразования длительности.

Преобразователь, например, может быть выполнен из двух источников тока противоположных знаков, один из которых - коммутируемый, причем ток коммутируемого источника в заданное число раз (К+1) превышает ток некоммутируемого источника. Источник также содержит конденсатор, схему управления и пороговое устройство. Функциональная схема приведена на фиг.9. Диаграммы работы схемы показаны на фиг. 10.

Простейший вариант канала измерения длительности реализуется, например, введением третьего счетчика, снабженного третьим регистром, включенного так же, как и второй счетчик со вторым регистром, но при этом селекторный вход третьего счетчика является входом канала измерения длительности. Пример такого канала измерения длительности показан на фиг.6 в выделенной пунктиром области. Селекторный вход третьего счетчика позволяет остановить счет по окончании импульса на выходе схемы растяжки. Поскольку третий счетчик останавливает счет раньше, чем происходит считывание его кода, применение регистра на его выходе не обязательно. Многие счетчики имеют этот регистр на своем выходе в составе микросхемы, поэтому в предпочтительной структуре этот регистр имеется.

Устройство работает так же, как описанный выше цифровой частотомер, определяя величины новых значений кодов первого и второго счетчиков К_1(i) и К_2(i), получаемые в результате счета счетных импульсов F_I и образцовых импульсов F_O за измерительный период. Дополнительно к этому формирователь импульса ошибки формирует короткий импульс ER, начинающийся с началом импульса точных границ WR и кончающийся с началом очередного счетного импульса F_I. Импульс ошибки ER, приходя на схему растяжки, формирует импульс EL, длительность которого больше длительности входного импульса в заданное число М раз (М≈1000). Длительность импульса ошибки измеряет канал измерения длительности, и результат поступает в средство обработки и индикации. С этой целью третий счетчик считает количество образцовых импульсов F_O, поступивших на его вход в течение длительности растянутого импульса EL. Для этого импульс EL поступает на селекторный вход этого счетчика. Накопленный код К_3(i), равный этому количеству образцовых импульсов F_O, по окончании измерительного интервала так же, как и коды К_1(i) и К_2(i), поступает на средство обработки и индикации. Средство обработки и индикации вычисляет уточненное значение К_Y1(i) для K_1(i) по формуле
.

Из полученных уточненных значений K_Y1(i) вычисляются уточненные значения частоты F_Y, усредненной на i-ых измерительных интервалах:
.

В этом случае точность определения величины К_Y1(i) в М раз выше. Поскольку длительность импульсов WR, отмечающих точные границы измерительного периода, равна целому числу периодов образцовой частоты, число K_2(i) всегда строго целое. Поэтому повышение точности определения величины K_Y1(i) позволяет во столько же раз повысить точность измерения средней частоты на измерительном интервале.

Ограничение на точность для этого частотомера определяется соотношением

Таким образом, в предлагаемом цифровом частотомере дополнительно решена задача увеличения точности измерений (в М≈1000 раз).

Дополнительно к указанным задачам может быть решена задача расширения диапазона измеряемых частот. Ограничение на этот диапазон связано с тем, что длительность τ_ER растянутого импульса EL не должна превышать длительность τ_WR импульса точных границ WR. Например, при τ_WR = 1 мс, М=1000 длительность τ_ER импульса ER должна удовлетворять соотношению

откуда получаем минимальную измеряемую частоту, равную обратной величине:

Для расширения диапазона частот частотомер снабжается вторым формирователем импульса ошибки с вторым каналом измерения длительности на выходе и устройством селекции несовпадения, причем входы второго формирователя соединены с выходами первой и второй схем синхронизации, выход второго канала измерения длительности соединен с входом средства обработки и индикации, первый формирователь импульса ошибки подключен к своему каналу измерения длительности через устройство селекции несовпадения, второй выход которого соединен с выходом второго формирователя импульса ошибки. Второй канал измерения длительности идентичен первому каналу, то есть содержит четвертый счетчик и четвертый регистр, включенные аналогично. Схема этого частотомера показана на фиг.11, а диаграммы работы - на фиг.12.

Устройство работает так же, как описано выше, определяя величины новых значений кодов первого и второго счетчиков К_1(i) и К_2(i), получаемые в результате счета счетных импульсов F_I и образцовых импульсов F_O за измерительный период. Первый формирователь импульса ошибки формирует импульс ошибки ER, начинающийся с началом импульса точных границ WR и кончающийся с началом очередного счетного импульса F_I. Второй формирователь импульса ошибки формирует импульс целой части ошибки ER2, начинающийся с началом импульса точных границ WR и кончающийся с началом очередного синхронизованного импульса F_IS. Устройство селекции несовпадения формирует из импульсов ER и ER2 разностный импульс ERD, который принимает единичное значение только на то время, пока входные импульсы не совпадают. Поскольку оба импульса начинаются одновременно, начало импульса ERD совпадает с концом импульса ER, а конец импульса ERD совпадает с концом импульса ER2. Таким образом, разностный импульс ERD, поступающий на схему растяжки, начинается в момент переднего фронта счетного импульса F_I, очередного после фронта сигнала точных границ, а кончается этот импульс ERD в момент переднего фронта следующего за этим синхронизованного импульса F_IS. Поэтому длительность разностного импульса ERD никогда не превышает периода образцовой частоты F_O. Этот импульс ERD через схему растяжки поступает на первый канал измерения длительности, а импульс ER2 поступает на второй канал измерения длительности. Второй канал измеряет длительность целого количество периодов образцовой частоты, которое содержится на протяжении импульса ошибки ER. С этой целью импульс ER2 открывает селекторный вход четвертого счетчика именно на это время. Поскольку длительность измеряемого интервала строго соответствует целому числу периодов образцовой частоты F_O, измерение этой длительности счетным методом обеспечивается с высокой точностью. Первый канал измеряет остаток от вычитания из этого импульса ошибки ER указанной целой части ER2. Для этого указанный остаток ERD подается на схему растяжки, а с нее растянутый импульс EL поступает на селекторный вход третьего счетчика.

Длительность τ_ERD импульса ERD, независимо от величины измеряемой частоты, никогда не превышает по длительности одного периода образцовой частоты, поэтому он может быть растянут в большое количество раз. Например, при F_O=8•10⁶ Гц и при τ_ERD = 1 мс верхнее значение коэффициента растяжки М ограничивается значением М≤8000, что позволяет получать достаточно высокую точность измерения длительности этого интервала.

В связи с этим ограничения на минимальное значение частоты задается исходя из требования, чтобы в течение измерительного периода было по крайней мере два-три целых периода измеряемой частоты. Например, при τ_WR = 1 мс, М= 1000 минимальная измеряемая частота равна

Таким образом, описанный частотомер дополнительно решает задачу осуществления измерений частоты сигналов в большом диапазоне частот высокой точностью за малый измерительный период.

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в радиотехнике, электротехнике, метрологии и других отраслях промышленности для прецизионного измерения частоты сигналов, отклонений частоты от номинального значения, временных интервалов, а также для получения статистических параметров, характеризующих стабильность частоты сигналов за различные периоды времени. Цифровой частотомер включает порт приема входного сигнала, преобразующий входной сигнал в последовательность счетных импульсов, первый счетчик, снабженный первым регистром чтения, порт приема импульса измерительного периода и первую схему синхронизации, через которую выход порта приема импульса измерительного периода соединен с входом управления первым регистром чтения, образцовый генератор, формирующий образцовые импульсы, второй счетчик, снабженный вторым регистром чтения, средство обработки и индикации, а также инвертор и вторую схему синхронизации, причем порт приема входного сигнала соединен через вторую схему синхронизации с тактовым входом первого счетчика, образцовый генератор соединен с тактовым входом второго счетчика, с тактовым входом второй схемы синхронизации и через инвертор с тактовым входом первой схемы синхронизации, вход управления вторым регистром чтения соединен с выходом первой схемы синхронизации, а выходы каждого счетчика соединены через регистры чтения счетчиков со средством обработки и индикации. Изобретением достигается технический результат - устранение характерных для цифровых частотомеров периодов "мертвого времени", а также повышение точности измерений сигналов при измерении за малые интервалы времени, расширение диапазона измеряемых частот. 3 з.п.ф-лы, 12 ил.

1. Цифровой частотомер, включающий порт приема входного сигнала, преобразующий входной сигнал в последовательность счетных импульсов, первый счетчик, снабженный первым регистром чтения, порт приема импульса измерительного периода и первую схему синхронизации, через которую выход порта приема импульса измерительного периода соединен с входом управления первым регистром чтения, отличающийся тем, что он содержит образцовый генератор, формирующий образцовые импульсы, второй счетчик, снабженный вторым регистром чтения, средство обработки и индикации, а также инвертор и вторую схему синхронизации, при этом порт приема входного сигнала соединен через вторую схему синхронизации с тактовым входом первого счетчика, образцовый генератор соединен с тактовым входом второго счетчика, с тактовым входом второй схемы синхронизации и через инвертор с тактовым входом первой схемы синхронизации, вход управления вторым регистром чтения соединен с выходом первой схемы синхронизации, а выходы каждого счетчика соединены через соответствующие им регистры чтения со средством обработки и индикации. 2. Частотомер по п. 1, отличающийся тем, что он содержит последовательно соединенные формирователь импульса ошибки, преобразователь масштаба времени и канал измерения длительности, причем первый и второй входы формирователя импульса ошибки соединены с выходом первой схемы синхронизации и с выходом порта приема входного сигнала, а выход канала измерения длительности соединен с входом средств обработки и индикации. 3. Частотомер по п. 2, отличающийся тем, что канал измерения длительности включает третий счетчик, снабженный третьим регистром, причем селекторный вход третьего счетчика является входом канала измерения длительности, а тактовый вход третьего счетчика соединен с выходом образцового генератора. 4. Частотомер по п. 2 или 3, отличающийся тем, что он снабжен вторым формирователем импульса ошибки, вторым каналом измерения длительности и схемой селекции несовпадения, причем первый и второй входы второго формирователя импульса ошибки соединены с выходом первой и второй схем синхронизации соответственно, ее выход через канал измерения длительности соединен с входом средства обработки и индикации, а схема селекции несовпадения включена между первым формирователем импульса ошибки и первым каналом измерения длительности, причем второй сход этой схемы соединен с выходом второго формирователя импульса ошибки.