Способ измерения частоты Советский патент 1984 года по МПК G01R23/10 

111 Изобретение относится кизмерительной и импульсной технике и может быть использовано для измерения частоты пеоиолических сигналов. Известен способ измерения частоты основанный на сравнении во времени послеповательностей неизвестной и эталонной частотJ подсчете числа периодов неизвестной и эталонной часто в интервале измерения, границь которого образованы ближайшими импульсами совпадения сравниваемых последовательностей l J. Однако способ характеризуется большой погрешностью измерения, Наиболее близким к изобретению является способ измерения частоты, заключающийся в сравнении во времени импульсных последовательностей измеряемой и эталонной частот и подсчете числа и fflyльcoв измеряемой и эталонной частот в интервале измерения, границы которого образованы одинаковыми по порядку импульсами из ближай пшх пачек импульсов совпадений срав ниваемых последовательностей , Известный способ также имеет значительную погрешность измерения частоты из-за неточного совмещения импульсов сравниваемых последовательностей. Вследствие этого в интервал измерения укладывается в общем случа не целое число периодов одной из сравниваемых последовательностей, в то время как результат измерений определяется по целому числу. Цель изобретения - повышение точности измерения частоты Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения частоты, заключающемуся в сравнении во времени импульсных последовательностей измеряемой и эталонной частот и подсчете числа импульсов эталонной и измеряемой частот в интервале измерения , формируют линейный участок на одном из -ронтов импульсов измеряемой частоты, стробируют полученную последовательность импульсами эталонной частоты и вьщеляют пачки импульсов, амплитуды которых пропорциональны мгновенным значениям в точ ках стробирования и превышают заданное пороговое значение, выбирают два следующих один за другим импульса в начале или в конце первой пачки и измеряют их амплитуды, причем первым импульс является.началом интервала измерения, выбирают ближайший к началу или концу второй пачки импульСу амплитуда которого лежит в пределах между амплитудами первых двух импульсов, и измеряют ее. причем этот импульс является концом интервала измерения, подсчитывают число импульсов измеряемой частоты между первыми двумя импульсами и определяют измеряемую частоту по формуле... ы .- иГл приМхг ««(«0.)- 1у1ГГ Uj-U, npHN,,, где Fjj, FQ - измеряемая и эталонная частоты; Nj, , число импульсов измеряемой и эталонной частот в интервале измерения;Х2 ° импульсов измеряемой частоты между первым и вторым импульсами; и ,1) , амплитуды первого, второго и третьего импульсов. На фиг. 1 представлена диаграмма, иллюстрирующая стробирование импульсов исследуемой частоты импульсами эталонной частоты; на фиг. 2 - структурная электрическая схема варианта устройства измерения частоты, реализуюш;его предлагаемый способ. Устройство содержит формирователь 1 импульсов треугольной формы, силитель-расширитель 2, строб- смеситель 3, генератор 4 строб-импульсов эталонной частоты, пороговый элемент 5, блок 6 выделения первого импульса пачки, состоящий из счетчика 7, регистра 8, элемента 9 сравнения кодов и ключа 10, одновибратор 11, триггер 12 со счетным входом, триггеры 13 и 14 RS-типа, элементы И 15 и 16, счетчики 17 - 20, дешифратор 21, ключи 22 - 25, аналогоцифровой преобразователь 26, регистры 27 - 29, элементы 30 и 31 сравнения кодов и блок 32 вьмислений. Первый вход строб-смесителя 3 соединен с выходом генератора 4 строб-импульсов, первым входом блока 6 вьщеления первого импульса пачки и импульсным входом ключа 22. Второй вход строб-смесителя 3 соединен с выходом формирователя 1 импульсов и импульсньми входами ключей 23 и 24, а выход через усилитель-расширитель 2 подключен к импульсному входу ключа 25 и входу порогового элемента 5, Выход последнего соединен с управляющими входами ключа 25, выход которого подключен к второму входу блока 6, первому входу элемента И 15 и входу аналогоцифрового преобразователя 26. Выход блока 6 подключен к входу триггера 12, выход которого соединен с вто рым входом элемента И 15 и через одновибратор 11 с первыми входами триггеров 13 и 14. Выход триггера 13 подключен к управляющим входам ключей 22 и 23. Выход триггера 14 соединен с управляющим входом ключа 24 При этом выходы ключей 22 - 24 соответственно соединены с входами счетчиков 18 - 20, Вход счетчика 17 подключен к выходу элемента И 15, а выход - к входу дешифратора 21, первый выход которого соединен с управляющим входом регистра 27, а второй выход с управляющим входом регистра 28, и вторым входом триггера 14. Выход аналого-цифрового преобразователя 26 подключен к информационным входам регистров 27 - 29 и первым входам элементов 30 и 31 сравнения кодов, вторые входы которых соответственно соединены с выходами регистров 27 и 28. Выходы элементов 30 и 31 сравнения кодов подключены к со ответствующим входам элемена И 16, выход которого соединен с вторым входом триггера 13 и управляющими входами регистра 29 и блока 32 вычислений. Выходы счетчиков 18 - 20, регистров 27-29 подключены к соответствующим входам блока 32 вычислений. Первым входом блока 6 вьделения первого импульса пачки является импульсный вход счетчика 7, вторым вх дом - объединенные управляющие входы счетчика 7, регистра 8 и импульсный вход ключа 10, а выходом - выход ключа 10. Внутри блока 6 выход счетчика 7 соединен с информационным входом регистра 8 и первым входом элемента 9 сравнения кодов, второй вход которого подключен к выходу регистра 8. Выход элемента 9 сравнения кодов соединен с управляющим входом ключа 10. Способ осуществляется следующим образом. Формируют исследуемую последовательность импульсов, следующих с. периодом Tw исследуемой частоты таким образом, чтобы на одном из фронтов был участок, близкий к линейному (фиг. 1§). Стробир-уют полученную последовательность импульсов исследуемой частоты импульсами эталонной частоты и выделяют импульсы, амлитуда которых пропорциональна величине сигнала исследуемой частоты в точке стробирования. Формируют пачки из тех выделенных иьтульсов, амплитуда которых превышает заданное пороговое значение Последнее выбирают так, чтобы пачки начинались или заканчивались теми импульсами, которые получены при стробировании линейных участков стробируемых импульсов. Это облегчает выбор первого и второго импульсов, в качестве которь х принимают два следующих по поряд ку импульса первой пачки, расположенных либо в начале пачки, либо в конце. Это будут импульсы, полученные при стробировании линейного участка, i Затем выбирают третий импульс, в качестве которого принимают ийпульс в начале пачкн, если первый и второй импульсы пачки выбраны в начале своей пачки, или в конце пачки, если первый и второй импульсы выбраны в конце пачки. Подсчитывают число f импульсов эталонной и число ti импульсов исследуемой последовательноетей в интервале измерения, в качестве границ которого выбираются первый и третий импульсы. Подсчитывают число Нц2 импульсов исследуемой последовательности в интервале между первым и вторым импульсами. Определяют амплитуды U.J , U и и соответственно первого, второго и третьего импульсов. 5 По измеренным данным рассчитьго JOT период Т следования .импульсов исследуемой последовательности с мощью 1расчетнь1х соотношений з-и.л ) , NXJ(OI u,-u,r ПриНх, IN Покажем справедливость расчетн соотношений (1) и (2). Известно, что стробоскопическо преобразование в зависимости от с ношения периодов Т. и TQ стробиру и стробирующей последовательносте импульсов может реализоваться как в прямом так и в обратном направл ниях. При стробировании в прямом правлении период Т следования рас ренного сигнала определяется след щим равенством ТоТх TO-«T, а при стробировании в обратном на правлении равенством Ы-L кТх-То где к - коэффициент кратности пер дов TO и Т;(, удовлетворяющий нера ству /Тц-кТ | Т /2 (коэффициент и Т эталон кратности периодов Т и исследуемой последовательностей (фиг. 1) равен 2). Эти уравнения могут быть использованы для получ расчетных соотношений. Из соотношения (3) получается венство „ ТТо KT+TO из соотношения (4) - равенство ТТо Т X кТ-Т, Таким образом, для определения Искомого значения необходимо опре лить период Т расширенного сигнал значение параметра к, а также направление, в котором осутдествляет стробирование. 6 Для определения параметра К рассмотрим пачки импульсов, полученные в результате стробоскопического преобразования (фиг. 1г). Легко проверить, что для любого временного интервала начальной и конечной границами которого являются произвольные импульсы из соответственно нулевой и п-й (,1,2.,.) пачек, и в который укладываются N(, периодов (импульсов) исследуемой и эталонной последовательностей справе,цливо уравнение. (7) при стробировании в прямом направлении и уравнение kNQ-Nj n при стробировании в обратном направлении . Из уравнений (7) и (8) следует, что для любого интервала между импульсами, входящими в одну пачку, имеет место равенство ,,(9) откуда для интервала между ближайшими иьтульсами () имеет место равенствоСледовательно, для определения параметра к достаточно считать чисЛ.О N,,nMnynbcoB (периодов) исследуемой последовательности меаду первым и вторым импульсами первой пачки, ле/jcatttHNM на линейном участке фронта первого расширенного сигнала. Из уравнений (7) и (8) следует, что для интервала измерения между первым и третьим импульсами, в который укладывается N и N импульсов (периодов) соответственно эталонной и исследуемой последовательностей, имеет место равенство NX, -kNo, 1 при стробировании в прямом направлении,либо равенство kNo-Nx,1 при стробнровании в ббратном направлении. При этом в первом случае имеет место неравенство k , (12) NOINOI a БО втором - неравенство 1, nil Njsi Таким образом, определив k из уравнения (9) при N(,1 и проверив неравенства (12) и (13), можно определить, какое из уравнений (5) и (6) необходимо использовать. Для определения значения периода Т расширенного сигнала воспользуемся диаграммой, (фиг.1Ь). Период Т может быть определен как величина отрезка и равен . (14) Величина и У находится из просты геометрических преобразований AD DD ЛТ АС ВС TO где U;,,Urt, амплитуды первого, второго и третьего импульсов соотв ственно. При зтом (14) можно записать в де TO («о, г-иГ После подстановки значения Т в равенства (5) и (6) получают иск мые расчетные соотношения в следую щем виде оК иТчГ:/ («. (м I Го пглг;)при кт:-. N 01 Йкончательные расчетные соотнош нкя в виде (1) и (2) получаются по сле подстановки в (17) и (16) знач ния J2. Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии все счетчи и регистры обнулены, ключи закрыты На первый вход сгроб-смесителя 3 поступают строб-импульсы с выхода генератора 4. На его второй вход п ступают импульсы треугольной формы сформированные формирователем 1 из сигнала неизвестной частоты, П1$иче частота их следования равна неизве ной частоте. На выходе строб-смеси теля 3 формируются выборки, которы расширяются в усилителе-расширителе 2 до необходимых длительностей при необходимости линейно усиливаются. Сформированный таким образом расширенньп сигнал поступает на вход порогового элемента 5 и импульсный вход ключа 25. При превышении амплитуды импульсов расширенного сигнала заданного порогового значения пороговый элемент 5 вырабатывает сигнал, по которому открывается ключ 25. При этом на выходе ключа 25; а также на первом входе элемента схемы И 15 и на выходе аналого-цифрового преобразователя 26 формируются пачки из тех импульсов расширенного сигнала, амплитуда которых превышает заданное пороговое значение ипор . Блок 6 вьоделяет первый импульс каждой пачки, которые поступают на счетный вход триггера 12 и опрокидывают его. По первому импульсу первой пачки происходит переворот триггера 12 в единичное состояние. По положительному перепаду напряжения на выходе триггера 12 одновибратор 11 ., формирует импульс, устанавливакяций триггеры 13 и 14 в единичное состояние . При этом открываются управляемые триггерами 13 и 14 ключи 22 - 24 и счетчики 18-20 начинают считать импульсы, поступаюп1ие на их входы через открытые ключи. Счетчик 18 производит подЬчет строб-импульсов, а счетчики 19 и 20 - импульсов треугольной форьял, частота следования которых равна неизвестной частоте. После переворота триггера 12 в единичное состояние на выходе злемента И 15 появляются импульсы первой пачки, которые подсчитываются счетчиком 17. Дешифратор 21 анализирует состояние счетчика 17 и первого счетного импульса (например, по его заднему фронту) на его первом выходе формируется управляющий сигнал. По этому сигналу в регистр 27 записывается цифровой код преобразованной в аналого-цифровом преобра зователе 26 амплитуды U первого импульса первой пачки. После прихода второго счетного импульса на вход счетчика 17, на втором выходе дешифратора 21 формируется управляющий сигнал. По этому импульсу в регистр 28 записывается цифровой код преобразован-, ной аналого-цифровым преобразователем 26 амплитуды U второго импульса 9 первой пачки, и происходит установка триггера 14 в нулевое состояние. При этом ключ 24 закрывается, и прекращается доступ импульсов на вход счетчика 20. С приходом первого импульса второй пачки происходит переворот триггера 12 в нулевое состояние и запрет поступления импульсов второй пачки через элемент И 15 на вход счетчика 17, При этом цифровые коды амплитуд импульсов второй пачки сравниваются в элементах 30 и 31 сравнения кодов соответственно с цифровыми кодами амплитуд и и UniiepBoro и второго импульсов, храня цихся в регистрах 27 и 28. Как только код амплитуды Uo очередного импульса второй пачки больше или равен коду амплитуды Uf первого импульса и одновременно коду амплитуды и2 второго импульса, элементы 30 и 31 сравнения кодов формируют управляющие сигналы, поступающие на вход элемента И 16. При этом на вькоде элемента И 16 формируется импульс, по которому (например, по переднему фронту) код амплитуды U третьего импульса заносится в регистр 29, и триггер 13 устанавливает ся в нулево.е состояние, закрьгаая ключи 22 и 24 и прекращая доступ импульсов на входы счетчиков 18 и 19. По этому же импульсу (например, по заднему фронту) происходит занесение информации со счетчиков 18 - 20 и регистров 27 - 29-в блок 32 вычислений, после чего последний осуществляет расчет неизвестной частоты по 110 формулам (1) и (2), Описанная работа устройства изменения частоты периодически повторяется. Функционирование блока 6 вьделеНИН первого импульса пачки осуществляется следующим образом, Счетчик 7 подсчитывает поступающие на его импульсный вход импульсы с выхода генератора 4 между моментами прихода импульсов на управляющие входы счетчика 7, регистра 8 и импульдный вход ключа 10 с выхода ключа 25j после чего эта информация заносится в регистр 8, В момент прихода импульса на управляющий вход счетчика 7 его состояние фиксируется, элемент 9 сравнения кодов сравнивает код счетчика 7 и код регистра 8, в котором хранится результат предыдущего показания счетчика. Если в момент времени код счетчика 7 больше кода регистра 8, то элемент 9 сравнения кодов открывает ключ 10 и пропускает импульс, поступающий в этот момент на его импульсный вход. Вследствие того, что интервалы между импульсами, входящими в одну пачку, равны периоду TQ эталонной частоты, а между пач-ками больше или равны 2 TO, через ключ 10 пропускаются только первые импульсы пачек. Поскольку в предлагаемом способе обеспечивается возможность включения в расчетное соотношение более точного значения периода Т расширенного сигнала точность измерений по сравнению с известным устройством повышается.

r

e

VCD

ir

Ю

s

1

CO

.J

Ф(г.1

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ, заключающийся в сравнении во времени импульсных последовательностей, измеряемой и эталонной частот и подсчете числа импульсов эталонной и измеряемой частот в интервале измерения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, формируют линейный участок на одном из фронтов импульсов измеряемой частоты, стробируют полученную последовательность импульсами эталонной частоты и вьщеляют пачки импульсов, амплитуды которых пропорциональны мгновенным значениям в точках стробирования и превышают заданное пороговое значение , выбирают два следующих один за другим импульса в начале или в конце первой пачки и измеряют их амплитуды причем первый импульс является началом интервала измерения, выбирают ближайший к началу или концу второй пачки импульс, амплитуда которого лежит в пределах между амплитудами первых двух импульсов, и измеряют ее, причем этот импульс является концом интервала измерения, подсчитывают число импульсов измеряемой частоты между первыми двумя импульсами и определяют измеряемую частоту по формуле U,-U, Г I Ua-U. 1 Ч Д°-и1:и;г uj-u i «Л о Х1 приМх,, U,-U Л FjNv, М О Uj-uJJ оГп Ю Р o :п где F Q - измеряемая и эталонная i частоты; N ,N число импульсов измеряеxi o мой и эталонной частот в интервале измерения; 2число импульсов измеряемой частоты между первым и вторым импульсаьш; U,U2,U амплитуды первого, второго и третьего импульсов.