Цифровой измеритель частоты Советский патент 1987 года по МПК G01R23/00 

112

Изобретение относится к измерительной технике и автоматике и может быть использовано в частотных системах измерения и автоматического регулирования, в частности для измерения оборотов, давлений, расходов и др.

Цель изобретения - повышение точности измерения.

На фиг.1 представлена функциональная схема измерителя; на фиг.2 -принцип цифрового измерения интервала времени.

Измеритель состоит из формирователя 1 интервала измерения, генератора 2 образцовых частот, первого счетчика 3, второго счетчика 4, сумматора 5, блока 6 индикации, элемента 7 задержки, триггера 8, ключа 9, регистра 10, D-триггера 11, третьего счетчика 12, двухвходового элемента И 13.

Первый вход измерителя является входом устройства, генератор 2 образцовых частот, первый счетчик 3, второй -счетчик 4, сумматор 5, блок 6 индикации, элемент 7 задержки, триггер 8,ключ 9, регистр 10, информационные входы которого соединены с разрядными выходами первого счетчика 3, а выходы - с информационными входами сумматора 5, выход переполнения которого соединен с входом элемента 7 задержки, первый выход которого соединен с входом предустановки суммато- ра 5, входом установки нуля второго счетчика 4 и первым входом триггера В, а второй выход - с вторым входом триггера 8 и входом записи данных блока 6 индикации, информацион- ные входы которого соединены с разрядными выходами второго счетчика 4, счетный вход которого соединен с входом управления суммированием сумматора 5 и выходом ключа 9, управляющий вход которого соединен с выходом триггера 8, а вход - с первым выходом генератора 2 образцовых частот, а также D-триггер 11, третий счетчик 12 и двухвходовой элемент И 13, выход которого соединен со счетным входом первого счетчика 3, первый вход - с инверсным выходом D-триггера 11 и входом установки в О третьего счетчика 12, а второй вход - со счетным входом третьего счетчика 12 и вторым выходом генератора 2 образцовых частот, т ретий выход которого соединен со счетным входом В-трйггера 11,

02

информационный вход которого соединен с выходом формирователя 1 интервала измерения, второй вход которого соединен с входом начальной установки первого счетчика 3 и первым выходом третьего счетчика 12, второй выход которого соединен с входом управления переписью регистра 10,

Цифровой измеритель частоты можно условно разбить на два функциональных устройства: устройство преобразования периода измеряемой частоты в двоичный код, пропорциональный периоду, и устройство преобразования кода, пропорционального,периоду, в код, пропорциональный измеряемой частоте. Устройство преобразования периода измеряемой частоты в двоичный код, пропорциональный -периоду, включает формирователь 1 интервала измерения, D-триггер 11, основной счетчик 3 импульсов образцовой частоты, дополнительный двухразрядный счетчик 12 импульсов образцовой частоты, двухвходовой элемент И 13, регистр 10 хранения кода, пропорционального периоду, второй и третий выходы генератора 2 образцовых частот.

Устрййство преобразования кода, пропорционального периоду, в код, пропорциональный измеряемой частоте, включает двоичный накапливающий сумматор 5, элемент 7 задержки, счетчик 4 импульсов образцовой частоты, индикации, триггер 8, ключ 9 и первый выход генератора 2 образцовых частот.

Устройство преобразования периода измеряемой частоты в двоичный код, пропорциональный периоду, работает следующим образом. После того, как счетчик формирователя интервала измерения 1 сосчитает К импульсов измеряемого сигнала, на выходе формирователя 1 появится сигнал 1, который поступает на информационный вход О-триггера 11 и с приходом переднего фронта образцовой частоты (переход из О в 1), поступающего с третьего выхода генератора 2 образцовых час-; тот, вызовет появление сигнала О на инверсном выходе D-триггера 11, запрещающего обнуление счетчика и разрешающего ему счет передних фронтов импульсов, поступающих с второго выхода генератора 2 образцовых частот на счетный вход счетчика 12, и запрещающего прохождение через элемент

И 13 на счетный вход счетчика 3, в котором зафиксирован код, пропорциональный К периодам измеряемой частоты, полученный в предыдущем измерении (сигналы на втором и третьем вы- ходах генератора 2 образцовых частот находятся строго в противофазе). По переднему фронту первого импульса, поступающего на счетный вход счетчика 12, на выходе первого разряда счетчика 12 появляется передний фронт поступающий на вход управления переписью регистра 10, по которому содержимое счетчика 3 переписывается в регистр 10, являющийся регистром хране-t5 выхода генератора 2 образцовых часния с занесением информации по переднему фронту. По переднему фронту второго импульса, поступающего на счетный вход счетчика 12, на выходе

25

30

35

второго разряда счетчика 12 появляет-20 ствующие разряды счетчика 3 и одно- ся сигнал 1, который поступает на второй вход формирователя 1 интервала измерения, обнуляет счетчик формирователя 1 и вызывает появление на выходе формирователя 1 сигнала О, кроме того, сигнал 1 с выхода второго разряда счетчика 12 поступает на вход начальной установки счетчика 3 и записывает в счетчик 3 в двоичном коде число импульсов, сосчитанное дополнительным счетчиком 12, т.е. 2. Сигнал О на выходе второго разряда счетчика 12 появится после того, как на счетный вход D-тригге- ра придет первый после появления сигнала О на выходе формирователя 1 ин тервала измерения передний фронт импульса с третьего выхода генератора 2 образцовых частот и переключит D-триггер 11, в результате чего на инверсном выходе D-триггера 11 появится сигнал 1, который обнулит счетчик 12 и разрешит прохождение импульсов с второго выхода генератора 2 образцовых частот через элемент И 13 на счетный вход счетчика 3. Далее счетчик 3 считает поступающие на его счетный вход передние фронты импульсов до тех пор, пока счетчиком формирователя 1 интервала изме-50 рения не будет сосчитано К импульсов измеряемой частоты, после чего на выходе формирователя 1 интервала измевременным обнулением всех остальных разрядов счетчика 3.

В конкретном случае на время перезаписи отводится два периода образцовой частоты f, с второго выхода генератора 2 образцовых частот. Счет чик 12 считает до состояния 10, после чего счетчик 3 устанавливается в состояние 00...Ю, и разрещает- ся прохождение импульсов с второго выхода генератора 2 образцовых часто на счетный вход счетчика 3 через элемент И 13.

Длительность цикла преобразования К периодов измеряемой частоты в код, пропорциональный К периодам, равна К периодам,измеряемой частоты. Цикл преобразования можно представить

40 как временной интервал t -7- , в

t

течение которого счетчик 3 подсчитывает число передних фронтов импульсо образцовой частоты с второго выхода высокостабильного генератора 2 образ цовых частот, поступающих с перио45

дом т на счетный вход счетчика 3 че рез элемент И 13, при этом код, содержащийся в счетчике 3 на момент ег переписи в регистр 10, оказывается . равным- числу задних фронтов импульсов образцовой частоты f, содержа- 1ЦИХСЯ в интервале измерения t , и будет определять период измеряемой частоты f JJ.

рения появится сигнал 1, который с приходом на счетный вход D-триггера 11 переднего фронта импульса с третьего выхода генератора 2 образцовых частот вызовет появление на инверсном выходе D-триггера 11

сигнала О, который будет запрещать прохождение через элемент И 13 импульсов с второго выхода генератора 2 образцовых частот на счетный вход счетчика 3 и.разрещать их счет счетчику 12. Далее новый код, пропорциональный К периодам измеряемой частоты , переписывается из счетчика 3 в регистр 10 хранения кода, и цикл преобразования повторяется.

Для того, чтобы конец одного интервала измерения t являлся началом следующего интервала измерения t , перед 1ие фронты импульсов с второго

тот во время счетчика 3 в счетчиком 12

перезаписи кода из регистр 10 считаются с последующей перезаписью его содержимого в соответ

ствующие разряды счетчика 3 и одно-

временным обнулением всех остальных разрядов счетчика 3.

В конкретном случае на время перезаписи отводится два периода образцовой частоты f, с второго выхода генератора 2 образцовых частот. Счетчик 12 считает до состояния 10, после чего счетчик 3 устанавливается в состояние 00...Ю, и разрещает- ся прохождение импульсов с второго выхода генератора 2 образцовых частот на счетный вход счетчика 3 через элемент И 13.

Длительность цикла преобразования К периодов измеряемой частоты в код, пропорциональный К периодам, равна К периодам,измеряемой частоты. Цикл преобразования можно представить

ствующие разряды счетчика 3 и одно-

как временной интервал t -7- , в

t

течение которого счетчик 3 подсчитывает число передних фронтов импульсов образцовой частоты с второго выхода высокостабильного генератора 2 образцовых частот, поступающих с перио

20 ствующие разряды счетчика 3 и одно- 0

5

дом т на счетный вход счетчика 3 через элемент И 13, при этом код, содержащийся в счетчике 3 на момент его переписи в регистр 10, оказывается . равным- числу задних фронтов импульсов образцовой частоты f, содержа- 1ЦИХСЯ в интервале измерения t , и будет определять период измеряемой частоты f JJ.

На фиг.2 приняты обозначения: с - измеряемый интервал времени,равный длительности К периодов измеряемой частоты f,, i - время между нача51290

лом временного интервала t и задним фронтом первого в этом интервале импульса образцовой частоты f , Т, - период образцовой частоты f С - число импульсов, сосчитанных счетчиком 3 за время t.

На фиг.2 выделен интервал t , в течение которого основной счетчик 3 и дополнительный счетчик 12 поочередно подсчитывают передние фронты им- пульсов с второго выхода генератора 2 образцовых частот в данном цикле преобразования периода измеряемой частоты в код.

Как видно из фиг.2, число перед- них фронтов импульсов образцовой частоты f в интервале t равно числу задних фронтов этих импульсов в интервале tj и. может быть записано в

виде

., (1)

где INT - целая часть числа, заключенного в скобки. Длительность интервала времени t -может быть записана в виде:

t -|- пТ +oLT (n+ot)T , (2)

х

где п - целое число,

ci - действительное число, причем О 1.

Устройство преобразования кода, пропорционального пяти периодам, в код, пропорциональный частоте, работает следующим образом. Перед начало цикла счетчик 4 обнулен, в двоичном накапливающем сумматоре 5 записано число предварительной установки сумматора, равное М. С момента открытия ключа 9 импульсы образцовой частоты f 2 с первого выхода генератора 2 образцовых частот через ключ 9 посту-

пают на счетный вход счетчика 4 и вход управления суммированием двоичного накапливающего сумматора 5. По каждому импульсу образцовой частоты t сумматор 5 прибавляет к сво- ему содержимому содержимое регистра 10 хранения кода, пропорционального К периодам измеряемой частоты f j(. Одновременно содержимое счетчика 4 увеличивается на единицу. Для исключения сбоев фронты импульсов, по которым происходит суммирование, и фронты импульсов, по которым происходит перепись кода из счетчика 3

5

5

5

0

в регистр 10, разнесены во времени. Цикл работы устройства преобразования кода, пропорционального К периодам, к вод, пропорциональный измеряемой частоте, заканчивается, как только переполнится двоичный накап- ливаю ций сумматор 5. Импульс с выхода переполнения сумматора 5 задерживается элементом 7 задержки на время, достаточное для окончания переходного процесса в счетчике 4 от последнего счетного импульса на входе счетчика 4 и с второго выхода элемента задержки поступает на вход блока 6 индикации, в результате чего содержимое счетчика 4 переписывается в блок 6 индикации. Одновременно этот же импульс поступает на первый установочный вход триг0 гера 8 и переводит триггер 8 в состояние, при котором ключ 9 закрыт. С первого выхода элемента 7 задержки импульс переполнения, задержанный по сравнению с импульсом на первом выходе элемента 7 задержки на время, достаточное для переписи кода из счетчика 4 в блок 6 индикации, поступает на вход обнуления счеТчика 4, на вход предварительной установки

0 сумматора 5, в результате чего в

сумматор заносится число М, и на второй установочный вход триггера 8, который при этом переходит в состояние, при.котором ключ 9 открыт, что является началом следующего цикла преобразования кода, пропорционального К периодам, в код, пропорциональный измеряемой частоте.

Длительность t цикла работы устройства преобразования кода, пропорционального К периодам, в код, пропорциональный измеряемой частоте, определяется следующим выражением:

. ,,

(3)

где f - измеряемая частота;

К - коэффициент пропорциональности между измеряемой частотой И кодом, пропорциональным этой частоте,

Т - период образцовой часто- . ты f .

Из выражений (2) и (3) следует, что для измеряемых частот, удовлетвряющих условию

. LOZ / к.

(4)

7 2901 длительность t цикла работы устройства преобразования кода, пропорционального К периодам, в код, пропорциональный частоте становится больше длительности t цикла работы устрой- 5 ства преобразования измеряемой частоты в код, пропорциональный К периодам измеряемой частоты, и за время с„ происходит

10

N

V

(5)

циклов преобразования К периодов измеряемой частоты в код, пропорциональный этим К периодам, т.е. за время в регистре 10 происходит обновление кода, подаваемого на информационные входы сумматора 5. Сигнал переполнения на выходе сумматора 5 появится, когда число, записанное в него,равно или превышает 2, где m - разрядность сумматора 5. При этом справед- . ливо следующее равенство:

20

ПС М. 6)

J-1

где С - код на входе двоичного накапливающего сумматора 5 при J-TOM такте суммирования,

М - код предварительной установки сумматора;

В - число суммирований, равное

коду в счетчике 4 в мо- мент появления импульса переполнения на выходе сумматора 5.

Левую часть равенства (6) для иэ(1П меряемых частот, удовлетворяющих условию (4), можно представить в виде:

Г:С( + ... Cj+.. + (C.+C;+...C; )чJ 1|U.

+ (.. .+CN)-|lIIci (7)

i-1

где t; - код в регистре 10, получен- ный в i-TOM цикле преобразования К периодов измеряемой частоты в код.

Из выражений (6) и (7) следует, что код, пропорциональный измеряемой частоте, в счетчике 4 в момент появле

ния импульса переполнения равен

(2 - M)-N

«Г

Щс

908

, .U

Как видно из фиг.2 сумма J , кодов С, полученных в N отдельных преобразованиях временного интервала Ц в код в случае, когда конец каждого интервала t является одновременно началом следующего временного интервала, равна коду, полученному при преобразовании временного интервала Ntд в код. Поэтому в соответствии с выражением (1) можно записать

К1с. (9)

Соответственно, выходной код в предлагаемом цифровом измерителе частоты равен

в .- 2l-ii«i-V- (,о) .1

25

Математическое ожидание выходного кода

В

п

(11)

Максимальное значение среднеквадратичного отклонения выходного кода в предлагаемом цифровом измерителе частоты равно

S(b)makc

()- 0,5

(п + О, 5) N

- (12)

По сравнению с известным максимальная погрешность данного цифрового измерителя частоты уменьшена в /JN раз.

Формула изобретения

Цифровой измеритель частоты, содержащий формирователь интервала измерения, первый вход которого является входом устройства, генератор образцовых частот, первый и второй счетчики, сумматор, блок индикации, элемент задержки, триггер, ключ и регистр, информационные входы которого соединены с разрядными выходами первого счетчика а выходы - с информационными входами сумматора, выход переполнения которого соединен с входом элемента задержки, первый выход которого соединен с входом предуста912

.ковки сумматора, входом установки нуля второго счетчика и первым входом триггера, а второй - с вторым входом триггера и входом записи данных блока индикации, информационные входы которого соединены с разрядными выходами второго счетчика, счетный вход которого соединен с входом управления суммированием сумматора и выходом ключа, управляющий вход кото- рого соединен с выходом триггера, а вход - с первым выходом генератора образцовых частот, отличающийся тем, что, с целью повышения точности в него введены D-триг- гер, третий счетчик и двухвходовый элемент И, выход которого соединен

Редактор М.Товтин

Составитель Е.Минкин

Техред В.Кадар Корректор И.Эрдейи

Заказ 7894/40

Тираж 731 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, )}{-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная,4

90,0

со счетным входом первого счетчика, первый вход - с инверсным выходом D-триггера и входом установки нуля третьего счетчика, а второй вход - со счетным входом третьего счетчика и вторым выходом генератора образцовых частот, третий выход которого соединен со счетным входом D-триггера, информационный вход которого соединен с выходов формирователя интервала измерения, второй вход которого соединен с входом начальной установки первого счетчика и первым выходом третьего счетчика, второй выход которого соединен с входом управления переписью регистра.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в частотных системах измерения и автоматического регулирования. Целью изобретения является повьппе- ние точности измерения. Устройство содержит формирователь интервала измерения 1, генератор 2 образцовых частот, счетчики 3,4, сумматор 5, блок индикации 6, элемент задержки 7, триггер 8, ключ 9, регистр 10. Введение D-триггера 11, счетчика 12, двухвходового элемента И 13, образование новых функциональных связей позволило достичь поставленную цель. По сравнению с прототипом максимальная погрешность данного цифрового измерителя частоты уменьшается sJN раз (N - количество циклов преобразования) . 2 ил. & (Л ю со