Цифровой частотомер Советский патент 1985 года по МПК G01R23/00 

низации установки первого, второго и третьего вычитающих счетчиков, установочные входы которых соединены соответственно с nepBEJM, вторым и третьим кодовыми входами формирователя весовой функции, четвертый

кодовый вход которого соединен с входом управления счетчика с переменным коэффициентом деления и с входом дешифратора, вь1ход которого соединен с установочным входом счетчика по модулю три.

1. ЦИФРОВОЙ ЧАСТОТОМЕР, содержащий последовательно соединенные генератор образцовой частоты и первьй формирователь импульсов, счетчик импульсов, последовательно соединенные накапливающий сумматор, нормализатор, дешифратор и индикатор, а также второй формирователь импульсов, вход которого является входом устройства, и формирователь весовой функции, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения диапазона рабочих частот, в него введены последовательно соединенные кодовый компаратор и вентиль, при этом первый вход кодового компаратора соединен с первым кодовым входом устройства и с первым кодовым входом формирователя весовой функции, а второй вход соединен с информацион-. ным выходом счетчика импульсов, импульсный выход которого соединен с входом синхронизации нормализатора, счетный вход подключен к выходу второго формирователя импульсов и к второму входу вентиля, выход которого соединен с импульсным входом формирователя весовой функции, выход которого подключен к информационному :входу накапливающего сумматора, вход синхронизации которого соединен с выходом первого формирователя импульсов и с входом синхронизации второго формирователя импульсов, а вход начальной установки устройства соединен с входами начальной установки счетчика импульсов, накапливающего сумматора и формирователя весовой функции, второй, третий и четвертый кодовые входы которого соединены соответственно с вторым, третьим и четвертым кодовыми входами устройства. 2. Частотомер по. п. 1, о т л ичающийся тем, что формирователь весовой функции выполнен в виде последовательно соединенных ком(Л мутатора и накапливающего сумматора, а также трех вычитающих счетчиков, с счетчика с переменным коэффициентом деления, дешифратора и последовательно соединенных распределителя импульсов, элемента ИЖ и счетчика по модулю три, импульсный выход которого соединен со счетньми входами вычитающих счетчиков, а управляющий 05 выход подключен к входам управления коммутатора и распределителя пульсов, импульсный вход которого ел соединен с входом синхронизации накапливающего сумматора и с импульссо ным входом формирователя весовой функции, второй выход подключен к счетному входу счетчика с перемен ным коэффициентом деления, выход ко-, торого соединен с вторым входом элемента ИЛИ,, вход начальной установки соединен с входами начальной установки счетчика по модулю три, накапливающего сумматора, формирователя весовой функции и с входами синхро

Изобретение относится к электро измерительной технике и может быть испсшьзовано для измерения частоты и периода исследуемого периодического сигнала. Целью изобретения является повы шение точности и расширение диапазона рабочих частот путем снижения погрешности измерения. На фиг. 1 представлена структур ная схема устройства; на фиг. 2 временные диаграммы сигналов в раз личных точках устройства; на фиг.3 и 4 - примеры реализации соответственно кодового компаратора и накапливающего сумматора. Устройство (фиг. 1) содержит по ледовательно соединенные генератор Iобразцовой частоты, первый форми рователь 2 импульсов и второй формирователь 3 импульсов, выхЬд.котор го соединен с вторым входом вентиля 4, последовательно соединенные накапливающий сумматор 5, нормализатор 6, дешифратор 7 и индикатор 8 а также счетчик 9 импульсов, кодовый компаратор 10, формирователь IIвесовой функции, состоящий из накапливающего сумматора 12, комму татора 13, первого вычитающего счетчика 14, второго вычитающего счетчика 15, третьего вычитающего счетчика 16, распределителя 17 импульсов, элемента ИЛИ 18, счетчика 19 по модулю три, счетчика 20 с переменным коэффициентом деления и дешифратор 21. Вькод первого формирователя 2 импульсов соединен с входами синхронизации накапливающего сумматора 5 и второго формирователя 3 импульсов. Второй формирователь 3 импульсов соединен со счетным входом счетчика 9 импульсов, импульсный выход которого соединен с входом синхронизации нормализатора 6, а информационный выход подключен к второму входу кодового компаратора 10. Выход кодового компаратора 10 соединен с первым входом вентиля 4, аего первый вход подключен к первому кодовому входу устройства и первому кодовому входу формирователя 11 весовой функции. Выход вентиля 4 соединен с импульсным входом формирователя 11 весовой функции, выход которого подключен к информационному входу накапливающего сумматора 5. Выход начальной установки устройства соединен с входами начальной установки счетчика 9 импульсов, накапливающего сумматора 5 и формирователя 11 весовой функции. Выход накапливающего сумматора 12 соединен с выходом формирователя 11 весовой функции, а информационный вход подключен к выходу коммутатора 13. Входы коммутатора 13 соединены с выходами первого, второго и третьего вычитающих .счетчиков 14, 15 и 16, счетные входы которых подключены к импульсному выходу счетчика 19 по модулю три. Управляющий выход счетчика 19 по модулю три соединен с входами управления коммутатора 13 и распределителя 17 импульсов, импульсный вход которого соединен с импульсным входом формирователя 11 весовой функции и с входом синхронизации накапливающего сумматора 12. Входы распределителя 17 импульсов подключены к первому входу элемента ИЛИ 18 и к счетному входу счетчика 20 с переменным коэффициентом деления, импульсный выход которого

соединен с вторым входом элемента ИЛИ 18. Выход элемента ИЖ 18 подключен к счетному входу счетчика 19 по модулю три, вход начальной установки которого соединен с входами начальной установки формирователя 11 весовой функции, накап пивающего сумматора 12, счетчика 20 с переменным коэффициентом деления и с входами синхронизации установки первого, второго и третьего вычитакнцих счетчиков 14, 15 и 16, установочные входы которых подключены соответственно к первому, вторму и третьему кодовым входам формирователя 11 весовой функции, четвертый кодовый вход которого соединен с входом управления счетчика 20 с переменным коэффициентом деления и с входом дешифратора 21. Выход дешифратора 21 подключен к установочному входу счетчика 19 по модулю три.

Устройство работает следуюпщм образом.

Перед изменением на первом, втором, третьем, и четвертом кодовых входах устройства устанавливают соответственно коды чисел о , 2 , S и Ь , причем S(: , -2, Ь -1, где К - целая часть отношения п/ (2m-1);i целая часть отношения к /Т 1

Сц- время корреляции случайной погрешности измерения.

Коды 8, , S , S поступают сооветственно на первый, второй и тре-г тий кодовые входы формирователя 11 весовой функции, т.е. на установочные входы соответствукнцих вычитающих счетчиков 14, 15 и 16. Код Ь поступает с четвертого кодового входа формирователя 11 весовой функции на управляющий вход счетчика 20 с переменным коэффициентом деления и на вход дешифратора 21. Код числа К одновременно подаетсяна первый вход кодового компаратора 10.

Перед началом цикла измерения по сигналу начальной установки на входе устройства сбрасывается в О память накапливаюпрсс сумматоров 5 и 12 счетчика 9 импульсов, счетчика 19 по модулю три и счетчика 20 с переменным коэффициентом деления..Одновременно сигнал начальной установки поступает на входы

синхронизации установки первого, второго и третьего вычитающих счетчиков 14, 15 и 16, записывая в них соответственно коды 5, К , 5 2К

Sj -2. При этом сигналы с выхода первого формирователя- 2 импульсов поступают на вход синхронизации накапливающего сумматора 5, но не изменяют его нулевого состояния,

так как на его входе действует код О с выхода накапливающего сумматора 12; проход сигналов через вентиль 4 разрешен потенциалом с выхода кодового компаратора 10, так

как на первом входе последнего приложен код К , а на втором входе код О, К О, нулевое состояние счетчика 19 по модулю три управляет коммутатором 13 и распределителем

17 импульсов таким образом, что на входе накапливающего сумматора 12 приложен код с выхода первого вычитающего счетчика 14, т.е. 6, К , и разрешен проход сигнала с

входа распределителя 17 импульсов на первый вход элемента ИЛИ 18.

Входной сигнал поступает на второй формирователь 3 импульсов, на . выходе которого образуется поток

импульсов, соответствуюпщх моментам перехода смеси сигнала и шума через нулевой уровень. Фронты этих импульсов вследствие синхронизации второго формирователя 3 импульсов сигналами с выхода первого i формирователя 2 импульсрв формируются квантующими импульсами образцовой частоты (фиг. 2Б ). Сформированные таким способом сигналы с выхо-

да второго формирователя 3 импульсов поступают на счетный вход счетчика 9 импульсов, через открытый вентиль 4 - на вход синхронизации накапливающего сумматора 12 и на

вход распределителя 17 импульсов. Таким образом, импульс, соответ-. ствуюпщй началу первого периода J измеряемой частоты, поступая на вход синхронизации накапливающего

сумматора 12, формирует на его выхрде, а следовательно, на входе накапливающего сумматора 5 код 0 1C. При этом в течение времени Т;, „j (фиг. 2) происходит накапливанядее суммирование кода

8 К , т.е. по каждому квантующему импульсу с выхода первого формирователя 2 импульсов происходит

5

увеличение содержимого накапливающего сумматора 5 на величину )( Поэтому к концу периода Т в накапливающем сумматоре 5 фиксируется код числа 1С,Тц5м. Одновременно импульс начала периода Т с выхода вентиля 4 через распределитель 17 импульсов и элемент ИЛИ 18 поступает на счетный вход счетчика 19 по модулю три и устанавливает ег.о в состояние 1, котор(ое управляет коммутатором 13 и распределителем 17 импульсов таким образом, что на вход накапливающего сумматора 12 поступает код второго вычитающего счетчика 15, т.е. , и разрешается проход сигнала с выхода распределителя 17 импульсов на счетный вход счетчика 20 с переменным коэффициентом деления.

Второй импульс измеряемой частоты, соответствующий концу периода ,;j, и началу второго периода Tj y:j , действуя на входе синхронизации накапливающего сумматора 12, формирует на его выходе код числа 8, + S 3, который поступает на вход накапливающего сумматора 5. Благодаря этому в течение периода Т И4М накапливающий сумматор 5 под действием квантующих синхросигналов с выхода первого формирователя 2 импульсов осуществляет накапливающее суммирование числа S, 4. 82 3 К, т.е. к моменту окончания второго периода Г иэм в Накапливающем сумматоре 5 будет зафиксировано число, равное

(S,+6,lT,,,-kT,,,eKT2,3M.

Одновременно второй импульс измеряемой частоты поступает через распределитель 17 импульсов на счетный вход счетчика 20 с переменным коэффициентом деления, коэффициент пересчета которого равен m -1, и устанавливает его в состояние 1. При этом состояние счетчика 19 не изменяется, и на входе накапливающего сумматора 12 продолжает действовать код S.f-2}i с выхода второго вычитающего счетчика 15. Третий импульс измеряемой частоты, поступа на вход синхронизации накапливающего сумматора 12, формирует на его выходе код весового коэффициента, равный

8, + 282 5к .

75196

Код на входе накапливающего сумматора 12 не изменяется до момента прихода 17) -го импульса измеряемой частоты, которьй переполняет счетчик 20 с переменным коэффициентом деления и с его выхода через элемент ИЛИ 18 поступает на счетный вход счетчика 19 по модулю три, переводя его в состояние 2. Таким

образом, к моменту прихода

(frj+1)-ro импульса измеряемой частоты в накапливающем сумматоре 5 фиксируется код числа

,3 Sj,,,(S,.jR,T(.,,,.n,,,,V),,..

Состояние 2 счетчика 19 по модулю три управляет коммутатором 13

20 и распределителем 17 импульсов таким образом, что на вход накапливгющего сумматора 12 поступает код с выхода третьего вычитающего счетчика 16, равный о -2, и разрешается проход

5 сигналов с выхода распределителя 17 импульсов на счетный вход счетчика 20 с переменным коэффициентом деления. Следовательно , под действием следующих m -1 импульсов измеряемой частоты приращения весовых

коэффициентов составят -2 по каждому импульсу измеряемой частоты до ()-го включительно, действующему на входе синхронизации накапливающего сумматора 12, Исходя из связанного можно утверждать, что к моменту прихода 2 rvi -го импульса измеряемой частоты содержимое накапливающего сумматора 5 составляет т-1 ,. . mti

0 S7i..(&.iyT(j,.Jg,.(,-.).S,.

. H4-V-iH M kT ;,+kE(b 23VTj.,,+ |(- ;2jl-T j,),,,-kgiu2i)x ,,,,.

(2т-1)-й импульс измеряемой частоты переполняет счетчик 20 с переменным коэффициентом деления и с

0 его выхода через элемент ИЛИ 18 устанавливает счетчик 19 по модулю три в состояние О. Сигнал переполнения с импульсного выхода счетчика 19 по модулю три поступает

5 на счетные входы первого, второго и третьего вычитающих счетчиков 14, 15 и 16 и изменяет их состояния на -2, что достигается подачей сигнала на вычитающие счетные входы вторых разрядов (т.е. соответствующих 2) трех вычитающих счетчиков 14, 15 и 16. Поскольку счетчик 19 по модулю три (2п1-1)-м импульсом измеряемой частоту установлен в нулейое состояние, то при приходе следуннцих 2 m -1 импульсов измеряемой частоты работа устройства аналогична его работе в интервале до 2-го импульса с той лишь разницей, что приращения весовых коэффициентов, определяемые состояниями первого, второго и третьего вычитающих счетчиков 14, 15 и 16, соответственно равны &,-2Ч(-2- S -2-2K-2, . Очевидно также, что для i -и группы из 2 m -1 импульсов измеряемой частоты можно записать приращения весовых коэффициентов соответственно8,-2; lf-2i; S;-2i 2lC-2,; (1+1) где i -О,- 1, 2; .. .; К -1 . Следовательно, приращение i -го весового коэффициента можно записат следующим образом К-2с при е 1 , 2С1с-с1 -г(с + 0 при m + ise(2m-l)-,, (2m-i) - целая часть Vftniie- ;/{2m-1)(2m-i) i/(2m-i) - дробная часть i/(2m-l)J Таким образом, устройство работа до k (2м-1)-го импульса измеряемой частоты, который устанавливает счет чик 9 импульсов в состояние К(2п1-1). При этом на выходе кодов го компаратора 10 вырабатывается сигнал, запрещакмдий проход импульсо через вентиль 4, и формирование при ращений весовых коэффициентов прёкр щается, т.е. оставшиеся n-k (2fyi-1) периодов исследуемого сигнала сумми руются с постоянным весом, равным ,„.Г S; г (k-an+Z 12к-2;)-2ё (,4A) 1« . iro Импульс, соответствукяций окончанТ h-го периода измеряемой частоты (т.е. (h +1)-й импульс), устанавлив ет счетчик 9 импульсов в нулевое состояние и с его импульсного выхода поступает на вход синхронизации нормализатора 6, переписывая в последний, значение накопленной взвешенной суммы м периодов измеряемого сигнала, Нормализатор 6 осуществляет умножение на коэффициент llf. sHnM-;). n-k42m.,r 111 Ь -,51 ifle P()k(kM)(kv2)/6; (2m-OkU O i kMUfv-) Vm(№ -iUic + Al ц j 32 kUm-tUic-l)(m-0 k(ktiUm-Otn Значение измерения среднего периода дешифрируются дешифратором 7 и поступают на индикатор 8. Следующий цикл измерения начинается с приходом сигнала начальной установки на вход устройства. В случае статистической независимости случайных погрешностей измерения Aj , т.е. при m 1, дешифратор 11 дешифрирует код нуля (так как гп -1 0) и управляет счетчиком 19 по модулю три таким образом, что удерживает последний в нулевом состоянии и пропускает на импульсный выход счетчика 19 по модулю три все п +1 импульсов измеряемой частоты. При этом в формировании весовых коэффициентов.участвует только первьй вычитающий счетчик 14, т.е. 8j n-2i, так как в этом cлyчaek-n; (j-o.;(nH-;h ZI ()(й+21/6,так кок Q0, п-К(, Р Т1(пм)(п4г)/6. Найдем алгоритм формирования весовых коэффициентов, обеспечивающий предельное уменьшение дисперсии оценки измеряемого периода (т) без увеличения времени измерения. Дпя этого исходим из того, что осуществляется усреднение п ;периодов исследуемого сигнала, а оценку среднего значения ищем в виде ,,,j..,; (1) где т. ц5/А о результат цифрового измерения -го Наличие (l).Sl ; оценки t бТ где S; - приращение 1-го весового коэффициента относительно ( ; -1)-го;20 В -2 8, где 8о дисперсия случайной погрешности измерения} R{2) - коэффициент корреляции 40 случайной величины. Положим П-1 i-t-ffl-l П „, . И- „ -bni-j . .118f.2п S-Si: Sj p2.j,. п2 S,lT) Произведем оптимизацию приращении Oj весовых коэффициентов ; , найдя экстремум выражения (3). Для этого продифференцируем (3) по S- и, приравняв производные нулю, получим Z 6: а IZZ: Sj - Z: S; jM )-n-w+2 j.1 ; sZCnn Li «I 9 116751910 периода исследуемогоИзменение каждого 1 -го временного сигнала,интервала (i -го периода) сопровожда TO- период повторенияется погрешностью измерения начала импульсов на выходеи конца, причем погрешнось конца первого формирова- 5 ° интервала одновременно являёттеля 2 импульсов.ся погрешностью начала (i +1)-го прив знаменателе выражениямыкающего временного интервала обеспечивает несмещенность(фиг. 2). С учетом жесткой функцир, так какнальной зависимости этих погрешнос / j 10тей в пределах Т и Т, запишем 1 п. Iзначение суммарной погрешности ,С; для (1) .-&zV...ti.;(.)(€n-€n-V4n+,-Cn .г 8;л; ------- .21 С; .Ьпм-nS, «biiЗдесь черта сверху означает статис0| + птическое усреднение. Учитывая, что ыражение для дисперсии оценки .С.с .5 ft. сг, (J г, «„0 -ч n+ii&n . oi , перепишем г) в виде (Т) запишем в виде . п , П- л п л п п Г л 1 :ti-.-2.z:8;ii;z:8;&;-t-г:5; 2гтЛ 1 it. i-. -1 д-и Д Ьм J (5ДТ) .p-j -- (3) h inH-ii&; J -. g.5 4/-ii i« i- -Sl (n..-i)T, °, i:(n..-;) п+1 llSKl 2 . LUi Ч(2) Г|ЦпИ-;)Л J 25„ п D(-r Р Х- „р . Тогда вьфажение (3) можно переписатьп п , п о z: у zm : S; i1 3rn-m4Z J iTi /, (4)1 . J п , п Т - oj-д( i ; J „ . 5 а,„., ..;ziz 8j «. ,r о .2 0 a .8; /СЧ j.n-m+i -

111167519

ч , n-1 n П

s.-Sv.

a Для решения системыуравнений(5 вычтем ( i +1)-е уравнение из ( При этом получим новую систему ур ,., S, 8 u-,(am.ir°ii l . S.,i.;(,.., Очевидно, что коэффициент a мож выбрать произвольно, в частности для технической реализации удобн взять а -2. Весовые коэффициент минимизирующие дисперсию оценки Т определяются в виде C;.jгПоставив значения S из (7) в ( получим дисперсию оценки измеряе го периода А + . . -tFT -К 17п-1 -п(1с-1и5)с-21/3; (п.-0и.0(2к-0 nk(m-i)-2ки+01л(т-1); 2n(m-il(i(.-0(2k-,1 ) -b4(m-iUn 4k ); Р п1ки)(1.ч2)/б; Uvi)(m-O kllc4-AUm-Om t 1 n(im-AH2k:-i-tMt«-0 (i -lUKH) 32 При n 1 и h m дисперсия оптимизированного алгоритма равн ).. Дисперсия оценки периода известн устройства при тех же условиях равна

- U7m-r n-Zr,, rn-Znn 1 a-Z:6; . 1 -( Sn-ni -« Решение системы уравнений совместно с (5) дает при k n (2m-1) .-., ) ,-) ,.,,(,-o«....,U-o 5V). Следовательно, предлагаемое устройство позволяет снизить дисперсию оценки измеряемого периода в два раза при m : 1. При m -1, т.е. при статистической независимости t , 2п1-.1-1. По сравнению с классической среднеинтегральной оценкой, используемой, например в серийно выпускаемом частотомере 43-54, эффективность предлагаемого устройства составит „1 ScCT) ) (lw-4 3(2mi-l) Например, при n Ю, m 13, k 40000 дисперсия оценки уменьшается примерно в 10 раз по сравнению со среднеинтегральной оценкой. Из описания работы предлагаемого устройства следует, что процесс формирования взвешенной суммы заключается в момент прихода (п+1)-го импульса измеряемой частоты, поэтому время измерения в предла-. гаемом устройстве вьфажается Быстродействие предлагаемого устройства выше по сравнению с быстродействием известного устройства (прототипа) на время i: ум , которое для 20-30-разрядньгх кодов двоичных чисел составляет 40-50 мкс. Следовательно, верхняя рабочая частота 13 для известного устройства определя ется - t -«2000 Гц . -тЛ 50-10- Для предлагаемого устройства 1„ определяется практически частотой квантующих импульсов на выходе пер вого, формирователя 2 импульсов, которая для современнбй элементной базы может быть 100 Мгц, т.е. имеет расширение частотного диапазона Bimqx/imaj(50000 раз. На . 4 изображен пример реализации накапливающего сумматора 5 (12), содержащего регистр памяти PC и сумматор См . Выход сумматор соединен с информационным входом регистра РГ входы синхронизации С и входы сброса R которого являются соответственно входами синхронизации и начальной установки накапливакнцего сумматора. Распределитель 17 импульсов может быть реализован на базе деши ратора состояний счетчика 19 по модулю три и двух элементов И, на первые входы которого подаются импульсы измеряемой частоты, а вторы входы управляются сигналами с выхода дешифратора. 9 Аналогичную распределителю импульсов структуру имеет коммутатор 13 с той лишь разницей, что он содержит три группы элементов И, управляемых дешифратором, а выходы групп элементов И объединены элементом ИЛИ, выход которого является выходом крммутатора. На фиг. 3 изображен пример реализации кодового компаратора 10, который функционирует в соответствии с выражением при п i О при nil, при этом можно записать %2U,,4,v(x,y,)(Xtij,v(xiijjVx gj)..., -.Xn%vCx«i|«vx«y Учитывая, что (icijvx)V x()(vij)V получим окончательно (i.n)X,a.v(x,Vy)(Xta2VlX;.4i).«. -n55«4 n 4nV..J, Нормализатор 6 представляет собой микропроцессор - устройство, выполняющее вычислительные и логические функции, аналогичные фун111р{и ЭВМ с программным управлением.

Фиг.1

...

Г,

LLU

I I i

I Jn/tnI нам

JL

У IJ J I 44-Jr-L Iir. Ж

V ОУДЧи

i fi fi,, ГГ

п, ri-, ,

Синхронизация r СЬрос