Способ измерения частоты и устройство для его осуществления Советский патент 1989 года по МПК G01R23/06 

4: 05

сл

со

11467519

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в качестве низкочастотного частотомера.

Цель изобретения - повышение быстродействия и точности измерения.

Способ основан на промежуточном преобразовании длительности периода измеряемой частоты в напряжение пу- Ю тем интегрирования опорного напряжения в течение этого перепада и преобразовании длительности опорного интервала времени в -напряжение во время промежуточного преобразова- 15 НИН путем интегрирования опорного напряжения в течение опорного интервала, результат которого сохраняется о момента окончания промежуточного преобразования, после чего произво- 20 ят, определение длительности информативного интервала времени, пропорционального значению измеряемой частоты, посредством второго интегрирования с инвертированием знака на- 25 . пряжения, пропорционального длительности периода измеряемой частоты в пределах от результата преобразования длительности опорного интервала времени в напряжение до момента на- 30 ступления нулевого значения результата второго интегрирования.

Значение постоянной времени при втором интегрировании напряжения, пропорционального длительности пери- к ода измеряемой частоты, выбирают больше, чем значение постоянной времени при интегрировании опорного напряжения в течение опорного интервала времени.40

На фиг.1 представлена структзф- ная схема устройства; на фиг.2 - временные диаграммы работы устройства; на фиг.З - 5 - возможные варианты схем отдельных блоков.45

Устройство содержит (фиг.1) последовательно соединенные источник 1 опорного напряжения (ИОН), ключ 2, интегратор 3 со сбросом, ключ 4, ин

тегратор 5 и схему 6 сравнения, второй вход которой подключен к общей шине 7 устройства, последовательно соединенные генератор 8 импульсов образцовой частоты (гаОЧ), клйч 9, счетчик 10 и блок 11 цифровой индикации. Устройство содержит также входной формирователь 12, вход которого является входом 13 устройства, а выход соединен с управляющим вхо50

55

до за БЭ ср кл 4 ди ве фо вр щи фо вр ро ве не то пр вт

ющ

нал

ем на

пр U

ко

и

да

. то мя он вх не вк ру ля вх во ра зи кл то кл

бы тр 23 25 до по и хо Вы Rдом ключа 2 и первым входом блока 14 запуска и сброса (БЗС), второй вход БЭС 14 соединен с выходом схемы 6 сравнения. Первый выход БЗС 14 подключен к управляющим входам ключей 4 и 9, а второй и третий выходы соединены с входами Сброс соответственно интегратора 3 и счетчика 10, формирователь 15 опорного интервала времени (ФОИВ) и ключ 16, управляющий вход которого соединен с выходом формирователя 15 опорного интервала времени, первый и второй входы которого подключены к выходам соответственно входного формирователя I2 и генератора 8 импульсов образцовой частоты. Выход источнгжа 1 опорного напряжения через ключ 16 соединен с вторым входом интегратора 5.

Интегратор 3выполнен инвертирующим.

На фиг.2 обозначено:и (t) - сигнал на входе 13 устройства с измеря-

емой частотой fx. UOT .. - напряжение на выходе источника 1 опорного на

пряжения; U(t)-Uj(t), U3(t), U,2(t) U,(t) - напряжения на выходах блоUf4.,(t),U.(t соответственieков

и

2 - 6, 9, 12, 16; напряжения.

дах блока 4 запуска и сброса.

. Схема одного из возможных вариантов выполнения интегратора 5 с двумя входами содержит (фиг.З) операционный усилитель Г/, неинвертирующий вход которого подключен к общей шине 7 устройства, конденсатор 18, включенный между выходом и инвертирующим входом операционного усилителя 17, а Также подключенные к этому входу резисторы 19 и 20, вторые выводы которых являются входами интегратора 5. При этом сопротивление ре-, зистора 19, соединенного с выходом ключа 4, больше сопротивления резистора 20, подключенного к выходу ключа 16..

Блок 14 запуска и сброса может быть выполнен (фиг.4) на основе RS- триггеров 21 и 22 и одновибраторов 23 - 25. Входы одновибраторов 23 и 25 объединены и являются первым входом БЗС 14, выход одновибратора 23 подключен к S-входу RS-триггера 21 и одновременно является третьим выходом блока 14 запуска и сброса. Выход одновибратора 25 подключен к RвходууRS-триггера 22, S-вход кото3 14

рого объединен с R-входом RS-тригге- ра 21 и выходом одновибратора 24, вход которого является вторым входом БЗС 14. Выходы RS-триггеров 21 и 22 являются, соответственно, первым и вторым выходами блока 14 запуска и сброса. Одновибраторы 23 и 24 срабатывают по заднему фронту, а одновибратор 25 - по переднему фронту входных сигналов.

Схема одного из возможных вариантов построения формирователя 15 опор кого интервала времени Топ содержит (фиг.5) одновибратор 26, вход кото- рого является первым входом ФОИВ 15, элемент И 27, первый вход которого является вторым входом ФОИВ 15, RS- триггер 28, выход которого, соединенный с вторым входом элемента И 27, является выходом ФОИВ 15, и счетчик 29, счетный вход которого подключен к выходу элемента И 27, а вход установки в нуль (R-вход) объединен с

/ Топ

п-м (где - коэффициент пересче TD

та счетчика 29) выходом счетчика 29 и подключен к R-входу RS-триггера 28, S-вход .которого соединен с выходом одновибратора 26, срабатывающего по переднему фронту импульса Ту.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии при отсут- ствии сигнала на входе и на выходе входного формирователя 12 по сигнатч лам БЗС 14 и ФОИВ 15 ключи 2, 4, 9 и 16 закрыты, а.интегратор 3 находится в сброшенном состоянии, т.е. U3(t)0 (при этом с второго выхода БЗС 14 на вход Сброс интегратора 3 поступает единичный уровень).

С приходом на вход 13 устройства входного сигнала с измеряемой часто- той f j на выходе входного формирователя 12 образуется импульс длительностью Ту, на время действия которого открывается ключ 2, передним фрон том импульса Т через одновибратор 25, RS-триггер 22 БЗС 14 перебрасывается в нулевое состояние и интегра- ,тор 3 начинает интегрировать опорное напряжение Uo ИОН 1. Одновременно передним фронтом импульса Т х через одновибратор 26, RS-триггер 28 ФОИВ 15 переключается в единичное состояние, разрешая с помощью элемента И- 27 прохождение импульсов

образцово.й частоты с периодом Тс от ГИОЧ 8 на счетный вход счетчика 29. С приходом п импульсов образцовой частоты сигнал с п-го выхода счетчика 29 переключает RS-триггер 28 и счетчик 29 по R-входам в нулевые состояния. Тем самым на выходе RS-триггера 2В и, следовательно, на выходе ФОИВ 15 формируется опорный интервал времени длительностью Топ пТв.

На время Тол открывается ключ 16 и опорное напряжение U о, подвергаетс второму интегрированию с помощью интегратора 5 с постоянной времени 1. В момент окончания Топ напряжение на выходе интегратора 5 равно

Ion

-V S

Uo,dt y o-tTf ri

-1

(1).

ля однозначности считаем интегратор 5 инвертирующим. По окончании Топ ключ 16 закрывается и интегратор 5 переходит в режим хранения напряжения Uj. Появление напряжения на выходе интегратора 5 приводит, как следует из фиг.2, к переходу схемы 6 сравнения в единичное состояние.

С приходом заднего фронта импульса Т,, закрывается ключ 2, первое интегрирование заканчивается и интегратор 3 с постоянной времени С, переходит в режим хранения своего выход- ного напряжения, ко.торое к этому мо- менту равно-

01 Т,

1

и. - Т и,,

dt (2)

о ,|(

Знак минус перед значением интеграла указывает на операцию инвертирования результата первого интегрирования, что обеспечивается выполнением интегратора 3 инвертирующим. По заднему фронту импульса Ту с помощью одновибратора 23 БЗС 14 фор - мируется импульс сброса, который переводит счетчик 10 в нулевое состояние, а также переключает RS-триггер 21 БЗС 14 в единичное состояние, в результате чего открываются ключи

4и 9. При этом на вход интегратора

5поступает с выхода интегратора 3 инвертированный результат первого интегрирования, описываемый выражением 2 , а открывание ключа 9 означает начало формирования информативного интервала времени Т, по моменту окончания Tj;.

5

Так как результат первого интегрирования Uj противоположен по знак опорному напряжению V -то с учето выражений (I) и (2) выходное напряжние интегратора 5 в результате вто- рого, интегрирования напряжения Uj изменяется по следующему закону:

t U.(t)U5 - - 5

п янт ч- l - Tyt

- U3dt-u5- тт;

о

Ton ,

о о L 5 t-1 --г

(3)

т.е. уменьшается по абсолютному значению. В момент равенства выходного напряжения интегратора 5 нухпо, т.е. при выполнении равенства

Uo. +

- Vr - J

(4)

где Т - - время интегрирования напряжения и. интегратором,5, совпадаю-, щее с информативным интервалом времени, срабатьгоает схема 6 сравнения и задним фронтом своего выходного сигнала через одновибратор 24 переключает RS-триггер 21 в нулевое, а RS-триггер 22 БЗС 14 - в единичное состояния. В результате переключе- ния этих триггеров закрываются ключи 4 и 9 и сбрасывается в нуль интегратор 3, тем самым формируется задний фронт информативного интервала времени Т по моменту равенства нулю результата второго интегрирования, а все устройство возвращается в исходное состояние и с приходом очередного переднего фронта импульса Ту

цикл работы повторяется. j. ..- - Гак как время открытого состояния- ключа 9 определяется длительностью информативного интервала времени Т, то, заполняя последний с помощью ГИОЧ 8, ключа 9 и счетчика 10 импульсами образцовой частоты с периодом повторения TO, получаем результат измерения частоты f в виде числа гдапульсов N, индицируемых блоком 11 цифровой индикации

- .. u;(t)ij;--i- S

т, lont;.

f

у

(5)

Отсюда вытекает выражение для отно- сительной погрешности у. измерения частоты f - . .

Та Тп+ t (6) где УП - относительная погрешность от нестабильности коэффициента пересчета п счетчика 29.

Результат измерения Ng не зависит от стабильности опорного напряжения

и

да Т- образцовой частоты.

р,, постоянной времени Г и перио

В соответствии со способом измерения частоты формирование опорного интервала времени Т должно осуществляться в течение времени первого интегрирования, т.е. в пределах длительности импульса Ту, однако, для упрощения практической реализации ФОИВ 15, начало опорного интервала времени Tafi целесообразно синхронизирова ть с началом первого интегрирования, т.е. с началом периода Т измеряемой частоты.

Формирование опорного интервала времени Т по началу периода Т измеряемой частоты позволяет частично скомпенсировать погрешность измерения частоты ,) обусловленную разрядом емкости первого интегратор а 3.

Действительно, при Топ i

нетрудно осуществить практически) к моменту окончания TX напряжение Ur на выходе интегратора 5 из-за разряда конденсатора последнего уменьшается и равно

Tt 7т ( 1 Ту-Ton-j Uoi Тб(1 ,, Ту-TotK

U.J U5 ();р--- (1--)

tpl -оIP45

где Гр - постоянная времени разряда конденсатора интегратора 5.

с учетом разряда конденсаторов интеграторов 3 и 5 напряжение U(t) на выходе последнего изменяется на интервале Т по закону

-рг

Изобретение может быть использовано в качестве низкочастотного частотомера и позволяет повысить его быстродействие и точность измерения. Устройство содержит источник 1 опорного напряжения, ключи 2, 4, 9 и 16, интегратор 3 со сбросом, схему 6 сравнения, генератор 8 импульсов образцовой частоты, счетчик 10, блок 11 цифровой индикации, формирователь 12, блок 14 запуска и сброса и интегратор 5. Введение формирователя 15 опорного интервала времени и образование новых функциональных связей позволяет получить повьшзение точности измерения частоты благодаря соответствующему уменьшению постоянной времени первого интегрирования при сохранении чувствительности измерения. Кроме того, устройство обе-, спечивает плавность регулировки чувствительности измерения в широких пределах путем изменения соотношения постоянных времени второго интегрирования опорного напряжения и результата первого интегрирования. 2 с. п. ф-лы, 5 ил. S (Л

1 f ,. t ,.. f, Tx-Ton V Uc. Txt .. .t .

t. J T .1 pl 1:,T,

a выражение (4) принимает следующий вид:

Uoi Ton /, Tx-Tcfiv y ilili/i- V I - p -0,

TTpi ту-Ор,.

где

Из соотношения (9) получаем выражение для результата измерёйия Nl с

, . Туг-Топ V

и --- ;

1 р1

N;.(Ti-™y ,следовательно, суммарная относи- . тельная погрешность от разряда конденсаторов интеграторов 3 и 5 равна

fi

Tx-Ton Cpj

(И)

Второе интегрирование опорного напряжения U, и результата первого интегрирования Uj можно осуществить с различными постоянньими времени. Для этого выходное напряжение U,j ин- .тегратора 3 подают на интегратор 5. через ключ 4 и резистор 19, а опорное напряжение U д, - через ключ 16 и резистор 20 интегратора 5.

В этом случае равенство (4) принимает следующий вид:

УО, Тх,

к гоСТГ °

- а

(12)

где R,g, R ,0 и С g- значения, соответственно, сопротивлений резисторов 19, 20 и емкости конденсатора 18,

Из (12) вытекает выражение для результата измерения частоты fу

п -С.

R -JO

X

(13) 35

Анализ выражения (13) показьгоает, что результат измерения N также не зависит от стабильности опорного напряжения DO, , емкости С j конденса- тора 18 интегратора 5,. вносящей, как известно, основной вклад в несТ- а- бильность постоянной времени Р , и периода Т образцовой частоты, а суммарную относительную погрешность у, измерения частоты с учетом разряда конденсаторов интеграторов 3 и 5 можно представить в следующем виде

tp.+ TR- Tfp ( где То относительная погрешность от нестабильности отнощения резисторов R

Поскольку нетрудно обеспечить выполнение неравенства

Тп+ TR ГиЛ TS u, + ifp, то и в этом случае обеспечивается повышение точности измерения частоты.

учетом разряда конденсаторов интеграторов 3 и 5 (

Т -Топ

)1 f. (10)

0

0

0

5

0 5

0

5

Выбор значения постоянной времени RioC,j для опорного напряжения и,j меньшим значения постоянной времени второго интегрирования R С ц.пя результата первого интегрирования Uj путем вьшолнения неравенства R,,/R,1 позволяет получить повышение точнос- ти измерения частоты f благодаря соответствующему уменьшению постоянной времени первого интегрирования , при сохранении чувствительности измерения, т.е. при п CI-R const. Уменьшение значения С, приводит к повышению ее стабильности (например, благодаря уменьшению температурного коэффициента емкости конденсатора : при уменьшении его емкости), а зна- 5 чит, и уменьшению составляющей относительной погрешности - .

Выбор отношения 1 позволяет повысить чувствительность измерения, например, в 10 раз (при практически приемлемом значении отношения /К-20 0).

Преимуществом устройства является также возможность плавной регулировки чувствительности изкерения в широких пределах путем изменения соотношения постоянных времени второ- то интегрирования опорного напряжения Up, и результата первого интегрирования Uj, что легко осуществляется с помощью плавного изменения отношения R g/Rjo

Формула изобретения

тор импульсов образцовой частоты, третий ключ, счетчик и блок цифровой индикации, а также четвертый ключ, блок запуска и сброса и входной формирователь, выход которого объединен с управляющим входом первого ключа и первым входом блока запуска и сброса, при этом второй вход блока запуска и сброса подключен к выходу схемы сравнения, первый выход - к управляющим входам второго и третьего ключей, а второй и третий выходы - к входам Сброс соответственно первого интегратора и счетчика, о т- личающееся тем, что, с целью повышения быстродействия и точности измерения, в него введен формирователь опорного интервала времени, первый и второй входы которого подключены к выходам соответственно входного формирователя и генератора импульсов образцовой частоты, а выход - к управляющему входу четвертого ключа, при этом выход источника опорного напряжения через четвертый ключ соединен с вторым входом второго интегратора, а второй вход схемы сравнения - с общей шиной устройства.

Фиг.2

Фиг.

Фие.5