Частотомер Советский патент 1983 года по МПК G01R23/00 

(5) ЧАСТОТОМЕР

- . ..-:- Изобретение относится к измерител ной технике, преднаэначённо для изме рения частоты следования импульсов, и может быть использовано при исследовании деформации попаток авиационных двигателей в экспл уатацион-. ных :режимах, а также для измерения частоть процессов малой скорости, в частности в медицине, в кардиологической аппаратуре для контроля за сердечной деятельностью человека. - . i - - - . . Известен измеритель частоты следования электрических импульсов, со держащий преобразователь, реализующий обратную функцию и состоящий из времязадающей цепи, разрядного ключа, ЙС-цепей с коммутирующими элементами, выполненными на диодах, устройство выборки и хранения, вы. полненное иа дополнительном диоде, выполняющем роль ключа, запоминающем конденсаторе и формировате-ле на полевом транзисторе, преобразователь напряжение-время и счет чик импульсов Cl Однако известный измеритель ело- . жен при настройке, имеет низкую точность измерения из-за температурной нестабильности диодов, коммутируют щих времязадающие Rt-цепи, кроме того, измеритель имеет также низкую надежность из-за наличия в нем блока выборки и хранения (допЬлнительного диода, запоминающего конденсатора и формирователя на полевом транзисторе ).. . Наиболее близким к предложенному частотомеру является .частотный демодулятор-преобразователь частоты в напряжение постоянного тока, содержащий два одновибратора,элемент ИЛИ-НЕ, генератор импульсов, аппроксимирующих гиперболическую функцию, включающий электронный ключ разряда, времязадающие резисторы и конденсатор, коммутирующий вентиль, выполненный на диоде, электронный ключ заряда. 310 устройство выборки и,хранения, состоящее из транзисторного повторителя напряжения схемы фиксации и запоминающегб конденсатора, причем вход первого одновибратора соединен с входной шиной, а выход - с входом второго одновибратора, с управляющими входами генератора импульсов,устройства выборки и хранения и с первым входом элемента ИЛИ-НЕ, второй вход которогоподключен к выходу вто рого одновибратора, а выход элемента ИЛИ-Н.Е подключен к входу генератора гиперболических функций, выход которого соединен с входом устройства выборки и хранения, выход которого соединен с выходомустройства .Недостатком известного устрой- ; ства является низкая надежность, обусловленная сложностью последнего из-за наличия в нем устройства вы борки-хранения , транзисторного по;вторителя напряжения, схемы фиксации, и запоминающего конденсатора. Устройство обладает сложностью настройки при серийном производстве, вызванной необходимостью отбора элементов в генераторе импульсов, аппро симирующих гиперболическую функцию, коммутирующего вентили Лдиода ) из-за разли1 ия параметров вольт-амперных характеристик выпускаемых промышленностью экземпляров этого элемента. Присутствие во времязадающей цепи генератора импульсов, аппроксимирующих гиперболическую функцию, коммутирующего диода (элемента с нелинейной вольт-амперной характеристикой, зависящей от температуры) приводит к большой температурной нестабильности устройства, вследствие которого последнее облад ;ет значительной погреш ностью измерения частоты в диапазоне рабочих температур, равной для кремниевых диодов по предварительным подсчетам А-5%. Если учесть, что прямое напряжени диода, например КД 512 А, изменяется в диапазоне рабочих температур от 0,4 в до 1 В, то погрешность, определяемая как iJnj.r..100%, где прямое напряжение диода при минимальной температуре; hbf прямое напряжение диода при максимальной температуре;, и - зарядное .напряжение. 9 составляет 100 Германиевые диоды, примененные в коммутирующих вентилях, имеют большие токи утечки при повышенной температуре. Таким образом, известное устройство обладает большой температурной нестабильностью. Цель изобретения - повышение точности измерения частоты и повышение надежности устройства. Поставленная цель достигается тем, что в частотомере, содержащем два одновибратора, источник опорного напряжения, конденсатор, ключ разряда и «люч заряда, вход которого подключен к выходу источника опорного напряжения, управляющий вход клоча заряда соединен с выходом первого одновибратора, а выход ключа заряда подклочен к первому выводу конденсатора и выходу ключа разряда, вход которого подключен к второму выводу конденсатора, введены два триггера, блок дифференцирования, дополнительный ключ разряда, дополнительный источник опорного напряжения, первый вход первого триггера подключен к шине запуска устройства, второй Вход первого триггера соединен с входной шинбй устройства и с первым входом второго триггера, выход первого триггера подключен к входу первого одновибратора и к первому входу второго одновибратора, выход первого одновибратора соединен с входом блока дифференцирования, выход которого подключен к второму входу второго триггера, выход которого соединен с управляющим входом ключа разряда и с вторым входом второго од-; новибратора,выход которого подключен к управляющему входу дополнительного ключа разряда, вход которого соединен с- выходом дополнительного источника опорного напряжения и с вхо.дом ключа разряда, а выход дополнительного ключа разряда подключен к выходу ключа разряда и к выходной шине устройства. На фиг. 1 приведена блок-схема частотомера; на фиг. 2 - временные диаграммы работы частотомера. Частотомер содержит первый источник 1 и дополнительный источник 2 опорного напряжения, формирователь 3 импульсов, аппроксимирующих гиперболическую функцию, с входящим в него ключом 4 заряда и экспоненциальным преобразователем S, состоящим из кон денсатора 6, ключа 7 разряда и дополнительного ключа 8 разряда, первый .и второй триггеры 9 и 10, первый и второй одновибраторы 11 и 12, блок 13 дифференцирования, входную и выходную шины 1 и 15 шину 16 зйпуска. Частотомер работает следующим образом. В исходном состоянии на выходах первого и второго триггеров 9 и 10, а также на. выходе первого одновибратора 11 присутствуют высокие уровни напряжения (соответствующие уровню логической 1), а на выходе второго одновибратора 12 - низкий уровень напряжения (соответствующий уровню логического О). Импульсы, частота следования которых подлежит измерению, поступают на входную шину 14 (фиг. 1 и 2,а ). J Запуск iJacTOTOMepa вработу производится сигналом Пуск (фиг.2,б) поступающим с шины 16 запуска на первый вход первого триггера 9 в момент времени i. При этом первый триггер 9 изменяет напряжение на сво ем выходе с высокого уровня на низкий (логический О j|. С приходим на второй вход первого триггера 9 и на первый вход второго триггера 10 в мо мент времени 2 с входной шины lA пе вого импульса импульсной последовательности, первый триггер 9 взводится с появлением на его выходе высоко го уровня напряжения (фиг. 2, в), а второй триггер 10 - сбрасывается, отчего высокий уровень напряжения на его выходе сменяется на низкий (фиг. 2,ж). Положительный перепад на пряжения, поступая с выхода первого триггера 9 в момент времени i, входы первого и второго одновибраторов 11 и 12, запускает последние, в результате чего на выходе первого од новибратора 11 формируется импульс низкого уровня.напряжения (уровня ло гичес.кого О ) с момента времени t2 до момента времени 1з (фиг. 2,г), а на выходе второго одновибратора 12 формируется импульс высокого уровня напряженйя (уровня логической 1) тС момента времени ПО момента 4:4 (фиг. 2,д. С выхода первого одновибратора 11 импульс низкого уровня напряжения поступает на вход блока 13 и на управляющий вход ключа t, запуская формирователь 3 импульсов, аппроксимирующих гиперболическую функцию, работа которого реализуется следующим образом. На время действия на управляющем Входе ключа Ц импульса нулевого уровня напряжения, ключ k замыкается с момента времени 2 Д° момента tз в результате чего конденсатор 6 экспоненциального преобразователя 5 заряжается до напряжения (фиг. 2,з) и. , (О где Ugf, величина опорного напряжения источника 1; и 2 величина опорного напряжения источника 2. Положительный импульс с выхода блока 13, соответствующий положительному перепаду напряжения импульса первого одновибратора 11 на ее входе (фиг. 2,е), поступает в момент времени 3 второй вход второго триггера 10 и взводит его. На выходе второго триггера 10 с момента t образуется напряжение высокого уровня (фиг. 2, ж), которое, поступая на управляющий вход ключа 7, замыкает последний. При этом конденсатор 6 в момент времени tj отсоединяется ключом Ц от источников опорного напряжения и разряжается с момента времени t j до момента времени ;/. через резисторы, входящие в состав ключа 7 разряда и дополнительного к.пюча 8 разряда, с напряжения 0 по экспоненциальному закону, аппроксимирующему гиперболический закон изменения напряжения V,K-jri где К - коэффициент пропорциональности, в первом временном интервалеV(lJon.-4,n2/« -t-to-J а выходное напряжание всег-о устройства (на выходной шине 15) U,,2- U) где С - величина емкости конденсатора 6; величины сопротиппр.ний резисторов соответственно ключа 7 и дополни тепьного ключа 8; ictA интервал времени задержки н чала формирования напряжения и Оормируемый первым одновибратором 11 с целью расширения диапазона аппрок симации (временного инУервала); ЛТ , (k) в котором осуществляется наилучшее приближение экспоненциальной функций к гиперболе (т.е. приближение с наименьшей погрешностью аппроксимации), где Т период минимальной частоты, подлежащей измерению; Т - период максимальной частоты подлежащей измерению. Величину интервала11ддцелесорбразно выбирать из соотношения 4с.л -Г ппп По окончании действия импульса на управляющем входе дополнительного ключа 8 с момента времени последний размыкается, отключая pe3Vic тор дополнительного ключа 8 от время задающейцепи (от разряжающегося кон денсатора 6), вследствие чего с момента t4 конденсатор 6 разряжается по экспоненциальному закону, аппроксимирующему гиперболический во втором впеменном интервале Ат2 б-Ь4 i ОП1-%П2) iЧ-Ч зo)Номинальные величины емкости конденсатора 6, первого и второго резисторов ключа 7 и дополнительного клю ча 8, Величи oi опорных напряжений . Уор«2 а также величину временного интервала задержки й двыбирают из условий получения на вь1ходе формирователя 3 импульсов, аппроксимирующих гиперболическую функцию во временном интервале ЛТ tnin напряжения, аппроксимирующего гиперболическое напряжение с миниМаль ной погрешностью. Второй импульс импульсной последовательности, пришедший в момент времени tt на первый вход второго триггера 10, сбрасывает последний изменяя уровень его выходного напряжения с высокого на низкий, который поступая на управляющий вход ключа 7 размыкает его. Тот же низкий уровень напряжения, поступая с выхода втррого триггера 10, на второй вход (вход сброса) второго одновибратора 12, прерывает генерацию импульса с его выхода (т.е. принудительно устанавливает низкий уровень напряжения на его выходе независимо от стадии формирования выходного напряжения этого одновибратора). Дополнительный ключ 8 размыкается в момент времени срыва генерации второго одновибратора 12 под действием низкого уровня напряжения (уровня логического О) поступившего на его управляющий вход с выхода второго одновибратора 12. При этом цепи разряда конденсатора 6 с момента прихода очередного импульса являются разорванными (отключенными от . потенциального вывода последнего). Напряжение на конденсаторе 6, а также напряжение и.на выходной шине 15 устройства остается неизменным (постоянным) с момента tt и в течение всего последующего времени до нового цикла измерений (фиг. 2, з,и5Ь(х)Таким образом, с момента времени tg поступления на входную шину 14 устройства второго импульса импульсной последовательности, на выходной шине 15 устройства устанавливается напряжение и„.,пропорциональное частоте следования этого импульса с погрешностью измерения, обусловленной минимальной погрешностью аппроксимации гиперболической функции кусочноэкспоненциальной в заданном диапазоне измерений. I .. Предлагаемый частотомер отличается от известного большей надежностью, так как в нем отсутствует устройство выборки и хранения. В предлагаемом устройстве эту функцию выполняет конденсатор экспоненциального преобразователя, входящего в формирователь импульсов, аппроксимирующих гиперболическую функцию. Устройство характеризуется простотой настройки, так как не имеет Bd времязадающих цепях экспоненциального преобразователя диода. Предлагаемое устройство обладает высокой точностью измерения, за счет отсутствия в его.времязадающих цепях диода (элемента, вольт-амперная характеристика которого зависит от температуры), присутствие которого в прототипе приводит к температурной нестабильности последнего,,а следовательно, и к погрешности измерения, составляющей в прототипе только от влияния диода - S% В отличие от прототипа, изготовление которого невозможно в интегральном исполнении из-за наличия в составе времязадающей цепи его формирователя импульсов, аппроксимирующих гиперболическую функцию, коммутирующего диода, требующего отбора при Серийном производстве, в силунеоднозначности вольт-амперной характеристики каждого изготовляемого промьяиленностью образца этого элемента, предлагаемое устройство позволяет реализацию в интегральном исполнении, так как в составе его времязадающей цепи нет элементов, имеющих после технологического процесса неоднозначные характеристики. Высокая fb4HOCTb измерения частоты предлагаемьм устройством обеспечивается тем, что предлагаемое устройство реализует в последнем (во втором) аппроксимирующем временном интервале ( dtrt t/ - t) аппроксимацию гиперболической зависимости экспоненциальной зависимостью с постоянным слагаемым аппроксимирующей экспоненты, благодаря введению в предлагаемое устройство второго источника опорного напряжения. Кроме того, приближение к гиперболической функции экспоненциальной функции достигается лучшее (более точное, с меньшей погрешностью аппроксимации), если приближаемая экспоненциальная функция имеет постоянное слагаемое. Формула изобретения Частотомер, содержащий два одновибратора, источник опорного напряжения, 1 онденсатор, к/ноч разряда и кшч за100910 ряда, вход которого подключен к выходу источника опорного напряжения, управляющий вход ключа заряда соединен с выходом первого одновибратора, а выход ключа заряда подключен к первому выводу конденсатора и к выходу ключа разряда, вход которого подключен к второму выводу конденсатора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и повышения надежности, в него введены два триггера, блок дифференцирования, допол- , нительный ключ разряда, дополнительный источник опорного напряжения, первый вход первого триггера подключен к шине запуска устройства, второй вход первого триггера соединен с входной шиной устройства и с первым входом второго триггера, выход первого триггера подключен к входу первого одновибратора и к первому входу вторбго одновибратора, выход первого одновибратора соединен с входом блока дифференцирования, выход которого подключен к второму входу второго триггера, выход которого соединен с управляющим входом ключа разряда и с вторым входом второго одновибратора, выход которого подключен к управляющему входу дополнительного ключа разряда, вход которого соединен с выxoдo 5 дополнительного источника опорного напряжения и с входом ключа разряда, а выход дополнительного к/ж)ча разряда подключен к выходу ключаразряда и к выходной ине устройства. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1t Авторское свидетельство СССР № 532823, кл. G 01 R 23/00, 1975. 2. Авторское свидетельство СССР № , кл. Н 03 К 13/02, 1980 (прототип).