Устройство для цифрового измерения мгновенной частоты Советский патент 1988 года по МПК G01R23/00 

СО

с

N)

Изобретение относится к технике цифрового измере «ия частоты и является усов.ершеиствованием изобретения по авт.св. № 840758.

Целью изобретения является повышение точности и расширение диапазона измеряемых частот.

На фиго представлена функциональная схема устройства для цифрового измерения мгновенной частоты; на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства; на фиг.З - функциональная схема генератора опорной, частоты; на фиг,4 - магазин кон- денсаторове

Устройство для цифрового измерения мгновенной частоты содержит генератор 1 пилообразного напряжения, формирователь 2 гиперболической функции, генератор 3 опорной частоты, счетчик 4 импульсов, усилитель-формирователь 5, змиттерный повторитель 6, пиковый детектор 7, блок 8 сброса, дифференцирующую цепь 9, компаратор 10, ис- точник 11 опорного напряжения, магазин 12 конденсаторов.

Генератор I пилообразного напряжения содержит эталонный конденсатор 13 генератор 14 тока, цепь 15 разряда, два ключа 16 и 17, логический инвертор 18, источник 19 компенсирующего напряжения.

Генератор 3 опорной частоты содержит счетчик 20 импульсов, коммутатор 21, генератор 22 импульсов, п делителей 23-. 1-23.п частоты импульсов, ключ 24 (фиг.З).

Магазин 12 конденсаторов содержит сдвиговый регистр 25, генератор 26 логической единицы, управляемый блок 27 конденсаторов, блок 28 задержки, содержащий конденсатор 29 и резистор; 30. Управляемый блок 27 конденсаторов состоит из конденсаторов 31.1- 31.1 и резисторов 32.1-32о1 и шины 33 нулевого потенциала

Выход компаратора 10 соединен с первым входом магазина 12 конденса- торов, с дополнительным входом блока 8 сброса и с вторым входом генерато ра 3 опорной частоты, третий вход которого соединен с выходом дифференцирующей цепи 9 и с первым входом блока 8 сброса, входом сброса сЧет- чика 4, соединенного тактовым входом с выходом генератора 3 опорной частоты, выход источника 11 опорного .напряжения соединен с-первым входом

т.

5

ю15

2025, ЗО

Q

50

55

компаратора 10, второй вход магазина 12 конденсаторов связан с выходом усилителя-формирователя 5 и первым входом формирователя 2 гиперболической функции, а выход магазина 12 конденсаторов соединен с вторым входом компаратора 10, выходом генератора 1 пилообразного напряжения и входом эмиттерного п.овторителя 6,который через пиковый детектор 7 соединен с вторым входом формирователя

2гиперболической функции, выход которого соединен с входом генератора

3опорной частоты и входом дифферен- цирукядей цепи 9, параллельно конденсатору 13 генератора 1 пилообразного напряжения включен первый ключ 16, информационный вход которого соединен с выходом генератора 14 тока

и выходом цепи 15 разряда, являющимся выходом генератора 1 пилообразного напряжения, а управляющий вход - с входом инвертора 1.8 и входом цепи 15 разряда, являющимся входом генератора 1 пилообразного напряжения, выход инвертора 18 соединен с управляющим входом второго ключа 17, . включенного между выходом первого ключа 16 и выходом источника 19 компенсирующего напряжения, второй вьг- ход которого и второй выход цепи 15 разряда соединены с шиной 33 нуле- |Вого потенциала.

В магазине 12 конденсаторов управляющие входы управляемого блока 27 конденсаторов соединены соответственно с выходами сдвигового регистра 25, вход сдвига которого является первым входом магазина 12 конденсаторов, выходом которого является выход управляемого блока 27 кон денсаторов, соединенного вторым вы . ходом с шиной 33 нулевого потенциала, вьход генератора 26 логической единицы соединен с входом записи последовательного кода сдвигового per. гистра 25, вход записи параллельного кода которого соединен с выходом бло ка 28 задержки, вход которого соединен с разрядными входами сдвигового регистра 25 и является вторым вхоп дом магазина 12 конденсаторов.

Управляющий вход.ключа 24 является первым входом генератора 3 опорной частоты, вторым входом которого является тактовый вход счетчика 20 импульсов, соединенного выходами соответственного с управляющими входа-

ми коммутатора 21, выход которого через ключ 24 соединен с выходом генератора 3 опорной частоты, третьим входом которого является вход сброса счетчика 20 импульсов„Выход, генератора 22 импульсов соединен с первым информационным входом коммутатора 21 остальные п информационных входов которого соединены соответственно с выходами 11 делителей 23,1-23.п частоты, соединенных последовательно, а вход первого делителя 23о частоты соединен с выходом генератора 22 импульсов.

Устройство работает следующим образоМо

Поступающая на вход усилителя- формирователя 5 импульсная последовательность измеряемой частоты преобра зуется им в короткие прямоугольные импульсы, передний фронт которых соответствует во времени экстремальным значениям каждого периода исследуемого процесса (фиг,2, момент t,). Пер- вый импульс с выхода усилителя-формирователя проходит на Ъход запуска одновибратора формирователя 2 и управляющий вход цепи 15 разряда конденсаторов блока 12, а также на вход ключа 16 и через инвертор 18 на вход ключа 17, при зтом конденсаторы блока 12 и конденсатор 13 разряжаются в момент t о В результате выходное напряжение генератора 1 :спадает до нуля. По окончании дейст- Вия импульса с момента 15 разряда и ключ 16 размыкаются, а ключ 17 замыкается, при этом потенциал обкладок конденсатора 13 становится равным выходному напряжению источника 19.

В последующие моменты времени конденсатор 13 начинает заряжаться по линейному закону от генератора 14 (фиг.2в), а напряжение ,,, в мо-.

мент времени t скачком изменится от нуля до напряжения U,, источника 19в По мере заряда конденсатора 13 выходное напряжение генератора 1 будет также линейно возрастать,

Выкодное напряжение генератора 1, поступая через эмиттернгый повторитель 6 на вход пикового детектора 7;

срабатьшает (t., фиг.2г) и его выг ходное напряжение U,o,y, поступая на первый вход магазина 12 конденсаторов и вторые входы блока 8 сброса и генератора 3 опорной частоты, приводит к сдвигу выходного кода регистра 25 на единицу и занесению логической единицы в его мпадший разряд (фиго4)1 при этом к выходной.шине магазина 12, а следовательно, и к выходу блока 1 подсоединяется дополнительный конденсатор (31,п) соответствующим ключом. Суммарная емкость С „ конденсаторов, подсоединенных к выходу генератора 1, увеличивается, что приводит к соответствующему уменьшению напряжения на его выходе;

0 5

Чь.) -и вых - п-/Сп.

где

Ch-, и С„

0

и.),

вых

емкости конденсаторов, подсоединенных к выходу генератора 1 до.и после срабатывания компаратора 10 соответственно;

напряжение на выходе генератора I до и после срабатывания компаратора. 10 соответственно.

20 25

Одновременно импульс с выхода компаратора через блок 8 производит сброс пикового детектора, 7 до напряжения и,|(п), .

Тот же импульс, поступая на вто- др рой вход генератора 3 опорной Ч асто- ты, а следовательно, и тактовый вход

35

20 25

счетчика 20 импульсов, увеличивает его выходной код на единицу что при водит к подсоединению коммутатороН; ;

g 21 к входу ключа 24 очередного выхо- да делителя 23,п частоты импульсов генератора 22 импульсов/(фиг .2 и),

Увеличение суммарной емкости C.j,, подключенной к выходу генератор I

gQ приврдит к уменьшению крут;н9ны линейного н арастания напряжения ,. Дополнительно подключенные еюсости должны быть такими, чтобы Изменение крутизны линейно нарастающего напря

Изобретение служит для повьшения точности измерения мгновенной частоты. Устройство содержит генератор 1 пилообразного напряжения формирователь 2 гиперболической функции, генератор 3 опорной частоты, усилитель-формирователь 5, эмиттер- ный повторитель 6, пиковый детектор . 7, блок 8 сброса и дифференцнрукицую цепь 9. В устройство введены источ- ник II опорного напряжения, компаратор 10 и магазин 12 конденсаторов В описании представлены примеры реализации магазина 12 конденсаторов, генератора 3 опорной частоты и генератора 1 пилообразного напряжения. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

отслеживается последним на. его выхо- gg жения соответствовало коэффициенту

де, В момент достижения напряжением «вых генератора 1 величины, равной величине напряжения источника П. .опорного напряжения, компаратор 10

деления соответртвующего делителя частоты импульсов:

h п-1 KIJ.H

деления соответртвующего делителя частоты импульсов:

h п-1 KIJ.H

где K, коэффициент деле1шя ЗЗ.пто делителя частоты импульсов.

С приходом следующего второго по счету импульса (в момент времени t фиГо2) напряжение на вькоде пикового детектора, равное напряжению, повторенному эмиттерным повторителем 6 на конденсаторах до их сброса, запо- минается и определяется величиной

и, к.т

где и. Т К напряжение на конденсаторах период исследуемого процесса;коэффициент пропорциональ-

I НОСТИ.

. с выхода усилителя-формирователя 5 этот импульс, поступающий такз:е на вход запуска формирователя 2 гиперболической функции, запускает последний, при этом он формирует им пульсы, длительность 5 которых зависит от величины напряжения ,, запомненного пиковым детектором 7 с выхода генератора 1 и поступающего с выхода пикового детектора 7 на управляющий вход формирователя 2 гиперболической функции (фиг.2 е), Эта зависимость выражается соотношением

1

K,Ue

к,кт

где K - коэффициент пропорциональности.

Отрицательным перепадом напряжения импульса с выхрда формирователя 2 гиперболической функции, поступающего на вход дифференцирующей, цепи 9, последняя формирует на выходе в момент tg отрицательный импульс (фиг,2 ж), Напряжение на вькоде пикового детектора в момент tg(фиг.2 д) сбрасывается через блок 8 сброса путем в-оздействия на последний отрица -,, тельного импульса с выхода дифференцирующий цепи 9, после действия кото- ото напряжение на выходе пикового детектора 7 вновь повторяет через эмиттерный повторитель 6 линейно изменяющееся напряжение с выхода генератора 1 пилообразного напряжения. I

Имггульс с выхрда формирователя

2 гиперболической фуйкции поступает на первый вход генератора 3 опорной

частоты и открывает ключ 24, через который импульсы с выхода коммутато ра 21 поступают на выход генератора 3 опорной частоты, а следовательно, и на гчетчик А импульсов, предварительно сброшенный импульсом с выхо- да ди|{)ференцирующей цепи 9. ,

Во время действия импульса формирователя 2 гиперболической функции дпите1ьностью С вырабатьгеается последовательность постоянной частоты fon (фиг.2,3), причем число импульсов п:ропорционально длительности и следовательно, пропорционально мгнов1гнной частоте исследуемого процесса,

Подготовка магазина 12 конденсаторов к каждому очередному циклу из- меренля производится выходным импульсом формирователя 5 с помощью блока 28 задержки, благодаря которому на всех выходах регистра 25 устанавливаются уровни логических единиц в

момент времени, отстоящий от начала дейстззия импульса на время задержки, при этом все конденсаторы 31,1-31.1 подсоединяются к цепи 15 разряда и разряжаются до нуля. По окончании

действия импульса усилителя-формирователя 5 выходные уровни регистра 25 устанавливаются в нулевые состояния, соторые соответствуют отключенному состоянию конденсаторов

Бл.1годаря автоматическому подклюю чению дополнительных конденсаторов 31.1-31о1 параллельно эталонному конденсатору 13 генератора 1 пилооб- разно: о напряжения в несколько раз

расши 5яется динамический диапазон измеряемых частот входных сигналов в зависимости от максимальной емкос - ти ук.1занных конденсаторов, кроме того, подключение предварительно

разрязкенного эталонного конденсатора 13 в начале цикла измерений к ис- точни)су 19 компенсирует влияние времени подготовки устройства к новому циклу измерений, что увеличивает точно1:ть измерения, особенно для верхшгго частотного диапазона измерений,

55

Формула изобретения

К Устройство для цифрового изменения мгновенной частоты по авт. св. № 840758, отличающее- с я тем, что, с целью повышения точ7 1 ности и расширения диапазона измеряемых частот, в него введены компаратор источник опорного напряжения, магазин конденсаторов, счетчик, при- чем выход компаратора соединен с первым входом магазина конденсаторов, 9, дополнительным входом блока сброса и с вторым входом генератора опорной частоты, третий вход которого соединен с выходом дифференцирующей цепи и с входом сброса счетчика, тактовый вход которого соединен с выходом генератора опорной частоты, выход источника опорного напряжения соединен с первым входом компаратора, второй вход магазина конденсаторов - с выходом усилителя-формирователя, а выход магазина конденсаторов с вторым входом компаратора и с выхо- дом генератора пилообразного напряжения,

3, Устройство по П.1, о т л и ч а- ю щ е е с я тем, что генератор

95«

.опорной частоты содержит генератор импульсов, счетчк импульсов, коммутатор, п делителей частоты, ключ, управляющий вход которого является первым входом генератора опорной частоты, -вторым входом которого является тактовый вход счетчика импульсов соединенного выходами соответственно с управляющими входами коммутатора, выход которого через ключ соединен с выходом генератора опорной частоты, третьим входом которого является .вход сброса счетчика импульсов, выход генератора импульсов соединен с первым информационным входом коммутатора, остальные п информационных входов которого соединены соответственно с выходами п делителей частоты, соединенных последовательно, а вход первого делителя частоты соединен с выходом генератора импульсов А, Устройство по п,1, о тли чающееся тем, что генератор пи-; лообразного напряжения содержит источник компенсирующего напряжения, логический инвертор, два ключа, эталонный конденсатор, генератор тока, цепь разряда и общую пшну, причем первый выход источника компенсирующего напряжения соединен через второй ключ с первой обкладкой эталонного конденсатора и с первым ключом, выход которого соединен с выходами генератора тока, цепи разряда второй обкладкой эталонного конденсатора и является выходом генератора пилообразного напряж(ения, входом которого являются объединенные входы цепи разряда, управляющий вход первого ключа и логического инвертора, выход которого соединен с управляющим входом второго ключа, вторые выходы 1-

источника компенсирующего напряжения и цепи разряда соединены с общей шиной .

фиг. г

фиг.з

щиг.