СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ ПЕРИОДИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ Российский патент 2006 года по МПК G01R23/02 

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано в устройствах измерения частоты периодических сигналов.

Наиболее известные способы измерения частоты периодических сигналов основаны на методах формирования измерительного строба с помощью эталонной последовательности и определения измеряемой частоты путем подсчета целых периодов измеряемой частоты в этом стробе. Такие способы представлены в целом ряде авторских свидетельств: SU №940081, G 01 R 23/00, SU №953585, G 01 R 23/02, SU №1019352, G 01 R 23/02, SU №1228029, G 01 R 23/02.

Недостатком этих методов является их высокая чувствительность к сбоям и помехам, приводящим к снижению точности измерения частоты за счет изменения количества подсчитанных периодов измеряемой частоты в стробе.

Наиболее близким по реализации является способ измерения частоты, описанный в книге: Мирский Г.Я. Электронные измерения. Москва, "Радио и связь", 1986, стр. 120-121. Этот способ измерения частоты следования импульсов основан на формировании стробирующего импульса с длительностью Δt_K, преобразовании исследуемого непрерывного периодического сигнала в периодическую последовательность импульсов, подсчете числа импульсов n измеряемой частоты в стробе и вычислении значения частоты по формуле

Недостатком данного метода, как и предыдущих, является высокая чувствительность к сбоям и помехам в измеряемом сигнале, снижающим точность измерения частоты за счет изменения количества подсчитанных периодов сигнала в стробе.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в устранении влияния кратковременных помех и сбоев на точность измерения и, соответственно, повышении точности оценки частоты измеряемого сигнала.

Предлагаемый способ измерения частоты периодических сигналов, основанный на квантовании измеряемого сигнала по уровню и по времени, формировании эталонного временного интервала (аналога стробирующего импульса), подсчете числа периодов измеряемого сигнала на этом интервале и вычислении значения частоты через отношение числа подсчитанных периодов к длительности эталонного временного интервала, отличающийся тем, что измеряемый сигнал подвергают предварительной обработке, включающей линейное предсказание измеряемого сигнала, сравнение абсолютного значения сигнала ошибки предсказания с заданным пороговым значением, при превышении которого принимают решение о наличии в измеряемом сигнале выброса амплитуды, обусловленного сбоем или кратковременной помехой, и устранение этого выброса за счет приостановки процесса предсказания, подачи на входы блока оценки частоты и адаптивного фильтра значения сигнала, предсказанного в момент обнаружения выброса амплитуды измеряемого сигнала.

Предложенный способ поясняется чертежами. На фиг.1 приведена блок-схема, поясняющая принцип работы способа, на фиг.2 - пример реализации способа.

На схеме, поясняющей принцип работы способа (фиг.1), изображены: блок предварительной обработки сигнала 1 и блок оценки частоты сигнала 2, причем блок предварительной обработки сигнала 1 содержит элемент задержки 3, первый 4, второй 5 и третий 6 переключатели, адаптивный фильтр 7, элемент суммирования 8 и решающее устройство 9.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит устройство выборки мгновенных значений 10, аналого-цифровой преобразователь 11, запоминающее устройство 12, устройство развертки 13 и вычислительное устройство 14.

Принцип работы способа измерения частоты периодических сигналов заключается в получении цифрового представления измеряемого сигнала при помощи аналого-цифрового преобразователя 11, осуществляющего квантование сигнала по уровню и по времени, предварительной обработки сигнала с целью устранения влияния кратковременных помех и сбоев на точность измерения, в линейном предсказании измеряемого сигнала, анализе сигнала ошибки предсказания на предмет обнаружения выбросов амплитуды измеряемого сигнала, обусловленных кратковременными сбоями и помехами, устранении этих выбросов за счет приостановки процесса предсказания сигнала и подачи на входы блока оценки частоты сигнала 2 и адаптивного фильтра 7 значения сигнала, предсказанного в момент обнаружения сбоя или кратковременной помехи и измерении частоты сигнала, включающем формирование эталонного временного интервала, подсчет числа периодов измеряемого сигнала на этом интервале и вычисление частоты сигнала через отношение количества периодов сигнала к длительности эталонного интервала времени.

Линейное предсказание измеряемого сигнала реализуется с помощью цифрового адаптивного фильтра 7 небольшого порядка (4≤N≤8), а также элемента задержки 3. На первый вход адаптивного фильтра 7 через первый переключатель 4 поступает измеряемый сигнал, задержанный на один дискретный отсчет элементом задержки 3, на второй вход адаптивного фильтра 7 через второй переключатель 5 поступает сигнал ошибки предсказания с элемента суммирования 8, на выходе адаптивный фильтр 7 формирует сигнал, близкий по критерию минимума среднеквадратической ошибки к реальному измеряемому сигналу. Настройка параметров адаптивного фильтра осуществляется по методу наименьших квадратов

W_k+1=W_k+2·μ·ε[k]·X_k,

где W_k+1, W_k - будущее и текущее состояние вектора весовых коэффициентов адаптивного фильтра, μ - коэффициент сходимости, задающий величину шага адаптации, ε[k]=x[k]-y[k] - значение ошибки линейного предсказания в текущий момент времени, Х_k - вектор значений входного сигнала, y[k] - выходной сигнал адаптивного фильтра, N - порядок фильтра.

Обнаружение выбросов амплитуды в измеряемом сигнале, обусловленных действием кратковременной помехи, осуществляется в решающем устройстве 9, принцип действия которого основан на сравнении абсолютных значений сигнала ошибки предсказания, получаемого на выходе элемента суммирования 8 путем вычитания выходного сигнала адаптивного фильтра 7 из измеряемого сигнала, с заданным пороговым значением. При возникновении выброса амплитуды измеряемого сигнала, амплитуда сигнала ошибки предсказания резко возрастет. Если абсолютное значение сигнала ошибки превысит пороговое значение, то в решающем устройстве 9 принимается решение о наличии в измеряемом сигнале выброса амплитуды.

Устранение выбросов амплитуды измеряемого сигнала осуществляется по сигналу с решающего устройства 9. В момент обнаружения выброса амплитуды, решающее устройство 9 с помощью второго переключателя 5 приостанавливает настройку весовых коэффициентов адаптивного фильтра 7, за счет прекращения подачи сигнала ошибки предсказания на второй вход адаптивного фильтра 7, с помощью третьего переключателя 6 запрещает подачу на вход блока оценки частоты 2 значения входного измеряемого сигнала и разрешает подачу значения сигнала, предсказанного в момент обнаружения выброса с выхода адаптивного фильтра 7, в следующий после выброса момент времени с помощью первого переключателя 4 запрещает подачу на вход адаптивного фильтра 7 задержанного значения измеряемого сигнала с элемента задержки 3 и разрешает подачу на вход адаптивного фильтра 7 предсказанное им же, в момент обнаружения выброса амплитуды, значение измеряемого сигнала. Таким образом, выброс амплитуды во входном сигнале заменится одним или несколькими предсказанными адаптивным фильтром 7 значениями. Когда сигнал ошибки войдет в заданный допуск, что означает окончание действия кратковременной помехи, решающее устройство 9, с помощью первого 4, второго 5 и третьего 6 переключателей, переведет адаптивный фильтр 7 в обычный режим работы.

С выхода блока предварительной обработки 1 измеряемый сигнал поступает на вход блока оценки частоты 2, в котором осуществляется формирование эталонного временного интервала, подсчет числа периодов сигнала измеряемой частоты на этом интервале и расчет частоты сигнала.

Принцип работы устройства, реализующего представленный способ измерения частоты периодического сигнала, заключается в получении цифрового представления измеряемого сигнала, передаче данных в вычислительное устройство 14, реализующее все необходимые операции, связанные с предварительной обработкой сигнала и оценкой его частоты.

Измеряемый сигнал поступает на устройство выборки мгновенных значений 10, которое в определенные моменты времени, задаваемые устройством развертки 13, производит выборку мгновенных значений сигнала. Мгновенные значения сигнала поступают на аналого-цифровой преобразователь 11, где по командам с устройства развертки 13 преобразуются в цифровой код - цифровые отсчеты, которые передаются в запоминающее устройство 12, где по командам с устройства развертки 13 запоминаются. Объем массива отсчетов определяется устройством развертки 13 в зависимости от частоты входного сигнала и объема памяти запоминающего устройства 12 и управляется по командам с вычислительного устройства 14. Запомненный массив отсчетов поступает в вычислительное устройство 14, которое реализует все операции, связанные с измерением частоты периодического сигнала.

Введение элементов новизны - применение операций по предварительной обработке измеряемого сигнала с целью устранения выбросов амплитуды сигнала, обусловленных кратковременными помехами и сбоями, включающих линейное предсказание измеряемого сигнала на основе использования адаптивного фильтра, анализ сигнала ошибки предсказания для определения момента возникновения выброса амплитуды, приостановку процесса адаптации, подачу на вход блока оценки частоты и на вход адаптивного фильтра предсказанных значений при обнаружении выброса, возврат в обычный режим работы по окончании действия помехи.

В результате введения указанных элементов новизны обеспечивается устранение выбросов амплитуды в измеряемом периодическом сигнале, обусловленных воздействием кратковременных помех и сбоев, и, соответственно, повышение точности оценки частоты измеряемого сигнала.

Измеряемый сигнал квантуют по уровню и по времени. С помощью адаптивного фильтра осуществляют линейное предсказание измеряемого сигнала. Вычисляют абсолютное значение ошибки предсказания и сравнивают его с заданным пороговым значением. При превышении абсолютным значением ошибки предсказания порогового значения принимается решение о наличии выброса амплитуды измеряемого сигнала. Выброс амплитуды сигнала устраняют путем приостановки процесса предсказания и подачи на входы блока оценки частоты сигнала и адаптивного фильтра значений сигнала, предсказанных фильтром в момент обнаружения выброса амплитуды сигнала. Далее формируют эталонный интервал времени, подсчитывают число периодов измеряемого сигнала на этом интервале и вычисляют частоту измеряемого сигнала. Технический результат, достигаемый способом, заключается в устранении выбросов амплитуды в измеряемом периодическом сигнале, обусловленных воздействием кратковременных помех и сбоев, и повышении точности оценки частоты измеряемого сигнала. 2 ил.

Способ измерения частоты периодических сигналов, основанный на квантовании измеряемого сигнала по уровню и по времени, формировании эталонного временного интервала известной длительности, подсчете числа периодов измеряемого сигнала на этом интервале и вычислении частоты измеряемого сигнала через отношение количества периодов к длительности эталонного временного интервала, отличающийся тем, что измеряемый сигнал после квантования подвергают предварительной обработке, включающей линейное предсказание измеряемого сигнала, сравнение абсолютного значения сигнала ошибки предсказания с пороговым значением, принятие решения о наличии выброса амплитуды при превышении порогового значения и устранение выброса за счет приостановки процесса предсказания и подачи на входы блока оценки частоты сигнала и адаптивного фильтра значений сигнала, предсказанных фильтром в момент обнаружения выброса амплитуды.