Устройство для цифрового измерения частоты медленно меняющихся процессов Советский патент 1988 года по МПК G01R23/00 

Вход

(Л

Изобретение может быть использовано для измерения процессов ,малой скорости, например частоты пульса, дыхания. Устройство, для цифрового измерения частоты медленно меняющихся процессов содержит входной форьшро- ватель 1, генератор (Г) 2 пилообраз ного напряжения, пиковый детектор 3, управляемый Г 4, триггеры 5,6 ключи 7,15,16, импульсный Г 8 опорной частоты, дифференцирующие цепи 9,18, компаратор 10, источники 11,12 опорного напряжения соответственно, вспомогательный конденсатор 14, логический инвертор 17, счетчик J9 импульсов. Устройство имеет повышенную точность измерения,.2 з,п,ф-лы, 6 ил.

Фиг. 1

Изобретение относится к технике электрических измерений и предназначено для измерения частоты процес- сов малой скорости, например частоты лульса, , дыхания и т.д.

Цель изобретения - повышение точности измерения и расширение диапазона измеряемых частот.

На фиг.1 представлена функциональ- ная схема устройства для цифрового измерения частоты медленно меняющихся процессов; на фиг,2 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства; на фиг.3-5 - функциональные cxeмы соответственно пикового детектора, импульсного генератора опорной частоты и магазина конденсаторов, нафиг.6 времениые диаграммы, поясняющие рабо- ту магггзипа конденсаторов,

Устройство для цифрового измерения частоты медленно меняющихся процессов содержит входной формирователь 1, генератор 2 пилообразного напряжения, пиковый детектор 3, управ- ляеный генератор 4, первый 5 и второй 6 триггеры, первый ключ 7, импульсный генератор 8 опорной частоты, первую дифференцирующую цепь 9, компаратор 10, первый 11 и второй 12 источники опорного напряжения, магазин 13 конденсаторов, вспомогательный конденсатор .14, второй 15 и третий 6 ключи, логический инвертор J7, вторую дифференцирующую цепь J8 и счетчик J9 импульсов.

Генератор 2 пилообразного напряжения может быть выполнен, например, на зталонном конденсаторе 20, генераторе 21 тока и цепи 22 разрадя эта- лоннох о конденсатора.

Ликовый детектор 3 может содержать например, эмиттерный повторитель 23, аналоговое запоминающее устройство 24 устройство 25 сброса напряжения и элемент ИЛИ 26.

Импульсный генератор 8 опорной .частоты может быть реализован, напри- мер, на счетчике 27 импульсов, коммутаторе 28, генераторе 29. импуль- сов, h делителях 30-1-30-h частоты импульсов.

Магазин 13 конденсаторов может содержать, например, сдвиговый регистр 31 , генератор 32 логической единицы, управляемый блок 33 конденсаторов, блок 34 задержки, выполненный на конденсаторе 35 и резисторе 36, а управляющий блок 33 конденсаторов мо

5 О

0

5

д

5

5

жет включать в себя, например, 1 параллельно соединенных ветвей, каждая j-я ветвь состоит из последовательно включенных коденсатора 37-j и ключа 38-j, причем управляющие входы ключей 38-1 - 38-2 являются соответствующими входами управляемого блока 33 конденсаторов, а концы всех указанных ветвей соединены соответственно с выходом управляемого блока конденсаторов и шиной нулевого потенциала.

Устройство работает следующим образом.

Импульсная последовательность измеряемой частоты преобразуется входным .формирователем 1 (фиг.2а) в короткие прямоугольные импульсы, передний фронт которых соответствует во времени экстремальному значению каждого периода исследуемого процесса (фиг.2б).Первьй импульс с выхода формирователя 1 поступает на вход триггера 5, взводя его, а также поступает на управляющий вход цепи разряда генератора 2 пилообразного напряжения, воздействуя на последнюю, что приводит к быстрой разрядке через нее эталонной емкости С в моЭТ2О

мент t, Выходной импульс формирователя 1 поступает также на управляю-, щий вход ключа 15, замыкая его, и через логический инвертор J7 на управляющий вход ключа 16, размыкая его, при этом вспомогательный конденсатор 14 заряжается до напряжения опорного источника П. Кроме того, им- рульс формирователя 1, поступая на первый вход магазина 13 конденсаторов, устанавливает потенциалы логической единицы на входе параллельной записи сдвигового регистра 31 и через время задержки блока 34 задержки поступает на второй вход управления параллельной записи .сдвигового регистра 31 (фиг.бв, и8|,„с(34)).11риэтом в течени.е времени совместного действия импульсов на первом и втором входах сдвигового регистра 31 на его выходе устанавливаются уровни логической единицы, которые, поступая на управляющие входы ключей 38 блока 33 конденсаторов, замыкают ключи 38, а следовательно и первые выводы конденсаторов 37 на шину нулевого потенциала, вторые соединенные друг с другом выводы конденсаторов, являясь выходом магазина 13 конденсаторов.

подсоединены также к шине нулевого потенциала через цепь 22 разряда генератора 2 пилообразного напряжения, В результате конденсаторы 37 разря- жаются до нуля. После окончания действия импульса на выходе формирователя 1 цепь 22 разряда размыкается, на первых выходах регистра 31 сдвига, а следовательно, и на его выходах ус танавливаются уровни логического нуля , при этом ключи 38 размыкаю тся, вспомогательный конденсатор 14 отсоединяется от источника 11 и подсоединяется ключом 16 к эталонноь{у конден сатору 20, перераспределение зарядов на которых приводит к установлению потенциала на них, определяемого выражением

Crt

ин(Ч) и

(f

CH

(1)

где и.. - напряжение на выходе первого источника 11 опорного напряжения;

- емкости конденсаторов 14

Cjo и 20 соответственно. Начиная со значения- U, формируемое в последующие моменты времени напряжение на .выходе генератора 2 пилообразного напряжения совпадает с пи- лообразным напряжением, начало генерации которого совпадают с передним фронтом импульса на выходе формирователя 1. Таким образом, точность формирования пилообразного напряжения, особенно для малых времен, на выходе генератора 2 значительно выше, по сравнению с известным устройством, для которого начало формирования пилообразного напряжения существенно не совпадает с началом управляющего импульса и зависит от времени, необходимого для разряда конденраторов устройств. ,

При больщом периоде входных импульсов напряжение на выходе генератора 2, линейно нарастая, достигает уровня напряжения U второго источника 12 опорного напряжения, при этом компаратор 10 в момент

t, срабатыва9

ет, в результате чего на второй вход магазина 13 конденсаторов, а следовательно, и на вход управления последовательной записью сдвигового ре пикового детектора 3 (фиг,2е),

С выхода управляемого генератора 4 последовательность импульсов поступает на счетный вход второго триггера 6 который находится в исходном состоя50 НИИ (входное напряжение триггера 6 .соответствует уровню логической единицы) , При этом выходные импульсы генератора 4, поступающие на счетный вход триггера 6, не могут изменить

гистра 31 поступает импульс (фиг.бг, его состояние до тех пор, пока напря

. (13)), при этом в первый разряд сдвигового регистра 31 заносится логическая единица, поступающая

жение на входе установки триггера 6 не станет равным уровню лргической единицы.

из генератора 32 логической единицы на вход последовательной информации сдвигового регистра 31, при этом ключ 38-1 замыкается и конденсатор 37-1 подсоединяется параллельно конденсаторам 14 и 20, напряжение на которых в момент времени t скачком падает с напряжения, величины

равного , до

/2)

i Г...+ с. + Cjg,.

с,+

V

а пиковый детектор 3 под действием импульса компаратора 10 разряжается до этого же напряжения. Кроме того, импульс компаратора 10, поступая на первый вход импульсного генератора 8, увеличивает код счетчика 27 на единицу, что соответствует изменению масштаба представления периода входной последовательности напряжением в q раз.

Если q принять равной двум, то

С,„

С,

q S/

го

V

s,-,-...CH

с +

ео

(3)

J9-1 e-i-l Соотношение (3) позволяет последовательно выбирать величины емкостей конденсаторов Cjg.j- С,..

Напряжение эталонного конденсатора 20, поступая через эмиттерный

повторитель 23 на вход аналогового запоминающего устройства 24, отслеживается последним йа его выходе, являющемся выходом пикового детектора 3 (фиг.З), с которого поступает, на вход

управляемого генератора 4 с линейной модуляционной характеристикой,.формирующего импульсы, частота следования которых (фиг,2ж) меняется в зависимости от управляющего напряжения

пикового детектора 3 (фиг,2е),

С выхода управляемого генератора 4 последовательность импульсов поступает на счетный вход второго триггера 6, который находится в исходном состояНИИ (входное напряжение триггера 6 , соответствует уровню логической единицы) , При этом выходные импульсы генератора 4, поступающие на счетный вход триггера 6, не могут изменить

его состояние до тех пор, пока напря

его состояние до тех пор, пока напря

жение на входе установки триггера 6 не станет равным уровню лргической единицы.

14135А2 и т.д.

15

В моменты времени t ,t ,.,., выходное напряжение триггера 5 изменяется с нулевого уровня на уровень логической единицы. При этом триг--; 5 гер 6 получает возможность работать в счетном режиме (т.е.возможность изменять состояние уровней выходных напряжений при поступлении импульсов на счетный вход),Ю

С приходом первого счетного импульса с выхода управляемого генератора 4 на счетный вход второго триггера 6 выходной уровень напряжения последнего изменяется на противоположный. Первый импульс генератора 4 переводит второй триггер из состояния огической единицы в нулевое.

Второй импульс с выхода управляемого генератора 4, воздействуя в мо- 20 мент времени t на счетный вход второго триггера 6, вновь перебрасывает его в противоположное (исходное) состояние. Импульс, сформированный на выходе триггера 6, дифференцируется дифференцирующей цепью 9.Выходной импульс дифференцирующей цепи положительной полярности в момент времени tt поступает на вход установки нуля триггера 3 и сбрасывает триггер 5. 30 При этом нулевой уровень напряжения с выхода первого триггера 5 (фиг.2з), поступив на установочньй вход (установки уровня логической единицы) второго триггера 6, переводит его в состоя- з5 ние, нечувствительное к кмпульсам с выхода импуль сного генератора 4.

Сформированный таким образом в интервале времени импульс на выходе второго триггера 6 (фиг,2и) по- 40 ступает на второй вход (управляющий) электронного ключа 7, открывая его на Ьремя своего действия. Через от25

крытый электронньш ключ 7 импульсы, поступающие на первый вход последнего 45 i с выхода генератора 8 опорной частоты, проходят на выход электронного ключа 7 (фиг.3л) до тех пор, пока он не закроется в момент времени t по окончании действия импульса с вы- 50 хода триггера 6.

Таким образом, электронный ключ 7 открыт в промежуток времени или на время, равное периоду следования импульсов на выходе управляемого 55 генератора.

Число этих импульсов пропорционально измеряемой частоте процесса.

за и сы ус ви пу пи ро за хо вт те ни ра то па ан ра

и го п е мо он из те вш ра ра ко де ла

во им ча то ны да ме им не

ро в ни ча пу

Ф

ре це ч по

i

Напряжение на выходе аналогового запоминающего устройства 24 (фиг.З) и на выходе пикового детектора 3 сбрасывается в момент времени t через устройство 25 сброса путем воздействия на последнее положительного импульса с выхода дифференцирующей цепи 9 (фиг.2к), после действия которого напряжение на выходе аналогового запоминающего устройства 24 и на выходе пикового детектора 3 вновь повторяет через эмиттерный повторитель 23 линейно изменяющееся напряжение с эталонной емкости 20 генератора 2 пилообразного напряжения, кроме того, после каждого срабатывания компаратора JO (фиг.2в) производится аналогичный сброс пикового детектора 3. .

Используемые для измерения первый и второй выходные импульсы импульсного генератора 4, составляющие его п ериод Tj. .следуют позднее момента времени t,установления стационарного режима блока 4. Так как для измерения используется временной ин тервал следования импульсов, следую- вшй за моментом времени t,то для работы данного импульсного генератора 4 не требуется синхронизации скачков управляемого напряжения пикового детектора с выходными импульсами релаксационного генератора.

Предлагаемое устройство для цифрового измерения мгновенной частоты импульсной последовательности отличается от известного более высокой точностью, особенно в области повышенных частот, так как измерение периода выходных имп: льсов выполняется . между одноименными фронтами входных импульсов, при этом время обработки не влияет на результат измерения.

i

Благодаря коммутации конденсаторов магазина J3 расширяется диапазон в области низких частот При изменении кода счетчика 27 изменяется и частота на выходе генератора 8 импульсов в q раз.

Формула изобретения

J. Устройство для цифрового измерения частоты медленно меняющихся процессов по авт.св. № 930J44, отличающееся тем, что, с целью повьш1ения точности измерения и расти71

рения диапазона измеряемых частот, в него введены второй конденсатор, второй и третий ключи, логический инвертор, два источника опорного напряжения, компаратор, магазин конденсаторов, вторая дифференцирующая цепь, счетчик импульсов, причем первый вывод второго конденсатора соединен с выходом источника опорного напряжения через второй ключ, связанный своим управляющим входом с выходом входного формирователя, с входом логического инвертора и с первым входом магазина конденсаторов, выход которого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, первым входом компаратора и информационным входом третьего ключа, соединенного своим управляюпщм входом с выходом логического инвертора, в выход второго ключа подключен к первому выводу второго конденсатора, второй вывод которого соединен с шиной нулевого потенциала, выход второго источника Опорного напряжения связан с вторым входом компаратора, соединенного своим выходом с вторым входом магазина конденсаторов, с дополнительньм входом пикового детектора и с первым входом импульсного генератора опорной частоты, второй вход которого подключен к выходу первой дифференцирующей цепи, вход второй дифференцирующей цепи соединен с выходом первого триггера, а ее выход связан с входом сброса счетчика, соединенного своим тактовым входом с выходом первого ключа, при этом выход счетчика является выходом устройства,

2, Устройство по П.1, о т л и - чающееся тем, что магазин конденсаторов содержит сдвиговый регистр

428

генератор логической единицы, блок задержки и управляемый блок конденсаторов, управляющие входы которого ,со- единены с соответствующими выходами сдвигового регистра, вход сдвига которого является вторым входом магазина конденсаторов, выходом которого является выход управляемого блока

конденсаторов, соединенного своим вторым выходом с шиной нулевого потенциала, выход генератора логической единицы соединен с последовательным входом сдвигового регистра, вход записи параллельного кода которого связан с выходом блока задержки, вход которого соединен с разрядными входами сдвигового -регистра и является первым входом магазина конденсаторов.

входы которого соединены с выходами соответствующих делит ел ей (частоты, соединенных последовательно в цепь, в которой вход каждого последующего делителя частоты соединен с выходом

предыдущего, а вход первого делителя частоты в цепи последователь но соединенных делителей -частоты соединен с выходом генератора импульсов.

авх

Ш2) , бых

fi(iO) « Вых

ит)

а{з} вь/х

aft/) дь/х

)

Выу

f(6}

Вы/

f

&ЫХ и (7)

Вых /

дых

III

Hi

il

L

1 I LlllUllllllilllllllllllilill 1111 i I

фиг.2

MMUIlUl

n

П

t t

Й

и

il

t

-9k- t

к

ж

t

-

t

.J

фие.З

фиг. Ч

ue.S