Цифровой фазометр-частотомер Советский патент 1986 года по МПК G01R25/00 G01R23/00 

Изобретение относится к информационно-преобразовательной и измерительной технике и может быть использовано при создании комбинированных измерительных приборов и функционапьных преобразователей для одновременного измерения частоты, сдвига фазы и скорости измерения частоты периодических сигналов.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения возможности измерения изменений по частоте и фазе.

На фиг. 1 приведена функцио-i нальная схема предлагаемого цифрового,фазометра-частотомера; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняювще работу в установившемся режиме; на фиг. 3 - то же, в переходном режиме.

Цифровой фазометр-частотомер содержит накапливающий сумматор (НС) 1, в состав которого входят замкнутые в кольцо сумматор 2 и регистр 3, НС 4, в состав которого входят замкнутые в кольцо сумматор 5 W регистр 6, блок 7 инверторов, сумматор 8, формирователь 9, регистр 10 генератор 11 тактовой частоты, элемент 12 запрета, триггеры 13 и 14 и регистр 15.

При этом соединены в кольцо НС 1 и 4, блок 7 инверторов и сумматор 8, второй вход которого подключен к шине константы N, информациойные входы триггеров 13 и 14 подключены к источникам измеряемого U и опорног1э Пд сигналов соответственно, выхрд триггера 13 подключен к входам синхронизации регистра 15 и НС 1 непосредственно, а к входу установки НС 4 «через формирователь 9. Выход сумматора 8 подключен к информационному входу регистра 15, а выход триггера 14 - к входу синхронизации регистра 10, информационный вход которого подключен к выходу НС 4, Кроме того, выход генератора 11 подключен к входам синхронизации триггеров 13 и 14 непосредственно, а к НС 4 - через элемент 12 запрета, запрещающий вход которого подключен к выходу переноса Р НС 4, причем выход.регистра 10 есть выход у.стройства по фазе N,., выход НС 1 - по частоте N/, а выход регистра 15 - по скорости изменения частоты Ng.

Накапливающий сумматор 1 содержит замкнутые в кольцо комбинациониный двоичный сумматор 2 и регистр 3 с параллельной записью информации по переднему фронту импульса на входе синхронизации, разрядность которых q, и представляет собой цифровой интегратор, работающий по тактовым импульсам на входе синхронизации. Он описьшается разностным уравнением

Y п + ,

(1)

где X rTj - информация на входе НС в момент поступления ()i+1)го импульса на вход синхронизации;

- информация на выходе НС до момента, поступления (ц+1)-го импульса; YJn+lJ - информация на выходе НС после поступления (t + 1)-ro импульса. Накапливающий сумматор 4 выполнен аналогично НС 1. Отличие состоит в том, что используются вход установки R регистра 6, при подаче на который логической единицы регистр 6 обнуляется , и выход переноса Р, старшего разряда сумматора 5, разрядность НС равна К q, причем выхедной q-разрядный код НС 1 поступает на вход младших разрядов НС 4. На (K-q) старших разрядов НС 4 подается нулевой код. Таким образом, НС 4 работает только с прямым кодом положительных чисел (в режиме суммирования).

Блок 7 инверторов и комбинационный двоичный сумматор 8 реализуют вычитание выходного кода N НС 4 из кода константы N

uN (N - N)-Kg, (2)

Выходной код AN сумматора 8 дополнительный двоичный т-разрядный. Для вычитания йспользуют(я mстарших разрядов НС 4, причем m q. Выходной код д N сумматора 8 подается на вход m младших разрядов НС 1, на (q-m) старших разрядов подается старший (знаковый)разряд выходного кода AN. НС 1 работает с дополнительным входным кодом (в режиме суммирования и вычитания). Выходной код НС 1 ислольэуется как прямой код положительных чисел, т.е. если в НС 1 результа окажется отрицательным, то перенос, возникающий при этом в сумматоре 2, не учит|)Шается, а выходной код N используется как прямой (без знака) код положительного числа. За счет сдвига разрядов между НС 4, сумматором 8 и.НС 1 реализуется коэффициент передачи Kg Формирователь 9 импульсов предназ начен для получения узких положитель ных импульсов в момент поступления переднего фронта измеряемого сигнала и. Длительность импульса должна быт достаточной для установки регистра 6 в нулевое состояние. Регистры 10 и 15 выполнены аналогично регистру 3, имеют число разрядов, равное г. Генератор 11 тактовой частоты фор мирует последовательность импульсов стабильной частоты f. Элемент 12 запрета пропускает на свой выход импульсы генератора 11 если сигнал переноса НС 4 отсутствует (Р| 0). Если на выходе НС 4 возник сигнал переноса (), то импульсы через элемент 12 запрета не проходят. Фазометр-частотомер в установившемся режиме при измерении параметров сигнала U, , именлцего постоянную частоту f j и фазовый сдвиг относительно опорного сигнала (f (фиг.2) работает следующим образом. Для установившегося режима (fx const) значение кода на выходе сумматора 8 в моменты прихода перед него фронта измеряемого сигнала 4iN nj 0. При этом код N/ на выходе НС 1 не изменяется. В момент прихода положительного фронта измеряемого сигнала на выходе формирователя 9 вырабатывается узкий импульс, устанавливающий НС 4 в нуле вое состояние (N 0). По мере поступления на вход синхронизации НС 4 импульсной последова тельности с частотой fg на его выхог де формируется линейно нарастакнций код, который в соответствии с разнос ным уравнением (1) можно записать в виде N ,(3) К моменту прихода следующего поло жительного фронта сигнала на вход НС 4 пройдет число импульсов, прямо пропорциональное частоте f и периоду Tj, измеряемого сигнала i foTx. А на его выходе будет код N п ,. Т,. (5) Поскольку в установившемся режиме uN п 0, то из формулы (2) следует, что NT Nf- o-TxУчитывая, что частота сигнала обратно пропорциональна периоду, из формулы (6) найдем f ы ,, - fo f f т ; 0 Таким образом, выходной код НС 1 в установившемся режиме прямс пропорционален частоте измеряемого сигнала . В момент прихода на вход синхронизации регистра 10 через триггер 14 переднего фронта опорного сигнала Uj, на вход НС 4 проходит число им- пульсов, прямо пропорциональное временном - сдвигу t; . между сигналами и, и и. nt 0,. код на выходе НС 4 в этот момент равен,. Это значение кода заносится в регистр 10. Подставляя в выражение (9) значение N| из равенства (7), получим ц (рад) Т, (|(град) Таким образом, в установившемся,1 ежиме выходной код регистра 10 прямо пропорционален фазовому сдвигу меавду измеряемым и опорным сигналами. В регистр 15 в момент прихода переднего фронта сигнала записывается код NJ uN п 0.. Фазометр-частотомер с зрения теории автоматического регулирования представляет собой цифровую ледящую систему, период квантования о времени в которой равен периоду змеряемого сигнала. Устойчивость такой системы можно проанализировать по передаточной функции разомкнутой линеаризованной С11стемы (без учета квантования по уровню),НС 1 в системе выполняет роль цифрового интегра.тора, его передаточная функвдя может быть найдена применением Z-преобразо вания к разностному уравнению (1) W,(Z) Где Z - оператор Z - преобразования НС 4 обнуляется на каждом периоде измеряемого сигнала, а информация с его выхода для сравнения с константой N снимается лишь в конец периода, то в системе он эквивалентен усилительному звену с передаточной функцией, определяемой из равенства (6), W (Z) Блок инверторов 7 и сумматор 8 выполняют роль элемента сравнения с коэффициентом передачи Kg , обусловленным сдвигом разрядов. Передаточную функцию разомкнутой ©истемы находят из выражений (11) и (12) W(Z)W,(Z) W4(Z) Kg Ь-- Система является устойчивой, есл модули корней характеристического уравнения 1 + W (Z) меньше 1. В нашем случае это услови из формулы (13) и (14) запишется в виде неравенства f Т 2 Очевидно, что это соотношение мо но всегда выполнить соответствукнцнм сдвигом разрядной сетки, т.е. выбором числа разрядов m и соответс вующим выбором частоты f . Неравенс во (15) должно проверяться для нижней частоты диапазона измерений. Анализ показьгоает, что устойчивы установившийся режим мог бы возникнуть при работе НС 4 с периодом, кратным периоду измеряемого сигнала (за счет переполнения НС 4). При этом результаты измерения были бы неверны. Исключение возможности возникновения такого режима достигается включением в цепь тактовых импульсов элемента 12 запрета. При появлении на выходе сумматора 5 сигнала пееноса Р| 1 прохождение тактовых мпульсов на вход синхронизации регистра 6 запрещается и на выходе НС 4 фиксируется максимальное значение кода N. Рассмотрим работу устройства в ереходном режиме (фиг. 3). При отсутствии измеряемого сигнаа в НС 1 хранится некоторое значейие кода частоты , вследствие чего НС 4 находится в насыщении и в нем хранится код N N прихода переднего фронта первого импульса измеряемого сигнала в НС 1 записьтается код % 1 N М +4N,0 N.OJ-(N -N,) . Причем возможны два случая: если .juN .1 тогда значение -кода NJ уменьшается (сплошная линия, фиг. 3); если Nj.o | uN , тогда значение кода N увеличивается (штриховая линия, фиг. 3), так как при этом , но с учетом отбрасывания переноса в сумматоре 2 величина N 1 2 - (&N со + N о ) .На выходе НС 4 формируется линейно нарастающий код N, крутизна которого пропорциональна N. При малой частоте измеряемого сигнала НС 4 входит в насыщение. На следующем такте величина N. уменьшается, а вместе с ней уменьшается крутизна линейно нарастающего кода N. Через несколько тактов система входит в линейную зону. Значение N приближается к установившемуся значению. Признаком установившегося режима служит равенство нулю выходного кода сумматора 8 л N (|п О, оно является признаком достоверности результатов измерения. . Пример. Пусть К 22; m 11; 2048 Гц; N, 1024-2 ; N 2047. 2 ; N 0 3600. Расчет проводят с помощью разностного уравнения, которое для НС 1 можно записать в виде bN n,(16) IT и уравнений (2) и (5), учитывая, что N - .

ля случая Т 1 с можно ;аписать

3600N() 2047 . 1023

2577N 1 2047 1023

1554N 2. 1554 2 bN 2 - 530

1024N 3 1024 2 uNр О

Для случая TX 0,5 с можно записать

3600 N 0 2577 N 1 2312,5

2049,03 N ,52 - 2 - 0,517

Для случая Т 1,5 с можно записать

N.

N

NT

N,

NU41

N,t5j

682,97 N I2 1024,t5 «2 - 0,45

12.656A48

((

2047 2 iN 0

-1023 1288,5 2 uN 1

-264,5 N 2 1156,25 2 uN 2

-132,25

Изобретение может быть использовано при создании комбинированных измерительных приборов и функциональных преобразователей. Цель изобретения - расширение функ13;иональных возможностей устройства. Цифровой частотомер содержит накапливающий сумматор 1, включающий 2 и регистр 3, а также сумматор 8, регистры 10 и 15 и генератор 11 тактовой частоты. Введение накапливающего сумматора 4, состоящего из сумматора 5 и регистра 6, блока 7 инверторов, формирователя 9, элемента 12 запрета и триггеров 13 и 14 с образованием новых связей между элементами устройства позволяет последнему измерять одновременно фазу, частоту и скорость изменения частоты сигнала. Это позволяет в системах, где информационный параметр содержится в фазе периодического сигнала, измерять одноС 3 временно значения самого параметра и его первых двух производных. 3 ил.

На фиг. 3 представлен переходньш процесс для Тц 1,5 с. Таким образом, минимальное время переходного процесса получено для случая Tj 1 с, при этом ., /- 1 . Соотношение (17) является оптимальным с точки зрения быстродейств Отклонение в ту или другую сторону от него увеличивает время переходног процесса. Для оптимального соотношения (Т 1 с) переходный процесс в предлагаемом примере заканчивается за три периода измеряемого сигнала. Для случая Т)( 0,5 с процесс монотонный, динамическая ошибка через десять периодов составляет около 0,05% и уменьшается вдвое в каждый последующий период. Для случая Т 1,5 с переходный процесс колебательный, модуль динамической ошибки через двенадцать периодов не превышает 0,05 % и уменьшается вдвое в каждый последуюп1ий период. В установившемся режиме ошибка измерения частоты и фазы для предла -аемого примера составляет 0,1Д для Т 1 с и определяется дискретностью квантования по уровню (числом разрядов m и к) для частоты и по времени (частотой f) для фазы. Рассмотрим работу фазометра-частотомера в установившемся режиме, когда частота измеряемого сигнала изменяется по закону f, n-fl Дп + if где f j( n - среднее значение частоты в п-м периоде; fcfy - приращение частоты за один период, Д f X fX . Поскольку фазометр-частотомер по частоте f), представляет собой астатическую систему первого порядка, то сигнал ошибки bN гГ такой системы пропорционален скорости изменения частоты ufx- следуеттакже и из того, что iN tn входная величина. НС 1, представляющего собой цифровой интегратор, а его выходная величина N пропорциональна частоте f. Следовательно, величина uN п есть производная N, т.е. частоты f. Предположим, что в установившемся режиме iN hj const, тогда из формулы (16) следует, что NI С О + bN п, (19) а из формулы (5) (T,h +iTx)( ANCn).;(20) TxW fxW iT, -T.Infl - ТДп. Из выражения (2) и (20). следует, N,-f, СТДП tuT,) ( +uN ri). (21) Аналогично выражению (21), полу: черному для (п+1)-го периода, для п-го периода iN М N, -f Т И N и. (22 Приравнивая правы е части вьфаже НИИ (21) и (22), получим п + ЬТ,- К..И + AT ANtri 0. Третьим слагаемым в выражении (2 ATj( ь N п , как величиной высшего порядка малости по сравнению с двум другими слагаемыми, можно принебреч тогда , . С точностью, определяемой динами ческой ошибкой, код N h можно на ти из равенства (7), подставляя его и значения л Т и Т выражение (24), получим IN Гп. Следовательно код &N п на выходе сумматора 8 -пропорционален при (25 ащению частоты измеряемого сигнала за один период, т.е. скорости изменения частоты. Это значение когда N g U N д в момент прихода переднего фронта сигнала U заносится в регистр 15. Таким образом предлагаемое устройство позволяет измерять одновременно фазу, частоту и скорость изменения частоты сигнала.-Это позволяет в системах, где информационный параметр содержится в фазе периодического сигнала, измерять одновременно значения самого параметра и его первых двух производных. Формула изобретения Цифровой фазометр-частотомер, содержащий генератор тактовой частоты, первый накапливающий сумматор, два регистра сдвига, сумматор, о тличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, в него введены второй накапливающий сумматор, два D-триггера, блок инверторов, элемент запрета и формирователь, при этом выход тактового генератора соединен с тактовыми входами первого и второго D-триггеров и прямым входом элемента запрета, выход первого D-триггера соединен с входом первого накапливающего сумматора, с входом формирователя и тактовым входом первого регистра сдвига, информационные входы которого соответственно соединены с выходами сумматора и соответствующими входами первого накапливающего сумматора, выход второго D-триггера соединен с тактовым входом второго регистра сдвига, выходы которого являются фазовым выходом фазометра-часTOTOMgpa, информационные входы второго регистра сдвига соединены с соответствующими выходами второго накапливающего сумматора и через блок инверторов - с первыми входами сумматора, вторые входы которого соединены с щиной кода константы N, информационные входы первого и второго Dтриггеров являются входами соответственно Измеряемого и опорного сигналов, выходы первого накапливающего сумматора соединены с входами двторого накапливакнцего сумматора и являются частотным выходом фазометрачастотомера, выход формирователя соединен с входом Сброс второго накапливающего сумматора, выход переноса которого соединен с инверсным входом элемента запрета, выход которого соединен с тактовым входом вто126564А

рого накапливающего сумматора, а выходы первого регистра являются выходом фазометра-частотомера по изменению скорости частоты.