УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕННЫХ ИНТЕРВАЛОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ Российский патент 2004 года по МПК G04F10/04 

Изобретение относится к области измерения временных интервалов и может использоваться в измерительной технике для измерения временных интервалов, периода, разности фаз и частоты электрических сигналов.

Известно описание устройства, реализующего способ измерения временных интервалов электрических сигналов, заключающийся в подсчете количества периодов частоты эталонного генератора за измеряемый интервал времени и использующий пилообразный сигнал вспомогательного генератора с частотой, в (1+1/К) раз меньшей частоты эталонного генератора, содержащее эталонный генератор (ЭГ), вспомогательный генератор (ВГ), два формирователя пилообразного напряжения (ФПН 1) и (ФПН 2), две схемы формирования управляющих напряжений (УН 1) и (УН 2), два устройства выборки-хранения (УВХ), два компаратора (КОМП), первый счетчик (Сч 1), два детектора совпадений фронтов (ДС), арифметико-логическое устройство (АЛУ), второй счетчик (Сч 2), две схемы (И), два RS-триггера, две схемы (ИЛИ), причем выход ВГ соединен с входами УН 1 и УН 2, первый выход УН 1 подключен к входу ФПН 1 и первый выход УН 2 - к входу ФПН 2, второй выход УН 1 подключен к второму входу первой схемы И, второй выход УН 2 подключен к второму входу второй схемы И, первые входы схем И объединены и являются входом устройства, выход первой схемы И подключен к входу S первого RS-триггера, выход второй схемы И подключен к входу S второго RS-триггера, выход первого RS-триггера подключен к первому входу первого УВХ, выход которого подключен к первому входу первого КОМП, вторые входы первого УВХ и первого КОМП объединены и подключены к выходу ФПН 1, выход второго RS-триггера подключен к первому входу второго УВХ, выход которой подключен к первому входу второго КОМП, вторые входы второго УВХ и второго КОМП объединены и подключены к выходу ФПН 2, выход эталонного генератора ЭГ подключен к первым входам первого и второго ДС, а также к счетному входу Сч 1, вход обнуления которого подключен к входу устройства, а выход - к первому входу АЛУ, выход первого ДС подключен к R входу первого RS-триггера и к первому входу первой схемы ИЛИ, выход второго ДС подключен к R входу второго RS-триггера и к второму входу второй схемы ИЛИ, выход которой подключен к входу обнуления счетчика СЧ 2, выход первого КОМП подключен к второму входу первого ДС и к первому входу второй схемы ИЛИ, выход второго КОМП подключен к второму входу второго ДС и к второму входу второй схемы ИЛИ, выход которой подключен к счетному входу счетчика Сч 2, выход его подключен к второму входу АЛУ, выход которого является выходом устройства (Патент № 2162243 на изобретение “Способ измерения временных интервалов электрических сигналов”, МКИ G 04 F 10/04, Россия).

Данное устройство взято в качестве прототипа к заявляемому устройству.

На фиг.1 и 2 иллюстрируется измерение временных интервалов с помощью устройства-прототипа, причем на фиг.1 приведена структурная схема устройства-прототипа, а на фиг.2 приведены временные диаграммы сигналов для него.

На фиг.3 приведена структурная схема предлагаемого устройства.

На фиг.4 изображена временная диаграмма работы предлагаемого устройства.

Измерение временных интервалов в соответствии с прототипом производится следующим образом: Измеряемый интервал подается на вход счетчика Сч 1 6, производящего подсчет количества периодов частоты эталонного генератора ЭГ 1 за измеряемый интервал. Интервалы времени между началом измеряемого события и фронтом первого после него импульса эталонного генератора ЭГ 1, на фиг.2 обозначенный как dt1, и между концом измеряемого события и первым после него фронтом эталонного генератора ЭГ 1, на фиг.2 обозначенный как dt2, измеряются с помощью вспомогательного генератора ВГ 2, схем 12, 13 формирования управляющих напряжений УН 1 и УН 2, формирователей 3, 14 пилообразного напряжения ФПН 1 и ФПН 2 и времяимпульсного преобразователя 10 ПВИ. ПВИ состоит из следующих узлов: устройств 4, 15 выборки и хранения УВХ, компараторов КОМП 5, 16, детекторов совпадений фронтов ДС 7, 17, счетчика Сч 2 9, RS-триггеров 11, 18, схем “И” 19, 20, схем “ИЛИ” 21, 22.

Входной измеряемый сигнал Uвx, поступая на первые входы схем “И” 19 и 20, при наличии разрешающего потенциала управляющих сигналов U7 или U8 устанавливает в “1” соответствующий триггер 11 или 18, устанавливая на управляющих входах устройств 4 или 15 выборки и хранения УВХ высокий потенциал (сигналы U5, U9), включает режим хранения и соответствующее УВХ запоминает уровень напряжения пилообразного сигнала U3 или U6, приложенного к ее сигнальному входу в этот момент с выхода соответствующего формирователя 3 или 14 пилообразного напряжения ФПН 1 или ФПН 2, которые формируются из сигнала U2 стабильного генератора ВГ 2. Этот же пилообразный сигнал подается на один вход компаратора 5 (или 16) КОМП, на второй вход которого подается напряжение с выхода соответствующего УВХ 4 или 15. Поскольку уровень напряжения на выходе УВХ в режиме хранения соответствует напряжению на уровне пересечения сигнала пилообразного напряжения и фронта измеряемого события, то импульсы на выходе соответствующего компаратора будут по фазе привязаны к фронту измеряемого события и по частоте равны сигналу генератора ВГ 2. Так как период ВГ на 1/К больше периода эталонного генератора ЭГ 1, то через (N1)/К периодов произойдет совпадение фронтов сигналов с выхода компаратора 5 или 16 и ЭГ 1, и детектор 7 или 17 совпадения фронтов ДС формирует импульс сброса для RS-триггера 19 или 20. При этом величина (N1)/К, умноженная на период ЭГ, с точностью до 1/К будет равна измеряемому отрезку dt1. Аналогичные операции проводятся и по отношению к отрезку dt2. Теперь для определения с точностью до 1/К полной длины интервала t_изм в арифметическом устройстве 8 АЛУ к содержимому N0 счетчика 6 Сч 1 нужно прибавить величину, равную разности числа импульсов N1 и N2 для начала и конца измеряемого события, подсчитанные счетчиком 9 Сч 2, и деленную на К. Таким образом, для определения длительности интервала между фронтом измеряемого события и фронтом импульса эталонного генератора в наихудшем случае требуется время, равное К периодам эталонного генератора. Назовем это временем неготовности измерения. Если очередное измеряемое событие наступает раньше, то измерить его можно лишь другим аналогичным блоком, включенным параллельно первому и работающим с ним попеременно, причем количество таких параллельных блоков увеличивается пропорционально увеличению частоты измеряемых событий. В связи с этим устройство для измерения высокочастотной последовательности интервалов, построенное по схеме прототипа, недопустимо усложняется.

В предлагаемом устройстве в отличие от прототипа длительность интервала определяется в реальном времени и результат измерения записывается фронтом следующего события.

Устройство состоит из эталонного генератора (ЭГ), счетчика (Сч), арифметико-логического устройства (АЛУ), первого и второго выделителей фронтов (ВФ), первого и второго RS-триггера, устройства выборки-хранения (УВХ), устройства формирования управляющего напряжения (УН), аналого-цифрового преобразователя (АЦП), буферного запоминающего устройства (БУФ), причем выход ЭГ соединен с счетным входом Сч, и с входом первого ВФ. выходная шина Сч подключена к первой группе входов АЛУ, вход второго ВФ соединен с входом обнуления Сч и с входом устройства, выход второго ВФ подключен к входу установки первого RS-триггера, вход сброса которого подключен к выходу первого ВФ, а выход соединен с входом УВХ, управляющий вход которого соединен с выходом УН, вход которого соединен с выходом второго RS-триггера, вход установки которого подключен к выходу первого ВФ, а вход сброса - к выходу второго ВФ, выход УВХ подключен к входу АЦП, выходная шина АЦП соединена с входами БУФ, вход управления которого подключен к входу устройства, а выходы подключены к второй группе входов АЛУ, выход АЛУ является выходом устройства.

Устройство работает следующим образом: Входной сигнал U1, подлежащий измерению, поступает на вход обнуления счетчика Сч, который ведет счет тактов сигнала U2 эталонного генератора ЭГ. Полученное число Ntэ, равное целому числу тактов ЭГ в измеряемом интервале, поступает в АЛУ.

В то же время импульс сигнала U3, соответствующий переднему фронту измеряемого интервала, устанавливает в единичное состояние выход триггера 1. Сброс триггера производится первым после него фронтом сигнала ЭГ (напряжение U4). Сигнал U5, приложенный к входу УВХ, заряжает накопительный конденсатор стабильным током в течение времени t1 или t2, затем УВХ под воздействием УН переходит в режим хранения и накопленное напряжение (сигнал U6) хранится в течение времени, необходимого для преобразования его в цифровой формат в АЦП. Следующим импульсом сигнала U1 происходит запись полученного кода (сигнал U7) в буферное запоминающее устройство БУФ и код (сигнал U8) поступает в АЛУ.

Таким образом, в предлагаемом устройстве по сравнению с прототипом произведены следующие изменения: 1. Схемотехнические изменения, выразившиеся в исключении вспомогательного генератора, двух формирователей пилообразного напряжения, одного формирователя управляющего напряжения, двух схем “И”, одного устройства выборки-хранения, двух компараторов, двух детекторов совпадения фронтов, двух схем “ИЛИ”, второго счетчика; в введении двух схем выделения фронтов, аналого-цифрового преобразователя и буферного запоминающего устройства; в изменении связей между узлами. 2. Следствием схемотехнических изменений явились функциональные изменения, выразившиеся в ускорении времени обработки входного сигнала и позволившие производить измерения временных интервалов в реальном времени.

Использование: для измерения временных интервалов электрических сигналов. Технический результат заключается в возможности проводить измерение в режиме реального времени. Часть устройства, осуществляющая измерение временных отрезков от фронта измеряемого интервала до фонта первого импульса эталонного генератора, реализована на базе устройства выборки и хранения (УВХ), работающего в режиме интегратора, а выходной сигнал УВХ преобразуется в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя и при поступлении очередного импульса измеряемого сигнала передается в арифметико-логическое устройство для вычисления результата измерения предыдущего интервала. 4 ил.

Устройство для измерения временных интервалов электрических сигналов, содержащее эталонный генератор, счетчик, арифметико-логическое устройство, устройство выборки и хранения, формирователь управляющих напряжений, два RS-триггера, отличающееся тем, что в него введены две схемы выделения фронтов, аналого-цифровой преобразователь и буферное запоминающее устройство, причем выход эталонного генератора соединен с счетным входом счетчика, и с входом первой схемы выделения фронтов, выходная шина счетчика подключена к первой группе входов арифметико-логического устройства, вход второй схемы выделения фронтов соединен с входом обнуления счетчика и является входом устройства, выход второй схемы выделения фронтов подключен к входу установки первого RS-триггера, вход сброса которого подключен к выходу первой схемы выделения фронтов, а выход соединен с входом устройства выборки и хранения, управляющий вход которого соединен с выходом формирователя управляющих напряжений, вход которого соединен с выходом второго RS-триггера, вход установки которого подключен к выходу первой схемы выделения фронтов, а вход сброса - к выходу второй схемы выделения фронтов, выход устройства выборки и хранения подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, выходная шина аналого-цифрового преобразователя соединена с входами буферного запоминающего устройства, вход управления которого подключен к входу устройства, а выходы подключены к второй группе входов арифметико-логического устройства, выход которого является выходом устройства.