Цифровое устройство для измерения частоты Советский патент 1984 года по МПК G01R23/00 

выход объединен с первыми управляющими входами первого, третьего и шестого счетчиков, второй выход - с первыми управляющими входами второго, четвертого, седьмого счетчиков и с вторым управляющим входом третьего счетчика, а третий - с вторыми входами второго и третьего элементов И, третьи входы которых подключены соответственно к прямому и инверсному выходам четвертого элемента И, первый и второй входы которого соединены с инверсными выходами соответственно триггера и дешифратора нуля, а третий - с выходом третьего блока сравнения кодов, причем выход второго элемента И объединён с управляющим входом четвертого регистра, с третьим управляющим входом третьего счетчика, с первым управляющим входом nepBOto регистра, с вторыми управляющими входами второго и третьего регистров, первого, шестого счетчиков и с первыми управляющими входами пятого и восьмого счетчиков и с,5 -входом триггера, выход третьего элемента И объединен с четвертьм управляющим входом третьего счетчика, с третьими управляющими входами первого и шестого счетчиков и с вторыми управляющими входами второго, четвертого и седьмого счетчиков, при этом выходы последних соединены с информационными входами соответственно первого, третьего и шестого счетчиков, которые выходами подключены к информационным входам соответственно пятого счетчика, первого регистра и восьмого счетчика,выходы же последних соединены соответственно с вторыми, третьими и четвертыми информационными входами блока вычислений, пятые информационные входы которого подключены к выходам второго регистра и к вторым входам первого блока сравнения кодов, а шестые информационные входы - к выходам третьего регистра и к вторым входам второго блока сравнения кодов,выходом соединенного с вторым входом первого элемента И, к третьему входу которого подключен выход первого блока сравнения кодов, к четвертому - инверсный выход сумматора по модулю два, второй вход которого соединен с выходом четвертого регистра, а к пятому входу первого элемента И подключены объединенные прямой выход триггера и вторые управлякмцие входы пятого и восьмого счетчиков, третьи упрагшяюшие входы которых объединены с R -входом триггера, с BTopbjM управляющим входом первого регистра, с управляющим входом блока вычислений и через вторую линию задержки подключены к выходу первого элемента И.

ЦИФРОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗ- МЕРЕНИЯ ЧАСТОта, содержащее первый формирователь, входом подключенный к шине сигнала, эталонный генератор, выходом соединенный с входом второго формирователя, первую и вторую линии задержки, первый и второй счетчики, а также триггер, отличающеес я тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены последовательно соединенные стробоскопический смеситель, усилитель-расширитель, аналого-цифровой преобразователь, a также два регистра сдвига, шесть счетчиков, четыре регистра, блок вычислений, два блока вычитания, три блока сравнения кодов, сумматор по модулю два, дешифратор нуля, четыре элемента И, причем первый вход стробоскопического смесителя соединен с выходом первого формирователя и со счетными входами первого, второго,, третьего, четвертого и пятого счетчиков, a второй вход стробоскопического смесителя соединен с выходом второго формирователя, управляющий вход аналого-цифрового преобразователя подключен к управляющему входу первого регистра сдвига, к счетным входам шестого, седьмого и восьмого счетчиков, к первым входам первого, второго и третьего элементов И и через первую линию задержки - к управляющему входу второго регистра сдвига и к выходу эталонного Генератора, a цифровые выходы соединены с информационными входами первого регистра сдвига, с первыми информационнь ми входами блока вычисления и с первы- § ми входами первого и второго ЬлокОй сравнения кодов и первого блока вы- С// читания. выходами соединенного с первыми выходами третьего блока срав нения кодов, вторые входы которого под ключены к выходам дешифратора нуля и к первым выходам второго блока вычи тания, второй выход второго блока вычитания соединен с первым входом сумматора по модулю два, с первыми управ1 ляющимивходами второго и третьего $ регистров и с информационными входаdd Од ми четвертого регистра, первые входы второго блока вычитания объединены с первыми инфЬрмационными входами втораго и третьего регистров, -вторыми входами первого блока вычитания и с первыми выходами первого регистр сдвига, a вторые входы - с вторыми информационными входами второго и третьем го регистров и вторыми выходами первого регистра сдвига, при этом на выход второго регистра сдвига подан уровень логической 1, его первый

Изобретение относится к области измерительной и импульсной техники -и может быть использовано для измерения частоты периодических электрических сигналов,

Известен цифровой частотомер, содержащий эталонный генератор, формирователь импульсов, схемы совпадений, триггеры, ключи и счетчики. Работа устройства основана йа подсчете числа периодов неизвестной и эталонной частот в мериом интервале, границы которых образованы ближайшими импульсами совпадений сравниваемых частот D1

Однако данное устройство имеет большую погрешность измеренияв связи с тем, что и шyльcы сравниваемых последовательностей на выходах формирователей имеют конечную длительность, вследствие чего на выходе схем совпадений реализуются пакеты Импульсов совпадений, и мерный интервал при этом может формироваться по ближайшим импульсам совпадений, входяпщм в один пакет.

Наиболее близким к изобретению является цифровое устройство для сличения частот, содержащее первый формирователь, входом соединенный с шиной сигнала с неизвестной частотой, эталонный генератор, выходом подключенный к второму формирователю, первую и. вторую линию задержки, первый 3111 и второй счетчики, триггер, а также элемент совпадений, ключи и тригге1)ы. В этом устройстве устроена возможность получения погрешности измерения из-за формирования мерного интервала по ближайшим импульсам совпадений, входящим в один пакет 2 . ; Однако известное устройство также имеет погрешность измерения частоты, вызванную тем,что импульсы совпадеНИИ, образующие границы мерного интервала, могут являться результатом неточного совмещения сформированных импульсов эталонного генератора и сигнала с неизвестной частотой. Вслед ствие этого в мерный интервал укладывается в общем случае не целое число периодов одной из сличаемых последовательностей, в то время как результат измерений определяется по целому числу. . Целью изобретения является повьшение точности измерений. Поставленная цель достигается тем что в цифровое устройство для измерения частоты, содержащее первый формирователь, входом подключенный к шине сигнала, эталонный генератор, выходом соединенньш с входом второго формирователя, первую и вторую линии задержки, первый и второй счетчики, а также триггер, введены последовательно соединенные стробоскопический смеситель, усилитель-расширитель, аналого-цифровой, преобразователь, а также два регистра сдвига, шесть счетчиков, четьфе регистра, блок вычи лений, два блока вычитания, три блок сравнения кодов, сумматор по модулю два, дешифратор нуля, четыре элемента И, причем первый вход стробоскопи ческого смесителя соединен с выходом первого формирователя и со счетными входами первого, второго, третьего, четвертого и пятого счетчиков, а второй вход стробоскопического смеси теля соединен с выходом второго формирователя, управляющий вход аналого-цифрового преобразователя подключен к управляющему входу первого регистра сдвига, к счетным входам шестого, седьмого и восьмого счетчиков, к первым входам первого, второго и третьего элементов И и через первую линию задержки - к управляющему входу второго регистра сдвига и к выходу эталонного генератора, а цифровые выходы соединены с информационными входами первого регистра сдвига, с первыми информационными входами блока вычислений и с первыми входами первого, второго блоков сравнения кодов и первого блока вычитания, выходами соединенного с первыми входами третьего блока сравнения кодов, вторые входы которого подключены к входам дешифратора нуля и к первым выходам второго блока вычитания,второй выход второго блока вычитания соединен с первым входом сумматора по модулю два, с первыми управляющими входами второго и третьего регистров и с информационньм входом четвертого регистра, первые входы второго блока вычитания объединены с первыми информационны- . ми входами второго и третьего регистров, вторыми входами первого блока вычитания и с первыми выходами йервого регистра сдвига, а вторые входы с вторыми информационными входами второго и третьего регистров и вторыми выходами первого реристра сдвига, при этом на вход второго регистра сдвига подан уровень логической 1, его первый выход объединен с первыми управляющими входами первого, .третье го и шестого счетчиков, второй выходс первыми управляюш 1ми входами второго, четвертого, седьмого счетчиков и с вторым управляющим входом третьего счетчика, а третий - с вторыми входами втброго и третьего элементов И, третьи входы которых подключены соответственно к прямому и инверсному выходам четвертого элемента И, первый и второй входы которого соединены с инверсными выходами соответственно триггера и дешифратора нуля, а третий - с выходом третьего блока сравнения кодов, причём выход второго элемениа И объединен с управляющим входом четвертого регистра, с третьим управляющим входом третьего счетчика, с первым управляющим входом первого регистра, с вторыми управляющими входами второго и третьего регистров, первого, шестого счетчиков и первыми управляющими входами пятого и восьмого счетчиков и с 5 -входом триггера, выход третьего элемента И объединен с четвертым управляющим входом третьего счетчика, с третьими управляющими входами первого и шестого счетчиков и с вторыми управляющими входами второго, четвертого и седьмого счетчиков, при этом выходы пос51114ледник соединены с информационными входами соответственно первого, третьего и шестого счетчиков, которые выходами подключены к информационным входам соответственно пятого счетчика, первого регистра и восьмого счетчика, выходы же последних соединены соответственно с вторыми, третьими и четвер- ыми информационными входами блока вычислений, пятые информационные входы которого подключены к выходам второго регистра и к вторым входам первого блока сравнения кодов, а шестые информационные входы - к выходам третьего регистра и к вторым входам второго блока сравнения кодов, выходом соединенного с вторым входом первого элемента И, к третьему входу которого подключен выход первого блока сравнения кодов, к четвертому - инверсный выход сумматора по ьюдулю два, второй вход которого соединен с выходом четвертого пегистра, а к пятому входу первого элемента И подключены объединенные прямой выход триггера и вторые управ ляющие входы пятого и восьмого счетчиков, третьи управляющие входы кото рых объединены с R -входом триггера, с вторым управляющим входом первого регистра, с управляющим входом блока вычислений и через вторую линию задержки подключены к выходу первого элемента И. На фиг. 1 приведена структурная схема устройства; на фиг. 2 - времен ная диаграмма работы цифрового устройства для измерения частоты, поясняющая последовательность вьтолнения операций и взаимодействие блоков. Цифровое устройство для измерения частоты содержит (фиг. 1) первый формирователь 1, генератор 2 эталонный, второй формирователь 3, стробоскопический смеситель 4, усилительрасширитель 5, преобразователь 6 аналого-цифровой (АЦП), первую линию 7 задержки, первый регистр 8 сдвига, второй регистр 9 сдвига, первый вось мой счетчики 10-17 соответственно, первый регистр 18, второй регистр 19 первый блок 20 вычитания, третий регистр 21, блок 22 вычислений, четвер тый регистр 23, второй блок 24 вычит ния, первый блок 25 сравнения кодов, сумматор 26 по модулю два, второй и третий блоки 27 и 28 сравнения кодов, депшфратор 29 нуля, первый элемент И 30, триггер 31, второй элемент И 32, вторую линию 33 задержки, третий и четвертый элементы И 34 и 35. Вход формирователя 1 подключен к шине исследуемого сигнала. Выход генератора 2 соединен с входом формирователя 3. Первый вход стробоскопического смесителя 4 соединен с выходом формирователя 1 и со счетными входами счетчиков 10-14, второй вход - с выходом формирователя 3, а выход через усилитель-расширитель 5 - с информационным входом А1Ш 6. Управляющий вход АЦП 6 подключен к управляющему входу первого регистра 8 сдвига, к счетным входам счетчиков 15-17, к первым входам элементов И 30, 32 и 34 и через линию 7 задержки - к управляющему входу второго регистра 9 сдвига и к выходу генератора 2, а цифровые входы - к информационным вхрдам первого регистра 8 сдвига, к первым информационным входам блока 22 вычислений и к первым входам первого и второго блоков 25 и 27сравнения кодов и первого блока 20 вычитания. Выходы последнего соединены с первыми входами третьего блока 28сравнения кодов, вторые входы которого подключены к входам дешифратора 29 нуля и к первым выходам второго блока 24 вычитания. Второй выход блока 24 соединен с первым входом сумматора 26 по модулю два, с первыми управляющими входами регистров 19,и 21 и с информационным входом регистра 23. Первые входы блока 24 вычитания объединены с вторыми информационными входами блока 20 вычитания и с первыми выходами регистра 8 сдвига, а вторые входы - с торыми информационными входами регистров 19, 21 и вторыми выходами регистра 8 сдвига. При этом на вход регистра 9 сдвига подан уровень логической 1. Его первый вькод объединен с первыми управляющими входами счетчиков 10, 12и 15, второй выход - с первыми управляющими входами счетчиков 11, 13и 16 с вторым управляющим входом счетчика 12, а третий - с вторыми входами элементов И 32 и 34, третьи входы которых подключены соответственно к прямому и инверсному выходам элемента И 35, первый и второй входы которого соединены с инверсными выходами соответственно триггера 31 и дешифратора 29 нуля, а третий - с выходом блока 28 сравнения кодов. Вы711

код элемента И 32 объединен с управляющим входом регистра 23, с третьим управляющим входом счетчика 12, с вторыми, управляющими входами регистров 18, 19 и 21, счетчиков 10, 15 и с первь№ги управляющими входами счетчиков 14 и 17, и с 5 -входом триггера 31. Выход элемента И 34 объединен с четвертым управляющим входом счетчика 12, с третьими управляющими входами счетчиков 10 и 15 и с вторыми управляющими входами счетчиков 11, 13 и 16,- Выходы последних соединены с информационными входами счетчиков соответственно 10, 12 и 15, которые выходами подключены к информационным входам соответственно счетчика 14, регистра 18 и счетчика 17, выходы которых соединены соответственно с вторыми, третьими и четвертыми информационными входами блока 22 вычислений, пятые информационные входы которого подключены к выходам регистра 19 и к вторым входам блока 25 сравне ния кодов, а шестые - к выходам регистра 21 и к вторым входам блока 27 сравнения кодов, выходом соединен ного с вторым входом элемента И 30. К третьему входу элемента И 30 подключен выход блока 25 сравнения кодов, к четвертому - инверсный выход сумматора 26 по модулю два, второй вход которого соединен с выходом регистра 23, к пятому входу элемента И 30 подключены объединенные прямой выход триггера 31 и вторые управляющие входы счетчиков 14 и 17, третьи управляющие входы которых объединены с R -входом триггера 31, с вторым управляющим входом регистра 18 и управляющим входом блока 22 вычислений и через линию 33 задержки подключены к выходу элемента И 30.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии аппаратура АЦП 6, регистры 8 и 9 сдвига, счетчики 10-17, регистры 18, 19, 21, 23 и блок 22 вычислений, триггер 31 установлены в О. На вход формирователя 1 подают сигнал с неизвестной частотой. Формирователь 1 формирует исследуемую последовательность им пульсов, имеющих на фронтах линейные участки и следующих с частотой исследуемого сигнала (фиг. 25). Эти импульсы поступают на первый вход стробоскопического смесителя 4. На

В

второй вход последнего через формирователь 3 строб-импульсов подаются импульсы генератора 2 (фиг. 2 q), Выборки с выхода смесителя 4 (фиг. 2))

усиливаются и расширяются до необходимой длительности усилителем-расширителем 5 и поступают на вход АЦП 6, который по переднему фронту каждого импульса генератора 2 осуществляет

преобразование амплитуды выборки в цифровой код. Этот код поступает на информационные входы регистра 8 сдвига и записьшается в его .первые разряды. Запись и сдвиг осуществляются

по заднему фронту каждого импульса генератора 2. Линия 7 необходима для компенсации задержки в формирователе 3, смесителе 4, усилителе-расширителе 5, а также в регистре 9 сдвига.

Устройство выбирает первую и вторую выборки - две следукмцих подряд выборки линейного участка фронта расширенного сигнала, для чего непрерывт но анализирует три следуюпщх подряд

выборки и , и и UT . Код выборки с амплитудой и хранится во вторых разрядах регистра 8 сдвига, код О в первых, код ит имеется на выходе АЦП 6. Выполнение условий

Гли, ли rAebu, , , . ,о

является признаком того, что выборки с амплитудами U , U лежат на линейном участке фронта расширенного сигнала. Последовательный анализ поступающих выборок позволяет выявить выборки, удовлетворяющие условиям (1), котЬрые и принимают в качестве первой и второй выборок с амплитудами U и U соответственно, причем в качестве первой всегда принимают ту из выбьрок, амплитуда которой меньше, т.е.

Ги, и,

если u-iu ; u,.u

Ги, и,

если u,u

Затем устройство переходит в режим выбора третьей выборки .с амплитудой Uj, если в качестве которой принимают 55 j выборку, лежащую на том же фронте, что и первая и вторая, но следующего расширенного сигнала, амплитуда которой удовлетворяет условию 1 U,,. Подсчитав число Nr Q периодов эталон ной и число NX, периодов исследуемой последовательностей в мерном интервале, в качестве границ которого выбираются первая и третья выборки, а также подсчитав число N у периодов исследуемой последовательности в интервале между первой и второй выборками, устройство рассчитывает период Tj( следования импульсов исследуемой последовательности по формула (,, С° ,ecftMN.i -:j--, к--::. где TQ - период следования импульсов эталонного генератора 2. После этого устройство автоматически переходит к новому циклу измер ний, т.е. выбирает новые первую и вторую выборки, причем анализ амплитуд поступающих выборок на вьтолнение условий (1) ведется .и в режиме выбора третьей выборки в предьщущем цикле измерений, а также выбирает новую третью выборку. Таким образом, описанные операции циклически повторяются. Результаты ряда последовательньпс измерений Т могут быть использованы для накопления и статисти ческого усреднения измеряемой величины Ту, что даст возможность еще более повысить точность измерений. Рассмотрим более подробно работу блоюов предлагаемого устройства. По переднему фронту первого после момента включения импульса генератор 2 в первый разряд регистра 9 сдвига заносится 1 . При этом на первых уп равляющих входах счетчиков 10, 12 и 15 появляется сигнал, разрешающий счет . По переднему фронтувторого импул са генератора 2 1 появляется и во втором разряде регистра 9 сдвига. При этом разрешается работа счетчико 610 11, 1.3, 16 и запрещается работа счетчика 12, в котором.при этом оказывается подсчитанным число Мц импульсов исследуемой последовательности в интервале времени между первым и вторым импульсами генератора 2. Для получения правильного результата измерений необходимо выбрать две следующих подряд выборки, лежащие на линейном участке фронта расширенного сигнала. Эту операцию осуществляют регистр 8, блоки 2б, 24, 28 .дешифратора 29, триггер 31, элементы 32, 34 и 35. После третьего и всех последующих импульсов генератора 2 во всех трех разрядах регистра 9 сдвига имеется 1, вследствие чего на вторых входах элементов 32 и 34 появляется потенциал, разрешающий анализ кода амплитуд трех последовательных выборок - Ц , записанного во вторых разрядах регистра 8 сдвига, U. , записан ного в первых разрядах регистра 8 . сдвига и Jт - амплитуды текущей выборки на выходе АЦП 6. На первых выходах блока 24 вычитания все время имеется разность (1 и - и , на втором его выходе - знак разности uU , а на выходах блока 20 формируется раз HocTbi.U2 UT - и в случае, если условия (1) не вьшолняются, по импульсу генератора 2 производится перезапись содержимого счетчика 11 э счетчик 10, содержимого счетчика 13 в , счетчик 1.2, а счетчика 16 - в счетчик 15, так как становится очевидным, что выборка с амплитудой U не лежит на линейном участке фронта расщиренного сигнала, и величины, подсчитанные счетчиками 10, 12 и 15, для расче тов не потребуется. После перезаписи (по заднему фронту импульса генератора 2) счетчики 11, 13 и 16 устанавливаются в О и начинают работу сначала. Аналогичные действия производятся, если условия (1) вьшолняются, но устройство уже находится в режиме выбора третьей выборки, т.е. первая и вторая выборки с амплитудами и,и и выбраны и устройство ожидает появлеНИН выборки с амплитудой, удовлетворяющей условию.(2) и лежащей на том же фронте расширенного сигнала, что первая и вторая выборки. Только при вьтолнении условий (1) и отсутствии признака режима выбора третьей выборки, т.е. если триггер 31 установлен в О, по переднему /фронту сигнала с выхода элемента . И 32 производится перезапись информ дни из счетчиков 10, 12 и 15 соответственно в счетчик 14, регистр 18 и в счетчик 17, триггер 31 устанавливается в 1, что является признаком работы устройства в режиме выбора третьей выборки. Одновременно CHR нал с прямого выхода триггера 31 разрешает работу счетчиков 14 и 17. По заднему фронту сигнала с выхода элемента 32 производится сброс счетчиков 10, 12 и 15. Кроме того, в регистр 23 записьшается знак разности Ml) . Этот же знак управляет записью информации в регистры 19 и 21. Если iSiLli О, то в регистр 19 записывается код выборки из вторых разрядов регистра 8 сдвига, а в ре гистр 21 - из первых. Если же и, -с О, то в регистр 19 записывается код выборки из первых разрядов регистра 8 сдвига, а в регистр 21 - из вторых. Регистр 19 является блоком хранения первой выборки с амплитудой Ui , регистр 21 - блок хранения второй выбор ки с амплитудой ц 2 В режиме выбора третьей выборки дополнительно производятся следующие действия. По каждому импульсу генератора 2 проверяются: лежит ли текущая выборка с амплитудой , код которой имеется в данный момент вре-. мени на выходе АЦП 6, на том же фронте расширенного сигнала, что первая и вторая выборки, для чего сумматором 26 проверяется, одинаковы ли знаки 6, U (который хранится в регистре 23) и ли, имеющийся в настоящий момент на втором выходе блока 24 вьгаитания; удовлетворяет ли 6612 UT условию (2),которое Проверяют блоки 25, 27 сравнения кодов и элемент И 30. . Если текущая выборка лежит на том же фронте расширенного сигнала, что и первая и вторая выборки, или ее амплитуда не удовлетворяет условию (2), устройство остается в режиме выбора третьей выборки. Если же текущая выборка удовлетворяет требованиям к третьей выборке, то сигнал с выхода элемента И 30 через линию 33 задержки ( с Сц , где t ц длительность импульса генератора 2, так как счетчики 10-17 ведут счет по заднему фронту поступанмцих на их входы импульсов), выключает счетчик 14, в котором оказывается подсчитанным число NX , выключает счетчик 7, в котором подсчитано число Q , производит считьшание в блок 22 вычислений информации из регистров 21. (коД Uj) 19 (код U, ), 18 (число Нх) счетчиков 14 и 17, кода U|- 11 с выхода АЦП 6, устанавливает триггер 31 в О, т.е. снимает признак Выбора третьей выборки и раэрешает переход к следующему циклу из-. мерений, а также включает блок 22 вычислений, который пи полученным в данном цикле исходным данным рассчитывает Ту. Максимальное значение погрешности может достигать величины C K2« M-J) Точность измерений предлагаемого устройства по сравнению с известным устройством может повышаться до величины, определяемой этим соотношением.

v.

:

к

:::

«Si

Ч)

N

(vi

Csj

а-н

4i

к