Рециркуляционно-нониусный время-цифровой преобразователь Российский патент 2020 года по МПК G04F10/04 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для построения время-цифровых преобразователей моноимпульсных временных интервалов (ВИ), заданных старт- и стоп-импульсами в системах импульсной радиолокации и радионавигации, а также комплексах ГЛОНАСС и GPS, медицинских радарах и лидарах, с нано- и субнаносекундной дискретностью преобразования.

Известен рециркуляционно-нониусный время-цифровой преобразователь по патенту РФ №2598975 содержащий два рециркулятора, один из которых служит для рециркуляции старт-импульса (рециркулятор старт-импульса), а второй - стоп-импульса (рециркулятор стоп-импульса), преобразуемого временного интервала (ВИ). Периоды их рециркуляции отличаются друг от друга на величину равную m×τ, где τ - дискретность преобразования и должны быть больше чем длительность преобразуемого временного интервала (ВИ).

Недостатком данного преобразователя является большое время преобразования.

Известен также (прототип) рециркуляционно-нониусный время-цифровой преобразователь по патенту РФ №2707380, содержащий также рециркуляторы старт и стоп-импульсов, один из которых служит для рециркуляции старт-импульса, а второй - стоп-импульса преобразуемого (ВИ). При этом периоды их рециркуляций отличаются друг от друга на величину равную 2m×τ и также должны быть больше длительности преобразуемого ВИ.

Каждый из рециркуляторов прототипа содержит схему ИЛИ, первый вход который соединен с входной шиной преобразователя, выход - с первым входом схемы И, выход который через линию задержки подключен ко второму входу схемы ИЛИ, а вторые входы схемы И обоих рециркуляторов объединены и соединены с выходом блока управления их работой.

Недостатком данного преобразователя-прототипа является также большое время преобразования.

Целью предлагаемого изобретения является уменьшение времени преобразования известного из патента РФ №2707380 рециркуляционно-нониусный время-цифровой преобразователь.

Поставленная цель достигается тем, что в рециркуляторе старт-импульса, исходная длительность старт-импульс остается неизменной, а в каждой из рециркуляций он подвергается последовательной временной задержки на калиброванное значение дискретности преобразования τ, до момента времени его совпадения со стоп-импульсом, рециркулирующем в рециркуляторе стоп-импульса, также без изменения своей исходной длительности.

При этом периоды рециркуляции старт- и стоп-импульсов должны отличаться между собой на величину равную 2m×τ, где m - количество последовательных временных задержек.

На фигуре приводится функциональная схема рециркуляционно-нониусного время-цифровой преобразователь.

Преобразователь содержит рециркулятор стоп-импульса, выполненный на элементе ИЛИ1, первый вход которого соединен с шиной «Стоп-импульс» 2 преобразователя, второй вход - с выходом линии задержки 3 стоп -импульса, а выход - с первым входом элемента И 4, выход которого подключен к входу линии задержки 3 стоп-импульса и к счетному входу счетчика импульсов 5, управляющий вход которого соединен с шиной «Начальная установка», а также рециркулятор старт-импульса содержащий элемент ИЛИ 6, первый вход которого подключен к с шине «Старт-импульс» 7 преобразователя, второй вход - к выходу линии задержки 8 старт-импульса, вход которой соединен с выходом элемента И 9, причем выход элемента ИЛИ 6 подключен ко входу m-отводной линии задержки 10, m - отводов которой подключены к D-входам соответствующих из m D-триггеров 11.1-11.m, С-входы которых объединены между собой и подключены к С-входу дополнительного D-триггера 12, а также объединены и их R-входы, причем D-вход дополнительного D-триггера 12 соединен c m-ым отводом m-отводной линии задержки 10, R-вход с шиной «Начальная установка», а его инверсный выход подключен ко второму входу элемента И 4 стоп-рециркулятора и ко второму входу элемента И 9 старт-рециркулятора, вместе с тем содержит и RS-триггер 13, S-вход которого подключен к шине «Старт-импульс»7, R-вход - к шине «Стоп-импульс» 2, а выход - к управляющему входу дополнительного счетчика импульсов 14, счетный вход которого соединен с выходом линии задержки 8 старт-импульса рециркулятора старт-импульса, при этом объединенные С-входы D-триггеров 11.1-11.m подключены к входу линии задержки 3 стоп-импульса рециркулятора стоп-импульса, а их объединенные R-входы - к шине «Начальная установка» и к входу установки в исходное состояние дополнительного счетчика импульсов 14.

Предлагаемый рециркуляционно-нониусный время-цифровой преобразователь содержит два рециркулятора, в которых линии задержки старт- и стоп-импульсов имеют времена задержки соответственно tлз₈ (линия задержки 8 старт-импульса) и tлз₃ (линии задержки 3 стоп-импульса).

При этом tлз₈-tлз₃=m⋅×τ, где m - число отводов m-отводной линии задержки 10 в старт-рециркуляторе, а τ - дискретность преобразования.

То есть, рециркуляторы старт- и стоп-импульсов имеют периоды рециркуляции равные, соответственно,

Тст=tлз₈+m×τ и Тсп=tлз₃=tлз₈-m⋅×τ,

а их разность Тст-Тсп=tлз₈+m×τ-tлз₃=2m×τ.

Рассмотрим работу предлагаемого преобразователя.

Перед началом преобразования сигналом управления, подаваемого на шину «Начальная установка» преобразователя, D-триггер 12 открывает рециркуляторы старт- и стоп-импульсов, а так же осуществляет установку счетчика импульсов 5, дополнительного счетчика импульсов 14 и регистра памяти, на D-триггерах 11.1÷11.m, в состояние логический ноль, то есть в исходное состояние.

Старт- и стоп-импульсы, соответствующие началу и концу преобразуемого ВИ, длительностью tx подаются на шины «Старт-импульса»7 и «Стоп-импульса» 2 и должны иметь калиброванные значения длительности соответственно, tст>(tp₁+τ) и tсп>(tp₂+τ), где tp₁=tр₆+tp₉, tp₂=(t₁+t₄) - суммарное время задержки переключения логических элементов, соответственно, рециркулятора старт-импульса (элемент ИЛИ6, элемент И9) и рециркулятора стоп-импульса (элемент ИЛИ1, элемент И4), а τ - время задержки между отводами m-отводной линии задержки 10, выбирается равной необходимой по техническому заданию дискретности преобразования.

RS-триггер 13, посредством старт- и стоп-импульсов формирует импульс tx, длительность которого равна длительности преобразуемого ВИ.

Старт-импульс длительностью tст подают в рециркулятор старт-импульса, в котором на m-ом выходе его m-отводной линии задержки 10 вырабатывается импульсная последовательность ƒст(t)=ƒ(tcт+n₀×Тст), где n₀ - число рециркуляций, зафиксированное в счетчике импульсов 14, при этом область изменения n₀∈[1÷N₀])

В тоже время, его период следования Тст=tлз₈+mτ, где tлз₈ - время задержки линии задержки 8 рециркулятора старт-импульса.

Для обеспечения условия работоспособности преобразователя в диапазоне tx∈[tx_min; tx_max] (где tx_min и tx_max соответственно, наименьшее и наибольшее значения длительности преобразуемого ВИ), необходимо строгое выполнение неравенства Тст<tx_max.

Одновременно на m отводах m-отводной линии задержки 10 старт-рециркулятора вырабатываются импульсные последовательности ƒстi(t)=ƒст(t)+i×τ, в них порядковый номер отводов i=2, 3, …, m, а τ - дискретность задержки между ними.

С приходом стоп-импульса tсп, процесс рециркуляции в рециркуляторе старт-импульса останавливается, благодаря срабатыванию RS-триггер 13, при этом число рециркуляции n₀, зафиксированное в дополнительном счетчике импульсов 14, представляет собой цифровой результат преобразования «грубо».

В m-входовом регистре памяти на D-триггерах 11.1-11.m фиксируются совпадения импульсных последовательностей ƒстi(t) с рециркулирующим стоп-импульсом tсп, и по номеру m-входового регистра памяти, отметившим первым момент их совпадения, определяют цифровой результат преобразования «точнее» равное β (область изменения β∈[1÷m]).

В тоже время стоп-импульс tсп рециркулирует в рециркуляторе стоп-импульса с периодом Тсп=tлз₃, (tлз₃ - время задержки линии задержки 3 рециркулятора стоп-импульса, причем tлз₃=tлз₈-m⋅τ) и с неизменной длительностью равной tсп, образуя импульсную последовательность

ƒсп(t)=ƒ(tcп+n_нТсп),

а счетчик импульсов 5 осуществляет подсчет числа n_н данных рециркуляций до момента времени выполнения равенства

При этом значение n_н, с областью изменения n_н∈[1÷N_н], представляет собой цифровой результат преобразования «точно».

При выполнении условия (1) оба рециркулятора, посредством элементов И4 и И9, прекращают работу и процесс преобразования заканчивается.

Функция преобразования предлагаемого способа преобразования имеет вид tx=n₀×Тст+n_н×m×⋅τ+β×τ.

Здесь первое слагаемое представляет собой цифровой результат преобразования «грубо», второе - «точно» и третье «точнее».

При этом время преобразования предлагаемого преобразователя не превышает величины Т_пр=Т_г+Т_т+Т_тч,

где Т_г=tx_max, Т_т=n_н×Тсп и Т_тч=m×⋅τ - временные затраты на определение соответственно цифровых результатов преобразования «грубо», «точно» и «точнее», причем, так как Т_тч<(Т_г+Т_т), то его можно представить в виде Т_пр=tx_max+(N_н×Тсп).

В виду того, что Тсп=Тст-2m×τ, а Тст<tx_max, то Тсп≈tx_max / N₀ и, следовательно,

Тогда как время преобразования преобразователя-прототипа (патент РФ №2707380) не превышает величины

Из сравнения выражений (2) и (3) с учетом равенства (N₀+N_H)=(N*+1), выигрыш во времени преобразования предлагаемого преобразователя составит величину К=Т^*_пр/Т_пр=N₀.

Таким образом, время преобразования в предлагаемом преобразователе уменьшается в N₀>1 раз и достигается это посредством выполнения условия Тст<tx_max и применением RS-триггера 13, дополнительного счетчика импульсов 14 и их электрических связей с другими элементами преобразователя.

Данные нововведения обеспечивают определение цифрового результата преобразования «грубо» в реальном масштабе времени (за время действия непосредственно самого преобразуемого ВИ) и сокращает общее время процесса преобразования «грубо-точно-точнее».

Изобретение может быть использовано для построения цифровых преобразователей однократных наносекундных временных интервалов. Техническим результатом является уменьшение времени преобразования. Преобразователь содержит рециркулятор стоп-импульса, выполненный на элементе ИЛИ, соединенный с шиной «Стоп-импульс» преобразователя, с выходом линии задержки стоп-импульса и с первым входом элемента И, выход которого подключен к входу линии задержки стоп-импульса и к счетному входу счетчика импульсов, который соединен с шиной «Начальная установка», а также рециркулятор старт-импульса, содержащий элемент ИЛИ, соединенный с шиной «Старт-импульс» преобразователя, с выходом линии задержки старт-импульса, вход которой соединен с выходом элемента И, причем выход элемента ИЛИ подключен ко входу m-отводной линии задержки, вместе с тем содержит RS-триггер, подключенный к шине «Старт-импульс», к шине «Стоп-импульс» и к управляющему входу дополнительного счетчика импульсов, счетный вход которого соединен с выходом линии задержки старт-импульса рециркулятора старт-импульса, при этом объединенные С-входы всех m D-триггеров подключены к входу линии задержки стоп-импульса рециркулятора стоп-импульса, а их объединенные R-входы - к шине «Начальная установка» и к входу установки в исходное состояние дополнительного счетчика импульсов. 1 ил.

Рециркуляционно-нониусный время-цифровой преобразователь, содержащий рециркулятор стоп-импульса, выполненный на элементе ИЛИ, первый вход которого соединен с шиной «Стоп-импульс» преобразователя, второй вход - с выходом линии задержки стоп-импульса, а выход - с первым входом элемента И, выход которого подключен к входу линии задержки стоп-импульса и к счетному входу счетчика импульсов, управляющий вход которого соединен с шиной «Начальная установка», а также рециркулятор старт-импульса, содержащий элемент ИЛИ, первый вход которого подключен к шине «Старт-импульс» преобразователя, второй вход - к выходу линии задержки старт-импульса, вход которой соединен с выходом элемента И, причем выход элемента ИЛИ подключен ко входу m-отводной линии задержки, m отводов которой подключены к D-входам соответствующих m D-триггеров, С-входы которых объединены между собой и подключены к С-входу дополнительного D-триггера, а также объединены и их R-входы, причем D-вход дополнительного D-триггера соединен c m-м отводом m-отводной линии задержки, R-вход с шиной «Начальная установка», а его инверсный выход подключен ко второму входу элемента И стоп-рециркулятора и ко второму входу элемента И старт-рециркулятора, отличающийся тем, что с целью уменьшения времени преобразования введен RS-триггер, S-вход которого подключен к шине «Старт-импульс», R-вход - к шине «Стоп-импульс», а выход - к управляющему входу дополнительного счетчика импульсов, счетный вход которого соединен с выходом линии задержки старт-импульса рециркулятора старт-импульса, при этом объединенные С-входы всех m D-триггеров подключены к входу линии задержки стоп-импульса рециркулятора стоп-импульса, а их объединенные R-входы - к шине «Начальная установка» и к входу установки в исходное состояние дополнительного счетчика импульсов.