Способ измерения мгновенных значений частоты электрического сигнала и устройство для его осуществления Советский патент 1989 года по МПК G01R23/00 

31503022

на арифметический блок 23. Установка триггера 8 осуществляется путем нажатия кнопки 21 Пуск или с клеммы 20 внешнего запуска. Переключате- - лем 19 осуществляют выбор режимов работы. Отсчет тактовых импульсов генератора 5 осуществляется в счетчике 14 импульсов. Результат через регистр 22 пересылается в отсчетно-ре- гистрирующее устройство 24. Устройство содержит также делитель 6 частоты, триггеры 7, 8, формирователь 9 импульсов, блоки 10, 11 задержки,элементы И-НЕ 12,13, управляемый делитель 15 частоты, задатчик 16 коэффициента деления. 2 с.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к информационно-измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности измерения. Способ измерения мгновенных значений частоты электрического сигнала включает операции формирования двух периодических последовательностей импульсов, смещенных на временной интервал τ, не превышающий половину периода их следования, смещения электрического сигнала на постоянный уровень, измерения мгновенных значений электрических сигналов, вычитания последних из результатов измерения мгновенных значений исходного сигнала и вычисления значения частоты. Выходной сигнал поступает на вход сумматора 1, опорное напряжение - с источника 2 опорного напряжения. Через коммутатор 3 и аналого-цифровой преобразователь 4 сигнал поступает на арифметический блок 23. Установка триггера 8 осуществляется путем нажатия кнопки 21 "Пуск" или с клеммы 20 внешнего запуска. Переключателем 19 осуществляют выбор режимов работы. Отсчет тактовых импульсов генератора 5 осуществляется в счетчике 14 импульсов. Результат через регистр 22 пересылается в отсчетно-регистрирующее устройство 23. Устройство содержит также делитель 6 частоты, триггеры 7, 8, формирователь 9 импульсов, блоки 10, 11 задержки, элементы И-НЕ 12, 13, управляемый делитель 15 частоты, задатчик 16 коэффициента деления. 2 с.п.ф. 3 ил.

Изобретение относится к информа- ционно-измерительной технике и может рыть использовано по прямому назначению в частотомерах мгновенных эна- , в устройствах подстройки частоты, в устройствах измерения неэлект рических величин генераторными (частотными) методами.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

На фиг.1 приведена блок-схема устройства измерения мгновенных значений частоты электрического сигнала на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие способ и работу устройства- на фиг.З - блок-схема арифметическо- го блока.

Сущность способа измерения мгно- .венных значений частоты электричес

0о, Ц- 1

АО

+ 2

- длительность импульсов, g - период следования (To 1/fg);

где Л t Т

UQ, - постоянная величина. Затем формируют вторичную последовательность коротких прямоугольных импульсов (фиг.2г, вторая операция способа), сдвинутую относительно перU,(t) „- (1 +

О

Формируют второй электрический сигнал (фиг.26,третья операция способа)

Ul(

(4)

наперед заданного и различимого по измерительному прибору постоянного уровня и , намного меньшего, например, амплитудного значения сигнала (О, т.е. и и„.

Исследуемый электрический сигнал (1) смещают на значение постоянного

кого сигнала заключается в следующем.

Допустим, что необходимо с высокой точностью измерять мгновенные значения частоты электрического сигнала (фиг.2а)

(1)

a,(t) (2 ;rf,, t (f),

где f|. - мгновенное значение частоты;Uj(t)

и

мгновенное значение напряжения;

начальный фазовый сдвиг; амплитудное значение сигнала.

Для решения этой задачи формируют периодическую последовательность коротких прямоугольных импульсов (фиг,2в, первая операция способа)

sin(n U t V/TO)

nutT /T.

Cos ) (2)

вой на интервал времени ; , не превышающий половину периода их следования. Допустим, что сдвиг С равен 0,5 Тд (фиг.2г), тогда вторая последовательность коротких прямоугольных импульсов опишется вьфажением (при и„ - Un, и„, постоянных величинах)

j V i UD

sin(n ti tT /To)

nut

IT/T

Cos n (g,t +7 ). (3)

уровня второго электрического сигнала (2) (четвертая операция способа). р результате получают смещенный электрический сигнал (фиг.2д),

U(t) sin (27.f,; t -lfo (5)

Измеряют мгновенные значения смещенного электрического сигнала (5) в момент времени t;, t ,j , t f.. (пятая операция способа), измеряют мгновенное значение электрического сигнала (4) в момент времени t;, ,t, t

(t Э

51503022

(фиг,2д), задержаниме по отноше11-г 0,5 Iff (шестая

нию к моментам времени t и t j на время Ci операция способа). Поскольку функция преобразования реального измерителя N описывается выражением

N S (1 + p tl + UN, где и - амплитуда выборки,

(6)

Sy и ЛN-мультипликативная и аддитивная составляющие погрешности преобразования,

то результаты измерения мгновенных 15

значений сигнала (5) опишутся пыражениями

N, ll(tj) s (1 + р -t- AN;

N:.. U,(t;-,)S(l +y ) + uN ;

(

N,,, U,(t.4,)S(1 p +UN, a сигнала (4) - вьфажениями

N

(ti

3

u5

a,(t,v. )s(i +p

Ul.i(t;,, )S(1 -f p + UN j

- ULj(t,,5 )S(1 -t- J ) -t- UN.

Поскольку , )tt2(t,-, )

TO выражения (10)-(12)

25 (10)

(11) (12)30

Ul(t;,5 )и„, примут вид

1

f.

Описанный способ измер чивает исключение аддитив типликативной составляющи ти измерения. Действитель жение (19) подставим знач (18) с учетом (7)-(9) и ( зультате окончательно пол

27То

arccos

sin(2 ) cos ,;-To , , .,,,4

.--.-.-..ьл- j -ч- г.;.,

(,; t;,)

поскольку f. j (t; )/2, a ( .

Как видно из выражения (20),результат измерения мгновенных значений частоты электрического сигнала не содержит аддитивной и мультипликативной составляющих погрешности измерения. Моменты времени С;, |Чг и - 1 + 5 измерения амплитуд выборок могут быть выбраны произвольно на любом интервале исследуемого электрического сигнала. Число измерений частоты за период и частотный диапазон исследуемых сигналов ограничиваются быстродействием процесса измерения мгновенных значений амплитуд и временем обработки результатов промежуточных измерений. Практически время обработки результатов промежуточных измерений весьма мало и составляет сотни наносекунд. Если

DO S(t -f р + UN j (13) Uo S(1 + f ) + , (1A) Uo S(1 + у ) + UN , (15)

Затем вычитают результаты измерений (13)-(15) соответственно из предшествующих результатов измерений (7)- -(9) мгновенных значений смещенного электрического сигнала (5) (седьмая операция способа). В результате получают

N-- N

1 + 1 )

(16)

раже7)

N;

N

l о

N, N,

- N,4,i

44 t+5

(17) (18)

(8) (9)

Мгновенное значение частоты элект- .20 рического сигнала (1) вычисляют по

формуле

f,i

N

b;

1

arccos

r-N i-l-NlL) 2N;,

(19);

Описанный способ измерения обес пе- чивает исключение аддитивной и мультипликативной составляющих погрешности измерения. Действительно, в выражение (19) подставим значения (16)- (18) с учетом (7)-(9) и (5) и в результате окончательно получим

быстродействие процесса измерения мгновенных значений амплитуд состав- 40 ляет 0,1-0,5 мкс, то частотный диапазон применимости описанного способа составляет от тысячных долей герца

до мегагерца, т.е.

10 10 - Гц.

Устройство, реализующее способ (фиг.1), содержит сумматор 1, источник 2 опорного напряжения, коммутатор 3, аналого-цифровой преобразователь 4, генератор 5 тактовых импульсов, делитель 6 частоты, триггеры 7 и В, формирователь 9 импульсов, блоки 10 и 11 задержки, элементы И-НЕ 12 и 13, счетчик 14 импульсов, управляемый делитель 15 частоты, за- датчик 16 коэффициента деления, дешифратор 17, элемент ИЛИ-НЕ 18, переключатель 19 режимов работы, клемму 20 внешнего запуска, кнопку 21 Пуск, регистр 22, арифметический

блок 23, отсчетно-регистриругацее устройство 24.

Арифметический блок 23 включает в себя шесть регистров 25-30, три вычитателя 31-33, сумматор ЗА, два цифровых блока деления 35 и 36, функциональный преобразователь 37, второй задатчик 38 числа и второй дешифратор 39.

Первый вход сумматора 1 подключен к входной клемме, второй вход сумматора 1 соединен с одноименным входом коммутатора 3 и подключен к первому выходу источника 2 опорного напряжения. Выход сумматора 1 соединен с первым входом коммутатора 3, выход которого подключен к входу аналого-цифрового преобразователя 4

Ст,робирующий вход аналого-цифро- вого преобразователя 4 соединен с выходом формирователя 9 импульсов.

Вход управления коммутатора 3 соединен с выходом триггера 7, счетньш вход которого соединен с входом фор- 1ирователя 9 импульсов и подключен к выходу элемента И-НЕ 12, с которым соединен и счетный вход счетчика 14 импульсов.

Выходы счетчика 14 импульсов под- ключены к управляющим входам арифметического -блока 23 и входам дешифратора 17. Выход дешифратора 17 соединен с управляющим входом регистра 22 входом установки нуля триггера 8 и через первый блок 10 задержки с входом установки нуля счетчика 14 импулсов.

Прямой выход второго триггера 8 подключен к первому входу элемента И-НЕ 12, второй вход которого соединен с выходом генератора 5 тактовых импульсов, к которому подключен и вход делителя 6 частоты.

Выход делителя 6 частоты через блок 11 задержки соединен с первым входом элемента И-НЕ 13, второй и тртий входы которого подключены соответственно к инверсному выходу триггера 8 и первому выходу переключателя 19 режимов работы. I

Выход элемента И-НЕ 13 соединен со счетным входом управляемого делителя 15 частоты, установочные входы которого подключены к выходам задат- чика 16 коэффициента деления.

Выход управляемого делителя 15 чатоты соединен с первым входом элемента lUTM-HE 18, выход которого под

5

0

5

О

«

е

5

5

ключен к входу установки нуля триггера 7 и входу установки единицы триггера 8, второй и третий входы элемента ИЛИ-НЕ 18 соединены с одноименными выходами переключателя 19 режимов работы.

Первый вход переключателя 19 режимов работы соединен с вторым выходом источника 2 опорного напряжения.Второй, третий и пятый входы переключателя 19 режимов работьГобъединены и подключены к земляной шине. Четвертый вход через кнопку 21 Пуск соединен с вторым входом источника 2 опорного напряжения, а шестой вход переключателя 19 режимов работы подключен к клемме 20 внешнего запуска.

Входы арифметического блока 23 соединены с выходами аналого-цифрового преобразователя 4, а выходы подключены через регистр 22 к входам отсчетно-регистрирующего устройства 24 и являются цифровыми выходами устройства.для измерения мгновенных значений частоты исследуемого электрического сигнала.

В арифметическом блоке 23 (фиг.З) одноименные входы регистров 25-30 объединены и являются входами блока 23. Управляющие входы регистров 25-30 соединены сЬУЛ-ветственно с первого по шестой выходами депшфратора 39, входы которого являются управляющими входами арифметического блока 23.

Выходы регистров 25-27 и 29 соединены с входами Уменьшаемое вычита- телей 31, 32 и 33 соответственно.Выходы регистров 26, 28 и 30 подключены к входам Вычитаемое вычитате- лей 31,32 и 33 соответственно,

Вькоды вычитателей 31 и 33 соединены с входами сумматора 34, чьи выходы подключены к входам Делимое первого цифрового блока 35 деления, входы Делитель которого соединены с выходами второго вычитателя 32,

Выходы цифрового блока 35 деления через функциональный (арккосинус- ный) преобразователь 37 подключены к одноименным входам Делимое второго цифрового блока 36 деления, входы Делитель которого соединены с выходами задатчика 38 числа. Выходы второго цифрового блока 36 деления являются выходами арифметического блока 23.

Устройство измерения мгновенных значений частоты электрического сигнала работает следующим образом.

Fla первый вход сумматора 1 поступает исследуемый электрический сигнал (1), мгновенное значение частоты которого подлежит измерению. На второй вход сумматора 1 с первого выхода источника 2 опорного напряжения поступа-ет второй элект13ический сигнал (А) постоянного уровня. Выходной сигнал (5) сумматора 1 поступает на первый вход коммутатора 3, на второй вход которого поступает сигнал (4) с первого выхода источника 2 опорного напряжения (фиг.1).

Рассмотрим режим одиночного измерения при ручном (РУ) или автоматическом (АУ) управлении работой устройства. Для этого переключатель 19 режимов работы переводят в положение, противоположное указанному на фиг.1. В результате запрещается подача выходных импульсов делителя 6 частоты на первый вход элемента ИЛИ-НЕ 18. Установка триггера 8 в состояние единицы осуществляется вручную путем нажатия кнопки 21 Пуск или автоматически путем подачи импульса, соответствующего логической единице, на клемму 20 внешнего запуска (фиг.1).

Управляющие импульсы с второго и третьего выходов переключателя 19 режимов работы поступают через второй (при ручном) или третий (при внешнем управлении) входы элемента ИЛИ-НЕ 18 на вход установки единицы триггера 8.

Управляю1цие импульсы на первый вход элемента 18 не поступают, так как в указанном положении переключателя 19 режимов работы на третий вход элемента И-НЕ 13 подается нулевой потенциал, запрещающий прохождение указанных импульсов с выхода делителя 6 частоты.

При поступлении разрещающего потенциала с выхода триггера 8 на первый вход элемента И-НЕ 12 на выходе последовательно появляются тактовые импульсы с генератора 5. Эти импульсы поступают на счетный вход триггера 7, с помощью которого осуществляет-55 цифровом выходе устройства пося управление работой коммутатора 3. В результате сигналы (1) и (4) поочередно поступают на вход лналого-цифро- вого преобразователя ч. С помощью

явится код результата измерения мгно венного значения частоты исследуемого электрического сигнала. С помощью отсчетно-регистрирующего устройстформирователя 9, подключенного к вы-- ходу элемента И-НЕ 12, из периодической последовательности прямоугольных с импульсов формируются строб-гимпуль- сы, которые управляют работой аналого- цифрового преобразователя 4. В моменты времени поступления этих импульсов на стробирующий вход аналого-цифрово- 0 го преобразователя 4 осуществляется преобразование и выдача кода мгновенных значений того или иного электрического сигнала в регистры памяти арифметического Ллока 23, 5 Управление работой арифметического блока 23 осуществляется путем подачи тактовых импульсов с выхода элемента И-НЕ 12 на счетный вход счетчика 14, выходной код которого и осу- 0 ществляет управление равотой арифметического блока 23.

С выходов аналого-цифрового преобразователя 4 на входы арифметического блока 23 поступают коды чисел вы- 5 ражений (7) и (13), (8) и (14), (9) и (15).

Обработка результатов промежуточных измерений осуществляется в динамическом режиме с поступлением каждо- 0 го тактового импульса в счетчик 14.

Поскольку для осуществления, процесса измерения необходимо всего шесть тактовых импульсов, то после прохождения шестого импульса счетчик 14 импульсов обнуляется. Это обеспечивается путем дешифрации выходного кода счетчика 14 с помощью дешифратора 17. При поступлении шестого импульса на выходе дешифратора 17 появляется импульс, который устанавливает второй триггер 8 в нуль и тем самым запрещает прохождение тактовых импульсов через элемент И-НЕ 12. С другой стороны, выходной импульс 5 дешифратора 17 поступает на управляющий вход регистра 22 и тем самым, осуществляет запись результата измерения (19) в регистр 22. И, наконец, . через блок 10 задержки выходной им- Q пульс дешифратора 17 поступает на вход установки нуля счетчика 14,обнуляя его после поступления шести тактовых импульсов. В результате на выходе регистра 22, а следовательно.

5

0

явится код результата измерения мгновенного значения частоты исследуемого электрического сигнала. С помощью отсчетно-регистрирующего устройстч15

ва 24 результат измерения индицирует ся в десятиричной системе счисления. При повторном Нажатии кнопки 21 Пуск процесс измерения аналогично повторяется.

Если измерение мгновенных значений частоты исследуемых сигналов необходимо осуществлять автоматически, то для этого устанавливают переключатель 19 режимов работы в положе

ние, показанное на фиг.1. В резуль10 импульсов в счетчик 14 коды чисел N;.2. иЫ записываются в регист ры 27 и 28 соответственно. До прихода пятого тактового импульса осуществляется вычитание кода числа

15 Nj из кода числа N; . Результа вычитания поступает на вход Делитель цифрового блока 35 деления.

При поступлении в счетчик 14 пят го и шестого тактовых импульсов осу

тате на третий вход второго элемента И-НЕ 13 поступит разрешающий потенциал. При этом второй и третий входы элемента ШШ-НЕ 18 заземляются.

Тактовый импульс с выхода делителя 6 частоты через второй блок 11 задержки и элемент И-НЕ 13 поступит

на счетный вход управляемого делите- 20 ществляется запись кодов чисел Nc ля 15 частоты. На установочные входы управляемого делит1еля 15 частоты с выхода задатчика 16 поступает код коэффициента деления Кл частоты следования входных импульсов. При К. 1 процесс измерения будет каждый раз повторяться, так как через элемент ИЛИ-НЕ 18 на вход установки единицы второго триггера 8 будет поступать

и в регистры 29 и 30 соотве ственно. До прихода следующего импульса осуществляется суммирование кодов чисел N , и N ; в суммато- 25 ре 34. Затем полусумма чисел N;, N ;j делится на значение числа N с помощью первого цифрового блока деления. Результат деления преобразуется в функциональном (арккосизадержанный .на время f переходных про-зо нусном) преобразователе 37 матричцессов в триггере 8 каждый седьмой тактовый J мпyльc генератора 5.Если коэффициент деления делителя частоты выбрать равным семи или десяти, то процесс измерения при будет повторяться с каждым восьмым или одиннадцатым тактовь4м импульсом.

При KQ 1 (например, ) процесс измерения будет осуществляться через промежутки времени

ного типа и поступает на вход Делимое второго цифрового блока 36 деления, на вход Делитель которого поступает код числа- N(, 271 с выхо да задатчика 38.

В результате на выходе второго ци рового блока деления, а следовательно, и на выходе арифметического блока появится код результата измерения , определяемый выражением (19).

35

40 М

изм

К| т з

где К ,

1C д - коэффициенты деления делителей 6 и 15 частоты,

f - частота следования

о

тактовых импульсов. С выхода аналого-цифрового преобразователя 4 коды чисел поступают на объединенные входы регистров 25-30 При поступлении первого тактового импульса в счетчик 14 на первом выходе дешифратора 39 появится сигнал, разрешающий запись числа NJ в регистр 25. При поступлении второго тактового импульса в счетчик 14 на втором выходе дешифратора 39 появится сигнал, разрешаюп(Ий запись числа

1 2

N

;v, в регистр 26. До прихода третьего тактового импульса в вычита- теле 31 осуществляется вычитание

кода числа из кода числа N; , а результат вычитания поступает на один из входов сумматора 34.

Аналогичным образом при поступлении третьего и четвертого тактовых

импульсов в счетчик 14 коды чисел N;.2. иЫ записываются в регистры 27 и 28 соответственно. До прихода пятого тактового импульса осуществляется вычитание кода числа

Nj из кода числа N; . Результат вычитания поступает на вход Делитель цифрового блока 35 деления.

При поступлении в счетчик 14 пятого и шестого тактовых импульсов осу20 ществляется запись кодов чисел Nc

и в регистры 29 и 30 соответственно. До прихода следующего импульса осуществляется суммирование кодов чисел N , и N ; в суммато- 25 ре 34. Затем полусумма чисел N;, и N ;j делится на значение числа N с помощью первого цифрового блока 35 деления. Результат деления преобразуется в функциональном (арккоси5

ного типа и поступает на вход Делимое второго цифрового блока 36 деления, на вход Делитель которого поступает код числа- N(, 271 с выхо- да задатчика 38.

В результате на выходе второго цифрового блока деления, а следователь ; но, и на выходе арифметического блока появится код результата измерения , определяемый выражением (19).

Исключение аддитивной и мульти- . пликативной составляющих погрешности, достигаемое путем введения в устройство сумматора, автоматического переключателя, двух триггеров, формирователя импульсов, элемента И-НЕ, счетчика и дешифратора, повышает точность измерения мгновенных значений частоты электрического сигнала.

5

0 М

50

Формула изобретения

ротких импульсов повышенной частоты и со стабильным периодом следования, измерении мгновенных значений контро 1303(V

лируемого электрического гигиаля в моменты времени следования коротких импульсов и определении частоты по формуле

1

2-7Т.

а г с: с о S I

, 2NT

.)

где Т - период следования коротких

импульсов;

f,.- - частота контролируемого

Л 1

электрического сигнала, Ni,,N;,

и N;, - результаты i-x измерений, отличают и йсятем, что, с целью повьпиения точности измерения, формируют вторую периодическую последовательность коротких импульсов, сдвинутую относительно первой на интервал времени, не превышающий поло- вину периода их следования, формируют второй электрический сигнал наперед заданного постоянного уровня, на который смещают исследуемый электрический сигнал, измеряют мгновенные зна- чения второго электрического сигнала в моменты следования коротких импульсов второй периодической последовательности коротких импульсов, вычитают результаты измерений из соответ- ствующих результатов измерений мгновенных значений смещенного электрического сигнала и полученные результаты промежуточных измерений используют для определения мгнове 1ньгх значений частоты исследуемого электрического сигнала в. качестве значений N;, , Nj , Ni,.

2, Устройство для измерения мгно

венных значений частоты электрического сигнала, содержащее генератор тактовых импульсов, первый и второй блоки задержки, последовательно соединенные аналдго-цифровой преобразователь, арифметический блок, регистр и отсчетно-регистрир К11цее устройство, отличающее сятем, что, с целью повышения точности, в него введены коммутатор, первьй и второй триг геры, первый rt второй элементы И-НЕ, элемент ИЛИ-НЕ, делитель частоты,формирователь импульсов, управляемый делитель частоты, задатчик коэфф1щиен- та деления, переключатель режимов работы, источник опорного напряжения, счетчик импульсов, дешифратор и сумматор, первый вход которого подклю

Ю

15 20 25 ЗО 35

40

45

,,

5

чрн к пходной клемме, второй вход соединен с вторым входом коммутатора и подключен к первому выходу источника опорного напряжения, выход сумматора соединен с вторым входом коммутатора, вьгход которого подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, стробирующий вход которого соединен с выходом формирователя импульсов, цепь управления коммутатора соединена с выходами первого триггера, счетный вход которого соединен с входом формирователя импульсов, с выходом первого элемента И-НЕ и со счетным входом счетчика импульсов, выходы которого подключены к управляющим входам арифметического блока и к входам дешифратора, выход которого соеди 1ен с управляющим входом регистра, входом установки нуля второго триггера и через первый блок эадерж- ки - с входом установки нуля счетчика импульсов, прямой выход второго триггера подключен к первому входу первого элемен а И-НЕ, второй вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов и с входом делителя частоты, выход которого че- рея второй блок задержки соединен с первым входом второго элемента И-НЕ, второй и третий входы которого подключены соответственно к инверсному выходу второго триггера и первому выходу переключателя режимов работы, выход второго элемента И-НЕ соединен со счетным входом управляемого делителя частоты, установочные входы которого подключены к выходам эадат- чика коэффициента деления, выход управляемого делителя частоты соединен с первым входом элемента ИЛИ-НЕ, выход которого подключен к входу установки нуля первого триггера и к входу установки едини1а 1 второго триггера, второй и третий входы элемента ШТИ-НЕ соединены с одноименньми выходами переключателя режимов работы, первьп1 вход которого соединен с вторым выходом источника опорного напряжения, а второй, третий и пятый входы которого объединены и подключены к земляной шине, четвертый вход через кнопку Пуск соединен с вторым выходом источника опорного напряжения, а шестой вход переключателя режимов работы подключен к клемме внешнего запуска.

-

едактор С,Пекарь

Составитель Ю.Минкин Техред М.Ходанич

Заказ 5081/55

Тираж 714

ЗНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

IMV

LaiMJULt

.t

«Mj

Корректор М.Пожо

Подписное