Измеритель частоты и отношения частот Советский патент 1987 года по МПК G01R23/09 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для частотно-временных измерений радиоимпульсных и непрерывных сигналов.

Цель изобретения - повьпиение точности измерения.

На фиг, 1 представлена функциональная схема ус тройства; на фиг. 2 и 3- временные диаграммы работы устройства в режимах измерения отношения частот и измерения частоты при N 1 на фиг. 4-7 - примеры реализации блока вьщеления N периодов, формиро- вателя начала разряда, генератора тока периодов, зарядно-разрядной схемы соответственно.

Измеритель частоты и отношения частот (фиг. 1) содержит первый и второй блоки 1 и 2 вьщеления N периодов, формирователь 3 начала разряда, генератор 4 тока периодов, первый накопительный конденсатор 5, заряд- но-разрядную схему 6, второй накопи-. тельный конденсатор 7, двухсекционный переключатель 8.1-8.2 работы, триггер 9 линейного разряда, счетчик 10, генератор 11 импульсов и цифровое отсчетное устройство 12. .

Блок 1 выделения N периодов (фиг.4 содержит первый компаратор 13 напряжения, первый и второй Д-триггеры 14 и 15. Формирователь 3 начала разряда (фиг. 5) содержит первый и второй 16 и 17 1К-триггеры, элемент И 18 и элемент 19 задержки.

Генератор 4 тока периодов (фиг.6) содержит первый и второй ключи 20 и 21, третий Д-триггер 22, первую схе- му 23 выделения спада сигнала, преобразователь 24 напряжения в ток разряда, первый ис:точник 25 тока о

Зарядно-разрядная схема 6 (фиг.7) содержит третий, четвертый и пятый 26, 27 и 28 ключи,второй источник 29 тока, элемент ИЛИ 30, четвертый Д- триггер 31, схему 32 выделения спада сигнала и второй компаратор 33 напряжения

Первый и вторым входами устройства являются первые входы соответственно первого и второго блоков 1 и 2 выделения N-периодов, вторые входы которых являются входом запуска уст- ройства, выход первого блока 1 выделения соединен с первым входом генератора 4 тока периодов и первым входом формирователя 3 начала разряда.

второй вход KOTopoi o соединен с выходом второго блока 2 выделения N периодов и первым входом зарядно-разрядной схемы, второй вход которой соединен со вторым входом генератора

4тока периодов, выходом триггера 9 линейного разряда и первым входом счетчика 10, третий вход - с выходом генератора 4 тока периодов, четвертый вход - с подвижным контактом первой секции 8.1 двухсекционного переключателя, неподвижные контакты которой соединены соответственно с шиной начального и опорного потенциалов, пятый вход - через второй накопительный конденсатор 7 с общей шиной, а выход - со вторым входом триггера 9 линейного разряда, первый вход которого соединен со вторым выходом формирователя 3 начала разряда третий вход и первый выход которого соединены между собой через вторую секцию 8.2 двухсекционного переключателя режима работы, выход генератора 11 импульсов соединен со вторым входом счетчика 10, выход которого соединен со входом цифрового отсчет- ного устройства 12, при этом третий вход генератора 4 тока периодов через первый на.копительный конденсатор

5соединен с общей шиной.

Первым входом блока 1,2 вьщеления N периодов является вход первого компаратора 13, выход которого соединен с тактовым входом второго Д-триг гера 15, выход которого является выходом блока вьщеления N периодов, вторым входом которого Является уста новочный вход первого Д-триггера 14, Д-вход которого соединен с общей шиной, тактовый вход - с Д-входом и инверсным выходом второго Д-триггера 15, вход сброса которого соединен с инверсным выходом первого Д-триггера 14. Первым и вторым вxoдa ш формирователя 3 начала разряда являются тактовые входы соответственно первого и второго 1К-триггеров, I- и К-входы которых соединены между собой и с шиной потенциала логической 1, а входы сброса через элемент 19 задержки - с выходом элемента И, являющегося вторым выходом формирователя 3 начала разряда, первым выходом которого является выход второго 1К-триг- гера 17, а третьим входом - первый вход элемента И 18, второй вход кото- 1

рого соединен с выходом первого 1К триггера 16,

Первым входом генератора 4 тока периодов является управляющий вход первого ключа 20, соединенный с тактовым входом третьего Д-т,риггера, Д- вход которого соединен с шиной потенциала логической l, вход сброса через первую схему 23 вьзделения спа- да сигнала - со вторым входом генератора 4 тока периодов, а выход - с управляющим входом второго ключа 21, вход которого соединен с шиной начального напряжения, а выход являю- третьим входом генератора 4 тока периодов, через первый ключ 20 и первый источник 25 тока - с общей шиной, через преобразователь 24 напряжения в ток разряда - с выходом генератора 4 тока периодов с

Первым входом зарядно-разрядной схемы 6 являются соединенные мелоду собой управляющий вход третьего ключа 26 и первый вход элемента ИЛИ 30, второй вход которого является вторым входом зарядно-разрядной схемы 6 и соединен с управляющим входом пятого ключа 28 и входом схемы 32 выделения спада сигнала, выход которой соедине со входом сброса четвертого Д-тригге ра 31, тактовый вход которого соединен с выходом элемента ИЛИ 30, Д- вход - с шиной потенциала логической 1, а выход - с управляющим входом четвертого ключа 27, вход которого является четвертым входом зарядно- разрядной схемы, а выход, являющийся пятым входом зарядно-разрядной схемы 6 соединен через третий ключ 26 со вторым источником 29 тока, непосредственно - с выходом пятого ключа 28, а через второй компаратор 33 - с выходом зарядно-разрядной схемы 6, третий вход которой соеди- нен со входом пятого ключа 28.

Устройство работает следующим образом.

В режиме измерения отношения частот, в исходном состоянии первый и второй накопительные конденсаторы 5 и 7 находятся под потенциалом U (подключены к шине начального напряжения) , триггер 9 линейного разряда находится в нулевом состоянии, вход счетчика 10 закрыт, входы Вх. 1 и Вх. 2 устройства заблокированы, первая секция 8.1 переключателя режима работы соединена с источником на1

чального напряжения , вторая секция 8.2 переключателя режима работы замкнута.

По сигналу Запуск на Вх. зап (фиг. 2с() блоки 1 и 2 вьщеления N периодов вьщеляют интервалы времени Т1 и Т2 (фиг. 2г,А ) равные одному периоду входных напряжений U и Uj, (фиг. 2S, Ь ). В течение времени Т1 и Т2 происходит яаряд первого и второго накопительных конденсаторов 5 и 7 стабильным током I до напряжений

ж) , где С5 и С7 величины емкости певого и второго накопительных конденсаторов 5 и 7. Спадом сигнала Т1 ил Т2 (фиго 2е), пришедшим во времени последним формирователь 3 начала разряда устанавливает триггер 9 линейного разряда в единичное состоя- .ние, при этом открывается вход счетчика 10 на время t „ (фиг. 2ц) и генератор 4 тока периодов подключаетс к зарядно-разрядной схеме 6. С этого момента начинается процесс разряда второго накопительного конденсатора 7 током, пропорциональным напряжению на первом накопительном конденсаторе 5, до исходного потенциала. В момент времени, когда второй накопительный конденсатор 7 разрядится до начального потенциала, за- рядно-разрядная схема 6 вырабатывает сигнал (фиг. 2к), возвращающий триггер 9 линейного разряда в нулевое состояние, вследствие чего закрывается вход счетчика 10 и отключается генератор 4 тока периодов от зарядно-разрядной схемы 6. На этом цикл измерения отношения частот заканчивается. При этом время разряда tp второго накопительного конденсатора 7 линейно связано с величиной . В режиме измерения частоты первая секция 8.1 переключателя режима работы подключена к опорному напряжению U , а вторая секция 8.2 переключателя режима работы разомкнута. В исходном состоянии разность напряжений между напряжением на втором накопительном конденсаторе 7 и напряжением срабатывания второго компаратора 33 напряжения, входящего в состав зарядно-разрядной схемы 6, составляет ди U - .Вход счетчика 10 закрыт, триггер 9 линейного разряда находится в нулевом

5134

состоянии, Вх. 1 заблокирован. Второй блок 2 вьщеления N периодов в гзтом режиме работы не используется. По сигналу Запуск (фиг. За) первый блок 1 выделения N периодов из вход- ного сигнала (фиг. 35) формирует на выходе интервал времени Т1 (фиг.ЗЬ). В течение Т1 происходит заряд конденсатора 5 стабильным током 1з до

I г Т1

напряжения U (фиг. ЗА).

Спадом сигнала Т1 (фиг. Зг), через формирователь 3 начала разряда триггер 9 линейного разряда устанавливается в единичное состояние (фиг. З-.) . Открывается вход счетчика 10, генератор 4 тока периодов подключается к зарядно-разрядной схеме 6 и начинается процесс второго накопительного разряда конденсатора 7 (фиг.Зе) током, пропорциональньм напряжению на первом накопительномконденсаторе 5.

8момент равенства напряжения на втором накопительном конденсаторе 7 и напряжения срабатывания второго компаратора 33 напряжения сигналом с выхода за- рядно-зарядной схемы 6 (фиг.З) триггер

9линейного разряда возвршцается в нулевое состояние, закрывается вход счетчика 10 и отключается генератор 4 тока периодов от зарядно-разрядной схемы 6. На этом цикл измерения час- роты заканчивается.

Число импульсов, зарегистрирован- ных в счетчике за время разряда t

.

соответствует частоте f. -

-р, при

этом t С) линейно связано с величиной

f. Первый и второй блоки 1 и 2 выделения N периодов (фиг. 4) работают следующим образом. В исходном состоянии первый Д-триггер 14 сброшен в О, второй Д-триггер 15 заблокиро- ван по R-входу. Сигналом по Вх. зап. первый Д-триггер 14 устанавливается в 1, потенциал блокировки с R-входа второго Д-триггера 13 снимается. Второй Д-триггер 15 формирует на выходе логический сигнал, рав- ньй по длительности одному периоду входного напряжения, поступающего на вход Вх. 1 устройства. Фронтом сигнала с инверсного выхода второго Д-триггера 15 первый Д-триггер 14 возвращается в исходное.состояние, тем самым блокируя второй Д-триггер 15. Первый компаратор 13 напряжения

16

вырабатывает из входного сигнала импульсы прямоугольной формы.

Первый и второй 1К-триггеры 16 и 17 формирователя 3 начала разряда (фиг. 5) в исходном положении сброшены в О. Спадами сигналов Т1 и Т2 (в режиме измерения отношения частот) они устанавливаются в 1,, элемент И 18 формирует на выходе сигнал начало разряда в момент прихода на его входы последнего по времени из спадов Т1 и Т2. Одновременно этот сигнал через элемент задержки возвращает первый и второй 1К-триггеры 16 и 17 в исходное положение. В ре- лсиме измерения частоты этот блок вырабатывает сигнал запуска триггера 9 линейного разряда по спаду сигнала Т1, так как второй секцией 8.2 переключателя режима работы один из входов элемента И 18 отключается от второго 1К-триггера 17 и не оказывает влияния на работу формирователя 3 начала разряда.

Генератор 4 тока периодов (фиг.6) работает следующим образом. Б исходном состоянии третий Д-триггер 22 сброшен в .О, первый ключ 20 разомкнут, второй ключ 21 замкнут. Фронтом Т1 третий Д-триггер 22 устанавливается в 1, второй ключ 21 размыкается. На время длительности Т1 первый ключ 20 подключает источник 25 тока к первому- накопительному конденсатору 5. Напряжение U... преобраLvt

зуется в ток Ip преобразователем 24 напряжения в ток разряда. Величина заряда Ugj. удерживается на первом накопительном конденсаторе 5 в течение времени измерения и сбрасывается в исходное состояние по R-входу третьего Д-триггера 22 в конце цикла измерения от триггера 9 линейного ; разряда через первую схему 23 выделения спада. (

Исходное состояние зарядно-разрядной схемы 6 (фиг. 7, режим измерения f /f) Четвертьш Д-триггер 31 сброшен в О, третий и пятьй 26 и 28 ключи разомкнуты, четвертый ключ 27 замкнут, конденсатор 7 заряжен до . Фронтом сигнала Т2 четвертый Д-триггер 31 через элемент ИЛИ 30 устанавливается в состояние 1 - четвертый ключ 27 размыкается. В течение 12 второй накопительный конденсатор 7 заряжается до И ,

71

В момент установления триггера 9 линейного разряда в 1 подтверждается состояние 1 четвертого Д-триг гера 31 и пятый ключ 28 подключает генератор 4 тока периодов ко второму накопительному конденсатору 7 на время его разряда. Начинается стадия разряда второго накопительного кон-. денсатора 7. За временем разряда следит второй компаратор 33 напряжения, сигнал с которого возвращает в нулевое состояние триггер 9 линейного разряда в момент разряда второго накопительного конденсатора 7 до нап

От спада сигнала триг- t5 разрядили схемы, третий вход которой

ряжения и

гера 9 линейного разряда через схему 32 выделения спада сигнала четвертый Д-триггер сбрасывается в состояние О (конец цикла измерения).

I

В режиме измерения f первая секция 8.1 переключателя режима работы замыкает второй накопительный конденсатор 7 на Ujjn , сигнал Т2 отсутствует. Четвертый Д-триггер 31 устанавливается в 1 через элемент i ИЛИ 30 фронтом сигнала t с триггера

9 линейного разряда, тельный конденсатор

Второй накопи- 7 разряжается от

соединен с выходом генератора тока периода, а четвертый вход - с подвижным контактом первой секции переключателя режима работы, неподвижные

20 контакты которого соединены соответственно с шиной начального напряжения и с шиной опорного потенциала, причем третий вход генератора тока периода соединен через первый накопи25 тельный конденсатор с общей шиной, которая через второй накопительный конденсатор соединена с пятым входом генератора тока периодов.

2. Измеритель по п. 1, отлии „„ до и„„,,. Цикл измерения оп логичен

нац- описанному выше.

Формула изобретения

1. Измеритель частоты и отношения частот, содержащий генератор импульсов, цифровое отсчетное устройство, счетчик, выход которого соединен с входом цифрового отсчетного устройства, а второй вход - с выходом генератора импульсов, отличающийся тем, что, с целью повьше- нйя точности измерения, в него введены первый и второй блоки вьщеления N периодов, формирователь начала разряда, генератор тока периодов, первый накопительный конденсатор, заряд- но-разрядная схема, второй накопи- тельньй конденсатор, двухсекционньШ переключатель режима работы и триггер линейного разряда, при этом первый и второй входы устройства подключены соответственно к первым вхо- лам первого и второго блоков вьзделе- ния N периодо-в, вторые входы которых соединены с шиной запуска устройства, выход первого блока вьзделения N периодов соединены с первыми входами генератора тока периодов и формиро8

вателя начала разряда, второй вход которого соединен с выходом второго блока вьщеления N периодов и первым входом зарядно-разрядной схемы, первый выход и третий вход формирователя начала разряда соединены между собой второй секцией переключателя режима работы, а второй выход подключен к первому входу триггера линейного разряда, второй вход которого соединен с выходом зарядно-разрядной схемы, а выход - с первым входом счетчика и вторыми входами ге нератЬра тока периодов и зарядносоединен с выходом генератора тока периода, а четвертый вход - с подвижным контактом первой секции переключателя режима работы, неподвижные

контакты которого соединены соответственно с шиной начального напряжения и с шиной опорного потенциала, причем третий вход генератора тока периода соединен через первый накопительный конденсатор с общей шиной, которая через второй накопительный конденсатор соединена с пятым входом генератора тока периодов.

2. Измеритель по п. 1, отличающийся тем, что блок вьщеления N периодов содержит первый компаратор напряжения, первый и второй Д-триггеры, первым входом блока выделения N периодов является вход

первого компаратора, выход которого соединен с тактовым входом второго Д-триггера, выход которого является выходом блока вьщеления N периодов, вторым входом которого является ус-

тановочный вход первого Д-триггера, Д-вход которого соединен с общей шиной, тактовый вход - с Д-входом и инверсным выходом второго Д-триггера, вход сброса которого соединен с

инверсным выходом первого Д-триггера.

3. Измеритель по п. 1, отличающийся тем, что формирователь Начала разряда содержит первый и второй ХК- Триггеры, элемент И и элемент задержки, первьм и вторым входами формирователя начала разряда являются тактовые входы соответственно первого и второго 1К-тригге-

ров, I- И К-входы которых соединены с шиной потенциала логической единицы, а входы сброса через элемент задержки - с выходом элемента И, явяющимся вторым выходом формировате-

9134

ля начала разряда, первым выходом которого является выход второго IK- триггера, а третьим входом - первый вход элемента И, второй вход которо-i го соединен с выходом первого IK- триггера.

4. Измеритель по п. 1, отличающийся тем, что генератор тока периодов содержит первый и вто-; рой ключи, третий Д-триггер, первую схему вьщеления спада сигнала, преобразователь напряжения в ток разряда и первый источник тока, первым входом генератора тока периодов является управляющий вход первого ключа, соединенный с тактовым входом третьего Д-триггера, Д-вход которого соединен с шиной потенциала логической единицы, вход сброса через первую схему выделения спада сигнала - с вторым входом генератора тока периодов, а выход - с управляюпщм входом второго ключа, вход которого соединен с шиной начального напряжения, а выход, яв- ляющийся третьим входом генератора тока периодов, - через первый ключ и первый источник тока с общей шиной, а через преобразователь напряжения в ток разряда - с выходом генерато- ра тока периодов.

5„ Измеритель по п. 1, отличающийся тем, что зарядно- разрядная схема содержит третий, четвертый и пятый ключи, второй источник тока, элемент ИЛИ, четвертый Д-триггер, схему вьщеления спада сигнала и второй компаратор напряжения, первым входом зарядно-разрядной схемы являются соединенные между собой управляющий вход третьего ключа и первый вход элемента ИЛИ, второй вход которого является вторым входом зарядно-разрядной схемы и соединен с управляющим входом пятого ключа и входом схемы выделения спада сигнала, выход которой соединен с входом сброса четвертого Д-триггера, тактовый вход которого соединен с выходом элемента ИЛИ, Д-вход - с шиной потенциала логической единицы, а выход - с управляющим входом четвертого ключа, вход которого является четвертым входом зарядно-разрядной схем а выход, являющийся пятым входом за- рядно-разрядной схемы, соединен через третий ключ с вторьм источником тока, непосредственно с выходом пятого ключа, а через второй компаратор - с выходом зарядно-разрядной схемы, третий вход которой соединен с входом пятого ключа.

Изобретение позволяет повысить точность частотно-временных измере //w J &7 Sr-y цзиг. 1 ний сигналов. Измеритель содержит двухсекционный переключатель .2 режима работы, триггер 9 линейного разряда, счетчик 10, генератор 11 им- пульсов и цифровое отсчетное устройство 12. В устройство введены блоки 1 и 2 вьщеления N периодов, служащие для вьщеления интервалов времени, равных одному периоду входных напряжений. В течение этих интервалов времени происходит заряд конденсаторов 5 и 7. Кроме того, в измеритель введены формирователь 3 начала разряда, генератор 4 тока периодов и зарядно-разрядная схема 6 и приведены примеры конкретного их вьтолнения. 4 3.п. ф-лы. 7 ил. (О сл с СП со

п

t

п

I/

фи9.2

И

П

/

f

п

-f

-/

ж

3

фае.З

И.

auti

От§ло1 а9

Фиг. 6 Uon- V .

L J - о т

torrrrin

Редактор Л.Повхан

Фаг. 1

Составитель Е.Соловьев Техред И,Попович

4915/44

Тираж 730.Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

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

Корректор М.Демчик